EIT-E. Rationelle Energieanwendung Fakultät: EIT-E SS Teil VI Kraftwärmekopplung. Prof. Dr.-Ing. H. R. Fehrenbach

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1 Rationelle Energieanwendung Fakultät: Teil VI Kraftwärmekopplung Rationelle Energieanwendung/ Seite 1

2 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Potenzial in Deutschland Rationelle Energieanwendung/ Seite 2

3 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Potenzial in Deutschland Prozentuale Anteile der KWK-Stromproduktion an der Gesamtstromerzeugung im Jahr 2000 in der EU Quelle: EUROSTAT 12/2003 Rationelle Energieanwendung/ Seite 3

4 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Potenzial in Deutschland Ergebnisse: Studie im Auftrag des BMWi (Bremer Energieinstitut und DLR) Wirtschaftlich umsetzbares Potenzial der KWK bei mindestens 57% der gesamten Stromerzeugung in Deutschland (momentan 12%) Elektrische Leistung von KWK-Anlagen, derzeit ca. 21 GW, könnte bis 2020 verdreifacht werden Schneller Ausbau realistisch, siehe Beispiele anderer europäischer Länder wie Dänemark, Niederlande und Finnland Anspruchsvollen Novellierung des KWK-Gesetzes notwendig Errichtung der derzeit geplanten über 30 GW an neuen konventionellen Kraftwerken mit dem Ziel einer weitgehenden Nutzung der KWK-Potenziale unvereinbar Neubau neuer konventioneller Kraftwerkskapazitäten aus energiewirtschaftlichen Gründen nicht erforderlich Künftiger Bedarf an elektrischem Energie und Erzeugungskapazitäten inkl. Regelenergie komplett durch einen der KWK mit fossilen und zunehmend biogenen Brennstoffen in Kombination mit erneuerbaren Energien sowie intelligentes Management zwischen Energieverbrauchern und Energieerzeugern erreicht werden Rationelle Energieanwendung/ Seite 4

5 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Potenzial in Deutschland Fazit der Autoren: Es liegt jetzt erstmalig eine systematische Abschätzung des KWKPotenzials in Deutschland vor Die ermittelten Potenziale sind beachtlich (Referenzfall): Wärme: 328 TWh/a (Anteil am Bedarf ca. 32 %) Strom: 357 TWh/a (Anteil Bruttoerzeugung ca. 57 %) Eine erhebliche Primärenergie-Einsparung ist möglich: 173 TWh/a gegenüber der besten Technik der getrennten Erzeugung! Die Potenziale werden nicht automatisch realisiert Ausbau der KWK und einer intelligenten Steuerung: Höhere Investitionen sowie mehr Arbeitsplätze schaffen Energieverbrauch durch Energieintelligenz ersetzen dauerhafte Wachstumsimpulse über mehrere Jahrzehnte, die mit den Langfristzielen einer nachhaltigen Wirtschaft vereinbar sind, würden ausgelöst Hingegen bei massivem Ausbau konventioneller Kraftwerkskapazitäten: Nächsten Jahrzehnte: schwere Hypothek ein erhebliches politisches Gegengewicht gegen die Entwicklung einer nachhaltigen Wirtschaft Rationelle Energieanwendung/ Seite 5

6 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Grundprinzip Nutzung der in Brennstoffen enthaltenen Exergie, dem wertvollen Anteil der Energie Brennstoffenergie wird nicht einfach in niederwertige Wärme umgewandelt Exergieabbau wird für die Auskopplung von Kraft bzw. Strom genutzt die bei der Stromerzeugung anfallende Umwandlungswärme kann auf einem genügend hohen Niveau ausgekoppelt werden Wärme fällt in der Nähe des Verbrauchers an ( Nahwärme ) KWK-Kraftwerke sind reaktionsschnell ( Regelenergie) Definition: Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist die gleichzeitige Gewinnung von mechanischer und thermischer Nutzenergie aus anderen Energieformen mittels eines thermodynamischen Prozesses in einer technischen Anlage Rationelle Energieanwendung/ Seite 6

7 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Grundprinzip Rationelle Energieanwendung/ Seite 7

8 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Grundprinzip Rationelle Energieanwendung/ Seite 8

9 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Grundprinzip Energieeinsparung durch KWK in einem Blockheizkraftwerk - Systemvergleich Quelle: Bosch/Buderus Rationelle Energieanwendung/ Seite 9

10 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Grundprinzip Funktionsschema: Blockheizkraftwerk (BHKW mit Otto- oder Dieselmotor) Quelle: Bosch/Buderus Rationelle Energieanwendung/ Seite 10

11 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Grundprinzip Wirkungsgradbeispiele im Vergleich Quelle: ASUE Rationelle Energieanwendung/ Seite 11

12 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Grundprinzip Aufbau: Blockheizkraftwerk (BHKW mit Otto- oder Dieselmotor) Quelle: Bosch/Buderus Rationelle Energieanwendung/ Seite 12

13 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Grundprinzip Funktionsprinzip: Stirlingmotor Stirlingmotor: beta-typ Stirlingmotor: alpha-typ Quelle: Peter Fette Rationelle Energieanwendung/ Seite 13

14 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Übersicht - Mikro-BHKW Übersicht Anlagen - Stirlingmotoren Der Stirlingmotor eignet sich hervorragend zur dezentralen Strom- und Wärmeversorgung geringerer Leistungen (1-45 kwel ) Großer Vorteil: Brennstoffunabhängigkeit Er gilt als wartungs- und geräuscharm Der Erhitzer-Wärmetauscher ist aufgrund der hohen Temperatur ausgesetzt und stellt eine Problemstelle dar und begrenzt auch den maximal erzielbaren Wirkungsgrad (wie Carnotwirkungsgrad) Die Regelung des Stirlingmotors erfolgt durch die Anpassung der Temperatur im Erhitzer-Wärmetauscher Arbeitsdruck: zwischen 33 bar und 150 bar Rauchgastemperatur am Erhitzer-Wärmetauscher: 600 C C Stirlingmotoren gewinnen immer mehr an Bedeutung in der Anwendung als BHKW Grundlage dafür ist eine intensive Weiterentwicklung der Aggregate Durch die Erhöhung des Arbeitsdruckes sowie durch Reduzierung der Massen der bewegten Teile kann die Leistung erheblich gesteigert werden KWK mit einem Stirlingmotor steht kurz vor der Marktreife Entwicklung ist längst noch nicht abgeschlossen Rationelle Energieanwendung/ Seite 14

15 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Übersicht - Mikro-BHKW Stirlingmotoren: Alternativantrieb Dishsysteme Rationelle Energieanwendung/ Seite 15

16 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Kennwerte Wirkungsgrad: η= Nutzleistung Brennstoffleistung Brennstoffausnutzungsgrad: ζ= Nutzleistung+Nutzwärme Brennstoffleistung Stromkennzahl: Nutzleistung σ= Nutzwärme Abgasausnutzungsgrad: ζ Abgas = σ= η= P el m Br H u ζ= Pel + Q Nutz m Br H u P el Q Nutz (Nutzl.+Nutzw. aus Abgas) P el + Q Nutz aus Abgas = Abgaswärme Q Abgas Rationelle Energieanwendung/ Seite 16

17 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Umweltverträglichkeit Rationelle Energieanwendung/ Seite 17

18 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Systemvergleich Rationelle Energieanwendung/ Seite 18

19 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Systemvergleich BHKW- Merkmale Rationelle Energieanwendung/ Seite 19

20 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Systemvergleich CO2-Emissionen bei der Stromproduktion Quelle: VDI/CO2-Emissionen der Stromerzeugung Ein ganzheitlicher Vergleich verschiedener Techniken Rationelle Energieanwendung/ Seite 20

21 6. Kraft-Wärme-Kopplung: CO2-Einsparung Beispiel: Einsatz eines Senertec-Moduls Elektrischer Wirkungsgrad: η=0,35 Thermischer Nutzungsgrad: ηth =0,95 Elektrische Leistung: 5 kw Thermische Leistung :12,5 kw Annahme: 5000 Betriebsstunden Annahme : CO 2 Emissionen/Strom : 330 g /kwh (günstiger Mix) Im Kraftwerksmix würden für die kgco 2 5 kw h kg die Stromproduktion: 0,33 500O =23571 CO2 0,35 kwh a a emittiert. Zusätzlich einstehen im Gaskessel bei der Wärmeproduktion kg CO2 12,5kW kg 0, h=13158 CO2 0,95 kwh a kgco 2 12,5kW+5 kw h kg Das BHKW (Erdgas) emittiert dagegen: 0, =20349 CO2 0,86 kwh a a kg Damit ergibt sich eine Einsparung von CO2 (44,5%) a Rationelle Energieanwendung/ Seite 21

22 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Auslegung - BHKW Betriebsweisen Wärmeorientierte Auslegung und Fahrweise: BHKW läuft immer dann, wenn Wärme benötigt wird Der erzeugte Strom wird dann selbst verbraucht oder ins öffentliche Netz eingespeist - ca. 95% der Anlagen in der BRD Stromorientierte Auslegung und Fahrweise Der Strombedarf ist die Führungsgröße Die BHKW-Größe orientiert sich an der Anschlussleistung der Anlage und an den täglichen Stromverbrauchskurven Diesem Anlagentyp wird unterstellt, daß die gleichzeitig freigesetzte Wärme ständig ins Heiznetz abgegeben werden kann - ggf. über Notkühlung Inselbetrieb: Es besteht keine Verbindung zum Netz eines EVUs Netzparallelbetrieb: Es besteht eine Verbindung zum Netz des EVU's mit gleiche Frequenz und Spannung, Stromspitzen aus dem Netz, häufigste Variante Netzersatzbetrieb: Bei Bedarf kann das EVU-Netz ersetzt werden (Notstrom), im Normalfall läuft die Anlage im Netzparallelbetrieb Rationelle Energieanwendung/ Seite 22

23 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Auslegung - BHKW Thermisches und elektrisches Lastprofil eines Mehrfamilienhauses gemäß VDI 4655 Lastprofile: für einen bewölkten Werktag im Herbst zeigen, geringe Korrelation zwischen dem elektrischen und thermischen Lastprofil BHKW-Betrieb mit einer starren Kopplung zwischen thermischer und elektrischer Energieumwandlung wird nur einer Energieart bedarfsgerecht Zukunft: Thermischer und elektrischer Speicher Rationelle Energieanwendung/ Seite 23

24 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Auslegung - BHKW Wärmeorientierte Fahrweise: Auslegung nach der geordneten Jahresdauerlinie Kurve gibt an, wie viele Stunden im Jahr die betreffenden Leistung gefordert wird Energiebedarf eines Objekts wird für alle 8760 Stunden des Jahres gemessen Die Wärmeerzeuger müssen diese Kurve entsprechend abdecken Brauchwarmwasserbedarf und ähnliche Nutzungen ergeben höheren Grundlastanteil Neue Wohnanlagen zeichnen sich durch gute Wärmedämmung aus, so dass keine stark ausgeprägten Wärmespitzen entstehen Gleichmäßige Wärmegrundlast und hoher Stromverbrauch bilden bei diesem Abnehmer ideale Voraussetzungen für den Einsatz von BHKW-Anlagen Darüber hinaus können sie auch zur Notstromversorgung eingesetzt werden Rationelle Energieanwendung/ Seite 24

25 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Auslegung - BHKW Auslegung nach der geordneten Jahresdauerlinie Auslegung von Mikro-BHKW i.d.r. auf die Grundversorgung mit Wärme Erfahrungswert für Mehrfamilienhäuser: Thermische Leistung des BHKW: 10-20% des maximalen Wärmebedarfs (kältester Tag) Spitzenlast wird durch zusätzlichen Kessel abgedeckt Rationelle Energieanwendung/ Seite 25

26 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Auslegung - BHKW Auslegung nach der geordneten Jahresdauerlinie: Beispiel BHKW 1: 15% der maximalen Wärmeleistung 6500 Betriebsstunden Abdeckung: 56% des Wärmebedarfs BHKW 2: weitere 15% der Jahreshöchstlast 3300 Betriebsstunden Abdeckung: 28% des Gesamtwärmebedarfs Nur noch an 1500 Stunden Spitzenlastkessel für restlichen 16% des Wärmebedarfs Vergleich: Einzelnes BHKW würde nur auf 3300 Betriebsstunden kommen statt 4900 im Mittel beim Einsatz von 2 Modulen Quelle: ASUE Rationelle Energieanwendung/ Seite 26

27 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Auslegung - BHKW BHKW- Tageslastgang Rationelle Energieanwendung/ Seite 27

28 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Vorteile - BHKW Rationelle Energieanwendung/ Seite 28

29 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Vorteile - BHKW Rationelle Energieanwendung/ Seite 29

30 6. Kraft-Wärme-Kopplung: KWKK Steigerung der Benutzungsstunden durch Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung z.b. Werk Regensburg von BMW Rationelle Energieanwendung/ Seite 30

31 6. Kraft-Wärme-Kopplung: BHKW - Ausführungsbeispiel DEUTZ TBG Zylinder in schlesischem Bergwerk BHKW-Anlage erzeugt mit einem Methangaseinsatz von 13 Mio. m3/a (Grubengas bezogen auf 100% CH4) sowohl Wärme (7 MW) und Strom (6,6 MW) als auch Kälte (5,7 MW) Gesamtwirkungsgrad von 80 % Durch Verwertung des Methangases in werden jährlich knapp Tonnen Kohlendioxid an Emissionen vermieden Grubengasverwertung trägt zweifach zur Nachhaltigkeit bei Freie Emissionen von Methan vermieden (Treibhauswirkung rund 21 mal höher als die von CO2) Fossile Brennstoffe wie Erdgas und Erdöl werden substituiert Rationelle Energieanwendung/ Seite 31

32 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Übersicht - Mikro-BHKW Rationelle Energieanwendung/ Seite 32

34 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Übersicht - Mikro-BHKW ZuHauseKraftwerk (VW/Lichtblick) 20 kwel (ηel=35%) 35 kwth η = 94% Rationelle Energieanwendung/ Seite 34

35 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Übersicht - Mikro-BHKW Vaillant (Honda) 1 kwel 2,5 kwth Rationelle Energieanwendung/ Seite 35

40 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Übersicht - Mikro-BHKW Bosch/Buderus (Rinnai): Freikolbenstirling 1 kw,3-7 kw kw (Brennwertkessel) el th th Rationelle Energieanwendung/ Seite 40

41 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Übersicht - Mikro-BHKW Viessmann: Freikolbenstirling 1 kw,6 kw +Zusatzbrenner 18 kw (Brennwertkessel) el th th Rationelle Energieanwendung/ Seite 41

42 6. Kraft-Wärme-Kopplung: Übersicht - Mikro-BHKW Übersichten: Rationelle Energieanwendung/ Seite 42