IER. Vergleich zwischen Systemen der getrennten. Erzeugung von Strom und Wärme bei unterschiedlicher Bedarfsstruktur. Energiesysteme II - Übung

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1 Universität Stuttgart IER Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung Energiesysteme II - Übung Vergleich zwischen Systemen der getrennten und der gekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme bei unterschiedlicher Bedarfsstruktur. Musterlösung

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3 Inhalt I Inhalt 0 Vorbemerkung zu Aufgabe Energiebilanz (Aufgabe 1) Kombination Steinkohle-KW / Öl-Kessel Kombination Erdgas GuD-KW / Erdgas Brennwertkessel Kombination Erdgas BHKW / Spitzenkessel / GuD-KW Berechnung der CO 2 -Emissionen (Aufgabe 2) Haushalte Wohnsiedlung Versorgungsgebiet Graphische Darstellung der Gesamtnutzungsgrade (Aufgabe 3) Diskussion (Aufgabe 4) Änderung der Randbedingungen (Aufgabe 5) Vergleichskriterien (Aufgabe 6)...16

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5 Musterlösung KWK 1 0 Vorbemerkung zu Aufgabe 1 Kombination 1: Kohle-KW / Öl-Zentralheizung Öl η=0,83 Steinkohle η=0,39 Wärme Strom Kombination 2: Erdgas-GuD / Brennwertkessel Gas Kessel η=0,98 Wärme Gas GuD η=0,52 Strom Kombination 3: BHKW / Spitzenkessel / GuD-KW Gas BHKW η th =0,52 Kessel η=0,91 GuD η=0,52 BHKW η el =0,32 Nahwärmenetz Verteil. η=0,93 Strom Wärme

6 2 Musterlösung KWK Vorüberlegung: Ausgangspunkt für die Berechnung Strom oder Wärme? η η W Br * el el Stromkennzahl: σ = P = = Q Nutz W Br * th P η η el η el el, BHKW 0,32 BHKW-System: σ = = = = 0, 661 η * η 0,52 * 0,93 Q Nutz th, BHKW th Verteil Vergleich der einzelnen Versorgungsfälle mit der Stromkennzahl des BHKW-Systems unter Berücksichtigung der 2. Randbedingung (BHKW deckt max. 80% des Wärmebedarfs). Versorgungsfall Haushalte: Stromnachfrage/(Wärmenachfrage*0,8)=4,7/(0,8*18,8)=0,31 <σ BHKW Ausgangspunkt: Strom Versorgungsfall Wohnsiedlung: Stromnachfrage/(Wärmenachfrage*0,8)=1400/(0,8*2692)=0,65 <σ BHKW Ausgangspunkt: Strom Versorgungsfall Versorgungsgebiet: Stromnachfrage/(Wärmenachfrage*0,8)=6183/(0,8*6183)=1,25 >σ BHKW Ausgangspunkt: Wärme

7 Musterlösung KWK 3 1 Energiebilanz (Aufgabe 1) 1.1 Kombination Steinkohle-KW / Öl-Kessel Haushalte: Brennstoff Strom: 4,7 MWh/a / 0,39=12,05 MWh/a Steinkohle Wärme:18,8 MWh/a / 0,83=22,65 MWh/a Öl Nutzungsgrad η=(4,7+18,8) / (12,05+22,65)=0,677 Abbildung 1-1: Energiebilanz für die Versorgung der Haushalte mit Hilfe von Steinkohle und Öl Wohnsiedlung: Brennstoff Strom: 1400 MWh/a / 0,39=3590 MWh/a Steinkohle Wärme: 2692 MWh/a / 0,83=3243 MWh/a Öl Nutzungsgrad η=( ) / ( )=0,599

8 4 Musterlösung KWK Abbildung 1-2: Energiebilanz für die Versorgung der Wohnsiedlung mit Hilfe von Steinkohle und Öl Versorgungsgebiet: Brennstoff Strom: 6183 MWh/a / 0,39=15854 MWh/a Steinkohle Wärme: 6183 MWh/a / 0,83=7449 MWh/a Öl Nutzungsgrad η=( ) / ( )=0,531 Abbildung 1-3: Energiebilanz für die Versorgung des Versorgungsgebietes mit Hilfe von Steinkohle und Öl

9 Musterlösung KWK Kombination Erdgas GuD-KW / Erdgas Brennwertkessel Haushalte: Brennstoff Strom: 4,7 MWh/a / 0,52=9,04 MWh/a Erdgas Wärme:18,8 MWh/a / 0,98=19,18 MWh/a Erdgas Nutzungsgrad η=(4,7+18,8) / (9,04+19,18)=0,833 Abbildung 1-4: Energiebilanz für die Versorgung der Haushalte mit Hilfe der Brennwerttechnik und eines GuD-Kraftwerks Wohnsiedlung: Brennstoff Strom: 1400 MWh/a / 0,52=2692 MWh/a Erdgas Wärme: 2692 MWh/a / 0,98=2747 MWh/a Erdgas Nutzungsgrad η=( ) / ( )=0,752

10 6 Musterlösung KWK Abbildung 1-5: Energiebilanz für die Versorgung einer Wohnsiedlung mit Hilfe der Brennwerttechnik und eines GuD-Kraftwerks Versorgungsgebiet: Brennstoff Strom: 6183 MWh/a / 0,52=11890 MWh/a Erdgas Wärme: 6183 MWh/a / 0,98=6309 MWh/a Erdgas Nutzungsgrad η=( ) / ( )=0,679 Abbildung 1-6: Energiebilanz für die Versorgung eines Versorgungsgebietes mit Hilfe der Brennwerttechnik und eines GuD-Kraftwerks

11 Musterlösung KWK Kombination Erdgas BHKW / Spitzenkessel / GuD-KW Haushalte: (Ausgangspunkt: Strom) Brennstoff BHKW : 4,7 MWh/a / 0,32=14,7 MWh/a Erdgas Wärmebereitstellung BHKW : 14,7 MWh/a*0,52*0,93=7,1 MWh/a Brennstoff Spitzenkessel : (18,8-7,1) MWh/a / (0,91*0,93)=13,8 MWh/a Erdgas Nutzungsgrad η=(4,7+18,8) / (14,7+13,8)=0,824 Abbildung 1-7: Energiebilanz für die Versorgung der Haushalte mit Hilfe der gekoppelten Erzeugung Wohnsiedlung: (Ausgangspunkt: Strom) Brennstoff BHKW : 1400 MWh/a / 0,32=4375 MWh/a Erdgas Wärmebereitstellung BHKW : 4375 MWh/a*0,52*0,93=2115 MWh/a Brennstoff Spitzenkessel : ( ) MWh/a / (0,91*0,93)=682 MWh/a Erdgas Nutzungsgrad η=( ) / ( )=0,809

12 8 Musterlösung KWK Abbildung 1-8: Energiebilanz für die Versorgung einer Wohnsiedlung mit Hilfe der gekoppelten Erzeugung Versorgungsgebiet: (Ausgangspunkt: Wärme) Brennstoff BHKW : (0,8*6183 MWh/a) / (0,93*0,52)=10228 MWh/a Erdgas Strombereitstellung BHKW : MWh/a*0,32=3273 MWh/a Brennstoff GuD : ( ) MWh/a / 0,52=5596 MWh/a Erdgas Brennstoff Spitzenkessel : (0,2*6183) MWh/a / (0,91*0,93)=1461 MWh/a Erdgas Nutzungsgrad η=( ) / ( )=0,715

13 Musterlösung KWK 9 Abbildung 1-9: Energiebilanz für die Versorgung eines Versorgungsgebietes mit Hilfe der gekoppelten Erzeugung

14 10 Musterlösung KWK 2 Berechnung der CO 2 -Emissionen (Aufgabe 2) 2.1 Haushalte BHKW / Spitzenkessel / GuD: (14,7+13,8) MWh/a Erdgas*200 kgco 2 /MWh= 5700 kgco 2 /a = 100% GuD / Brennwertkessel: (9,04+19,18) MWh/a Erdgas*200 kgco 2 /MWh= 5644 kgco 2 /a = 99% Steinkohle-KW / Öl-Kessel: 12,05 MWh/a Steinkohle*330 kgco 2 /MWh= 3977 kgco 2 /a = 70% 22,65 MWh/a Öl*265 kgco 2 /MWh= 6002 kgco 2 /a = 105% Summe=( ) kgco 2 /a=175% 300 Emissionen, bezogen auf den Fall "BHKW" Steinkohle Öl Erdgas 0 BHKW Kohle-KW GuD Abbildung 2-1: CO 2 -Emissionen für den Versorgungsfall Haushalte

15 Musterlösung KWK Wohnsiedlung BHKW / Spitzenkessel / GuD: ( ) MWh/a Erdgas*200 kgco 2 /MWh= kgco 2 /a = 100% GuD / Brennwertkessel: ( ) MWh/a Erdgas*200 kgco 2 /MWh= kgco 2 /a = 107,5% Steinkohle-KW / Öl-Kessel: 3590 MWh/a Steinkohle*330 kgco 2 /MWh= kgco 2 /a = 117% 3243 MWh/a Öl*265 kgco 2 /MWh= kgco 2 /a = 85% Summe=( ) kgco 2 /a=202% 300 Emissionen, bezogen auf den Fall "BHKW" Steinkohle Öl Erdgas 0 BHKW Kohle-KW GuD Abbildung 2-2: CO 2 -Emissionen für den Versorgungsfall Wohnsiedlung

16 12 Musterlösung KWK 2.3 Versorgungsgebiet BHKW / Spitzenkessel / GuD: ( ) MWh/a Erdgas*200 kgco 2 /MWh= kgco 2 /a = 100% GuD / Brennwertkessel: ( ) MWh/a Erdgas*200 kgco 2 /MWh= kgco 2 /a = 105% Steinkohle-KW / Öl-Kessel: MWh/a Steinkohle*330 kgco 2 /MWh= kgco 2 /a = 151% MWh/a Öl*265 kgco 2 /MWh= kgco 2 /a = 57% Summe=( ) kgco 2 /a=208% 300 Emissionen, bezogen auf den Fall "BHKW" Steinkohle Öl Erdgas 0 BHKW Kohle-KW GuD Abbildung 2-3: CO 2 -Emissionen für den Versorgungsfall Versorgungsgebiet

17 Musterlösung KWK 13 3 Graphische Darstellung der Gesamtnutzungsgrade (Aufgabe 3) Die Abbildung 3-1 enthält auch die Lösungen der Aufgabe 5! 1 0,9 0,8 0,7 Gesamtnutzungsgrad 0,6 0,5 0,4 0,3 GuD Kohle-KW BHKW BHKW (5a) BHKW (5b) 0,2 0, ,25 0,5 0,75 1 1,25 Verhältnis Strom-/Wärmebedarf Abbildung 3-1: Darstellung der Gesamtnutzungsgrade in Abhängigkeit zum Verhältnis Strom- /Wärmebedarf

18 14 Musterlösung KWK 4 Diskussion (Aufgabe 4) Für den wirtschaftlichen Betrieb von KWK-Anlagen wie BHKWs sind möglichst hohe Vollaststunden notwendig. Betrachtet man die angenommene geordnete Jahresdauerlinie der Wärme (siehe Abbildung 4-1), so erkennt man, dass ein großer Teil der Wärme (schraffierte Fläche) schon mit einer relativ geringen installierten BHKW-Leistung abgedeckt werden kann. Da die spezifischen Investitionskosten ( /kw) für das BHKW höher sind als für einen Kessel, wird die installierte BHKW-Wärmeleistung geringer gewählt als die maximal benötigte Wärmeleistung. Die restliche Wärmeleistung, die nur an sehr wenigen Stunden im Jahr benötigt wird (siehe Abbildung 4-1), wird dann von einem Spitzenkessel bereitgestellt. Auf diese Weise können leicht bis zu 80% des Wärmebedarfs mit Hilfe des BHKWs bereitgestellt werden, ohne jedoch eine zu hohe BHKW-Leistung zu installieren. Das Kombination BHKW/Spitzenkessel ermöglicht dem BHKW eine hohe Vollaststundenzahl. P th t Abbildung 4-1: Geordnete Jahresdauerlinie des Wärmebedarfs (Annahme)

19 Musterlösung KWK 15 5 Änderung der Randbedingungen (Aufgabe 5) a) Das BHKW deckt 100% des Wärmebedarfs; Reststrom deckt die GuD-Anlage Wärmebedarf: 6183 MWh/a Brennstoff BHKW : 6183 MWh/a / (0,93*0,52)=12785 MWh/a Erdgas Strombereitstellung BHKW : MWh/a*0,32=4091 MWh/a Strombedarf: 6183 MWh/a Brennstoff GuD : ( ) MWh/a / 0,52=4023 MWh/a Erdgas Nutzungsgrad: η=( ) / ( )=0,735 b) Strom zu 100% aus dem BHKW Brennstoff BHKW : 6183 MWh/a / 0,32=19322 MWh/a Erdgas Nutzungsgrad: η=( ) / 19322=0,639

20 16 Musterlösung KWK 6 Vergleichskriterien (Aufgabe 6) Primärenergiebedarf Kosten Luftschadstoffe...