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 Thema: Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) KWK 1

2 Kraft-Wärme-Kopplung Gleichzeitige Produktion von Strom (bzw. Kraft) und Wärme Funktionsprinzip eines Blockheizkraftwerkes mit Hubkolbenmotor Technische Realisierung Blockheizkraftwerke (BHKW) - Hubkolbenmotoren (siehe Bild) - Stirlingmotoren - Dampfmotoren - Brennstoffzellen Heizkraftwerke - Stromkraftwerke mit Wärmeauskopplung - Gasturbinen - ORC-Kraftwerke Höhere Energieeffizienz als bei getrennter Bereitstellung von Strom und Wärme KWK 2

3 Bezeichnung von Blockheizkraftwerken Leistung nimmt zu Mikro-BHKW bzw. stromerzeugende Heizung Mini-BHKW Klein-BHKW Groß-BHKW Mikro-BHKW ecopower 1.0 Fa. Vaillant 1 kwel / 2,5 kwth Groß-BHKW Fa. Jenbacher 2GJ1067B 1067 kwel Quelle: Fa. Jenbacher, Fa. Vaillant KWK 3

4 (Mikro-)BHKW - Hubkolbenmotor Dachs, Fa. SenerTec Marktführer in Deutschland mit mehr als Geräten seit 1998 Brennwert-Abgas- Wärmeübertrager als Otto- und Dieselmotor (Gas / Öl) 5,5 kw el, 14,8 kw th (mit Brennwert-WÜ) η el = 27 %, η th = 72 % ecopower, Fa. Vaillant ecopower 1.0 Dachs kleinster (Gas-)Ottomotor im Markt 1 kw el, 2,5 kw th 750 l Pufferspeicher mit Frischwasserstation Kooperation mit Honda: in Japan seit 2003 im Markt, in BRD seit 2011 ecopower 3.0 und 4.7 ecopower 1.0 (Motor links) drehzahlgeregelter (Gas-)Ottomotor 1,5 3,0 kw el / 4,7 8,0 kw th 1,5 4,7 kw el / 4,7 12,5 kw th Hubkolben-BHKW gibt es mit Leistungen bis in den MW-Bereich + Wärmeauskopplungsmodul = Wärmeübertrager + Regelung (rechts) Quelle: Fa. SenerTec, Fa. Vaillant KWK 4

5 Mikro-BHKW - Stirlingmotor Eigenschaften eines Stirling-Motors stationäre, äußere Verbrennung wartungsfrei Microgen Engine Corporation Gemeinschaftsentwicklung für mehrere Hersteller Arbeitsgas Helium ca. 0,5 1 kw el, 3 6 kw th η el = 15 %, η th = 85 % herstellerspezifische Integration des Stirling-Motors in ein Gesamtgerät mit Gasheizgerät für höhere Leistung, z.b. Vitotwin, Fa. Viessmann Dachs Stirling, Fa. SenerTec evita, Fa. Remeha ecogen, Fa. Brötje Stirling- Motor Holzpelletgerät in Entwicklung, Fa. Ökofen Fa. WhisperGen, mittlerweile insolvent Bildquelle: Fa. Viessmann KWK 5

6 Funktionsweise eines Stirlingmotors ein beheizter und ein gekühlter Bereich mit zwei schwingenden Kolben mit Lineargenerator (Bild rechts) oder mit konventionellem Generator an Kurbelwelle (Bild unten) (Fa. Microgen) Quelle: Fa. Viessmann; KWK 6

7 Brennstoffzelle Reaktion von H 2 und O 2 in Form einer kalten Verbrennung Vorteil: Hohe elektrische Wirkungsgrade von % Elektrische Energie Aktuelle Probleme Hohe Kosten, insbesondere des eigentlichen Brennstoffzellen-Stacks Erzeugung des Wasserstoffs aus Erdgas Wichtige Brennstoffzellentypen PEM: Brennstoffzelle mit Protonen leitender Membran; Betriebstemperatur ca. 80 C, vorgeschaltete Methan-Reformierung, gut regelbar SOFC: Oxidkeramische Brennstoffzelle, Betriebstemperatur ca. 500 C, interne Methan-Reformierung, eher für Dauerbetrieb nicht umgesetzter H 2 H 2 nicht umgesetzter O 2 O 2 Entwicklungstand: Coming soon, seit 15 Jahren (Feldtests, Kleinserien) Bildquelle: Regenerative Energiesysteme / Quaschning KWK 7

8 Verdichter Luft Abgas Generatorkühlrippen Wärmeübertrager Erdgas Brennkammer Generator Turbine Wärmeauskopplung Gasturbinen Lufteintritt Brennkammer Capstone C 200 Abgasaustritt Rekuperator Brennstoffdüsen Mikrogasturbine Capstone C50 50 kwel, 110 kw th η el = 28%, η ges = 80% T Abgas bis 300 C Varianten für Erdgas, Biogas, Deponiegas Üblich sind größere Gasturbinen z.b. Jenbacher 208GSNLC 330 kwel, 363 kw th η el = 39 %, η ges = 81 % Generator Luftlager Verdichter Turbine Bildquelle: E-quad Power Systems KWK 8

9 KWK-Technologien - Leistung, Wirkungsgrad Elektrischer Wirkungsgrad in % Stirlingmotor PEM-Brennstoffzelle SOFC-BZ + Gasturbine SOFC-Brennstoffzelle Gasmotor Dezentrale KWK Gasturbine Zentrale KWK GuD- Kraftwerke Elektrischer Wirkungsgrad steigt mit zunehmender Geräteleistung Elektrische Leistung Quelle: Koschowitz / e.on Ruhrgas KWK 9

10 KWK-Technologien - Zusammenfassung Eigenschaften BHKW (Otto-/Dieselmotor) Stirling- Motor Brennstoffzelle Gasturbinen Dampf HKW GuD HKW Übliche Brennstoffe Otto: Erd-/Biogas Diesel: Heiz-/Pflanzenöl Erd-/Biogas Holz Erdgas Wasserstoff Erdgas Heizöl Kohle, Müll, Biomasse Erdgas (Kohle) Elektrische Leistung 1 kw 4 MW < 10 kw 10 W 1 MW 40 kw 300 MW MW MW η Elektrisch % % % % % % η thermisch % % % % % % Stromkennzahl 1) 0,4 1,0 0,1 0,4 0,6 3,0 0,3 0,7 0,3 0,6 0,7 1,3 Nutzwärme- Temperatur C < 100 C C C C C Stand der Technik bewährt neu am Markt Feldtests bewährt bewährt bewährt 1) : Verhältnis von Strom- zur Wärmeproduktion Weitere Technologien: Dampfmotor Quellen: Rationelle und regenerative Energienutzung / Transferstelle Bingen; Blockheizkraftwerke / Suttor; eigene Einschätzungen KWK 10

11 Kraft-Wärme-Kopplung - Energieeffizienz Energieeinsparung im Vergleich zur getrennten Versorgung mit Strom und Wärme Getrennte Erzeugung Gekoppelte Erzeugung vor allem abhängig von Stromproduktion des KWK-Gerätes Wirkungsgrad des Vergleichskraftwerks Alternative Betrachtungsweisen Stromgutschrift für die produzierte kwh Wärme Wärmegutschrift für die produzierte kwh Strom 39 / 139 = 28 % Einsparung durch KWK Bildquelle: nach ASUE KWK 11

12 Kraft-Wärme-Kopplung - Energieeffizienz Getrennte Erzeugung Strom/Kraftw., Wärme/Heizkessel Kraft-Wärme-Kopplung mit BHKW Beide Wirkungsgrade: normal η el = 38 % (Strom-Mix BRD) und η th = 80 % (Niedertemp.-Kessel) 40% Energieeinsparung Elektrischer Wirkungsgrad: groß (z.b. großes Hubkolben-BHKW) η el = 40 % η th = 50 % Beide Wirkungsgrade: groß η el = 60 % (Gas-GuD-Kraftwerk) und η th = 102 % (Brennwert-Kessel) 10% Energieeinsparung Elektrischer Wirkungsgrad: klein (z.b. kleines Stirling-BHKW) η el = 15 % η th = 85 % Weiterer Vorteil: dezentrale (verbrauchsnahe) Erzeugung KWK 12

13 Wärmegeführter Betrieb eines BHKW Betrieb nur bei Wärmebedarf Gleichzeitig produzierter Strom wird selbst genutzt, überschüssiger ins öffentliche Netz eingespeist (verkauft) Wirtschaftlichkeit steigt mit BHKW-Laufzeit (thermische BHKW-Leistung nicht zu groß wählen) selbst genutzter Strommenge Typische thermische BHKW- Leistungen in % der Wärme- Spitzenlast für wirtschaftlichen Betrieb (Prozentsatz steigt, je höher der durchgängige Wärmebedarf und je besser die Wärmedämmung des Hauses): 5-15% bei Büros 8-30% bei Wohngebäuden 15-40% bei Hallenbädern, Krankenhäusern, Hotels Heizung BHKW-Auslegung auf große Laufzeit Warmwasser KWK 13

14 Auslegung eines wärmegeführten BHKW im Jahresdauerliniendiagramm Jahresdauerlinie: Sortierung der während eines Jahres auftretenden stundenmittleren Heizlasten nach ihrer Größe (von groß nach klein) Wärmegeführter Betrieb ist in der Regel wirtschaftlich bei - Vollbenutzungsstunden b N > h/a (Auslegung auf die Grundlast; b N = (rechnerische) Betriebsstunden des Gerätes mit Nennleistung) - hoher Anteil an Eigennutzung des erzeugten Stroms, da Strom-Einkaufspreis > Strom-Verkaufspreis b N = h/a b N = h/a KWK 14

15 Stromgeführter Betrieb eines BHKW Betrieb in Abhängigkeit des eigenen Strombedarfs oder des Strombedarfs im Netz Vorteile Reduzierung teurer Strom-Spitzenlasten (bei Eigennutzung) bzw. Verkauf des Stroms zu Zeiten hoher Preise (in Zukunft vorstellbar) Nutzbarkeit als virtuelles Kraftwerk, dezentral, schnell regelbar Entlastung Stromnetze Regelleistung im Netz Nachteil: ggf. kein Wärmebedarf Wärmeabfuhr oder Wärmespeicherung Pel,BHKW max. min. Stromgeführter Betrieb KWK 15

16 Brennstoffgeführter Betrieb eines BHKW Betrieb bei Vorhandensein von Brennstoff Typisches Beispiel: Nutzung von Biogas aus einer Biogasanlage zur Stromerzeugung mit einem BHKW Nachteil: kein ausreichender Wärmebedarf am (ländlichen) Standort der Biogasanlage, häufig Abfuhr von Wärme an die Außenluft Biogasanlage mit Blockheizkraftwerk Fermenter Container mit BHKW und Kühlern zur Wärmeabfuhr an die Außenluft Bildquelle: KWK 16

17 Wärmetransport über Fernwärme-/Nahwärme-Netze Fernwärme Rohrnetze mit Wasser als Wärmetransportmedium - typischerweise aus Heiz- bzw. Heizkraftwerken großer Leistung im Megawattbereich - größere Verteilnetze, z.b. zur Versorgung dicht besiedelter Innenstädte - mit Vorlauftemperaturen bis ca. 150 C ( heißes Wasser mit hohem Druck oder Dampf) - Verlegung der Rohrleitungen im Straßengraben in ca. 0,6 bis 1 m Tiefe (teuer!) - Pumpenleistung = ca. 3-6 % der maximalen Heizlast - Wärmeverluste = ca % der eingebrachten Wärmemenge Nahwärme - typischerweise aus Blockheizkraftwerken mittlerer Leistung im Kilowattbereich - z.b. zur Versorgung einzelner Gebäudekomplexe (Krankenhaus, Schwimmbad, Gewerbe mit Wärmebedarf) und angrenzender Siedlungen - mit Vorlauftemperaturen bis ca. 90 C - Verlegung der Rohrleitungen in Gebäuden oder im Wiesengelände (preiswert!) Wärmeübergabe in die Hausnetze - mit Wärmeübertragern (Fernwärmeübergabestationen) - früher: auch direkte Durchströmung der Hausnetze mit Fern/Nahwärmewasser KWK 17

18 Ökologische Bewertung von Fernwärme Primärenergiefaktor fp der Fernwärme aus KWK fp_fernwärme_kwk = (PE_KWK PE_Stromgutschrift) / Q_Fernwärme_KWK mit Q_Fernwärme_KWK: in der KWK-Anlage produzierte Fernwärme PE_KWK: Primärenergieeinsatz in der KWK-Anlage, z.b. KWK-Erdgasverbrauch * fp_erdgas (1,1) PE_Stromgutschrift: Primärenergiegutschrift für den gekoppelt mit der Wärme produzierten Strom = KWK-Stromproduktion * fp_stromgutschrift Erdgas-KWK-Kraftwerk in der Lausward 600 kw el, 300 kw th, η el = 61% fp_fernwärme_kwk für verschiedene Primärenergiefaktoren der Stromgutschrift (blaue Linie im Diagramm) Beispielrechnung für fp_stromgutschrift = 2,4: = [ (600/0,61)*1,1-600*2,4 ] / 300 = -1,19 0,0 (um keine negativen Werte anzugeben) KWK 18

19 Wirtschaftlichkeit von KWK - wichtige Aspekte Laufzeit > h/a ( Daumenwert ) Erlös für den produzierten Strom bei Stromeinspeisung ins öffentl. Netz: mittlerer Börsenpreis für Grundlaststrom im Vorquartal (siehe Bild) + ca. 0,5 ct/kwh vermiedene Netzkosten bei Stromeigennutzung: ct/kwh (= Preis beim Energieversorger) deutlich lukrativer als Einspeisung Strom selbst vermarkten jeweils plus 5,41 ct/kwh bis 50 kw el, 10 a oder Vollbenutzungsstunden (KWK-Gesetz) Mittlerer Börsenpreis für Grundlaststrom im Vorquartal Rückerstattung der Energiesteuer für den Brennstoff, z.b. 0,55 ct/kwh Erdgas (Ho) Neues EEG: Zahlung von EEG-Umlage auf selbst produzierten und verbrauchten Strom Bis 20 kw el : Förderung bis max Quelle: cdn.eex.com/document/ 52446/Phelix_Quarterly.xls KWK 19

20 Wirtschaftlichkeit von KWK - Amortisationszeit BHKW in Gewerbebetrieb 109 kw th reine Stromeigennutzung Größter Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit Strompreis Gaspreis Zukünftige Entwicklung? Weitere Einflüsse mit absteigender Wichtigkeit Laufzeit (Leistung) Investition Zinssatz Instandhaltung gut ermittelbar bzw. bekannt Dynamische Amortisationszeit [a] % 0% 50% Veränderung der Einflussfaktoren [%] Vollbenutzungs stunden; 0%= 5837h/a Zinssatz; 0% = 3,5% Investition 0% = Instandaltung; 0 % = 2,05 ct/kwh Gaspreis 0% = 5,55 ct/kwh Strompreis 0% = 11,47 ct/kwh KWK 20