Möglichkeiten zur Flexibilisierung der Betriebsweise von KWK-Anlagen

Transkript

1 Möglichkeiten zur Flexibilisierung der Betriebsweise von KWK-Anlagen Vorstellung des laufenden Projekts: EnEff:Stadt - Chancen und Risiken von KWK im Rahmen des IEKP 6. KWK-Infotag am 27. Januar 2011, Berlin Dipl.-Phys. Tobias Schmid 1 Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.v. Am Blütenanger München

2 Gliederung Gliederung Motivation Regionenmodell Flexibilisierungsmöglichkeiten Fazit und Ausblick 2

3 Eneff:Stadt Auslegung und intelligentes Management optimierter Energieversorgungsstrukturen auf Quartiersebene 3 Verbund dezentraler Anlagen Flexibilisierung der Betriebsweise von KWK Optimierte Energieversorgung

4 Wärme Strom Politische Rahmenbedingungen für KWK-Anlagen Direkter Einfluss IEKP Zielvorgaben Indirekter Einfluss Verdoppelung der KWK- Stromerzeugung auf 25 % des gesamten Stromverbrauchs Ausbau der Erneuerbaren Energien auf 30 % der Stromerzeugung Rückwirkung auf KWK-Bestand und Ausbau Verbesserter Wärmeschutz im Gebäudebereich Anteil der Erneuerbaren von 14 % an der Wärmeerzeugung 4

5 Verbrauch/Erzeugung in GWh/h Zeitliche Auflösung Umsetzung der 2030 Ziele nach Leitszenario 100 GW 80 GW Lastüberdeckung Last 2030 Erneuerbare % KWK-Anteil 60 GW 40 GW 20 GW FfE BMWi-0002 Flexibilisierung von DEA_ GW Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez 5

6 Räumliche Auflösung Erneuerbare Energien, KWK und Fernwärme 6 Unter Berücksichtigung der regionalen Auflösung von Bedarf und Erzeugung zeigen sich gravierende Unterschiede!

7 Last in MW Last in MW Last in MW Last in MW Räumliche und zeitliche Auflösung Beispiele 4,0 3,5 Restlast Wind PV Biomasse KWK Wasser 7,0 6,0 Restlast Wind PV Biomasse KWK Wasser 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 5,0 4,0 3,0 2,0 0,5 1,0 0,0 FfE BMWi-0002 Flexibilisierung von DEA_00259 Mo Di Mi Do Fr Sa So 0,0 FfE BMWi-0002 Flexibilisierung von DEA_00260 Mo Di Mi Do Fr Sa So Zeit Zeit 3,5 3,0 Restlast 4,0 3,0 Restlast 2,5 2,0 2,0 1,5 1,0 1,0 0,0-1,0-2,0 0,5-3,0 0,0 FfE BMWi-0002 Flexibilisierung von DEA_00261 Mo Di Mi Do Fr Sa So -4,0 FfE BMWi-0002 Flexibilisierung von DEA_00262 Mo Di Mi Do Fr Sa So Zeit Zeit Unterschiedliche Herausforderungen an die Energieversorgung! 7

8 Regionenmodell Basis für räumliche und zeitliche Auswertungen Jahreswerte zum Bsp. 30 TWh Strom pro Jahr aus Wind sind zulässig, solange keine Sättigungen und Lastüberdeckungen auftreten Zeitliche Auflösung von Stromlastgängen ist mit steigender Rechenleistung gestiegen: Jahreswerte Monatswerte Typtage Stunden Viertelstunden Betrachtung des Wärmebedarfs benötigt eine räumliche Auflösung 8

9 Möglichkeiten zur Flexibilisierung der Betriebsweise von KWK-Anlagen Ziel des Projektes Flex: Analyse der Möglichkeiten zur Erreichung des KWK-Ziels unter gleichzeitiger Integration der Erneuerbaren Energien zur Stromerzeugung Nachfrageseitig: Erschließen von Wärmesenken mit anderer Lastcharakteristik: Um die Charakteristik des KWK-Lastganges zu verändern, können alternative Wärmesenken, z. B. Anwendungen mit sommerlichem Wärmebedarf oder Kraft- Wärme-Kälte-Kopplung, erschlossen werden. Erzeugungsseitig: Modulation der Stromkennzahl: Bei Entnahmekondensationsturbinen kann durch Variation des entnommenen Dampfmassenstroms die Stromkennzahl erhöht oder gesenkt werden. Einsatz von thermischen Speichern: Ein Sonderfall der alternativen Wärmesenken stellt die Speicherung der anfallenden Wärme dar. Gleichzeitig wird dadurch die Strom- und Wärmeerzeugung entkoppelt und so die Stromkennzahl des Systems variiert. 9

10 Strom Strom Wärme Wärme Systemeinbindung der flexiblen KWK CO 2 Abwärme CO 2 Kondensator SLK Brennstoff Gasturbine/ Dampferzeuger Dampf Dampf- Turbine Turbine Wärme Speicher Flexibles KWK-System Elektrische Heizung Stromnetz / EEX Strom Wärmenetz Regenerative KW-Park Regenerative 10

11 Wärmebedarf Betriebszustände des flexiblen KWK-Systems Strombedarf/ -deckung flexibles KWK- System Wärmebedarf Strombedarf/ -deckung flexibles KWK- System Wärmebedarf hoch Heizwerk KWK Speicher Heizwerk KWK Speicher Senke Quelle Kein Betrieb Strom Wärme Stromheizung Stromheizung Heizwerk Heizwerk KWK KWK Speicher Speicher niedrig Stromheizung Stromheizung negativ Strompreis / EEX hoch 11

12 Lastgang in MW bzw. Einsatz eines Wärmespeichers zur Erhöhung des Deckungsanteils der KWK-Stromerzeugung 12 Speicherkapazität in MWh Zusätzlicher KWK-Strom durch Speichereinsatz Zeitschritt in Stunden Füllstand Speicher Lastgang Strom bzw. Strompreis Lastgang Wärme Heizwerk Stromkennzahl=1 Angepasster Lastgang für KWK mit ca. 420 MW el, max Der Speicher wird geladen, wenn der Wärmebedarf niedriger ist als die thermische Leistung der KWK-Anlage. Bei hohem Wärmebedarf und niedrigem Strompreis wird die gespeicherte Wärme genutzt. Der KWK-Deckungsgrad steigt, je öfter ge- und entladen werden kann.

13 Mögliche Investition in Mio. Ergebnisse verschiedener Szenarienrechnungen Ergebnisraum REG-Ziel mit Stromheizung IST mit Stromheizung REG-Ziel mit 20 GW Grundlast IST-Zustand 13 0 FfE BMWi-0002 Flexibilisierung von DEA_ h 4 h 6 h 8 h 10 h Speicherkapazität in MWh Durch einen flexiblen Betrieb sind zusätzliche Investitionen möglich. Wärmespeicherung ist für einen Bereich von wenigen Stunden interessant. Elektrische Nachheizung lohnt sich vor allem in Szenarien mit niedrigen Strompreisen.

14 Beispiele und technische Daten zu Fernwärmespeichern Betreiber Linz AG Stadtwerke Münster Standort Linz Münster technische Parameter Manteldurchmesser: 26 m Wanddicke: 8 bis 30 mm Dämmstärke: 0,5 m Werkstoff der Behälter: P355NH Entlade- und Ladeleistung: 50 bis max. 1100m³/h Wärmeverlsut <24 W/m² Investitionskosten ca. 4,5 Mio. ca. 4,5 Mio. Speicherkapazität m³ 4 Behälter in Reihe mit je m³ Inhalt Netz ca m³ Energieinhalt MWh ca. 530 MWh Speichertemperatur max. 97 C Vorlauf: C Rücklauf: ca. 60 C 14 Quelle: Linz AG Quelle: Stadwerke Münster

15 Zusammenfassung und Fazit Entscheidende Herausforderungen ergeben sich aus den Restlastgängen, die sich aus der Leistung der Erneuerbaren und der Verbraucherlast errechnen. Die Entkopplung der Strom- und Wärmeproduktion von KWK-Anlagen durch verschiedene Maßnahmen flexibilisiert die Betriebsweise. Investitionen in diese Maßnahmen sind wirtschaftlich darstellbar. Erste Schätzungen zeigen, dass die politischen Ziele nicht durch die flexiblere Betriebsweise allein erreicht werden. Allerdings erhöht die Kombination von Wärmespeichern und Entnahmekondensationsturbinen die Verfügbarkeit der Anlagen. Dadurch könnten Spitzenlastkraftwerke teilweise substituiert und die gesamte Stromerzeugung effizienter und kostengünstiger werden. 15

16 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Ansprechpartner: Dipl.-Phys. Tobias Schmid +49 (89) Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.v. Am Blütenanger München 16