Auslegung von KWK-Anlagen als virtuelle Kraftwerke

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1 Auslegung von KWK-Anlagen als virtuelle Kraftwerke Jörg Entress Michael Bachseitz Meinhard Ryba Hochschule Biberach Studiengang Energie-Ingenieurwesen (B.Eng.) Institut für Gebäude- und Energiesysteme (IGE) HBC.Hochschule Biberach Karlstraße Biberach/Riß

2 Kontext BWPLUS Verbundprojekt PtG-Konzepte mit hoher gesellschaftlicher Akzeptanz für eine effiziente und flexible Speicher-und Energieinfrastruktur zur Integration Erneuerbarer Energien in Baden-Württemberg HBC Arbeitspaket: Ermittlung des Potentials und der Auslegung von BHKW als Virtuelle Kraftwerke im Bereich der Wohngebäude Rückwirkungen auf Strom- und Gasnetze Folie 2

3 Vorgehensweise bei der Potenzialanalyse Top-down-Ansatz IWU-Gebäudetypologie für Deutschland (2011) auf Baden-Württemberg heruntergebrochen Quelle: IWU Gebäudetypologie 2011 Folie 3

4 Vorgehensweise bei der Potenzialanalyse Datenbasis IWU-Gebäudetypologie Deutschland Heizwärme Deutschland für Ausgangsjahr 2010 TWW-Wärmebedarf Bevölkerungsanteil BW Gesamtwärme BW für Ausgangsjahr 2010 Daten zum Wärmebedarf aus IEKK BW Anteil gasversorgter Geb. Sanierungsrate Anteile MP1 u. MP2 KWK-Deckungsanteil Stromkennzahl KWK-Potenzial für Basisjahr und Stützjahre KWK-Potenzial für Stützjahre Folie 4

5 Eckdaten zu KWK-Potentialanalyse in BW Anteil Erdgas an Wärmeerzeugung (IEKK): 43,7 % KWK-Deckungsanteile: Mindestanforderung aus EEWG: 50 % Heizwärme 80 % Trinkwarmwasser Stromkennzahl pauschal 0,5 (in Anlehnung an ASUE) Trinkwarmwasser: konstant 12,5 kwh/(m²a) Folie 5

6 Top-down-Ansatz für KWK-Potenziale in BW Potential von KWK als VK im Bereich Wohngebäude Szenario A & B Szenario C TWh th TWh el TWh th TWh el Basisjahr ,2-14,5 5,6-7,3 11,2-14,5 5,6-7,3 Stützjahr ,3-14,0 5,1-7,0 14,7 7,3 Stützjahr ,5-12,6 4,3-6,3 15,5 7,8 Stützjahr ,7-11,0 3,4-5,5 16,0 8,0 Strombedarf BW 2015: 79,4 TWh (Quelle: IEKK 2015) Szenario A: Basisszenario nach IEKK 2015 ambitionierter EE-Ausbau, ambitionierte Effizienzsteigerungen, Gebäudesanierung 2 % p.a. Szenario B: keine Netzakzeptanz, wie A mit begrenztem Im-/Export von Strom/Gas, zusätzlichen Kapazitäten zur Strombedarfsdeckung, Einsatz von PtG Szenario C: Gasszenario, Hoher KWK-Einsatz, Gebäudesanierung 1-1,5 % p.a. Folie 6

7 Stromerzeugung in Baden-Württemberg nach IEKK Quelle: IEKK Folie 7

8 Grenzkosten der Stromerzeugung 2015 Wirkungsgrade Gas/Kohle/ Öl-Preis Brennstoff- Kosten Wartungskosten Wärme- Erlöse Zertifikatekosten Gesamtkosten ɳ el ɳ th ct/kwh ct/kwh el ct/kwh el ct/kwh el ct/kwh el ct/kwh el Öl Kond. KW 35% 0% 4,6 13,8 0,2 0,0 1,6 15,6 KWK-klein <100 kw el 36% 54% 4,3 13,1 2,5-7,9 0,0 7,8 GuD 60% 0% 3,2 5,9 0,2 0,0 0,7 6,7 KWK-mittel <2 MW el 42% 45% 3,8 10,0 1,0-5,0 0,0 6,0 KWK-groß 2-10 MW el 45% 40% 3,8 9,3 0,8-4,1 0,0 6,0 GuD in KWK 45% 35% 3,2 7,8 0,2-3,0 0,9 5,9 Kohle-KW 45% 0% 1,0 2,2 0,5 0,0 1,5 4,2 Annahmen η th Heizkessel 90% CO 2 -Zertifikatekosten 20 /t CO 2 -Emissionen Gas 220 g/kwh CO 2 -Emissionen Kohle 397 g/kwh Folie 8

9 Entwicklung der Residuallast BW Einsatzbereich der VK Folie 9

10 Residuallast BW 2015 mit Merit-Order Einsatzbereich von KWK<10 MW als VK Folie 10

11 Residuallast BW 2020 mit Merit-Order Einsatzbereich von KWK<10 MW als VK Folie 11

12 Residuallast BW 2015 mit KWK Einsatzbereich Anforderung: ca h Folie 12

13 Residuallast BW 2040 mit KWK Einsatzbereich Anforderung: ca h Folie 13

14 KWK Anforderungszeiten Anforderungszeiten für kleine KWK-Anlagen als VK 2015 ca h 2020 ca h 2030 ca h 2040 ca h Folie 14

15 Virtuelles Kraftwerk Definition(-nen) Zusammenschaltung kleiner, dezentraler Stromlieferanten zu einem Verbund mit gemeinsamer Steuerung Quelle: BMWI Ein virtuelles Kraftwerk (VK) verbindet leittechnisch verteilte Erzeuger, Verbraucher und Speicher (Strom und Wärme) und optimiert deren Einsatz im Sinne des Deckungsbeitrages des Gesamtsystems. Ein VK besteht damit in Summe aus den Komponenten Erzeuger, steuerbare bzw. beeinflussbare Verbraucher, Speicher (Wärme und Strom, ggf. Gas), der Software zur Steuerung und Optimierung sowie einer kostengünstigen Kommunikationstechnik. Quelle: Smart Distribution 2020, VDE, 2008 Dabei wird ein virtuelles Kraftwerk als ein interaktives, zentral steuerbares Netzwerk von dezentralen Erzeugungsanlagen verstanden, welches in seiner Zusammensetzung der Anteile verschiedener Technologien auf die zu deckende Last abgestimmt ist. Quelle: Faire Wettbewerbsbedingungen für virtuelle Kraftwerke, Auer et.al, 2006 Folie 15

16 Verfügbarkeit von virtuellen Kraftwerken Zielsetzung von virtuellen Kraftwerken Erbringung von Systemdienstleistungen (Regelenergie, Blindleistung, etc.) Bereitstellung von planbaren Stromerzeugungskapazitäten Lieferung nach Können und Vermögen ODER definierte Verfügbarkeit, unabhängig von anstehender Wärmelast Virtuelle Kraftwerke als planbare Kraftwerkskapazitäten Folie 16

17 Simulationsstudie (TRNSYS) Parametervariation BHKW-Größe Speichervolumen Residuallast mit Einsatzbereich (Stützjahre) Folie 17

18 Modellgebäude Kleines Wärmenetz mit fünf mittl. Mehrfamilienhäusern: 25 WE, Wohnfläche ca m², Heizwärme ca. 238 MWh/a (140 kwh/m²/a), TWW ca. 21 MWh/a Wärmegeführte Auslegung: - BHKW ca. 20 kw el, 40 kw th - Speicher ca. 1,5-2 m³ Folie 18

19 Simulationsergebnisse für 5 mittl. Mehrfamilienhäuser BHKW-Deckungsanteil Verfügbarkeit Folie 19

20 Simulationsergebnisse für 5 mittl. Mehrfamilienhäuser Deckungsanteil 50 % erfüllt bei Verfügbarkeit 90 % erfüllt bei Stützjahr el. BHKW- Leistung in kw el Speichervolumen in m³ el. BHKW- Leistung in kw el Speichervolumen in m³ Wärmegeführter Betrieb 20 1,5-2 Folie 20

21 Simulationsergebnisse für 5 mittl. Mehrfamilienhäuser Geeignete BHKW-/Speichergrößen Deckungsanteil & Verfügbarkeit erfüllt bei Stützjahr el. BHKW- Leistung in kw el Speichervolumen in m³ Wärmegeführter Betrieb 20 1,5-2 Folie 21

22 Hinweise auf optimale BHKW-Auslegung als VK Mit zunehmendem KWK-Anteil sinkt Verfügbarkeit BHKW können auch im Betrieb als VK Wärmedeckungsanteile von über 50 % erreichen Verfügbarkeit von 90 % teilweise schwer darstellbar optimale BHKW-Leistung nimmt zukünftig tendenziell ab, Speichergrößen zu Bei zunehmenden Betriebsanforderungen im Sommerhalbjahr wird Verfügbarkeit bei gleicher Speichergröße eingeschränkt Folie 22

23 Resümee Weitere Untersuchungen erforderlich: Betrachtung der bundesweiten Residuallast / Kraftwerkspark geringere PV-Senke im Sommer, verstärkter BHKW Einsatz im Sommerhalbjahr Detaillierte Darstellung optimaler BHKW-Auslegungen für unterschiedliche Wärmeobjekte Wirtschaftliche Gesamtbewertung (Vollkosten vs. Erlöse) Folie 23

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