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KWK = Strom (Kraft) - Wärmekopplung Thermodynamisch optimiertes Heizen und der Mythos der KWK Dr. Gerhard Luther Universität des Saarlandes, FSt. Zukunftsenergie.

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1 KWK = Strom (Kraft) - Wärmekopplung Thermodynamisch optimiertes Heizen und der Mythos der KWK Dr. Gerhard Luther Universität des Saarlandes, FSt. Zukunftsenergie c/o Technische Physik – Bau E26 D Saarbrücken EU - Germany Tel.: (49) 0681/ ; Fax / Homepage: DPG2010_AKE9.1 ergänzt für Lehramtsseminar SS2010

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

3 ProKopf-Budgetansatz mit Emissionshandel Quelle: WBGU - Sondergutachten 2009, Abb.2 EU, US &... China, Mexico &.... Entwicklungsländer fossiles CO2: Beispiele für Pro-Kopf-Emissionsverläufe 2 °C-Leitplanke 1 t [CO2 /Kopf/a] 12 t [CO2 /Kopf/a]

4 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. daher : Grundlegende Einsparungen bei Heizenergie notwendig Ganzheitliche Betrachtung: Umfassende Thermische Sanierung Einsatz von Solarenergie ( WW im Sommer, Beitrag zur Heizung) Thermodynamisch optimierte Bereitstellung und Anwendung der Heizwärme Bei Teilsanierung immer das Endziel im Auge behalten

5 0. Zur Einstimmung: CO2 Budgetansatz 1.Thermodynamisch optimiertes Heizen 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

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

7 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

8 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 (e.g.) zu 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

9 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

10 2. Der KWK Mythos 2.

11 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. )

12 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

13 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

14 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

15 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:

16 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 Entscheidung 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:

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

18 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

19 Aufgabe: Moderne Erdgas- Anlagen sollen alte Stromkraftwerke und 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 (2a) weiterer Fall Getrennte Erzeugung: Wärmepumpen GuD-Kraftwerken verdrängen alte Stromkraftwerke Wärmepumpen (WP) verdrängen die alten Kessel, und werden aus den neuen GuD gespeist.

20 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 !

21 Modernisierungs Szenario System : Brennwertkessel: Wärme Strom GuD-Anlage: xK xK Q 0 Erdgas th el BK x GuD GuD Zwei Möglichkeiten zum Vergleich: 1. Input vorgeben: Q 0 =1 2. Output des KWK-Versorgers : Wärme (vollständige Kundenversorgung ) und Strom (Netzeinspeisung), detailliert vorgeben. th = Wärme / Q 0 el = Strom/ Q 0

22 3.1 Erste Vergleichsart: Gleicher Erdgaseinsatz Q = Dezentraler Kessel und zentrale Stromerzeugung (GuD) 3.12 Wärmeversorger mit KWK –Anlage 3.13 Dezentrale Wärmepumpe (WP) und zentrale GuD-Anlage 3.14 Kann optimale KWK Effizienz eines WP- Systems erreichen? 3.1

23 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

24 Für Strom und Wärme aus getrennter Erzeugung gilt für alle x K : 1 = x K + x GuD (1) Wärme = Q 0 * ( K * x K ) ; also : x K = Wärme/(Q 0 * K ) (2) Strom = Q 0 * ( GuD * x _GuD ) mit (1) und (2): Strom = Q 0 * GuD - Wärme* GuD / K Strom –Wärme –Diagramm Eine Gerade von Q 0 * GuD auf der Stromachse nach Q 0 * K auf der Wärmeachse Normierung: Q 0 =1 kleine Nebenrechnung :

25 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

26 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

27 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

28 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

29 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

30 Strom und gesamte Endenergie nur für Paradefall: X SK = X SE = 0 Speicher: KWK-Vergleich_eta_GUD_BK_WP.xls ; Blatt allg_ges

31 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

32 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

33 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 }

34 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

35 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) JAZ = 4 ist durchaus gerechtfertigt.

36 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

37 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

38 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.

39 Ein nur didaktisches Beispiel: Modernes, großes GuD mit und 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.

40 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. Definition: Primärenergiefaktor: f = Q 0 / Q 0 V 3.2 PE- Einsparung durch reine KWK: PEE = 1-1/f 0 = (Q 0 -Q 0 V ) / Q 0 mit dem PE –Faktor für reinen KWK- Betrieb: f 0 = f(x SK =0, x SE =0) (also: f 0 = f für den Paradefall)

41 f 0 =f(x SK =0,x SE =0) Input Datenquelle: A = IER-Voss2009 ; C = /Mephisto/ B = UBA-CC2007nr10, DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158 ) Speicher: KWK_Vergleich_Hifsdateien.xls; Blatt Versorger Mehrverbrauchsfaktor f von { Brennwertkessel und GuD } im Vergleich zu KWK- Versorgung Beispiel mit x SK = x SE =0.1

42 Speicher: KWK_Vergleich_Hifsdateien.xls; Blatt WP Mehrverbrauchsfaktor f von {GuD und WP aus GuD } im Vergleich zu KWK- Versorgung Input Datenquelle: A = IER-Voss2009 ; C = /Mephisto/ B = UBA-CC2007nr10, DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158 ) f 0 =f(x SK =0,x SE =0) Beispiel mit x SK = x SE =0.1

43 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:

44 4. KWK – eine ökologische Sackgasse ? 4.

45 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 ? 4.1

46 Das Sommer 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). 4.2

47 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. 4.3

48 Es werden oft zugunsten der KWK: U1: die brutalen Fehler des KWK-Mythos gemacht: (nur Brennstoffausnutzung bewertet; Vergleich alter KoKW mit neuer 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. 4.4

49 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

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

51 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

52 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

53 KWK in manchen Bereichen durchaus vernünftig, aber KWK Mythos hat Politik und Öffentlichkeit hereingelegt. 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

54

55 Anhang für Diskussion

56 weiteres Rohmaterial für DPG2010

57 Anhang 1. Strom-und Heizwärme -Erzeuger

58 1. Strom und Heizwärme- Erzeuger (gekoppelt und getrennt) Begin: Einschub: 1 KWK Anlagen und GuD

59 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 % Einschub: 1.1

60 Anlagenschema des Dampfkraftprozesses Quelle: E. Hahne : Technische Thermodynamik, 3.A.,Oldenbourg Verlag München 2000, ISBN= , Bild 5.21, p Dampfkraftwerk und Clausius-Rankine Vergleichsprozess

61 Einfacher Dampfkraftwerksprozess H.D. Baehr, S. Kabelac: Thermodynamik, Grundlagen und techn. Anwendungen, Springer, 2006 Idealisierter Vergleichsprozess (Clausius- Rankine) Schraffierter Bereich: gewinnbare Nutzarbeit Also: Wärmeauskopplung bei T > Tu vermindert die Nutzarbeit

62 GUD –Kraftwerk Gasturbine mit anschließendem Dampf Kraftprozeß Begin: Einschub: 1.4

63 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

64 Quelle: Beispiel: GUD - Irsching Moderne GUD werden el = 60% erreichen End: Einschub: 1.4

65 End: Einschub: 1 KWK Anlagen und GuD

66 Anhang 2. Wichtige Grundeigenschaften

67 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.

68 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

69 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

70 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.

71 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

72 Anhang 3. vollständiger Brennstoffvergleich

73 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

74 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)

75 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.

76 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.

77 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)

78 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:

79 Anhang 4. Ergebnisse des Vergleichs (Tabellen)

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

81 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

82 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 }

83 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

84 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 }

85 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

86 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

87 neu: Strom und Wärme vom KWK - Versorger mit X SK = X SE = 0.1 (als ein Beispiel)

88 Anhang 5. Zusammenfassung

89 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 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


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