Fallbeispiele. Fallbeispiele zur Vorlesung Richard Kuttenreich. Fallbeispiel Stadtwerke Neuburg Heizwerk B2 - Lösung - WS

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Friederike Beck
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1 Fallbeispiele Fallbeispiele zur Vorlesung Richard Kuttenreich Fakultät Maschinenbau und Verfahrenstechnik Fallbeispiel Stadtwerke Neuburg Heizwerk B2 - Lösung - WS Prof. Richard Kuttenreich Fakultät Maschinenbau und Verfahrenstechnik Telefon Fax richard.kuttenreich@hs-augsburg.de Hochschule Augsburg University of Applied Sciences Baumgartnerstraße 16 D Augsburg 1 P a g e Telefon Fax poststelle@hs-augsburg.de

Richard Kuttenreich Fakultät Maschinenbau und Verfahrenstechnik Telefon +49 821 5586-3150 Fax +49 821 5586-3160 richard.

2 Fallbeispiel: Die Stadtwerke Neuburg planen den Aufbau einer modularen Energieversorgung auf Basis Fernwärme für einen ganzen Stadtteil (B2). Hierzu vergleichen die Stadtwerke die Wärmegestehungskosten je MWh von vier Varianten unterschiedlicher Energieerzeugungsanlagen unter Berücksichtigung der angegebenen Volllaststunden. Es sind folgende Daten bekannt: Variante A Erdgaskessel 5 MW th Variante B Erdgas-BHKW 1 MW el Variante C Biogas-BHKW 250 KW el Variante D Biomasse-HK 500 KW th Leistungsangabe stets Output Anschaffungskosten (lo) ( ) Liquidationserlös am Ende (RW) ( ) Nutzungsdauer (n) (Jahre) Volllaststunden (Std/Jahr) Betriebsleitergehalt (fix) ( /Jahr) Betriebskosten Wartung ( /Jahr) Wirkungsgrad gesamt 0,9 0,9 0,85 0,8 Brennstoffkosten ( /MWh) Input Kalkulationszinsfuß (i) (%) Tabelle 1 Bei beiden BHKWs ist die Aufteilung von Strom- zu Wärmeerzeugung (Output) stets 40 zu 60%. Finanzierungslaufzeit = Nutzungsdauer. Kalk. Abschreibung ( ) = Io - RWn n Variante A Variante B Variante C Variante D Kalk. Zinsen ( ) = Io + RWn x i Kapitalkosten ( ) Tabelle 2 2 P a g e

Es sind folgende Daten bekannt: Variante A Erdgaskessel 5 MW th Variante B Erdgas-BHKW 1 MW el Variante C Biogas-BHKW 250 KW el Variante D Biomasse-HK 500 KW th Leistungsangabe stets Output

3 Mithilfe der Kostenvergleichsrechnung wird die Variante mit den geringsten Wärmegestehungskosten, bezogen auf die vorgegebene jährliche Auslastung (Volllaststunden), berechnet. Variante A Variante B Variante C Variante D Kalk. Abschreibung ( ) Kalk. Zinsen ( ) Betriebskosten Wartung( /Jahr) Brennstoffkosten ( /Jahr) Zwischensumme Kosten ( /Jahr) Gehälter ( /Jahr) Output (MWh/Jahr) , Wärmebereitstellungskosten ( /MWh) 59,44 92,37 191,20 95,50 Tabelle 3 1. Welche Variante hat die geringsten Wärmebereitstellungskosten? Lösungsweg: Kalkulatorische Abschreibung (AfA) und kalkulatorische Zinsen wurden bereits in Tabelle 2 ermittelt; die Summe der beiden Werte sind die Kapitalkosten. Die Betriebskosten Wartung und Instandhaltung sind bereits in der Aufgabenstellung gegeben; die Kosten fallen in diesem Fallbeispiel nur an, wenn diese Energieerzeugungsvariante in Betrieb genommen wird (variable Kosten). Bei der Ermittlung der Brennstoffkosten muss je nach Aufgabenstellung berücksichtigt werden, dass bei auf Output bezogenen Angaben zuerst über Wirkungsgrad und ggf. Aufteilungsverhältnis Strom- zu Wärmeerzeugung der Gesamtinput an Brennstoff ermittelt werden muss. Beispiel Variante A: Erdgas-Kessel 5 MW th bei 5 MW Gesamt-Output und einem gegebenen Wirkungsgrad von 0,9 => 5 MW / 0,9 = 5,556 MW Feuerungsleistung (Input) an Brennstoff; Bei gegebenen Brennstoffkosten von 40 (Erdgas) ergeben sich für eine Volllast-Betriebssstunde Kosten von 222,22 => für die Std Betrieb x 222,22 = ,00 Beispiel Variante B: Erdgas-BHKW 1 MW el => 1 MW el ergibt über das Verhältnis 40 % Strom- zu 60 % Wärmeerzeugung einen Gesamt-Output von 2,5 MW; 3 P a g e bei 2,5 MW Gesamt-Output und einem gegebenen Wirkungsgrad von 0,9 => 2,5 MW / 0,9 = 2,778 MW Feuerungsleistung (Input) an Brennstoff;

000 5.000 10.000 Brennstoffkosten ( /Jahr) 222.222 500.000 248.161 46.875 Zwischensumme Kosten ( /Jahr) 257.222 583.500 282.661 79.375 Gehälter ( /Jahr) 40.000 40.000 40.000 40.000 Output (MWh/Jahr) 5.

4 Bei gegebenen Brennstoffkosten von 40 (Erdgas) ergeben sich für eine Volllast-Betriebssstunde Kosten von 111,11 => für die Std Betrieb x 111,11 = ,00 Beispiel Variante C: Biogas-BHKW 250 kw el => 0,25 MW el ergibt über das Verhältnis 40 % Strom- zu 60 % Wärmeerzeugung einen Gesamt-Output von 0,675 MW; bei 0,675 MW Gesamt-Output und einem gegebenen Wirkungsgrad von 0,85 => 0,675 MW / 0,85 = 0,735 MW Feuerungsleistung (Input) an Brennstoff; Bei gegebenen Brennstoffkosten von 75 (Biogas) ergeben sich für eine Volllast-Betriebssstunde Kosten von 55,15 => für die Std Betrieb x 55,15 = ,76 Beispiel Variante D: Biomasse-Kessel 0,5 MW th bei 0,5 MW Gesamt-Output und einem gegebenen Wirkungsgrad von 0,8 => 0,5 MW / 0,8 = 0,625 MW Feuerungsleistung (Input) an Brennstoff; Bei gegebenen Brennstoffkosten von 30 (Biomasse) ergeben sich für eine Volllast-Betriebssstunde Kosten von 18,75 => für die Std Betrieb x 18,75 = ,00 Nach diesen, auf den Betrieb der Variante bezogenen Kosten bieten sich die Bildung einer Zwischensumme an. Die jährlichen Kosten für den Betriebsleiter sind fix, fallen also auch ohne Betrieb der Variante an. Es bleibt zu bemerken, dass bei den nachfolgenden Überlegungen dieser Umstand noch zum Tragen kommt, denn bei der Berechnung der jährlichen Gesamtkosten bei Variantenkombinationen fallen diese Fix-Kosten natürlich nur einmal an. Antwort Frage 1: Variante A hat mit 59,44 /MWh die geringsten Wärmebereitstellungskosten. Der reine Vergleich der Wärmebereitstellungskosten ist jedoch in diesem Zusammenhang nicht zielführend, da Variante B und C neben der Wärmeerzeugung noch Strom produzieren und dieser unter folgenden Bedingungen verkauft werden kann: a. 1 MWh, erzeugt aus fossilen Brennstoffen, kann zu 55 /MWh und b. 1 MWh, erzeugt aus regenerativen Brennstoffen zu 195 /MWh verkauft werden. 4 P a g e

gegebenen Wirkungsgrad von 0,85 => 0,675 MW / 0,85 = 0,735 MW Feuerungsleistung (Input) an Brennstoff; Bei gegebenen Brennstoffkosten von 75 (Biogas) ergeben sich für eine Volllast-Betriebssstunde

5 2. Kalkulieren Sie unter Berücksichtigung dieser Zusatzerlöse erneut die bereinigten Wärmegestehungskosten für die vier Varianten. Bei der Variante B werden 4.500MWh el pro Jahr erzeugt. Da mit Erdgas erzeugt, berechnen sich die Stromerlöse wie folgt: 4500 MWh x 55 = ,00 Bei Variante C werden MWh el pro Jahr erzeugt. Da mit Biomethan erzeugt, berechnen sich die Stromerlöse wie folgt: MWh x 195 = ,00 Variante B: (Gesamtkosten - Stromerlöse) / Output Wärme ( ) / MWh = 55,70 / MWh Variante C: (Gesamtkosten - Stromerlöse) / Output Wärme ( ) / 1.687,5 MWh = 61,20 / MWh Die Stadtwerke prognostizieren für das Betriebsjahr 2014 einen Gesamtabsatz von MWh. Aufgrund von Auflagen durch Fördermittelgeber (KfW) müssen in der Gesamtbilanz des Jahres mindestens 50 % der Energie aus regenerativen Quellen stammen. Bei der Auswahl der einzusetzenden Energieerzeuger muss berücksichtigt werden, dass für 500 Std die bereitgestellte Leistung größer 1,25 MW th sein muss. Berücksichtigen Sie weiterhin, dass der Betriebsleiter jede Kombination der Varianten in Personalunion beaufsichtigen kann. Lösungsweg: 1. Schritt: Gesamtkosten aller Varianten ohne Betriebsleitergehalt Variante A Variante B Variante C Variante D Ges.-Ko BL-Gehalt./ /MWh th 51,44 49,77 37,50 63,50 3. Welche Kombination der o.a. Varianten erfüllt bei den geringsten Gesamtkosten die Anforderungen für das Jahr 2014? 5 P a g e

Da mit Biomethan erzeugt, berechnen sich die Stromerlöse wie folgt: 1.125 MWh x 195 = 219.375,00 Variante B: (Gesamtkosten - Stromerlöse) / Output Wärme ( 623.500-247.500) / 6.

6 Beachte Rahmenbedingungen: Leistungsbereitstellung > 1,5 MW für 500 Std Var B 1,5 MW th x 500 Std = 750 MWh = ,50 Bioanteil min MWh Var C 0,375 MW th x Std = MWh= ,00 Resterzeugung zu geringsten Wärmeerzeugungskosten Var C 0,375 MW th x 500 Std = 187,5 MWh= 7.031,25 Var B 1,5 MW th x 375 Std = 562,5 MWh= ,63 Gesamtkosten ohne BL = ,38 Gehalt Betriebsleiter /Jahr = ,00 Ergebnis ,38 Für das Jahr 2016 ist eine Erhöhung des Wärmeabsatzes auf MWh unter Beibehaltung der Bioenergie-Quote von 50 % geplant. Der Mindestleistungsbedarf erhöht sich auf 2 MW th für 100 Std im Jahr. 4. Welche Kombination der o.a. Varianten erfüllt bei den geringsten Gesamtkosten die Anforderungen für das Jahr 2016? Beachte Rahmenbedingungen: Leistungsbereitstellung > 1,5 MW für 500 Std Var B 1,5 MW th x 100 Std = 150 MWh = 7.465,50 Var D 0,5 MW th x 100 Std = 50 MWh = 3.175,00 Bioanteil min MWh Var C 0,375 MW th x Std = 1687,5 MWh = ,25 Var D 0,5 MW th x 1525 Std = 762,5 MWh = ,75 Resterzeugung zu geringsten Wärmeerzeugungskosten Var B 1,5 MW th x 1566,67 Std = MWh= ,50 Gesamtkosten ohne BL = ,00 Gehalt Betriebsleiter /Jahr = ,00 Ergebnis ,00 6 P a g e

604,38 Gehalt Betriebsleiter /Jahr = 40.000,00 Ergebnis 168.604,38 Für das Jahr 2016 ist eine Erhöhung des Wärmeabsatzes auf 5.000 MWh unter Beibehaltung der Bioenergie-Quote von 50 % geplant.

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