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: http://www.dpg-physik.de/veroeffentlichung/broschueren/studien.html Zur Themenseite: Thermodynamisch Optimiertes Heizen http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/ThOptHeizen.htm Dr. Gerhard LUTHER, Uni des Saarlandes, Technische Physik, Bau E26 66041 Saarbrücken luther.gerhard@vdi.de Tel.: 0681-302-2737

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

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“

KWK als Hoffnungsträger zur Energieeinsparung 2. Der “KWK Mythos“ 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. )

„ 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.

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 30 - 60% Einsparung an CO2 und PE

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

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: http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2004:052:0050:0060:DE:PDF

Warum die KWK meist besser erscheint als sie tatsächlich ist. 4.4 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.)

Strombezug aus einem Erdgas GuD - Kraftwerk zugrunde legen. (U5) : Ein wichtiges Argument in voller Länge 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.

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

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: 250 TWh Heizwärme entspricht {Faktor 0.6) ca. 150 TWh Strom Gesamte Stromerzeugung in DE: ca. 600 TWh

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

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

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

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

Strom und gesamte Endenergie neu: Zentrales GuD speist auch Wärmepumpe mit JAZ=4 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“

Also: KWK in manchen Bereichen durchaus vernünftig, aber „KWK Mythos“ hat Politik und Öffentlichkeit verführt. KWK nur wenig besser als {GuD + Brennwertkessel} (aber Betrieb beachten), unterliegt in der Regel deutlich im technischen Wettbewerb mit GuD-Kraftwerk und Wärmepumpe. 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

Weitere 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 - 1 kWh Gas im dezentralen Kessel : 0.65 ct (Erdgassteuer, incl.MWSt.) - “ “ beim KWK – Fernwärmeversorger : 0 - 1 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. )