ist KWKK das neue Patentrezept? Bioenergiekolloquium

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1 Strom, Wärme W und Kälte K ist KWKK das neue Patentrezept? Bioenergiekolloquium Stuttgart, Dr.-Ing. Joachim Fischer IGW Seite 1 Brennstoffbereitstellung Energieerzeugung Energieabnahme Quelle: Leitfaden Bioenergie, FNR, 005 Seite 1

2 Wer liefert Brennstoff Wer investiert Wer betreibt die Anlage Wer nimmt die Energie ab? Brennstoffbereitstellung Energieerzeugung Energieabnahme Wie sieht Brennstoffkette aus Brennstoff kosten Technisches Konzept Energie erzeugung Kosten Energie erzeugung Technische Konzept Energie verteilung Kosten Energie verteilung Quelle: Leitfaden Bioenergie, FNR, 005 Seite 3 Gesamtkonzept für ein Bio-HKW Biomasse Brennstofflogistik Energieumwandlung Biomasse-Heizkraftwerk Energiebedarf Kunden Durchforstungsholz Industrieholz Papierholz Gewerbe und Industrie: Dampf Fernwärme Kälte mobiler Hacker mit Kranbeschickung stationärer Hacker Feinstfilter Turbine u. Generator Strom 40 m³ einheitliche Container Holzhackschnitzel Asche G 3~ Wärme Kälte Krankenhaus: Fernwärme Kälte C Reste aus der Holzver- und Holzbearbeitung Siedlung / Verwaltung: Fernwärme Seite 4

3 In g e n ie u rg e m e in s c h a ft W itz e n h a u s e n F ric ke & T u rk G mb H Vergütung für Strom aus Biomasse nach EEG Grundvergütung, c/kwh Technologiebonus, c/kwh KWK-Bonus, c/kwh Brennstoffbonus, c/kwh Biogas/Vergasung/Verbrennung (außer Holz) 5-0 MW 8,3 500kW 5MW 8, kw 9,8 < 150 kw 11, Verbrennung von Waldrestholz 5-0 MW 8,3 500kW 5MW 8, kw 9,8 < 150 kw 11,3,5 6 6 Seite 5 Ausgewählte Wärmelastgänge In g e n ie u rg e m e in s c h a ft W itz e n h a u s e n F ric ke & T u rk G mb H Quelle: V. Schäfer eta energieberatung Seite 6 3

4 Seite 7 Technische Erzeugung von Kälte Primärenergiebedarf in Deutschland % % Nahrungsmittel 9% 67% Industriekälte Quelle: DKV Statusbericht Nr. 100% = GWh/a Seite 8 4

5 Branchen mit Kältebedarf - eine Auswahl Vollbetriebsstunden Bh/a Vollbetriebstage [Bd/a] Lebensmittelbetriebe Kaffeegroßröstereien Großbäckereien Milchtrockenwerke Brennereien Brauereien Flughäfen Supermärkte Warenhäuser (-3.000) Krankenhäuser (-3.500) Großhotels Quelle: V. Schäfer eta energieberatung Seite 9 Thermodynamischer Prozess Antriebswärme hohe Temperatur, T H Nutzkälte niedrige Temperatur, T K Wärmequelle Umgebungsluft, z.b. Kühlturm Rückkühlung mittlere Temperatur, T M Klimaanlage Coefficient Performance (COP of thermisch = ) Nutzkälte Antriebswärme Quelle: H-M. Henning FhG ISE Seite 10 5

6 Kälteanlagen im Überblick Kompressionskälteanlage KKA Absorptionskälteanlage AKA Adsorptionskälteanlage DEC 1) - Anlage Physikalischer Kühlungs-Effekt Verdampfen des Kältemittels (Kaltdampfprozeß) Verdunsten des Kältemittels Verdichtungsprinzip mechanische Verdichtung thermisch, Absorptionslösungskreislauf thermisch, Adsorption von Wasserdampf sorptive Entfeuchtung Antriebsenergie Kältemittel Elektroenergie chlorierte oder chlorfreie Kohlenwasserstoffe Wärmeenergie C Wasser mit LiBr oder NH3 als Absorptionsmittel Wärmeenergie C Wasser mit Feststoff als Adsoptionsmittel (SILICA-Gel) Wärmeenergie C spezifischer Primärenergieverbrauch ) 1,3.. 1,65 0,6.. 1,0 0,4.. 0,6 0,3 Wasser Leistungszahl / COP 3) (1-st) 0,7.. 1, (-st) LiBr 0,3.. 0,7 NH3 0,4.. 0,6 0,5.. 0,7 je nach Luftzustand Kältetemperatur C C LiBr C NH C K Entfeuchtung Kälteleistung kw 0 / kw kw kw spezif. Modulpreis /kw /kw LiBr /kw NH /kw /kw 1) dessicative and evaporative cooling (Kühlung durch Trocknung und Verdunstung / "sorptive Kühlung") ) Kältemenge zur eingesetzten thermischen bzw. elektrischen Energie 3) coefficient of performance Quellen: BHKW-Infozentrum, HLH 09/001, Internet, ZAE Seite 11 Technologien der Kälteerzeugung aus Biomasse Kaltwassererzeuger stellen Kaltwasser bereit, das jede Art von Klimatechnik versorgen kann (z.b. Lüftungsanlagen, Umluftkühler bzw. fan-coils, Kühldecken, stille Kühlung,...) 1-stufige Absorption -stufige Absorption geschlossener Kreisprozeß mit flüssigem Sorptionsmittel und flüssigem Arbeitsstoff zusätzlicher zweiter Absorber und Generator führt zu höherer Effizienz bei höheren Antriebstemperaturen Adsorption geschlossener Kreisprozeß mit festem Sorptionsmittel und flüssigem Arbeitsstoff; quasi-kontinuierlicher Betrieb Dampfstrahlkältetechnik geschlossener Kreisprozeß basierend auf Strömungsmechanik Quelle: H-M. Henning FhG ISE Seite 1 6

7 COP von Kaltwassererzeugern: Stand der Technik ideal -stufige Absorption COP (Coefficient of Performance) = Nutzkälte Antriebswärme COP Adsorption 1-stufige Absorption Kaltwassertemperatur: 8 C 8 C Kühlwassertemperatur: 8 C 8 C Quelle: H-M. Henning FhG ISE 0.00 Heißwassereintrittstemperatur, C Hot water inlet [ C[ Seite 13 Seite 14 7

8 Absorption - Verfahren Wärmeabgabe (Kühlturm) Wärmeaufnahme (z.b. Solarkollektor) Generator Kondensator Dampf Druck Drossel Dampf Lösungswärmeübertrager Lösungsmittelpumpe Verdampfer Absorber Wärmeaufnahme (Nutzkälte) Temperatur Wärmeabgabe (Kühlturm) Quelle: H-M. Henning FhG ISE Seite 15 Absorptionskältemaschinen - Stand der Technik einstufige Absorptionskältemaschinen viele Produkte im Leistungsbereich > 100 kw; wenige Produkte < 100 kw für Klimatisierung fast ausschließlich Systeme mit Wasser/LiBr; für Tieftemperaturkälte Ammoniak/Wasser die am meisten verbreitete Maschine im kleinen Leistungsbereich ist WFC 10 von Yazaki (35 kw) neue Maschine von EAW (Westenfeld) mit 15 kw Leistung Entwicklung bei der Fa. Phönix Sonnenwärme (Berlin): Ziel 10 kw-anlage für solare Klimatisierung weitere Entwicklungen kleiner Anlagen (z.b. FH Stuttgart, Joanneum Research/Österreich, SolarFrost/Österreich, INETI/Portugal, UPC/Spanien,...) zweistufige Absorptionskältemaschinen einige Hersteller von -stufigen Absorptionskältemaschinen; oft direkt befeuerte Systeme; keine Produkte < 100 kw Seite 16 8

9 Absorptionskältemaschinen - Vor- und Nachteile Vorteile kontinuierlicher Betrieb durch flüssiges, umlaufendes Sorptionsmittel; dadurch keine Schwankungen in den Temperaturen höhere Leistungsdichte als Adsorptionskältemaschinen gute Möglichkeit der internen Wärmerückgewinnung: dadurch gute COP-Werte möglich Nachteile Kristallisationsgefahr bei Wasser-LiBr-Maschinen: deshalb nasse Rückkühlung (Nasskühlturm) erforderlich Lösungsmittelpumpe erforderlich (außer bei Verwendung einer Blasenpumpe, die aber vom Betriebsverhalten her schwieriger ist) heute beste Alternative im größeren Leistungsbereich (> 50 kw) Quelle: H-M. Henning FhG ISE Seite 17 Adsorption - grundlegender Prozess Desorption Kondensation Antriebswärme (Biomassekessel, T hoch ) Wasserdampf Wärmeabgabe (Kühlturm, T mittel ) Wärmeabgabe (Kühlturm, T mittel ) Adsorption Wasserdampf Verdampfung Raumlasten (Kaltwasser, T tief ) Quelle: H-M. Henning FhG ISE Seite 18 9

10 Maschinenzyklus Kondensator Phase 1 Desorption Adsorption Phase 4 Phase Kondensator Verdampfer Kondensator Verdampfer Wärmerückgewinnung Kondensator Phase 3 Verdampfer Wärmerückgewinnung Adsorption Desorption Quelle: Verdampfer H-M. Henning FhG ISE Seite 19 Adsorptionskältemaschine - Stand der Technik zwei kommerzielle Systeme (Japanische Hersteller); teurer als 1-stufige Absorptionskälteanlagen; großes Volumen, schwer; Leistung ab 70 kw neue Anlage mit 35 kw ab Herbst auf dem Markt (Hersteller aus Singapur) Entwicklung der Fa. GBU (Bensheim): Ziel Entwicklung einer modularen Adsorptionskältemaschine ab 10 kw, COP 0.8; Stand unklar Entwicklung der Fa. Sortech (Freiburg) gemeinsam mit Fraunhofer ISE: Adsorptionswärmepumpe für Heizen (1 kw) und solare Kühlung (7 kw) Seite 0 10

11 Adsorptionskältemaschine - Vor- und Nachteile Vorteile keine internen bewegten Teile keine Kristallisationsgefahr; dadurch trockene Rückkühlung möglich (kein Nasskühlturm erforderlich) arbeitet auch noch bei niedrigen Antriebstemperaturen Nachteile periodische Betriebsweise: dadurch schwankende Temperaturen auf allen drei Temperaturniveaus geringere Leistungsdichte als Absorptionskältemaschinen eventuell etwas geringere COP-Werte als Absorptionskältemaschinen insgesamt gute Aussicht für Maschinen im kleinen Leistungsbereich (< 15 kw) Seite 1 Einflussgrößen auf Wirtschaftlichkeit Kosten der elektrischen Antriebsenergie für Kaltwasser- und Kühlturmpumpen bzw. für den Ventilatorenantrieb an Rückkühlwerken Kosten für das benötigte Wasser zur Wassernachspeisung in den Kühlturm Kosten für Wartung und Instandhaltung Personalkosten Seite 11

12 300 Parameter Heizwassertemperatur 50 spez. Investitionen ( /kw) Quelle: V. Schäfer eta Heizwassertemperatur ( o C) energieberatung Seite 3 Spezifische Investitionskosten spez. Investitionskosten ( /kw) Adsorptionsmaschine Absorptionsmaschine Absorptionsmaschine, einstufig Kälteleistung (kw) Seite 4 1

13 Betriebskosten: elektrische Energie Kompressionskältemaschine Absorptionskältemaschine ( kw el /kw Kälte (kw el /kw Kälte Kaltwasserpumpe 0,007 0,08 Kühlwasserpumpe 0,01 0,0 Rückkühlwerk 0,0 0,04 Summe Hilfsenergie 0,037 0, % 184 % Seite 5 Betriebskosten: Sprühwasser Kompressionskältemaschine Absorptionskältemaschine ( m 3 /MWh Kälte ( m 3 /MWh Kälte Frischwasserbetrieb Offener Kühlturm 4,8 9,5 Geschlossener 1,8 3,5 Kühlturm Trockenkühler 1,0,0 Quelle: V. Schäfer eta energieberatung, % 198 % Seite 6 13

14 Investitionsaufstellung f. eine ausgeführte Absorptionskälteanlage Betriebsfertige Einheit für ein bestehendes Gebäude Position Investition [T ] Anteil am Invest Kältemaschine mit Steuerung % Kühlturm, offen, verzinkt und kunststoffbeschichtet 36 11% Armaturen, Pumpen und Behälter für Kalt- und Heißwasser 6 8% Kaltwassertrasse DN 150 erdverlegt KMR-Rohr 70 m incl. Tiefbau 19 6% Behälter, Armaturen und Pumpen im Kühlwasserkreis 14 4% Schaltschrank und Verkabelung Gesamtanlage 11 3% Rohrleitungen für Kalt- und Heißwasser 9 3% Stahlbau für Kühlturmaufstellung 8 3% Schaltschrank und Verkabelung Kühlwasserkreis 8 3% Isolierung für Kalt- und Heißwasseranlage 8 3% Kühlwasserleitungen (PE) 6 % Dosier- und Absalzeinrichtung 5 % Örtliche Meßtechnik für Kalt- und Heißwasseranlage 5 % Örtliche Meßtechnik im Kühlwasserkreis 3 1% Planung 41 13% Sonstiges 10 3% 550 kw Kälte LiBr 1 C / 6 C COP = 0,7 Baujahr 1998 Gesamtinvestition 319 Quelle: Kennziffernkatalog GfEM 004 Seite 7 Modellbetrachtung: Untersuchte Anlagen 150 kw Adsorption 150 kw Absorption (einstufig) 500 kw Absorption (zweistufig) Seite 8 14

15 Modellbetrachtung: Voraussetzungen Im Mittelpunkt: kleine Kältererzeugungsmaschinen (Biogas oder kleine Biomasse- HKW; MW el ) Nur Erzeugungskosten, keine Verteilkosten Abwärmenutzung, d.h keine Wärmeenergiekosten Kein Personalkostenanteil Seite 9 Investitionskosten der betrachteten Anlagen Adsorption 150 kw Absorption 150 kw Absorption 500 kw COP 0,5 COP 0,7 COP 1, Maschinen- und EMSR-Technik Kältemaschine Elektro- und Meßtechnik pauschal 5% sonstige Kosten / Neben pauschal 8% Gesamtinvestitionskosten netto Kapitaldienst Annuität Kapitaldienst 0, Seite 30 15

16 Ergebnisse: Unterschiedliche Technologien /MWh mit EEG-KWK-Bonus /MWh ohne EEG-KWK- Bonus 500 kw Absorption, - stufig h Vollast pro Jahr, Abwärmenutzung 150 kw Absorption, 1- stufig 150 kw Adsorbtion Kälte-Erlös ( /MWh) Seite 31 Einfluss der Jahresnutzungsdauer /MWh mit EEG-KWK-Bonus /MWh ohne EEG-KWK-Bonus 150 kw Absorption, 1- stufig 150 kw Adsorbtion Kälte-Erlös ( /MWh) Seite 3 16

17 Ergebnis für größere Anlagen 500 kw Absorption, 1500 h /MWh mit EEG- KWK-Bonus 500 kw Absorption, 1000 h /MWh ohne EEG- KWK-Bonus 500 kw Absorption, 500 h Kälte-Erlös ( /MWh) Seite 33 Beispiele Anlage Hackschnitzel-Feuerung FWL El. Strom Leistung erzeugung Absorptionskältemaschine Thermische Kälte- COP Heiß- Antriebs- leistung wasserleistung temperatur (Vorlauf) MW MW MW MW C C 6,7 7,5 Kaltwassertemperatur Vorlauf / Rücklauf Pfaffenhofen Entnahme- Kondensationsturbine Li-Br Li- Br NH3 0,3 0,7 0,65 Kältemittel 8 / 13 6 / 14-6 / 14 Ulm 58 9,6 Fußach (A) 9,75 1,1 Entnahme- Gegendruckturbine ORC- Prozess Li-Br 4 5 1, / 1 Li-Br 3,,4 0, / 8 Quelle: Leitfaden Bioenergie 005 Seite 34 17

18 Beispiel: KWKK Fernwärme Ulm GmbH Seite 35 Kälteerzeuger TVZ KM 1 Tandem-Turbokompressions-KM Bj. 199 x,5 MW KM Tandem-Turbokompressions-KM Bj x,5 MW KM 3 -stufige Turbokompressions-KM Absorptions-KM Bj ,0 5,0 MW KM 4 Turbokompressions-KM Bj ,0 MW Summe installierte Leistung 0,0 19,0 MW Seite 36 18

19 Versorgungsgebiet Eselsberg Science Park III II Wissenschaftsstadt Ulm ca. Mio. qm Seite 37 Absorber Seite 38 19

20 Beispiel: KWKK Biomasseheizkraftwerk Pfaffenhofen GmbH Seite 39 Technische Daten Dampf, Fernwärme, Kälte Dampfleitung zur Firma HIPP (Babynahrungsmittel-Hersteller): Länge 950 m; Dampfparameter: Temperatur 180 C, Druck 1,5 bar abs Fernwärmenetz für bis zu 150 Abnehmer zwischen 15 and kw: - Hochtemperaturnetz; Länge 14,5 km, max. Temperatur: 130 C - Mitteltemperaturnetz; Länge 4,5 km, max. Temperatur: 85 C - Niedertemperaturnetz zur Versorgung kraftwerksnaher Verbraucher (zur mögl. Anbindung von Hallenbad, Gewächshäusern, Fischzucht etc.) Kälte: - ein Li-Br Kälteabsorber (8/13 C) für das Krankenhaus; Leistung: 300 kw - ein Li-Br Kälteabsorber (6/14 C) für die Klimatisierung von zwei Bürogebäuden; Leistung: 700 kw -ein NH 3 -Kälteabsorber (-6/14 C) als Grundlastabdeckung und Spitzenlast- Kompressionskältemaschine (x 15 kw) und für Prozesskälte der Brauerei Müllerbräu (überwiegend nachts) sowie zur Klimatisierung von Bürogebäuden (tagsüber) über das Nah-Kältenetz; Leistung: 650 kw Seite 40 0

21 Kälteverbund / Nahkälte Marktplatz Pfaffenhofen Seite 41 KWKK-Anlage Fussach Seite 4 1

22 Seite 43 Energieflußdiagramm Seite 44

23 Seite 45 Zusammenfassung Der Einsatz von heißwassergetriebenen Sorptionsanlagen in kleineren Biomasseheizkraftwerken bzw. Biogasanlagen kann durchaus wirtschaftlich attraktiv sein. Allerdings ist die Absorptions- bzw. Adsorptionskälteerzeugung sehr genau auf die jeweiligen Gegebenheiten auszulegen. Heißwasserbetriebene Sorptionsanlagen sind ausgesprochene Grundlastmaschinen Der KWK-Bonus trägt zu einer Verbesserung der Ökonomie bei, er allein kann nicht den wirtschaftlichen Anlagenbetrieb gewährleisten. Insgesamt erhöht dieser Bonus aber den Anreiz, die Abwärme aus Biomasse-KWK-Anlagen zu nutzen Seite 46 3

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!!! Seite 47 4