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1 Zum Original: physik.de/veroeffentlichung/broschueren/stu dien.html Die Elektrizitätsstudie der DPG, 2010 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), 1.4 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 1.Stromnetze und Systemaspekte 2.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), 1.4 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 1.Stromnetze und Systemaspekte 2.Stromspeichertechniken Ausblick auf eine Zukunft mit niedrigen CO2-Emissionen

5 Zum Original: physik.de/veroeffentlichung/ broschueren/studien.html Exzerpt: Teil I: Nutzung von elektrischer Energie 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 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 Zur Themenseite: Thermodynamisch Optimiertes Heizen Dr. Gerhard LUTHER, Uni des Saarlandes, Technische Physik, Bau E Saarbrücken Tel.: Die Elektrizitätsstudie der DPG, 2010

6 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 Thermodynamisch optimiertes Heizen und der Mythos der KWK

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

9 1.2 Die drei Ansätze zum thermodynamischen Heizen 1. Strom Wärme Kopplung beim Brennstoff-Einsatz: KWK Die Entropie ΔS wird oberhalb der Umgebungstemperatur T U 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) 2.Strom Wärme Kopplung beim Stromeinsatz: Wärmepumpe Anergie ΔQ U 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 1.2

10 Ideale Wärme Pumpe ΔSΔS ΔQ H ΔQUΔQU ΔE WP ΔSΔS TUTU THTH Ideale Kraft Wärme- Kopplung ΔSΔS ΔQ Δ Q H` ΔE KWK ΔSΔS T T H` 1. KWK: Strom Wärme Kopplung beim Brennstoff-Einsatz 2. Wärmepumpe (WP): Strom Wärme Kopplung beim Stromeinsatz Indexe H..= Heiz- U..= Umgebungs- E = Elektrizität Q = Wärme S = Entropie T = Temperatur Kopplung von Strom und Wärme Vorlauf- Temperatur der Fernwärme/ Heizung Umgebungs- Temperatur: Luft, Wasser, Erdwärme dezentral

11 Mindest - Exergie für die drei thermischen Grundaufgaben: 1. Ausgleich der Transmissionsverluste Q T Temperatur halten bei ca. 20 °C ΔE T = (T innen – T außen ) / T innen * ΔQ T 2. Lüftungswärme Q L aufbringen, zur Aufwärmung von Frischluft von ca. 0° auf ca. 20°C ΔE L = 0.5 * (T innen – T außen ) / T innen * ΔQ L 3. Warmwasser - Wärme Q W liefern, Trinkwasser aufwärmen von ca. 15 °C auf ca °C, ΔE W = 0.5 * (T w – T außen2 ) / T w * ΔQ W 1.3 Die zum Heizen notwendige Exergie T außen bzw T außen2 = Umgebungstemperatur für die Wärmepumpe in Heizperiode bzw. im Gesamtjahr 1.3

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

13 UrBildQuelle: Prinzip: Block-Heizkraftwerk (BHKW) Wärmeabgabe an Kühlwasser und Abgas erfolgt auf hohem Temperaturniveau. Das ist schlecht für den Wirkungsgrad. Aber man kann die Abwärme noch direkt weiter verwerten el = 34 % gesamt = 90 % 1a.1

14 GUD –Kraftwerk Gasturbine mit anschließendem Dampf Kraftprozeß 1a.2

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

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

17 Wie gut sind moderne Feuerungsanlagen ? 1a.3 Erdgas- Brennwertkessel

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

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

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

21 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: % (H u ).

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 1a.3.3

23 Direkte Messung der Abgasverluste über einen Zeitraum t 0 : 1. Messung des anfallenden Kondensatwassers W in [ Liter] 2. Ablesung des Gasverbrauches V G in [m n 3 ] 3. Berechnung von WD 0 = maximaler theoretischer Kondensatanfall WD 0 = V G *x V0 mit x V0 = 1,6 [ Liter H 2 O /m n 3 ] bei Erdgas 4. Integraler Kondensatanfall w = W / W D0 w = W / (V G *x V0 ) = ( W / V G ) / 1,6 Es gilt: Wärmeverluste q A in [ %] von Feuerungsanlagen mit Kondensatanfall: Faustformel: q A = (1 – w) * 13,5% w = (W / V G ) / 1,6 Quelle: G. Luther: DE B3; Messverfahren zur Bestimmung des Abgasverlustes von Feuerungsanlagen mit Abgaskondensation DE B3

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

25 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/).. Stiftung Warentest 7/2010: Test Brennwertkessel 1a.3.4

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 >

28 2. Der KWK Mythos 2.

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 2009 und EEG = Erneuerbare-Energien-Gesetz 2009 (Finanziert durch Abwälzung auf Strompreis) und weitere Vergünstigungen ( z.B. Anrechnung als RE in EEWärmeG, Interessenverband ist gemeinnützig, etc. )

30 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. 2.1

31 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: KWK – Mythos mit märchenhaften % Einsparung an CO2 und PE 2.2

32 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 2.3

33 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. … eigentlich trivial Quelle:

34 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.) Warum die KWK meist besser erscheint als sie tatsächlich ist. 2.4

35 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. (U5) : Ein wichtiges Argument in voller Länge Kommt später noch mal

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

37 Aufgabe: Moderne Erdgas- Anlagen sollen einige bestehende alte Stromkraftwerke und eine sehr große Zahl von alten Heizungsanlagen verdrängen. Modernisierungs Szenario 3.0 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: 250 TWh Heizwärme entspricht {Faktor 0.6) ca. 150 TWh Strom Gesamte Stromerzeugung in DE: ca. 600 TWh

38 Dezentraler Kessel und zentrale Stromerzeugung System : Brennwertkessel: Wärme Strom GuD-Anlage: xK xK Q 0 Erdgas Wärme: th = x K * BK Strom: el = x GuD * GuD th el BK x GuD GuD x K + x GuD =1 3.11

39 BK GuD_ {Strom aus GuD und Wärme aus Brennwertkessel } und Hocheffizienkriterien für KWK Fazit: hocheffizient ist wohl maßlos übertrieben Speicher: KWK-Vergleich_eta_GUD_BK_WP.xls ; Blatt allgemein ε _ el ε _ th

40 3.12 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

41 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: th V el V KWK

42 Neuer Eintrag: Strom und Wärme aus reiner KWK Paradefall: X SK = X SE = 0 Datenquelle: siehe Tabellen in Folie Speicher: KWK-Vergleich_eta_GUD_BK_WP.xls ; Blatt allgemein ε _ th ε _ el

43 Strom und gesamte Endenergie nur für Paradefall: X SK = X SE = 0 Speicher: KWK-Vergleich_eta_GUD_BK_WP.xls ; Blatt allg_ges ε _ el ε _ gesamt

44 Strom und gesamte Endenergie neu: Versorgung mit 20% Spitzenkessel: X SK = 0.2 ; X SE = 0 Speicher: KWK-Vergleich_eta_GUD_BK_WP.xls ; Blatt allg_ges ε _ gesamt ε _ el

45 Dezentrale Wärmepumpe und zentrale GuD-Anlage System : Wärmepumpe: Wärme Strom GuD-Anlage: xK xK Q 0 Erdgas Strom für WP: Strom: th el K_WP GuD x GuD 3.13

46 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. (U5) : Ein wichtiges Argument in voller Länge Wdh.

47 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 }

48 hier: Beispiel für KWK-Versorger mit 10% Spitzenanteile: X SK = 0.1; X SE = 0.1 Strom und gesamte Endenergie neu: Zentrales GuD speist auch Wärmepumpe mit JAZ=4 Speicher: KWK-Vergleich_eta_GUD_BK_WP.xls ; Blatt allg_ges ε _ gesamt ε _ el

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

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 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 : el KWK = 47% also 13% Stromeinbuße Fernwärme th KWK = 43% =( %) COP der Stromeinbuße: COP KWK = 43/13 = 3,3 beachte aber : Wärme bei hoher Temperatur, z.B. 130 °C COP einer dezentralen WP: COP = 4 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 : el KWK = 50% also 10% Stromeinbuße Fernwärme th KWK = 40% =( %) COP der Stromeinbuße: COP KWK = 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 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.. Fazit:

54 4. KWK – eine ökologische Sackgasse ? 4. Siehe hierzu das entsprechende Kapitel in: AKE_Bonn/Vortraege/DPG2010_AKE9.1_Luther_ThermOptHz_KWK-Mythos.ppt

55 KWK – eine ökologische Sackgasse ? N ach 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 - 1 kWh Gas im dezentralen Kessel : 0.65 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. ) A1 Diskussionspunkte:

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

57 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 5.1 p kann CO2 Faktor enthalten

58 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. 5.2

59 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 ) Also: Ziel: Kaum noch Exergie fürs Heizen einsetzen

60 Einige Diskussionsfolien aus den übrigen Kapitel der DPG-Studie

61 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 Aus dem Kapitel:

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

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

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 % BQuelle: DPG2010, E-Studie, p. 67, Abb.3 Urquelle: M. Hundt et al.: Verträglichkeit von erneuerbaren Energien und Kernenergie im Erzeugungsverbund. Stuttgart, Oktober AKW eignen sich also durchaus zur Ausregelung der fluktuierenden EEG - Einspeisung

65 Teil III: Transport und Speicherung von elektrischer Energie Aus dem Kapitel: 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) Quelle: DPG2010, E-Studie, p. 137, Tab. 1, Martin Rzepka, ZAE-Bayern unb. =unbegrenzt ; CAES = Compressed Air Energy Storage, AA= advanced adiabatic SMES = supraleitende Spulen,


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