Österreichische und internationale Energiepolitik SS 2005 320.383 KV Co-Generation BERNHARD Axel BERNHARD Fritz TRAAR Mario

Definition Cogeneration, auch bekannt unter Wärme-Kraft-Kopplung oder unter CHP („combined heat and power“), ist die simultane Produktion von elektrischer und thermischer Energie mit einem eingesetzten Brennstoff. Cogeneration nutzt die Abwärme, die in typischen Elektrizitätskraftwerken entsteht. Sie wandelt diese in nutzbare Energie um, wie in Dampf oder heißes Wasser. Kraft-Wärme-Kopplung-Anlagen versorgen den Verbraucher mit den beiden wichtigsten Energiearten, Strom und Wärme. Die bei der Stromerzeugung anfallende Wärme wird hierbei sinnvoll zur Bereitstellung von z.B. Heizwasser, Dampf oder Trocknungswärme verwendet. Durch die Nutzung dieser Abwärme werden die Verluste geringer gehalten und somit der Verbrauch an Primärenergie vermindert. Cogeneration ist die effizienteste, ökonomischste und umweltfreundlichste Methode zur Erzeugung von elektrischen Strom und thermischer Energie (heißes Wasser und/oder Dampf). Die Effizienz eines Cogeneration Systems kann 60% - 80% erreichen. Ein Cogenerationsystem sichert enorme Ersparnisse in Brennstoffen und Stromkosten.

Beispiel Das Automobil: Der Treibstoff (Benzin) verbrennt in einem Verbrennungsmotor – das erzeugt sowohl mechanische als auch elektrische Energie (cogeneration). Diese kombinierten Energien betreiben die verschiedensten Systeme, wie die Antriebswelle, die Beleuchtung, die Lüftung und die Heizung.

Nutzen von Cogeneration Kosteneinsparung Steigern der Versorgungszuverlässigkeit Reduzieren der Umwelteinflüsse Schonen der begrenzten fossilen Brennstoffressourcen Durch das Steigern der Effizienz, durch die kombinierte Erzeugung von Elektrizität und Hitze aus einer Anlage, kann ein Cogeneration-System die Brennstoffkosten reduzieren. Cogeneration-Systeme sind am Ort des Energiegebrauchs angesiedelt. Sie liefern hochqualitativ und zuverlässig Energie und Wärme lokal beim Energienutzer, und sie helfen auch eine Überlastung des Elektrizitätsnetzes zu reduzieren. Cogeneration-Systeme unterstützt effektiv das Elektrizitätsnetz, liefern gesteigerte Verfügbarkeit im Stromtransport und Stromverteilung. Aufgrund des effizienteren Brennstoffverbrauchs reduziert Cogeneration bei der Energieerzeugung die korrespondierenden Emissionen von Schadstoffen und Treibhausgasen. Because cogeneration requires less fuel for a given energy output, the use of cogeneration reduces the demand on our limited natural resources-including coal, natural gas, and oil-and improves our nation´s security.

Vorteile von Cogeneration Gesteigerte Effizienz von Energieumwandlung (Wirkungsgrad) Reduzierte Nachfragelast Reduzierte Spitzenstromkosten CHP-Systeme liefern viel höhere Energieeffizienz als ein konventionelles stand-alone Equipment mit ähnlichem Grad an Energieverfügbarkeit, Heizkomfort und indoor-Luftqualität.Aufgrund der höheren Energieeffizienz verbrauchen durchschnittlich ein Drittel weniger Brennstoff als conventionelle Systeme. Die Stromkosten von Gebäuden setzen sich generell aus der Energienachfrage (gemessen in kW) und Energieverbrauch (gemessen in kW/h) zusammen. Die Energienachfrage wird berechnet (€/kW) basierend auf die Spitzenlast die während des Monats vielleicht für 15 bis 30 Minuten benötigt wird.

Prinzipschema : Wärme-Kraft-Kopplung Wird in einer Anlage gleichzeitig Wärme und Strom – also Kraft - genutzt, so spricht man von Wärme-Kraft-Kopplung (WKK). Die Technologie der Wärme-Kraft-Kopplung ermöglicht die gleichzeitige Gewinnung von mechanischer Energie – welche in der Regel direkt in Strom umgewandelt wird – und nutzbarer Wärme. Im Vordergrund für die Wärmenutzung stehen vor allem Raumheizungen und Warmwasseraufbereitungen. Vorteile: Energiekostenreduzierung, Spitzenstromabdeckung, Eigenstromerzeugung, Netzersatzbetrieb, geringer Platzbedarf, geräuscharm, ökologisch und ökonomisch sinnvoll

Kombi-Heizkraftwerk

Trigeneration Trigeneration liefert 4 verschiedene Arten von Energie: Elektrizität, heißes Wasser und/oder Dampf, und GEKÜHLTES Wasser mit nur einem Brennstoffinput. Trigeneration ist auch bekannt als „Integrated Energy Systems“. Kühlung, Heizung and Energie für Gebäude.

Wussten Sie, dass bestehende Trigeneration-Anlagen in US: 10% des jährlichen Strombedarfs produzieren? Gebäudeeigentümern und Unternehmen über $5 Milliarden/Jahr an Energiekosten ersparen? Über 0,4 Millionen Tonnen/Jahr an Stickoxidemissionen (NOx) reduzieren? Über 0,9 Millionen Tonnen/Jahr an Schwefeldioxidemissionen (SO2) reduzieren? Den Ausstoß von über 35 Millionen Tonnen von Kohlenstoffäquivalenten in die Atmosphäre verhindern?

Cogeneration-Prozesse „Topping cycle“-Anlagen Anlagen (Kraftwerke) die elektrische oder mechanische Energie erzeugen „Bottoming cycle“-Anlagen Anwendung in Schwerindustrien (Glas, Metall), wo Hochöfen eingesetzt werden. Topping cycle: Facilities that generate electrical power may produce the electricity for their own use, and then sell any excess power to a utility. One system burns fuel in a gas turbine or diesel engine to produce electrical or mechanical power.. The exhaust provides process heat, or goes to a heat recovery boiler to create steam to drive a secondery steam turbine. This is a combined-cycle topping system. An other system burns fuel (any type) to produce high-pressure steam that then passes through a steam turbine to produce power. The exhaust provides low-pressure process steam. This is a steam-turbine topping system. Another system burns a fuel such as natural gas, diesel, wood or gasified coal. The hot water from the engine jacket cooling system flows to a heat recovery boiler, where it is converted to process steam and hot water for space heating. Bottom cycle: A waste heat recovery boiler recaptures waste heat from a manufactoring heating process. This waste heat is then used to produce steam that drives a steam turbine to produce electricity, no extra fuel is required therefore.

Cogeneration-Technologien Dampfturbinen Gasturbinen Systeme mit kombinierten Kreisläufen Mikro-Turbinen Brennstoffzellen Stirling-Motor Kombinierte Kreisläufe: Kombination von Gasturbine und Dampfturbine – die heißen Abgase der Gasturbine produziert Dampf für die Dampfturbine. Mikro-Turbinen: gehören zu den Gasturbinen. Es wurden immer kleinere Systeme entwickelt, sodass sie heute für die Erzeugung von 25 kWh im Einsatz sind. Mikroturbinen sind kleine high-speed-Generator-Kraftwerke, die in einem Gehäuse die Turbine, den Kompressor und den Generator Integrieren. Fuel cells: wandeln die chemische Energie von Wasserstoff und Sauerstoff in Elektrizität um. Stirling Motor: ist ein externes Verbrennungsgerät und deshalb unterscheidet es sich substantiell von konventionellen Verbrennungsanlagen, bei denen innerhalb der Anlage der Brennstoff verbrennt. Hitze wird in den Stirling Motor geliefert, von einer externen Quelle – wie zb durch brennendes Gas, und das macht eine arbeitende Flüssigkeit die einen Kolben in einem Zylinder bewegt.

Technologien - Wirkungsgrade

Historie Thomas Edison 1870 Großanlagen - Industrie Kleinanlagen Blockkraftwerke Einfamilienhäuser Cogeneration hat schon eine lange Geschichte in mannigfaltiger Art in der Industrie, speziell in der Papier- und chemischen Industrie, wo es großen Strom- und Wärmebedarf gibt. In den letzten Jahren 10 – 15 Jahren entwickelten und verbesserten sich die Technologien signifikant. Es stehen für vielseitige Anwendungsgebiete angepasste Cogeneration-Technologien als attraktive Alternativen zur Verfügung. (Krankenhäuser, Schulen, Wäschereien, Hotels, Bürogebäude, Geschäfte, Nahwärmeversorgung etc.)

Einsparungspotenzial Ausgangspunkt ist ein Vergleich des Brennstoffaufwandes für die Strom- und Wärmeerzeugung mit und ohne Kraft-Wärme-Kopplung. Bei der Ausführung z.B. als Gas- und Dampfturbinenprozess (GuD-Prozess) mit Abwärmenutzung ist bei gleicher Wärme- und Stromproduktion der Primärenergieaufwand deutlich geringer ist als bei der getrennten Produktion von Strom und Wärme. In dem gezeigten Beispiel beträgt der Brennstoffausnutzungsgrad bei der KWK-Anlage 71 %, während er bei getrennter Produktion nur bei 55 % liegt. Dies bedeutet eine nachhaltigere Verwendung der Primärenergie und somit eine Reduktion der Schadstoffe, die in die Umwelt gelangen.

Prinzip der KWK mit Dampfturbinenprozess Grundprinzip Umwandlung von mechanischer Energie (Turbine) in elektrische Energie durch den Generator. Verwendung der Wärmeenergie des Turbinenaustrittsdampfes zur Bereitstellung von Wärme. Dampfturbinenprozess Die Hauptkomponenten eines Dampfturbinenprozesses sind: Kessel mit Überhitzer, Turbine, Kondensator und Speisewasserpumpe. Wasser wird im Kessel verdampft und anschließend im Überhitzer auf die gewünschte Temperatur gebracht. Dieser Frischdampf strömt dann durch die Turbine, welche den Generator zur Stromerzeugung antreibt. Der aus der Turbine austretende Dampf kondensiert im Kondensator und wird durch die Speisewasserpumpe auf den Prozessdruck gebracht und dem Kessel zugeführt, wodurch der Kreislauf geschlossen ist. Zur Nutzung dieser Abwärme gibt es eine Reihe von verschiedenen Schaltungen, die es ermöglichen die anfallende Wärme zu nutzen. Entscheidend ist jedoch, dass für die Wärmenutzung ein höheres Druck- bzw. Temperaturniveau des Abdampfes notwendig.

Allgemeines zur KWK mit Dampfturbinenprozess mögliche Brennstoffe • Kohle • Erdöl • Biomasse, Müll • Grundsätzlich ist jeder Brennstoff möglich, der in einem Kessel verbrannt werden kann Vorteile • Es kann grundsätzlich jeder Brennstoff verwendet werden • Ausgereifte Technologie • Anlagengröße nach oben hin offen Nachteile • schlechter elektrischer Anlagenwirkungsgrad • schlechtes Teillastverhalten • Betrieb ist teuer

Kondensationsdampfturbine mit 10 MW Entwicklungsstand / Aussichten Industriedampfturbinen sind technisch sehr ausgereift und darum weltweit in sehr großen Stückzahlen im Einsatz. Die Tendenzen gehen eindeutig zu immer höheren Temperaturen, wodurch die Leistung gesteigert werden kann. Entscheidend dafür ist die Entwicklung hochtemperaturfester Werkstoffe.

KWK mit Gasturbinenprozess Grundprinzip  Umwandlung von mechanischer Energie (Turbine) in elektrische Energie durch den Generator. Verwendung der heißen Turbinenaustrittsgase zur Bereitstellung von Wärme. Aus der Umgebung angesaugte Luft wird im Verdichter komprimiert und anschließend der Brennkammer zugeführt, wo unter der Zugabe von Brennstoff (Gas, Öl,...) eine Verbrennungsreaktion stattfindet. Das durch die Verbrennung entstehende Rauchgas wird in einer Turbine entspannt. Die Turbine treibt einerseits den Verdichter und andererseits den für die Stromerzeugung notwendigen Generator an. Das Abgas verlässt mit einer Temperatur von ungefähr 400-600 °C die Turbine und tritt beim einfachen Gasturbinenprozess ohne weitere Nutzung ins Freie. Will man diese Wärme noch zusätzlich nutzen so benötigt man im allgemeinen einen Wärmetauscher, welcher die Wärmeenergie auf ein anderes Medium (meist Wasser) überträgt. Es gibt dafür verschiedene Schaltungen.

Gasturbinenprozess Einsatzgebiet • Zur Erzeugung elektrischer Leistung und Wärme ab ~ 30 kWel • Bei relativ konstantem Wärmebedarf mögliche Brennstoffe • Gas • Erdöl • Vergasung von Kohle

Gasturbine der Fa. OPRA elektr. Leistung ca. 1,6 MW Entwicklungsstand / Aussichten KWK-Anlagen mit Gasturbinen sind technisch sehr ausgereift und darum weltweit in sehr großen Stückzahlen im Einsatz. Die Tendenzen gehen eindeutig zu immer höheren Temperaturen und Drücken, wodurch die elektrische Leistung und damit der Wirkungsgrad gesteigert werden kann.

Mikroturbine Eine interessante Möglichkeit zur Realisierung kleinerer Leistungen (ca. 30 - 300 kW und weniger) bieten die sogenannten Mikroturbinen. Funktionsweise Der Unterschied zum Gasturbinenprozess mit Wärmerückgewinnung liegt darin, dass durch die Kompaktheit der Anlage eine Blockbauweise möglich ist. Diese Mikroturbinenanlage kann daher ebenfalls als BHKW angesehen werden. Durch die kleine Bauweise ist jedoch der elektrische Wirkungsgrad der Anlage relativ gering (~15-25%). Um einen guten elektrischen Wirkungsgrad trotz niedriger Spitzentemperaturen zu erzielen, wird in der Regel ein Wärmetauscher zur Verbrennungsluftvorwärmung (Rekuperator) mit Hilfe des heißen Turbinenabgases verwendet. In einem weiteren Wärmetauscher wird dann Prozesswärme gewonnen. Falls der erste Wärmetauscher weggeschaltet werden kann, kann die abgegebene Prozesswärme bei Bedarf auf Kosten des elektrischen Wirkungsgrades erhöht werden. Dies ermöglicht eine sehr gute Anpassung an variablem Wärmebedarf.

Mikroturbine Vorteile Nachteile kompakte Bauweise geringe Wartungskosten bei Wartungsintervallen von mind. 8000 Betriebsstunden Einfache Installation Durch kompakte Bauweise und niedriges Anlagengewicht ist es möglich, die Betriebsfläche gering zu halten. Anpassung des Strom- und Wärmebedarfes ist möglich leise, da keine niederfrequenten Schallemissionen Nachteile Volle Marktreife der Technologie noch nicht erreicht

Mikroturbine Einsatzgebiet der Mikroturbine Dampferzeugung in kleinen Kesselanlagen Heißwassernetze über 100°C Trockneranlagen Krankenhäuser Wäschereien Nahwärmenetze mögliche Brennstoffe der Mikroturbine Erdgas Heizöl Flüssiggas Klärgas Grubengas Erdölbegleitgas

Heiz-Kraft-Anlage Dachs-SOLO Eine Heizung, die auch Strom erzeugt. Die Dachs-SOLO ist die komplette Energiezentrale für das Ein- bis Dreifamilienhaus. Sie besteht aus einem HKA-Wärmespeicher und einem Warmwassermodul.Über einen Einkolben-Verbrennungsmotor wird ein wassergekühlter Asynchron-Generator angetrieben. Dieser erzielt je nach Primärbrennstoff zwischen 0,5 und 5,5 kW elektrische bzw. 10,4 und 12,3 kW thermische Leistung. Es handelt sich um ein Energiesystem, das zugleich Wärme und Strom liefert. Sie machen den Verbraucher unabhängig von der Energieversorgung, sparen Energie, sind umweltverträglich und arbeiten besonders wirtschaftlich.

Institutionen (1) US: American Council of Energy-Efficient Economy (US-WKK-Verband) Cogeneration Technologies TM www.cogeneration.net www.CHPSystems.com Australien: Australian Cogeneration Association www.environmentdirectory.com.au Schweiz: Schweizerischer Wärmekraftkoppelungsfachverband DIMAG Energie AG Die Environmental Protection Agency (E.P.A.), Partner von Cogeneration Technologies TM, promoted die Nutzung von Cogeneration. Der US-Congress fördert CHP-Kraftwärke (Steuerbegünstigungen und/oder vorzeitige Abschreibungen). Die ACA ist eine unabhängige, non-profit, Industrieassoziation. Sie repräsentiert die Interessen der Cogenerators und den E-Verteilern (Netzwerkbetreiber). ACA repräsentiert die führenden Player im australischen Energiesektor mit über 100 Organisationsmitgliedern. Aus dem Bereich der Notstromversorgung (für Black-Outs in Spitälern und Verwaltungszentren) entwickelte sich die Idee für ein Konzept der autarken, dezentralen Energieversorgung. Kombination Fotovoltaik – und WKK

Institutionen (2) www.cogen.org EU: Österreich: EDUCOGEN - The European Association for the Promotion of Cogeneration (Brüssel) www.cogen.org Österreich: Energytech – BMVIT-Initiative Cogeneration-Kraftwerke Management Steiermark GmbH OMV Cogeneration GmbH

Anteile der Cogeneration-Elektrizität in den EU-Mitgliedsstaaten COGENERATION IN EUROPA Die Entwicklung von Cogeneration erfolgte in der EU sehr unterschiedlich, sowohl im Grad als auch in der Art der Entwicklung. Diese Mannigfaltigkeit reflektiert unterschiedliche historische Entwicklungen, politische Prioritäten, natürliche Ressourcen, Kulturen und Klimata. Dieses Chart demonstriert auch, was unter bestimmten Bedingungen erreicht werden kann. Es ist daher wert, die Gründe für eine erfolgreiche Entwicklung von Cogeneration, wie zB in Niederlande, Finnland, Dänemark und Österreich, aufzuzeigen. Austria Österreich hat eine strenge glaubwürdige Umweltpolitik und deshalb wurde Cogeneratio immer als eine unterstützungswürdige Technologie betrachtet. Der Industrie- und Fernwärmesektor hat sich relativ gut entwickelt. Zuerst durch den Nutzen, der durch die Erreichung eines höheren Wirkungsgrades erzielt werden kann, dann als Antwort auf das Steigen der Energiepreise nach den 70ern und durch die Unterstützung des Staates. Studie im Auftrag der E-Control GmbH: Netzaspekte von dezentralen Erzeugungseinheiten (TU Graz) Conclusio: Die mit dem vermehrten Einsatz dezentraler Energieerzeugungsanlagen zu erwartenden Probleme in den Verteilernetzen können mit geeigneten technischen Maßnahmen betreffend Spannungshaltung und Strombelastbarkeit der Netzelemente gelöst werden. Es ist mit Anhebungen des Spannungsniveaus zu rechnen. Es ist jedoch davon auszugehen, dass das Ausmaß an zusätzlicher dezentraler Erzeugung – insbesondere in Folge der geänderten Vorschriftensituation – im Rahmen der bestehenden Blindleistungsmanagementmöglichkeiten beherrscht werden kann. Dänemark: Der Entschluß der dänischen Regierung die Entwicklung der CHP-Technologien großzügig zu subvenionieren und die geeigneten rechtlichen Rahmenbedingungen zu schaffen führte zum Erfolg. Folgende Faktoren führten zum Entschluss der Regierung: Die Existenz von Distriktsfernwärmenetzwerken Die Ölkrise Anfang der 70er. Zu diesem Zeitpunkt war Dänemark zu 90% vom ausländischen Erdöl abhängig. Heute ist Dänemark bezüglich Erdöl- und Gas unabhängig. Umweltunternehmen Finnland: In Finnland waren nicht so sehr die Konsequenzen von politischen Maßnahmen die die Entwicklung von Cogeneration forcierte. Finnland hatte schon immer einen der liberalsten Märkte. Die Hauptgründe sind daher: Barrierefreiheit CHP wurde als die ökonomischeste Art von Elektrizitätserzeugung erkannt Es gibt eine größere Akzeptanz zu langfristigen Amortisationszeiten Große Nachfrage nach Wärmeenergie Niederlande: Der Erfolg in den Niederlanden wurden durch starke PR-Aktivitäten und eine klare positive Netzwerkpolitik der Regierung geprägt. Dies erfolgte durch günstige Gastarife, Steuervorteile, Startsubventionen und nationale Leistungsziele.

Beispiele in Österreich Donaustadt Kraftwerk der Wienstrom Graz-Thondorf 1. Trigeneration-Mikrogasturbinenanlage mit ca. 115 kW elektr. Und 115 kW therm. Leistung. Graz-Andritz Stirling-BHKW im Stukitzbad Hartberg Dampf-Schraubenmotor-BHKW Voitsberg 1.Mikrogasturbinenanlage Kraftwerk Donaustadt: Durch die hoch effiziente Kraft-Wärme-Kopplungsanlage ist das Kraftwerk Donaustadt eines der saubersten Kraftwerke der Welt. Es kam zu einer Absenkung der spezifischen CO2-Emissionen pro erzeugter kW/h und der Fernwärme von mehr als 10 Prozent. Das entspricht einer Reduktion von 0,33 Mio. Tonnen CO2. Thondorf: im Sommer 2003 wurde durch die Installation einerAbsorptionskältemaschine die Anlage zu Österreichs erster Trigeneration-Anlage auf Basis Mikrogasturbine. Graz-Andritz: 2 Solo Stirling-Motoren versorgen das erste Stirling-BHKW der Steiermark mit Strom und Wärme im Rahmen eines Energie-Contractes. Hartberg: In Hartberg wurde ein bestehendes Biomasse-Fernheizwerk mit einem Dampf-Schraubenmotor zu einer KWK-Anlage erweitert. Voitsberg: Erste Mikrogasturbine Österreichs in Voitsberg im Einsatz. Die steirische Gas-Wärme-GmbH betreibt in Voitsberg eine Mikrogasturbine, um die Eignung für einen verbreiteten Einsatz zu prüfen.

The European Policy Level Commission and Parliament have generally been very supportive of CHP Should push for long-term quantitative carbon and efficiency targets Develop a roadmap on how to achieve a Post-Kyoto target of minus 25% (compared to 1990) Green Book on Energy Efficiency has to become a key initiative Keep up the pressure on Member States: New policy initiatives, Benchmarking, harmonisation towards the upper end, implementation of Directives

European energy efficiency agenda • Increasing realisation of the importance of energy efficiency • Old "environment versus growth" paradigm loses force • Dutch "clean, clever, competitive" agenda: CHP "single biggest solution to Kyoto„ • EU environmental policy review 2004: environment and eco-innovation as a driver of growth and competitiveness • Energy efficiency is top priority for Energy Commissioner Piebalgs

European CHP Directive: How to determine the efficiency of CHP? Member States are transposing the Directive Regulatory Committee determines by November 2005 – CHP products (Annex II) – Harmonised reference values (Annex III) – CHP potential studies (Annex IV) Reference values are a key issue: Mechanism to ensure integrity: Comparison of CHP with a hypothetical and to some extent arbitrary benchmark Commission is playing a positive role

Pushing the market for energy efficiency Considerations for a new Framework Programme for Competitiveness and Innovation / extension of the "Intelligent Energy - Europe„ Programme Plans to develop a EU Green Book for energy efficiency Lisbon Agenda: run-up to the Spring Council later this March CHP Directive (in force) Buildings Directive (in force) Energy Services Directive (under development)