Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Professur für Energiesystemtechnik und Wärmewirtschaft

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1 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Professur für Energiesystemtechnik und Wärmewirtschaft Einfluss von Vor- und Rücklauftemperatur auf die Wirtschaftlichkeit von Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung Prof. Dr.-Ing. habil. Achim Dittmann Dipl.-Ing. Martin Rhein Teilthema des: LowEx-Fernwärme MULTILEVEL DISTRICT HEATING Forschungsvorhaben gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie FKZ: B

2 Gliederung I. Überblick bli über die Fernwärmeversorgung in Deutschland II. III. IV. Vorstellung des Projekts: Multilevel District Heating Motivation für Temperaturabsenkung im Fernwärmenetz Untersuchte Kraftwerksprozesse Theoretisches Beispiel: Entnahme-Gegendruckprozess Heizkraftwerk Halle-Dieselstraße: GuD-Anlage V. Möglichkeiten zur Rücklauftemperaturabsenkung VI. Zusammenfassung und Ausblick Donnerstag, 6. November Giessener Fernwärmekolloquium 2

3 I. Überblick über die Fernwärmeversorgung in der Bundesrepublik Deutschland Allgemeine Daten Fernwärmetrassenlänge beträgt km Heizwassernetze und 84 Dampfnetze Brennstoffeinsatz t Deutschland (2005) Neubauvolumen Trassenlänge 600 km Vorlauftemperaturen: < 130 C Rücklauftemperaturen: C Müll+Sonstige 8% 500,8 PJ Gas 41% eingesetzte Brennstoffe: Steinkohle 39% Braunkohle 12% Quelle: AGFW Donnerstag, 6. November Giessener Fernwärmekolloquium 3

4 Anteil KWK an der Stromerzeugung e (EU 2004) Energieträgeranteil am Wärmemarkt Erneuerbare 5% Kohle 6% Fernwärme 8% 0 DK FI LV NL HU SK CZ PL AT EE DE PT LT LU ES BE IT SE SI UK FR IE EL Quelle: Eurostat Gase 48% Strom 10% Fazit: In der Deutschland besteht ein erhebliches Entwicklungspotential für den KWK- und Fernwärme-Ausbau!! A b Mineralöl 23% Quelle: BMWi Donnerstag, 6. November Giessener Fernwärmekolloquium 4

5 Fernwärmeerzeugung - Netzeinspeisung von Heizkraftwerken und Heizwerken Nettoeins peisung [PJ] Ante eil KWK Wärmeerzeugung gesamt Wärmeerzeugung HKW Wärmeerzeugung HW industrielle Abwärme Anteil KWK Quelle: Jahreshauptberichte AGFW Donnerstag, 6. November Giessener Fernwärmekolloquium 5

6 Energiebereitstellung aus Kraft-Wärme-Kopplung % 70% 60% ualer Antei il 50% 40% Prozent 30% 20% 10% 0% Dampfturbinen Gasturbinen GuD-Anlagen BHKW Anteil an elektrischer Leistung Anteil an Wärmebereitstellung Anteil an Elektroenergiebereistellung Quelle: Jahreshauptberichte AGFW Donnerstag, 6. November Giessener Fernwärmekolloquium 6

7 II. Multilevel District Heating 4 Teilthemen: TT1 Komplexanalyse Low Temperature & CHP TT2 Multifunktionale Fernwärmesysteme TT3 Einfluss sinkender Vorlauftemperaturen auf die Gebäudetechnik TT4 Software zur Verbesserung der Einsatzchancen von Fernwärmesystemen Ganzheitliche Betrachtung: von der Erzeugung bis zum Heizkörper der Transformation der Umweltenergie (Sonne/Biomasse) und/oder Abfallwärme (Kälte) und/oder Rücklaufenthalpie in das Fern-/Nahwärmesystem Donnerstag, 6. November Giessener Fernwärmekolloquium 7

8 III. Motivation o zur Vor- bzw. Rücklauftemperaturabsenkung Verringerung Vorlauftemperatur Rücklauftemperatur Reduzierung der Wärmeverluste an die Umgebung Erhöhung des nutzbaren Abwärmepotentials günstigere Einbindungsmöglichkeiten erneuerbarer Energien bessere Einsatzbedingungen für WP Geringere Wärmeverluste Verminderung elektrischer Eigenenergiebedarf Kleinere Dimensionierung der Nennweiten Geringere Investitionskosten Donnerstag, 6. November Giessener Fernwärmekolloquium 8

9 IV. Untersuchte Kraftwerksprozesse Entnahme-Gegendruckturbine Theoretisches Beispiel Gas- und Dampfturbine (GuD) GT mit Entnahme-Gegendruckturbine Fernwärmemassestrom konstant Fernwärmemassestrom variabel Fernwärmemassestrom konstant t Fernwärmemassestrom variabel Untersuchung der Einflüsse und Auswirkungen bei einer konstanten Vorlauftemperatur t VL und einer variablen Rücklauftemperatur t RL Donnerstag, 6. November Giessener Fernwärmekolloquium 9

10 Auswirkungen der Rücklauftemperaturabsenkung t k Simulation eines Entnahme-Gegendruckprozesses p F HDT MDT G ϑ RL HEIKO 1 Prozessdaten: Frischdampfdruck 80 bar Frischdampftemperatur 525 C p G h'. h' E G Q Fernwärmenetz: h EG. m DEG D,EG. m EG p E ṁm 2 h' E ϑ ZW HEIKO 2 ϑ VL Q H Vorlauftemperatur 100 C Rücklauftemperatur 65 C Massestrom 250 kg/s Donnerstag, 6. November Giessener Fernwärmekolloquium 10

11 Variabler Massestrom im Fernwärmenetz und t VL =100 C istung [MW] Lei Turbine enleistung [MW W] Rücklauftemperatur [ C] 19 Brennstoffbedarf Wärmeleistung Turbinenleistung Donnerstag, 6. November Giessener Fernwärmekolloquium 11

12 cher und elektrisc ngsgrad romkennzahl Wirkun Str 050 0, ,00 0,45 0,95 0,40 0,35 0,30 0, Rücklauftemperatur [ C] Stromkennzahl elektrischer Wirkungsgrad Gesamtwirkungsgrad 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 Gesamt twirkungsgrad konstanter Wärmebedarf im Fernwärmenetz verringerter Massestrom im Fernwärmenetz konstanter Frischdampfmassestrom steigende Turbinenleistung i geringerer Gegendruck konstanter Brennstoffbedarf Stromkennzahl nimmt zu höherer elektrischer Wirkungsgrad Gesamtwirkungsgrad steigt an Donnerstag, 6. November Giessener Fernwärmekolloquium 12

13 Konstanter Massestrom im Fernwärmenetz und t VL =100 C Leist tung [MW] Rücklauftemperatur [ C] Brennstoffbedarf Turbinenleistung Wärmeleistung Donnerstag, 6. November Giessener Fernwärmekolloquium 13

14 Stromkennz zahl und elektrisc cher Wir rkungsgrad 06 0,6 10 1,0 Anschluss zusätzlicher 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Rücklauftemperatur [ C] Stromkennzahl elektrischer Wirkungsgrad Gesamtwirkungsgrad 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 twirkungsgrad Gesamt Kunden an den Fernwärmerücklauf konstanter Massestrom im Fernwärmenetz Erhöhung des Frischdampfmassestroms steigende Turbinenleistung geringerer Gegendruck steigender Brennstoffbedarf Stromkennzahl nimmt zu höherer elektrischer Wirkungsgrad Gesamtwirkungsgrad bleibt konstant Donnerstag, 6. November Giessener Fernwärmekolloquium 14

15 Auswirkungen der Temperaturabsenkung am Beispiel des Heizkraftwerks Halle-Dieselstraße Prozessdaten: Frischdampfdruck 80 bar Frischdampftemperatur 525 C Frischdampfmassestrom 21 kg/s Fernwärmenetz: Vorlauftemperatur 100 C Rücklauftemperatur 65 C Massestrom 350 kg/s Betriebsdruck 10 bar Donnerstag, 6. November Giessener Fernwärmekolloquium 15

16 Variabler Massestrom im Fernwärmenetz und t VL =100 C Brenns stoff- und Wär rmeleistung [M MW] Turbine enleistung [MW W] Rücklauftemperatur [ C] 11 Brennstoffbedarf Wärmeleistung Turbinenleistung Donnerstag, 6. November Giessener Fernwärmekolloquium 16

17 Wirku ungsgrad[% %] 10 1,0 10 1,0 0,9 0,8 07 0,7 0,6 0,5 04 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Rücklauftemperatur [ C] Gesamtwirkungsgrad elektrischer Wirkungsgrad Stromkennzahl 0,9 0,8 07 0,7 0,6 0,5 04 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 mkennzahl Stro konstanter Wärmebedarf im Fernwärmenetz konstanter Frischdampfmassestrom größere Temperaturdifferenz geringerer Gegendruck steigende Turbinenleistung geringerer Eigenbedarf an elektrischer Energie Stromkennzahl nimmt zu höherer elektrischer Wirkungsgrad besserer Gesamtwirkungsgrad Donnerstag, 6. November Giessener Fernwärmekolloquium 17

18 Konstanter Massestrom im Fernwärmenetz und t VL =100 C Brennst toff- und Wär rmeleistung [M MW] Turbinen nleistung [MW W] Rücklauftemperatur [ C] 0 Brennstoffbedarf Wärmeleistung Turbinenleistung Donnerstag, 6. November Giessener Fernwärmekolloquium 18

19 tromkennzah und elektr rischer lwirkun ngsgrad[%] 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,93 0,91 0,89 0,87 Gesamtwir rkungsgrad [%] erhöhter Wärmebedarf im Fernwärmenetz steigender Frischdampfmassestrom größere Temperaturdifferenz geringerer Gegendruck St 0, Rücklauftemperatur [ C] 0,85 steigende Turbinenleistung geringerer Eigenbedarf an elektrischer Energie Stromkennzahl elektrischer Wirkungsgrad Gesamtwirkungsgrad Stromkennzahl nimmt ab geringerer elektrischer Wirkungsgrad besserer Gesamtwirkungsgrad Donnerstag, 6. November Giessener Fernwärmekolloquium 19

20 50 49 elek ktrische Lei istung [MW W] Rücklauftemperatur [ C] Durch Absenken der Rücklauftemperatur kann die KWK- Stromausbeute erhöht werden! Donnerstag, 6. November Giessener Fernwärmekolloquium 20

21 V. Möglichkeiten zur Rücklauftemperaturabsenkung Optimierung durch Energieversorger Installation von Wärmesenken in den Rücklauf Versorgung aus dem Fernwärmerücklauf Einbindung von Wärmepumpen in den Fernwärmerücklauf Optimierung der Wärmeübertrager Einflussmöglichkeiten des Kunden Hydraulischer Abgleich Hausrücklaufversorgung Entnahmeorientierte Tarifgestaltung Donnerstag, 6. November Giessener Fernwärmekolloquium 21

22 VI. Zusammenfassung und Ausblick Rücklauftemperaturabsenkung ist als wirtschaftlich zu bewerten durch Vorlauftemperaturabsenkung keine größere KWK-Stromausbeute zusätzliches Optimierungspotential erschließen Temperaturabsenkung als Ausgangspunkt Berücksichtigung des Verbrauchers Ganzheitliche Betrachtung als Zielstellung Donnerstag, 6. November Giessener Fernwärmekolloquium 22

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Ing. Martin Rhein Tel. (0351) Donnerstag, 6. November Giessener Fernwärmekolloquium 23