Technologie und Wirtschaftlichkeit von Mikro-BHKW
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- Alma Margarethe Armbruster
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1 Technologie und Wirtschaftlichkeit von Mikro-BHKW 10. Hessischer Energieberatertag Prof. Dr.-Ing. Bert Oschatz Institut für Technische Gebäudeausrüstung Dresden Forschung und Anwendung GmbH
2 INHALT Technologie Kostenaspekte beim Einsatz von Mikro-KWK-Systemen Einflussfaktoren Energiepreise Thermischer und elektrischer Nutzungsgrad Eigenstromnutzung Energiekosteneinsparung durch Mikro-KWK Umweltaspekte Primärenergiebedarf CO 2 -Emissionen Normative Aspekte: EnEV Bewertung Fazit 2
3 Nano-/Mikro-/Mini-/Groß-BHKW Klassifizierung nicht eindeutig Bild: Viessmann Bild: Vaillant Bild: SenerTec 3
4 Übliche Klassifizierung von KWK-Anlagen Elektrische Leistung Mikro-KWK-Anlagen bis etwa 2 kw el Einsatzgebiet Ein-/Zweifamilienhäuser Vorwiegende Technologie Stirling-Motor, Gas- Verbrennungsmotor Mini-KWK-Anlagen bis etwa 30 kw el Mehrfamilienhäuser, Gewerbebetriebe KWK-Anlagen > 30 kw el industrieller Bereich, größere Wohngebäudekomplexe Otto-/Dieselmotor Otto-/Dieselmotor, Gasturbinen, Dampfturbinen Keine einheitliche Definition der Begrifflichkeiten mit festen Leistungsgrenzen 4
5 Mikro-KWK im Sinne DIN V :2011 Bild: Remeha Stirling-, Gasexpansions- oder Verbrennungsmotor mit 2 kw bis 20 kw thermischer Leistung Einsatzbereich: Wohnbau Ein-/Zwei- und Mehrfamilienhäuser Bild: Viessmann Bild: Vaillant Bild: Vaillant 5
6 Marktwachstumsprognose für Brennstoffzellen- Heizgeräte aus dem Jahr 2001 Herstelleranteil 6
7 2013: Brennstoffzellen auf dem Weg zur Marktreife Dynamische Entwicklung Erste Geräte marktverfügbar Absatzzahlen noch überschaubar Prof. Dr.-Ing. Bert Oschatz, ITG Dresden Technologie und Wirtschaftlichkeit von Mikro-BHKW Frankfurt,
8 Brennstoffzellen auf dem Weg zur Marktreife SOFC PEM-FC * BOL-Angaben Hersteller CFC BlueGen Viessmann Galileo 1000 N Vaillant Elcore Elcore 2400 Baxi Innotech GAMMA PREMIO Viessmann Vitovalor 300-P Elektrische Leistung* Thermische Leistung Elektrischer Wirkungsgrad* 0,5 1,5 kw 1,0 kw 1,0 kw 0,3 kw 1,0 kw 0,75 kw 0,6 kw 1,8 kw 2,0 kw 0,6 kw 1,9 kw 1,0 kw 60% 30 35% 35% 35% 34% 37% Status marktverfügbar Labor-/ Feldtest Labor-/ Feldtest Markteinführung 2013 (geplant) Labor-/ Feldtest Feldtest Markteinführung 2014 Bilder: CFC, Vaillant, Elcore, IBZ 8
9 Wirtschaftlichkeitsberechnung nach VDI 2067 Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen, Grundlagen und Kostenberechnung Verbrauchsgebundene Kosten in /a Kapitalgebundene Kosten in /a Betriebsgebundene und sonstige Kosten in /a Jahresgesamtkosten in /a 9
10 VDI 2067: Kapitalgebundene Kosten Investition für betriebstechnische Anlagenteile und zugehörige Bauteile Umrechnung in jährliche Kosten im Betrachtungszeitraum mittels Annuitätsmethode: f q 1 K A N,K A 0 a A a 0 T q A N,K a q T A 0 jährliche kapitalgebundene Kosten Annuitätsfaktor Zinsfaktor Betrachtungszeitraum in Jahren Investitionsbetrag f K Faktor für Instandsetzung in % 10
11 VDI 2067: Kapitalgebundene Kosten rechn. Nutzungsdauer Aufwand für Instandsetzung nach VDI 2067 Blatt 1 nach VDI 2067 Blatt 1 T N [a] f K [%] Wärmeerzeuger + Regelung Brennwertgerät 18 1,5 Gas Niedertemperaturkessel 20 2 Brennwert-Kombigerät 18 2 Mikro-KWK (Gesamtsystem) * 18 3,0 Öl Brennwertgerät 18 1,5 Niedertemperaturkessel 20 2 Fernwärme Fernwärme-Hausstation 20 2 Strom Speicherheizung 25 1 Wärmepumpe 20 3 Pellets Pelletkessel 20 2 autom. Beschickung Pelletkessel 25 1,5 Warmwasserspeicher 25 1 Trinkwassererwärmung Solaranlage 20 0,5 Elektro-Durchlauferhitzer 15 1 Heizflächen/Leitungssystem 30 1 Leitungssystem Warmwasser 25 2 Hausanschluss 50 1 Heizöllagerung/Pelletlagerung 30 1 sonstige Baukosten 50 1 Gas-/Öl-/Elektroinstallation 50 1 Demontage 50 0 * Werte angenommen, da Mikro-KWK in VDI 2067 nicht enthalten 11
12 VDI 2067: Verbrauchsgebundene Kosten Energiekosten, abhängig vom Energiebedarf des Gebäudes Arbeitskosten des Energieträgers Grundkosten für leitungsgebundene Energieträger Kosten für Hilfsenergie Zinskosten gelagerter Brennstoffe Gegengerechnet werden die Einnahmen bei Mikro-KWK Vergütung für erzeugten Strom Rückvergütung Energiesteuer Eingesparte Strombezugskosten 12
13 VDI 2067: Betriebsgebundene, sonstige Kosten Wartungskosten Nach VDI 2067 in Abhängigkeit von Investitionskosten und Wartungsfaktor der einzelnen Anlagenteile Schornsteinfegerkosten Versicherungen 13
14 Kostenaspekte von Mikro-KWK Investitionskosten Energiekosteneinsparung Neubau relativ hoch Wettbewerbssysteme z.t. preiswert er (Wärmepumpen) vergleichsweise gering kürzere Laufzeit, geringere Stromerzeugung Gebäudebestand relativ hoch, aber im Vergleich mit Wettbewerbssystemen akzeptabel Vergleichsweise hoch Lange Laufzeiten, hohe Stromerzeugung Betriebskosten relativ hoch relativ hoch Bevorzugter Einsatzbereich 14
15 Vollkostenvergleich von Heizsystemen in Bestandsgebäuden Einfamilienhaus freistehend Kenngrößen Thermische Hülle EFH Bestand, unsaniert *) Keller außerhalb Gebäudenutzfläche A N 209 m² spezifischer Jahresheizwärmebedarf q h spezifischer Jahreswärmebedarf TWE q TWE 123 kwh/m²a 12,5 kwh/m²a 15
16 Vollkostenvergleich von Heizsystemen Anlagenvarianten Ausgangszustand: Gas-NT-Kessel, mindestens 20 Jahre alt Anlage nicht hydraulisch abgeglichen, überdimensioniert Sanierungsvarianten: Gas-BW-Kessel mit indirekt beheiztem WW-Speicher Gas-BW-Kessel mit solarer TWE Gas-BW-Kessel mit solarer TWE/Heizungsunterstützung Luft/Wasser-WP, elektrisch mit indirekt beheiztem WW-Speicher Sole/Wasser-WP, elektrisch mit indirekt beheiztem WW-Speicher Mikro-KWK (Stirling, 1,0 kw el, 7,5 kw th +Booster) Vorhandene Heizflächen 70/55 C bleiben, außer bei WP 55/45 C Austausch Erzeuger + Leitungsdämmung + hydr. Abgleich + neuer WW- Speicher + neue Umwälzpumpe Bilder: Viessmann Werke, DSE GmbH, Buderus 16
17 Vollkostenvergleich von Heizsystemen Standardvariante Vollkostenvergleich von Heizsystemen in Bestandsgebäuden- EFH Bestand Kapitalgebundene Kosten Verbrauchsgebundene Kosten Betriebsgebundene Kosten Jahresgesamtkosten in /a Zahlenangaben in % : Kostenindizes bezogen auf Jahresgesamtkosten Gas-NT-Gerät 100% % % % % % % Gas-NT, Ausgangszustand 608 Gas-BW-Gerät 991 Gas-BW + sol. TWE Gas-BW + sol. TWE/HeizU Luft/Wasser-WP Sole/Wasser-WP Mikro-KWK Stirling, 80/11 System 17
18 Vollkostenvergleich von Heizsystemen Parametervariation: Energiepreis Einfluss der Energiepreise auf die Jahresgesamtkosten der Systeme 18
19 Vollkostenvergleich von Heizsystemen Parametervariation: Energiepreis Aktuelle Energiepreise EFH Bestand Feste Kosten Arbeitspreis /a /kwh Erdgas 175 0,056 Strom, Normaltarif - 0,220 Strom, WP-Tarif 80 0,160 Parametervariation Erdgaspreis WP-Preis mittlerer Energiepreis über 20 Jahre ct/kwh ct/kwh bei einer Preissteigerung von 3% p.a. 7,52 21,5 mittlerer Energiepreis über 20 Jahre bei einer Preissteigerung von 5% p.a. 9,26 26,5 19
20 Vollkostenvergleich von Heizsystemen Parametervariation: Energiepreis Vollkostenvergleich von Heizsystemen im EFH Bestand Einflussparameter: Energiepreis Kapitalgebundene Kosten Verbrauchsgebundene Kosten Betriebsgebundene Kosten Jahresgesamtkosten in /a Zahlenangaben in % : Kostenindizes bezogen auf Jahresgesamtkosten Gas-NT-Gerät 100% 89% 134% 118% 113% 96% 138% 101% 122% 140% 131% 153% 173% 137% 154% 169% 116% 139% 160% aktuell 3% p.a. 5% p.a. aktuell 3% p.a. 5% p.a. aktuell 3% p.a. 5% p.a. aktuell 3% p.a. 5% p.a. aktuell 3% p.a. 5% p.a. aktuell 3% p.a. 5% p.a. Gas-NT Gas-BW-Gerät Gas-BW + sol. TWE Gas-BW + sol. TWE/HeizU Luft/Wasser-WP Sole/Wasser-WP Mikro-KWK Stirling, 60% Eigenstromnutzung System 20
21 Vollkostenvergleich von Heizsystemen Parametervariation: Nutzungsgrad von Mikro-KWK Annahme Eigenstromnutzung Leistung elektrisch / thermisch Mikro-KWK Stirling 60% 1,0 1,4 7,3 7,7 Mikro-KWK Otto 40% 0,96/1,04 2,5 / 2,7 Bilder: WhisperGen, De Dietrich Remeha, Vaillant 21
22 Vollkostenvergleich von Heizsystemen Parametervariation: Nutzungsgrad von Mikro-KWK Jahresgesamtkosten in /a % Vollkostenvergleich von Heizsystemen im EFH Bestand Einflussparameter: Nutzungsgrad η el und η th Kapitalgebundene Kosten Verbrauchsgebundene Kosten Betriebsgebundene Kosten 116% % % % Zahlenangaben in % : Kostenindizes bezogen auf Jahresgesamtkosten Gas-NT-Gerät 113% % Gas-NT, Ausgangszustand Mikro-KWK Stirling 80/11 Mikro-KWK Stirling 78/9 Mikro-KWK Stirling 82/13 Mikro-KWK Stirling 80/15 Mikro-KWK Otto 60/23 Mikro-KWK Otto 65/25 System 22
23 Vollkostenvergleich von Heizsystemen Parametervariation: Anteil der Eigenstromnutzung Einfluss der Eigenstromnutzung auf die Vergütung des erzeugten Stroms und damit auf die Jahresgesamtkosten der Mikro-KWK-Variante Bild: Viessmann Berücksichtigt wird: Mikro-KWK Stirling 80/11 Anteil der Eigenstromnutzung 30% 40% 50% 60% 100% Bild: E.ON 70% Anteil KWK-Strom (Eigenstromnutzung) Stromeinspeisung in das öffentliche Netz 23
24 Vollkostenvergleich von Heizsystemen Parametervariation: Anteil der Eigenstromnutzung Vollkostenvergleich von Heizsystemen im EFH Bestand Einflussparameter: Anteil der Eigenstromnutzung bei Mikro-KWK Kapitalgebundene Kosten Verbrauchsgebundene Kosten Betriebsgebundene Kosten Zahlenangaben in % : Kostenindizes bezogen auf Jahresgesamtkosten Gas-NT-Gerät Jahresgesamtkosten in /a % % 120% 118% % % Gas-NT, Ausgangszustand Mikro-KWK Stirling, 30% Eigenstromnutzung Mikro-KWK Stirling, 40% Eigenstromnutzung System Mikro-KWK Stirling, 50% Eigenstromnutzung Mikro-KWK Stirling, 60% Eigenstromnutzung Mikro-KWK Stirling, 70% Eigenstromnutzung 24
25 Energiekosteneinsparung durch Mikro-KWK im Bestands-EFH IST-Zustand: Gas-NT-Kessel Sanierung: Gas-BW-Kessel Sanierung: Mikro-KWK Jahresenergiebedarf-Wärme kwh Hi /a Jahresenergiekosten-Wärme /a Grundpreis Gas /a Jahresenergiekosten-Wärme /a Rückerstattung Energiesteuer /a Haushaltsstrombedarf kwh/a Stromerzeugung kwh/a eingespeiste Strommenge (40%) kwh/a selbstgenutzter Strom (60%) kwh/a Einspeisevergütung /a Förderung selbstgenutzter Strom /a verbleibender Strombedarf kwh/a Grundpreis Strom /a Stromkosten /a Energiekosten im 1. Jahr /a Quelle: Berechnung der Energiekosteneinsparungen beim Einsatz eines Mikro-KWK, ITG Dresden für Erdgaskampagne, Mai
26 Energiekosteneinsparung durch Mikro-KWK 26
27 Umweltaspekte Primärenergiebedarf Jahres-Primärenergiebedarf Q P beinhaltet die Energiemenge, die für Heizung, WW-Bereitung, Lüftung und Kühlung unter Einbeziehung der vorgelagerten Prozesskette außerhalb des Gebäudes aufgewendet werden muss. Gewinnung Umwandlung Transport Primärenergiefaktor f P Erdgas Strom Biogas Gesamter Primärenergiefaktor 1,1 3,0 1,5 Erneuerbarer Primärenergiefaktor = + 0,0 0,4 1 Nicht erneuerbarer Primärenergiefaktor 1,1 2,6 0,5 27
28 Umweltaspekte Primärenergiebedarf 28
29 Umweltaspekte Primärenergiebedarf 300 Nicht erneuerbarer Primärenergiebedarf im EFH Bestand Heizung/Warmwasserbereitung + Haushaltsstrom Gesamt Heizung/TWE incl. Hilfsenergie Haushaltsstrom Gutschrift für erzeugten Strom Primärenergiebedarf in kwh/m²a ,0 221,9 225,6 220,6 208,0 210,6 194,0 196,8 195,7 200,7 181,7 167,8 153,7 160,5 161,4 121,2 40,2 40,2 40,2 40,2 40,2 40,2 40,2 40,2 0,0 0,0 0,0 0,0 0, Annahme Haushaltsstrom: kwh/a Gas-BW Gas-BW+solare TWE Gas-BW+sol. TWE/HeizU -55,3 Gas-Mikro- KWK, 80/11-63,9 Gas-Mikro- KWK, 82/13-92,5 Gas-Mikro- KWK, 60/23 Luft/Wasser- WP Sole/Wasser- WP System 29
30 Umweltaspekte CO 2 -Emissionen Energieträger Kohlendioxidemissionsfaktoren [kg CO 2 /kwh] (GEMIS-Version 4.6) Strom 0,573 Erdgas 0,226 Bioerdgas, 20% Biogas 0,195 Bioerdgas, 100% Biogas 0,073 30
31 Umweltaspekte CO 2 -Emissionen 31
32 Umweltaspekte CO 2 -Emissionen CO 2 -Emissionen in kg CO 2 /a CO 2 -Emissionen im EFH Bestand Heizung/Warmwasserbereitung + Haushaltsstrom Gesamt Heizung/TWE incl. Hilfsenergie Haushaltsstrom Gutschrift für erzeugten Strom Annahme Haushaltsstrom: kwh/a Gas-BW Gas-BW+solare TWE Gas-BW+sol. TWE/HeizU Gas-Mikro- KWK, 80/ Gas-Mikro- KWK, 82/ Gas-Mikro- KWK, 60/23 Luft/Wasser- WP Sole/Wasser- WP System 32
33 EnEV-Bewertung von BHKW- Nahwärmesystemen mit Primärenergiefaktoren Standardwerte nach DIN V : Standardwerte für Nah-/Fernwärme aus KWK in DIN V 18599:2011 und EnEV 2014 unverändert Berechnung konkreter fp-werte modifiziert 33
34 Anrechenbarkeit von Biogas/Bioöl in EnEV 2014 Keine Veränderung bei Anrechenbarkeit von flüssiger oder gasförmiger Biomasse Primärenergiefaktor 0,5 für Bioöl/Biogas nur, wenn flüssige oder gasförmige Biomasse im unmittelbaren räumlichen Zusammenhang mit dem Gebäude erzeugt wird Anrechnung von Bioöl/Biogas bei Einsatz in Nah-/Fernwärme 34
35 Bewertung von BHKW-Nahwärmesystemen mit Primärenergiefaktoren Berechnung eines konkreten Versorgungsnetzes Primärenergiefaktor von Nah-/Fernwärmenetzen abhängig vom Primärenergiefaktor des verdrängten Stromes Unterschiedliche Ansätze nach EnEV 2009, AGFW FW 309, DIN V 18599: und EnEV
36 Aktuelle Auslegung zur EnEV 2009??? 36
37 Aktuelle Auslegung zur EnEV 2009 Aus Gründen der Gleichbehandlung von großen und kleinen KWK- Anlagen ist der gleiche Ansatz zur Bewertung von BHKW im/am Gebäude zu verwenden f P,Verdrängungsstrom = 3,0 37
38 Primärenergiefaktoren Strom Primärenergiefaktor Strommix Primärenergiefaktor Verdrängungsstrommix EnEV ,6 2,6 AGFW FW 309 2,6 3,0 EnEV 2009 nach Auslegung 2,6 3,0 DIN V 18599:2011 2,4 2,8 EnEV 2014: ab 01. Januar ,8 2,8 38
39 Anteil der regenerativen Energieträger am Stromverbrauch in Deutschland Beitrag der erneuerbaren Energien zur Strombereitstellung Wasserkraft Windenergie in Deutschland EEG: Januar Biomasse * Photovoltaik EEG: April 2000 EEG: August 2004 EEG: Januar 2009 [GWh] StromEinspG: Januar März 2000 Novelle BauGB: November * Feste und flüssige Biomasse, Biogas, Klär- und Deponiegas, biogener Anteil des Abfalls; 1 GWh = 1 Mio. kwh; Aufgrund geringer Strommengen ist die Tiefengeothermie nicht dargestellt; StromEinspG: Stromeinspeisungsgesetz; BauGB: Baugesetzbuch; EEG: Erneuerbare-Energien-Gesetz; Quelle: BMU - E I 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); Hintergrundbild: BMU / Christoph Edelhoff; Stand: Februar 2013; Angaben vorläufig 39
40 Berechnung KWK nach DIN V : 2011 Verfahren A Bilanzierung von Brennstoff und Strom Die Stromproduktion der KWK-Anlage wird bei der Anlagenbewertung nach DIN V berücksichtigt (Gutschrift). Außerdem wird der Endenergiebedarf des Brennstoffs für die KWK-Anlage und den Spitzenlast- Wärmeerzeuger an den Teil 1 übergeben. Ergebnisse: - KWK-Netto-Stromproduktion Q f,prod,chp,a - brennwertbezogener Endenergiebedarf des KWK-Prozesses Q f,chp,a - brennwertbezogener Endenergiebedarf des Spitzenlastwärmeerzeugers Q f,hp,a Verfahren B Bilanzierung des Primärenergiefaktors für Wärme EnEV 2014 Alternativ darf die von der KWK-Anlage gelieferte Wärme bilanziert werden, in diesem Fall wird ein zugehöriger Primärenergiefaktor ermittelt. Ergebnisse: - bereitzustellende Endenergie Wärme Q f,a - Primärenergiefaktor dieser Wärme f P 40
41 Auswirkungen der Änderung von PEF Strom am Beispiel eines konkreten Nahwärmenetzes Nahwärmenetz für ca. 50 Wohngebäude, fast ausschließlich EFH Leitungslänge Nahwärmenetz gesamt : m Gesamte Gebäudeheizlast: 430 kw Gesamte Gebäudenutzfläche: m² Wärmeerzeugung BHKW (α GBHKW =61%, Leistung: thermisch 100 kw, elektrisch 49,5 kw) Gas-Brennwertkessel als Spitzen- und Ersatzwärmerzeuger (α GBW =39%, 600 kw Nennleistung) Einsatz von Erdgas-Biogas-Gemisch mit 35% Biogasanteil 41
42 Auswirkungen der Änderung von PEFStrom am Beispiel eines konkreten Nahwärmenetzes Primärenergiefaktor des Nahwärmenetzes nach EnEV 2009 ursprünglich fp=0,59 Prof. Dr.-Ing. Bert Oschatz, ITG Dresden Technologie und Wirtschaftlichkeit von Mikro-BHKW Frankfurt,
43 Auswirkungen der Änderung des PEF Strom auf den Primärenergiefaktor des Nahwärmenetzes 0,70 0,60 0,50 0,40 0,59 0,43 0,43 0,50 0,49 0,30 0,20 0,10 0,00 EnEV 2009 AGFW EnEV 2009 nach Auslegung DIN V 18599: EnEV 2014 ab 01.Januar 2016 PEF Strom 2,6 2,6 2,6 2,4 1,8 PEF Verdrängung 2,6 3,0 3,0 2,8 2,8 Primärenergiefaktor des Nahwärmenetzes stark von der Bewertung des KWK-Stroms (primärenergetischer Gutschrift) abhängig 43
44 Primärenergiefaktor einer Brennstoffzelle mit Spitzenlast- Brennwertkessel in Abhängigkeit von Deckungsanteil BZ und Primärenergiefaktor für KWK-Strom 44
45 FAZIT Technologie und Wirtschaftlichkeit von Mikro-KWK Dynamische Entwicklung bei Stirling- und Otto-Motoren, Geräte markverfügbar Brennstoffzellen-Heizgeräte in der Markteinführungsphase Investitions- und Betriebskosten wie bei anderen Effizienztechnologien relativ hoch, dafür aber deutliche Energiekosteneinsparungen gegenüber alten Bestandskesseln Wirtschaftlichkeit im Einzelfall von Randbedingungen abhängig Auslastung (Vollbenutzungsstunden) Vorteile im Bestand Anteil des selbst verbrauchten Stroms am insgesamt erzeugten Strom Vergütung des erzeugten Stroms und sonstige Förderungen Politik Mikro-KWK trägt im Gebäudebestand zu deutlichen CO 2 - und Primärenergieeinsparungen bei Beitrag zur Erfüllung Klimaschutzziele der Bundesregierung 45
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