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Fachartikel
29. Oktober 2018

Energieeffizienz

WKK: SCHLÜSSEL FÜR EINE WIRKUNGSVOLLE SEKTORKOPPLUNG

Für eine erfolgreiche Energiewende braucht es geeignete Mittel zur Produktion von Wärme und Strom. Mit der Wärme-Kraft-Kopplung erreicht man eine vollständige Ausnutzung von Primärenergie bei modularem Einsatz, skalierbaren Leistungen und hohem Wirkungsgrad. Vier unterschiedliche Schweizer Beispiele belegen die erfolgreiche Umsetzung und Einsatzmöglichkeiten dieser Technologie.
Daniel Dillier, Stephan Renz, Jürg Wellstein, 

Mit dem Entscheid des Schweizer Stimmvolkes zum neuen Energiegesetz im Frühjahr 2017 ist die Energiewende definitiv eingeläutet. Die Ziele sind eine verstärkte Energieeffizienz, die Nutzung erneuerbarer Energien sowie der Ersatz der wegfallenden Stromproduktion aus den stufenweise stillzulegenden Kernkraftwerken. Den Weg dazu gilt es zu formulieren und umzusetzen. Neben dem anvisierten Ausbau von Photovoltaik und Windenergieanlagen, der verstärkten Gewinnung von Abwärme und Erdwärme, muss die Wärme-Kraft-Kopplung (WKK) einen wesentlichen Beitrag leisten. Sie ist sehr flexibel einsetzbar und produziert auch dann Strom, wenn die Sonne nicht scheint und der Wind nicht weht. Damit kann vor allem im Winterhalbjahr der zusätzliche Bedarf an Importstrom, der mit dem Zubau von Wärmepumpen und der Verbreitung der Elektromobilität zusätzlich steigt, durch Stromproduktion im Inland abgedeckt werden. Und mit der gleichzeitig erzeugten Wärme lassen sich alte, ineffiziente Heizsysteme ersetzen.
Die Erdgasversorgung verfügt über genügend Kapazitäten und immer mehr sind auch erneuerbare Gasprodukte verfügbar. Diese eignen sich durch Komprimierung zur saisonalen Speicherung und begünstigen damit die nötige Sektorkopplung von Gas, Wärme und Strom. Wohl sind die Herausforderungen bei der Solar- und Windstromumwandlung bekannt, die finanziellen und juristischen Hürden beim Ausbau von Wärmenetzen vertraut, doch mit dem verstärkten Verknüpfen von Gas-, Wärme- und Stromnetzen gewinnt man Funktionalität und Sicherheit bei der Energieversorgung.
Eine Netzkonvergenz ist nötig, um die künftigen Energie-Kapazitäten bereitzustellen, das tendenziell sich vergrössernde Winterstromdefizit zu beheben, das CO2-Reduktionsziel erreichen zu können und die Preisvolatilität zu kompensieren. Die Wärme-Kraft-Kopplung wird somit zum geeigneten Bindeglied der angestrebten Sektorkopplung. Die WKK sichert und verbindet die Gas-, Wärme- und Stromversorgung. Die Anlagentechnik ist bewährt, bietet Brennstoffflexibilität, Modularität, Skalierbarkeit und ist sofort umsetzbar. Alles spricht für die Wärme-Kraft-Kopplung. Die folgenden Beispiele aus der Schweiz zeigen die Anwendungen im Gebäudebereich, bei kommunalen Infrastrukturanlagen, beim Einsatz für gemeindliche Fernwärme und in der Industrie.

Vier erfolgreich umgesetzte Praxisbeispiele
ADEV: Eigenstromnutzung und 106% Gesamtwirkungsgrad mit BHKW

Bei der Erneuerung eines bestehenden Blockheizkraftwerks (BHKW) im Alterszentrum Alban-Breite in Basel konnte sowohl eine Contracting-Lösung gefunden als auch die Eigenstromnutzung eingeführt werden. Beide Massnahmen bilden die Grundlagen für den weiterführenden Einsatz der Wärme-Kraft-Kopplung. Denn mit der Inbetriebnahme des neuen Blockheizkraftwerks wurde bewährte Technik bei gleichzeitig veränderten Rahmenbedingungen gewählt. Durch das Contracting verbunden mit einer Eigenstromnutzung kann man dem notwendigen hohen Strom- und Wärmebedarf eines solchen Zentrums mit 83 Pflegebetten entsprechen und die erforderliche Raumwärme sowie Warmwasserbereitung auf effiziente Weise zur Verfügung stellen.
Beim Bau des Alterszentrums Anfang der 1990er-Jahre haben die kantonalen Behörden gewünscht, dass hier ein BHKW eingebaut würde. Mit Nachbar-Liegenschaften, die parallel zum Bau des Alterszentrums erstellt wurden, konnte dann ein kleiner Wärmeverbund realisiert werden. Den erzeugten Strom lieferte man dem Stadtwerk, also ins öffentliche Netz. Aufgrund veränderter Rahmenbedingungen wurde 2016, als eine Erneuerung diskutiert werden musste, eine neue Basis geschaffen. Statt einen Ersatz durch einen einfachen Gaskessel zu erwägen, einigte man sich mit der ADEV Energiegenossenschaft in Liestal auf eine erneuerte Wärme-Kraft-Kopplungs-Lösung im Contracting. Dazu wurden auch aktualisierte Bedarfsberechnungen durchgeführt und die bisherige, überdimensionierte Anlage durch ein modernes BHKW-Modell abgelöst.
Mit dem neuen, gasbetriebenen BHKW-Typ Avesco steht eine elektrische Leistung von 93 kW für das Alterszentrum zur Verfügung. Der darin verwendete hocheffiziente Gasmotor stammt von der Firma Liebherr, die in Bulle, Kanton Freiburg, Verbrennungsmotoren entwickelt und auch herstellt. Als nutzbare Wärmeleistung für den Wärmeverbund mit integrierter Wärmepumpe und Abgasrekuperator sowie Strahlungsabwärmenutzung stehen 76 kW zur Verfügung. Damit wird ein Gesamtwirkungsgrad von 89 Prozent erreicht. Zusammen mit der in der BHKW-Anlage integrierten Wärmepumpe kann jedoch ein Wert von rund 106 Prozent erzielt werden. Dies bestätigt den effizienten Einsatz von Primärenergie dank der Wärme-Kraft-Kopplung.
Das drei Tonnen schwere BHKW wird von einer Betonplatte abgestützt, die ihrerseits auf Federelementen gelagert ist. Damit können die bereits im BHKW integrierten Schalldämmungsmassnahmen wirkungsvoll ergänzt werden, sodass die Übertragung der Schallwellen von der Energiezentrale auf das darüber liegende Alterszentrum minimalisiert wird.
Die Anlage wird nach wie vor wärmegeführt betrieben, sodass im Sommer die Einsatzdauer vermindert ist. Dies betrifft somit auch die Stromproduktion des BHKW. Im Sommer kann nur 16 Prozent des Strombedarfs abgedeckt werden. Im Winter steigt dieser Wert auf bis zu 95 Prozent. Übers ganze Jahr betrachtet lassen sich durchschnittlich 60 Prozent des Stromverbrauchs des Zentrums decken. Dieser Strom muss nicht mehr zu hohen Beschaffungskosten vom Netz bezogen werden, was die Wirtschaftlichkeit der Anlage substanziell verbessert. Gleichzeitig versorgt man den Wärmeverbund, zu dem ein Hotel und das Gebäude der Gesellschaft für Arbeit und Wohnen (GWA) gehören, mit Wärme. Durch das Contracting werden die Verantwortlichen von den Überwachungs- und Betreuungsaufgaben der Anlage entlastet. Sie wird von der ADEV mit Fernüberwachung kontrolliert. Als Besitzer und Contractor ist das Energieversorgungsunternehmen daran interessiert, einen optimalen, zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten und somit Strom und Wärme nach Bedarf liefern zu können. Mit der Eigenverbrauchslösung ergeben sich ökonomisch sinnvolle Bedingungen für die neue Anlage. Langfristig betrachtet bewirkt die hier verwirklichte Wärme-Kraft-Kopplung für die Winterstromversorgung eine Entlastung des Netzes und Unabhängigkeit gegenüber möglichen erhöhten Strompreisen.

AIL: CO2-freie Wärme- und Stromproduktion aus Klärgas

In der regionalen Abwasserreinigungsanlage von Lugano, der ARA Bioggio, wird seit 2015 ein Jenbacher-Blockheizkraftwerk von der Firma IWK eingesetzt, um aus dem anfallenden Klärgas Wärme und Strom zu erzeugen. Die Wärme wird intern für den Fermentationsprozess genutzt und der überschüssige Strom ins Netz geliefert. Damit werden Energie- und Stoffkreisläufe geschlossen und erneuerbarer Strom produziert. Das vorhandene Klärgas kann also optimal genutzt werden.
Diese Abwasserreinigungsanlage wurde in den Jahren 1972 bis 1976 erstellt. Sie weist ein Einzugsgebiet von deutlich über 180 000 Einwohnern auf und wurde vor wenigen Jahren umfassend erneuert. Ursprünglich dienten ein Dieselgenerator als Notstromaggregat sowie ein Gasmotor zur Stromerzeugung. Als man dann einen Ersatz erwägen musste, evaluierte man eine Wärme-Kraft-Kopplungsanlage zur vollständigen Nutzung des anfallenden Klärgases für eine kombinierte Wärme- und Stromproduktion. Die Wahl fiel zugunsten eines modernen BHKW aus. Heute befindet sich in einem auf dem ARA-Gelände stehenden Container ein Jenbacher-BHKW mit einer thermischen Leistung von 552 kW und mit 527 kW elektrischer Leistung. Bei Volllastbetrieb kann er stündlich 250 m3 Klärgas umsetzen. Der 12-Zylinder-Motor weist rund 29 Liter Hubraum auf; er arbeitet mit einer Drehzahl von 1500 pro Minute und erreicht einen Gesamtwirkungsgrad von über 83 Prozent (bei Klärgas).
AIL rechnet mit jährlich ca. 5000 Betriebsstunden, während denen ca. 2,8 GWh Strom erzeugt werden können. Das zur Verfügung stehende Klärgas bestimmt diesen Wert; entsprechend der möglichen Betriebsdauer erfolgt also auch die Stromproduktion. Die Anlage arbeitet in der Regel stromgeführt. Der gross dimensionierte und ebenfalls erneuerte Klärgasspeicher neben der BHKW-Anlage sichert einen kontinuierlichen Betrieb mit möglichst wenigen Start- und Stoppvorgängen des Gasmotors. Die Wärmeabgabe, die durch das Kühlwasser und einen entsprechend ausgelegten Wärmetauscher im Container bestimmt wird, ergibt sich durch den jeweiligen internen Bedarf der Fermenter in der ARA. Die Vorlauftemperatur liegt bei ca. 85 °C, der Rücklauf bei ca. 60 °C.
Selbstverständlich wurden in der Planungsphase auch mögliche externe Wärmelieferungen geprüft, es konnte aber – für die neben der Autobahn und dem Flughafen Agno gelegene Anlage – in nützlicher Distanz kein wirtschaftlich erschliessbarer Bedarf erkannt werden. Die AIL setzt sich in ihrem Einzugsgebiet jedoch stark für Wärmeverbünde ein, betreibt drei weitere BHKW zu diesem Zweck und versucht vermehrt erneuerbare Energien und Abwärme zu nutzen. Mit Strom, Gas, Wärme und Wasser versorgt die AIL als grösster Anbieter 57 Gemeinden im Grossraum von Lugano. In der Erkenntnis, dass die kombinierte Wärme- und Stromproduktion mithilfe von BHKW eine sinnvolle Lösung für Abwasserreinigungsanlagen darstellt, aber auch einen Effizienzgewinn bei Wärmeverbünden oder als Ersatz grosser Heizölkessel mit sich bringen, setzen sich die AIL auch in Zukunft für diese Technologie ein.

InfraWerkeMünsingen: modernste BHKW-Technik für die Energiestadt Münsingen

Als es um den Bau des neuen Fernwärmenetzes Süd in Münsingen ging, hatten sich die InfraWerkeMünsingen mit zwei Varianten befasst, wobei die Nutzung der Wärme-Kraft-Kopplung von Anfang an feststand. In Kombination mit Wärmepumpen stellte sich Erdgas als energetisch und emissionsmässig optimale Energiequelle dar. Denn mit der Wärme-Kraft-Kopplung konnte man den Energie-Richtplan angemessen umsetzen und eine ideale Voraussetzung für den Ausbau der Fernwärme schaffen. Dies war möglich, weil ein wesentlicher Erfolgsfaktor für die konsistente Energieversorgung der Gemeinde durch die politischen Entscheide der vergangenen Jahre begründet ist. Darin wurde ein kontinuierlich expandierendes Fernwärmenetz festgelegt. So konnte man das BHKW als logischen Schritt aufgrund des politischen Willens der Bevölkerung und der Berücksichtigung der örtlichen Gegebenheiten definieren. Mit dem in der Energiezentrale installierten BHKW der Firma Avesco stehen maximale Leistungen von 1600 kW thermisch und 1000 kW elektrisch zur Verfügung. Die Anlage wird wärmegeführt betrieben und versorgt ein wachsendes geografisches Gebiet in Münsingen.
Die InfraWerkeMünsingen sind eine selbstständige, öffentlich-rechtliche Unternehmung der Gemeinde, die eine breite Kundschaft mit Strom, Wasser und Wärme versorgt. Sie planen und betreiben Produktionsanlagen und Verteilnetze. Als erste Gemeinde im Kanton Bern schaut Münsingen bereits auf über 20 Jahre Energiestadt-Label zurück. Mit der Abwärmenutzung der Abwasserreinigungsanlage hat die Ära der Fernwärme Mitte der 1990er-Jahre begonnen. Bereits da wurde das Prinzip der Anschlusspflicht eingeführt. Vor rund zehn Jahren erarbeitete man einen Energie-Richtplan. Darin ist festgehalten, dass schon rund ein Drittel der Liegenschaften mit Wärmepumpen ausgestattet ist, und dass die auf Gemeindegrund verlegte Erdgas-Versorgungsleitung fürs Berner Oberland eine Option für künftige Ausbauschritte darstellen könnte.
Bei der Festlegung des Ausbaus der Fernwärme in südlicher Richtung, also in ein Gebiet mit Wohn- und Gewerbe/Industriezonen, kam erneut dieser politische Schritt ins Spiel: die Anschlusspflicht, ausser man wählt eine erneuerbare Energiequelle. Damit liessen sich klare Signale und eine Grundlage für die Planung der Energiezentrale setzen. Mit der Einschränkung, keine Erdwärme- oder Grundwasser-Wärmequellen in diesem Perimeter nutzen zu dürfen, blieben für den Südausbau und den hierfür beschlossenen Einsatz der Wärme-Kraft-Kopplung nur Holz oder Erdgas übrig. Aufgrund der erforderlichen Holzmengen und der damit verbundenen energie- und emissionsintensiven Transporte entschied man sich für Erdgas und den damit betriebenen Blockheizkraftwerken. Mit dem Gasanschluss hat man in Münsingen aber nicht nur die Versorgung der Fernwärme ermöglicht, sondern auch Optionen für industrielle Applikationen mit Prozesswärme vorbereitet, deren Abwärme erneut in die gesamtenergetische Betrachtung einfliessen kann. Mit der neuen Fernwärme-Verbindungsleitung zwischen dem Nord-Netz und dem jüngeren Süd-Netz ergeben sich Redundanz und mehr Effizienz im Betrieb. Die Temperaturen im Fernwärme-Vorlauf betragen 70 bis 80 °C, im Rücklauf 40 bis 60 °C. Im Endausbau lässt sich eine zweite BHKW-Einheit integrieren und so können die Leistungen verdoppelt werden. Mit zwei 30 m3 grossen Pufferspeichern werden die täglichen Verbrauchsspitzen entschärft. Zur generellen Spitzenlastabdeckung dienen drei Zweistoffkessel (Endausbau 4 Einheiten) mit je 2 MW Leistung.
Im Endausbau, der 2035 erreicht werden sollte, wird die gesamte Heizleistung über 9000 kW betragen; und mit 2000 kW Strom lassen sich dann auch sämtliche Wärmepumpen der Gemeinde betreiben. Der Einsatz von Erdgas bildet aus ganzheitlicher Perspektive und zur Etablierung der Fernwärme eine ideale Ausgangslage. Mit der von der Gaswirtschaft prognostizierten Erweiterung der Power-to-Gas-Technologie und damit möglichen saisonalen Speicherung von Sonnen- und Windstrom wird das Blockheizkraftwerk Schritt für Schritt grüner, effizienter und nachhaltiger.

F. Hoffmann-La Roche AG: dank WKK-Technik CO2-Reduktion in der Industrie-Anwendung

Beim Pharmaunternehmen F. Hoffmann-La Roche AG in Basel ist neben anderen innovativen Energiesparmassnahmen auch die schweizweit grösste Wärme-Kraft-Kopplungsanlage installiert, die rund um die Uhr Wärme und Strom erzeugt. Denn für Industrieunternehmen ist die Wärme-Kraft-Kopplung doppelt sinnvoll, weil hier immer beides benötigt wird: Wärme und Strom. Da Prozesswärme während des ganzen Jahres erzeugt werden muss, also bis zu 8800 Stunden, kann eine Anlage mit Wärme-Kraft-Kopplung dank Volllastbetrieb einen effektiven Beitrag zur Energieversorgung leisten. Gleichzeitig sind auch zahlreiche Stromkonsumenten vor Ort.
Mitte 2015 wurde deshalb ein neuer Jenbacher-Gasmotor von der Firma IWK mit gekoppeltem Generator, der eine elektrische Leistung von 4,4 MW aufweist, im Basler Werk eingebracht. Zusätzlich lassen sich damit Niedertemperaturwärme von 40 °C und einer Leistung von 2,4 MW sowie 1,4 MW Dampf mit einem Druck von bis zu 8 bar erzeugen. Dieser wird durch einen Wärmetauscher mit dem 400 °C heissen Abgas des Gasmotors erzeugt. Bei der Dampfproduktion liegt der Spitzenbedarf im Winterhalbjahr. Der Strombedarf hingegen liegt ganzjährig über der von der WKK maximal erzeugbaren Leistung; das lokale Stromnetz erfährt damit eine Entlastung, wird also weniger belastet. Inzwischen hat das Unternehmen auf dem Firmenareal ein zusätzliches Energieverteilnetz realisiert, das mit der tiefen Temperatur von 40 °C Wärme für die zahlreichen Gebäude liefert. Die für alle unterschiedlichen Medien vorhandenen Kanäle stellen eine ideale Voraussetzung für den Bau eines solchen Niedertemperaturnetzes dar. Aufgrund dieser vorhandenen Infrastruktur konnte das Verteilsystem rasch und kostengünstig erstellt werden. Im Rahmen der Variantenprüfung hatte man auch Gasturbinen sowohl mit Hochdruck- als auch Niederdruckabhitzekessel untersucht. Die resultierenden wirtschaftlichen und prozesstechnischen Ergebnisse gaben dann aber dem Gasmotor den Vorzug.
Eine besondere Herausforderung stellen die ökologischen Zielsetzungen des Unternehmens dar, das schon heute nur CO2-freien Strom einkauft und die eigenen CO2-Emissionen bis 2020 um 15% reduzieren will. Mit der Installation des leistungsstarken Gasmotors widerspricht man zunächst dieser angestrebten Entwicklung. Es wird hier zwar Erdgas genutzt, doch zur Kompensation der CO2-Emissionen führte man gezielte Massnahmen durch. Beispielsweise liefern Kältemaschinen, die als bivalente Wärmepumpen funktionieren, sowie zusätzliche Wärmepumpen geeignete Nutzwärme, indem Quellen, wie Abwärme aus dem Areal und Geothermie aus Grund- und Flusswasser, auf ein nutzbares Niveau angehoben werden. Mit dem in der WKK-Anlage produzierten Strom erzeugt man auf diese Weise Wärme für Heizzwecke. Derzeit wird eine Wärmeleistung von gegen 30 MW erreicht. So lässt sich das von konventionellen Heizkesseln emittierte CO2 substituieren.
Mit einer kompakten Anordnung von Büro-, Labor- und Produktionsgebäuden auf dem Areal mitten in Basel konnte das Pharmaunternehmen geeignete Verbundsysteme schaffen, die hohe Leistungswerte mit Kältemaschinen/Wärmepumpen generieren. Aus einem Anteil Strom werden bis zu acht Teile Wärme und Kälte produziert. Zudem sind optimale Effizienzwerte beim Gasmotor möglich, da die Wärme jederzeit im Areal Verwendung findet. Insgesamt kann mit der Abgaskondensation eine 95-Prozent-Ausnutzung des Erdgases erzielt werden. Strom sowie Wärme und Kälte werden simultan benötigt und können hier mit Gasmotor und Kältemaschinen in Kombination zur Verfügung gestellt werden. Losgelöst von integralen Betrachtungen mag die Wärme-Kraft-Kopplung mit einem Gasmotor erhöhte CO2-Emissionen aufweisen, doch in dieser sinnvollen Kombination und einer hocheffizienten Wärmenutzung können auch Industrieunternehmen beim CO2 markante Reduktionen erreichen.

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