Ausbildungscharts für Energieberater Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Grundlagen, Anwendung, Wirtschaftlichkeit.

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1 Ausbildungscharts für Energieberater Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Grundlagen, Anwendung, Wirtschaftlichkeit

2 Inhaltsverzeichnis Klimaschutzziele Energieeinsparungen durch KWK
Wirtschaftlicher Vorteil einer KWK-Anlage Fördermöglichkeiten und gesetzl. Rahmenbedingungen KWK und die EnEV Funktionsweise und Technik Mikro KWK-Geräte Komponenten einer KWK-Anlage Anforderung an die Einbindung eines BHKW Einsatzmöglichkeiten von KWK-Anlagen Fazit

3 Klimaschutzziele Klimaschutz als Ziel: Ein wachsender Anteil der
CO2-Reduktionsziele für Deutschland wird durch Anwendung der KWK erreicht Stand: August 2015

4 Klimaschutzziele Wichtige Klimaschutzziele der Bundesregierung ?
Bis zum Jahr 2020 sollen erreicht werden: Erhöhung der Stromproduktion aus KWK-Anlagen auf 110 Terawattstunden pro Jahr Reduktion der Treibhausgasemissionen um 40 % ggü. 1990 Reduktion des Wärmebedarfs in Gebäuden um 20 % ggü. 2008 Reduktion des Stromverbrauchs um 10 % ggü. 2008 Verdoppelung der energetischen Sanierungsrate von 1 % auf 2 % Ausstieg aus der Kernenergie bis zum Jahr 2022 Hinweis: 1. Bulletpoint/Anstrich muss im Falle einer Anpassung des KWK-Gesetzes geändert werden, da sich das neue Ziel nicht auf die gesamte Stromerzeugung bezieht sondern auf die thermische Erzeugung. Subline ist in Schriftart „Arial Narrow“ weil es ansonsten nicht auf eine Zeile gepasst hätte. Heute schon wird KWK oft mit erneuerbaren Brennstoffen wie Biogas, Klärgas, Bio-Erdgas und Power-to-Gas betrieben

5 Energieeinsparungen durch KWK
Kraft-Wärme-Kopplung im Vergleich mit getrennter Strom- und Wärmeerzeugung am Beispiel einer Erdgas KWK-Anlage

6 Energieeinsparungen durch KWK
Warum KWK bei Energieberatungen? Primärenergieeinsparung (bis zu 36%) hohe Nutzungsgrade (bis zu 90%) CO2-Reduzierung (bis zu 60%)* flexibel und steuerbar: Möglichkeit der Bereitstellung von Regelenergie erfüllt gesetzliche Anforderungen dezentrale und umweltschonende Strom- und Wärmeerzeugung hocheffiziente Technologie geeignet für Bestand und den Neubau Ausgleich der schwankenden regenerativen Energien keine Transport- bzw. Netzverluste staatliche Förderung * Bei Erdgaseinsatz in einer KWK-Anlage ggü. getrennter Strom- und Wärmeerzeugung mit Steinkohle und Heizöl EL

7 Wirtschaftlicher Vorteil einer KWK-Anlage
Bei dezentraler KWK wird dort Geld eingespart, wo sonst der größte Kostenfaktor ist, beim Stromeinkauf! Alle Preise sind netto Man könnte den Stromerlös noch ein wenig herabsetzen. Anderseits wird so deutlich, dass sich der Eigenstromverbrauch sich lohnt. Stand: März 2016

8 Wirtschaftlicher Vorteil einer KWK-Anlage
KWK-Anlage mit Erzeugungszähler und Zweirichtungszähler, einer Stromganglinie mit Erzeugungslinie KWK und drei Stromrechnungen Stand: August 2015

9 Wirtschaftlicher Vorteil einer KWK-Anlage
„Verbleib“ des erzeugten Stromes – Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit* Der „Wert“ des erzeugten Stromes je kWh (in Ct) bei... ... Einspeisung ... Eigenverbrauch ... Verkauf an Dritte (Mieter) KWK-Zuschlag 8 4 Einspeisevergütung 3,3 Vermiedene Netznutzungsentgelte (vNNE) 1,1 vermiedener Strombezug (Netto, inkl. aller Umlagen) 27,0 Strompreis im Objekt (Netto) 25,0 EEG-Umlage 2016 - 2,2 - 6,354 Gesamt 12,4 Ct/kWh 28,8 Ct/kWh 22,6 Ct/kWh Alle übrigen Erlöse bzw. Aufwendungen zum Betrieb der KWK-Anlage (bei allen Varianten gleich): Investitions- und Zinskosten Brennstoffkosten / Energiesteuererstattung Wartung- / Instandhaltungskosten *Beispielhaft für eine Anlage bis 50 kWel, bei größeren Anlagen ändern sich die Zahlen, die Kernaussage bleibt trotzdem bestehen Stand: Februar 2016

10 Wirtschaftlicher Vorteil einer KWK-Anlage
Vollkosten und Stromerlöse einer KWK-Anlage bei h/a und 20 Jahren Nutzungsdauer Nützliche Rechentools zur ersten groben Abschätzung der Wirtschaftlichkeit unter: Stand: Februar 2016

11 Wirtschaftlicher Vorteil einer KWK-Anlage
Warum sich auch die kleinen Anlagen rentieren? Mikro-KWK-Anlagen können einen großen Teil der elektrischen und thermischen Energiebedarfs erzeugen. Infrastruktur für Brennstoff und Heizung- sowie Trinkwassererwärmung können in der Regel beibehalten werden. Effizientere Nutzung der Energieträger durch gekoppelte Erzeugung (Erdgas, Bio-Erdgas, Flüssiggas etc.) Keine Netzverluste, da Strom- und Wärmeerzeugung vor Ort Einbindung regenerativer Energien grundsätzlich möglich Maßgeblich für die Wirtschaftlichkeit sind Eigenstromquote und die jährliche Laufzeit Jährlich werden ca Heizsysteme installiert, dabei wäre in den meisten Fällen der Einbau einer Mikro-KWK-Anlage möglich.

12 Fördermöglichkeiten und Rahmenbedingungen

13 Fördermöglichkeiten und Rahmenbedingungen
Gesetzliche Rahmenbedingungen: Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG) Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) Energiesteuergesetz (EnergieStG) Stromsteuergesetz (StromStG) Energieeinsparverordnung (EnEV) Förderinstrumente: Mini-KWK-Förderrichtlinie KfW-Förderprogramm Förderprogramm von Bundesländern und Kommunen Förderprogramme einzelner Energieversorgern Förderprogramme von Gas- und Stromnetzbetreibern

14 Fördermöglichkeiten und Rahmenbedingungen
Treibhausgasemissionen und klimaschädliche fossile Energien minimieren

15 Fördermöglichkeiten und Rahmenbedingungen
Ziele und Wirkung des KWK-Gesetzes: Treibhausgasemissionen und klimaschädliche fossile Energien minimieren Anteil der KWK-Stromerzeugung bis zum Jahr 2020 auf 110 Terawattstunden pro Jahr erhöhen, derzeit liegt die KWK bei ca. 96 TWh/a Wesentliche Regelungen zur Stromeinspeisung aus KWK-Anlagen Förderung der Modernisierung und des Neubaus von KWK-Anlagen Berücksichtigung der Brennstoffzelle als neue Technologie Förderung des Neu- und Ausbaus von Wärme- und Kältespeichern im Zusammenhang mit KWK-Anlagen Förderung von Nah- und Fernwärmenetzen mit KWK-Anlagen Hinweis: 1. Bulletpoint/Anstrich muss im Falle einer Anpassung des KWK-Gesetzes geändert werden, da sich das neue Ziel nicht auf die gesamte Stromerzeugung bezieht sondern auf die thermische Erzeugung. Hohe Primärenergiegutschrift bei der Planung einer KWK-Anlage durch Anrechnung des erzeugten Stroms

16 KWK und die EnEV – Wohngebäude
Vergleich der EnEV Jahresprimärenergieanforderungen zwischen 2014 und 2016 bei KWK-Anlagen mit kontrollierter Wohnraumlüftung 2016 KWK-Anlage in Verbindung mit baulichen Maßnahmen noch zu betreiben

17 KWK und die EnEV – Wohngebäude
Energieeinsparverordnung (EnEV) ist Teil des deutschen Baurechts Beinhaltet bautechnische Standardanforderungen zum effizienten Energieverbrauch Verluste bei Erzeugung, Verteilung, Speicherung und Übergabe der Wärme werden berücksichtigt (Anlagenaufwandszahl) Nicht mehr die Nutzenergie, sondern die an der Gebäudegrenze übergebene Endenergie ist für den EnEV-Nachweis relevant Primärenergetische Bewertung des Energiebedarfs Die in der KWK-Anlage erzeugten Strommengen werden auf den Primärenergiebedarf mit dem Verdrängungsstrommix 2,8 gut geschrieben Bestandsbau: wirtschaftliche Energieeinsparmöglichkeit gegenüber baulichen Maßnahmen Neubau: Vorteil im Vergleich zu heiztechnischen Alternativen (elektr. Wärmepumpe Wasser/Sole, Pelletheizung, Lüftungsanlage) 25 % Verschärfung (2016) bei Neubauten in der EnEV kann mit KWK-Anlagen und einem geringen zusätzlichen Aufwand erfüllt werden Konkretes Rechenbeispiel finden Sie im Anhang: hier klicken

18 Funktionsweise und Technik
KWK gibt es von einem Kilowatt bis mehreren hundert Megawatt !!! Nano-KWK ~1 kWel Mikro-KWK 2,5 – 15 kWel Mini-KWK 15 – 50 kWel Klein-KWK 500 kWel Groß-KWK mit GuD-Anlage 300 MWel

19 Funktionsweise und Technik
Grundprinzip:   Primärenergie (z.B. Erdgas, Biogas, Kohle, Flüssiggas) wird in einem Prozess in Wärme und Kraft (Elektrizität) umgewandelt Zentrale KWK-Anlage: Dampfturbine- oder eine Gasturbine/GUD-Anlage mit Wärmenutzung z.B. Fernwärme Dezentrale KWK-Anlage: Motor treibt einen Generator an, welcher wiederum Elektrizität erzeugt Ausnahme Brennstoffzelle: elektrochemisches Prinzip Was bedeutet Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) – Definition? Nach § 2 KWK-G: Kraft-Wärme-Kopplung ist die gleichzeitige Umwandlung von eingesetzter Energie in elektrische Energie und in Nutzwärme in einer ortsfesten technischen Anlage. […] Welche Bauformen von KWK-Anlagen gibt es: Zentrales Kraftwerk mit Wärmeauskopplung Gasturbine mit Abhitzekessel oder Gas- und Dampfkraftwerke Otto- oder Diesel-Motor (interne Verbrennung) Stirling-Motor (externe Verbrennung) Brennstoffzelle (elektrochemische Umwandlung)

20 Mikro-KWK-Geräte Für Mikro-KWK-Anlagen stehen unterschiedliche Technologien zur Verfügung Verbrennungs- motor Stirling- motor Brennstoff- zelle Mikro- Gasturbine

21 Mikro-KWK-Geräte Prinzip Vorteile Nachteile Verbrennungs-motor
Motor seit über 100 Jahren im Auto bewährt hoher elektrischer Wirkungsgrad (ca %) hoher Gesamtwirkungsgrad (ca. 90%) hohe elektrische Leistungen (1 kW bis mehrere MW) viele Brennstoffe möglich höhere Wartungskosten notwendige Schalldämmung Stirling- motor hoher Gesamtwirkungsgrad (ca. 95% möglich) geringe Emissionen geringer Verschleiß weniger Schalldämmung geringer elektrischer Wirkungsgrad (10 – 15%) geringe Gesamtleistung Brennstoffzelle hoher elektrischer Wirkungsgrad (bis 60%) kein mechanischen Verluste Elektrochemische Umsetzung geringe Wartung hohe Investitionskosten Lebensdauer der Zelle derzeit wenig Geräte am Markt verfügbar Gasturbine Elektrischer Wirkungsgrad 17 – 20 % lange Lebensdauer Wartungsarm begrenztes Teillastverhalten Geräuschemissionen geringer elektrischer Wirkungsgrad Motor-BHKW - Otto-Motor Optimierter PKW-Motor Wirkungsgrad elektrisch ca. 24 % Gesamtwirkungsgrad ca. 92 % Wartung nötig (Ölwechsel etc.) Stirling-Motor Heliumgefüllter Gasmotor Carnot Prozess Niedriger elektrischer Wirkungsgrad Freikolben Stirling Niedrige Wartung Brennstoffzelle Elektro-chemische Umsetzung Hoher elektrischer Wirkungsgrad Hoher Preis Gut modulierbar Gasturbine Elektrischer Wirkungsgrad 17-20% lange Lebensdauer, Wartungsarm, schlechtes Teillastverhalten

22 Komponenten einer KWK-Anlage

23 Komponenten einer KWK-Anlage
Die wesentlichen Baugruppen einer KWK-Anlage sind: Motor, Generator, Heizungswärmetauscher, Abgaswärmetauscher, Abgasführung, Schalldämpfer, Umwälzpumpen, Steuereinheit Zusatzheizkessel Extern oder Intern (für eine bedarfsgerechte Bereitstellung der Wärme, da meist die KWK-Anlage auf die Grundlast im Objekt ausgelegt ist) Heizwasser-Pufferspeicher speichert die Wärme und stellt sie flexibel zur Verfügung oder Kombispeicher kann Trinkwasser und Heizwasser speichern Um lange Laufzeiten der KWK-Anlage zu gewährleisten: produzierte Wärme sollte sofort verbraucht oder gespeichert werden können kleine Bedarfsspitzen sollten aus einem Pufferspeicher heraus gedeckt werden können Es sollte sichergestellt sein, dass das Zusatzheizgerät nicht zu häufig angefordert wird Ein KWK-Anlage kann zumeist in die bestehende Heizungsanlage integriert werden Ein Stromspeicher kann in vielen Fällen wirtschaftlich sein Kombination mit PV möglich und sinnvoll

24 Anforderung an die Einbindung eines BHKW

25 Anforderung an die Einbindung eines BHKW
Ab wann lohnt es sich über ein Blockheizkraftwerk nachzudenken: jährliche Raumwärmebedarf: mindestens kWh jährliche Warmwasserbedarf: mindestens kWh jährliche Eigenstrombedarf: mindestens kWh ausreichend Platz am Aufstellort und den Zugängen Anforderung an die hydraulische Einbindung der Anlage: Die Wärme der KWK-Anlage muss zuverlässig abgeführt und vollständig genutzt werden Um eine sichere Wärmeabfuhr und möglichst viele Betriebsstunden für das BHWK zu gewährleisten, sollte in der Regel ein Heizwasser-Pufferspeicher oder Kombispeicher vorhanden sein. Hydraulischer Abgleich empfehlenswert Ein Erzeugungs- und Betriebsstundenzähler ist zumeist im BHKW bereits integriert Ein Wärmemengenzähler ist im Mehrfamilienhaus vorzusehen Ab 15 kWel ist ein zusätzlicher Gaszähler erforderlich Strom-Zweirichtungszähler dient der Erfassung der ins allgemeine Netz eingespeisten und aus dem Netz bezogenen Strommengen Quelle: Callux

26 Einsatzmöglichkeiten
Einfamilienhaus Größere Einfamilienhäuser · Mehrfamilienhäuser · Größere Mehrfamilienhäuser Wohnsiedlungen Nahwärme · Quartierslösungen · Fernwärme Industrie und Gewerbe Supermärkte · Bäckereien · Metzgereien · Kaufhäuser · Hotels und Gaststätten · Brauereien · Molkereien Öffentliche Einrichtungen Schwimmbäder · Sportstätten · Krankenhäuser · Altenheime · Bildungseinrichtungen · Verwaltungsgebäude

27 Einsatzmöglichkeiten
Einfamilienhaus Voraussetzung: ausreichender Wärmebedarf, Strombedarf, gewisse Sommerlast, bei unterschiedliche Nutzungsprofile > Wärmespeicher Wohnsiedlungen degressive Kosten und höhere Wirtschaftlichkeit durch größere Einheiten, kurze Wege zum (Nahwärmenutzung) Verbraucher, Minimierung der elektrischen Verluste Industrie und Gewerbe Wirtschaftlichkeit bei kontinuierlichen Strom- und Wärmeabsatz, mögliche Kälteerzeugung aus Abwärme (z.B. Lebensmittelmärkte, Rechenzentren, Hotel) Öffentliche Einrichtungen Ideal für Contracting-Lösungen, Einbeziehung in einen Wärmeverbund, möglicher höherer Eigenstrombedarf, Straßenbeleuchtung, Wasserwerke

28 Einsatzmöglichkeiten
KWK-Anlage mit Ergänzung einer PV-Anlage zu den verschiedenen Jahreszeiten Lastgang eines Mehrfamilienhauses mit KWK- und PV-Anlage zur größtmöglichen Eigenstromdeckung Sommertag Wintertag

29 Einsatzmöglichkeiten
KWK- und Photovoltaikanlage ergänzen sich optimal. Anteil der Eigenstromversorgungsquote wird durch „Hybridstrom“ erhöht. Sommer Photovoltaikanlage: erzeugt tagsüber Strom KWK-Anlage: läuft in den Morgen- und Abendstunden (Wärme wird in Pufferspeichern eingelagert, steht dadurch durchgehend zur Verfügung) Winter BHKW hat tagsüber eine längere Laufzeit, schaltet aber dennoch ab, wenn der PV-Ertrag zur Eigenstromdeckung ausreicht. In den Nachtstunden ist aufgrund eines nur geringen Strombedarfs kein wirtschaftlicher BHKW-Betrieb möglich. Über feste „Sperrzeiten“ wird ein BHKW- Betrieb verhindert. Die meisten BHKWs arbeiten mit einer Leistungsmodulation, die sich am momentanen Strombedarf orientieren kann. Betriebsweise: „Strombedarfsgeführt mit Wärmebedarfsdeckelung.“

30 Fazit KWK-Anlagen sind technisch ausgereift
können bis zu 60 % CO2- Emissionen einsparen können bis zu 36 % Primärenergie einsparen haben einen deutlichen energetische Vorteil ggü. der konventionellen Erzeugung leisten einen wichtigen Beitrag zu den Klimaschutzzielen Erfüllen die gesetzliche Anforderungen Tragen zur Flexibilisierung des Stromnetzes bei sind wirtschaftliche hoch interessant

31 Kraft-Wärme-Kopplung – der Umwelt und dem Geldbeutel zuliebe

32 Rechenbeispiel EnEV 2016 Gebäudeenergiebilanz im Vergleich ohne / mit KWK Neubau Mehrfamilienhaus 6 WE Wohnfläche: 562 m² / Nutzfläche: 674 m² / Ve m³ 3 Vollgeschosse, voll unterkellert, Dach nicht genutzt U-Werte: OGD: 0,17 W/m²K Außenwand: 0,22 W/m²K Kellerdecke: 0,30 W/m²K Fenster: 1,20 W/m²K zentrale Warmwasserbereitung mit Zirkulation Heizungsregelung / Dämmung / Verteilung / Speicherung alles EnEV-gerecht zulässige Höchstwerte gem. Anforderungen EnEV 2016: Transmissionswärmeverlust HT: 0,40 W/m²K Jahres-Primärenergiebedarf qP: 42,48 kWh/m² tatsächlicher Transmissionswärmeverlust: 0,35 W/m²K Primärenergiebedarf …. ? Bildquellen: Hottgenroth Software

33 Rechenbeispiel EnEV 2016 Variante ohne KWK
Brennwert-Kessel 30 kW (ohne Solaranlage) Variante mit KWK Mini-BHKW 5,5 kW el. / 13,4 kW th. / fp = 0,56 Spitzenlastkessel: 20 kW Deckungsanteil KWK für Heizung: 87 % Deckungsanteil KWK für Trinkwarmwasser: 100 %

34 Rechenbeispiel EnEV 2016 ohne KWK mit KWK
Ergebnisse Heizung (Wärmebedarf Qh: kWh/a, qh: 37,54 kWh/m²a)

35 Rechenbeispiel EnEV 2016 ohne KWK mit KWK
Ergebnisse Heizung (Wärmebedarf Qh: kWh/a, qh: 37,54 kWh/m²a)

36 Rechenbeispiel EnEV 2016 ohne KWK mit KWK
Ergebnisse Heizung (Wärmebedarf Qh: kWh/a, qh: 37,54 kWh/m²a)

37 Rechenbeispiel EnEV 2016 ohne KWK mit KWK
Ergebnisse TW-Erwärmung (Wärmebedarf QTW: kWh/a, qTW: 12,50 kWh/m²a)

38 Rechenbeispiel EnEV 2016 ohne KWK mit KWK
Ergebnisse TW-Erwärmung (Wärmebedarf QTW: kWh/a, qTW: 12,50 kWh/m²a)

39 Rechenbeispiel EnEV 2016 ohne KWK mit KWK
Ergebnisse TW-Erwärmung (Wärmebedarf QTW: kWh/a, qTW: 12,50 kWh/m²a)

40 Rechenbeispiel EnEV 2016 ohne KWK mit KWK Ergebnisse
Anforderungswert qp: 42,48 kWh/m²a EnEV-Anforderung nicht erfüllt EEWärmeG nicht erfüllt EnEV-Anforderung erfüllt EEWärmeG erfüllt (Ersatzmaßnahme mind. 50 % KWK) Zurück zur Präsentation: hier klicken

41 Kraft-Wärme-Kopplung – der Umwelt und dem Geldbeutel zuliebe