Kraft-Wärme-Kopplung:

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1 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung Kraft-Wärme-Kopplung: KWK-Stromerzeugung, Hocheffizienz der KWK und CO 2 -Emissionen Dr.-Ing. Thomas Sander Workshop EFRE-Förderung in Sachsen zur integrierten nachhaltigen Stadtentwicklung

2 Gliederung Qualität der Fernwärme in der Fernwärmeversorgung Primärenergiefaktor der Fernwärme Energiebedarf von Gebäuden: EnEV und Fernwärmeversorgung Qualität der Fernwärme in der Förderung klimaschutzrelevanter Projekte Effizienzbewertung der Fernwärmeversorgung und KWK Ermittlung des KWK-Stroms Hocheffizienz von KWK-nlagen Emissionen der Wärmeversorgung Zweck der llokationsmethoden Probleme der llokation und physikalische Grenzen Energetische llokation Stromgutschriftmethode Finnische Methode Stromverlustmethoden Ergebnisse Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 2

3 Qualität der Fernwärme Zusammenspiel von Regeln, Normen und Gesetzen EnEV DIN V DIN V Primärenergiefaktor GFW FW Primärenergiebedarf der Gebäudeversorgung Bedingung für Neuanschlüsse bzw. Sanierung! EEWärmeG 2012/27/EU Nachweis EEWärmeG GFW FW Nachweis Hocheffizienz KWK Nachweis der Erfüllung des EEWärmeG Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 3

4 Primärenergiefaktor Fernwärme Ermittlung des Primärenergiefaktors f P,FW WBr,j fp,br,j BEig HN Bne,KWK j i Q FW,i f P,verdr Q ext f P,ext f P,FW : W Br,j : f P,Br,j : Bne,KWK : BEig : HN : f P,el : f P,verdr : Q ext : f P,ext : Q FW,i : Primärenergiefaktor der Wärmeversorgung in kwh Primärenergie je kwh Heizenergie an der Gebäudehülle Brennstoffwärme des Energieträgers j für die Wärmeerzeugerwerke Primärenergiefaktor des jeweiligen Brennstoffes j unter Berücksichtigung der Vorkette Elektrische Nettoarbeit der Heizkraftwerke Betriebseigenverbrauch Strom von Wärmeerzeugern ohne Koppelproduktion Stromarbeit zum Betrieb des Heiznetzes (Umwälzung und Druckhaltung, ggf. Hilfsenergie) Primärenergiefaktor der Strombereitstellung Primärenergiefaktor des ersetzten (verdrängten) elektrischen Stroms von einer Erzeugungsanlage außerhalb der Bilanzgrenzen gelieferte Wärme Primärenergiefaktor der Bereitstellung von Q ext Heizenergie an der Übergabestelle (Hausanschlussstation) zum Gebäude i (Wärmeabsatz) Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 4

5 Primärenergiefaktor Fernwärme Primärenergiefaktoren im Vergleich 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 5

6 Energiebedarf von Gebäuden Beispiel: Sanierter Wohnblock Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 6

7 Energiebedarf von Gebäuden Beispiel: Sanierter Wohnblock 60 0,60 Primärenergiebedarf in kwh/(m²a) erreichbar mit f P 0,5 erreichbar mit f P 0,4 f P = 0,2 Transmissionswärmeverlust in W/(m²K) 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0 Referenz KfW 70 KfW 55 KfW 40 Ist 0,00 Referenz Grenze KfW 70 KfW 55 KfW 40 Ist abhängig von Energieversorgung! abhängig von Bauphysik! Beispiel Sanierung Wohnblock: Erfüllung der EnEV 2009 Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 7

8 EnEV und Fernwärmeversorgung Energetische nforderungen für Wohn-/Nichtwohngebäude Maximaler Jahresprimärenergiebedarf Q P Maximaler Transmissionswärmeverlust H T Sommerlicher Wärmeschutz Primärenergiefaktor der Wärmeversorgung Heizkessel: Weitere Maßnahmen am Gebäude nötig Netze mit KWK: nforderungen werden i. d. R. übererfüllt Es greifen oft die Grenzwerte des Transmissionswärmeverlustes! Berechnung des Energiebedarfs nforderungen an Fernwärmeversorgung durch andere Regelungen! Q T Q V Q S Q c,e Q h Q i Nutzenergie (Raumgrenze) Bilanzgrenze Raum Übergabe Verteilung Speicherung Q d Q s Q g Erzeugung Primär- Energie Quelle: DIN V : Endenergie Bilanzgrenze Gebäude Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 8

9 Qualität der Fernwärme Förderung klimaschutzrelevanter Projekte CO 2 -Emissionen GFW FW Senkung der Emissionen GFW FW 703 Nachweis KWK-Strom GFW FW 308 Erfüllung der Förderbedingungen! Hocheffizienz KWK 2012/27/EU Effizienz FW-System 2012/27/EU Erfüllung der Effizienzkriterien Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 9

10 Effizienz System und KWK Effizienzbewertung nach Richtlinie 2012/27/EU Im Sinne der Richtlinie 2012/27/EU bezeichnet der usdruck Effiziente Fernwärme- und Fernkälteversorgung : Fernwärme- oder Fernkältesystem, das mindestens 50 % erneuerbare Energien, 50 % bwärme, 75 % KWK-Wärme oder 50 % einer Kombination dieser Energien und dieser Wärme nutzt; nforderungen wie EEWärmeG bzw. höher! Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung : Im Rahmen dieser Richtlinie muss hocheffiziente KWK folgende Kriterien erfüllen: die KWK-Erzeugung in KWK-Blöcken ermöglicht Primärenergieeinsparungen von mindestens 10 % im Vergleich zu den Referenzwerten für die getrennte Strom- und Wärmeerzeugung; die Erzeugung in KWK-Klein- und -Kleinstanlagen, die Primärenergieeinsparungen erbringen, kann als hocheffiziente KWK gelten. Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 10

11 Ermittlung des KWK-Stroms FW 308 Bilanzgrenze FW 308/FW 309-1: Bne KWK W Br Q Bne,KWK HN Q FW Q Bne Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 11

12 Ermittlung des KWK-Stroms FW 308 Einteilung von Erzeugungstechnologien nach FW 308 Ohne ungekoppelte Stromerzeugung Dampfturbinen-nlage mit (Entnahme-) Gegendruck- Dampfturbine Gasturbinenanlage mit bhitzekessel GuD-nlage mit (Entnahme-) Gegendruck-Dampfturbine Verbrennungsmotor STIRLING-Motor Brennstoffzelle Dampfmotor ORC-nlage mit ungekoppelter Stromerzeugung ohne Stromverlust Wie links, zusätzlich sind Vorrichtungen zur bwärmeabfuhr vorhanden: bwärmekondensator Ölkühler Kühlwasserkühler Verdichtungsluftkühler Bypass in Kamin mit Stromverlust Dampfturbinen-nlage mit Entnahme- oder nzapf-kondensations- Dampfturbine GuD-nlage mit Entnahme- oder nzapf- Kondensations- Dampfturbine Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 12

13 Ermittlung des KWK-Stroms FW 308 nzapf- oder Entnahme-Kondensationsturbinenanlage Eigenbedarf Strom bwärme Kond- G Brennstoff D F KWK- HK nutzbare Wärme P K bwärme Bilanzgrenze D = Dampferzeuger K = bwärme-kondensator G = Generator HK = Heiz-Kondensator P = Pumpe F = Frischdampfnutzung Kond- = Kondensations-nteil KWK- = KWK-nteil Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 13

14 Ermittlung des KWK-Stroms FW 308 Verbrennungsmotorenanlage Eigenbedarf Strom Brennstoff G nutzbare HK Wärme bwärme Bilanzgrenze Quelle: HK = bgaswärmetauscher, Öl- und Wasserkühler GFW FW 308: KWK-Nutzungsgradpotential qualifizierter KWK-Prozesse kann im Sinne einer Normierung einheitlich auf 80 % fixiert werden. KWK-nlage, deren Nutzungsgrad die Höhe des Nutzungsgradpotenzials von 80 % erreicht, wird im KWK-Prozess betrieben. Unterschreitung: Berechnung des KWK-Stroms über Kennzahlen (usnahme Müll-Dampfturbinen-Prozesse: 60 %). Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 14

15 Hocheffizienz von KWK-nlagen Ermittlung der Hocheffizienz Basis Richtlinie 2012/27/EU des Europäischen Parlaments und des Rates zur Energieeffizienz Entscheidung der Kommission 2011/877/EU zur Festlegung harmonisierter Wirkungsgrad-Referenzwerte für getrennte Erzeugung von Strom und Wärme Einflussgrößen für die Bewertung Harmonisierte Wirkungsgrad-Referenzwerte für die getrennte Erzeugung von Strom und Wärme in Form einer nach relevanten Faktoren wie Baujahr und Brennstofftypen aufgeschlüsselten Matrix von Werten Korrekturfaktoren auf der Grundlage der klimatischen Bedingungen für die Stromerzeugung (bhängigkeit Stromerzeugung von der Umgebungstemperatur) Korrekturfaktoren für vermiedene Netzverluste für die Stromerzeugung (begrenzte Nutzung des Netzes aufgrund einer dezentralen Erzeugung) Definition von Sonderregelungen Kriterium Einsparung von mindestens 10 % Primärenergie der KWK gegenüber vorgegebener getrennter Erzeugung (nlagen < 1 MW el : Einsparung > 0 %) Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 15

16 Hocheffizienz von KWK-nlagen Beispiel: BHKW mit Gasmotor BHKW KWK-Bruttostromerzeugung MWh KWK-Wärmelieferung MWh KWK-Brennstoffwärme MWh Ins Netz eingespeister KWK-Strom-nteil E - 0,960 Inbetriebnahmejahr 1994 Spannungsebene kv 10 Mittlere Umgebungstemperatur C 8,8 Harm. Wirkungsgradreferenzwert Wärme - 0,900 Harm. Wirkungsgradreferenzwert Strom Basis - 0,514 Temperaturkorrektur - 0,006 Korrekturfaktor Einspeisung - 0,944 Harm. Referenz-Wirkungsgrad Strom Endwert - 0,491 Brennstoffwärme getrennte Erzeugung MWh Brennstoffeinsparung % 19,9 BHKW älter als 10 Jahre! Werte für eine 10 Jahre alte nlage verwenden! Die EU-Vorgabe einer Mindesteinsparung von mehr als 10 % der Brennstoffenergie in der KWK-nlage gegenüber der getrennten Erzeugung wird deutlich überschritten. Damit kann dem BHKW die Hocheffizienz bescheinigt werden. Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 16

17 Emissionen der Wärmeversorgung GFW-rbeitsblatt FW 309 Teil 6 CO 2 -Emissionen der Wärmelieferung Bestimmung spezifischer CO 2 -Emissionsfaktoren für Fernwärme Grundlagen Problem: ufteilung Brennstoff/Emissionen auf die KWK-Produkte Strom und Wärme Das Problem besteht seit erster KWK-nwendung! Einfache energetische ufteilung und Vergleichsverfahren führen oft zu physikalisch nicht sinnvollen Ergebnissen bzw. zu häufigen Änderungen der Vergleichsbasis. Physikalisch sinnvoll ist die Bewertung des Potenzials der Wärme. Vorschlag: Exergetisches Verfahren Welches Potenzial an rbeitsfähigkeit hat Heizwärme? Datenbasis: Brennstoffe, Stromerzeugung, Wärmelieferung, Heiznetzparameter rbeitsblatt liegt vor! Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 17

18 llokationsmethoden Zweck der llokationsmethoden Zuordnung der Primär- bzw. der Brennstoffenergie zu den Koppelprodukten Strom und Wärme damit auch Emissionszuordnung möglich! Wie viel Brennstoff steckt in Strom bzw. Wärme? Nur die Summe ist eindeutig! Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 18

19 llokationsmethoden llokation Warum ist die Zuordnung schwierig? Beispiel: Gasturbine Brennstoff Eigenbedarf Strom GT G Brennstoff HK + ZF nutzbare Wärme Bilanzgrenze bwärme 100 % Brennstoff erforderlich für reine Stromerzeugung Kein zusätzlicher Brennstoff für Wärme nötig! Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 19

20 llokationsmethoden Zielrichtungen für die llokation nwendung physikalisch korrekter Methoden (Berücksichtigung der Qualität der Wärme) Einfache Handhabung nwendbarkeit auf alle nlagen Vermeidung externer Referenzsysteme (Gefahr der willkürlichen Festlegung von Referenzen) Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 20

21 llokationsmethoden Maximaler elektrischer Wirkungsgrad: Thermischer Prozess: CRNOT-Wirkungsgrad C bhängigkeit von Temperaturen der Wärmezu- und -abfuhr C T T zu T zu ab Kein höherer Wirkungsgrad möglich! Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 21

22 llokationsmethoden llokationsmethoden: Energetische llokation (Kalorische Meth.) ufteilung nach Energiegehalt der Produkte: W W Br, Strom Br, Wärme Bne, KWK Q Bne, KWK Bne, KWK Q Bne, KWK Q Bne, KWK Bne, KWK W W Br Br W Br Bne,KWK Q Bne,KWK el W Bne Br, Strom Es ist physikalisch nicht möglich, den Strom mit dem zugeteilten Brennstoff zu erzeugen! C T zu T T zu ab nicht anwendbar! Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 22

23 llokationsmethoden llokationsmethoden: Stromgutschriftmethode Verdrängung von Strom aus anderen Quellen Stromgutschrift f P, FW i W Br, i f P, Br, i j HN Q FW, j Bne, KWK f P, verdr Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 23

24 llokationsmethoden llokationsmethoden: Stromgutschriftmethode Problem: Referenzsystem notwendig Externes Referenzsystem: abhängig von - Strom-Verdrängungsmix f P,verdr - Kraftwerkspark Deutschland - politischen Wünschen/Vorgaben f P, FW i W Br, i f P, Br, i j HN Q FW, j Bne, KWK f P, verdr Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 24

25 llokationsmethoden llokationsmethoden: Finnische Methode Basis: Berechnung der Primärenergieeinsparung (PEE) nach EU-KWK-Richtlinie PEE % KWK Wärme KWK Strom Ref Wärme Ref Strom Problem: Referenzsysteme notwendig für Strom und Wärme (nach Brennstoffen unterschiedlich) Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 25

26 llokationsmethoden llokationsmethoden: Stromverlustbasierte Methoden Realer Stromverlust (rbeitswertverfahren) Theoretischer Stromverlust (Carnot-Methode) GFW FW Äquivalenter Stromverlust (Dresdner Methode) Vereinfachter Stromverlust (DIN 4701 Teil 10) Vorteile: Physikalisch korrekte llokation uf konkrete nlage bezogen Kein externes Referenzsystem erforderlich Von Methode abhängige Referenzwerte Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 26

27 llokationsmethoden llokationsmethoden: Realer Stromverlust - rbeitswertmethode HKW mit Entnahme- bzw. nzapf-kondensations-turbinen: - uskopplung der Wärme führt zu Stromverlust - Konkretes Maß für die Brennstoffzuordnung B Q a Bne, KWK EK-DT HK G W B W QKWK BneKond Bne B B Bne W Br P K W Bne Bne B W Br Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 27

28 llokationsmethoden llokationsmethoden: Theoretischer Stromverlust Carnotmethode (Exergetische Bewertung) Qualität der Energieströme (rbeitsfähigkeit) wird berücksichtigt - Temperaturen der Wärmeeinspeisung T m Carnot-Wirkungsgrad C - Umgebungstemperatur T U ( C-Q-KWK ) Für nlagen ohne Stromverlust (bzw. wenn nicht ermittelbar) Theoretischer Wert prozessferner als Stromverlust Erfassung aller Temperaturbereiche möglich (Niedertemperatur) Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 28

29 llokationsmethoden llokationsmethoden: Theoretischer Stromverlust Carnotmethode BR QWE KWK C Q KWK mit C Q KWK 1 T U T m Heizwassernetze: T m TV KWK TR KWK TV KWK T lnt T 2 V KWK RKWK R KWK Dampfnetze: Tm T S W Bne Bne BR W W QKWK Bne BR BR W Gleitende Vorlauftemperatur: - Wärmemengenbezogene Wichtung von Mittel- und Umgebungstemperatur - Mittelwertbildung für maximal 1 Monat Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 29

30 llokationsmethoden Ergebnisse der llokationsmethoden Brennstoffanteile für Strom und Wärme 1,0 0,9 Strom Wärme 1,0 0,9 Strom Wärme 0,8 0,8 0,7 0,7 Brennstoffanteil 0,6 0,5 0,4 Brennstoffanteil 0,6 0,5 0,4 0,3 0,3 0,2 0,2 0,1 0,1 0,0 Energetisch Finnisch EU Exergetisch Äqu. Stromverl. 0,0 Energetisch Finnisch EU Exergetisch Äqu. Stromverl. GuD-HKW 221 MW el / 218 MW th, 115/60 C BHKW enertec 104 kw el / 148 kw th, 100/40 C Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 30

31 llokationsmethoden Ergebnisse der llokationsmethoden Spezifischer Brennstoffaufwand für Strom und Wärme in kw BS /kw 3,5 3,5 3,0 Strom Wärme 3,0 Strom Wärme Brennstoffaufwand in kw BS / kw 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Brennstoffaufwand in kw BS / kw 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Energetisch Finnisch EU Exergetisch Äqu. Stromv. 0,0 Energetisch Finnisch EU Exergetisch Äqu. Stromverl. GuD-HKW 221 MW el / 218 MW th, 115/60 C BHKW enertec 104 kw el / 148 kw th, 100/40 C Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 31

32 Ermittlung des KWK-Stroms FW 308 Vielen Dank für Ihre ufmerksamkeit! Kontakt: Dr.-Ing. Thomas Sander Technische Universität Dresden Institut für Energietechnik Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung Dresden Tel.: Fax: Workshop EFRE-Förderung in Sachsen 2015 Folie 32