Nutzung der ORC-Technologie in Blockheizkraftwerken

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1 Nutzung der ORC-Technologie in Blockheizkraftwerken Kassel, Dipl.-Ing. Daniel Depta umwelttechnik & ingenieure GmbH Tel:

2 Folie 1

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4 starkes Wachstum der Strom- und Wärmebereitstellung durch regenerative Energieformen seit Mitte der 90er Jahre Daraus folgt: Stärkere Belastung des Übertragungsnetztes durch schwankendes Stromangebot Zubau von Ausgleichskapazitäten beruhend auf fossil befeuerten Kraftwerken Distribution von Brennstoffen (z. B. Biomasse) zu dezentralen Orten Relativ hohe wirtschaftliche Sicherheit Optimierungspotenziale identifizieren und bei bestehende Anlagen basierend auf regenerativen Energieformen anwenden. --> Für BHKW folgt: verstärkte Nutzung der Abwärme Folie 3

5 Folie 4

6 Entwicklung der Anlagenanzahl von Jahr Anzahl Biogasanlagen Leistung MW MW MW MW Thermische und elektrische Wirkungsgrade von BHKW elektrischer Leistung in kw elektrischer Wirkungsgrad thermischer Wirkungsgrad 30,0 kw 32% 52% 100,0 kw 32% 52% 500,0 kw 38% 43% 1000,0 kw 40% 43% 2000,0 kw 41% 43% Folie 5

7 Die überwiegende Nutzung von Biogas in BHKW erfolgt mittels Zündstrahl- und Gas-Otto Motoren. Anteil von Gas-Otto Motoren liegt bei 60 %. Stromproduktion im Jahr 2007: GWh 1,43 % des Jahresstromverbrauchs in Deutschland Geschätzt GWh Genutzte Wärmemenge im Jahr 2007: GWh Der KWK-Bonus wird von 52,5 % der Betreiber erhalten Quelle: Institut für Energetik und Umwelt GmbH, Leipzig Folie 6

8 Entwicklung der Anlagengröße von Biogas-BHKW kw % Anlagen Anlagen größer 500 kw el Stück. Quelle: Institut für Energetik und Umwelt GmbH, Leipzig Folie 7

9 (3) ORC Technologie zur Nutzung der Abwärme eines BHKW a) Einbindung in ein BHKW b) Gesamtpotenzial für Deutschland Folie 8

10 Analog zum GuD-Kraftwerk Nutzung der Abwärme eines BHKW zur weiteren Stromproduktion mittels eines Dampfkraftprozess. Oraganic- Rankine- Cycle nutzt an Stelle von Wasser niedrig siedende Fluide: - Silikonöle - Kohlenwasserstoffe - Kältemittel Eignung für Wärmequellen mit niedrigen Temperaturniveau Folie 9

11 Einfacher ORC - Prozess Abwärme aus BHKW Arbeitsfluid BHKW ORC-Turbine Generator G Strom Verdampfer Kühlmedium G Generator Strom Vorwärmer Kondensator Speisepumpe Abgas Folie 10

12 Thermischer Wirkungsgrad eines reversiblen ORC-Kreislaufes in Abhängigkeit von der Temperatur der Abwärme 70,00% Max. thermischer Wirkungsgrad Carnot Wirkungsgrad 60,00% 50,00% Abgasbereich eines BHKW 40,00% 30,00% 20,00% T H ln 1 T L c T H 1 T L 10,00% 0,00% T b, in (Temperatur Wärmequelle C) ( Wärmesenke: T = 25 C und unendliche Wärmekapazität. Durchgezogene Linie: Unendliche Wärmekapzität (Carnot). Gestrichelte Linie: Begrenzte Wärmekapazität.) Folie 11

13 Sankey Diagramm des technisch kleinst möglichen BHKW für die Nutzung eines ORC-Moduls 34 % Strom 102 kw Strom 100 % Biogas 16 % Verluste 300 kw Biogas 48 kw Verluste 50 % Wärme 150 kw Wärme ORC 16,5 % Strom ORC 25 kw Strom 82 % Wärme 125 kw Strom Folie 12

14 Potenzial für die zusätzliche Stromerzeugung bei unterschiedlich großen BHKW elektrische Leistung BHKW elektrische Leistung ORC elektrische Leistung [kw] kw 300 kw 500 kw 1000 kw 2000 kw BHKW Größe ca BHKW können mit ORC Technologie erweitert werden. dies entspricht in etwa 50 MW el Folie 13

15 (3) ORC Technologie zur Nutzung der Abwärme eines BHKW a) Einbindung in ein BHKW b) Gesamtpotenzial für Deutschland Folie 14

16 geringe Stückzahlen von ORC Modulen führen zu rel. hohen spez. Investitionskosten. Die Investition setzt sich zusammen aus: ORC- Modul (evtl. Thermoölwärmetauscher) Verbindung ORC Modul mit BHKW Motor Erweiterung Fundamente/ Umbauung Investitionskosten für die Aufrüstung von BHKW Anlagengröße 25 kw el 100 kw el 300 kw el spez. ORC Turbine /kw /kw /kw spez. Anlagentechnik /kw /kw /kw spez. Bauteil 250 /kw 200 /kw 200 /kw spez. Invest-Summe /kw /kw /kw Gesamtsumme Folie 15

17 Vergütung durch das EEG Anlagengröße < 150 kw < 500 kw < 5 MW < 20 MW Vergütung 11,67 c/kwh 9,18 c/kwh 8,25 c/kwh 7,79 c/kwh Biogas Bonus 1 c/kwh 1 c/kwh - - NaWaRo Bonus Biogas 7 c/kwh 7 c/kwh 4 c/kwh 4 c/kwh Technologiebonus 2 c/kwh 2 c/kwh 2 c/kwh - Maximale Vergütung 21,67 c/kwh 19,18 c/kwh 14,25 c/kwh 11,79 c/kwh Für den Anspruch auf den Technologiebonus muss ein elektrischer Wirkungsgrad von min. 45 % erreicht werden. wird bei sehr kleinen Anlage nicht erreicht. Unklarheit im EEG bzgl. ORC - Technik Folie 16

18 Betriebskosten Posten Wert Einheit 100 kw el 25 kw el 500 kw el 100 kw el kw el 300 kw el Einheit Betriebsstunden h/a Stromeigenbedarf 20 % kw Strommenge BHKW MWh/a Strommenge ORC MWh/a Eigenstrombedarf MWh/a Gesamtstrommenge MWh/a Investition Zins 7 % Nutzungsdauer 20 Jahre Annuitätsfaktor - - 0,0944 0,0944 0, Annuität /a Stromkosten 12 ct/kwh /a Instandhaltung 1,5 % /a Versicherung 0,5 % /a Verwaltung 1,5 % /a Betriebskosten /a Folie 17

19 Einnahmensituation Grundvergütung 11,67/ 9,18 ct/kwh /a Biogas Bonus 1 ct/kwh /a NaWaRo Bonus 7 ct/kwh /a Technologiebonus 2 ct/kwh /a Erlöse mit TB 21,67 ct/kwh /a Erlöse ohne TB 19,67 ct/kwh /a Gewinn mit TB /a Gewinn ohne TB /a Rendite 4,8 8,7 / 11,3 10,4 / 13,4 % Folie 18

20 Wenn kein Wärmeabnehmer am Standort ist, bietet die ORC- Technologie ein Alternative zur Effiziensteigerung der Biogasnutzung Je größer das ORC-Modul, desto besser stellt sich die Erlössituation dar. Modulgrößen kleiner 100 kw el lassen sich wirtschaftlich derzeit nicht einsetzen. Darüber hinaus ist der Einsatz von ORC-Modulen zu Erhöhung der Strommenge eine sinnvolle Option. Unklarheiten bzgl. des Technologiebonus. Senkung der hohen spezifischen Investitionskosten lassen sich mit höheren Stückzahlen von ORC Modulen senken Folie 19

21 umwelttechnik & ingenieure GmbH Wöhlerstraße 42, Hannover Tel.: 0511/ Folie 20

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