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KWK = Strom (Kraft) - Wärmekopplung KWK und Systemvergleich im Rahmen eines thermodynamisch optimierten Heizens Dr. Gerhard Luther Universität des Saarlandes,

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Präsentation zum Thema: "KWK = Strom (Kraft) - Wärmekopplung KWK und Systemvergleich im Rahmen eines thermodynamisch optimierten Heizens Dr. Gerhard Luther Universität des Saarlandes,"—  Präsentation transkript:

1 KWK = Strom (Kraft) - Wärmekopplung KWK und Systemvergleich im Rahmen eines thermodynamisch optimierten Heizens Dr. Gerhard Luther Universität des Saarlandes, FSt. Zukunftsenergie c/o Technische Physik – Bau E26 D Saarbrücken EU - Germany Tel.: (49) 0681/ ; Fax / Homepage: AKE2009H_02

2 -1. Anknüpfung an zwei vorherige AKE- Vorträge 0. Zur Einstimmung: COP15: Budgetansatz 1. Der KWK Mythos 2. Wichtige Grundeigenschaften und ihre Folgen: Wärmegeführt – Stromgeführt zentral - dezentral 3. Ein Ganzheitlichem Ansatz für Vergleiche 4. Ergebnisse bei Erdgas: Mehraufwand bei getrennter Erzeugung mit GuD + Brennwertkessel GuD + Wärmepumpe 5. KWK – eine ökologische Sackgasse ? 6. Erdgas für Strom und Wärme optimal einsetzen KWK und Systemvergleich.....

3 Anknüpfung und Weiterführung zweier früherer Vorträge im AKE:

4 Die übertriebene Story von der einzigartigen KWK ( und manchmal enthalten Märchen ja auch ein Stück Wahrheit ) Kraftwärmekopplung Hoffnungsträger oder Subventionsloch AKE2008H_08 AKE2009F_06.3 Thermodynamisch optimiertes Heizen Link zum Original: Steht noch nicht im Internet. Aber für Mitdenker per mail verfügbar.

5 Thermodynamisch optimiertes Heizen 1. Die zum Heizen benötigte Exergie 1.1 Exergiebegriff – 1.2 Die drei Ansätze zum thermodynamischen Heizen: KWK, WP und kleines ΔT 1.3 Exergie zum Heizen und zur Frischlufterwärmung 2. Quellen für Heizenergie und ihr Exergiegehalt 2.0 Bloße Stromverheizung 2.1 Bloße Verbrennung 2.2 StromWärmeKopplung bei der Stromerzeugung (KWK) 2.3 StromWärmeKopplung durch Stromanwendung (Wärmepumpe) 2.4 Ausnutzung natürlicher NT-Quellen 3. Optimierung von Gebäude und Wärmebereitstellung, - Zusammenfassung Wiederholung: Inhalt Fazit : Optimierung von: Thermische Gebäudesanierung, Heizanlage und Wärmeerzeuger Energiewirtschaftliche Einbettung

6 Kraftwärmekopplung Hoffnungsträger oder Subventionsloch 1. Strom und Heizwärme- Erzeuger (gekoppelt und getrennt) 1.1 BHKW ; 1.2 Dampfkraftwerk ; 1.3 Gasturbine; 1.4 GUD-Kraftwerk; 1.5 Brennwertkessel 2. KWK- Promotion 3. Korrekte Vergleiche ?? 4. Ergebnisse wissenschaftlich korrekter Vergleiche 5. KWK mit Brennwertnutzung 5.1 bei dezentraler Mikro.KWK ; 5.2 Bei zentraler KWK 6. Brenstoffmehrverbrauch bei getrennter Erzeugung 7. Vollständiger Brennstoffvergleich für Versorger ( KWK + Spitzenwärme + Spitzenstrom ) 8. Wie wurde bisher die Brennwerttechnik in wichtigen KWK – Studien abgehandelt Wiederholung: Inhalt KWK -Mythos jetzt: Neu- Aufstellung, Erweiterung und Fortführung Ergänzung: 1.6 Thermoelektrischer Generator

7 0. Zur Einstimmung : Budgetansatz eigentlich: ProKopf-Budget - Ansatz

8 siehe auch: Nicholas Stern: Der Global Deal Quelle: WBGU - Sondergutachten 2009: Vorbereitungen für COP15: Budgetansatz Quelle: WBGU - Sondergutachten 2009, Deckblatt

9 Drei Beispiele für globale CO2 Emissionspfade Quelle: WBGU - Sondergutachten 2009, Abb.3.2-1, redaktionell ergänzt Gt CO2/a

10 Abbildung 3.2-1: Beispiele für globale Emissionspfade für den Zeitraum 2010–2050, bei denen global 750 Mrd. t CO2 emittiert werden, und die 2 °C-Leitplanke mit 67 % Wahrscheinlichkeit eingehalten wird. CO2: EmissionsMax Reduktion in frühen 2030er grüne Kurve: in 2011 AD [ % /a] blaue Kurve: in 2015 AD [ % /a] rote Kurve: in 2020 AD [ % /a] Quelle: WBGU - Sondergutachten 2009, Abb.3.2-1, redaktionell ergänzt

11 Beispiele für Pro-Kopf-Emissionsverläufe von CO2 aus fossilen Quellen ProKopf -Budgetansatz ohne Emissionshandel Quelle: WBGU - Sondergutachten 2009, Abb.1 EU, US &... China, Mexico &.... Indien, Brasilien, Entwicklungsländer

12 Abbildung 1 Beispiele für Pro-Kopf-Emissionsverläufe von CO2 aus fossilen Quellen für drei Ländergruppen nach dem Budgetansatz ohne Emissionshandel. Sie erlauben zwar eine Einhaltung der nationalen Budgets, würden aber z. T. in der Praxis nicht umsetzbar sein. Die Ländergruppen ordnen sich nach den jährlichen CO2-Emissionen pro Kopf aus fossilen Quellen, wobei die CO2-Emissionen Schätzungen für das Jahr 2008 und die Bevölkerungszahlen Schätzungen für das Jahr 2010 sind. Rot: Ländergruppe 1: ( > 5,4 t CO2 pro Kopf und Jahr), vor allem Industrieländer (z. B. EU, USA, Japan), aber auch ölexportierende Länder (z. B. Saudi-Arabien, Kuwait, Venezuela) und wenige Schwellenländer (z. B. Südafrika, Malaysia). Orange: Ländergruppe 2: ( 2,7–5,4 t CO2 pro Kopf und Jahr), viele Schwellenländer (z. B. China, Mexiko, Thailand). Grün: Ländergruppe 3: ( < 2,7t CO2 pro Kopf und Jahr), vor allem Entwicklungsländer (z. B. Burkina Faso, Nicaragua, Vietnam), aber auch einige große Schwellenländer (z. B. Indien, Brasilien). Quelle: WBGU - Sondergutachten 2009, Abb.1

13 Beispiele für Pro-Kopf-Emissionsverläufe von CO2 aus fossilen Quellen ProKopf- Budgetansatz mit Emissionshandel Quelle: WBGU - Sondergutachten 2009, Abb.2 EU, US &... China, Mexico &.... Entwicklungsländer

14 Abbildung 2 Beispiele für Pro-Kopf-Emissionsverläufe von CO2 aus fossilen Quellen für drei Ländergruppen nach dem Budgetansatz, die sich durch einen Emissionshandel ergeben könnten (durchgezogene Kurven). Dabei wurde angenommen, dass die Länder in Gruppe 1 ihr Budget um 75 % erhöhen, indem sie Emissionsrechte für 122 Mrd. t CO2 hinzukaufen. in Gruppe 2 kaufen (ab 2030!) Emissionsrechte im Umfang von insgesamt 41 Mrd. t CO2 hinzu. in Gruppe 3 treten als Verkäufer der insgesamt 163 Mrd. t CO2 auf, deren Budget damit um etwa 43 % sinkt. Gegen Ende des Budgetzeitraums ergibt sich eine Annäherung der realen CO2-Emissionen bei etwa 1 t pro Kopf und Jahr (bezogen auf die Bevölkerung im Jahr 2010). Die gestrichelten Kurven zeigen die theoretischen Pro-Kopf-Emissionsverläufe von CO2 ohne Emissionshandel aus Abbildung 1. Die Flächen zwischen den Kurven veranschaulichen die gehandelte Menge an Emissionszertifikaten. Da es sich um eine Darstellung pro Kopf handelt und die Ländergruppen unterschiedliche Bevölkerungsstärken haben, stimmen die Flächen zwischen den kaufenden Ländergruppen 1 und 2 in der Summe nicht mit der Fläche der verkaufenden Ländergruppe 3 überein. Quelle: WBGU - Sondergutachten 2009, Abb.2

15 Was folgt daraus für Heizen in DE: 1. Extreme Anforderung an CO2-Einsparung 2. Globale Pro Kopf Zuteilung übersieht Heizbedarf 3. Heizen wird richtig teuer. also: selbst wenn der KWK- Mythos Realität wäre: Austausch des Kessels durch KWK –Anlage würde noch unzureichend sein daher weitergehende Frage: Begünstigt oder hemmt die KWK weitergehende Sparmaßnahmen ?

16 1. Der KWK Mythos 1.

17 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 der elektrische Wirkungsgrad von vorneherein niedrig. 1.1

18 District heating, Copenhagen The Copenhagen district heating system is one of the worlds largest, oldest and most successful, supplying 97 per cent of the city with clean, reliable and affordable heating. Set up by five mayors in 1984, the system simply captures waste heat from electricity production, normally released into the sea, and channels it back through pipes into peoples homes. The system cuts household bills by 1,400 annually and has saved the Copenhagen district the equivalent of 203,000 tonnes of oil every year: thats 665,000 tonnes of CO2. Quelle: wörtlich zitiert sogar von Nicholas Stern: Der Global Deal,p.173 Beck Verlag, München (2009), iSBN = Beispiel für Quatsch:

19 Man erhält märchenhafte CO2- und PE Einsparungen wenn man z.B.: {2. +3.}: moderne Erdgas –KWK vergleicht mit: altem Ölkessel + altem KoKW + StromMix (50% Kohleanteil) 1. Nur die Brennstoffausnutzung vergleicht also bei der KWK Strom und Wärme addiert, und dann mit dem Strom aus einem reinen Kraftwerk vergleicht. Ergebnis: Märchenhafte % Einsparung an CO2 und PE 1.2

20 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: 2. Gleiche Primärenergieträger also z.B. Erdgaseinsatz nicht nur bei KWK sondern auch bei getrennter Erzeugung 1. Eine detaillierte Gleicheit der Wärme- und Stromproduktion also gleiche Strom- und gleiche Wärmeproduktion auch in getrennter Erzeugung. 3. Moderne Anlagen der getrennten Erzeugung also z.B.: GUD und Brennwertkessel 1.3

21 RICHTLINIE 2004/8/EG DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES vom 11. Februar 2004 über die Förderung einer am Nutzwärmebedarf orientierten Kraft-Wärme-Kopplung im Energiebinnenmarkt und zur Änderung der Richtlinie 92/42/EWG Richtlinie 2007/74/EG = Entscheidung der Kommission vom , zur Festlegung harmonisierter Wirkungsgrad-Referenzwerte für die getrennte Erzeugung von Strom und Wärme in Anwendung der RL 2004/8/EG..) Zitate für EU –KWK-Richtlinie:

22 2. Wichtige Grundeigenschaften und ihre Folgen: zentrale – dezentrale KWK Wärmegeführter – Stromgeführter Betrieb Kraft-Wärme-Kopplung ist die gleichzeitige Umwandlung von eingesetzter Energie in elektrische Energie und in Nutzwärme in einer ortsfesten technischen Anlage. (KWKModG2009, §3 Absatz (1),Satz1 2.

23 Zentrale und Dezentrale KWK Eine KWK-Anlage nennen wir. dezentral (im Sinne von lokal) nur dann, wenn die Wärme direkt am Erzeugungsort in die Heizungsanlage eingespeist wird. zentral, wenn die produzierte Wärme über Fernwärmeleitungen abgegeben werden muss. Dann lassen sich die folgenden Eigenschaften zuordnen : 2.1

24 Einige Vorteile einer dezentralen KWK Niedrige Vorlauftemperaturen erreichbar, wenn das Gebäude thermisch saniert ist und die Heizkörper großzügig ausgelegt (z.B. Flächenheizungen) Individuelle Anpassung der Vorlauftemperatur schöpft exergetisches Einsparpotential aus. Rücklauftemperaturen so niedrig, dass eine Abgaskondensation möglich wird. Wärmenutzung wie bei einem Brennwertkessel erreichbar. Dezentrale Stromeinspeisung vermeidet Netzverluste Die Strom erzeugende Heizung (SeH) ist z.B. eine wirklich dezentrale KWK. Aber: schlechtere elektrische Wirkungsgrade

25 Einige Nachteile einer zentralen KWK Hohe Vorlauftemperatur notwendig (Exergieverlust!)Geleitzugprinzip : In einem Fernwärmenetz bestimmt der Verbrau- cher mit den höchsten Ansprüchen die Temperatur. Weiterhin muss berücksichtigt werden: Warmwasserversorgung jederzeit sicherstellen Temperaturdifferenzen an den Wärmetauschern Abkühlung bis zum letzten Verbraucher Keine niedrige Rücklauftemperatur möglich also: keine Brennwertnutzung möglich. Zusätzlicher betrieblicher Aufwand für Pumpen und Leitungsverluste Erhebliche Investitionen in den Bau des Fernwärmenetzes, zumal die Gebiete mit hoher Wärmebedarfsdichte meist schon ausgebaut sind. a Aber: Große Anlagen haben bessere elektrische Wirkungsgrade.

26 Wärmegeführter und Stromgeführter Betrieb Wärmegeführter Betrieb (der Öko - Fall). Ein Betreiber einer KWK –Anlage kann seine Anlage nach Maßgabe der Wärmenachfrage in Kraft-Wärme Kopplung betreiben. Stromgeführter Betrieb (die große Versuchung). Ein Betreiber einer KWK –Anlage kann seine Anlage nach Maßgabe der Stromnachfrage fahren, selbst wenn er nur einen Teil der produzierten Wärme oder sogar überhaupt keine Wärme als Nutzwärme abgeben kann. KWK- Anlage muss also nicht im KWK-Betrieb gefahren werden! aber : Schlechter elektrischer Wirkungsgrad beim Spitzenstrom aus KWK-Anlagen Spitzenwärme. Ein Betreiber einer KWK –Anlage muss zur Abdeckung seiner Wärmedeckungspflicht manchmal einen Spitzenkessel zuschalten. aber : Schlechter thermischer Wirkungsgrad beim Spitzenkessel für die Fernwärme 2.2

27 3. Ein Ganzheitlicher Ansatz für Vergleiche 3.

28 Aufgabe: Moderne Erdgas- Anlagen sollen einige bestehende alte Stromkraftwerke und eine sehr große Zahl von alten Heizungsanlagen verdrängen. Modernisierungs Szenario Hierzu werden 2 Erdgas - Fälle betrachtet und verglichen: (1.) KWK - Untersuchungsfall: KWK Anlagen verdrängen die alten Heizungsanlagen und Stromkraftwerke.. (2.) Referenzfall Getrennte Erzeugung: GuD –Kraftwerken verdrängen alte Stromkraftwerke BrennwertKessel verdrängen die alten Heizungskessel 3.0

29 Ich beschränke mich auf den Einsatz de PE-Träger Erdgas, weil: dies einfach und übersichtlich ist Erdgas der wichtigste Energieträger im Heizungsbereich ist der Erdgaseinsatz in DE zunehmen soll Bem.: Der Einsatz von KWK auf Kohlebasis ist energiewirtschaftlich durchaus interessant, weil hierdurch man auch Kohle bequem, (relativ) sauber und preiswert zu Heizzwecken nutzen kann. (siehe Dänemark). Ökologisch jedoch nur mit CCS vertretbar !

30 3.1 Wärmeversorger mit KWK –Anlage Versorger : Spitzenkessel: Wärme Strom KWKKWK im Spitzenstrom- Betrieb KWK-Anlage : im KWK-Betrieb x SK x KWK Q 0 V Erdgas x SE Paradefall: Die KWK – Scheibe

31 Wärmeversorger mit KWK –Anlage Versorger : Spitzenkessel: Wärme Strom KWKKWK im Spitzenstrom- Betrieb KWK-Anlage : im KWK-Betrieb x SK x KWK Q 0 V Erdgas x SE Wärmespitze: Zusatzstrom:

32 Ein korrekter Vergleich muss die gesamte Produktion des Versorgers, die mit seiner KWK Anlage und der Verpflichtung zur Fernwärmelieferung zusammenhängt, beachten. Vergleiche also Erdgaseinsatz (PE) für: KWK : Q 0 V = PE des Versorgers und getrennte Erzeugung : Q 0 = PE für GuD + Kessel, ergibt sich aus detaillierter Gleichheit : Wärme = Q 0 * η K Strom = Q 0 * η GuD

33 Wärme = Q 0 V * [ x KWK *η th KWK + x SK *η SK ] Strom = Q 0 V * [ x KWK *η el KWK +x SE *η SE ] Elektrischer Wirkungsgrad : el V = Strom / Q 0 V Versorger : Spitzenkessel : Wärme Strom im Spitzenstrom- Betrieb KWK-Anlage : im KWK-Betrieb x SK x KWK Q0V Q0V Erdgas x SE x SK *η SK x KWK *η th KWK x KWK *η el KWK x SE *η SE Endenergie und PE-Aufwand des Versorgers : Thermischer Wirkungsgrad : th V = Wärme / Q 0 V x KWK + x SE + x SK = 1 Gesamte Brennstoffausnutzung : gesamt V = el V + th V th V el V

34 PE - Mehraufwand für getrennte Erzeugung Q 0 V = Gesamter PE –Einsatz des Versorgers zur Erzeugung von Wärme ( KWK-Wärme und Spitzenwärme) und Strom ( KWK-Strom und Spitzenstrom) Q 0 = Summe des PE -Einsatzes bei der getrennten Erzeugung von Wärme in dezentralen Brennwertkesseln und Strom im GuD –Kraftwerk. Also: f beschreibt den Mehraufwand an Primärenergie (PE) für die getrennte Erzeugung. Definition: Primärenergiefaktor: f = Q 0 / Q 0 V (4)

35 Zitat aus AKE2008H: Vollständiger Brennstoffvergleich Für die Gesamt- Nutzenergie eines Versorgers ( freie KWK, Spitzenkessel) gilt: gesamt V * Q 0 V = ( el V + th V ) *Q 0 V (1) mit: Q 0 V = Gesamter PE des Versorgers (KWK, SpitzenKessel +SpitzenStrom) Betrachte eine detaillierte Gleichheit der Nutzenergien bei der getrennten Erzeugung: für GUD- Strom: GUD Q GUD = el V *Q 0 V (2a) für Kessel -Nutzwärme : K Q K = th V * Q 0 V (2b) Q 0 = gesamte Primärenergie (PE) der getrennten Erzeugung: Q 0 = Q GUD + Q K (3) Faktor für den PE- Aufwand bei der getrennten Erzeugung: f = Q 0 / Q 0 V = ( el V / GUD + th V / K ) (4)

36 Bezeichnungen: th KWK = Wärmewirkungsgrad der KWK-Erzeugung, definiert als jährliche Nutzwärmeerzeugung im Verhältnis zum Brennstoff, der für die Erzeugung der Summe von KWK-Nutzwärmeleistung und KWK- Stromerzeugung eingesetzt wurde. K = Wirkungsgrad-Referenzwert für die getrennte Wärmeerzeugung. (z.B. im Brennwertkessel, Bezug auf Hu= unterer Heizwert) el KWK = elektrischer Wirkungsgrad der KWK, definiert als jährlicher KWK- Strom im Verhältnis zum Brennstoff, der für die Erzeugung der Summe von KWK- Nutzwärmeleistung und KWK- Stromerzeugung eingesetzt wurde. GUD = Wirkungsgrad-Referenzwert für die getrennte Stromerzeugung ( z.B. in einem zentralen GUD –Kraftwerk) gesamt KWK = th KWK + el KWK = Gesamt-Nutzungsgrad der KWK Q 0 KWK = Primärenergieeinsatz (PE) in der KWK-Anlage Q GUD und Q K = PE im GUD – Kraftwerk und im HeizKessel Q 0 = Q GUD + Q K = gesamter PE der getrennten Erzeugung f = Q 0 / Q 0 KWK = Faktor für den Primärenergie - Mehrverbrauch durch getrennte Erzeugung von Strom und Wärme.

37 Bezeichnungen: th V = Wärmewirkungsgrad der Strom- und Wärme-Erzeugung des Versorgers, ´ definiert als gesamte jährliche Nutzwärmeerzeugung im Verhältnis zum Brennstoff, der für die Erzeugung von Wärme und von Strom insgesamt (also: für KWK, für SE und für SK) beim Versorger eingesetzt wurde. K = Wirkungsgrad-Referenzwert für die getrennte Wärmeerzeugung. (z.B. im Brennwertkessel, Bezug auf Hu= unterer Heizwert) el V = elektrischer Wirkungsgrad der Strom- und Wärme-Erzeugung des Versor- gers, definiert als gesamte jährliche Stromerzeugung im Verhältnis zum Brennstoff, der für die Erzeugung von Wärme und Strom insgesamt beim Versorger eingesetzt wurde. GUD = Wirkungsgrad-Referenzwert für die getrennte Stromerzeugung ( z.B. in einem zentralen GUD –Kraftwerk) gesamt V = th V + el V = Gesamt-Nutzungsgrad des Versorgers Q 0 V = Primärenergieeinsatz (PE) des Versorgers Q GUD und Q K = PE im GUD – Kraftwerk und im HeizKessel Q 0 = Q GUD + Q K = gesamter PE der getrennten Erzeugung f = Q 0 / Q 0 V = Faktor für den Primärenergie - Mehrverbrauch durch getrennte Erzeugung von Strom und Wärme. Der Versorger setzt KWK, Spitzenstrom (SE) und SpitzenKessel (SK) ein.

38 Gl.(4) wird anschaulicher, wenn wir den Versorger beschreiben mit: gesamt V = Gesamtnutzungsfaktor des Versorgers, und el V = elektrischer Wirkungsgrad des Versorgers Der PE- Faktor f = Q 0 / Q 0 V für den PE- Aufwand: f = gesamt V / K + el V * { 1 / GUD - 1/ K } (4a) ist eine lineare Funktion von el V. Für den Paradefall (x KWK = 1) gilt: f(0,0)= η gesamt KWK / K + η el KWK * { 1 / GUD - 1/ K } (4b) (also x SK =x SE = 0)

39 Der PE-Faktor Gl.(4a) lässt sich umschreiben als Funktion von x SK und x SE : f(x SK, x SE ) = f(0,0) + m SK * x SK + m SE * x SE (4c) mit : m SK = - [ f(0,0) - SK / K ] m SE = - [ f(0,0) - SE / GUD ] und f(0,0) = η gesamt KWK / K + η el KWK * { 1/ GUD - 1/ K } [ (4b)] Der Einfluss von Spitzenkessel und Spitzenstrom f(1,0) f(0,0)_ 1.0 x SK 0 _ SK / K f 1. Randfall: x SE = x SE 0 _ SE / GuD f(0,0)_ f(0,1) f 2. Randfall: x SK = 0 Veranschaulichung von Gl.(4c) durch ihre beiden Randfälle:

40 4. Ergebnisse: Vergleich KWK mit getrennter Erzeugung Vergleich KWK mit { GUD + Brennwertkessel} 4.2 Vergleich KWK mit { GUD + Wärmepumpe (WP)}

41 Faktor f für den Mehraufwand bei getrennter Erzeugung durch ein GuD Kraftwerk mit GUD = und einen Brennwertkessel mit K = 1.05 Beispiel: BHWK mit elektrischer Leistung von 1MW Grunddaten siehe Bild 9: BHKW_1MW 4.1

42 Referenz: GUD- Kraftwerken mit GUD = und Brennwertkesseln mit K = 1.05 Der Paradefall x SK = x SE =0 wird durch f(0,0) beschrieben, die Steigung m SK gibt die Empfindlichkeit von f gegenüber x SK, und die Steigung m SE gibt die Empfindlichkeit von f gegenüber x SE an. Speicher: KWK_Vergleich_Hifsdateien.xls!3Paras f(x SK, x SE ) = f(0,0) + m SK * x SK + m SE * x SE (4c) Parameter für f (x SK, x SE ), den Mehraufwand für getrennte Erzeugung { x SK ; x SE } = PE – Anteil für { Spitzenkessel ; Spitzenstrom }

43 Der thermische Wirkungsgrad der SpitzenWärmeerzeugung wurde für die Fernwärmeanlagen auf eta_SK= 0.90 gesetzt, bei den Mikro KWK-Anlagen wurde hierzu die angegebene Brennstoffausnutzung ( eta_ges ) übernommen. Für den elektrische Wirkungsgrad der Spitzenstromerzeugung eta_SE wurde- sofern nicht anders angegeben- der elektrische Wirkungsgrad des KWK- Betriebes übernommen. Speicher: KWK_Vergleich_Hifsdateien.xls!Versorger 10% Beispiel: f(x SK =0.1, x SE = 0.1) f = Mehraufwand für getrennte Erzeugung mit GuD und BrennwertKessel

44 4.2 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: Speicher: KWK_Vergleich_mit_WP.xls!eta_K_WP Zum Vergleich: Brennwertkessel: eta_K = 1,1 Vergleich KWK mit: { GUD + Wärmepumpe }

45 Arbeitszahl in der Heizzeit (nur Heizung) auf der Basis von Tagesmittelwerten (Zeitraum 11/07 – 10/08). Temperaturhub, den die WP überwinden muss, zwischen Umweltmedium und HeizkreisVorlauf. Quelle: Christel Russ, Marek Miara, Michael Platt:Untersuchungen zum Einsatz von Wärmepumpen im Gebäudebestand, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme Freiburg, (2009), Bild 10, S.10 Tages-Arbeitszahlen von Wärmepumpen und Temperaturhub

46 Hocheffiziente Wärmepumpe für thermisch sanierte Gebäude Moderne WP zeigen bei einem ΔT = 20 bis 30 [K] schon heute eine Arbeitszahl von 3.5 bis 4.5 Bei der Installation der WP kann viel Geld durch Verminderung des Wärmebedarfs eingespart werden: Anreiz zur thermischen Sanierung. Jede Verminderung des Exergieanforderung für Gebäudewärme (z.B.: niedrige Heiz-Temperaturen, Ausnutzung von Aufwärmprozessen, überdimensionierte Heizkörper) kann in einen besseren Wirkungsgrad der WP umgesetzt werden. Interessante Entwicklungen: WP für Heizen und Kühlen WP in Kombination mit Wasser-Eis- Speicher Temperaturgleit bei Wärmeabgabe (insbesondere: transkritische CO2-WP

47 Vergleich KWK-Anlagen mit {GuD + Wärmepumpe} Der PE-Faktor der getrennten Erzeugung als Funktion von x SK und x SE : f(x SK, x SE ) = f(0,0) + m SK * x SK + m SE * x SE (4c) Speicher: KWK_Vergleich_Hifsdateien.xls!WP_3Paras

48 Speicher: KWK_Vergleich_Hifsdateien.xls!WP 10% Beispiel: f(x SK =0.1, x SE = 0.1) f = Mehraufwand für getrennte Erzeugung mit GuD und Wärmepumpe

49 5. KWK – eine ökologische Sackgasse ? 5.

50 KWK und Kraftwerkserneuerung Brennwert- Kessel GuD als KWK Alternative SpitzenKessel KWK -Wärme KWK -Strom Spitzenstrom in Restzeit NetzReserve KWK - OptionGuD - Option VERSORGERVERSORGER N e tz Fazit: KWK behindert BestandsErneuerung ? 5.1

51 Ein Dilemma der KWK im Gebäudewärmebereich Es ist bekannt, dass Hohe Investitionskosten eine hohe Jahres –Betriebszeit der KWK- Anlage erfordern Die Wärmenachfrage im Gebäudebereich jedoch ungleichförmig ist. Also muss die KWK- Anlage A) entweder nur einen mittleren Teil der Wärmenachfrage abdecken, ( Einsatz von Spitzenkessel ) B) oder einen großen Teil der Wärmenachfrage abdecken, und ihr Geld mit Spitzenstrom verdienen. Folge: 1. Bei zentraler Fernwärmeversorgung immer negativ für Energiebilanz. 2. Bei der dezentralen Stromerzeugenden Heizung mit Brennwertnutzung, bei der als Spitzenkessel ebenfalls ein Brennwertkessel eingesetzt wird, A) führt der Spitzenkessel zu keinem Energiedefizit (immerhin !) B) wirkt jede Spitzenstromerzeugung jedoch besonders negativ ( wg. des besonders niedrigen elektrischen Wirkungsgrades der SeH). 5.2

52 KWK behindert weitere Einsparungen im Gebäudewärmebereich Bei Fernwärme (zentrale KWK) Viele Kunden schließen sich an die Fernwärme an ohne vorher ihr Gebäude thermisch zu sanieren ( u.a. auch Zeitdruck wg. Marketing Aktionen zum gleichzeitigem Anschluss) Hohe Investitionen in Wärmebereitstellung blockieren jedoch Motivation und Wirtschaftlichkeit weiterer Sparmaßnahmen (wg. der Fixkosten der Fernwärme, Auslastung der Netze, relativ günstiger Arbeitspreise) Bei einer dezentralen KWK- Anlage gilt: 1.Verminderung des Wärmebedarfs schmälert die KWK- Scheibe: Die Amortisation müsste mit Spitzenstrom verdient werden. ( Verlust der KWK-Zuschläge - oder Trickserei erforderlich) 2.Thermische Sanierung bringt kaum Erlöse, da Wärmebedarf oft durch kostenlose Abwärme gedeckt werden könnte. 5.3

53 Es werden oft zugunsten der KWK: U0: die brutalen Fehler des KWK-Mythos gemacht: (nur Brennstoffausnutzung bewertet; Vergleich alter KoKW mit neuer Erdgas-KWK, reine Abwärmenutzung ohne Wirkungsgradeinbuße ) U1 : Beitrag des Spitzenkessels ausgeklammert, U2 : nur die Stromerzeugung im KWK- Betrieb betrachtet (Paradefall), U3: Unrealistische (manipulierte) Vergleichswerte der getrennten Erzeugung benutzt (sogar gesetzlich vorgeschrieben wg. EU 2007/74/EG ) Andererseits werden manchmal (im Prinzip ok aber verkomplizierend): U4: Umfangreiche Nebeneffekte berücksichtigt (Verluste im Stromnetz, Bonus für Verbraucher nahe Stromerzeugung Pumpstrom und Wärmeverluste in Fernwärmeleitung, Unterschiedlicher Aufwand für Gastransport zum zentralen oder dezentralen Verbraucher etc.) Warum die KWK meist besser erscheint als sie tatsächlich ist. 5.4

54 6. Vorschläge Erdgas für Strom und Wärme optimal einsetzen 6.

55 Eingesparte Energie als Maß für den Zuschuss 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. Bisher: voll oder gar nicht Prinzip Vorschlag: linearer Erlös für Einsparenergie bei jährlicher Abrechnung. Einsparenergie = Q 0 V – Q 0 = Q 0 V * (1- f ) mit f = Q 0 / Q 0 V = ( el V / GUD + th V / K ) [(4)] Subvention = p * Einsparenergie el V th V Q0VQ0V auch auf WP übertragbar 6.1 p kann CO2 Faktor enthalten

56 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. Skizze zu einem Gesamtkonzept des Einsatzes von Erdgas 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. 6.2

57 KWK in vielen Bereichen durchaus vernünftig, aber KWK Mythos hat Politik und Öffentlichkeit hereingelegt. weiterhin: Vergleich muss Spitzenkessel und Spitzenstrom einbeziehen Keine Veranlassung für eine bevorzugte Förderung der KWK. {GuD + Wärmepumpe} in der Regel sogar PE - effizienter. Dezentrale KWK nur sinnvoll bei Brennwertnutzung und streng wärmegeführtem Betrieb KWK darf nicht in eine ökologische Sackgasse führen Vorschläge: Gesamtlösung mit thermischer Sanierung, WP, Sonnenenergie, neue GuD, KWK Bemessung der Subvention: Linearer Tarif für Einsparenergie ( für KWK; auch für WP; CO2 -Faktor einbeziehbar ) Also: Ziel: Kaum noch Exergie fürs Heizen einsetzen

58

59 Wärmeversorger mit KWK –Anlage Versorger : Spitzenkessel: Wärme Strom KWKKWK im Spitzenstrom- Betrieb KWK-Anlage : im KWK-Betrieb x SK x KWK Q 0 V Erdgas x SE


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