Energieeinsparungen durch Druckluft-Heizkraftwerke

Wie also funktioniert ein Druckluft-Heizkraftwerk? Ein DHKW, so die gängige Abkürzung, ist eine Kombination aus einem Schraubenkompressor und einem Blockheizkraftwerk (BHKW). Hierbei werden kurzerhand Bestandteile der Quelltechnologien – der Elektromotor und der Generator – eliminiert, sodass die Verdichtereinheit direkt vom Gasmotor angetrieben wird. Das DHKW stellt damit einen Überlappungsbereich zwischen BHKW- und Kompressoren-Technologien dar.

10 bis 30 % der gesamten Stromkosten eines Industrieunternehmens entfallen auf die Drucklufterzeugung. Ca. 95 % dieser Stromkosten für die Drucklufterzeugung und 50 % der Energiekosten lassen sich durch DHKW einsparen. Der Vorzug der Technologie liegt dabei in einer viel höheren Energieausnutzung als bei einem herkömmlichen Kompressor. Bei der Eigenstromerzeugung mittels BHKW, und der anschließenden Stromnutzung zum Antrieb eines Kompressors wird ein beachtlicher Teil der Primärenergie für Wandlungs-, Übertragungs- und Frequenzumrichterverluste aufgewendet. Die ohnehin teuerste Energieform in der Industrie – die Druckluft – wird dadurch noch teurer.

DHKW erzeugen die Wärme aus drei Wärmeerzeugern: Abgas, Motorkühlung und Kühlung des Verdichters. Das Temperaturniveau von 70/90 °C stellt für industrielle Anwendungen einen Standard dar, der thermische Wirkungsgrad von 89 %, ist dabei nah an einem vergleichbaren Heizkessel. Mittels DHKW wird die Druckluft nicht mehr über Strom, sondern über Brenngas erzeugt. Dabei fällt die erzeugte Druckluft als Nebenprodukt der Wärmeerzeugung an. Hinsichtlich des Aufwands für die Projektierung und Einbindung der Anlage ist das DHKW im Vergleich zum BHKW vergleichsweise simpel. So entfallen zum Beispiel alle Aufwendungen der Einbindung in das Stromnetz, die häufig als Hemmnis für BHKW-Lösungen gesehen werden.

Als Unternehmer steht man immer vor der Wahl, den Strom einzukaufen oder selbst zu erzeugen. Hierbei kann oft ein BHKW das Mittel der Wahl sein. Analog hierzu haben Industrieunternehmen die Option, die Druckluft mittels herkömmlichen Elektrokompressoren über Strom oder innovativ mit einem DHKW bzw. KWK-Kompressor zu erzeugen. Hierbei entfällt im Optimum der Strombedarf der Drucklufterzeugung, ohne dass ein zusätzlicher Gasbedarf entsteht. Die Wirtschaftlichkeit, das Engagement für die Umwelt aber auch Innovationsgeist spielen dabei die primären Rollen.

Neben der Steigerung der Energieeffizienz und der Minderung des CO₂-Fußabdrucks verspricht die Anschaffung eines DHKW eine attraktive Rendite. Die Amortisationszeit von DHKW-Projekten liegt oft unter 3 Jahren. Dabei ist die umfangreiche Vollwartung bereits berücksichtigt. Ein weiterer monetärer Vorteil der DHKW-Technologie gegenüber Eigenstromerzeugung ist der Wegfall der EEG-Umlage auf selbst erzeugten und verbrauchten Strom. So müssen zum Beispiel für den Betrieb eines BHKW für den erzeugten und selbstverbrauchten Strom 40 % der EEG-Umlage gezahlt werden. Das kann schnell zwischen 10.000 bis 50.000 Euro pro Jahr ausmachen, was dann die Wirtschaftlichkeit eines BHKW negativ beeinflusst. DHKW dagegen erzeugen keinen Strom, sondern direkt Druckluft und Wärme und unterliegen damit nicht der EEG-Umlagepflicht.

Als hocheffiziente KWK-Anlage besteht auch für DHKW die Möglichkeit der Energiesteuerentlastung. Der Vergütungsanspruch beträgt hier bis zu 100 % der Energiesteuer für das im KWK-Prozess (zur gekoppelten Erzeugung von Kraft und Wärme in ortsfesten Anlagen) eingesetzte Brenngas.

Sollte die Amortisation des DHKW-Projekts aufgrund von niedrigen Strompreisen oder aufwendigen Wärmenetzumbauten doch über drei Jahren liegen, so besteht die Möglichkeit durch eine Energieeffizienz-Förderung des Bundeswirtschaftsministeriums den Return-on-Invest deutlich zu verkürzen.

Die DHKW-Anlagen sparen dank des Umstiegs vom Strom auf Erdgas bis zu 60 % des bei der Drucklufterzeugung verursachten CO₂ ein. Bezogen auf den Strommix in Deutschland verursacht die Erzeugung einer MWh elektrischen Stroms 366 kg CO₂. Aufgrund des Vorranges erneuerbaren Stromes im Stromnetz wird jedoch bei Wegfall des Strombezuges fossil erzeugter Strom aus dem Netz verdrängt, der CO₂-Emissionen von 732 kg/MWh emittiert. Bei der Verbrennung von Erdgas werden lediglich 201 kg an klimaschädlichem Kohlendioxid freigesetzt. Durch den Einsatz von Lambda-1-Motoren werden die Abgasnormen der 44. BImSchV auch ohne SCR-Katalysator und Adblue eingehalten.

Setzt man beim DHKW statt Erdgas alternative Brenngase (zum Beispiel Biomethan, synthetisches Erdgas oder Wasserstoff) ein, so kann die Drucklufterzeugung sogar umweltneutral erfolgen. Dies stellt einen zusätzlichen Hebel in Richtung „Zero CO₂“ dar.

Alle verbauten Erdgasmotoren erlauben heute schon eine H₂-Beimischung von 30 %. Für den Betrieb mit 100 % (grünem) Wasserstoff erfolgt der Einsatz eines H₂-Verbrennungsmotors, der auch im Rahmen einer Generalrevision den vorhandenen Erdgasmotor ersetzen kann. Als Energiequelle für den Verbrennungsmotor kann aber nicht nur Erdgas und Wasserstoff dienen, sondern auch Flüssiggas wie LNG, LPG, Propan und Butan. Aber auch Biogas, Biomethan, Holzgas oder Faulgase aus einem Klärwerk sind für den Einsatz der kombinierten Druckluft und Wärmeerzeugung geeignet. Der Einsatz dieser Brennstoffe bedarf geringfügiger Anpassungen am Standardsystem, jedoch beeinflussen diese weder die Zuverlässigkeit noch die Wirtschaftlichkeit.