Systeme zur solarunterstützten Kraft-Wärme-Kopplung

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1 Systeme zur solarunterstützten Kraft-Wärme-Kopplung mit Ergebnissen des Vorhabens Solar-KWK (Fkz A) Dipl.-Ing. Dirk Mangold Steinbeis Forschungsinstitut für solare und zukunftsfähige thermische Energiesysteme, Stuttgart Statusseminar Energieforschung für die Wärmewende Frankfurt, April 2016

2 Systeme zur solarunterstützten Kraft- Wärme-Kopplung Magdalena Berberich, Dirk Mangold, Thomas Schmidt Eingangsstatement Dänemark als Vorbild?! Stand von Markt und Technik in Deutschland Modellbildung für TRNSYS Ergebnisse und Ausblick Statusseminar EnEff:Wärme

3 Schema eines Solar-KWK-Systems A A A Statusseminar EnEff:Wärme

4 Solar <-> KWK?!? Wärme Strom Summe Solar End 100 kwh 100 kwh Primär 0 kwh 240 kwh* 240 kwh KWK End 100 kwh 100 kwh Primär 110 kwh 110 kwh 220 kwh * Allgemeiner Strommix: Primärenergiefaktor 2,4 Eine Verdrängung von KWK-Abwärme durch Solarthermie ist oftmals aus Wirtschaftlichkeits- und Umweltschutzgründen nicht zu empfehlen.

5 Motivation für Solar-KWK Der Anteil von Strom aus erneuerbaren Energien steigt. Die Strompreise sinken. Die Betriebsstunden von Kraftwerken werden reduziert. Die Wirtschaftlichkeit von KWK-Systemen sinkt. Alternative Wärmeerzeugung in Fernwärmenetzen Kann Solarthermie den sommerlichen Wärmebedarf decken? Kopplung von KWK-Anlagen mit Solarthermie und Wärmespeicher!

6 Schema eines dänischen Smart District Heating -Systems Statusseminar EnEff:Wärme

7 Solare Fernwärmesysteme in Dänemark Statusseminar EnEff:Wärme

8 Installed collector area [m²] (thick bars) Number of plants (thin bars) [-] Solare Fernwärmesysteme Solar District Heating in Denmark in Dänemark Sum of collector area and the number of operating and upcoming plants Year Quelle: Planenergi, Dk Statusseminar EnEff:Wärme

9 Solar-KWK-Pionier in Braedstrup, Dk Statusseminar EnEff:Wärme

10 Solar-KWK-Pionier in Braedstrup, Dk Statusseminar EnEff:Wärme

11 Systeme zur solarunterstützten Kraft- Wärme-Kopplung Magdalena Berberich, Dirk Mangold, Thomas Schmidt Eingangsstatement Dänemark als Vorbild?! Stand von Markt und Technik in Deutschland Modellbildung für TRNSYS Ergebnisse und Ausblick Statusseminar EnEff:Wärme

12 Solare Fernwärme in Deutschland in Betrieb derzeit insgesamt ca m² Hamburg Bramfeld m² Hamburg Wilhelmsburg m² Rostock Brinckmanshöhe m² Hamburg Mümmelmannsberg m² Hamburg Harburg 477 m² in Planung/Realisierung derzeit insgesamt ca m² in Vorbereitung derzeit insgesamt ca m² Hannover Kronsberg m² Düsseldorf 200 m² Senftenberg m² Jena-Pößneck 99 m² Chemnitz m² Neuerkirch-Külz m² in Vorbereitung 9 Anlagen mit ca m² Neckarsulm m² Eggenstein m² Crailsheim m² Stuttgart Burgholzhof m² Stuttgart Brenzstraße m² Esslingen m² Augsburg m² München m² Freiburg-Gutleutmatten m² Büsingen m² Friedrichshafen m² Quelle: Solites Statusseminar EnEff:Wärme 2016 Stand: April

13 Solarthermie für Fernwärmesysteme Beispiele Messe Wels (Wels, AT) UPC Arena (Graz, AT) Kollektorfeld CPC Vakuumröhren mit m² Kollektorfläche Flachkollektoren mit m² Kollektorfläche Solarwärmeertrag MWh/a 454 MWh/a (2012) Einspeisetemperatur C = T VL oder höher Netztemperaturen gleitend gleitend T VL, Winter 120 C (TA -14 C) 120 C (TA -12 C) T VL, Sommer 70 C (TA 16 C) 75 C (TA 12 C) Statusseminar EnEff:Wärme

14 Spezifischer Wärmeertrag [kwh/(m² a)] VL(70/70) RL(30/40) VL(90/70) RL(30/40) VL(70/70) RL(40/50) VL(100/80) RL(30/40) VL(90/70) RL(40/50) VL(70/70) RL(50/60) VL(100/80) RL(40/50) VL(90/70) RL(50/60) VL(100/80) RL(50/60) VL(110/90) RL(50/60) VL(100/80) RL(60/70) VL(110/90) RL(60/70) Solarthermie für Fernwärmesysteme 600 TRNSYS-Simulationen VL (Winter/ Sommer) RL (Winter/ Sommer) Mitllere Netztemperatur [ C] Flachkollektor Flachkollektor HT Vakuum-Röhren Kollektor Vakuum-Röhren Kollektor CPC Statusseminar EnEff:Wärme

15 Neue TRNSYS-Modelle (Solar-KWK Fkz A) Statusseminar EnEff:Wärme

16 Analyse des KWK-Anlagenbestandes Konventionelle KWK-Anlagen Förderung nach KWK-Gesetz Zulassung durch BAFA Daten auf Anfrage KWK-Anlagen mit Biobrennstoffen Förderung nach EEG Erfassung durch Übertragungsnetzbetreiber Daten öffentlich zugänglich Biomasse = Dampfturbine, Gas = BHKW Statusseminar EnEff:Wärme

17 KWK-Anlagenbestand in Deutschland KWK-Anlagen nach Anlagenart DT: Dampfturbine GT: Gasturbine GUD: Gas- und Dampfturbine BHKW: Blockheizkraftwerk Leistung in MW EEG Anzahl Anlagen EEG Summe DT GT GUD BHKW EEG Statusseminar EnEff:Wärme

18 Modellerstellung für KWK-Anlagen Teillastverhalten Zeitliches Verhalten Stromgeführt und wärmegeführt regelbar Empirisches Kennlinien-Modell Wirkungsgradkennfeld Daten von Anlagenherstellern und -betreibern Statusseminar EnEff:Wärme

19 Modellerstellung für KWK-Anlagen Statusseminar EnEff:Wärme

20 Modellerstellung für strompreisorientierte Regelung Gewinnorientierte Regelung der KWK-Anlage Stromvermarktung über die Strombörse EPEX Teilnahme am Markt für Minutenreserveleistung Preisdaten der Jahre 2012, 2013 und 2014 Statusseminar EnEff:Wärme

21 EPEX Preis in /MWh Preisindex Phelix an der EPEX Durchschnitt 43 /MWh 2013 Durchschnitt 38 /MWh 2014 Durchschnitt 33 /MWh Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Statusseminar EnEff:Wärme

22 Erste Gesamtsystemsimulationen Beispielsystem Jahresnetzwärmebedarf MWh Netztemperaturen C 70/40 Elektrische Leistung Erdgas-BHKW MW 15 Eigenstromverbrauch BHKW kw 300 Variable Betriebskosten BHKW /MWh_el 5,3 Wirkungsgrad Spitzenlastkessel 0,88 Variable Betriebskosten Spitzenlastkessel /MWh_th 0,13 Erdgassteuer /MWh_Hs 5,5 Erdgaspreis ohne Steuer /MWh_Hs 40 Hs: Brennwert Statusseminar EnEff:Wärme

23 Erste Gesamtsystemsimulationen Wirkungsgrade des BHKWs werden im Modell berechnet Förderung nach KWKG 2012 Wetter- und Lastdaten allgemeingültig für den Standort Frankfurt Ertrag Strom als Anhaltspunkt für die Wirtschaftlichkeit: Summe Erträge aus der Stromvermarktung Summe Stromgestehungskosten des BHKWs Statusseminar EnEff:Wärme

24 Wärme in MWh Wärme in MWh Monatsbilanzen für 2012,2013 und Variante Regelung Stromgef. Stromgef. Stromgef. Pel KWK (MW) Speichervolumen (m³) Kollektorfläche (m²) Anteil Solar (%) Anteil KWK (%) 31,6 21,9 15,7 Anteil Kessel (%) 68,4 78,1 84,3 Ertrag Strom (T ) 904,9 639,9 323,7 Zyklenzahl Speicher Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez 0 KWK Statusseminar Solarthermie EnEff:Wärme Spitzenlastkessel

25 Wärme in MWh Wärme in MWh Monatsbilanzen für 2014 mit Solarthermie Variante Regelung Wärmegef. Stromgef. Stromgef Pel KWK (MW) Speichervolumen (m³) Kollektorfläche (m²) Anteil Solar (%) , Anteil KWK (%) 59,2 15,7 14, Anteil Kessel (%) 40,8 84,3 70,9 Ertrag Strom (T ) -193,2 323,7 313,0 Zyklenzahl Speicher Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Statusseminar EnEff:Wärme KWK Solarthermie Spitzenlastkessel

26 Wärme in MWh Wärme in MWh Monatsbilanzen für 2014 mit Solarthermie Variante Regelung Stromgef. Stromgef. Stromgef. 78 P el KWK (MW) Speichervolumen (m³) Kollektorfläche (m²) Anteil Solar (%) 5,7 10,3 15, Anteil KWK (%) 15,8 15,0 14,2 Anteil Kessel (%) 78,5 74,9 70,9 Ertrag Strom (T ) 320,9 315,3 313,0 Zyklenzahl Speicher Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez 0 KWKStatusseminar Solarthermie EnEff:Wärme Spitzenlastkessel

27 Fazit Solarthermische Anlagen können (stromgeführte) KWK-Systeme ohne wirtschaftliche Einbußen ergänzen! Zusätzliche Synergieeffekte durch multifunktionale Nutzung des Solar -Speichers Solare Wärmegestehungskosten: 30 bis 50 /MWh mit Förderung, ab m², Vollkosten Statusseminar EnEff:Wärme

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Ing. Dirk Mangold Statusseminar Energieforschung für die Wärmewende Frankfurt, April 2016

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