Blockheizkraftwerke (BHKW) Wann ist ihr Einsatz ökonomisch und ökologisch sinnvoll?

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1 Technische Universität München Blockheizkraftwerke (BHKW) Wann ist ihr Einsatz ökonomisch und ökologisch sinnvoll? , Vaterstetten Dr.-Ing. Peter Tzscheutschler

2 Arbeitsgebiete des Lehrstuhls Electricity Generation in TWh Excess Must-run Solar Wind - Offshore Wind - Onshore Water CHP Geothermal Biomass Oil Gas Turbine CCGT Hard Coal Hard Coal 700 C Energy Storage Renewable Energies 61186B11 Year existing infrastructure Power Transmission Network optimising build-up optimising operation Conventional Power Plants Lignite Lignite 700 C Nuclear 61201B11 Wärmespeichermanagement Energiesystemmodellierung Demandside- Management KW- Einsatzplanung Elektromobilität Mikro- KWK h TS P residual t 0 t 1 t 0 -Q TB t 1 T HS,Set T CHP,Supply T TS Energy Content Storage Capacity 2

3 Inhalt Technische Universität München Allgemeines zur Kraft-Wärme-Kopplung KWK Systeme zur Objektversorgung Erfahrungen mit Mikro- und Mini-BHKW-Systemen Sind BHKW wirtschaftlich? Sind BHKW ökologisch sinnvoll? Energiewirtschaftliche Integration der KWK Zusammenfassung und Ausblick

5 Was ist Kraft-Wärme-Kopplung? getrennte Erzeugung Kraft-Wärme-Kopplung 72 kwh S 120 kwh 48 kwh Kessel h th = 90 % Kraftwerk h el = 40 % 45586B06 65 kwh Wärme 25 kwh Strom BHKW h th = 65 % h el = 25 % 10 kwh Verluste 100 kwh 30 kwh Verluste 5

6 Leistungsbereiche der KWK Groß KWK Mehrere 100 MW el Kraftwerke mit Wärmeauskopplung (Fernwärme, Prozesswärme/-dampf) Klein-KWK Bis 2 MW el Blockheizkraftwerke (BHKW), Mikro-Gastrubinen, ORC Mini-KWK Bis 50 kw el BHKW, Brennstoffzellen, Mikro-Gastrubinen, ORC Mikro-KWK Bis ~2 kw el BHKW, Brennstoffzellen 6

7 Was sind Blockheizkraftwerke Blockheizkraftwerk Kompakte Anlage zur Erzeugung von Strom und Wärme Üblicherweise Otto-/Dieselmotor, Generator Nutzung der Motorabwärme (Kühlkreislauf, Abgas) 1 kw el kw el Bildquelle: Remeha Bildquelle: GE Jenbacher Gas Engines 7

8 Technologien im Bereich Mikro-/Mini-KWK Ottomotoren Leistungsbereich 1 kw el bis kw el Wirkungsgrad el % Stirling-Maschinen Leistungsbereich 1 kw el (bis 8 kw el ) Wirkungsgrad el % (35 %) Mikro-Gasturbinen Leistungsbereich 30 kw el bis 200 kw el (großtechnisch 340 MW el ) Wirkungsgrad el % (38 %) Organic-Rankine-Cycle Leistungsbereich 5 KW el (100 kw el bis ca. 10 MW el ) Wirkungsgrad el % Brennstoffzellen Leistungsbereich 0,7 kw el bis 300 kw el Wirkungsgrad el % 8

9 Inhalt Technische Universität München Allgemeines zur Kraft-Wärme-Kopplung KWK Systeme zur Objektversorgung Technologien Systemkomponenten Erfahrungen mit Mikro- und Mini-BHKW-Systemen Sind BHKW wirtschaftlich? Sind BHKW ökologisch sinnvoll? Energiewirtschaftliche Integration der KWK Zusammenfassung und Ausblick

10 Geräteübersicht Mini-KWK seit vielen Jahren auf dem Markt Marktführer: Senertec, Vaillant 4,7 bzw. 5,5 KW el, 12,5 kw th Wirkungsgrad 27% elektrisch, 92 % gesamt Weitere Hersteller: Kirsch, EC-Power, YANMAR, AISIN, Einsatz: größere Wohnhäuser, kleineres Gewerbe Bildquelle: Senertec Bildquelle: vaillant Bildquelle: Kirsch 10

11 Mikro-KWK Systeme 1 kw el Microgen Stirling Engine: 1 kw el, 5,3-5,8 kw th + Zusatzbrenner Wandhängendes Heizgerät Brötje EcoGen WGS 20.1 Remeha evita 25s Viessmann Vitotwin 300-W Mit integriertem Wärmespeicher Senertec Dachs Stirling SE Vaillant Ecopower 1.0 : 1 kw el, 2,5 kw th + Zusatzbrenner Honda Motor Einsatz: Ein-/Zweifamilienhäuser Bildquellen: Hersteller 11

12 Brennstoffzellen Mikro-KWK Systeme CALLUX Feldtest (800 Anlagen) Vaillant SOFC, 1 kw el, 2 kw th + Zusatzbrenner Hexis Galileo 1000 N SOFC, 1 kw el, 2 kw th + Zusatzbrenner Baxi Innotech GAMMA 1.0 PEM, 1 kw el, 1,7 kw th + Zusatzbrenner Ceramic Fuel Cells BlueGen SOFC, 1,5 kw el, 0,6 kw th + Zusatzbrenner Elcore 2400 PEM, 0,3 kw el, 0,6 kw th 12

14 Mikro- und Mini-KWK Feldversuche in Bayern Feldtest im Gebiet der Energie Südbayern im Zeitraum 2008 bis 2013 Messung von Systemen im realen Einsatz 4x Remeha evita (1 kw el, Stirling) 4x Vaillant ecopower 4.7 (4,7 kw el, Gasmotor) 4x OTAG Lion Powerblock (nicht mehr am Markt) 2x Viessmann Vitotwin 300-W (Viessmann Vitotwin 300-W) 1x Honda Ecowill (jetzt Vaillant ecopower 1.0) 4x Senertec Dachs (5,5 kw el, Gasmotor) 1x AISIN Marathon (4,6 kw el, Gasmotor) 15

15 Mikro-KWK Pilottest Bayern - Installation 16

16 Mikro-KWK - hydraulische Einbindung A: Kombispeicher T T Erdgas T Mikro BHKW Mikro-KWK- Anlage T Kombi-Speicher Heizkreis Stromnetz T T Frischwasser TUM IfE B-10 T T B: Warmwasserspeicher Heizkreis T T T Erdgas T T Mikro BHKW Mikro-KWK- Anlage Warmwasser- Speicher T Stromnetz T TUM IfE B-10 T 17

17 Leistung [kw] Leistung [kw] Wintertag Kombi -IfE T A = 1,3 C Erdgas BHKW Wärme BHKW Strom 0 00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 Time 00: Heizung Warmwasser Zirkulation 0 00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 Time 00:00 18

18 Leistung [kw] Leistung [kw] Wintertag, Warmwasserspeicher 25 T A = 1,3 C -IfE Erdgas BHKW Wärme BHKW Strom :00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 Time 00: Heizung Warmwasser Zirkulation 0 00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 Time 00:00 19

19 Leistung [kw] Leistung [kw] Übergangstag, Kombispeicher Erdgas BHKW Wärme BHKW Strom 0 00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 Time 00: Heizung Warmwasser Zirkulation 0 00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 Time 00:00 20

20 Leistung [kw] Leistung [kw] Übergangstag, Warmwasserspeicher Erdgas BHKW Wärme BHKW Strom 0 00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 Time 00: Heizung Warmwasser Zirkulation 0 00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 Time 00:00 21

21 Fazit der Feldtests Seriensysteme laufen sehr zuverlässig. Geplante Betriebsdauern wurden überwiegend erreicht Wärmespeicher hat erheblichen Einfluss auf den Anlagenbetrieb Heizungspufferspeicher reduziert die Anzahl der Betriebstakte Eigennutzung des KWK-Stroms schwankt stark: Minimal 20 % Maximal 95 % Anlagenparameter waren oft nicht an das Gebäude und das Nutzerverhalten angepasst Bei der Parametrisierung der Systeme besteht noch Potenzial für Verbesserungen 22

22 Inhalt Technische Universität München Allgemeines zur Kraft-Wärme-Kopplung KWK Systeme zur Objektversorgung Erfahrungen mit Mikro- und Mini-BHKW-Systemen Sind BHKW wirtschaftlich? KWK-Förderung Einflussfaktoren Auslegung Sind BHKW ökologisch sinnvoll? Energiewirtschaftliche Integration der KWK Zusammenfassung und Ausblick

23 Förderung der Kraft-Wärme-Kopplung 25 % KWK Stromerzeugung bis 2020 KRAFT- WÄRME- KOPPLUNG KWKG Förderprogram mµkwk EnWG EEG Strom Wärme EnEV EEWärmeG Wettbewerbsmarkt Erneuerbare Energien Bedarfsrückgang 24

24 KWKG Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz Ziel: Erhöhung der KWK-Stromerzeugung auf 25 % bis 2020 Gesetz gilt bis 2020, Gesamtförderung 750 Mio. /a Hocheffiziente Anlage im Sinne der Richtlinie 2004/8/EG BAFA Liste Verdrängungsverbot von Fernwärme Vorrangiger Anschluss und vorrangige Abnahme des Stroms KWK-Zuschlag: bis 50 kw el : 5,41 Ct/kWh el bis 250 kw el : 4,0 Ct/kWh el bis 2 MW el : 2,4 Ct/kWh el über 2 MW el : 1,8 bis 2,1 Ct/kWh el Laufzeit Vollbenutzungsstunden (bis 50 kw auch 10 Jahre) Bis 2 kw el auch vorgezogene Auszahlung Förderung von Wärme- und Kältenetzen und -speichern, 25

25 Einspeisevergütung für KWK-Strom Der Netzbetreiber muss KWK Strom zum üblichen Preis abnehmen. -> EEX KWK Index (mittlerer Baseload-Preis letztes Quartal) 8 7 ct/kwh] ,754 ct/kwh Quelle: EEX 26

26 Förderprogram mµkwk Marktanreizprogramm Mikro-KWK Investitionskostenzuschuss für Anlagen bis 20 kw el Anerkannte Anlagen Jahresnutzungsgrad > 85% Mindestgröße Speicher + intelligentes Speichermanagement Smart Meter Anschluss und definierte Schnittstelle für Leistungsvorgaben Neuerrichtung in Bestandsgebäude Keine Verdrängung von Nah- oder Fernwärme Hydraulischer Abgleich Umwälzpumpe nach Eneff.kl. A Wartungsvertrag verpflichtend Invest. Zuschuss [ ] Nennleistung [kw el ]

27 BHKW in der Objektversorgung? Heizöl- und Erdgaspreis $ Strompreis?

28 Jahresüberschuss/-defizit [ /a] Sensitivitätsanalyse Beispiel 5 kw el BHKW Ausnutzungsdauer (5.000 h/a) Investition ( ) Erdgaspreis (0,047 /kwh) Anteil Eigennutzung (70 %) Einspeisevergütung (0,037 /kwh) Strombezugspreis (0,22 /kwh % 80% 90% 100% 110% 120% 130% 29

29 Auslegung von Mikro-BHKW-Systemen Die Betriebsdauer sollte ca h/a erreichen Ausreichende Wärmenachfrage Eigengenutzter KWK Strom ist am wirtschaftlichsten Einspeisung ca. 4 ct/kwh Vergütung Strombezug ca. 22 ct/kwh Kosten (netto) Ausreichende Stromnachfrage Anlagenbetrieb bei Stromnachfrage Wärmespeicher einplanen Entkopplung Stromnachfrage von Wärmelieferung Voraussetzung: Ausreichend gute Kenntnis des Strom- und Wärmebedarfs 30

30 Kumulierte Einsparung Auslegung BHKW Beispiel Krankenhaus h/a Vollbenutzungsstunden, 85 % Stromeigennutzung => Amortisationszeit <4 Jahre In Anlehnung an: P. Ruepp, IB Duschl 31

32 CO 2 -Emissionen Kessel und 1kW el BHKW 14 CO 2 -Emissionen [t/a] TUM-IfE A % % -15 % -20 % -11 % -17 % BHKW Kessel Strombezug (Saldo) NT BW KWK NT BW KWK NT BW KWK System A System B System C Emissionsfaktor Strom: 580 g CO2 /kwh el. Erdgas: 205 g CO2 /kwh gas eingespeister Strom wird mit dem CO 2 -Faktor für bezogenen Strom bewertet, und ist im Anteil des Strombezugs enthalten Vergleich mit Niedertemperaturkessel (80% Nutzungsgrad) und Brennwertkessel (95% Nutzungsgrad) 33

33 Primärenergieaufwand Kessel und 1kW el BHKW 80 Primärenergieeinsatz [MWh/a] TUM-IfE A % BHKW % -13 % -19 % -10 % -15 % Kessel Strombezug (Saldo) NT BW KWK NT BW KWK NT BW KWK System A System B System C Primärenergie-Faktor Strom: 2,6 kwh PE /kwh el. Erdgas: 1,1 kwh PE /kwh gas eingespeister Strom wird mit dem PE-Faktor für bezogenen Strom bewertet, und ist im Anteil des Strombezugs enthalten Vergleich mit Niedertemperaturkessel (80% Nutzungsgrad) und Brennwertkessel (95% Nutzungsgrad) 34

34 CO 2 -Emissionen [t/a] Primärenergie [MWh/a] Primärenergie- und CO 2 -Bilanz (5 kw el BHKW) BHKW Brennwertkessel 0 BHKW Brennwertkessel Saldo Strombezug Gasbezug Kessel Gasbezug BHKW 35

36 Ziele des Bundesregierung % regenerativer Strom 14 % KWK-Anteil 35 % regenerativer Strom 25 % KWK-Anteil 80 % regenerativer Strom 80 % weniger Klimagas Emissionen 37

37 KWK Stromerzeugung [TWh/a] Erwartete KWK-Entwicklung in Deutschland Mikro KWK (< 10 kw el ) Nahwärme-KWK Fernwärme-KWK Industrie-KWK Source BMU 38

38 Stromproduktion [TWh] Studie Bayerische Stromversorgung im Jahr Jahresübersicht 50 % Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Quelle: Hamacher, Ahlhaus, Kandler

39 Vision Kommuniktion 40

40 Zusammenfassung Technische Universität München Mikro- und Mini-KWK-Systeme am Markt verfügbar Markteintritt von Brennstoffzellen-KWK In Praxistests gute Erfahrungen mit den Systemen Auslegung und Betrieb der Anlagen oft nicht optimal Auslegung und Einsatz des Speichers Anpassung der Betriebsparameter KWK-Systeme sind hocheffizient: Minderung der Klimagasemissionen Reduzierung des Primärenergiebedarfs (Ressourcenschonung) Zukünftig Integration in Smart-Grid, Smart-Home

41 Weitere Informationen zum Thema Informationsportale Offizielles

42 Fragen?! 43