Energieeffizienz in der Industrie Energieeffiziente Gewerbegebiete

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1 Energieeffizienz in der Industrie Energieeffiziente Gewerbegebiete Eine Methodik zur Analyse und Optimierung realer Energiesysteme im Bestand 2014 Stadt Karlsruhe Liegenschaftsamt Abt. für Geoinformation Energy Science Technology Kongress 2015 Peter Fischer; Peter Hussinger, ICT Karlsruhe; Marco Braun, Markus Bohlayer, Hochschule Karlsruhe

2 Einleitung Energieziele des Europäischen Parlaments bis 2030 ( ) Reduktion der TH-Gase um 40% (Stand 2007) Erhöhung der der Energieerzeugung aus Erneuerbaren Energien um 30% Erhöhung der Energieeffizienz Die Energieeffizienz ist ein Maß für den Energieaufwand zur Erreichung eines festgelegten Nutzens. Besonders die Erhöhung der Energieeffizienz erfordert neue Strategien Ziel: Optimierung eines Industriegebietes als Verbund

3 Projekt zur Optimierung des Industrie-Verbundes Projektpartner A B Elektrische Versorgung und Erhöhung des regenerativen Anteils Thermische Versorgung und Abwärmenutzung im Verbund

4 Methodik Datensammlung Datenaufbereitung Modellierung Simulation Optimierung Sammlung der Verbrauchsdaten der Unternehmen Verbrauchsdaten zu stundengenauen Lastgängen aufbereiten Physikalische Modellierung der Energiesysteme Simulation der Energieströme über ein Jahr Modellierung und Simulation von alternativen Energiesystemen Aufdecken von Potenzialen eines Verbundenergiesystems Dimensionsoptimierung der Energieversorgungssysteme

5 Analyse des Energiebedarfes der Unternehmen Bestimmung des stündlichen Energiebedarfes des Gebäudebestandes Erzeugung thermischer Lastgänge aus Monatliche Abrechnungen Gebäudekennwerte, Wetterdaten Betriebszeiten Berechnung des stundengenauen thermischen Gebäudebedarfs Abgleich der synthetisch erzeugten Daten mit Monatsverbrauchswerten Grundlage für weitere Untersuchungen

6 Temperatur [ C] Wärmebedarf [W] Praxisbeispiel Energieeffiziente Gewerbegebiete Wärmebedarf eines Produktionsgebäudes [kw] Temperatur [ C] Wärmebedarf [W] Wärmebedarf Tag/Nacht [W] Residuallast [W] 40,0 35,0 30,0 25,0 20, ,0 10,0 5,0 0,0-5,0-10, Zeit [Monate]

7 Wärmebedarf [kwh/monat] Praxisbeispiel Energieeffiziente Gewerbegebiete Vergleich Ist-Gasverbrauch / Berechneter Wärmebedarf Produktion Metz Berechneter Wärmebedarf Ist- Gasverbrauch Zeit [Monate]

8 Wärmebedarf [kw] Praxisbeispiel Energieeffiziente Gewerbegebiete Wärmebedarf Verwaltungs- und Produktionsgebäude Wärmebedarf Verwaltung Wärmebedarf Produktion Zeit [Monate]

9 Praxisbeispiel Energieeffiziente Gewerbegebiete Teilsystem - Abwärmenutzung Druckluftkompressoren (Ist)

10 Wärmeleistung [kw] Praxisbeispiel Energieeffiziente Gewerbegebiete Abwärme Druckluftkompressoren (Potentialabschätzung) 600 Abwärme Druckluftkompressoren Betriebsintern genutzte Abwärme ungenutzte Abwärme Zeit [Monate]

11 Wärmeleistung [kw] Praxisbeispiel Energieeffiziente Gewerbegebiete Ungenutzte Abwärme >70 C (Prozessdampf+ Druckluftkompressoren) 900 Ungenutzte Abwärme Unternehmen 1 Ungenutze Abwärme Michelin Zeit [Monate] ~37% der gesamten Abwärme bleibt derzeit ungenutzt

12 Praxisbeispiel Energieeffiziente Gewerbegebiete Überbetriebliche direkte Abwärmenutzung: Stromversoger Stromtarif Frischluft Kompressor Druckluftnetz Druckluftbedarf Unternehmen 1 Fernwärmetarif 1 Wärmebedarf Unternehmen 1 Fernwärmeversorger Fernwärmetarif 2 Wärmebedarf Unternehmen 2

13 Wärmeleistung [kw] Ergebnisse Überbetrieblichen Abwärmenutzung: Ungenutze Abwärme (Michelin) und Wärmebedarf Druckerei (KIVBF) Ungenutze Abwärme Michelin Wärmebedarf KIVBF Druckerrei Zeit [Monate]

14 Ergebnisse Überbetriebliche Abwärmenutzung: Abwärme (von Michelin) betreibt Sorptionskälteanlage für Serverkühlung (bei KIVBF) Wärmerückgewinnung Prozessdampf Stromtarif 1 Kompressor Druckluftnetz Druckluftbedarf Fernwärmetarif 1 Fernwärmeversorger Fernwärmetarif 2 Speicher AKM Kältebedarf Stromversorger Stromtarif 2 Rückkühler KKM

15 Kälte- / Wärmeleistung [kw] Ergebnisse Überbetrieblichen Abwärmenutzung: Ungenutze Abwärme (Unternehmen 3) und Kältebedarf (Unternehmen 2) Ungenutze Abwärme Michelin Kältebedarf Serverkühlung Zeit [Monate]

16 Praxisbeispiel Energieeffiziente Gewerbegebiete Zusammenfassung Szenario Direkte Abwärmenutzung Indirekte Abwärmenutzung (400kW) Indirekte Abwärmenutzung (1000kW) Investitionskosten Ersparnis /a /a /a Kapitalwert Amortisationszeit 3,3 Jahre 4,4 Jahre 4,3 Jahre Energieeffizienzsteigerung 27 % (thermisch) 16 % (elektrisch) 20 % (elektrisch) im Zielbetrieb Energieeffizienzsteigerung 1,5% (thermisch) 0,8 % (elektrisch) 1 % (elektrisch) Gewerbegebiet 1 Betrachtungszeitraum 20 Jahre; Zinssatz 3 %

17 Praxisbeispiel Energieeffiziente Gewerbegebiete Betrachtungsweise für die elektrische Versorgung Verbund dreier Unternehmen Jahresverbrauch: 6,8 GWh Spitze 1,4 MW Auswahl, Dimensionierung und Optimierung der Energiequellen und -speicher

18 Vorgehen in der Simulation Variation von: P P P Einspeisevergütung Ct/kWh Stromkosten t t t Ct/kWh Gaskosten Ct/kWh PV Leistung kwp PV Batterie Wind BHKW Netz Batteriesystemkosten EUR/kWh Berechnung und Bewertung der kostengünstigsten Energieversorgung des Microgrid Weitere Annahmen Betrachtungszeitraum: 20 Jahre Zinssatz: 3 %

19 Thermische Last [kwh/d] Ergebnisse Sensitivitätsanalyse Sensitivitätsanalysen der Daten Netz Szenario: ohne Einspeisevergütung Erstellung einer Landkarte des optimalen Energiemixes Optimaler Energiemix bei Variation der elektrischen und thermischen Last für das betrachtete Gewerbegebiet Netz PV BHKW Wind BHKW Netz Wind PV BHKW Weitere Darstellungen für Variation der Eingangsparameter (Batteriespeicherkosten, EEG Vergütung etc.) Netz PV Netz Wind Netz Wind PV Wirtschaftlichkeitsgrenze BHKW 0 Elektrische Last [kwh/d] Elektrische Last [kwh/d]

20 Ergebnisse Szenarien im Verbund ohne EEG Förderung Randbedingungen: Zeitraum: 20 Jahre Zinssatz: 3 % Vergütung: 0 Ct/kWh 1,5 MW 500 kw 1,5 MW 500 kw 100 kw el. 100 kw el. 660 kwh 1,25 MW 100 kw el. 100 kw el. Szenario Optimal Batterie PV BHKW Investitionskosten 2,9 Mio 3,1 Mio. 1,8 Mio Ersparnis (Netzvers.) /Jahr /Jahr /Jahr /Jahr Kapitalwert stat. Amortisationszeit 9 Jahre 10 Jahre 10 Jahre 3 Jahre Autarkiegrad (elektr.) 41 % 42 % 26 % <1 % Eigenverbrauchsrate 86 % 87 % 98 % 100 % CO 2 Einsparung 33 % 34 % 15 % 5 %

21 Ausblick Weitere Forschungsziele Identifikation und Beseitigung von Hemmnissen und Informationsdefiziten bei der Umsetzung von überbetrieblichen Energieeffizienzmaßnahmen Entwicklung von Geschäftsmodellen für die überbetriebliche Energienutzung Gewährleistung von Versorgungs- und Abnahmesicherheit Faire Aufteilung der Investitionskosten und der Investitionsrückflüsse Einbezug von möglichen externen Akteuren (Stadtwerke, Energieversorgungsunternehmen, Versicherungsgesellschaften )

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