Die Elektrizitätsstudie der DPG, 2010

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1 Die Elektrizitätsstudie der DPG, 2010
Zum Original: Dr. Gerhard Luther Universität des Saarlandes, FSt. Zukunftsenergie c/o Technische Physik – Bau E26 D Saarbrücken EU - Germany Tel.: (49)  0681/ ; Fax / Homepage:

2 Teil I: Nutzung von elektrischer Energie
1. Nutzungssektoren (Haushalt, Gewerbe, Industrie) , Einsparpotenziale 2. Thermodynamisch optimiertes Heizen 3. Transport – Elektromobilität Teil II: Bereitstellung von elektrischer Energie 1.Thermische Kraftwerke auf fossiler Basis 2. Kernkraftwerke 3. Kraft-Wärme-Kopplung und Systemvergleich 4. Biomassekraftwerke 5. Solare Elektrizitätserzeugung ( PV und Solarthermische Stromerzeugung) 6. Windkraft 7. Wasserkraft 8. Elektrizität aus geothermischen Quellen 9. Fusionskraftwerke Teil III: Transport und Speicherung von elektrischer Energie Stromnetze und Systemaspekte Stromspeichertechniken Ausblick auf eine Zukunft mit niedrigen CO2-Emissionen

3 Es spricht vieles dafür,
dass die Bedeutung des Stroms im Zusammenspiel der verschiedenen Energieformen wie in der Vergangenheit so auch in den kommenden Jahrzehnten stetig anwachsen wird.

4 Teil I: Nutzung von elektrischer Energie
1. Nutzungssektoren (Haushalt, Gewerbe, Industrie) , Einsparpotenziale 2. Thermodynamisch optimiertes Heizen 3. Transport – Elektromobilität Teil II: Bereitstellung von elektrischer Energie 1.Thermische Kraftwerke auf fossiler Basis 2. Kernkraftwerke 3. Kraft-Wärme-Kopplung und Systemvergleich 4. Biomassekraftwerke 5. Solare Elektrizitätserzeugung ( PV und Solarthermische Stromerzeugung) 6. Windkraft 7. Wasserkraft 8. Elektrizität aus geothermischen Quellen 9. Fusionskraftwerke Teil III: Transport und Speicherung von elektrischer Energie Stromnetze und Systemaspekte Stromspeichertechniken Ausblick auf eine Zukunft mit niedrigen CO2-Emissionen

5 Die Elektrizitätsstudie der DPG, 2010
Exzerpt: Teil I: Nutzung von elektrischer Energie 2. Thermodynamisch optimiertes Heizen (p. 27 ff) 2.1 Die zum Heizen benötigte Exergie 2.2 Quellen für Heizenergie und ihr Exergiegehalt 2.3 Optimierung von Gebäudeisolierung und Wärmebereitstellung 2.4 Zusammenfassung und Ausblick ...... Teil II: Bereitstellung von elektrischer Energie 3. KWK und Systemvergleich (p. 74 ff) 3.1 Die Besonderheiten der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) 3.2 Vergleich: Erdgas KWK und getrennte Strom- und Wärmeerzeugung 3.3 Die KWK in der Energiepolitik und der öffentlichen Diskussion 3.4 Skizze zur Optimierung des Erdgaseinsatzes für Gebäudewärme 3.5 Zusammenfassung und Ausblick Zum Original: Zur Themenseite: Thermodynamisch Optimiertes Heizen Dr. Gerhard LUTHER, Uni des Saarlandes, Technische Physik, Bau E26 66041 Saarbrücken Tel.:

6 Thermodynamisch optimiertes Heizen
und der Mythos der KWK 0. Zur Einstimmung: Die Elektrizitätsstudie der DPG 1.Thermodynamisch optimiertes Heizen 1.a Reale Strom und Heizwärme- Erzeuger (gekoppelt und getrennt) 2. Der KWK Mythos 3. Ein Ganzheitlicher Ansatz für Vergleiche Ergebnisse bei Erdgas: Vergleich KWK mit zentralem GuD und dezentralem Brennwertkessel bzw. Wärmepumpe Kann optimale KWK Effizienz eines WP- Systems erreichen? 4. KWK – eine ökologische Sackgasse ? 5. Erdgas für Strom und Wärme optimal einsetzen

7 1. Thermodynamisch optimiertes Heizen
Minimaler Exergie- Einsatz zur Abdeckung des noch übrig bleibenden Heizwärmebedarfes, nach thermischer Sanierung, Wärmerückgewinnung, Einsatz von RE und im Gesamtrahmen der Strom- und Wärme- Erzeugung

8 3. Energiebilanz (1.Hauptsatz): ΔE = ΔQ - ΔQU
1.1 Ideale Wärme – Kraftmaschine ΔS ΔQ ΔQU ΔE T TU Der Exergiebegriff: Elektrizität ΔE ist Entropie frei. 2. Entropie ΔS verkleinert sich nicht: im optimalen, reversiblen Fall gilt dann (2.Hauptsatz): ΔS = ΔQ/ T und ΔS = ΔQU/ TU ΔS 3. Energiebilanz (1.Hauptsatz): ΔE = ΔQ - ΔQU daher: ΔE = (T- TU) /T * ΔQ heißt Exergie also: Exergie = Carnotfaktor * entnommene Wärmemenge = „ maximal verfügbare Arbeit“

9 1.2 Die drei Ansätze zum thermodynamischen Heizen
1. Strom Wärme Kopplung beim Brennstoff-Einsatz: KWK Die Entropie ΔS wird oberhalb der Umgebungstemperatur TU an ein Kühlmittel abgegeben. Das kostet Exergie für die Stromerzeugung, aber man kann bei geeigneter Festlegung der Abgabetemperatur mit dieser Wärme noch etwas anfangen, z.B. Heizen (oder auch Kühlen mit Absorber WP : KWKK) Strom Wärme Kopplung beim Stromeinsatz: Wärmepumpe Anergie ΔQU aus der Umgebung entnehmen, reine Exergie in Form mechanischer oder elektrische Energie ΔE hinzugeben, und dann die Wärmemenge ΔQ auf einem höheren Temperaturniveau T zu (e.g.) Heizzwecken nutzen 3. Das Auskommen mit kleinen Temperaturdifferenzen bei der KWK, im Wärmepumpenprozess, und vor allem bei der Wärmeübertragung: Flächenheizung, Aufheizen statt „isothermer Wärmeabgabe“

10 Kopplung von Strom und Wärme
1. KWK: Strom Wärme Kopplung beim Brennstoff-Einsatz Ideale Kraft Wärme- Kopplung ΔS ΔQ ΔQH` ΔEKWK T TH` Vorlauf-Temperatur der Fernwärme/ Heizung 2. Wärmepumpe (WP): Strom Wärme Kopplung beim Stromeinsatz Ideale Wärme Pumpe ΔS ΔQH ΔQU ΔEWP TU TH dezentral Umgebungs- Temperatur: Luft, Wasser, Erdwärme E = Elektrizität Q = Wärme S = Entropie T = Temperatur Indexe H ..= „Heiz-“ U..= „Umgebungs-“

11 1.3 Die zum Heizen notwendige Exergie
Mindest - Exergie für die drei thermischen Grundaufgaben: 1. Ausgleich der Transmissionsverluste QT Temperatur halten bei ca. 20 °C ΔET = (Tinnen – Taußen) / Tinnen * ΔQT 2. Lüftungswärme QL aufbringen, zur Aufwärmung von Frischluft von ca. 0° auf ca. 20°C ΔEL = 0.5 * (Tinnen – Taußen) / Tinnen * ΔQL 3. Warmwasser - Wärme QW liefern, Trinkwasser aufwärmen von ca. 15 °C auf ca °C, ΔEW = 0.5 * (Tw – Taußen2) / Tw * ΔQW Taußen bzw Taußen2 = Umgebungstemperatur für die Wärmepumpe in Heizperiode bzw. im Gesamtjahr

12 1.a Strom und Heizwärme- Erzeuger (gekoppelt und getrennt)

13 Prinzip: Block-Heizkraftwerk (BHKW)
gesamt = 90 % el = 34 % Wärmeabgabe an Kühlwasser und Abgas erfolgt auf hohem Temperaturniveau. Das ist schlecht für den Wirkungsgrad. Aber man kann die Abwärme noch direkt weiter verwerten UrBildQuelle:

14 GUD –Kraftwerk Gasturbine mit anschließendem Dampf Kraftprozeß

15 Gas Dampf ca. 650 °C GUD –Kraftwerk:: Gas- Dampf- Kraftprozeß
BildQuelle: E. Hahne: „Technische Thermodynamik“, 3.A.,Oldenbourg Verlag München 2000, ISBN= , Bild 8.10, p.386

16 Moderne GUD werden el = 60% erreichen
Beispiel: GUD - Irsching Moderne GUD werden el = 60% erreichen Quelle:

17 Wie gut sind moderne Feuerungsanlagen ?
Erdgas- Brennwertkessel

18 Ich rechne meist nur mit
1a.3.1 uralter Verschwender bereits veraltet aktueller Stand der Technik Brennwerttechnik NT Bw Ich rechne meist nur mit 105 % Quelle: Stadtwerke Karlsruhe: Kundenbroschüre „Erdgas Brennwert Heizkessel“ , ergänzt SpQ:SW_Karlsruhe_BrennwertKessel.pdf

19 Wie gut sind Brennwertkessel
1a.3.2 Wie gut sind Brennwertkessel wirklich ? Quelle: Prof. Wolff, Wolfenbüttel, siehe Folienheader Speicher:FH_Wb_Wolff_Betrieb_Brennwertkessel_ppt

20 Quelle: Prof. Wolff, Wolfenbüttel, siehe Folienheader Speicher:FH_Wb_Wolff_Betrieb_Brennwertkessel_ppt

21 Für Vergleich Heizkessel vs
Für Vergleich Heizkessel vs. Fernwärme ist maßgebend: der Nettoabgasverlust (der gesamten Feuerungsanlage) (1.) Der BruttoAbgasverlust des Kessels unterschlägt die Wärmerückgewinnung aus dem Abgas über den Kamin in das Haus. (2.) Die Abstrahlverluste des Kessels können mit den Wärmeverlusten des Wärmeübertragers bei der Fernwärme gegen gerechnet werden. Setzt man { (1) + (2) } mit % an, so kommt man selbst bei einem BruttoAbgasverlust von 90%(Ho) für den Vergleich mit der Fern wärme auf einen analogen „Kesselwirkungsgrad“ von 94% (Ho) also etwa: % (Hu).

22 Es gibt auch Brennwertanlagen, die hervorragend funktionieren
z.B.: meine eigene Feuerungsanlage Kessel: Viessmann Vitodens 200 mittlere Leistung in 2005/06: 14 [kW] Kaminhöhe ca. 16 m Durchmesser: 150 mm, Abgasrohr: 80 mm

23 Direkte Messung der Abgasverluste über einen Zeitraum t0:
1. Messung des anfallenden Kondensatwassers W in [ Liter] 2. Ablesung des Gasverbrauches VG in [mn3] 3. Berechnung von WD0 = maximaler theoretischer Kondensatanfall WD0 = VG *xV mit xV0 = 1,6 [ Liter H2O /mn3 ] bei Erdgas 4. Integraler Kondensatanfall w = W / WD0 w = W / (VG *xV0 ) = (W / VG ) / 1,6 Es gilt: Wärmeverluste qA in [ %] von Feuerungsanlagen mit Kondensatanfall: w = (W / VG ) / 1,6 Faustformel: qA = (1 – w) * 13,5% Quelle: G. Luther: DE B3; „Messverfahren zur Bestimmung des Abgasverlustes von Feuerungsanlagen mit Abgaskondensation“

24 Gemessen Abgasverluste meiner eigenen Brenwertanlage
im Winter 2005/06 Abgasverlust: bezogen auf vollständige Kondensation, im Maß von Hu also thermischer Wirkungsgrad für den Vergleich mit KWK Anlage: 109 % (Hu)

25 Stiftung Warentest 7/2010: Test Brennwertkessel
Die Stiftung Warentest hat in 2010 acht marktgängige Erdgas – Brennwert-kessel auf ihren Nutzungsgrad im Heizbetrieb unter exakt gleichen Bedingungen untersucht /Stiftung Warentest 2010/. Die Werte wurden auf dem Prüfstand in Anlehnung an DIN 4702 Teil 8 für ein Bestandsgebäude mit mäßiger Wärmedämmung und Auslegungstem-peraturen von 75/60°C für das Heizsystem ermittelt. Offensichtlich wurde keine Korrektur für eine Wärmerückgewinnung im Kamin durchgeführt. Es ergaben sich unter Bezug auf den Brennwert, Ho , Nutzungsgrade von 94%-96%, im Mittel 95%. Bezieht man diesen Wert auf den im Kraftwerksbereich üblichen Heizwert Hu (manchmal auch als “Unterer Heizwert“ bezeichnet), dann ergibt dies einen Nutzungsgrad von 105,5% (+- 1%) Berücksichtigt man - wie von uns gemessen- zusätzliche Kondensation im Kamin mit Wärmeabfuhr an das Gebäude, so ergeben sich also die gleichen Werte um % wie bei unserer Messung über 5 Jahr an einer Einzel-anlage (/Luther, AKE2008H/). .

26  Quellen: /Stiftung Warentest 2010/ : “Mehrwert dank Brennwert“, test, Heft7/2010, p Zugänglich gegen eine kleine Gebühr: /Luther AKE 2008H/ : G.Luther: „Kraftwärmekopplung (KWK) – Hoffnungsträger oder Subventionsloch?“ Vortrag:

27 << Bild der Tabelle aus test-Heft >>

28 2. 2. Der KWK Mythos

29 KWK als Hoffnungsträger zur Energieeinsparung
Gesetzlicher Auftrag zur Verdoppelung der Stromerzeugung aus KWK auf eine Anteil von 25% bis 2020 AD (KWKG) Abnahmeverpflichtung von KWK-Strom Jährliche Subventionen in etwa Milliardenhöhe durch Einspeisevergütung gemäß : KWKG = Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz und EEG = Erneuerbare-Energien-Gesetz (Finanziert durch Abwälzung auf Strompreis) und weitere Vergünstigungen ( z.B. Anrechnung als RE in EEWärmeG, Interessenverband ist „gemeinnützig“, etc. )

30 „ KWK nutzt Abwärme, die sonst verloren wäre.“
2.1 Ein beliebter Spruch: „ KWK nutzt Abwärme, die sonst verloren wäre.“ Verschwiegen wird meist: Fernwärme wird bei thermodynamisch noch Arbeits - fähigem Temperaturniveau betrieben, daher: bei Dampfkraftwerken ergibt sich eine deutliche Stromeinbuße, und bei Motoren und Gasturbinen ist wg. der hohen Abwärme-Temperatur der elektrische Wirkungsgrad von vorneherein niedrig.

31 Man erhält märchenhafte CO2- und PE Einsparungen
2.2 Man erhält märchenhafte CO2- und PE Einsparungen wenn man z.B.: 1. nur die „Brennstoffausnutzung“ vergleicht also bei der KWK Strom und Wärme addiert, und dann mit dem Strom aus einem reinen Kraftwerk vergleicht. {2. +3.}: moderne Erdgas –KWK vergleicht mit: altem Ölkessel + altem KoKW + StromMix (50% Kohleanteil) Ergebnis: „KWK – Mythos“ mit märchenhaften % Einsparung an CO2 und PE

32 Die EU schreibt daher vor,
2.3 Die EU schreibt daher vor, dass bei Förderung der KWK in den Mitgliedsländern, zum Vergleich mit der getrennter Erzeugung von Strom und Wärme betrachtet wird: 1. Eine detaillierte Gleicheit der Wärme- und Stromproduktion also gleiche Strom- und gleiche Wärmeproduktion auch in getrennter Erzeugung. 2. Gleiche Primärenergieträger also z.B. Erdgaseinsatz nicht nur bei KWK sondern auch bei getrennter Erzeugung 3. Moderne Anlagen der getrennten Erzeugung also z.B.: GUD und Brennwertkessel

33 die gleichen Kategorien von Primärenergieträgern verglichen werden.
eigentlich trivial Zitat aus EU Richtlinie 2004/8/EG Anhang III „Verfahren zur Bestimmung der Effizienz des KWK-Prozesses f) Wirkungsgrad-Referenzwerte für die getrennte Erzeugung von Strom und Wärme …… Die Wirkungsgrad-Referenzwerte werden nach folgenden Grundsätzen berechnet: 1. Beim Vergleich von KWK-Blöcken gemäß Artikel 3 mit Anlagen zur getrennten Stromerzeugung gilt der Grundsatz, dass die gleichen Kategorien von Primärenergieträgern verglichen werden. 2. Jeder KWK-Block wird mit der besten, im Jahr des Baus dieses KWK Blocks auf dem Markt erhältlichen und wirtschaftlich vertretbaren Technologie für die getrennte Erzeugung von Wärme und Strom verglichen. 3. … 4. … Quelle:

34 Warum die KWK meist besser erscheint als sie tatsächlich ist.
2.4 Warum die KWK meist besser erscheint als sie tatsächlich ist. Es werden oft zugunsten der KWK: U1: die offenkundigen Fehler des „KWK-Mythos“ gemacht: (nur „Brennstoffausnutzung“ bewertet; Vergleich „alter KoKW“ mit „neuen Erdgas-KWK“ , „reine Abwärmenutzung“ ohne Wirkungsgradeinbuße ) U2 : Beitrag des Spitzenkessels ausgeklammert, U3 : nur die Stromerzeugung im „KWK- Betrieb“ betrachtet („Paradefall“), U4: Unrealistische (manipulierte) Vergleichswerte der getrennten Erzeugung benutzt (sogar gesetzlich vorgeschrieben wg. EU 2007/74/EG ) U5: Bei WP Strombezug aus dem deutschen Strommix unterstellt, statt im Systemvergleich aus modernem Gas- Kraftwerk (GuD). Andererseits werden manchmal (im Prinzip ok aber verkomplizierend): U6: Umfangreiche Nebeneffekte berücksichtigt (Verluste im Stromnetz, Bonus für Verbraucher nahe Stromerzeugung Pumpstrom und Wärmeverluste in Fernwärmeleitung, Unterschiede im Aufwand für Gastransport zum zentralen oder dezentralen Verbraucher, etc.)

35 Strombezug aus einem Erdgas GuD - Kraftwerk zugrunde legen.
(U5) : Ein wichtiges Argument in voller Länge Kommt später noch mal Bei Wärmepumpen wird mit dem Strombezug aus dem deutschen Strommix gerechnet. Im Systemvergleich mit moderner Erdgas – KWK muss man aber den Strombezug aus einem Erdgas GuD - Kraftwerk zugrunde legen. Begründung: 1. Bei einer neuen Erdgas-KWK-Anlage wird sowohl der Strom als auch die Wärme aus einer neu errichteten Anlage und aus Erdgas erzeugt. Zu einem korrekten Systemvergleich mit einer getrennten Erzeugung muss daher ebenfalls von modernen Erdgasanlagen ausgegangen werden. 2. Diese bereits in der EU-Richtlinie 2004/8/EG für den Fall von Kraftwerk und dezen tralem Kessel festgelegte Vorgehensweise muss sinngemäß auch auf die Stromversorgung von dezentralen Wärmepumpen angewendet werden. 3. Würde man die WP im Systemvergleich mit dem Strom-Mix speisen, so würde man für die Energieversorgung der Wärmepumpe ja letztendlich nicht Erdgas sondern den BrennstoffMix der deutschen Stromerzeugung einsetzen. 4 Im Übrigen werden bei der beabsichtigten Verlagerung von Erdgas aus der dezen tralen Wärmeerzeugung in die Stromerzeugung ja auch tatsächlich neue GuD-Anlagen gebaut werden, falls KWK-Anlagen in geringerem Umfang zum Zuge kommen.

36 Ein Ganzheitlicher Ansatz für Vergleiche
3. Ein Ganzheitlicher Ansatz für Vergleiche Ergebnisse bei Erdgas: Mehraufwand bei getrennter Erzeugung mit GuD + Brennwertkessel GuD + Wärmepumpe Schwerpunkt: Erdgas - KWK für Gebäudewärme

37 Modernisierungs Szenario
3.0 Modernisierungs Szenario Aufgabe: Moderne Erdgas- Anlagen sollen einige bestehende alte Stromkraftwerke und eine sehr große Zahl von alten Heizungsanlagen verdrängen. ein Hintergrund: Der deutsche Gasabsatz von insgesamt 925 TWh wurde 2007 zu 11,5 % zur Verstromung in Kraftwerken und zu 27 % meist zu Heizzwecken in den Haushalten eingesetzt. Veranschaulichung: TWh Heizwärme entspricht {Faktor 0.6) ca. 150 TWh Strom Gesamte Stromerzeugung in DE: ca. 600 TWh

38 Wärme: Strom: el = xGuD * GuD
3.11 Dezentraler Kessel und zentrale Stromerzeugung Erdgas Wärme Q0 System: Wärme: th = xK * BK th Brennwertkessel: xK BK xK + xGuD =1 xGuD GuD-Anlage: Strom: el = xGuD * GuD GuD el Strom

39 {Strom aus GuD und Wärme aus Brennwertkessel} und „Hocheffizienkriterien“ für KWK
BK ε_th Fazit: „hocheffizient“ ist wohl maßlos übertrieben Speicher: KWK-Vergleich_eta_GUD_BK_WP.xls; Blatt „allgemein“

40 Wärmeversorger mit KWK –Anlage
3.12 Wärmeversorger mit KWK –Anlage Versorger: Spitzenkessel: Wärme Strom KWK im Spitzenstrom Betrieb KWK-Anlage: im KWK-Betrieb xSK xKWK Q0V Erdgas xSE Paradefall: Die KWK – Scheibe

41 Wärmeversorger mit KWK –Anlage
Spitzenkessel Wärme Strom KWK im Spitzenstrom Betrieb KWK-Anlage: im KWK-Betrieb xSK xKWK Q0V Erdgas xSE thV Wärmespitze: KWK Zusatzstrom: elV

42 Neuer Eintrag: Strom und Wärme aus reiner KWK Paradefall: XSK= XSE= 0
ε_el ε_th Datenquelle: siehe Tabellen in Folie Speicher: KWK-Vergleich_eta_GUD_BK_WP.xls; Blatt „allgemein“

43 Strom und gesamte Endenergie nur für Paradefall: XSK= XSE= 0
ε_el ε_gesamt Speicher: KWK-Vergleich_eta_GUD_BK_WP.xls; Blatt „allg_ges“

44 ε_el ε_gesamt Strom und gesamte Endenergie
neu: Versorgung mit 20% Spitzenkessel: XSK= 0.2; XSE= 0 ε_el ε_gesamt Speicher: KWK-Vergleich_eta_GUD_BK_WP.xls; Blatt „allg_ges“

45 Dezentrale Wärmepumpe und zentrale GuD-Anlage
3.13 Dezentrale Wärmepumpe und zentrale GuD-Anlage Erdgas Wärme Q0 System: th Wärmepumpe: K_WP Strom für WP: GuD-Anlage: xK Strom: xGuD GuD el Strom

46 Strombezug aus einem Erdgas GuD - Kraftwerk zugrunde legen.
(U5) : Ein wichtiges Argument in voller Länge Wdh. Bei Wärmepumpen wird mit dem Strombezug aus dem deutschen Strommix gerechnet. Im Systemvergleich mit moderner Erdgas – KWK muss man aber den Strombezug aus einem Erdgas GuD - Kraftwerk zugrunde legen. Begründung: 1. Bei einer neuen Erdgas-KWK-Anlage wird sowohl der Strom als auch die Wärme aus einer neu errichteten Anlage und aus Erdgas erzeugt. Zu einem korrekten Systemvergleich mit einer getrennten Erzeugung muss daher ebenfalls von modernen Erdgasanlagen ausgegangen werden. 2. Diese bereits in der EU-Richtlinie 2004/8/EG für den Fall von Kraftwerk und dezen tralem Kessel festgelegte Vorgehensweise muss sinngemäß auch auf die Stromversorgung von dezentralen Wärmepumpen angewendet werden. 3. Würde man die WP im Systemvergleich mit dem Strom-Mix speisen, so würde man für die Energieversorgung der Wärmepumpe ja letztendlich nicht Erdgas sondern den BrennstoffMix der deutschen Stromerzeugung einsetzen. 4 Im Übrigen werden bei der beabsichtigten Verlagerung von Erdgas aus der dezen tralen Wärmeerzeugung in die Stromerzeugung ja auch tatsächlich neue GuD-Anlagen gebaut werden, falls KWK-Anlagen in geringerem Umfang zum Zuge kommen.

47 Vergleich KWK mit: { GUD + Wärmepumpe }
Betrachte die WP als einen „Superkessel“ mit einem auf den GasEinsatz im GUD-Kraftwerk bezogenen - thermischen Wirkungsgrad: K_WP = JAZ * GUD Mit : JAZ = Jahresarbeitszahl = gelieferte Wärme / eingesetzter Strom GUD = eingesetzter Strom / eingesetzte Wärme im Kraftwerk K_WP = JAZ * GUD Zahlenwerte: Zum Vergleich: Brennwertkessel: eta_K = 1,1 Speicher: KWK_Vergleich_mit_WP.xls!“eta_K_WP“

48 Strom und gesamte Endenergie
neu: Zentrales GuD speist auch Wärmepumpe mit JAZ=4 ε_el ε_gesamt hier: Beispiel für KWK-Versorger mit 10% Spitzenanteile: XSK= 0.1; XSE= 0.1 Speicher: KWK-Vergleich_eta_GUD_BK_WP.xls; Blatt „allg_ges“

49 Kann optimale KWK die Effizienz eines GuD-WP- Systems je erreichen?
3.14 Kann optimale KWK die Effizienz eines GuD-WP- Systems je erreichen? Große Symbole: Beispiel für KWK-Versorger mit 10% Spitzenanteile: XSK= 0.1, und XSE= 0,1 Speicher: KWK-Vergleich_eta_GUD_BK_WP.xls; Blatt „allg_ges“

50 Kann optimale KWK die Effizienz eines GuD-WP- Systems je erreichen?
1. Bei kleiner dezentraler KWK ist theoretisch eine hohe „Brennstoff ausnutzung“ - wie bei einem Brennwertkessel- möglich (Betrachte: gesamt <= 1.05 ) Aber bei Motoren sind keine hohen elektrischen Wirkungs- grade möglich. (Betrachte: el < 0.40 , meist jedoch < 0,35) 2. Bei großer zentraler KWK ist wg. des Fernwärmenetzbetriebes keine so hohe „Brennstoffausnutzung“ möglich: Betrachte: gesamt <= 0,91 Ein relativ hoher elektrischer Wirkungsgrad erreichbar, aber er ist (auch bei GuD) begrenzt durch die Exergieverluste für die Bereitstellung der relativ hohen Vorlauftemperatur der Fernwärme (Betrachte: el <= 0.46 ) Folgerung: Selbst im Paradefall der KWK kann die Energie-Effizienz des GuD-WP-System wohl nicht erreicht werden.

51 beachte aber : Wärme bei hoher Temperatur, z.B. 130 °C
Ein nur didaktisches Beispiel: Modernes, kleines GuD mit KWK und großes GuD ohne KWK Abgasverluste = 10 % (umfasst auch sonstige Betriebsverluste) ohne KWK: el = 60% , davon 13%Punkte für WP-Betrieb verwenden mit voller KWK: elKWK = 47% also 13% Stromeinbuße Fernwärme thKWK = 43% =( %) „COP“ der Stromeinbuße: COPKWK = 43/13 = 3,3 beachte aber : Wärme bei hoher Temperatur, z.B. 130 °C COP einer dezentralen WP: COP = beachte: Wärme bei niedriger Temperatur, z.B. 30°C Die KWK erzeugt einen exergetischen Luxus, der dezentral in thermisch sanierten Gebäuden nicht mehr gebraucht wird.

52 Ein nur didaktisches Beispiel: Modernes, großes GuD mit und ohne KWK
Abgasverluste = 10 % (umfasst auch sonstige Betriebsverluste) ohne KWK: el = 60% , davon 10%Punkte für WP-Betrieb verwenden mit voller KWK: elKWK = 50% also 10% Stromeinbuße Fernwärme thKWK = 40% =( %) „COP“ der Stromeinbuße: COPKWK = 40/10 = 4 beachte aber : Wärme bei hoher Temperatur, z.B. 130 °C COP einer dezentralen WP: COP = 4 , also ebenfalls 40 %Punkte Wärme beachte: Wärme bei niedriger Temperatur, z.B. 30°C Ein großes GuD bringt auch im KWK-Betrieb hervorragende Leistung. Günstig für industriellem Wärmebedarf hoher Temperatur.

53 Es kommt nicht nur auf die Anlage sondern ganz erheblich
Fazit: Die Versorgung unter Einsatz von KWK-Anlagen ist der getrennten Versorgung mit Brennwertkessel und GuD meist knapp aber keineswegs grundsätzlich überlegen. Es kommt nicht nur auf die Anlage sondern ganz erheblich auch auf die Betriebsweise an. Die KWK unterliegt deutlich im technischen Wettbewerb mit GuD-Kraftwerk und Wärmepumpe. Eine herausragende Subventionierung der KWK führt zu einem suboptimalen Ergebnis bei der Energie-Effizienz..

54 eine ökologische Sackgasse ?
4. 4. KWK – eine ökologische Sackgasse ? Siehe hierzu das entsprechende Kapitel in:

55 Diskussionspunkte: A1 KWK – eine ökologische Sackgasse ? Nach Installation einer dezentralen KWK gibt es kaum noch Anreize zur - weiteren thermischen Sanierung Nutzung von Thermischer Solarenergie WP als Senke für fluktuierenden Wind- und PV- Strom eine künftige Gretchenfrage: Warum soll man bei Stromüberfluss (Wind + PV) noch und sogar vorrangig Erdgas in KWK- Anlagen verbrennen ? Der Ausbau der Stromversorgung mit Wind und Sonne erfordert vor allem Stromsenken (und keine neuen „vorrangigen“ Stromerzeuger) Ungleiche steuerliche Belastung der Nutzwärme kWh Gas im dezentralen Kessel : ct (Erdgassteuer, incl.MWSt.) “ “ beim KWK – Fernwärmeversorger : kWh Gas für 0.58 Kwh GuD-Strom für 2 kWh Wärme mittels WP : ca. 6 ct ( EEG [2011]+KWKG+Ökosteuer Konzessionsabgabe + CO2-Zertifikat incl. dazugehöriger MWSt. )

56 Erdgas für Strom und Wärme optimal einsetzen
5. 5. Vorschläge Erdgas für Strom und Wärme optimal einsetzen

57 Eingesparte Energie als Maß für den Zuschuss
5.1 Eingesparte Energie als Maß für den Zuschuss „voll oder gar nicht“ Prinzip Bisher: Entweder liegen die Voraussetzungen des KWK - Gesetzes vor, dann erfolgt eine volle Förderung für jede kWh die in dieser Scheibe als „KWK- Strom“ erzeugt wird, oder aber es erfolgt überhaupt keine Förderung . linearer Erlös für Einsparenergie bei jährlicher Abrechnung. Vorschlag: elV thV Q0V Einsparenergie = Q0V – Q = Q0V * (1- f ) mit f = Q0/ Q0V = (elV / GUD + thV / K ) [(4)] Subvention = p * Einsparenergie p kann CO2 Faktor enthalten auch auf WP übertragbar

58 Skizze zu einem Gesamtkonzept des Einsatzes von Erdgas
5.2 Skizze zu einem Gesamtkonzept des Einsatzes von Erdgas 1. Direkten Erdgaseinsatz in Gebäuden zurückdrängen durch: (1.1) Thermische Sanierung der Gebäudehülle (1.2) Auslegung der Wärmeübertrager auf kleine Temperaturdifferenzen, (1.3) Wärmepumpen (1.4) Thermische Sonnenenergie für WW im Sommer und zur Heizungsunterstützung im Winter. 2. Erdgaseinsatz ausweiten durch GuD- Anlagen , welche: (2.1) indirekt über Wärmepumpen auch Wärmeversorgung übernehmen (2.2) auch bedarfsgerecht KWK - Fernwärme bereitstellen (2.3) alte CO2- ineffiziente Kraftwerke verdrängen. 3. Erdgas zur dezentralen KWK nur einsetzen bei:, voller Ausnutzung des Brennwerteffektes und garantierter Beschränkung auf streng wärmegeführten Betrieb. Dann kann die dezentrale KWK einen auch elektrizitätswirtschaftlich sinnvollen Beitrag zur Abdeckung der saisonalen Leistungsspitze durch den vermehrten Einsatz von Wärmepumpen leisten.

59 Also: KWK in manchen Bereichen durchaus vernünftig, aber KWK Mythos hat Politik und Öffentlichkeit verführt. Eine herausragende Subventionierung der KWK als Technologie< führt zu einem suboptimalen Ergebnis bei der Energie-Effizienz . Alternative: Gesamtlösung mit thermischer Sanierung, Sonnenenergie, neue GuD und WP, KWK In der breiten Anwendung: nicht die Technologie sondern das Ergebnis fördern Bemessung der Subvention: Linearer Tarif für Einsparenergie ( für KWK; auch für WP; CO2 -Faktor einbeziehbar ) Ziel: Kaum noch Exergie für‘s Heizen einsetzen

60 Einige Diskussionsfolien aus den übrigen Kapitel der DPG-Studie

61 III.1 Thermische Kraftwerke auf fossiler Basis
Aus dem Kapitel: III.1 Thermische Kraftwerke auf fossiler Basis 1.1 Die Rolle der fossilen Kraftwerke weltweit und in Europa/Deutschland 1.2 CO2-Reduktion mit konventionellen Technologien: Wirkungsgradverbesserung und Ersatz von Kohle durch Erdgas 1.3 Zukünftige Entwicklung: CO2-Abscheidung und -Speicherung (CCS) 1.4 Bis 2030 erreichbaren Senkung der CO2-Emissionen bei Stromerzeugung 1.5 Zusammenfassung und Ausblick

62 Reduzierung des CO2 Ausstoßes von Steinkohlekraftwerken
durch Steigerung des Wirkungsgrades heute BQuelle: DPG2010: E-Studie, p. 49, Abb.2 Urquelle: Verband der Kraftwerksbetreiber (VGB PowerTech e.V.), Broschüre Zahlen und Fakten zur Stromerzeugung 2009/10

63 III.2 Kernkraftwerke Aus dem Kapitel: 2.1 Internationale Situation
2.2 Status quo in Deutschland (bei fluktuierendem Stromangebot) 2.3 Versorgung und Entsorgung 2.4 Zusammenfassung und Ausblick

64 Fähigkeit deutscher Druckwasserreaktoren zur Leistungsänderung
in 2 min um 20% der Voll-Last auf 100% bzw. 80% in 10 min um 50% der Voll-Last auf 100% bzw. 50% in 40 min um 70/80% der Voll-Last auf 100% bzw. 20/30 % AKW eignen sich also durchaus zur Ausregelung der fluktuierenden EEG - Einspeisung BQuelle: DPG2010, E-Studie, p. 67, Abb.3 Urquelle: M. Hundt et al.: Verträglichkeit von erneuerbaren Energien und Kernenergie im Erzeugungsverbund. Stuttgart, Oktober

65 2. Stromspeichertechniken
Aus dem Kapitel: Teil III: Transport und Speicherung von elektrischer Energie 2. Stromspeichertechniken 2.1 Einführung 2.2 Mechanische Speicher: Schwungrad 2.3 Hydraulische Speicher 2.4 Elektrische Speicher: Supraleitende Spulen und Kondensatoren 2.5 Elektrochemische Speicher 2.6 Zusammenfassung elektrische Speicher 2.7 Wärmespeicher für solarthermische Kraftwerke 2.8 Zusammenfassung und Ausblick

66 Übersicht über die wichtigsten Parameter der verschiedenen Energiespeicher (für den Bereich Netzmanagement) unb. =unbegrenzt ; CAES = Compressed Air Energy Storage, AA= advanced adiabatic SMES = supraleitende Spulen, Quelle: DPG2010, E-Studie, p. 137, Tab. 1, Martin Rzepka, ZAE-Bayern