Wärmebereitstellung mittels. BHKW und Wärmepumpe. ausgewählte Beispiele

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1 Wärmebereitstellung mittels BHKW und Wärmepumpe ausgewählte Beispiele Energiewirtschaftliches Kolloquium am 23.März 2011 in Dresden INNIUS

2 Inhalt Bilanzgrenzen und energetische Kennwerte Bemessungsgrundlagen Wärmeleistung in Abhängigkeit von der Außentemperatur Wärmeverlust bei der Wärmeverteilung Elektroenergieverbrauch für die Wärmebereitstellung und - verteilung BHKW Wärmepumpe Wärmeversorgungskosten und Anlagenoptimierung Zusammenfassung und Ausblick Folie 2 / INNIUS

3 Bilanzgrenzen (Symbole gemäß DIN V 4701) W WP W HKW,brutto ΔW netto elektrische Antriebs- Energie für WP Elt Elektroenergie- Bereitstellung BHKW Elt Brennstoffenergie Q Br Brennst. Energiezentrale Wärme Q Erz Elt el. Hilfsenergie (einschließlich Wärmeverteilung) Wärmeverlust Verteilungsnetz Q Verl = Q Erz - ΣQ H Wärme ΣQ H Endenergie an der Bilanzgrenze Bilanzgrenze Folie 3 / INNIUS

4 Energetische Kennzahlen (Symbole gemäß DIN V 4701) Primärenergiefaktor f PE,WV = f PE,Br Q Br -f PE,El (W HWK,brutto W WP ΔW netto ) ΣQ H Energieeffizienz COP (Nutzen / Aufwand) COP = W HWK,brutto + ΣQ H Q Br + W WP + ΔW netto Folie 4 / INNIUS

5 Bemessungsgrundlagen Endenergie an der Bilanzgrenze Wärmeverlust des Verteilungsnetzes Elektroenergieverbrauch für Wärmebereitstellung und -verteilung Folie 5 / INNIUS

6 Bemessungsgrundlagen Endenergie an der Bilanzgrenze In der Regel sind Kenntnisse über die Versorgungsverhältnisse vorhanden Eine Darstellung als Wärmeleistung in Abhängigkeit von der Außentemperatur ist sinnvoll Mit einer daraus ableitbaren Jahresdauerlinie für die Wärmeleistung ist eine geeignete Bemessung möglich Folie 6 / INNIUS

7 Auslesen eines Wärmezählers mit PC Folie 7 / INNIUS

8 Wärmeleistung in Abhängigkeit von der Außentemperatur Mustergebäude - Wärmeleistung und FW-Spreizung in Abhängigkeit von der Außentemperatur Wärmeleistung Heizbetrieb Verrechnungsleistung: 116 kw Wärmeleistung Sommerbertrieb Wärmeleistung [kw] FW-Spreizung [K] Außentemperatur [ C] 0 25,0 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0-2,5-5,0-7,5-10,0-12,5-15,0 Folie 8 / INNIUS

9 Wärmeleistung in Abhängigkeit von der Außentemperatur Mustergebäude - Wärmeleistung und FW-Spreizung in Abhängigkeit von der Außentemperatur Wärmeleistung Heizbetrieb Verrechnungsleistung: 116 kw Wärmeleistung Sommerbertrieb Wärmeleistung [kw] Trend Wärmeleistung Q* = 64,7 kw q* = 40,4 W/m² FW-Spreizung [K] Q Sommer = 5,3 kw q Sommer = 3,3 W/m² 5 Leistungsanteil Sommer: Q Sommer /Q* = 8,1% Außentemperatur [ C] 0 25,0 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0-2,5-5,0-7,5-10,0-12,5-15,0 Folie 9 / INNIUS

10 Wärmeleistung in Abhängigkeit von der Außentemperatur Mustergebäude - Wärmeleistung und FW-Spreizung in Abhängigkeit von der Außentemperatur Wärmeleistung Heizbetrieb Wärmeleistung Sommerbertrieb Trend Wärmeleistung Verrechnungsleistung: 116 kw 35,0 32,5 30,0 27,5 50 FW-Spreizung Heizbetrieb 25,0 Wärmeleistung [kw] FW-Spreizung Sommerbetrieb Q* = 64,7 kw q* = 40,4 W/m² 22,5 20,0 17,5 15,0 FW-Spreizung [K] 25 12, , Q Sommer = 5,3 kw q Sommer = 3,3 W/m² 7,5 5,0 5 Leistungsanteil Sommer: Q Sommer /Q* = 8,1% Außentemperatur [ C] 2,5 0 25,0 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0-2,5-5,0-7,5 0,0-10,0-12,5-15,0 Folie 10 / INNIUS

11 Wärmeleistung in Abhängigkeit von der Außentemperatur Mustergebäude - Wärmeleistung und FW-Spreizung in Abhängigkeit von der Außentemperatur Wärmeleistung Heizbetrieb Wärmeleistung Sommerbertrieb Trend Wärmeleistung Verrechnungsleistung: 116 kw 35,0 32,5 30,0 Wärmeleistung [kw] Wärmeleistung max. Heizbetrieb Wärmeleistung max. Sommerbertrieb FW-Spreizung Heizbetrieb FW-Spreizung Sommerbetrieb Q* = 64,7 kw q* = 40,4 W/m² 27,5 25,0 22,5 20,0 17,5 15,0 FW-Spreizung [K] 25 12, , Q Sommer = 5,3 kw q Sommer = 3,3 W/m² 7,5 5,0 5 Leistungsanteil Sommer: Q Sommer /Q* = 8,1% Außentemperatur [ C] 2,5 0 25,0 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0-2,5-5,0-7,5 0,0-10,0-12,5-15,0 Folie 11 / INNIUS

12 Jahresdauerlinie und Wärmebedarf Gesamtwärmebedarf: 753 MWh/a spez. Gesamtwärmebedarf: 160 kwh/m²*a Anteil Heizung: Anteil TWWB: 79% 21% Wärmeleistung [kw] Anteil Heizung Tage Anteil TWWB Folie 12 / INNIUS

13 Bemessungsgrundlagen Wärmeverluste von Verteilungsnetzen Darstellung bezogen auf den Wärmeverbrauch Folie 13 / INNIUS

14 Typische Fahrkurven für Nahwärmenetze Vorlauftemperatur [ C] Außentemperatur [ C] 20 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0-2,5-5,0-7,5-10,0-12,5-15,0 Folie 14 / INNIUS

15 Netzverlust in Gebiet mit großer spez. Wärmelast 30% 28% 26% Messwerte rel. Netzverlust mit konst. absoluten Wert 24% Netzverlust [%] 22% 20% 18% 16% 14% 12% 10% spezifische Nennleistung bezogen auf die Wohngebietsfläche 50 W/m² spezifischer Jahreswärmeverbrauch bezogen auf die Wohngebietsfläche 161 kwh/m²*a Jahresmittelwert Netzverlust 5,6% 8% 6% 4% 2% Außentemperatur [ C] 0% 25,0 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0-2,5-5,0-7,5-10,0-12,5-15,0 Folie 15 / INNIUS

16 Netzverlust in Gebiet mit geringer spez. Wärmelast Netzverlust [%] 30% 28% 26% 24% 22% 20% 18% 16% 14% 12% 10% 8% 6% Netzverlust ohne Erweiterung Heizbetrieb Netzverlust ohne Erweiterung Sommerbetrieb Netzverlust mit Erweiterung Heizbetrieb rel. Verlust mit konst. abs. Verlust ohne Erweiterung rel. Verlust mit konst. abs. Verlust ohne Erweiterung erweitertes Versorgungsgebiet (150 %) spezifische Nennleistung bezogen auf die Wohngebietsfläche 22 W/m² spezifischer Jahreswärmeverbrauch bezogen auf die Wohngebietsfläche 61 kwh/m²*a Jahresmittelwert Netzverlust 6,6% 4% 2% 0% 25,0 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0-2,5-5,0 Außentemperatur [ C] -7,5-10,0-12,5-15,0 Folie 16 / INNIUS

17 Bemessungsgrundlagen Elektroenergieverbrauch für Wärmebereitstellung und verteilung Darstellung bezogen auf den Wärmeverbrauch Folie 17 / INNIUS

18 Eltverbrauch bezogen auf Wärmeverbrauch 3,2% 3,0% 2,8% 2,6% 2,4% 2,2% Wärmenetz ca. 5 MW Nennleistung Approximation Wärmenetz Gaskesselanlagen ca. 150 kw Approximaton Gaskesselanlagen FW-Kompaktstationen ca. 50 kw rel. Eltverbrauch 2,0% 1,8% 1,6% 1,4% 1,2% Jahresmittelwert ca. 1,25 % 1,0% 0,8% Jahresmittelwert ca. 0,8 % 0,6% 0,4% 0,2% Außentemperatur [ C] 0,0% 25,0 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0-2,5-5,0-7,5-10,0-12,5-15,0 Folie 18 / INNIUS

19 BHKW BHKW Bemessung energetische Kennzahlen Folie 19 / INNIUS

20 BHKW - Bemessung Gesamtwärmebedarf: 753 MWh/a Wärmeleistung [kw] Gaskessel Arbeitsanteil Kessel: 42,4% Leistungsanteil BHKW: 23,4% BHKW Arbeitsanteil BHKW: 57,6% Tage Folie 20 / INNIUS

21 BHKW energetische Kennzahlen (f PE,El = 2,6) Bezeichnung Einheit BHKW 1 BHKW 2 BHKW 3 von 27. Okt Okt Nov. 10 bis 26. Okt Mrz Mrz. 11 Gradtagszahl Kd Nennwärmeleistung Abnehmer kw Nennwärmeleistung BHKW kw 12, elektr. Nennleistung BHKW kw 4, Stromkennzahl BHKW 1 0,376 0,5 0,5 Leistungsanteil BHKW 35,7% 41,7% 23,4% Vollbenutzungsstunden BHKW h/a 3.814,88 Wärmenergie Energiezentrale kwh Anteil BHKW 75,1% 74,4% 40,7% Wärmenergie Verbraucher kwh Wärmeverlust Verteilung 0,0% 0,0% 3,6% Elektroenergie BHKW kwh Brennstoffenergie (Erdgas) kwh elektrische Hilfsenergie (1%) kwh Primärenergiefaktor Wärmevers. 1,05 0,71 1,00 Energieeffizienz (COP) 0,80 0,91 0,86 Folie 21 / INNIUS

22 BHKW Vergleich mit Gaskessel (f PE,Br = 1,1) Bezeichnung Einheit Kessel 1 Kessel 2 Kessel 3 von 27. Okt Okt Nov. 10 bis 26. Okt Mrz Mrz. 11 Gradtagszahl Kd Nennwärmeleistung Abnehmer kw Wärmenergie Energiezentrale kwh Wärmenergie Verbraucher kwh Wärmeverlust Verteilung 0,0% 0,0% 3,6% Jahresnutzungsgrad Kessel Brennstoffenergie (Erdgas) kwh % elektrische Hilfsenergie (1%) kwh Primärenergiefaktor Wärmevers. 1,32 1,32 1,37 Energieeffizienz (COP) 0,84 0,84 0,81 Folie 22 / INNIUS

23 Wärmepumpe Wärmepumpe Vor- und Rücklauftemperaturen Bemessung energetische Kennzahlen Folie 23 / INNIUS

24 Wärmepumpe Vor- und Rücklauftemperaturen Vorlauftemperatur Heizung Rücklauftemperatur Heizung Vorlauftemperatur Wärmepumpe t* VL-Hzg. = C 82, Temperatur [ C] t* VL-WP = C 52,5 t* RL-Hzg. = C 52, Außentemperatur [ C] 20 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0-2,5-5,0-7,5-10,0-12,5-15,0 Folie 24 / INNIUS

25 Wärmepumpe Bemessung - Jahresdauerlinie Betrachtung nur für Anteil Heizung Gesamtwärmebedarf: 120 MWh/a Wärmeleistung [kw] Gaskessel Arbeitsanteil Kessel: 12,3% Leistungsanteil Wärmepumpe: Wärmepumpe Arbeitsanteil Wärmepumpe: 87,7% 43% COP Wärmepumpe: Mittelwert Heizperiode 3, Tage Folie 25 / INNIUS

26 Wärmepumpe ausgeführte Anlage - Messergebnisse Wärmeleistung Heizbetrieb Wärmeleistung Sommerbertrieb Trend Wärmeleistung Leistung WP Heizung: 30 kw Leistung WP TWWB: 20 kw Q* = 35,5 kw q* = 40,4 W/m² Wärmeleistung [kw] Q Sommer = 3,3 kw q Sommer = 3,7 W/m² 4 2 Leistungsanteil Sommer: Q Sommer /Q* = 9,2% Außentemperatur [ C] 0 25,0 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0-2,5-5,0-7,5-10,0-12,5-15,0 Folie 26 / INNIUS

27 Wärmepumpe ausgeführte Anlage - Messergebnisse 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 COP 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 COP Hzg. Heizperiode 1,0 0,5 0,0 COP TWWB Heizperiode COP gesamt ohne BP Heizperiode COP gesamt mit BP Heizperiode Außentemperatur [ C] 25,0 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0-2,5-5,0-7,5-10,0-12,5-15,0 Folie 27 / INNIUS

28 Wärmepumpe energetische Kennzahlen (f PE,El = 2,6) Bezeichnung Einheit WP 1 WP 2 wie BHKW 2 von 10. Mai Okt. 10 bis 9. Mrz Mrz. 11 Gradtagszahl Kd Nennwärmeleistung Abnehmer kw 35,5 72 Nennwärmeleistung Wärmepumpe kw 35,5 35,5 Leistungsanteil Wärmepumpe 100,0% 49,3% Wärmenergie Energiezentrale kwh davon Wärmenergie Wärmepumpe kwh Arbeitsanteil Wärmepumpe 100,0% 62,7% Wärmenergie Verbraucher kwh Wärmeverlust Verteilung 0,0% 0,0% Elektroenergie Wärmepumpe kwh Jahresnutzungsgrad Kessel 85% Brennstoffenergie (Erdgas) kwh elektrische Hilfsenergie (1%) kwh Primärenergiefaktor Wärmevers. 0,85 1,03 Energieeffizienz (COP) 3,06 1,54 Folie 28 / INNIUS

29 Vergleich Primärenergiefaktor Wärmeversorgung 1,20 1,15 1,10 Primärenergiefaktor Wärmeversorgung 1,05 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 Wärmepumpe wie BHKW 2 BHKW 2 zukünftige Entwicklung 0,55 Primärenergiefaktor Elt 0,50 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3,0 Folie 29 / INNIUS

30 Wärmeversorgungskosten Wärmeversorgungskosten Grundkosten Verbrauchskosten sonstige Kosten Folie 30 / INNIUS

31 Wärmeversorgungskosten Fernwärmekosten Bezeichnung Einheit Bestandsgebäude WD nach EnEV Gebäude mit Versorgungsfläche m² Anschlussleistung kw spezifische Anschlussleistung W/m² Jahreswärmeverbrauch MWh/a 752,80 81,30 spezifischer Jahreswärmeverbrauch kwh/m²*a Grundpreis /kw*a 35,53 36,56 Preisgleitfaktor Grundpreis Arbeitspreis Ct/kWh 1,1251 2,04 Preisgleitfaktor Arbeitspreis Servicepreis (geschätzt) /kw*a 2, ,00 Grundkosten /a , ,68 Verbrauchskosten /a , ,75 Servicekosten (geschätzt) /a 4.000,00 500,00 Gesamtkosten netto /a , ,43 spezifischer Preis pro Wärmeeinheit Ct/kWh 8,14 8,63 spezifischer Preis pro Fläche /m²*a 13,05 7,98 BHKW 3 (Contractingpreis) Ct/kWh 7,23 Wärmepumpe 1 mit Förderung Ct/kWh 9,05 Folie 31 / INNIUS

32 Optimierung der Betriebsführung Anpassung der Anlageneinstellungen an die konkreten Versorgungsverhältnisse Folie 32 / INNIUS

33 Optimierung der Betriebsführung spezifische Wärmeleistung [W/m²] Ist Soll t a,grenz. Außentemperatur [ C] 0 25,0 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0-2,5-5,0-7,5-10,0-12,5-15,0 Folie 33 / INNIUS

34 Optimierung der Betriebsführung Einsparung: normierter Jahresverbrauch Ist: 121,24 MWh/a normierter Jahresverbrauch Soll: 81,30 MWh/a Verbrauchseinsparung : 39,94 MWh/a spezifische Wärmeleistung [W/m²] Ist Soll Tage Folie 34 / INNIUS

35 Zusammenfassung Anlagenbemessung Es sollten vorhandene Verbrauchsinformationen einbezogen werden Die beste Informationsquelle ist der Zusammenhang zwischen Wärmeleistung und Außentemperatur BHKW und Wärmepumpe BHKW s lassen sich gut in vorhandene Wärmeversorgungssysteme einbinden Bei Wärmepumpen sind die zu hohen Temperaturen der Bestandsanlagen das größte Hindernis Betriebsführung und Bilanzierung Eine optimale Anlageneinstellung zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme ist nicht möglich Eine energetische Bilanzierung ist mit den Informationen der Jahresrechnungen einfach möglich und sollte auch erfolgen Folie 35 / INNIUS

36 Ausblick Die Bereitstellung von Wärmeenergie aus erneuerbaren Quellen ist die eigentliche Herausforderung der nächsten Jahrzehnte. Derzeit beträgt der Anteil in Dresden nur wenige Prozent. Von der DREWAG wurden 2010 ca GWh (ca. 35 %) Fernwärme und ca GWh (ca. 65 %) Erdgas abgegeben. Der Erdgasanteil wird zurzeit noch mit einem schlechten Primärenergiefaktor in Endenergie umgewandelt. Hier ist eine Verbesserung unbedingt erforderlich. Dafür zeichnet sich im Gebäudebestand kurz- bis mittelfristig nur der Einsatz von Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ab. Ausgeführte KWK-Anlagen mit Mini-BHKW und Nahwärmenetzen in der Größenordnung von einigen hundert kw erlauben eine Verringerung des Primärenergiefaktors auf ca. 50 % bis 70 %. Für den Einsatz von Wärmepumpen im Bestand mit Nutzung regenerativer Energiequellen müssen die Voraussetzungen noch geschaffen werden. Folie 36 / INNIUS

37 Ausblick Goethe Faust I Prolog im Himmel Ein guter Mensch in seinem dunklen Drange ist sich des rechten Weges wohl bewußt Folie 37 / INNIUS

38 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit sowie ebenfalls vielen Dank an Frau Nickol, Herrn Dr. Mewes und Herrn Dr. Ibrahim für die Organisation der Tagung. Dr.-Ing. Wolfgang Heße INNIUS DÖ GmbH, Großenhainer Straße Dresden Tel.: 0351 / w.hesse@innius-doe.de Folie 38 / INNIUS