KWK und der Primärenergiefaktor f P Bewertung nach EnEV 2014 (2016)

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1 KWK und der Primärenergiefaktor f P Bewertung nach EnEV 2014 (2016) 1. Energiebilanz und Primärenergiefaktoren 2. Nachweisverfahren EnEV KWK Anlagen nach DIN KWK Anlagen nach DIN : Berechnungsbeispiel KWK Anlage DIN : Grünberger Str Berlin Tel.: 030/ Fax.: 030/ berlin.de mail@oekotech berlin.de Stefan Fürkus fuerkus@gmx.de twitter.com/fuerkus Vortrag zum 5. Energiesymposium an der TH Wildau am Kraft Wärme Kopplung 1

2 1. Energiebilanz und Primärenergiefaktoren 4 Bilanzgrenzen im Rahmen der Energiebilanz Senken (Wärmeverluste) Quellen (Wärmegewinne) Raumgrenze (Übergabe an Nutzer) Nutzenergie Q b Wärmeenergiebedarf Q outg (Erzeugernutzwärmebedarf) Übergabe an Verteilnetz fuerkus@gmx.de Gebäudegrenze Endenergie Q f Fossile Primärenergie Q p Globale Grenze Verluste 2

3 1. Energiebilanz und Primärenergiefaktoren Bedarf / Nutzen Brauche ich Haustechnischer Aufwand Kaufe ich Fossile Gesamtaufwand Verursache ich e = Aufwandszahl (Objektspezifisch) e Aufwand Nutzen f p = fossiler Primärenergiefaktor (Tabellenwert je nach Energieträger) 3

4 1. Energiebilanz und Primärenergiefaktoren Primärenergiefaktoren Die Primärenergiefaktoren enthalten sämtliche Faktoren der Primärenergieerzeugung mit den Vorketten (einschließlich der Materialvorleistungen und Hilfsenergien) für die Förderung, Aufbereitung, Umwandlung, den Transport und die Verteilung der betrachteten Energieträger. Die Ermittlung der Faktoren geschieht durch Modellierung der entsprechenden Prozessketten. Ein entsprechendes Rechenmodell stellt das Computerprogramm GEMIS dar. Darüber hinaus entfalten die fossilen Primärenergiefaktoren Steuerungswirkung in der Klimaschutzpolitik, dabei speziell im Gebäudebereich. Die Primärenergiefaktoren sind mitentscheidend für die Wettbewerbsfähigkeit der unterschiedlichen Energieträger und der mit ihnen verbundenen Technologien. Die Anwendung erfolgt in Deutschland über das Energieeinspargesetz (EnEG), die Energieeinsparverordnung (EnEV) sowie in den dort zitierten Normen (z.b. DIN , DIN 18599). 4

5 1. Energiebilanz und Primärenergiefaktoren Primärenergiefaktoren f P DIN : Zertifizierter Primärenergiefaktor f p,vattenfall,berlin = 0,56 f p,strommix,enev 2014 = 2,4 (1,8 ab ) f p,strommix,enev 2002 = 3,0 nach Arbeitsblatt AGFW FW f p,strommix,enev 2007 = 2,7 f p,strommix,enev 2009 = 2,6 5 Primärenergiefaktoren Tabelle A.1 DIN V : Verdrängungsstrommix: Eingespeister Strom stellt die Anteile des Netzmixes dar, die durch Stromerzeugung (zum Beispiel mit einem BHKW) ersetzt werden. Relevant z.b. beim Effizienzhaus Plus.

6 2. Nachweisverfahren EnEV 2014 Nachweis über die Energiebilanz Neubau EnEV 2014 (2016) Einhaltung eines primärenergetischen Grenzwertes Q p,max und eines definierten Dämmstandards H T. Die Bestimmung des maximalen Primärenergiebedarfs erfolgt durch Einsetzen von Referenzwerten aus der EnEV in das konkrete Projekt und die Berechnung des Primärenergiebedarfs dieses sogenannten Referenzgebäudes. Seit : Q p,max = 0,75 Q P,Ref Neubau EEWärmeG 2011 Pflicht zur anteiligen Deckung des Wärmeenergiebedarfs mit erneuerbaren Energien (z.b. Biogas KWK 30%) oder alternativ Umsetzung von Ersatzmaßnahmen (z.b. fossile KWK 50%) oder Kombinationen von Maßnahmen. Bestand EnEV 2014 (2016) Der Nachweis über die Energiebilanz erfolgt wie beim Neubau über das Referenzgebäudeverfahren mit 40% höheren Primärenergiebedarf wie das Referenzgebäudes. Q p,max = 1,40 Q P,Ref Bestand EEWärmeG 2011 Anforderungen nur für die öffentliche Hand im Fall von grundlegenden Renovierungen oder im Fall von baulichen Maßnahmen, die objektiv einem Neubau entsprechen. 6

7 2. Nachweisverfahren EnEV 2014 Energetische Auswirkung verschiedener Heizsysteme am Beispiel eines großen Mehrfamilienhauses Berechnung nach DIN 18599: (Wärmebrückenarm, Lüftung Kat. II, Endenergie brennwertbezogen, soweit möglich Standardparameter DIN 18599) Erzeuger Typ Spez. Transmissionswärmeverlust H T [W/(m² K)] Spez. Endenergiebedarf q f [kwh/(m² a)] Effizienzklasse nach EnEV Spez. Primärenergiebedarf q p [kwh/(m² a)] Spez. Primärenergiebedarf in Relation zum Referenzgebäude Referenzgebäude 0,439 68,4 B 72,3 100 % Gas BW 0,373 85,9 C 85,4 118,1 % (+18,1 %) Gas BW + solares TWW 0,373 76,7 C 76,7 106,1 % (+6,1 %) BHKW (κ=50 %) + Gas BW 0,373 84,6 C 60,9 84,2 % ( 15,8 %) BHKW (κ=70 %) + Gas BW 0,373 83,9 C 51,0 70,5 % ( 29,5 %) Fernwärme (Standard f p =0,7) 0,373 81,9 C 57,7 79,8 % ( 20,2 %) Fernwärme (f p =0,56) 0,373 81,9 C 46,3 64,0 % ( 36,0 %) Elektr. Erd Wärmepumpe 0,373 22,4 A+ 40,3 55,8 % ( 44,2 %) Holzpellets 0,373 94,3 C 18,2 25,2 % ( 74,8 %) Beim Blockheizkraftwerk kann durch die Gutschrift der Stromerzeugung die primärenergiebezogene Energieaufwandszahl f p deutlich unter Eins gesenkt werden 7

8 2. Nachweisverfahren EnEV 2014 Bewertungsverfahren BHKW im Gebäude DIN : DIN V : Gleichstellung, insbesondere zur Vermeidung von Wertungsunterschieden, zwischen der gebäudeintegrierten KWK (BHKW) und der externen KWK (Nah und Fernwärme) Nach EnEV Anwendung Verfahren B nach DIN : Verfahren A: Bilanzierung von Brennstoff und Strom Bilanzierung aller Energieströme (Wärme und Strom). Verfahrens A ist in öffentlich rechtlichen Nachweisen nicht erlaubt!) Verfahren B: Bilanzierung Primärenergiefaktor der Wärme Bilanzierung nur der Wärmeanteile im Einklang mit der EnEV. Stromgutschrift erfolgt über Primärenergiefaktor. EnEV Anlage 1 Abschnitt 2.1.1: Wird als Wärmeerzeuger eine zum Gebäude gehörige Anlage mit Kraft Wärme Kopplung genutzt, so ist für deren Berechnung DIN V : Abschnitt Verfahren B zu verwenden. 8

9 3. KWK Anlagen nach DIN Trinkwarmwasser Wärme, die innerhalb des Gebäudes durch Kraft Wärme Kopplung erzeugt wird, darf so behandelt werden, wie Wärme aus einer außerhalb angeordneten Anlage zur Kraft Wärme Kopplung. Soweit bei der Bestimmung des Primärenergiefaktors alle gerätebedingten Verluste berücksichtigt wurden, darf mit einer Erzeuger Aufwandszahl e H,g = 1,0 und einem Hilfsenergiebedarf von q H,g,HE = 0 kwh/(m² a) gerechnet werden. Ohne Solarthermie Standard Deckungsanteil BHKW für TWW 100% 9

10 3. KWK Anlagen nach DIN Heizung Standard Deckungsanteil BHKW für H 70% Wärme, die innerhalb des Gebäudes durch Kraft Wärme Kopplung erzeugt wird, darf so behandelt werden, wie Wärme aus einer außerhalb angeordneten Anlage zur Kraft Wärme Kopplung. Soweit bei der Bestimmung des Primärenergiefaktors alle gerätebedingten Verluste berücksichtigt wurden, darf mit einer Erzeuger Aufwandszahl e H,g = 1,0 und einem Hilfsenergiebedarf von q H,g,HE = 0 kwh/(m²a) gerechnet werden. 10

11 4. KWK Anlagen nach DIN : Standardwerte Bewertung KWK DIN : Liegen keine Informationen aus Planungsunterlagen oder Prospektwerte vor, ist mit folgenden systemspezifischen Standardwerten zu rechnen: Bei Mikro KWK bis 20 kw th kann die Berechnung allein auf Basis der thermischen Leistung P th,chp und der vorhandenen Speichergröße erfolgen oder auf Standardwerte aus DIN : Tabelle 6 zurückgegriffen werden. 11

12 4. KWK Anlagen nach DIN : Deckungsanteile Für die Bewertung der KWK Anlage und des Wärmeerzeugers werden die anteiligen Deckungsanteile der Wärmeabgabe als Jahreswerte benötigt. a) Erzeugerwärmeabgabe der KWK Anlage an das System: b) Erzeugerwärmeabgabe des Spitzenlastkessels an das System: Q outg,chp,a Q outg,hp,a κ Q outg,a η HN Erzeugernutzwärmeabgabe der KWK Anlage, Jahressumme Erzeugernutzwärmeabgabe des Wärmeerzeugers, Jahressumme KWK Deckungsanteil, nach Planung oder bei Mikro KWK aus Berechnung oder Tabelle Erzeugernutzwärmeabgabe an das Gesamtsystem, Jahressumme Netznutzungsgrad, nach Planung oder Berechnung. Wenn kein relevantes Heiznetz zwischen Wärmeerzeugungsanlage und dem Gebäude als Abnehmer vorhanden ist, da die Wärmeerzeugungsanlage im Gebäude aufgestellt ist, gilt: η HN = 1. 12

13 4. KWK Anlagen nach DIN : Stromproduktion und Endenergiebedarf Für die KWK Anlage müssen die erzeugte Strommenge sowie der eingesetzte Brennstoffbedarf (Endenergie) bestimmt werden; für den Spitzenlast Wärmeerzeuger nur der eingesetzte Brennstoffbedarf (Endenergie). KWK Stromkennzahl: KWK Netto Stromproduktion: P el P th,chp η el η th,chp Q f,prod,chp,a σ Q outg,chp,a elektrische Nettoleistung der KWK Anlage thermische Leistung der KWK Anlage ohne Wärmeerzeuger (Spitzenlastkessel, Spitzenlastbrenner) elektrische Nutzungsgrad der KWK Anlage thermische Nutzungsgrad der KWK Anlage ohne Wärmeerzeuger (Spitzenlastkessel, Spitzenlastbrenner) KWK Netto Stromproduktion, Jahressumme Stromkennzahl der KWK Anlage nach Planung oder für Mikro KWK aus Tabelle Erzeugernutzwärmeabgabe der KWK Anlage, Jahressumme 13

14 4. KWK Anlagen nach DIN : Stromproduktion und Endenergiebedarf Endenergiebedarf der KWK Anlage: Q f,hp,a Q outg,chp,a Q f,prod,chp,a η CHP,Hs Endenergiebedarf der KWK Anlage, Jahressumme, brennwertbezogen Erzeugernutzwärmeabgabe der KWK Anlage, Jahressumme KWK Netto Stromproduktion, Jahressumme brennwertbezogene Nutzungsgrad der KWK Anlage, nach Planung oder für Mikro KWK nach Tabelle 14

15 4. KWK Anlagen nach DIN : Verfahren B Bilanzierung Primärenergiefaktor der Wärme Heizwertbezogene Kennwerte Zur primärenergetischen Bewertung des Systems analog einer Nahwärme werden die Jahresnutzungsgrade der Erzeuger bezogen auf den Heizwert benötigt. KWK Anlage: Spitzenlast Wärmeerzeuger: η CHP η HP f HS/HI η CHP,Hs η HP,Hs Q outg,chp,a Q outg, HP,a Q f,prod,chp,a Q f,chp,a Q f,hp,a heizwertbezogene Nutzungsgrad der KWK Anlage heizwertbezogene Nutzungsgrad des Wärmeerzeugers (Spitzenlastbrenner, kessel), nach Planung oder DIN V Verhältnis Brennwert/Heizwert nach Energieträger brennwertbezogene Nutzungsgrad der KWK Anlage ohne Wärmeerzeuger (Spitzenlastbrenner, kessel), nach Planung oder Tabelle 6 brennwertbezogene Nutzungsgrad des Wärmeerzeugers (Spitzenlastbrenner, kessel) Erzeugernutzwärmeabgabe der KWK Anlage, Jahressumme Erzeugernutzwärmeabgabe des Wärmeerzeugers (Spitzenlastbrenner, kessel), Jahressumme KWK Netto Stromproduktion, Jahressumme Endenergiebedarf der KWK Anlage, brennwertbezogen, Jahressumme Endenergiebedarf des Wärmeerzeugers (Spitzenlastbrenner, kessel), brennwertbezogen, Jahressumme 15

16 4. KWK Anlagen nach DIN : Verfahren B Bilanzierung Primärenergiefaktor der Wärme Bestimmung des Primärenergiefaktors (einschl. Stromgutschrift):, 1, 1, Spitzenlastkessel BHKW Strom f p Primärenergiefaktor für Wärme aus dem Erzeugersystem f p,hp Primärenergiefaktor für den Energieträger des Spitzenerzeugers f p,chp Primärenergiefaktor für den Brennstoff der KWK f p,strom Primärenergiefaktor für Strom η HP Nutzungsgrad des Wärmeerzeugers (Spitzenlastbrenner, kessel), nach Planung oder Berechnung η CHP Nutzungsgrad der KWK Anlage κ KWK Deckungsanteil, nach Planung oder Berechnung oder Tabelle 6 σ Stromkennzahl der KWK Anlage, nach Planung oder Tabelle 6 16

17 5. Berechnungsbeispiel KWK Anlage DIN : Erdgasbetriebenes BHKW mit Erdgasspitzenlastkessel Ein erdgasbetriebenes BHKW versorgt einen Gebäudekomplex. Die im Gebäude als Erzeugernutzwärmeabgabe für das Heizungs /Trinkwassererwärmungssystem benötigte Energiemenge ergibt die Energiebilanz: Erzeugernutzwärmeabgabe: Q outg = 283,3 MWh (Berechnung DIN 18599) Kenndaten des KWK Moduls (mit Umrechnungsfaktor f HS/HI = 1,11 für Erdgas): Elektrischer Wirkungsgrad: η el = 0,30 (Herstellerangabe) Thermischer Wirkungsgrad: η th = 0,62 (Herstellerangabe) Nutzungsgrad, heizwertbezogen: η CHP,Hi = 0,92 (Herstellerangabe) Nutzungsgrad, brennwertbezogen: η CHP,Hs = 0,92 / 1,11 = 0,83 Stromkennzahl σ = 0,30 / 0,62 = 0,48 Der Deckungsanteil des BHKW ergibt sich aus der Planung: Deckungsanteil: κ = 0,70 (Planung) 17

18 5. Berechnungsbeispiel KWK Anlage DIN : Erdgasbetriebenes BHKW mit Erdgasspitzenlastkessel Für den erdgasbetriebenen Heizkessel als Spitzenlast Wärmeerzeuger ergibt die Energiebilanz nach DIN folgende Effizienzzahlen aus den Jahreswerten (mit Umrechnungsfaktor f HS/HI = 1,11 für Erdgas): Nutzungsgrad, heizwertbezogen: η HP,Hi = 0,990 (Berechnung DIN 18599) Nutzungsgrad, brennwertbezogen: η HP,Hs = 0,990 / 1,11 = 0,892 Es gibt kein zusätzliches Netz zwischen der Erzeugeranlage und dem Gebäude: Netznutzungsgrad: η HN = 1,000 18

19 5. Berechnungsbeispiel KWK Anlage DIN : Erdgasbetriebenes BHKW mit Erdgasspitzenlastkessel Die Berechnung der fehlenden einzelnen Energiekennwerte ergibt: Erzeugerwärmeabgabe BHKW Modul: Q outg,chp,a = 0, ,3 MWh/a / 1,00 = 198,3 MWh/a Stromproduktion BHKW Modul: Q f,prod,chp,a = 0,48 198,3 = 95,2 MWh/a Endenergie BHKW, brennwertbezogen Q f,chp,a = (198,3 + 95,2) MWh/a / 0,83 = 353,6 MWh/a Erzeugerwärmeabgabe Heizkessel: Q outg,hp,a = (1 0,700) 283,3 MWh/a / 1 = 85,0 MWh/a Endenergie Heizkessel, brennwertbezogen Q f,hp,a = 85,0 MWh/a / 0,892 = 95,3 MWh/a 19

20 5. Berechnungsbeispiel KWK Anlage DIN : Erdgasbetriebenes BHKW mit Erdgasspitzenlastkessel Berechnung der Endergebnisse nach Verfahren A Bilanzierung von Brennstoff und Strom Bilanzierung aller Anteile für Wärme und Strom. Die Stromproduktion der KWK Anlage wird bei der primärenergetischen Gesamtbilanz nach DIN berücksichtigt und dort als Gutschrift gewertet. Außerdem wird der Endenergiebedarf des Brennstoffs für die KWK Anlage und den Spitzenlast Wärmeerzeuger an den Teil 1 übergeben. Übergabegrößen an DIN V für die Gesamtbilanz: Stromproduktion BHKW Modul, zur Verrechnung als produzierte Energiemenge: Q f,prod,chp,a = 95,2 MWh/a Endenergie BHKW, brennwertbezogen: Q f,chp,a = 353,6 MWh/a Endenergie Heizkessel, brennwertbezogen: Q f,hp,a = 95,3 MWh/a 20

21 5. Berechnungsbeispiel KWK Anlage DIN : Erdgasbetriebenes BHKW mit Erdgasspitzenlastkessel Berechnung der Endergebnisse nach Verfahren B Wärme und Primärenergiefaktor Die gelieferte Wärme wird bilanziert und mit einem zu berechnenden Primärenergiefaktor gewichtet. Die Stromgutschrift erfolgt im Primärenergiefaktor. Primärenergiefaktoren der einzelnen Brennstoffe: Primärenergiefaktor elektrischer Strom: f P,Strom = 1,8 (DIN 18599/EnEV) Primärenergiefaktor Verdrängungsstrommix: f P,Strom = 2,8 (DIN 18599/EnEV) Primärenergiefaktor Erdgas H: f p = 1,1 (DIN 18599/EnEV) Primärenergiefaktor des Systems (heizwertbezogenen):, 1,, 1,, 1,1 1 0,7 0,99 1,1 1 0,48 0,7 2,8 0,48 0,7 0,63 0,92 21

22 5. Berechnungsbeispiel KWK Anlage DIN : Erdgasbetriebenes BHKW mit Erdgasspitzenlastkessel Primärenergetischer Vergleich der Verfahren A und B: Verfahren A: (mit Umrechnungsfaktor f HS/HI = 1,11 für Erdgas und den jeweiligen Primärenergiefaktoren der Energieträger): BHKW Spitzenlastkessel Strom Q p = 353,6 MWh/a 1,1/1, ,3 MWh/a 1,1/1,11 95,2 MWh/a 2,8 Q p = 178,3 MWh Verfahren B: (mit gewichteten und bewerteten Primärenergiefaktor) Q p = 283,3 MWh/a 0,63 Q p = 178,3 MWh 22

23 Grünberger Str Berlin Tel.: 030/ Fax.: 030/ berlin.de berlin.de Stefan Fürkus twitter.com/fuerkus 23