Ermittlung des KWK-Potenzials in NRW - Methodik und erste Ergebnisse - Dr. Bernd Eikmeier

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1 Ermittlung des KWK-Potenzials in NRW - Methodik und erste Ergebnisse - Dr. Bernd Eikmeier

2 Inhalt 1. Rahmendaten zum Projekt + Arbeitsschritte 2. Potenzialermittlung Siedlungs-KWK 3. Potenzialermittlung Industrielle KWK 1

3 Rahmendaten Auftraggeber:Ministerium für Wirtschaft, Mittelstand und Energie des Landes NRW (über Projektträger ETN) Arbeitsgemeinschaft: Bremer Energie Institut (Projektleitung) Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung Institut für Ressourceneffizienz und Energiestrategien IREES GmbH (EnB) Redaktionsteam: Vertreter von EVU, Verbänden, AG, EnergieAgentur... 2

4 Arbeitsschritte AS 1: Datenrecherche und Methodenentwicklung inklusive Auswertung von Potenzialerhebungen AS 2: Datenerhebung und -aufbereitung der Bedarfsseite für die Fallbeispiele AS 3: Datenerhebung und -aufbereitung der Erzeugungsseite AS 4: Ermittlung der wirtschaftlichen KWK-Potenziale für die Fallbeispiele AS 5: Weitere Umsetzungsbeispiele und Hochrechnung der Ergebnisse auf ganz NRW 3

5 Auswertung von Potenzialstudien 16 Quellen auswertbar: 6 Studien zur KWK, 4 Studien zur Entwicklung der Energieversorgung 6 Potenzialabschätzungen von EVU Heterogenes Bild, Gründe sind u.a.: Angabe technisch-struktureller / wirtschaftlicher KWK-Potenziale Angabe KWK-Gesamtpotenzial / KWK-Entwicklungspfade Ansatz unterschiedlicher Rahmenbedingungen, z.t. mit Zielgrößen Angaben zu dezentralen KWK-Lösungen oft wenig differenziert, Abgrenzungsprobleme zu Fern-/Nahwärme-KWK (Doppelzählung?) Ergebnisse: KWK-Zubaupotenzial auf der Stromseite größer als auf der Wärmeseite Angaben für Deutschland: KWK-Fernwärme-Zubaupotenzialen bis 2020: TWh th /a, KWK-Fernwärme-Gesamtpotenziale bis 2020: 200 TWh th /a Die EVU geben für ihre Versorgungsgebiete KWK-Nah-/Fernwärme- Ausbaupotenziale zwischen 5 % und 36 % (bezogen auf Bestand) an Auf NRW bezogene KWK-Potenziale sind nicht direkt ableitbar Studie schließt eine Wissenslücke 4

6 Inhalt 1. Rahmendaten zum Projekt + Arbeitsschritte 2. Potenzialermittlung Siedlungs-KWK 3. Potenzialermittlung Industrielle KWK 5

7 7 Modellstädte als Fallbeispiele Herscheid Einw. Waltrop Einw. Voerde Einw. Lemgo Einw. Paderborn Einw. Düsseldorf Einw. Essen Einw. Quelle: 6

8 Bearbeitungsmethodik Fallbeispiele Erarbeitung hoch aufgelöster Bedarfsstrukturen (Wärmeatlas) Ermittlung der technischen /strukturellen KWK-Potenziale über Clusterung der Stadt (Berücksichtigung Änderung Wärmebedarf) Abbildung der KWK-Optionen über rd. ein Dutzend Musteranlagen über den gesamten Leistungsbereich inkl. der Spitzenkessel Angabe aller technischer Parameter Angabe aller Kostenparameter Ermittlung der KWK-Erzeugungskosten, der Wärmeverteilkosten sowie der Erzeugungskosten bei dezentralen Heizungen Wirtschaftlichkeitskriterium (wärmeseitige Betrachtung): KWK-Erzeugungskosten + Verteilkosten anlegbaren Wärmepreis Zusätzlich Betrachtungen von Objekt-KWK-Lösungen 7

9 Bearbeitungsmethodik Wärmebedarf 8

10 Nutzung von Laserscanning-Daten Laserscanning-Daten einer Befliegung liefern ein 3D- Rohbild des Geländes und aller Objekte (Punktewolke) Durch eine geeignete Aufbereitung der Rohdaten (mittels ALK) lassen sich die mittleren Objekthöhen errechnen Gebäude werden als 3D-Objekte extrahiert NRW ist komplett erfasst; aufbereitete 3D-Laserdaten sind flächendeckend verfügbar (über Bez.-Regierung Köln) In dieser Projekt werden erstmals 3D-Laserdaten zur Erstellung eines Wärmeatlas für mehrere Städte eingesetzt Vorteile: größtmögliche Auflösung (jedes einzelne Gebäude), exakte Erfassung der räumlichen Lage der Gebäude Nachteil: sehr hohe Objektzahl praktisch nur automatisierbare Arbeitsschritte möglich, manuelle Objektbehandlungen auch für Teilmengen kaum möglich 9

11 Aufbereitung von Laserscanning-Rohdaten Laserscanning-Rohdaten Einfärbung nach Höhe Klassifizierte Daten Einfärbung grün = Gelände, rot = Objekte Quelle: AGFW-Forschungsvorhaben Pluralistische Wärmeversorgung, 2004 (Innenstadt von Stuttgart, Punkte je km 2, Höhengenauigkeit 15 cm) 10

12 Digitales Oberflächenmodell (DOM) Digitales Oberflächenmodell Höhe steigt von grün nach braun Schummerung des DOM (Beleuchtung mit virtueller Lichtquelle) Quelle: AGFW-Forschungsvorhaben Pluralistische Wärmeversorgung, 2004 (Innenstadt von Stuttgart) 11

13 3D-Gebäudemodelle aus Laserscanning Informationsgehalt u.a.: Gebäudegrundflächen Gebäudehöhen Geschosszahl (meistens) Nutzungsart Datenverarbeitung: GIS-System Excel Innenstadt von Bonn archiv_2009/presse_043_200/bildmaterial/index.html 12

14 Ausschnitt Essen-Zentrum (2 km 2 ) Im Projekt erfolgt die Anwendung in einer 2D-Darstellung Legende Wohngebäude Gewerbe, Industrie o.ä. Sonstige Nichtwohngebäude Energetisch nicht relevante Gebäude 13

15 ALK, DTK 10, FNP, Netze + 3D-Daten Integration weiterer Daten besseres Handling, Zusatzinformationen 14

16 3D-Datensätze: Anzahl Objekte Modellstadt Herscheid Waltrop Voerde Lemgo Paderborn Düsseldorf Essen Summe Anzahl Objekte ca rd Doppeladressen (Adresse ohne 3D-Objekt) ca rd

17 3D-Daten: Nutzungsart & Nachbereitung Alle Objekte sind durch einen 4-stelligen Objektschlüssel (OS) codiert, der die Nutzungsart angibt, dazu gibt es für jede Stadt einen Objektschlüsselkatalog (OSKA) mit vielen hundert möglichen OS Beispiele: 1301 Wohnhaus (allgemein) 1331 Reihenhaus 1004 Wirtschafts- oder Industriegebäude (allgemein) 1421 Kreditinstitut-Gebäude, Bank-Gebäude 1181 Trauerhalle 2551 Öltank Uneinheitliche Anwendung: Nutzungsarten in den Fallbeispielen Erheblicher Aufwand für die Nachbearbeitung der Daten, Gründe u.a.: Ausfilterung von Teilmengen (nicht wärmerelevante Objekte) Wichtige Nutzungsarten sind nicht vergeben (z.b. Garagen) Eine Nutzungsart ist unglaubwürdig / Falschzuweisungen (z.b. 472 Objekte auf Schienen verschiebbares Gewächshaus ) Zu vielen GHD-Objekten ist die angegebene Nutzungsart zu allgemein Detaillierung und Zuweisung des Wirtschaftszweigs nötig - soweit möglich! Integration von Verbrauchsdaten (soweit zur Verfügung gestellt) 16

18 Beispiel 1: Ausfilterung von Teilmengen Ausfilterung in Essen: Bei einer Teilmenge der Objekte Wohngebäude handelt es sich um Parzellenhäuschen in Kleingärten Außerdem wurden in allen Städten bei allen Nutzungsarten Kleinstobjekte und andere Objekte ohne Wärmebedarf herausgefiltert 17

19 Beispiel 2: Falschzuweisung Objektart Falschzuweisungen in Lemgo: Bei Objekten Wirtschafts- oder Industriegebäude (allg.) handelt es sich vielfach um Garagen 18

20 Beispiel 3: Falschzuweisung Objektart Falschzuweisungen in Voerde: Bei Objekten Auf Schienen verschiebbares Gewächshaus handelt es sich um Wohngebäude Garagen Gewächshäuser etc. 19

21 Inhalt 1. Rahmendaten zum Projekt + Arbeitsschritte 2. Potenzialermittlung Siedlungs-KWK 3. Potenzialermittlung Industrielle KWK 20

22 Methodische Vorgehensweise Bestimmung des industriellen Wärmebedarfs heute und zukünftig (Wirtschaftsentwicklung und Effizienzverbesserungen) nach Temperaturniveau und Wirtschaftszweig (WZ) Definition von Referenzanlagen nach Anlagengröße und -typ Die einsetzbare Anlagengrößen werden für jeden WZ abgeleitet anhand der Unternehmensgröße (Indikator Mitarbeiterzahl) Abschätzung der Betriebsdauer der KWK-Anlagen anhand branchenspezifischer Produktionszeiten für jeden WZ Prüfung der Wirtschaftlichkeit dieser Fälle im Vergleich zu alternativer Wärmeerzeugung sowie Strombezug Hochrechnung auf NRW: Vergleich mit Bestandsdaten (Potenziale leiten sich aus Anlagenmodernisierung und Erschließung neuer Wärmesenken ab) Zusätzlich genaue Betrachtungen von Fallbeispielen Analyse von Modernisierungsoptionen, Hemmnissen etc. 21

23 Endenergiebedarf des verarbeitenden Gewerbes 2007 Quelle: Statistik NRW 2008, DESTATIS

24 Wärmebedarf nach Temperaturniveau sonstige Fahrzeuge Kraftfahrzeug Medizin, Mess-, Steuer-, Regelungstechnik, Optik Rundfunk-, Fernseh- und Nachrichtentechnik Büromaschine, DV-Geräte Maschinenbau Herstellung von Metallerzeugnissen Erzeugung von Roheisen Glas+Keramik, Steine, Erden Gummi +Kunststoff Chemische Industrie Verlags-, Druckgewerbe Raumwärme Brauchwasser bis 100 C C C über 1000 C Papiergewerbe Ledergewerbe Bekleidung Textil Tabak Ernährung 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Quelle: Wagner LEE

25 Endenergiebedarf des verarbeitenden Gewerbes 2007 Brennstoffeinsatz zur Wärmebereitstellung bis 500 C 4% 3% 3% 3% 3% Chemie Ernährung 4% 36% Papier Herst. Metallerzeugnisse 6% Metallerzeugung Gummi /Kunststoffe Maschinenbau 7% Kraftwagen Textil Glas, Steine/Erden sonstige 15% 16% Quelle: Angaben für NRW, Basis Energiebilanz NRW 2007; Wärmebedarf nach Wagner LEE

26 Status quo in NRW 2007 Brennstoffeinsatz zur Wärmeerzeugung bis 500 C lag bei ca. 57 TWh, entspricht ca. 49 TWh Nutzwärmebedarf (bei 85% Kesselwirkungsgrad). Chemie, Papier und Ernährung decken davon ca. 67 % bzw. 31 TWh ab Weitere 5 Branchen decken 24 % bzw. 12 TWh ab Wärmeerzeugung der industriellen KWK lag bei 23,8 TWh, KWK-Stromerzeugung bei 6,9 TWh (Stromkennzahl = 0,29) (Chemie: 0,38 / Papier, Ernährung: 0,24 / Raffinerien: 0,33) NRW in 2007 Summe Dampfturbinen Gasturbinen Motoren Stromerzeugung in KWK GWh Wärmeerzeugung in KWK GWh Stromkennzahl 0,29 0,24 0,58 0,93 Quelle: DESTATIS 25

27 Fallbeispiel: Currenta Modernisierung Standort Leverkusen Derzeit Versorgung mit Strom, Wärme, Kälte und Druckluft über drei Blöcke zwei Blöcke klassische Dampfkessel mit Dampfturbinen ein Block Gasturbine mit Abhitzekessel Modernisierungsidee ermöglicht Steigerung der KWK- Stromerzeugung um 800 GWh/a Ersatz von 2 Dampfkesseln, der Gasturbine sowie einer Dampfturbine Installation einer zweischienigen GuD-Anlage Technische Daten bisher nach Modernisierung Kesselleistung t/h (Dampf, 31 bar) t/h Turbinenleistung 136 MW 266 MW Max. Nutzdampfleistung 550 MW 540 MW Stromkennzahl 0,24 0,49 26

28 Kontakt und weitere Informationen Gesamtprojekt/ Siedlungs-KWK Industrielle KWK Dr. Bernd Eikmeier Bremer Energie Institut College Ring 2 / Research V Bremen Dr. Marian Klobasa marian.klobasa@isi.fraunhofer.de Felipe Toro f.toro@irees.de Gerald Menzler g.menzler@vik.de 27