Systemoptimierung Heizen und Kühlen

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1 Systemoptimierung Heizen und Kühlen Systematisches Vorgehen zur Erstellung eines Wärmeund Kälteversorgungskonzeptes für industriell und gewerblich genutzte Standorte Heilbronn, Dipl.-Ing. Michael Zens perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH Am Viadukt Aachen Tel. 0241/ Fax 0241/ m.zens@perpendo.de

2 perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH perpendere (lat.) untersuchen, prüfen, genau erwägen perpendo ich untersuche, ich prüfe wer wir sind: Spezialisten für Analyse & Optimierung komplexer energetischer Situationen gelistet als Berater bei: BfEE, dena, KfW Zusatzqualifikationen als Staatlich anerkannte Sachverständige für Schall- und Wärmeschutz (2) Interne Auditoren nach DIN EN ISO (2) Über 400 Projekte in Industrie und Gewerbe was wir machen: Energiekonzepte für Neubauten und Erweiterungen Energieeffizienz-Analysen für bestehende Liegenschaften und Prozesse Energiemanagement Aufbau EnMS (ISO 50001) und Energiecontrolling Nachhaltigkeit Carbon Footprint und Emissionsminderung perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 2

3 Systemoptimierung Heizen und Kühlen Mögliche Aufgabenstellungen: Wenn nach Möglichkeiten der Reduzierung der Wärme- und Kältekosten gesucht wird Wenn eine vorhandene Wärme- / Kälteversorgung zu ersetzen ist Wenn über den Einsatz von regenerativen Energien zur Reduzierung der CO2-Emissionen nachgedacht wird Wenn ein Standort und damit auch die Versorgungseinrichtungen erweitert werden sollen ist folgende Vorgehensweise in 4 Schritten zu empfehlen: 1. Prüfen, ob eine Reduzierung des Bedarfs möglich ist 2. Substitution von teuren Energieträgern (Strom, Dampf etc.) 3. Einsatz von Abwärmenutzungen 4. Festlegung der Versorgungseinrichtungen perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 3

4 Schritt 1: Reduzierung des Bedarfs Wie hoch ist der Wärme- und Kältebedarf? Zur Bewertung des Wärmebedarfs reichen keine Gasverbrauchswerte. => Die Bewertung erfordert zudem Kenntnisse über den zeitlichen Verlauf des Bedarfs. Für den Kältebedarf gelten analog die gleichen Aussagen. => Welche Möglichkeiten der Bedarfsreduzierung gibt es? 1. Vermeidung von Prozessen, die einen Energiebedarf verursachen 2. Einsatz von alternativen (energieeffizienteren) Prozessen 3. Reduzierung von Anforderungen 4. Vermeiden von Regelabweichungen => 5. Vermeidung von Verlusten perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 4

5 Jahresnutzungsgrad einer Heizungsanlage => zurück Summe Verluste: MWh/a JNG => 77,5 % perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 5

6 Zeitlicher Verlauf des COP einer Kälteversorgung => zurück perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 6

7 Typische Zulufttemperaturregelung in einer Lüftungsanlage Zuluft [ C] x Raumluft [ C] Für die Umsetzung ist je Anlage i. d. R. lediglich eine geänderte Parametrierung erforderlich => geringe Investitionskosten perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 7

8 Einfluss der Zulufttemperaturregelung auf den Wärmebedarf Einsparpotenzial für den Jahresheizwärmebedarf durch Absenkung der minimalen Zulufttemperatur Einsparung [%] W/m² innere Wärmelasten 30 W/m² innere Wärmelasten 40 W/m² innere Wärmelasten Absenkung gegenüber einem isothermen Einblasen [K] Randbedingungen: Raumlufttemperaturgrenzen 19/20 C, WRG mit η = 60 % perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 8

9 Schritt 2: Substitution von Strombedarf Warum Strombedarf substituieren? Wärmebedarf lässt sich i. d. R. deutlich einfacher beeinflussen, als Strombedarf. Sowohl im Schritt 3 (Abwärmenutzung) als auch im Schritt 4 (Versorgungseinrichtungen) wird häufig nach einem Wärmebedarf gesucht. Wärme, selbst wenn sie konventionell erzeugt wird, ist wesentlich preiswerter als Strom. => Wo kann man Strombedarf substituieren? Elektrische Heizungen werden eingesetzt, weil hohe Temperaturen oder Energiedichten benötigt werden. Temperaturen sehr genau geregelt werden sollen. sie Bestandteil einer Maschine sind, deren Hersteller ein Komplettsystem liefern will / soll. Typische Anwendungsfälle, in denen eine Substitution möglich ist: Waschmaschinen (Durchlauf) Beckenbeheizungen (Galvanik, Phosphatierung etc.) Umluftbetrieb in Lüftungsanlagen => perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 9

10 Entwicklung des Preisverhältnisses Strom zu Gas 2000 bis 2011 => zurück Quelle: Statistisches Bundesamt, Wiesbaden perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 10

11 Ersatz des Umluftanteils einer Hallenlüftung durch variablen Volumenstrom Ausgangssituation: In der vorhandenen Regelung wird der Zuluftvolumenstrom der Lüftungsanlagen nicht variiert (konstant 100 %). Zur Vermeidung von Lastspitzen (Wärme) wird im Winter in den Hallen ein Umluftanteil von 30 % gefahren. Die Mischkammern sind in die Zulufttemperaturkaskade eingebunden (Umluftbetrieb immer, wenn Heizwärmebedarf erforderlich). Maßnahme: Verzicht auf den Umluftbetrieb und stattdessen Reduktion des Gesamtvolumenstroms auf 70 % im Winter - gleichbleibender Frischluftanteil, aber verbesserte Luftqualität - entspricht etwa einer Halbierung der Stromaufnahme Installation von Frequenzumformern (FU) in den 2 Anlagen (jeweils Zu- und Abluftventilator) Umprogrammierung der vorhandenen Regelung: - Einbindung der FU in die Zuluftkaskade (wie bisher die Umluft) - Anstieg der Frischluftanteils bis 100 % bei steigenden Temperaturen perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 11

12 Ersatz des Umluftanteils einer Hallenlüftung durch variablen Volumenstrom Investitionskosten: 2 FU (je 26 kw): Verkabelung, Montage und Einbindung GLT: Nutzen der Variante: Einsparung Strom 178 MWh/a /a Einsparung Kälte - - Einsparung Wärme - 94 MWh/a /a Summe Einsparung* /a Amortisationszeit des Vorschlags: < 1 Jahr * spez. Kosten: Strom 97,50 /MWh, Gas 28 /MWh, Wärme (JNG = 80 %) 35 /MWh perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 12

13 Schritt 3: Abwärmenutzung Abwärmeanfall und Wärmebedarf müssen zeitlich und von der Höhe zueinander passen. Wesentlich für die Höhe der nutzbaren Abwärme ist das Temperaturniveau des Verbrauchers. In der Regel ist es leichter eine Abwärmequlle zu identifizieren, als den geeigneten Abnehmer zu finden. Sinnvolle Priorisierung bei einer Abwärmenutzung: 1. Interne Abwärmenutzung im gleichen Prozess 2. Nutzung in der gleichen Produktionslinie (gleicher Produktionsbereich) 3. Nutzung in der zentralen Infrastruktur (Heizungsnetz) 4. Nutzung für einen separaten Verbraucher in einem anderen Bereich perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 13

14 Untersuchung Abwärmenutzung zur Warmwassererzeugung Stadtwasser Vorgewärmtes Wasser 30 C Warmwasser 50 C Prozess & Raumwärme 35 C Wärme 55 C Wärme Wärmepumpe Druckluft WRG Kondensation KKM Ölkühlung KKM Warmwasser 72 C 90 C Wärme Prozess & Raumwärme TNV Heizungskessel BHKW / Gasturb. perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 14

15 Übersicht über die Wirtschaftlichkeit der Varianten Variante Jährliche Einsparung Investitionskosten Amortisationszeit (statisch) Emissions- Reduktion 1 Wärmepumpe /a ~ 11 a 53,0 t CO2 /a 2 Wärmerückgewinnung /a 1,1 a 88,7 t CO2 /a 3 Kleines BHKW /a 4,4 a 67,6 t CO2 /a 4 Kleine Gasturbine /a 5,1 a 33,8 t CO2 /a Gaspreis: 40 /MWh, Spez. CO2-Emissionen Gas: Spez. CO2-Emissionen Strom Strompreis: 142 /MWh 184 g/kwh(hs) 456 g/kwh perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 15

16 Schritt 4: Festlegung der Versorgungseinrichtungen Was ist bei der Auswahl geeigneter Versorgungseinrichtungen zu beachten? Die Schritte 1 bis 3 sollten abgeschlossen sein! KWK-Anlagen und Abwärmenutzungskonzepte konkurrieren um den notwendigen Wärmebedarf. => Das vorgenannte Beispiel aus Schritt 3 zeigt, dass Abwärmenutzungen wirtschaftlich i. d. R. interessanter sind, als alternative Versorgungskonzepte (z. B. über KWK) Einzelne Anlagenkonzepte können sich sinnvoll zu einem Gesamtkonzept zusammenfügen Auch wenn Absorptionskältemaschinen (COP ~ 0,7) meist unwirtschaftlicher sind als Kompressionskältemaschinen (COP ~ 4-6), gibt es Anlagenkombinationen, in denen sich diese Situation umkehren kann. => Für die Bewertung der Wirtschaftlichkeit von Versorgungseinrichtungen ist nicht nur eine genaue Kenntnis des zeitlichen Verlaufs des Bedarfs erforderlich, sondern häufig auch eine Betrachtung der gesamten Lebensdauer. => perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 16

17 Alternative Versorgung: Einsatz eines BHKW => zurück Notwendige Laufzeit für ein BHKW: min. ~ Volllaststunden/a BHKW werden nicht bis auf 0 % runtergeregelt Durch die WRG wird das BHKW kleiner perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 17

18 Einsatz einer Absorptionskältemaschine zur Verlängerung der Laufzeit eines BHKW => zurück Anteil AKM an Kältebedarf 59,6 % (mit mittlerem COP = 0,65) Erhöhung Vollbenutzungsstunden (BHKW 524 kwth) von h/a auf h/a perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 18

19 Dynamische Wirtschaftlichkeitsbetrachtung eines BHKW 1. Revision 2. Revision KWK Bonus entfällt, Steuerbefreiung reduziert perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 19

20 Fazit Wesentliche Voraussetzung für die Festlegung von Versorgungkonzepten ist eine genaue Kenntnis über die Bedarfssituation. => erst Bedarfsanalyse (Schritt 1 bis 3), dann Versorgungskonzept! Ein Standort kann (in engen Grenzen) getrimmt werden, d. h. eine Bedarfssituation kann so beeinflusst werden, dass Sie günstigere Voraussetzungen für den Einsatz bestimmter Versorgungstechniken liefert. Es gibt konkurrierende Maßnahmen (Abwärmenutzung BHKW). Wesentliche Einflussgrößen (Auslastung, Energiepreise etc.) sind nicht konstant. Für die eine gesicherte wirtschaftliche Bewertung von Konzepten ist es notwendig Laufzeitbetrachtungen und ggf. Sensitivitätsanalysen durchzuführen. Versorgungseinrichtungen, die zu groß gewählt werden, können unwirtschaftlich sein oder werden. Die Reaktionsfähigkeit des Gesamtsystems ist bei Entscheidungen über Versorgungssysteme zu erhalten. Die beschriebene Vorgehensweise ist nicht nur an großen Standorten sinnvoll. perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 20

21 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ihr Ansprechpartner für weitere Fragen ist: Michael Zens perpendo GmbH Am Viadukt Aachen Tel. 0241/ Fax 0241/ m.zens@perpendo.de