Energiewirtschaft. Teil 3: Kostenstrukturen bei der. Strom- und Wärmeerzeugung. 1. Kostenstrukturen bei der Stromerzeugung

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1 Kesselhaus (Dampferzeuger) Maschinenhaus (Dampfturbine, Kondensator, Generator) Kühltürme Vorlesung Speisewasserbehälter Zwischenüberhitzer Kohlelager Jürgen Karl, SS 28 Speisewasserpumpe Energiewirtschaft Rauchgasreinigung (Entstaubung, Stickoxidmindernug, Niederdruck- Entschwefelung) Überhitzer Dampfturbine Hochdruck- Dampfturbine Hochdruck- Speisewasservorwärmer Generator Kondensatpumpe Teil 3: Kostenstrukturen bei der Niederdruck- Speisewasservorwärmer Kondensator Strom- und 1. Kostenstrukturen bei der Berechnung der kapitalgebundenen Kosten Möglichkeiten zur Reduktion der Investitionskosten Berechnung der verbrauchsgebundenen, betriebsgebundenen und sonstigen Kosten Netzkosten 2. Kostenstrukturen bei der Abnehmerstrukturen Kosten der Wärmeverteilung 3. Kraft-Wärme-Kopplung Wirtschaftliche Vorteile 4.Beispiel: Kostensituation von SOFC-Brennstoffzellen

2 Heizwerk 1. Möglichkeit: Berechnung von Anschaffungs- A. Kapitalgebundene Kosten Jahreskosten kosten in Beispiel: Berechnung von Wärmeversorgungsanlagen nach VDI 267 berechnet werden zunächst Kosten und Erlöse pro Jahr 'statische' Wirtschaftlichkeitsrechung Rücklauf (ca. 6-9 C) Vorlauf (ca C) Wärmeübergabestation Nutzungsdauer in Jahren Kapitalzins in % Jahreskosten in /a A. 1 Biomasse-Heizung oder Heizkesselanlage ,% A. 2 Zusätzlicher Spitzenkessel ,% A. 3 Heiznetz ,% A. 4 Finanzierungskosten 25 5,% A. 5 Grundstück ,% A. 6 Instandsetzung 25 5,% A. 7 Planungskosten ,% A. 8 Bauliche Anlagen ,% Zwischensumme abzgl. 35% Förderung B. Verbrauchsgebundene Kosten Menge/a spezifische Kosten B. 1 Brennstoff Hackschnitzel 12.5 MWh 2, /MWh 25. B. 2 Brennstoff Restholz 12.5 MWh 5, /MWh 62.5 B. 2 Brennstoff für Spitzenkessel 5. MWh 35, /MWh 175. B. 3 Aschedeponierung 21, t 5 /t 1.5 B. 4 Elektrische Hilfsenergie 6 MWh 12, /MWh 72. Zwischensumme 57. C. Betriebsgebundene Kosten Menge/a spezifische Kosten C. 1 Betätigung 1. h 3, /h 3. C. 3 Instandhaltung mittl. Instandhaltungsfaktor: 1,5% Zwischensumme D. Sonstige Kosten D. 1 Verwaltungskosten 1. D. 2 Kosten für Versicherungen,15% von den Investitionskosten Zwischensumme E. Jahreskosten F. Erlöse Menge/a spez. Kosten bzw. Nutzungsdauer und Zins F. 1 Wärmeverkauf 18. MWh 65, /MWh F. 2 Netzkostenbeiträge ,% F. 3 Stromerlöse MWh 12, /MWh Summe Erlöse Wdh.: Einführung Ökonomie 2. Möglichkeit: Berechnung spezifischer Kosten Kosten der Energieerzeugung (Beispiel: ) Gleichung für die Berechnung von skosten s = s + s + i v s s s i spezifische kapitalgebundene Kosten in [ct/kwh el ] s v spezifische verbrauchsgebundene Kosten in [ct/kwh el ] s s spezifische betriebsgebundene und sonstige Kosten in [ct/kwh el ] Einheit in [ct/kwh el ] wichtigste Einflussgrößen: Kosten Leistung Betriebsdauer

3 Berechnung der spezifischen kapitalgebundene Kosten s i in [ct/kwh el ] spezifische Investitionskosten a Annuitätenfaktor n p ( 1+ p) ( 1+ p) 1 = n a Annuitätenfaktor [-], p Zinssatz [-] n Abschreibungsdauer in [a] s i = SI a z Jahresvolllaststunden z = S = A P el z Jahresvollbenutzungsstunden in [h/a] A erzeugte Nutz-Arbeit in [kwh el /a] P el elektrische Nettoleistung in [kw el ] I I P el S I spezifische Investitionskosten einer sanlage [ /kwel] I Gesamtinvestitionskosten in [ ] Beispiel: Biomasse-Kraftwerk Pfaffenhofen spezifische Investitionskosten (ohne Wärmenetz): Investitionskosten ca. 28 Mio. el. Leistung 7,5 MW S I P I = = 3733 / el kw Annuitätenfaktor: 25 Jahre, 7% Zinsen

4 Annuitätische Investitionskostenrechnung: Finanzierung wird so gewählt, das in jeder Zahlungsperiode (z.b. Jahr) die gleiche Zahlung zu leisten ist: p ( 1+ p) a = n ( 1+ p) Beispiel: Abschreibung über 25 Jahre, Zins 7% n,7 = 1 ( 1+,7) 25 ( 1+,7) 25 =,86 1 Beispiel HKW Pfaffenhofen pro Zahlungsperiode sind 8,6% = ca. 2,4 Mio. der Investitionskosten (28 Mio. ) anzusetzen Kosten pro Jahr in Mio. 2,7 2,4 2,1 1,8 1,5 1,2,9,6,3 Gesamtzahlung ("Annuität") Zinsen Tilgung 1% 8% 6% 4% 2% prozentuale Kosten pro Jahr, % Jahre Begriff 'Abschreibung': Für eine Anlage wird eine bestimmte Nutzungsdauer bzw. Abschreibungsdauer angenommen (z.b. 25 Jahre) Grund: In der GuV (Gewinn-und Verlustrechnung) des Betreibers taucht die Investition bei den 'Auszahlungen' nicht auf... Auszahlungen 2. Auszahlungen Material und Waren Fremdleistungen Personal Leasing Abschreibungen/Tilgung - Heizkraftwerk - Heiznetz Zinsen - Heizkraftwerk - Heiznetz Rückstellungen Sonstige betrieblicher Aufwand Außerordentliche Aufwendungen Betreiberfirma Einzahlungen 1. Einzahlungen Umsatzerlöse - Stromerlöse - Wärmeerlöse Bestandsveränderungen A ktivierte Eigenleistungen Sonstige Betriebliche Einnahmen Gewinn ("Jahresüberschuss") = Einzahlungen - Auszahlungen

5 Begriff 'Abschreibung': Für eine Anlage wird eine bestimmte Nutzungsdauer bzw. Abschreibungsdauer angenommen (z.b. 25 Jahre) Grund: In der GuV (Gewinn-und Verlustrechnung) des Betreibers taucht die Investition bei den 'Auszahlungen' nicht auf... (stark vereinfachte) Biomass-Heizkraftwerk Pfaffenhofen Betriebsdauer 75 h/a Gewinn-und-Verlust-Rechnung (GuV) Jahr 2. Jahr 3. Jahr 4. Jahr 5. Jahr 6. Jahr 7. Jahr 8. Jahr 9. Jahr 1. Jahr 1. Einzahlungen Umsatzerlöse - Stromerlöse Stromerlöse: 75h x 8,5 ct/kwh x 7,5 MW - Wärmeerlöse Wärmeerlöse: 75h x 3 ct/kwh x 12 MW Bestandsveränderungen Aktivierte Eigenleistungen Sonstige Betriebliche Einnahmen Summe Einzahlungen Auszahlungen Material und Waren Brennstoffkosten: 75h x 5 /t / 18 MJ/kg * 28 MW Fremdleistungen 'Abschreibung' Personal Personen a 6 Leasing Abschreibungen/Tilgung - Heizkraftwerk Investitionen werden auf 25 Jahre abgeschrieben - Heiznetz Zinsen - Heizkraftwerk Annuität 7%, 25 Jahre = Heiznetz Annuität 7%, 25 Jahre = 1545 Rückstellungen Sonstige betrieblicher Aufwand Instandhaltung 2% der Investitionskosten Außerordentliche Aufwendungen Summe Auszahlungen Ergebnis vor Steuern Begriff 'Abschreibung': Für eine Anlage wird eine bestimmte Nutzungsdauer bzw. Abschreibungsdauer angenommen (z.b. 25 Jahre) Grund: In der GuV (Gewinn-und Verlustrechnung) des Betreibers taucht die Investition bei den 'Auszahlungen' nicht auf... stattdessen werden die Kosten angegeben die durch den Wertverlust der Anlage entstehen (z.b 1/25 der Investition)... die für die Finanzierung der Investition aufgebracht werden müss(t)en (= Zins und Tilgung) Eigenkapital-Finanzierung Banken-Finanzierung

6 Mögliche Abschreibungsarten: Abschreibungsart und Abschreibungsdauer kann vom Investor/Anlagenbetreiber frei gewählt werden kumulierte Abschreibung pro Jahr lineare Abschreibung degressive Abschreibung annuitätische Abschreibung (= Tilgung) Annuitätenmethode liefert progressive Abschreibung Alternativen lineare Abschreibung (1/25 pro Jahr) degressive Abschreibung (z.b. "arithmetrisch degressiv": 25/325, 24/325, 23/325...) Leistungsabschreibung Mögliche Abschreibungsarten: Abschreibungsart und Abschreibungsdauer kann vom Investor/Anlagenbetreiber frei gewählt werden Abschreibungsdauer wird bestimmt von der Nutzungsdauer (z.b. nach VDI 267)... von gesetzlichen Rahmenbedingungen (z.b. Gültigkeit/Laufzeit der Förderung nach EEG)... nach steuerlichen Gesichtspunkten (Ziel sind z.b. hohe Verlustzuweisungen für die Investoren) Anmerkung: Abschreibungsdauer hat nichts zu tun mit der "Pay-back-period" oder dem "Return-on-Invest" (siehe später...)

7 Beispiel: Biomasse-Kraftwerk Pfaffenhofen s i S I = a = z 3733 =,86 = 4, ct kwh spezifische Investitionskosten (ohne Wärmenetz): Investitionskosten ca. 28 Mio. el. Leistung 7,5 MW Annuitätenfaktor: 25 Jahre, 7% Zinsen Jahresvolllaststunden: S a I P I = = 3733 / el p ( 1+ p) ( 1+ p) = n n,7 = 1 kw ( 1+,7) 25 ( 1+,7) 25 =,86 1 Wdh: Jahresvollbenutzungsstunden errechnen sich aus der produzierten Strommenge und der Leistung Kraftwerksart Installierte Nettoleistung (brutto) Anlagenauslastung (Jahresvolllaststunden) in [MW] [in PJ] in [MWh/MW] Kernenergie , Braunkohle , z = Steinkohle ,4 P 4312 el Erdgas und sonstige gasförmige Stoffe , Heizöl ,2 26 Wasserkraft , sonstige regenerative Energieträger ,3 149 Summe ,6 A

8 Beispiel: Biomasse-Kraftwerk Pfaffenhofen s i S I = a = z 3733 =,86 = 4, ct kwh spezifische Investitionskosten (ohne Wärmenetz): Investitionskosten ca. 28 Mio. el. Leistung 7,5 MW Annuitätenfaktor: 25 Jahre, 7% Zinsen Jahresvolllaststunden: S a z = A P el I P I = = 3733 / el p ( 1+ p) ( 1+ p) = n n,7 = 1 kw ( 1+,7) 25 ( 1+,7) 25 =, MWh / a = = 7466 h / a 7,5MW Einfluss von Anlagenauslastung, Zinssatz und Abschreibungsdauer auf die spez. skosten spez. kapitalgebundene skosten in ct/kwh Abschreibungsdauer 25 Jahre Zinssatz 4% 6% 8% 1% Jahresvollbenutzungsstunden in h/a spez. kapitalgebundene skosten in ct/kwh Abschreibungsdauer 1 Jahre % 5% 1% 15% 2% Zinssatz 6 Stunden/Jahr

9 Möglichkeiten zur Senkung der Investitionskosten 1. Anlagengröße Economy-of-Scale Spez. Investitionskosten der konventionellen Quelle: Abschlussbericht der Enquete-Kommission des 14. Bundestages "Nachhaltige Energieversorgung"/ ewo-kennziffernkatalog Brennstoff Technologie Leistung spez. Investitionskosten in /kw Steinkohle Kondensationskraftwerk Kondensationskraftwerk 5 13 Integrierte Kohlevergasung 6 16 Integrierte Kohlevergasung Entnahme-Kondensations-HKW Entnahme-Kondensations-HKW Gegendruck HKW Braunkohle Kondensationskraftwerk (Kosten ca % über Steinkohle) Biomasse Entnahme-Kondensations-HKW 1 4 Erdgas GUD Gegendruck GUD-HKW Gegendruck GUD-HKW Entnahme-Kondensations-HKW 2 6 Entnahme-Kondensations-HKW 1 69 Entnahme-Kondensations-HKW Gasturbine Kernernergie EPR (Druckwasserreaktor) 4 18

10 Spez. Investitionskosten der konventionellen Gründe: Gaskraftwerke und Gasturbinen sind am günstigsten einfaches Brennstoffhandling hohe Wirkungsgrade (GUD-Technik) günstige Gasturbinen spez. Investitionskosten in Euro/MW Biomasse HKW GT HKW HKW IGCC Erdgas Braunkohle und Steinkohle GUD Kondensations- KW Kernkraftwerk (Schätzungen) Installierte Leistung in MW Möglichkeiten zur Senkung der Investitionskosten 1. Anlagengröße Economy-of-Scale 2. Stückzahlen Serienfertigung

11 Kostendegression durch Erhöhung der Stückzahl Beispiel: Erwartete Kostenentwicklung von PEM-Brennstoffzellen für mobile Anwendungungen Kostendegression in % 1% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % 7 % 8% Kostenersparnis bei 1-facher Stückzahl ca. 3-7 % Kostendegressionsrate 9 % Kostendegressionsrate 9 % 85% kumulierte Produktionsmenge spezifische Kosten in /kwel Ausgangspreis 3 /kw bei 1 MW el Preisspanne bei einer Produktion von 5 PKW mit einer Antriebsleistung von 2 kw 1-1 /kw 85% 8% 7 % kumulierte Produktionsmenge in MW el Kostendegressionsrate: Minderung der Kosten bei Verdoppelung der Produktion Gründe für Degression sind Lerneffekte und rationellere Produktionsverfahren Beispiel: Wärmeerzeuger Technische Ausrüstung, ohne Gebäude W I, min in [ /kw] W I, max in [ /kw] Warmwassererzeuger, Heizöl/Erdgas 3 kw 1 13 Warmwassererzeuger, Heizöl/Erdgas 5 kw Warmwassererzeuger, Heizöl/Erdgas 1 kw Warmwassererzeuger, Heizöl/Erdgas 2 kw Warmwassererzeuger, Heizöl/Erdgas 5 kw 22 3 Warmwassererzeuger, Heizöl/Erdgas 1 kw Problem: Kosten reduzieren sich nennenswert nur bei sehr großen Stückzahlen Hohe Stückzahlen werden nur bei sehr kleinen Anlagen erreicht spez. Kosten in /kw Serienfertigung 'Economy of Scale' Nutzwärmeleistung in kw

12 Möglichkeiten zur Senkung der Investitionskosten 1. Anlagengröße Economy-of-Scale 2. Stückzahlen Serienfertigung Hauptproblem bei der Einführung neuer Technologien: zu hohe Investitionskosten... Berechnung der spezifischen verbrauchsgebundenen Kosten s V in [ct/kwhel] Kosten für Hilfsstoffe s v K B + = x H η H el K H u + a K a Entsorgungskosten Brennstoffkosten Heizwert des Brennstoffes K B x H K H K a a spezifische Brennstoffkosten in [ /kg] Hilfsstoffbedarf in [kg/kgbs] Kosten für Hilfsstoffe [ /kg] Deponierungskosten für die Brennstoffasche [ /kg] Ascheanteil in [kg/kgbs] η el elektrischer Netto-Wirkungsgrad [-] H u unterer Heizwert in [kj/kg]

13 Brennstoffkosten auch für Brennstoffkosten gilt 'Economy-of-Scale' Kleinabnehmer werden stärker belastet als Großabnehmer (zum Vergleich) Fernwärme Verbrauch in kwh/a Grundpreis Arbeitspreis Mischpreis (bei 2 h/a) /a in /kw in /MWh in /MWh von bis von bis ,43 39,17 52,89 - Erdgas ,76-68,2-14, ,64-5,2 14,25 55, ,36-45,9 55,68 5, ,72-41,5 5,4 43,66 Brennstoffkosten auch für Brennstoffkosten gilt 'Economy-of-Scale' Kleinabnehmer werden stärker belastet als Großabnehmer Festbrennstoffe sind immer günstiger als gasförmige und flüssige Brennstoffe Erdgas-Bezugskosten in ct/mwh Stand Erdgas-Anschlussleistung in kw

14 Brennstoffkosten auch für Brennstoffkosten gilt 'Economy-of-Scale' Kleinabnehmer werden stärker belastet als Großabnehmer (zum Vergleich) Fernwärme Verbrauch in kwh/a Grundpreis Arbeitspreis Erdgas und Fernwärmepreise der Stadtwerke München (Stand Oktober 23) Mischpreis (bei 2 h/a) /a in /kw in /MWh in /MWh von bis von bis ,43 39,17 52,89 - Erdgas ,76-68,2-14, ,64-5,2 14,25 55, ,36-45,9 55,68 5, ,72-41,5 5,4 43,66 Einkaufspreise für Energieversorger (Weltmarktpreise) liegen deutlich niedriger /t kj/kg /MWh von bis von bis Erdgas Steinkohle ,5 6,2 Braunkohle ,6 3,3 Biomasse (Holzhackschnitzel) , 2, Biomasse (Altholz) ,2-2,4 Berechnung der spezifischen betriebsgebundenenen und sonstigen Kosten s B und s s in [ct/kwh el ] Personalkosten Versicherung s s = K P + KV + K I +... P z el Instandhaltung el. Arbeit K P K V K I P el z Personalkosten pro Jahr in [ /a] Versicherungskosten pro Jahr in [ /a] Instandhaltungskosten pro Jahr in [ /a] elektrische Nettoleistung in [kwel] Jahresvollbenutzungsstunden [h/a]

15 Beispiel: Personalkosten Dampferzeuger sind personalintensiver als Warmwassererzeuger "Betrieb-ohne-Beaufsichtigung" (BoB nach TRD) erfordert teure Sicherheitseinrichtungen Gasturbinen sind günstiger als Dampfkraftwerke gasförmige Brennstoffe sind günstiger als Festbrennstoffe Beispiel: Instandhaltungskosten (nach VDI 267)

16 Beispiel: Wartungskosten BHKW/µGT (Herstellerangaben) BHKWs Capstone-Mikroturbine (mit Luftlagern!) Entscheidend für Wartungkosten sind z.b. Ölwechsel-Intervalle und Verschleißteile Betreiber schließen in der Regel Wartungsverträge mit den Herstellern Aktuelle skosten in Deutschland (Neuanlagen, Abschreibungsdauer 14 Jahre) Vollkosten in ct/kwh Mittellast 4 h/a Grundlast 75 h/a Quelle eon Stand 24 CO 2- Zertifikate (bei 1 /t) 4 3 Brennstoff 2 1 Erdgas GUD Kernenergie Steinkohle Kernenergie Steinkohle Erdgas GUD Betrieb Investitionskosten

17 Netzkosten zusätzlich zu den skosten werden den Stromkunden (Endkunden oder anderen Stromversorgern) Netzkosten in Rechnung gestellt Berechnet werden Änderungen der Spannungsebene und Durchleitungswege Stand 23 Netzebene Netzentgelte Preisspreizung ct/kwh in % Niedrigspannung 2,5 bis 6,98 24 Mittelspannung 1,89 bis 5,11 17 Hochspannung 1,16 bis 1,59 37 Momentaner Trend: Durch Trennung der EVUs in Erzeugungs und Netzbetreiber-Gesellschaften fallen Gewinne nur noch bei den Netzgesellschaften an... Netzkosten und weitere Kosten... skosten der EVU Mittelwert (je nach Quelle) um 3,5-4 ct/kwh Strombezugskosten der Verbraucher ca. 1/5 Erzeugungskosten ca 1/2 Netzkosten ca. 1/3 Steuern und Abgaben Braunkohle 2 ct/kwh Steinkohle 4,5 ct/kwh Messung,75 ct/kwh Netznutzung 6,56 ct/kwh Kernernergie 2 ct/kwh Müll und Biomasse 3 ct/kwh Wind 9,1 ct/kwh Erdgas 3 ct/kwh Wasser 3 ct/kwh Quelle RWE Stand 23 3 ct/kwh MwSt 2 ct/kwh Ökosteuer 1,79 ct/kwh Konzessionsabgabe 1,79 ct/kwh EEG,27 ct/kwh

18 Kostenstrukturen der Optionen für die (dezentrale) Einzelfeuerungen (Erdgas, Heizöl, Hackschnitzel oder Pellets) Heizwerke mit Nahwärmenetz Vorlauf (ca. 4-9 C) Abgas (ca. 7-2 C) Rücklauf (ca. 3-6 C) Kesselanlage Beispiel: 14 kw Pelletfeuerung für Einfamilienhaus Beispiel: 4 MW Heizwerk Reit im Winkl

19 Berechnung von Wärmegestehungskosten Beispiel: Holzhackschnitzelheizung 4 kw Investitionskosten Feuerung ca Investitionskosten Komplettanlage ca. 2-5 Hackschnitzel- Feuerung ca. 4 kw Heizzentrale mit Biomasse Feuerung (Komplettanlage) Berechnung von Wärmegestehungskosten Wärmepreis in ct/kwh kapitalgebundene Kosten (Zins + Tilgung) verbrauchsgebundene Kosten (Brennstoffkosten) Beispiel: Holzhackschnitzelheizung 4 kw Investitionskosten Feuerung ca Investitionskosten Komplettanlage ca Holzhackschnitzel Jahresvolllaststunden Beispielrechnung - Investitionskosten 4 - Zinssatz 6%, 12 Jahre - Hackschnitzelkosten 5 /t - Jahresnutzungsgrad 85%

20 Wärmepreis in ct/kwh kapitalgebundene Kosten (Zins + Tilgung) verbrauchsgebundene Kosten (Brennstoffkosten) Holzhackschnitzel Jahresvolllaststunden Berechnung von Wärmegestehungskosten 1 Wärmepreis bei ca. 25 Volllaststunden 8 pro Jahr ca. 5 / MWh 6 6 Hackschnitzel- Feuerung 5 kw Erdgas- Feuerung 5 kw Wärmepreis in ct/kwh Erdgas Jahresvolllaststunden Vergleichspreis ct / Liter Heizöl Berechnung von Wärmegestehungskosten Festbrennstoff "Biomasse" erfordert hohe Investitionskosten und zeichnet sich durch niedrige Brennstoffkosten aus Wärmepreis bei ca. 25 Volllaststunden pro Jahr ca. 5 / MWh Zinsen Hackschnitzel- Feuerung 5 kw Erdgas- Feuerung 5 kw Gasoder Heizöl

21 Optionen für die (dezentrale) Einzelfeuerungen (Erdgas, Heizöl, Hackschnitzel oder Pellets) Heizwerke mit Nahwärmenetz Vorlauf (ca. 4-9 C) Abgas (ca. 7-2 C) Rücklauf (ca. 3-6 C) Kesselanlage Beispiel: 14 kw Pelletfeuerung für Einfamilienhaus Beispiel: 4 MW Heizwerk Reit im Winkl wirtschaftliche Vorraussetzung: gute Auslastung der Anlage Hauptproblem der stark schwankender Bedarf an Heizwärme Temperatur 25 Wärmebedarf pro Tag in MWh Wärmebedarf 2 Tagesmitteltemperatur in C Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember -1

22 Hauptproblem der stark schwankender Bedarf an Heizwärme... Wärmebedarfsspitzen erfordert hohe Feuerungswärmeleistung (FWL) wegen hoher (Spitzen-) errechnet sich geringe Jahresnutzungsdauer Verbraucher Vollbenutzungsstunden in [h/a] min max Mehrfamilienhäuser, Altbau Mehrfamilienhäuser, Neubau Einfamilienhäuser/Reihenhäuser, Altbau Einfamilienhäuser/Reihenhäuser, Neubau Hotels Industriebetriebe (chemische und lebensmittelverarbeitende Industrie) 25 8 Industriebetriebe (Maschinenbau, etc.) 15 3 Krankenhäuser 3 5 Schulen Schwimmbäder 3 45 Konsequenzen für den Anlageneinsatz Festbrennstoffe kommen i.a. nur für die Deckung des Lastsockels in Frage Charakterisierung des Wärmebedarfs: "geordnete Jahresdauerlinie" Feuerungswärmeleistung in % Gasfeuerung (Spitzen- und Reservekessel) geordnete Jahresdauerlinie Biomassefeuerung Gasfeuerung (Spitzen- und Reservekessel) Betriebsstunden pro Jahr

23 Kostenstruktur von Heizwerken (Beispiel Biomasseheizwerk) Nebenkosten (Gebäude etc.) und Wärmeverteilung tragen erheblich zu den Wärmegestehungskosten bei Technische Ausrüstung, ohne Gebäude W I, min in [ /kw] W I, max in [ /kw] Warmwassererzeuger, Heizöl/Erdgas 3 kw 1 13 Warmwassererzeuger, Heizöl/Erdgas 5 kw Warmwassererzeuger, Heizöl/Erdgas 1 kw Warmwassererzeuger, Heizöl/Erdgas 2 kw Warmwassererzeuger, Heizöl/Erdgas 5 kw 22 3 Warmwassererzeuger, Heizöl/Erdgas 1 kw Warmwassererzeuger, Biomasse 5 kw Warmwassererzeuger, Biomasse 5 kw Dampferzeuger, Heizöl, 1 MW 99 Komplettanlage (incl. Gebäude, Planungskosten etc.) ohne Heiznetz W I, min in [ /kw] W I, max in [ /kw] Heizwerk (Warmwassererzeuger, Heizöl/Erdgas), 1MW Heizwerk (Warmwassererzeuger, Heizöl/Erdgas), 5MW Heizwerk (Biomasse + Spitzenkessel Heizöl/Erdgas), 5 kw Heizwerk (Biomasse + Spitzenkessel Heizöl/Erdgas), 1MW Heizwerk (Biomasse + Spitzenkessel Heizöl/Erdgas), 1 MW Heizwerk (Biomasse + Spitzenkessel Heizöl/Erdgas), 5MW Heizwerk (Dampferzeuger Heizöl/Erdgas), 1 MW Heizwerk (Dampferzeuger Biomasse), 1 MW Kostenstruktur von Heizwerken (Beispiel Biomasseheizwerk) Nebenkosten (Gebäude etc.) und Wärmeverteilung tragen erheblich zu den Wärmegestehungskosten bei Kosten von Fernwärmeleitungen Anwendungsfall S I, min in [ /m] S I, max in [ /m] Einfache Verlegung, über Land aufwändige Verlegung, mittlere Bebauung 3 5 sehr aufwändige Verlegung, starke Bebauung, felsiger Untergrund bis 12 Mehrkosten Stahlmantelrohre 5 15 Übergabestationen 2-5 kw 9 22 /kw Übergabestationen 1-5 kw 15 5 /kw

24 Kostenstruktur von Heizwerken (Beispiel Biomasseheizwerk) Nebenkosten (Gebäude etc.) und Wärmeverteilung tragen erheblich zu den Wärmegestehungskosten bei Jahreskosten [%] 1% 8% 15 /a 6% 14 5 /a 4% 2% % 12 /a 4 /MWh Heizwerk 5 kwth Wärmepreis Investitionskosten Brennstoffkosten Personal und sonstige Kosten 45 /MWh /a 85 5 /a Heizwerk 5 MWth + Heiznetz 257 /a Heiznetz 5 % technische Ausrüstung 3 % Gebäude 12 % Leittechnik 3 % Sonstiges 5 % Kostenstruktur der Kraft-Wärme-Kopplung (Beispiel Biomasse-Heizkraftwerk)

25 Wärmepreis in ct/kwh Zulässige Wärmegestehungskosten bei der Beispiel: -Anlage kapitalgebundene Kosten (Zins + Tilgung) Holzhackschnitzel Jahresvolllaststunden zulässiger Wärmepreis ohne 5 / MWh w verbrauchsgebundene Kosten (Brennstoffkosten) 5 kw FWL, 1kW el, Investitionskosten 6 Gesamtwirkungsgrad: 8% elektr. Wirkungsgrad: 2% Berechnung der Wärmegestehungskosten bei der : th ct kwh th = wk ct kwh P σ = Φ& el th th + wv ct kwh th σ s "Stromkennzahl": kwel 2% 1 = = kwth 8% 2% 3 Mögliche Stromerlöse aus Biomasse bis 21 ct/kwh el 21 ct/kwh el entsprechen 7 ct/kwh th el Wärmepreis in ct/kwh Zulässige Wärmegestehungskosten bei der Beispiel: -Anlage kapitalgebundene Kosten (Zins + Tilgung) Holzhackschnitzel Jahresvolllaststunden zulässiger Wärmepreis ohne 5 / MWh wth verbrauchsgebundene Kosten (Brennstoffkosten) 5 kw FWL, 1kW el, Investitionskosten 6 Gesamtwirkungsgrad: 8% elektr. Wirkungsgrad: 2% Berechnung der Wärmegestehungskosten bei der : ct kwh th = wk ct kwh P σ = Φ& el th th + wv ct kwh th σ s "Stromkennzahl": kwel 2% 1 = = kwth 8% 2% 3 zulässiger Wärmepreis bei der : 12 /MWh oder 12 ct/kwh el

26 Wärmepreis in ct/kwh Zulässige Wärmegestehungskosten bei der kapitalgebundene Kosten (Zins + Tilgung) Holzhackschnitzel Jahresvolllaststunden zulässiger Wärmepreis ohne 5 / MWh verbrauchsgebundene Kosten (Brennstoffkosten) zulässiger Wärmepreis mit 12 / MWh th 1 Wärmepreis in ct/kwh *) Fußnote: bisherige Betrachtungen vernachlässigen Betriebskosten betriebsgebundene und sonstige Kosten (Instandhaltung, Personal, Versicherungen ect.) 6 Holzhackschnitzel und Jahresvolllaststunden 4 2 Vergleichspreis ct / Liter Heizöl Wirtschaftliche Rahmenbedingungen der mit konventionellen Technologien ("Großanlagen") Wirtschaftlichkeit wird überwiegend von Investitions und Verbrauchskosten bestimmt Einnahmen sind nur Stromerlöse Stromerlös = Verkaufspreis - Netzkosten z.b. 1-3 ct/kwh z.b. 7-9 ct/kwh z.b. 6-7 ct/kwh Strom kann nur mit Großanlagen, mit Förderung (z.b. EEG) und/oder Entsorgungserlösen wirtschaftlich erzeugt werden

27 Wirtschaftliche Rahmenbedingungen der mit innovativen Technologien ("dezentrale Kleinanlagen") Wirtschaftlichkeit wird zusätzlich wesentlich von Personalkosten bestimmt, Investitionskosten spielen eine geringere Rolle "Stromerlöse" sind Endabnehmerpreise (keine Netzkosten) Haupteinnahme aus Wärmerlösen Annahme: Wärmeerlös 5 /MWh ηel = 2%, ηges = 7 % => pro kw Strom werden 2,5 kw Wärme erzeugt gesamter "Stromerlös" = Verkaufspreis + Wärmeerlös z.b. 19,5-21,5 ct/kwh z.b. 7-9 ct/kwh z.b. 12,5 ct/kwh Zusätzliche Wärmeerlöse erlauben deutlich höhere spez. Investitionskosten... Kostenstruktur der Kraft-Wärme-Kopplung (Beispiel Biomasse-Heizkraftwerk) zusätzliche Wärmeerlöse erhöhen zulässige Investitionskosten ermöglicht auch Dezentrale zulässige spezifische Investitionskosten in Euro/kWel η el = 5%: 3-55 Euro/kW η el = 2%: 8-15 Euro/kW η el= 5% η el= 3% η el= 2% jährliche Vollastbetriebsstunden in h/a Kraft-Wärme-Kopplung η el = 5%: 4-8 Euro/kW η el = 5% η el= 3% η el= 2% η el = 2%: 2-35 Euro/kW jährliche Vollastbetriebsstunden in h/a

28 Beispiel: Kostensituation von Brennstoffzellen-Systemen: Entwicklungsziel ist die umweltfreundliche für stationäre und mobile Anwendungen NECAR mit Brennstoffzellen-Antrieb (Daimler-Chrysler) Hauptprobleme sind derzeit... Brennstoffzellen- Heizgerät (Sulzer-Hexis)... die Degradation / Alterung der Brennstoffzellen... zu geringe Wirkungsgradvorteile gegenüber etablierten Technologien... zu hohe Investitionskosten! Kosten in ct / kwhel SOFC- Brennstoffzelle η el = 45% Brennstoffkosten 6,1 ct/kwh el Brennstoffkosten 2,75 ct/kwh s b 45% k = b ct kwh η el *) Annahme: Gaspreis: 27,5 ct/m² 11 kw SOFC-Brennstoffzelle der Fa. Siemens-Westinghouse

29 Kosten in ct / kwhel SOFC- Brennstoffzelle η el = 45% Investitionskosten 3,2 ct/kwh el Brennstoffkosten 6,1 ct/kwh el,13 (5% Zins, 2 Jahre) 7 5 h/a Investitionskosten s a 3 /kw a Si kw = h z a *) Annahme: Investitionskosten für 3 kw Brennstoffzelle: 9 11 kw SOFC-Brennstoffzelle der Fa. Siemens-Westinghouse Kosten in ct / kwhel SOFC- Brennstoffzelle η el = 45% Investitionskosten 3,2 ct/kwh el Brennstoffkosten 6,1 ct/kwh el *) Annahme: Investitionskosten für 3 kw Brennstoffzelle: 9 11 kw SOFC-Brennstoffzelle der Fa. Siemens-Westinghouse

30 Idee des Hybrid-Kraftwerks: 1 % Brenngas Strom 45 % Luft Abgas Energiebilanz einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle (Beispiel: SOFC) 55 % 9 C Temperatur des Abgases der Brennstoffzelle entspricht (näherungsweise) der Betriebstemperatur Abgasverluste (und Abgastemperatur...) *) bestimmen den elektrischen Wirkungsgrad... el. Wirkungsgrad η el = 45 % *) 1. Hauptsatz der Thermodynamik Idee des Hybrid-Kraftwerks: 1 % Brenngas Strom 5 % Luft Abgas Wirkungsgrad der SOFC 45 % 5 % Energiebilanz einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit Mikroturbine (Beispiel: SOFC) Strom 5 % 6 C - 7 C Temperatur des Abgases der Brennstoffzelle entspricht (näherungsweise) der Betriebstemperatur Abgasverluste (und Abgastemperatur...) bestimmen den elektrischen Wirkungsgrad... Gasturbine nutzt Abwärme Brennstoffzellen-Leistung steigt 45 %

31 Kosten in ct / kwhel Problem: SOFC- Brennstoffzelle η el = 45% SOFC/ Gasturbinen- Hybrid *) η el = 55% *) Annahme: spezifische Investitionskosten bleiben unverändert Brennstoffkosten 6,1 5, ct/kwh Vorteil des Hybrid-Kraftwerks: höherer Wirkungsgrad reduziert die Brennstoffkosten Druckaufladung wirkt sich nur bei H 2, CO besonders vorteilhaft aus Wirkungsgradvorteil reicht nicht aus, um Wirtschaftlichkeit wesentlich zu verbessern niedrigeres Abwärmeniveau verschlechtert Potential für die BZ-Kraftwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung: Brenngas Strom 1 % 45 % Luft Abgas 9 C in der Brennstoffzelle fällt immer auch Abwärme an... Abwärme kann als Nutzwärme verkauft werden Brennstoffausnutzungsgrad η B = 93 % 7 % 48 % 12 C

32 Kosten in ct / kwhel SOFC- Brennstoffzelle η el = 45% SOFC/ Gasturbinen- Hybrid η el = 55% SOFC- Brennstoffzelle η el = 45% mit Erlöse Wärmeerlöse 5 ct/kwh *) Annahme: Wärmeerlös 5 /MWh, η el = 45%, η ges = 9 % => pro kw Strom wird 1 kw Wärme erzeugt Brennstoffzellensysteme mit integrierter Vergasung Systeme mit Niedertemperatur-BZ aufwendige Gasreinigung (Teerproblem) aufwendige Wasserstoffabtrennung Systeme mit Hochtemperatur-BZ Teere werden (hoffentlich) in SOFC und MCFC-Brennstoffzellen umgesetzt Systeme mit Heißgasreinigung sind erheblich einfacher... Heißgasfilter (Keramischer Filter) H2S-Abscheider (ZnO + H2S -> ZnS+H2O) Biomasse MCFC/SOFC-Brennstoffzelle 65-1 C aufwendige Wärmeverschiebesysteme Bedienstation Brenngas-Teilstrom Nachverbrennung Allothermer Vergaser mit konventioneller Heißeinigung Rücklauf Heiznetz Vorlauf Heiznetz

33 Kosten in ct / kwhel SOFC- Brennstoffzelle η el = 45% SOFC/ Gasturbinen- Hybrid η el = 55% SOFC- Brennstoffzelle η el = 45% mit SOFC- Brennstoffzelle η el = 45% mit Biomasse *) Annahme: Zusätzliche Investitionskosten für 6kW-Vergaser: 4 Erlöse Brennstoffkosten 6,1 2, ct/kwh SOFC/ SOFC- SOFC- SOFC- Gasturbinen- Brennstoffzelle Brennstoff- Brennstoffzelle Hybrid η el = 45% zelle η el = 45% η el = 45% η el = 55% mit mit Biomasse 12 Einspeisevergütung für 1 Biomasse nach EEG Preisspanne am Spotmarkt 8 der Leipziger Strombörse EEX 1) 6 1) Mittelwerte 22 Kosten in ct / kwhel 4 2 zulässige Mehrkosten "High-noon" (mittags) "Off-Peak" (nachts) Erlöse Fazit: Die Systemintegration entscheidet über die Wirtschaftlichkeit von Brennstoffzellen-Systemen nicht (nur) die spez. Investitionskosten...

34 skosten werden dominiert von den Investitionskosten und den Brennstoffkosten Investitionskosten können nur durch Anlagengröße und (hohe) Stückzahlen reduziert werden Kosten der werden maßgeblich von der Verbraucherstruktur bestimmt Kraft-Wärme-Kopplung ist die wichtigste Option um dezentrale Technologien wirtschaftlich einzusetzen Netzkosten dominieren (derzeit) die Preise für die Endkunden