C. Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
Nutzung des Voll – Brennwert – Wärmerückgewinnes der Rauchgas- &
Abluft- Abwärme zum Hackgut (HG) – Trocknen im KD – Silo -Trockner für
Biomasse.
I. Nutzung der Rauchgasabwärme in Biomasse – Heiz- und Heizkraftwerke
1. Grundlage: 1 Srm HG – Rauchgasabwärme zur Einsparung – ÖNORM M 7132
Z.B. Hackgut – Qualität Fichte von 1 Srm mit Wassergehalt w = 50 % wird auf w = 25 % getrocknet. Das getrocknete HG mit w = 25 % wird anstelle HG mit w = 50 % zur Energiegewinnung eingesetzt, das durch die Verdampfung von 88 kg/Srm Wasser mit der Rauchgasabwärme eine Brennstoff-Einsparung bzw. Gewinn von 19,7 % ergibt.
Ein zusätzlicher Energiegewinn von 154 KWh/Srm bzw. 18,7 % ist die weitere Nutzung des Brennwertes der Rauchgasabwärme zur kontinuierlichen Trocknung von 1,5 bis 1 Srm HG von w = 50 % auf w= 25 % .
2. Energiegewinn des Brennwertes – Fichte w = 50 % zum Trocknen
| Energie |
W-Gehalt |
KWh/kg |
kg / Srm |
KWh/Srm |
eta |
KWh/Srm |
% |
| Brennwert (Ho) |
w = 0 % |
5,5 |
150 |
825 |
100 % |
825 |
100 |
| Heizwert ( Hu ) |
w = 50 % |
2,3 |
265 |
611 |
80 % |
488 |
59,1 |
| Energiegewinn |
3,2 |
115 |
214 |
337 |
40,9 |
3. Energiegewinn des Brennwertes – Fichte w = 25 % zum Trocknen
| Energie |
W-Gehalt |
KWh/kg |
kg / Srm |
KWh/Srm |
eta |
KWh/Srm |
% |
| Brennwert (Ho) |
w = 0 % |
5,5 |
150 |
825 |
100 |
825 |
100 |
| Heizwert ( Hu ) |
w = 25 % |
3,8 |
177 |
671 |
85 |
570 |
69 |
| Energiegewinn |
1,7 |
27 |
154 |
255 |
30,9 |
4. Verdampfungsleistung = Brennwertnutzung der
Rauchgasabwärme von 1 Srm HG
Spezifischer Energieaufwand bei 60 °C Trocknungslufttemperatur: 0,913 KWh/kg
Erforderlicher Energieaufwand für 1 Srm HG: ( 88 x 0,913 ) = 80 KW / Srm
| Energiegewinn mit Brennwertnutzung: 570 + 80 = 650 KWh/Srm ( 78,8 % ) Nutzenergie ohne Brennwertnutzung: 488 KWh/Srm ( 59,1 % ) Anteiliger Vollbrennwert – Gewinn der Feuerungsanlage: 162 KWh/Srm ( 19,7 % ) |
5. Erzielbare HG – Trocknungsmenge mit der Voll – Brennwert – Nutzung
Fichte HG – w = 50 % ( 825 – 488 ) = 337 KWh/Srm : 80 KW/Srm = 4,2 Srm / h
Fichte HG – w = 25 % ( 825 – 570 ) = 255 KWh/Srm : 80 KW/Srm = 3,1 Srm / h
II. Verfügbarkeit der Brennwertnutzung aus der Rauchgasabwärme
als Energiegewinn zum Trocknen von HG im KD – Trockner
1. Allgemeines:
Der Brennwert aus der Rauchgasmenge berechnet sich als Abwärmeverlust gemäß der Verbrennungsrechnung des Holzes bei unterschiedlichem Lambda – Luft- Sauerstoff-Überschusszahl je nach gegebenen Heizwert ( abhängig vom Wassergehalt im Holz ) und der Rauchgastemperatur abzgl. der Verbrennung – Lufttemperatur.
Die Einhaltung der behördlichen Emissionsgrenzwerte für CO und NOx im Rauchgas erfordert bei einer optimalen Verbrennung die Luft – Sauerstoff – Überschusszahl von
f = 1,6 bis f = 2,0
Demnach errechnet sich der Rauchgas- bzw. Abgasverlust nach der Höhe der Rauchgasmenge bei unterschiedlichen Rauchgastemperaturen.
2. Verbrennung von Holz – Fichte: Lambda f = 1,6 ( Luftüberschuss )
Vtr = 7,4 Nm3/kg, Vf = 8,7 Nm3/kg, Trg = 185 / 205 °C, Tr = 20 °C, cpm = 1,37 KJ/m3/K
Qrg = V(tr,f) x cpm / Hu ( Ho) ( Trg – Tr )
|
Energie
|
KWh / kg |
W-Gehalt |
1.Abgasverlust |
2.Abgasverlust |
1+2 Mittlerer |
| Ho trf |
5,5 ( 20,00) |
0 % |
8,36 % |
9,37 % |
8,86 % |
| Ho tr |
5,2 ( 18,72 ) |
0 % |
8,93 % |
10,01 % |
9,47 % |
| Hu f |
3,8 ( 13,68 ) |
25 % |
14,37 % |
16,11 % |
15,24 % |
| Hu f |
2,3 ( 8,28 ) |
50 % |
23,75 % |
26,63 % |
25,19 % |
Verfügbare Nutzenergie aus dem Abgasverlust von 1 Srm HG zum Trocknen von HG
| Energie |
W-Gehalt |
KWh/kg |
kg / Srm |
KWh/Srm |
eta |
Nutz-En |
Verlust |
| Ho trf |
w = 0 % |
5,5 |
150 |
825 |
8,86 |
752 |
73 |
| Ho tr |
w = 0 % |
5,2 |
150 |
780 |
9,47 |
706 |
74 |
| Hu |
w = 25 % |
3,8 |
177 |
671 |
15,24 |
570 |
101 |
| Hu |
w = 50 % |
2,3 |
265 |
611 |
25,19 |
457 |
154 |
3. Verbrennung von Holz – Fichte: Lambda f = 2,0 ( Luftüberschuss )
Vtr = 9,24 Nm3/kg, Vf = 10,56 Nm3/kg, Trg = 185 / 205 °C, Tr = 20 °C, cpm = 1,37 KJ/m3/K
| Energie |
KWh / kg |
W-Gehalt |
1.Abgasverlust |
2.Abgasverlust |
1+2 Mittlerer |
| Ho trf |
5,5 ( 20,00) |
0 % |
10,44 % |
11,71 % |
11,07 % |
| Ho tr |
5,2 ( 18,72 ) |
0 % |
11,15 % |
12,51 % |
11,83 % |
| Hu f |
3,8 ( 13,68 ) |
25 % |
17,45 % |
19,56 % |
18,50 % |
| Hu f |
2,3 ( 8,28 ) |
50 % |
28,83 % |
32,30 % |
30,56 % |
Verfügbare Nutzenergie aus dem Abgasverlust von 1 Srm HG zum Trocknen von HG
| Energie |
W-Gehalt |
KWh/kg |
kg / Srm |
KWh/Srm |
eta |
Nutz-E |
Verlust |
| Ho trf |
w = 0 % |
5,5 |
150 |
825 |
11,07 |
734 |
91 |
| Ho tr |
w = 0 % |
5,2 |
150 |
780 |
11,83 |
688 |
92 |
| Hu |
w = 25 % |
3,8 |
177 |
671 |
18,50 |
547 |
124 |
| Hu |
w = 50 % |
2,3 |
265 |
611 |
30,56 |
425 |
186 |
4. Resümee der wirtschaftlichen Brennwert – Nutzung:
Bei einer Rauchgastemperatur zwischen 165 °C und 185 °C und bei einer Lambda – Luft- Sauerstoff –Überschusszahl zwischen f = 1,6 bis f = 2,0 ergeben sich bei der
Verbrennung von Holz bei w = 50 %:
> Lambda f = 1,6 ein mittlerer Abgasverlust bei 25,19 % von 154 KW pro Srm HG
> Lambda f = 2,0 ein mittlerer Abgasverlust bei 30,56 % von 186 KW pro Srm HG
Holz bei w = 25 %
> Lambda f = 1,6 ein mittlerer Abgasverlust bei 15,24 % von 101 KW pro Srm HG
> Lambda f = 2,0 ein mittlerer Abgasverlust bei 18,50 % von 124 KW pro Srm HG
Die Verbrennung von Holz mit w = 25 %, das mit der Energie des Brennwertes von
80 KW/Srm getrocknet wurde, erhöht die Wärmeleistung der Nutzenergie um 80 KW.
Nach Abzug dieser Leistung steht bei Lambda f = 1,6 weiterhin ein durchschnittlicher
Abgasverlust von 15,24 % oder 101 KW / Srm und
bei Lambda f = 2 ein Abgasverlust von 18,50 % oder 124 KW / Srm als nutzbare Brennwert – Energie zum Trocknen von HG zur Verfügung, mit der zusätzlich etwa 1 Srm HG von w = 50 % auf w = 25 % getrocknet werden kann.
Die Verbrennung von Holz mit w = 50 %, also ohne KD – Trockner mit Brennwert - Nutzung, bewirkt bei Lambda f = 1,6 einem Abgasverlust von 25,19 % oder 154 KW / Srm und bei Lambda f = 2,0 einem Abgasverlust von 30,56 % oder 186 KW / Srm.
Das Ergebnis:
Bei Nutzung des Brennwertes des Abgasverlustes im KD – Trockner können mit
1 Srm HG Rauchgasabwärme etwa 3 Srm HG von w = 50 % auf w = 25 %
getrocknet werden.
5. Rauchgas – Abwärmeverlust bei der Holz – Verbrennung
Gewinn durch Brennwertnutzung im KD – Trockner
A. Abwärmeverlust w = 50 % = Nutzenergie des Brennwertes aus 1 Srm HG
für HG – Trocknung von 1 Srm HG
|
Lambda – |
1. RG – Verlust |
2. RG – Verlust |
1. + 2. Mittlerer |
|
f = 1,6 |
23,75 % |
26,63 % |
25,19 % (154 KWh) |
|
f = 2,0 |
30,56 % |
32,30 % |
30,56 % (186 KWh) |
B. Abwärmeverlust w = 25 % = Nutzenergie des Brennwertes aus 1 Srm HG
für HG – Trocknung von 1 Srm HG
|
Lambda – |
1. RG – Verlust |
2. RG – Verlust |
1. + 2. Mittlerer |
|
f = 1,6 |
14,37 % |
16,11 % |
15,24 % (101 KWh) |
|
f = 2,0 |
17,45 % |
19,56 % |
18,50 % (124 KWh) |
11 % – durchschnittliche Anlagennutzungsgrad – Steigerung
durch getrocknetes HG von w = 50 auf 25 %
|
Lambda |
w = 50 % |
Steigerung |
Reduktion des RG – Abwärmeverlustes |
|
f = 1,6 |
25,19 – 15,24 |
9,95 % |
154 – 101 = 53 KWh |
|
f = 2,0 |
30,56 – 18,50 |
12,06 % |
186 – 124 = 62 KWh |
|
Im Mittel |
11,00 % |
57 KWh |
III. Die Bewertung der Brennstoffkosten – Einsparung je nach Holzpreis
Diagramm: 1 Srm HG Rauchgas – Brennwert – Nutzung zur HG -Trocknung
Der Wert der Brennstoffkosten – Einsparung durch die Nutzung des Voll – Brennwertes im KD – Trockner ergibt aus der Berechnung der Nutzenergie und gegebenen Abgasverlust.
Für 1 Srm atro Holz – Fichte bei einem Ho = 5,5 KWh/kg und 150 kg / Srm atro ( absolut trocken ) berechnet sich der Brennwert mit 825 KWh/Srm. ( 100 % Energieinhalt für Holz ).
- Bei einem Tonnenpreis für HG in Bezug auf atro ( absolut trocknen ) Holz – Fichte bei 150 kg / Srm ergeben sich für € 85,– / to ein Schüttgewichtpreis von € 12,75 / Srm bzw. für € 100,– /to ein Schüttgewichtpreis von € 15,– / Srm.
- HG mit w = 50 % hat einen Heizwert ( Hu ) von 611 KWh/Srm ( 74 % ) und 214 KWh/ Srm ( 26 % ) Energieverlust zur Verdampfung des Wassergehaltes.
- Bei der Verbrennung von HG mit w = 50 % bei einem durchschnittlichen Abgasverlust von 20 % – siehe Vergleich mittlerer Abgasverlust bei Lambda f = 1,6 bis f = 2 – ergibt sich in Bezug auf den Brennwert von 825 KWh/Srm (Atro – Fichte ) ein Energieverlust für die Wasserverdampfung von 337 KWh/Srm.
- Bei einem Energie – Holzpreis in Bezug auf 150 kg/Srm (atro) für HG mit einem Preis
> von € 85,– /to (atro) bzw. 12,75 €/Srm oder
> von € 100,– /to (atro) bzw. 15,–€/Srm
ergeben sich laut Balkendiagramm Energie – Einsparpotentiale
von 8,7 bis 10,3 €/Srm HG in Bezug auf den Brennwert (Ho) durch die Nutzung im KD – Trockner.
- Demnach ist in Bezug auf den Brennwert (Ho) – ohne Nutzung des Brennwertes im KD – Trockner – mit einem realen HG – Preis von
> 21,5 €/Srm bei einem Preis von 85,–€/to ( atro )
> 25,3 €/Srm bei einem preis von 100,– €/to (atro )
zu rechnen.
- Der effektive Energiegewinn je Srm HG der Rauchgasmenge in der Biomasse – Feuerungsanlage ergibt nach Abzug des Holzpreises (atro ) somit:
> 21,5 - 12,75 = 8,7 €/Srm Brennwert – Gewinn
> 25,3 - 15,00 = 10,3 €/Srm Brennwert – Gewinn
Siehe Balkendiagramm !
IV. KD – 3 – Trockner mit Voll – Brennwert – Kombisystem
Preisvorteil – Brennstoff – Einsparung bei 85,– €/to ( atro ) = 12,75 €/Srm HG
Ablesung – Diagramm: z.B. 6.147 Srm/a x 8,7 €/Srm = € 53.478,–
|
Nutzenergie |
A. HG – Menge |
B. Hackgut |
Einsparung |
Preisvorteil |
|
3.000 |
6.147 Srm |
3.636 Srm |
2.511 |
53.478,– |
|
4.000 |
8.196 Srm |
4.848 Srm |
3.348 |
71.305,– |
|
5.000 |
10.245 Srm |
6.060 Srm |
4.185 |
89.131,– |
|
8.000 |
16.396 Srm |
9.696 Srm |
6.700 |
142.645,– |
Geschätzter Betriebsgewinn nach Abzug der Aufwendungen:
A. Verbrauchsgebundene Kosten
Stromkosten ( bei 10 Cent / KWh ) ca. 3 KWh/Srm = 0,30 €/ Srm
B. Betriebsgebundene Kosten
Service, Instandhaltung, Personal – Aufsicht: ca. 5.000,– bis 10.000,– /a
C. Kapitalgebundene Kosten ( ohne Umweltförderung )
Kapitalkosten ( 15 Jahre Abschreibung, 6 % Verzinsung )
Richtpreis für KD – 3 mit WRG: ca. 340.000,– 15 Jahre = 22.666,– / a
6 % kalkulatorische Verzinsung = 10.200,– / a
36.866,– / a
Möglicher Betriebsgewinn durch Brennstoff – Einsparung von Hackgut:
|
Energieaufwand |
Betriebsaufwand |
I. Summe A+B+C |
II. WertHackgut |
Gewinn |
||
| A. Strom | B. Service | C. Kapital | ||||
|
3.000 / 6.147 |
1.844,– | 5.000,– | 32.866,– | 39.710,– | 53.478,– |
13.763,– |
|
4.000 / 8.196 |
2.459,– | 6.000,– | 32.866,– | 41.325,– | 71.305,– |
29.980,– |
|
5.000 / 10.245 |
3.074,– | 8.000,– | 32.866,– | 43.940,– | 89.131,– |
45.191,– |
|
8.000 / 16.396 |
4.919,– | 10.000,– | 32.866,– | 47.785,– | 142.845,– |
94.860,– |
|
|
||||||
V. KD – 4 Trockner mit Voll – Brennwert – Kombisystem
Preisvorteil durch Einsparung mit dem Voll – Brennwert – Kombisystem
Ablesung – Diagramm: z.B. 20.492 Srm/a x 8,7 €/Srm = € 178.280,–
|
Nutzenergie |
A. HG – Menge |
B. Hackgut |
Einsparung |
Preisvorteil |
|
10.000 |
20.492 Srm |
12.121 Srm |
8.371 |
178.280,– |
|
15.000 |
30.737 Srm |
18.182 Srm |
12.555 |
267.412,– |
|
20.000 |
40.983 Srm |
24.242 Srm |
16.741 |
356.552,– |
Geschätzter Betriebsgewinn nach Abzug der Aufwendungen:
A. Verbrauchsgebundene Kosten
Stromkosten ( bei 10 Cent / KWh ) ca. 3 KWh/Srm = 0,30 €/ Srm
B. Betriebsgebundene Kosten
Service, Instandhaltung, Personal – Aufsicht: ca. 15.000,– bis 18.000,– /a
C. Kapitalgebundene Kosten ( ohne Umweltförderung )
Kapitalkosten ( 15 Jahre Abschreibung, 6 % Verzinsung )
Richtpreis für KD – 4 mit WRG: ca. 430.000,– 15 Jahre = 28.666,– / a
6 % kalkulatorische Verzinsung = 12.900,– / a
41.566,– / a
Möglicher Betriebsgewinn durch Brennstoff – Einsparung von Hackgut:
|
Energieaufwand |
Betriebsaufwand |
I. Summe |
II. Wert |
Gewinn |
||
|
A. Strom |
B. Service |
C.Kapital |
||||
|
10.000 / 20.492 |
6.148,– |
15.000,– |
41.566,– |
62.714,– |
178.280,– |
115.566,– |
|
15.000 / 30.737 |
9.220,– |
16.000,– |
41.566,– |
66.786,– |
267.412,– |
200.626,– |
|
20.000 / 40.983 |
12.295,– |
17.000,– |
41.566,– |
70.861,– |
356.552,– |
285.691,– |
D. Fallbeispiel: Biogas – Motorheizkraftwerk mit 3 Cent KWK – Bonus
nach EEG ( Lohntrocknung )
Mehr Gewinn mit dem KWK – Bonus von 3 Cent / KWh durch
Heiz – Wertsteigerung von Energieholz im KD – Silo – Trockner
Grundlagen:
- Verfügbare Wärmeleistung im Sommer: 500 KW
- Nutzungsstunden im Sommer- Übergangszeit: 6.000 Std
- BHKW – Gasmotor 36 % – ( elektrischer Wirkungsgrad )
50 % – ( thermischer Wirkungsgrad )
- Stromkennzahl: 36 / 50 = 72
- durchschnittlicher Durchsatz : ca. 5 Srm / Std bei max. 80 °C Trocknungsluft
- Heiz- Werterhöhung für getrocknetes Hackgut: ca. € 5,0 / Srm ( 100 KWh / Srm )
( Trocknung von Hackgut w = 50 % auf w = 20 % )
- Wert der Abwärme – Nutzung: 35 % vom Heizölpreis = ca. 3,5 Cent / KWh
| A. Einnahmen: | |
| 1. Ertrag durch KWK – Bonus von 3 Cent / KWh 500 KW x 6.000 Std. = 3,000.000 KWh x 0,72 x 0,03 € / KWh = |
|
| 2. Ertrag durch den Wert der KWK – Abwärme – Nutzung 3,000. 000 KWh x 0,035 € / KWh = |
|
| 3. Ertrag durch Heiz- Werterhöhung für Hackgut z.B. ) Lohntrocknung ca. 5 Srm / Std. x 6.000 Std = 30.000 Srm x 5,0 € / Srm = |
|
| Gesamt – A. Einnahmen = |
€ 319.800,– |
| B. Ausgaben: | |||||||
| 1. Verfügbare, ansonsten nicht genutzte Wärmeenergiekosten |
€ 0 |
||||||
| 2. Fremdstrom für Ventilator, Austragung, Steuerungen ( 0,10 € / KWh ) ca. 3 KWh / Srm x 30.000 Srm/a = 90.000 KWh x 0,10 € / KWh = | € 9.000,– | ||||||
| 3. Kapitalkosten für KD – Trockner ohne WRG, Beschickung, Automation Richtpreis ca. € 280.000,– :
|
€ 64.400,– |
||||||
| 4. Reparatur – Service – Kosten ca. 2 % von 280.000,– |
€ 5.600,– |
||||||
| 5. Überwachung – Personal – anteilig ca. 1 Std x 25,– Std. x 250 Tage |
€ 6.250,– |
||||||
| Gesamt – B. Ausgaben = |
€ 85.250,– |
Jährlicher Gewinn: A. 319.800,– - B. 85.250,– = € 234.550,–
E. Fallbeispiel: Betriebskostenvorteil der Hackguttrocknung für
Pelletsproduktion
Höherer Gewinn durch geringere Trocknungskosten
im KD – Silo – Trockner mit Voll - Brennwertsystem
Grundlagen:
- Wärmeenergie für die Trocknung bei 8.000 Betriebsstunden: 7.440 MWh/a
- Hackgutmenge für Pelletsproduktion zum Trocknen: 10 Srm/h x 8.000 h = 80.000 Srm/a
- Trocknerleistung für KD – 5 Trockner ca. 1000 Liter/ Std. Wasser – Verdampfung
( von z.B. Fichte w = 50 % auf w = 10 % Wassergehalt )
- Nutzenergie Hackgut mit WRG ( Voll-Brennwertsystem ) bei 825 KWh/Srm
- Nutzenergie Hackgut ohne WRG, ohne Trocknung w =50 % bei 488 KWh/Srm
- Brennstoff – Einsparung im Voll – Brennwertsystem ( 15.254 – 9.018 ): 6.236 Srm/a
- Brennstoff – Hackgut – Einkaufspreis für Energiepoduktion: 13,– €/Srm ( w = 50 % )
- Rohstoff – Hackgut – Heiz- Werterhöhung durch Trocknung für Pellets: ca. € 5,– /Srm
- Fremdstromkosten ca. 10 Cent / KWh
| A. Einnahmen: | |
| 1. Ertrag durch Heiz- Werterhöhung von Hackgut für Pellets ( Lohntrocknung ) ca. 10 Srm / Std. x 8.000 Std = 80.000 Srm x 5,– € / Srm = |
€ 400.000,– |
| 2. Brennstoff – Einsparung Hackgut im Voll-Brennwertsystem: 6.236 Srm/a x 13,– € / Srm = |
|
| Einnahmen – Summe 1. – 2.: |
€ 481.068,– |
| B. Ausgaben: | |||||||
| 1. Wärmeenergiekosten für Hackgut Trocknung im KD – 5 Trockner im Voll – Brennwertsystem : 15.254 Srm/a x 13,–€/Srm = |
|
||||||
| 2. Fremdstrom für Ventilator, Austragung, Steuerungen ca. 3 KWh / Srm x 80.000 Srm = 240.000 KWh x 0,10 € / KWh = |
|
||||||
| 3. Kapitalkosten für KD – 5 mit Wärmerückgewinnung, Beschickung, Automation Richtpreis ca. 450. 000,–:
|
€ 103.500,– |
||||||
| 4. Service – Instandhaltung – Kosten ca. 2 % von 450.000,– = |
€ 9.000,– |
||||||
| 5. Überwachung Personal – anteilig ca. 1 Std x 25,–/ Std. x 330 Tage = |
|
||||||
| Summe - Ausgaben 1. – 5. |
€ 343.052,– |
Jährlicher Betriebskostenvorteil: 481.068,– - 343.052,– = ca. € 138.016,–