Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien

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1 Lehrveranstaltung Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien Prof. Dr.-Ing. Mario Adam E² - Erneuerbare Energien und Energieeffizienz Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik Fachhochschule Düsseldorf Kapitel Ökobilanz, Wirtschaftlichkeit a d a m Bewertung 1

2 Ökobilanzen Beispiel: Endenergieträger, BRD (I) Endenergieträger in Deutschland Primärenergiefaktoren (spezifischer Primärenergieaufwand) kwh Prim / kwh End Heizöl L (Heizwert: 35,8 MJ/l, Dichte: 840 kg/m 3 ) CO 2 CO 2 - Äquivalente g/kwh End Emissionsfaktoren NO x SO 2 mg/kwh End Bereitstellung ,28 Verbrennung 1) Diesel (inkl. Bio) (Heizwert: 35,6 MJ/l, Dichte: 836 kg/m 3 ) Bereitstellung ,17 Verbrennung 2) Benzin, normal (inkl. Bio) (Heizwert: 31,9 MJ/l, Dichte: 747 kg/m 3 ) Bereitstellung ,23 Verbrennung 3) Steinkohle (Heizwert Import: 27,5 MJ/kg, BRD: 29,3 MJ/kg) Bereitstellung, Import 1, Bereitstellung, BRD 1, Verbrennung 4) ) Kessel ohne REA, NO X -Minderung nach GFAVO + low-no X -Brenner 2) in einem Dieselmotor mit Katalysator 3) in einem PKW-Otto-Motor mit Katalysator 4) kleines Heizwerk mit NO x - armer Rostfeuerung und Trocken-Additiv-Verfahren Quelle: /2012 a d a m Bewertung 2

3 Ökobilanzen Beispiel: Endenergieträger, BRD (II) Endenergieträger in Deutschland Primärenergiefaktoren (spezifischer Primärenergieaufwand) kwh Prim / kwh End Erdgas (Heizwert: 35,6 MJ/m 3, Dichte: 0,77 kg/m 3 ) CO 2 CO 2 - Äquivalente g/kwh End Emissionsfaktoren NO x SO 2 mg/kwh End Bereitstellung ,16 Verbrennung 1) Strom aus BRD-Mix 2, Braunkohle 2) 2, Steinkohle 2) 2, Erdgas 3) 2, Kernkraft 3, Wasserkraft 4) 1, Windkraft 5) 1, Inklusive 0,08 kwh Prim /kwh End durch Stromtransport/-verteilung, Mittelwert BRD, ) Zentrale Brennwertheizung mit atmosphärischem Brenner mit NO X -Minderung 2) Kohlekraftwerk mit REA und NO x -Minderung 3) GuD Kraftwerk mit Low NO x - Brennkammer 4) im großen Wasserkraftwerk 5) Aus dem in der BRD installierten Anlagenmix Quelle: /2012 a d a m Bewertung 3

4 Übung Ökobilanz Ermitteln Sie den persönlichen Primärenergieverbrauch und die persönlichen CO 2 -Emissionen eines typischen Singles, z.b. eines Studenten, für untenstehende Verbrauchsbereiche und die Anteile am Jahresgesamtwert! Nutzen Sie dazu die vorstehenden Tabellen für die Ökobilanzen der Energieträger (für Strom: BRD-Mix). Indirekter Energieverbrauch durch die Nutzung von Dienstleistungen und öffentlicher Infrastruktur und den Konsum von Gütern inkl. Lebensmitteln käme noch hinzu, wird hier aber ausgeklammert. Raumbeheizung: - Ölkessel - Heizölverbrauch = 15 l pro m² Wohnfläche und Jahr (statistisches Mittel BRD) - 40 m² Wohnfläche (statistisches Mittel BRD) Warmwasser, vom Heizkessel erwärmt - Warmwasserverbrauch = 30 l pro Tag - Warmwasser-/Kaltwassertemperatur = 40 C/10 C - Jahresnutzungsgrad des Brennwertkessels bei der Wassererwärmung = 95 % Betrieb elektrischer Geräte im Haushalt - Stromverbrauch = kwh pro Jahr (statistisches Mittel BRD) Autobenutzung km pro Jahr - 8 l Benzin pro 100 km Lösungen: Primärenergie Raum 7637 kwh/30,2%, WW 516 kwh/2,0%, Strom 4065 kwh/16,1%, Auto kwh/51,7% CO2 Raum 1778 kg/33,0%, WW 120 kg/2,2%, Strom 906 kg/16,8%, Auto 2584 kg/48,0% a d a m Bewertung 4

5 Übung Ökobilanz, Berechnung Heizung Endenergie: 15 l/(m 2. a). 40 m 2 = 600 l/a 600 l/a. 35,8 MJ/l = MJ/a = kwh/a Primärenergie: kwh End /a. 1,28 kwh Prim /kwh End = kwh Prim /a ( 30,2 %) CO 2 -Emmission: kwh End /a. 298 g CO2 /kwh End = kg CO2 /a ( 33,0 %) Warmwasser Endenergie: 30 l/d. 4,2 kj/(kg. K). 30 K = 3780 kj/d = 1,05 kwh/d 1,05 kwh/d. 365 d/a = 383,25 kwh/a 383,25 kwh/a / 0,95 = 403,4 kwh/a Primärenergie: 403,4 kwh End /a. 1,28 kwh Prim /kwh End = 516 kwh Prim /a ( 2,0 %) CO 2 -Emmission: 403,4 kwh Prim /a. 298 g CO2 /kwh End = 120 kg CO2 /a ( 2,2 %) Strom Endenergie: kwh/a Primärenergie: kwh End /a. 2,71 kwh Prim /kwh End = kwh Prim /a ( 16,1 %) CO 2 -Emmission: kwh End /a. 604 g CO2 /kwh End = 906 kg CO2 /a ( 16,8 %) Auto Endenergie: km/a. 8 l/100 km = l/a l/a. 31,9 MJ/l = 38,28 GJ/a = kwh/a Primärenergie: kwh End /a. 1,23 kwh Prim /kwh End = kwh Prim /a ( 51,7 %) CO 2 -Emmission: kwh End /a. 243 g CO2 /kwh End = kg CO2 /a ( 48,0 %) Summe Primärenergie: kwh Prim /a CO 2 -Emmission: kg CO2 /a a d a m Bewertung 5

6 a d a m Bewertung 6

7 Statische Amortisationszeit t Mehr Investition jährliche Kosteneinsparung statisch = = I K a,ges [ a] I = Mehr-Investition bei der Anschaffung [ ] K a,ges = K a,energie + K a,sonstige [ /a] K a,energie K a,sonstige = jährliche Einsparung an Energiekosten = jährlich eingesparte Energiemenge Q. a Energiepreis e = sonstige Unterschiede bei den jährlichen Kosten z.b. bzgl. Wartung Nachteil: keine Berücksichtigung von Zinseffekten a d a m Bewertung 7

8 Dynamische Amortisationszeit t dynamisch = ln K K a, ges lnq a, ges I z [ a] I = Mehr-Investition bei der Anschaffung [ ] z = Zinssatz pro Jahr (als Dezimalzahl) [1/a] q = 1 + z K a,ges = K a,energie + K a,sonstige [ /a] K a,energie = jährlich eingesparte Energiekosten = Energiemenge Q. a Energiepreis e K a,sonstige = sonstige Unterschiede bei den jährlichen Kosten z.b. bzgl. Wartung Dahinter stehender Gedankenansatz: Die Mehr-Investition für die Energiesparmaßnahme wird mit einem Annuitätendarlehen finanziert, dessen jährlich zurück zu zahlende Rate ( I a ) genau so groß ist wie die jährlich durch die Energiesparmaßnahme eingesparten Kosten ( K a,ges )! I a = Ka, ges mit Ia = I Annuität q n z = I q n 1 nach n = t dynamisch auflösen a d a m Bewertung 8

9 Erneuerbare-Energien-Preis, Energieeinsparkosten e K = Ia + Ka,Sonstiges Qa = I Annuität + Ka,Sonstiges Qa /a kwh/a = kwh I a = jährliche (gleich bleibende) Rate für Tilgung + Zins des Darlehens I = (Mehr-)Investition bei der Anschaffung [ ] Annuität a = Jahresrate in Prozent der Darlehenssumme (als Dezimalzahl; Einheit:1/a) z = Zinssatz pro Jahr (als Dezimalzahl) [1/a] q = 1 + z n = Technische Lebensdauer der Anschaffung [a] K a,sonstige = sonstige Unterschiede bei den jährlichen Kosten z.b. bzgl. Wartung [ /a] Q a = jährlich produzierte bzw. eingesparte Energiemenge [kwh/a], [l/a], etc. = q q n n z 1 Dahinter stehender Gedankenansatz: Die (Mehr-)Investition für die Anlage zur regenerativen Strom- oder Wärmeproduktion bzw. die Energiesparmaßnahme ( I) wird mit einem Annuitätendarlehen finanziert, dessen Laufzeit (n) der technischen Lebensdauer der Anschaffung entspricht! I a kann ausgerechnet werden (alle Größen sind zum Zeitpunkt der Investition bekannt) Achtung: Findet bei einer Energiesparmaßnahme ein Wechsel zu einem anderen Energieträger statt, ist die rein dadurch verursachte Kostenerhöhung/-ersparnis für die nach der Maßnahme noch erforderliche Energiemenge in K a,sonstige zusätzlich zu berücksichtigen a d a m Bewertung 9

10 Bewertung der Wirtschaftlichkeits-Kennzahlen Berücksichtigung von Zinseffekten Wirtschaftlichkeit wird angezeigt durch Vorteil Nachteil vorteilhaft kommunizierbar bei Amortisationszeit statisch: nein dynamisch: ja t < Lebensdauer der Maßnahme (in Unternehmen oft scharfe Anforderungen von t < 2 4 Jahre) leicht verständlich: Zeitraum, in dem die Mehr-Investition durch Kosteneinsparungen zurückfließt Kennzahl selbst hängt ab vom vergleichsweise unsicheren Energiepreis (ein Energiepreis muss eingesetzt werden) kurzen Amortisationszeiten von wenigen Jahren (insbesondere wenn bei Einsatz aktueller Energiepreise schon erreichbar) Energieeinsparkosten Erneuerbare-Energie-Preis ja e K < Energiepreis des substituierten (fossilen) Energieträgers (mittlerer Preis während der technischen Lebensdauer der Investition) Der Wert der Kennzahl hängt nur von Größen ab, die zum Zeitpunkt der Umsetzung der Maßnahme feststehen ( I, z) bzw. gut vorherbestimmt werden können ( Q a, n); der unsichere Energiepreis des substituierten (fossilen) Energieträgers dient nur als Vergleichsgröße nicht so leicht verständlich = Kosten, um 1 kwh Energie regenerativ zu produzieren bzw. (fossilen) Energieträger zu substituieren langen, unattraktiv klingenden Amortisationszeiten in der Größenordnung der technischen Lebensdauer der Anschaffung a d a m Bewertung 10

11 Weitere Methoden zur Wirtschaftlichkeitsbewertung Vollkostenrechnung (z.b. nach VDI 2067) Kapitalkosten: für Investition Verbrauchskosten: für Energieträger Betriebskosten: für Wartung, Instandhaltung, etc. Erlöse Kapital- oder Barwertmethode Mit Auf- bzw. Abzinsung jeder Einzelausgabe auf ein fixes Datum Vorteil: Preissteigerungen, Inflation, Reparaturkosten, etc. lassen sich einfach berücksichtigen a d a m Bewertung 11

12 Übung - Warmwasser-Solaranlage der FH D Die zentrale, mit Fernwärme beheizte Warmwasseranlage der FHD stammt aus dem Jahre Die energetische Analyse einer Studentengruppe kam 2002 zu dem Ergebnis, dass das ca. 2 km lange Warmwasser-Zirkulationsnetz enorme Wärmeverluste aufwies, wobei in vielen Teilen des Gebäudes kaum Warmwasser verbraucht wurde. Eine drastische Verkleinerung des Zirkulationsnetzes (jetzt nur noch Mensa und Teile des L-Traktes), führte zu einer Reduktion des Fernwärmeverbauchs um 3600 GJ/a. Die Deckung des verbleibenden Energiebedarfs wird durch eine neue thermische Solaranlage unterstützt. Dadurch lassen sich weitere kwh/a an Fernwärme einsparen. Die Kosten für den Rückbau des Zirkulationsnetzes und den Bau der Solaranlage betrugen jeweils rund Annahmen: Aktueller Fernwärmepreis der FHD: 3 ct/kwh Anzunehmender Kredit- bzw. Kapitalzins: 4 % Technische Lebensdauer der Solaranlage: 20 a Fragen Wie groß ist die dynamische Amortisationszeit für den Rückbau der Warmwasser- Zirkulationsleitung unter Ansatz aktueller Energiepreis? Wie groß sind die statische Amortisationszeit, die dynamische Amortisationszeit und die Energieeinsparkosten (= Preis für eine kwh Solarenergie) für die Solaranlage? Wie groß ist die dynamische Amortisationszeit für beide Maßnahmen zusammen? Lösungen: 1,4 a; 53,3 a; ; 11,8 ct/kwh; 2,8 a a d a m Bewertung 12

13 Übung - Wirtschaftlichkeit Heizgeräte Analysieren Sie die Wirtschaftlichkeit energiesparender Heizgeräte in einem Neubau und einem Altbau (Modernisierung) mit jeweils 150 m² Wohnfläche unter Ansatz folgender Daten: neues Gas-Brennwertgerät: 2500, Jahresnutzungsgrad = 105 %, Lebensdauer 20 a neues Gas-Niedertemperaturgerät: 2000, Jahresnutzungsgrad = 90 %, Lebensdauer 20 a alter Gas-Standardkessel: Jahresnutzungsgrad = 70 % Montage eines neuen Heizgerätes: 1000 im Altbau notwendige Schornsteinsanierung bei Einbau eines neuen Heizgerätes: 500 gleiche laufenden Nebenkosten für Schornsteinfeger, Wartung, etc. bei allen Geräten Wärmebedarf für Heizung und Warmwasser: Neubau 50 kwh/m²a; Altbau 200 kwh/m²a (Nutzungsgrad = Wärmebedarf / Energieverbrauch) Kredit- bzw. Kapitalzins: 3 % Gaspreis: 7 ct / kwh Hu 1. Ist der Austausch des noch funktionierenden alten Gaskessels im Altbau wirtschaftlich? Wenn ja, was ist wirtschaftlicher, ein Brennwert- oder ein Niedertemperaturgerät? Beantworten Sie die Frage mit Hilfe der dynamischen Amortisationszeit. 2. Was ist im Neubau wirtschaftlicher, ein Brennwert- oder ein Niedertemperaturgerät? Nutzen Sie hierzu die statische und die dynamische Amortisationszeit und die Energieeinsparkosten. 3. Wie viel teurer darf das Brennwertgerät gegenüber dem Niedertemperaturgerät sein, damit sich sein Einsatz im Neubau gerade noch amortisiert (Zinseffekte berücksichtigen!). Wie hoch sind in diesem Fall die dynamische Amortisationszeit und die Energieeinsparkosten. Lösungen: ja, NT 5,8a, BW 4,3a, BW; BW, 6,0a, 6,7a, 2,8 ct/kwh; 1243,8, 20a, 7 ct/kwh a d a m Bewertung 13

14 Übung - Wirtschaftlichkeit eines 3-l-Autos Der VW-Lupo wird als Benziner, SDI-Diesel und, bis zum Jahr 2005, in einer Variante mit einem Verbrauch von 3 l Diesel pro 100 km angeboten. Annahmen: Neuwagenpreise, Kraftstoffverbrauch bei vergleichbarer Ausstattung (60 PS, Alufelgen,...): - Benziner: ,2 l/100 km - SDI-Diesel: ,5 l/100 km - 3l-Diesel: l/100 km Finanzierungszinssatz: 2 % Nutzungsdauer der PKW: 15 a Fahrleistung: km/a Kraftstoff: 1,25 / l Normalbenzin (30,5 MJ/l), 1,10 / l Diesel (36 MJ/l) Beantworten Sie folgende Fragen jeweils mit Hilfe der statischen Amortisationszeit und der dynamischen Amortisationszeit in Jahren und der Energieeinsparkosten in /l und in ct/mj. Lohnt sich die Anschaffung des 3l-Diesel gegenüber dem SDI-Diesel? Lohnt sich die Anschaffung des 3l-Diesel gegenüber dem SDI-Diesel unter Berücksichtigung einer Steuerersparnis von 50 /a und eines Mehraufwandes für Inspektionen von 150 /a beim 3l-Diesel im Vergleich zum SDI-Diesel? Lohnt sich die Anschaffung des 3l-Diesel gegenüber dem Benziner bei gleicher Steuerersparnis und Mehraufwand für Inspektionen wie oben? Lösungen: 6,1 a 6,5 a 0,52 /l 1,4 ct/mj ; 10,2 a 11,5 a 0,96 /l 2,7 ct/mj ; 5,3 a 5,6 a 0,55 /l 1,4 ct/mj a d a m Bewertung 14