CO 2 -Emissionen und Energiekosten verschiedener Systeme der Kraft-Wärme- Kälte-Kopplung

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1 CO 2 -Emissionen und Energiekosten verschiedener Systeme der Kraft-Wärme- Kälte-Kopplung Oktober 2010 Prof. Dr. Bernd Biffar Hochschule Kempten

2 Inhalt 1. Einleitung 2. Referenzsysteme 3. CO 2 -Emissionen 4. Energiekosten 5. Zusammenfassung Prof. Dr.-Ing. Bernd Biffar 2

3 1 Einleitung Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) kann Primärenergiebedarf BRD reduzieren Beitrag zur Reduzierung der CO 2 -Problematik leisten Politik: Erhöhung des KWK-Stromanteils auf 25 % bis 2020 Kernthema: Wie kann Wärmenutzung KWK-Anlagen erhöht werden, so dass für Wirtschaftlichkeit ausreichende Volllaststundenzahl und damit Ausbau KWK erreicht wird? Ansatzpunkt: Wärmeerzeugung von KWK-Anlagen wird zur Herstellung von Kälte mit Absorptionskältemaschinen verwendet => Kraft- Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) Wärme- und Kältebedarf sind saisonal gegenläufig, KWKK kann Auslastung KWK-Anlage erhöhen Prof. Dr.-Ing. Bernd Biffar 3

4 1 Einleitung Prinzip der KWKK: Brennstoff Wärme KWK-Anlage Strom Spitzenlastkessel Kältemaschine Kälte Prof. Dr.-Ing. Bernd Biffar 4

5 1 Einleitung => Wie sinnvoll ist KWKK aus ökologischer und ökonomischer Sicht? Berechnung und Vergleich der CO 2 -Emissionen Energiekosten von KWKK-Anlagen und getrennter Versorgung mit Strom und Kälte Prof. Dr.-Ing. Bernd Biffar 5

6 1 Einleitung Berechnungsparameter: Technik elektrischer Nutzungsgrad KWK-Anlage thermischer Nutzungsgrad KWK-Anlage Nutzungsgrad Kessel Emissionsfaktor Stromerzeugung COP Kältemaschinen (E-Turbo, ein- und zweistufiger Absorber) Wirtschaftlichkeit Vollständige Parametervariation sehr Brennstoffpreis umfangreich => Definition Strompreis typischer Referenzsysteme und Berechnung von zwei Preisszenarien Prof. Dr.-Ing. Bernd Biffar 6

7 2 Referenzsysteme 1. Blockheizkraftwerk mit einstufiger Absorptionskältemaschine (AKM) Erdgas η el, BHKW 40 % η th, BHKW 45 % Spitzenlastkessel BHKW Strom η Spitzenlastkessel 90 % COP AKM 0,6 Wärme einstufige AKM Kälte Prof. Dr.-Ing. Bernd Biffar 7

8 2 Referenzsysteme 2. Gasturbinenanlage mit einstufiger Absorptionskältemaschine Erdgas η el, GT 30 % η th, GT 50 % Spitzenlastkessel Gasturbine Strom η Spitzenlastkessel 90 % COP AKM 0,6 Wärme zweistufige AKM Kälte Prof. Dr.-Ing. Bernd Biffar 8

9 2 Referenzsysteme 2. Gasturbinenanlage mit zweistufiger Absorptionskältemaschine Erdgas η el, GT 30 % η th, GT 50 % Spitzenlastkessel Gasturbine Strom η Spitzenlastkessel 90 % COP AKM 1,1 Wärme zweistufige AKM Kälte Prof. Dr.-Ing. Bernd Biffar 9

10 2 Referenzsysteme 3. Getrennte Versorgung mit Kompressionskältemaschine Strombezug Kompressionskältemaschine Kälte COP mäßige Kältemaschine = 3 COP gute Kältemaschine = 5 Prof. Dr.-Ing. Bernd Biffar 10

11 3 CO 2 -Emissionen 1. KWKK mit BHKW und einstufiger AKM versus getrennte Versorgung 495 kg CO kg CO 2 BHKW 2,5 MWh Erdgas 1 MWh el Strombezug 1,23 MWh el 1,13 MWh Wärme 0,23 MWh el einstufige AKM 0,68 MWh Kälte KKM COP = 3 Prof. Dr.-Ing. Bernd Biffar 11

12 3 CO 2 -Emissionen 1. KWKK mit BHKW und einstufiger AKM versus getrennte Versorgung 495 kg CO kg CO 2 BHKW 2,5 MWh Erdgas 1 MWh el Strombezug 1,14 MWh el 1,13 MWh Wärme 0,14 MWh el einstufige AKM 0,68 MWh Kälte KKM COP = 5 Prof. Dr.-Ing. Bernd Biffar 12

13 3 CO 2 -Emissionen 2. KWKK mit GT und einstufiger AKM versus getrennte Versorgung 660 kg CO kg CO 2 GT 3,3 MWh Erdgas 1 MWh el Strombezug 1,33 MWh el 1,67 MWh Wärme 0,33 MWh el einstufige AKM 1 MWh Kälte KKM COP = 3 Prof. Dr.-Ing. Bernd Biffar 13

14 3 CO 2 -Emissionen 2. KWKK mit GT und einstufiger AKM versus getrennte Versorgung 660 kg CO kg CO 2 GT 3,3 MWh Erdgas 1 MWh el Strombezug 1,2 MWh el 1,67 MWh Wärme 0,2 MWh el einstufige AKM 1 MWh Kälte KKM COP = 5 Prof. Dr.-Ing. Bernd Biffar 14

15 3 CO 2 -Emissionen 3. KWKK mit GT und zweistufiger AKM versus getrennte Versorgung 660 kg CO kg CO 2 GT 3,3 MWh Erdgas 1 MWh el Strombezug 1,61 MWh el 1,67 MWh Wärme 0,61 MWh el zweistufige AKM 1,83 MWh Kälte KKM COP = 3 Prof. Dr.-Ing. Bernd Biffar 15

16 3 CO 2 -Emissionen 3. KWKK mit GT und zweistufiger AKM versus getrennte Versorgung 660 kg CO kg CO 2 GT 3,3 MWh Erdgas 1 MWh el Strombezug 1,37 MWh el 1,67 MWh Wärme 0,37 MWh el zweistufige AKM 1,83 MWh Kälte KKM COP = 5 Prof. Dr.-Ing. Bernd Biffar 16

17 3 CO 2 -Emissionen Zusammenfassung der Berechnungsergebnisse: System BHKW/einstufige AKM GT/einstufige AKM GT/zweistufige AKM CO 2 -Emissionen KWKK 495 kg 660 kg COP KKM CO 2 -Emissionen getrennte Versorgung kg kg kg kg kg kg KWKK reduziert CO 2 -Emissionen (???) Prof. Dr.-Ing. Bernd Biffar 17

18 3 CO 2 -Emissionen Berechnung enthält Brennstoffeffekt: Erdgaseinsatz bei KWKK wird verglichen mit Brennstoffmix Stromerzeugung BRD => Elimination Brennstoffeffekt Verstromung des in KWK-Anlage eingesetzten Erdgases in GuD- Anlage => Emissionsfaktor Strombezug 400 g/kwh el statt 575 g/kwh el Prof. Dr.-Ing. Bernd Biffar 18

19 3 CO 2 -Emissionen Berechnungsergebnisse bei identischem Brennstoffeinsatz: System BHKW/einstufige AKM GT/einstufige AKM GT/zweistufige AKM CO 2 -Emissionen KWKK 495 kg 660 kg COP KKM CO 2 -Emissionen getrennte Versorgung kg kg kg kg kg kg Identischen Brennstoffeinsatz vorausgesetzt, trägt KWKK bei den betrachteten Systemen nicht zur CO 2 -Einsparung bei Prof. Dr.-Ing. Bernd Biffar 19

20 4 Energiekosten Keine Vollkostenrechnung für Anlagen, sondern Betrachtung von Energiekosten als wesentlichem Kostenparameter bestehender Anlagen => Entscheidungsbasis für Anlageneinsatzplanung Preisszenarien (Großabnehmer): Szenario Strompreis (a) in c/kwh el Gaspreis (b) in c/kwh Ho 1 11,0 3,5 2 8,5 2,0 (a) inkl. EEG-/KWK-Umlage, Stromsteuer (b) ohne Ökosteuer (Annahme: vollständige Rückerstattung für KWK) Prof. Dr.-Ing. Bernd Biffar 20

21 4 Energiekosten Grenzfallbetrachtung Anlagenbetreiber: Mit Brennstoffeinsatz wird Stromeinkauf vermieden, Wärmeabsatz muss mindestens Differenz zwischen Brennstoff- und Strombezugskosten erbringen => minimaler Wärmepreis minimaler Wärmepreis < 0 => KWK-Anlage ist schon durch Stromerzeugung wirtschaftlich, zusätzlicher Wärmeabsatz durch Kälteerzeugung in KWKK verbessert Wirtschaftlichkeit Preisszenario BHKW GT Stromkosten in c/kwh el 11,0 8,5 11,0 8,5 Brennstoffkosten für Erzeugung 1 kwh el in c 9,6 5,5 12,8 7,3 Minimaler Wärmepreis in c/kwh th < 0 < 0 1,1 < 0 Prof. Dr.-Ing. Bernd Biffar 21

22 4 Energiekosten minimaler Wärmepreis < 0 mit einer Ausnahme: 1,1 c/kwh th für KWKK mit Gasturbinenanlage und Preisszenario 1, daraus resultiert Preis Kälteerzeugung mit einstufiger AKM: 18 /MWh Kälte Preis Kälteerzeugung mit zweistufiger AKM: 10 /MWh Kälte Preis für Kälte, die aus bezogenem Strom erzeugt wird bei COP = 3: 37 /MWh Kälte bei COP = 5: 22 /MWh Kälte => In allen betrachteten Szenarien sind die Energiekosten für Kälteerzeugung in KWKK geringer als für Strombezug und Kälteerzeugung mit KKM (nicht pauschal verallgemeinerbar!) Prof. Dr.-Ing. Bernd Biffar 22

23 5 Zusammenfassung Kälteerzeugung aus Wärme kann durch Erhöhung des Wärmeabsatzes von KWK-Anlagen deren Zubau ermöglichen CO 2 -Emissionen der KWKK Verwendung Emissionsfaktor Strommix BRD => Reduzierung der globalen CO 2 -Emissionen, beinhaltet Brennstoffeffekt Systemvergleich mit identischem Brennstoff Erdgas => Erhöhung der globalen CO 2 -Emissionen Energiekosten Bei betrachteten Preisszenarien ist KWKK wirtschaftlich, sie kann abhängig von aktueller Preissituation auch unwirtschaftlich sein => kontinuierliche Analyse der Betriebskosten erforderlich Berechnungen beinhalten nur Energiekosten Anlageneinsatzoptimierung => für Investitionsentscheidung müssen Kapitalkosten berücksichtigt werden Prof. Dr.-Ing. Bernd Biffar 23

24 CO 2 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit gibt es Fragen? Prof. Dr.-Ing. Bernd Biffar 24

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