Bestimmung spezifischer CO 2 - Emissionsfaktoren für die Fernwärme

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1 Headline Bestimmung spezifischer CO 2 - Emissionsfaktoren für die Fernwärme speziell KWK-Prozesse Ullrich Müller Frankfurt am Main Berliner Energietage 2016 Praxis Wohnungswirtschaft: CO2-Emissionen, Bilanzierung, Monitoring, Strategien AGFW Der Energieeffizienzverband für Wärme, Kälte und KWK e. V.

2 Bilanzgrenze Bilanzgrenze Bilanzierung eines Wärmenetzes Wärmenetzeinspeisung 1,111 Wärmenetzausspeisung 1,000 Heizwerk Wirkungsgrad η = 1 / 1,111 η = 0,90 Wärmenetz Energiebedarfszahl e = 1,111 / 1 e = 1,111 H = 1 kwh Pumpstrom AGFW Der Donnerstag, Energieeffizienzverband 20. Dezember 2012 für Wärme, Kälte und KWK e. V. Seite 2

3 Bilanzgrenze Aufteilung des Wärmebedarfs auf Erzeugungsanlagen und Hilfsenergie Energieeinsatz 1,386 Wärmenetzeinspeisung 1,111 Wärmenetzausspeisung 1,000 F HW 1,375 η = 0,800 e = 1,250 H WE-HW = 1,111 0,011 : = 1,100 Heizwerk H WE = 1,111 Wärmenetz H = 1 E HE 0,011 0,010 Pumpstrom H WE-HE = 0,010 X 1,111 : = 0,011 AGFW Der Donnerstag, Energieeffizienzverband 20. Dezember 2012 für Wärme, Kälte und KWK e. V. Seite 3

4 Bilanzierung der Erzeugungsanlagen und CO 2 -Emissionen Brennstoff CO 2 -Emmission Brennstoffenergie Wärmenetzeinspeisung Heizöl 20 % Erdgas 80 % CO 2 in kg/kwh 0,267 CO 2 in kg/kwh 0,202 F HW 1,375 1,111 0,011 η = 0,800 e = 1,250 Heizwerk H WE = 1,111 H WE-HW = 1,10 Wärmenetz Strom CO 2 in kg/kwh 0,361 E HE 0,011 0,010 H WE-HE = 0,011 Pumpstrom 0,010 X 1,111 AGFW Der Donnerstag, Energieeffizienzverband 20. Dezember 2012 für Wärme, Kälte und KWK e. V. Seite 4

5 Spezifischer Brennstoffeinsatz und spezifische CO 2 -Emissionen Wärme- Energie- Wärme- Hilfs- Hilfsnetzaus- bedarfs- netzein- energie- energiespeisung zahl WN speisung anteil WN bedarf kwh kwh/kwh kwh kwh/kwh kwh (1) (2) (3)=(1)X(2) (4) (5)=(3)X(4) 1,000 1,111 1,111 0,010 0,011 (6) Wärmenetzeinspeisung Hilfsenergie 1,2% 0,011 Wärmenetzeinspeisung 99,0% 1,100 Summe Wärmenetzeinspeisung 1,111 Brenn- Wärme- Energie- Energie- Emissions- CO 2 - stoff netzein- bedarfs- Einsatz faktor Emission Anteile speisung zahl CO 2 kwh kwh/kwh kwh kg / kwh kg (7) (8) =(6)X(7) (9) (10)=(8)X(9) (11) (12)=(10)X(11) Hilfsenergie 0,011 1,000 0,011 0,361 0,004 Erdgas 80% 0,880 1,250 1,100 0,202 0,222 Heizöl 20% 0,220 1,250 0,275 0,267 0,073 1,111 1,386 0,300 AGFW Der Donnerstag, Energieeffizienzverband 20. Dezember 2012 für Wärme, Kälte und KWK e. V. Seite 5

6 Auskopplung von Wärme aus einer Stromerzeugungsanlage (Bilanzgrenze und Mess-Stellen) AGFW Der Donnerstag, Energieeffizienzverband 20. Dezember 2012 für Wärme, Kälte und KWK e. V. Seite 6

7 Auskopplung von Wärme aus einer Stromerzeugungsanlage (Stromverlust und Nutzungsgrad) Ohne Wärmeauskopplung Mit Wärmeauskopplung EK-DT ζ KWK AGFW Der Donnerstag, Energieeffizienzverband 20. Dezember 2012 für Wärme, Kälte und KWK e. V. Seite 7

8 Bilanzierung einer KWK-Anlage (Vergleich zweier Betriebszustände) L 1 = 0,140 L 1 = 0,140 E = 0,420 E = 0,323 η Kond = 0,420 η Kond = 0,420 ζ KWK = 0,860 0% 0,537 ζ KWK = 0, % 0,537 F = 1,000 β = 0,180 H KWK-0 = 0,000 F = 1,000 β = 0,180 H KWK-1 = 0,537 σ KWK = 0,603 σ KWK = 0,603 ε H-KWK = 0,429 L 2 = 0,440 ε H-KWK = 0,429 L 2 = 0,000 Energiebilanz ohne Wärmeauskopplung in MW Energiebilanz mit Wärmeauskopplung in MW Brennstoff F = 1,000 Brennstoff F KWK = 1,000 Strom E = 0,420 Strom E KWK = 0,323 Wärmeauskopplung H KWK-0 = 0,000 Wärmeauskopplung H KWK-1 = 0,537 Verluste [ L 1 + L 2 ] L = 0,580 Verluste [ L 1 + L 2 ] L KWK = 0,140 AGFW Der Donnerstag, Energieeffizienzverband 20. Dezember 2012 für Wärme, Kälte und KWK e. V. Seite 8

9 Kennzahlen des KWK-Prozesses in einer KWK-Anlage Kennzahlen Wirkungsgrad der Stromerzeugung η E = E / F 0,420 Energiebedarfszahl der Stromerzeugung e E = F / E ( = 1 / η E ) 2,381 KWK-Nutzungsgrad η E-KWK = E KWK-P / F KWK-P 0,323 η H-KWK = H KWK-P / F KWK-P 0,537 ζ KWK = η E-KWK + η H-KWK 0,860 ζ KWK = [ E KWK-P + H KWK-P ] / F KWK-P 0,860 Stromverlustkennzahl β = [F KWK-P η E - E KWK-P ] / H KWK-P 0,180 β = ε H-KWK η E 0,180 Stromkennzahl σ KWK = E KWK / H KWK 0,603 σ KWK = ( η E - β ζ KWK ) / (ζ KWK - η E ) 0,603 Energiebedarfszahl der ausgekoppelten Wärme e H-KWK = [ F KWK-P - E KWK-P / η E ] / H KWK-P 0,429 e H-KWK = β / η E 0,429 AGFW Der Donnerstag, Energieeffizienzverband 20. Dezember 2012 für Wärme, Kälte und KWK e. V. Seite 9

10 Bilanzierung der Erzeugungsanlagen und CO 2 -Emissionen Brennstoff CO 2 -Emmission Brennstoffenergie Wärmenetzeinspeisung Biomasse 10 % CO 2 in kg/kwh 0,000 1,111 0,011 e E = 2,381 Steinkohle 80 % CO 2 in kg/kwh 0,346 F H-KWK 0,472 e H-KWK = 0,429 KWK H WE = 1,111 H WE-KWK = 1,100 Wärmenetz Strom CO 2 in kg/kwh 0,824 E HE 0,011 0,010 H WE-HE = 0,011 Pumpstrom 0,010 X 1,111 AGFW Der Donnerstag, Energieeffizienzverband 20. Dezember 2012 für Wärme, Kälte und KWK e. V. Seite 10

11 Spezifischer Brennstoffeinsatz und spezifische CO 2 -Emissionen Wärme- Energie- Wärme- Hilfs- Hilfsnetzaus- bedarfs- netzein- energie- energiespeisung zahl WN speisung anteil WN bedarf kwh kwh kwh kwh/kwh kwh (1) (2) (3)=(1)X(2) (4) (5)=(3)X(4) 1,000 1,111 1,111 0,010 0,011 (6) Wärmenetzeinspeisung Hilfsenergie 1,2% 0,011 Wärmenetzeinspeisung 99,0% 1,100 Summe Wärmenetzeinspeisung 1,111 Brenn- Wärme- Energie- Energie- Emissions- CO 2 - stoff netzein- bedarfs- Einsatz faktor Emission Anteile speisung zahl CO 2 kwh kwh kwh kg / kwh kg (7) (8) =(6)X(7) (9) (10)=(8)X(9) (11) (12)=(10)X(11) Hilfsenergie 0,011 1,000 0,011 0,824 0,009 Biomasse 10% 0,110 0,429 0,047 0,000 0,000 Steinkohle 90% 0,990 0,429 0,425 0,346 0,147 1,111 0,483 0,156 AGFW Der Donnerstag, Energieeffizienzverband 20. Dezember 2012 für Wärme, Kälte und KWK e. V. Seite 11

12 Stromerzeugung mit und ohne Stromverlust (wärmegeführte Anlagen) AGFW Der Donnerstag, Energieeffizienzverband 20. Dezember 2012 für Wärme, Kälte und KWK e. V. Seite 12

13 Nicolas Léonard Sadi Carnot ( ) Quelle: 2.phys.uaf.edu/webproj/212_spring_2014/Devante_Owens/ Devante_Owens/Slides/Homepage.html AGFW Der Donnerstag, Energieeffizienzverband 20. Dezember 2012 für Wärme, Kälte und KWK e. V. Seite 13

14 Dampf entspannen Temperatur und Entropie (Kreisprozess) Wasser verdampfen Dampf kondensieren AGFW Der Donnerstag, Energieeffizienzverband 20. Dezember 2012 für Wärme, Kälte und KWK e. V. Seite 14

15 vereinfacht nach Carnot Nicolas Léonard Sadi Carnot ( ) t m1 t m2 t U AGFW Der Donnerstag, Energieeffizienzverband 20. Dezember 2012 für Wärme, Kälte und KWK e. V. Seite 15

16 Dampfnetze: Wieviel Strom könnte man maximal noch mit dem ausgekoppelten Dampf erzeugen? Dampfnetze Umgebung Sättigung Indices U S Temperatur t C 10 C 105 C Temperatur T Kelvin 283 K 378 K T U η C = 1 - ; 0,251 = 1 - T S 283 K 378 K β C = η C E C = E KWK + H KWK X β C e E-C = E C / F KWK e H-KWK-C = β C X e E-C AGFW Der Donnerstag, Energieeffizienzverband 20. Dezember 2012 für Wärme, Kälte und KWK e. V. Seite 16

17 Wassernetze: Wieviel Strom könnte man maximal noch mit der ausgekoppelten Wärme erzeugen? Wassernetze Umgebungs- Vorlauf Rücklauf Mittel Indices U V R m Temperatur t C 10 C 100 C 60 C 80 C Temperatur T Kelvin 283 K 373 K 333 K 353 K T m = (T V + T R ) 2 ;353 K = ( ) 2 T U η C = 1 - ; 0,198 = 1 - T m 283 K 353 K β C = η C AGFW Der Donnerstag, Energieeffizienzverband 20. Dezember 2012 für Wärme, Kälte und KWK e. V. Seite 17

18 Bilanzierung der KWK-Anlage L 1 = 0,140 L 1 = 0,140 η Kond = 0,420 E = 0,323 η Kond = 0,420 E = 0,323 η E = 0,323 η E = 0,323 ζ KWK = 0,860 0% 0,537 ζ KWK = 0, % 0,537 F = 1,000 β = 0,180 H KWK = 0,000 F = 1,000 β = 0,180 H KWK = 0,537 σ KWK = 0,603 σ KWK = 0,603 ε H-KWK = 0,429 L 2 = 0,537 ε H-KWK = 0,429 L 2 = 0,000 Energiebilanz ohne Wärmeauskopplung in MW Energiebilanz mit Wärmeauskopplung in MW Brennstoff F = 1,000 Brennstoff F KWK = 1,000 Strom E = 0,323 Strom E KWK = 0,323 Wärmeauskopplung H KWK-0 = 0,000 Wärmeauskopplung H KWK-1 = 0,537 Verluste [ L 1 + L 2 ] L = 0,677 Verluste [ L 1 + L 2 ] L KWK = 0,140 E C = 0,537 X 0, ,323 : = 0,429 e E-C = 1 / 0,429 e E-C = 2,329 0,198 / 0,429 = 0,461 e H-KWK-C = 0,461 AGFW Der Donnerstag, Energieeffizienzverband 20. Dezember 2012 für Wärme, Kälte und KWK e. V. Seite 18

19 Ergebnisse nach Carnot und zum Vergleich nach Arbeitswert Brenn- Wärme- Energie- Energie- Emissions- CO 2 - stoff netzein- bedarfs- Einsatz faktor Emission Anteile speisung zahl CO 2 kwh kwh/kwh kwh kg / kwh kg (7) (8) =(6)X(7) (9) (10)=(8)X(9) (11) (12)=(10)X(11) Hilfsenergie 0,011 1,000 0,011 0,824 0,009 Biomasse 10% 0,110 0,461 0,051 0,000 0,000 Steinkohle 90% 0,990 0,461 0,456 0,346 0,158 1,111 0,518 0,167 Zum Vergleich: EK-DT Arbeitswert Brenn- Wärme- Energie- Energie- Emissions- CO 2 - stoff netzein- bedarfs- Einsatz faktor Emission Anteile speisung zahl CO 2 kwh kwh/kwh kwh kg / kwh kg (7) (8) =(6)X(7) (9) (10)=(8)X(9) (11) (12)=(10)X(11) Hilfsenergie 0% 0,011 1,000 0,011 0,824 0,009 Biomasse 10% 0,110 0,429 0,047 0,000 0,000 Steinkohle 90% 0,990 0,429 0,425 0,346 0,147 1,111 0,483 0,156 AGFW Der Donnerstag, Energieeffizienzverband 20. Dezember 2012 für Wärme, Kälte und KWK e. V. Seite 19

20 Zusammenfassung CO 2 - Emission spez. CO 2 - Emissionen Energieumwandlung Wärmenetzausspeisung Wärmenetzeinspeisung E HE1 0,004 f HE1 = 0,361 e HE = 0,010 e WN = 1,111 E HE1 0,009 f HE2 = 0,824 E HW-EG 0,278 f EG = 0,202 e HW = 1,250 E HW-HEL 0,367 f HEL = 0,267 f BM = 0,000 e KWK = 0,429 E H-KWK-SK 0,163 f SK = 0,346 e KWK-C = 0,461 E H-KWK-SK-C 0,167 F HE 0,011 H WE 1,111 H WA 1,000 F HW 1,375 F H-KWK 0,472 F H-KWK-C 0,507 AGFW Der Donnerstag, Energieeffizienzverband 20. Dezember 2012 für Wärme, Kälte und KWK e. V. Seite 20