Theoretische Potenzialanalyse für KWK- Hybridanlagen auf Basis Biomasse und Solarthermie
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1 Theoretische Potenzialanalyse für KWK- Hybridanlagen auf Basis Biomasse und Solarthermie 4. Mitteleuropäische Biomassekonferenz 17. Jänner 2014, Graz
2 Einleitung Projekttitel: BIOconSOLAR KWK Kombination von konzentrierender Solarthermie und Biomasse KWK mit ORC- Technologie Leitung: Partner: Technikum Wien GmbH, Institut für Erneuerbare Energie BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH Laufzeit: 2 Jahre ( ) Programmlinie: Neue Energien Ausschreibung 4. Mitteleuropäische Biomassekonferenz 17. Jänner 2014, Graz
3 Projektziele 1. Entwicklung eines Modells für eine Solar-Biomasse Kombi-Anlage sowie technisch/betriebswirtschaftliche Optimierung der Anlage mittels dynamischer Simulation 2. Ökonomische Bewertung, Ermittlung der Rahmenbedingungen für den wirtschaftlichen Nutzen und Darstellung der Anwendungspotentiale 3. Ökologische Bewertung, Ermittlung der Nachhaltigkeits- Performance: Klimabilanz von Biomasse KWK-Anlage mit ORC in Kombination mit konzentrierender Solarthermie (CSP)
4 installierte Leistung [MW] Anzahl der Anlagen [Stück] Energieholzindex Ausgangssituation/Motivation Wirtschaftlichen Rahmenbedingungen: Preisanstieg von Biomasse in Österreich von mehr als 50 % in den letzten 10 Jahren (Köck, 2012) Stagnation der durchschnittlichen Einspeisetarife für Biomasse KWK- Anlagen seit 2008 (E-Control) 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1, Stagnation des Ausbaues: Auf Basis der von der E-Control registrierten Ökostromanlagen wurde bis zum Jahr 2011 eine Gesamtzahl von 203 Biomasse KWK-Anlagen mit einer gesamten elektrischen Leistung von 435 MW in Österreich in Betrieb genommen (Biermayr, et al., 2012) Anzahl der Anlagen installierte Leistung
5 Konzept Hybridisierung Biomasse elektrischer Strom ORC- Prozess Konzentrierende Solarthermie Fernwärme
6 Konzept Hybridisierung Die Einbindung solarthermischer Energie erfolgt in: 1. Rücklauf Thermoöl- Kreislauf (ca. 260 C) 2. Fernwärmekreislauf (ca. 100 C)
7 Design des Solarfeldes Design Solarfeld Anzahl Loops 3 Anzahl Kollektorreihen pro Loop 2 Anzahl Kollektoren pro Loop 4 Anzahl Kollektoren 12 Kollektortyp EuroTrough 150 Receiver Schott PTR 70 Länge Receiver 4 m Anzahl Receiver 144 Länge Kollektor 150 m Aperturfläche Kollektor 817,5 m 2 Aperturfläche des Solarfeldes m 2 Abstand der Kollektorreihen 15 m erforderliche Landfläche m 2
8 Prozess-Simulation mit IPSEpro Solarfeld (dynamische Simulation durch Implementierung FORTRAN Dynamic Link Library (DLL): t x m c m c Q Q m c dx HTF HTF HCE HCE abs HCE, heatloss HTF HTF Thermoölkreislauf ORC
9 Thermische Leistung [MW] Thermische Leistung [MW] Ergebnisse - Erzeugungsleistung 12 Salzburg Jän 31. Jän 1. Mär 31. Mär 30. Apr 30. Mai 29. Jun 29. Jul 28. Aug 27. Sep 27. Okt 26. Nov 26. Dez Einspeiseleistung Solarthermie Brennstoffwärmeleistung 12 Klagenfurt Jän 31. Jän 1. Mär 31. Mär 30. Apr 30. Mai 29. Jun 29. Jul 28. Aug 27. Sep 27. Okt 26. Nov 26. Dez Einspeiseleistung Solarthermie Brennstoffwärmeleistung
10 Monatliche Energiesumme[MWh] Monatliche Einstrahlungssumme DNI [kwh/m 2 ] Monatliche Energiesumme[MWh] Monatliche Einstrahlungssumme DNI [kwh/m 2 ] Ergebnisse - Energiebilanz 600 Salzburg Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Salzburg: DNI: 866 kwh/(m 2 a) Ertrag Solarfeld: MWh/a Solareinspeisung: MWh/a Biomasseverbrauch: t atro /a Reduktion Biomasse: 515 t atro /a (2,3 %) Energieertrag Solarfeld Einspeisung Solarenergie Einstrahlungssumme DNI Klagenfurt Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Klagenfurt: DNI: kwh/(m 2 a) Ertrag Solarfeld: MWh/a Solareinspeisung: MWh/a Biomasseverbrauch: t atro /a Reduktion Biomasse: 604 t atro /a (2,7 %) Energieertrag Solarfeld Einspeisung Solarenergie Einstrahlungssumme DNI
11 Wirtschaftlichkeit - Rahmenbedingungen Investitions- und Betriebskosten Solarfeld: Gesamte Investitionskosten: 3,1 Mio. Betriebskosten: Wartungskosten: Anstieg Wartungskosten: Lebensdauer: /a /a 0,5 %/a 25 Jahre Kosten/Erlöse: Einkaufspreis Biomasse: 120 /t atro Jährlicher Preisanstieg Biomasse: 5 % Einspeisetarif Strom Biomasse: Einspeisetarif Strom Solarthermie: Verkaufspreis Wärme: 138 /MWh 190 /MWh 35 /MWh Jährlicher Preisanstieg Wärme: 3 % Investitionsförderung (optional): 30 %
12 Barwert [EURO] Wirtschaftlichkeit - Ergebnisse 1. Einspeisetarif Strom (FIT) Salzburg: Barwert: Amortisationsdauer: 26 Jahre Klagenfurt: Barwert: 1,17 Mio. Amortisationsdauer: 21 Jahre 2. Einspeisetarif + Investitionsförderung Salzburg: Barwert: 1,14 Mio. Amortisationsdauer: 20 Jahre Klagenfurt: Barwert: 1,92 Mio. Amortisationsdauer: 16 Jahre Jahre Cashflow (FIT) - Salzburg Cashflow (FIT) - Salzburg Cashflow (FIT) - Klagenfurt Cashflow (FIT + IF) - Salzburg Cashflow (FIT) - Klagenfurt Cashflow (FIT + IF) - Klagenfurt
13 Methode zur Bewertung der Nachhaltigkeit Im Sinne eines Constructive Technology Assessments (Sundermann 1999), wird die Nachhaltigkeitsperformance anhand von ausgewählten Schlüsselkriterien dargestellt. Diese umfassen quantitative und qualitative (makro)ökonomische, ökologische und soziale Aspekte. Es wurde ein Kriterienkatalog erstellt, der folgende Kategorien von Themen beinhaltet: A. Gesundheits- und Umweltrelevante Impacts B. Sicherung und Qualität der Beschäftigung C. Wissen D. Regionalentwicklung E. Akteursinteraktionen F. Wirtschaftlichkeit Ein Kriterium der Kategorie A sind u.a. die Emissionen an die Kompartimente Wasser, Luft und Boden und beinhaltet somit die CO 2 -Emissionen, die durch den quantitativen Indikator Klimapotenzial [CO 2 -äqu./kwh] beschrieben werden können.
14 Wertschöpfungskette Biomasse-Solar KWK Ermittlung der Wertschöpfungskette: Es werden alle prozessrelevanten Stoffströme, welche in das Gesamtsystem hinein bzw. hinaus geführt werden, erfasst. Inputströme (alle Stoff-, Energie-, Materialflüsse, die für den Betrieb bzw. die Errichtung der Anlage erforderlich sind): Energieträger (Holz) Betriebsmittel (z.b. Thermoöl) Hilfsenergie (elektr. Energie) Outputströmen (Stoff-, Energie- bzw. Materialflüsse welche aus dem System geführt werden: Energieauskopplung (Strom/Wärme): Abfallstoffe (z.b. Asche) Rauchgas Verluste (z.b. energetische Verluste, Material-/ Betriebsstoffverluste)
15 Klimabilanz Wertschöpfungskette Kupfer: Stoffstromanalyse für eingesetzte Materialien: Die Hauptmaterialien, welche sowohl in der Biomasse-, in der konzentrierenden Solarthermiesowie in der ORC- Anlage eingesetzt werden, sind: Glas Stahl Beton Steinwolle Kupfer Aluminium Wärmeträgermittel( Thermoöl, Silikonöl, organische Arbeitsmittel)
16 Spezifische CO 2 -Emissionen [gco 2 /kwh] Klimabilanz - Ergebnisse Hackgutbereitung 10,29 gco 2 -eq/kwh 43,60 Transport Hackschnitzel zum Lagerplatz 14,02 gco 2 -eq/kwh 43,40 43,20 43,00 Transport Hackschnitzel zur Feuerungsanlage 30,31 gco 2 -eq/kwh 42,80 43,16 42,60 43,23 Biomassekessel (inkl. Gebäude) 43,03 gco 2 -equ/kwh 42,40 42,5 42,20 konzentrierende Solaranlage 40,84 gco 2 -eq/kwh Wärmemixer 42,97 gco 2 -eq/kwh 42,00 Biomasse KWK, Salzburg Hybrid Biomasse- Solar KWK, Salzburg Biomasse KWK, Simmering ORC-Unit (inkl. Thermoölkreislauf) 43,16 gco 2 -eq/kwh
17 Klimabilanz der Solaranlage 1. Gewichtsanteile der wichtigsten Materialien: 2. Anteil der spez. CO 2 -Emissionen der wichtigsten Materialien: 2% 7% 3,0% 0,6% 0,2% 6,9% 12% 41% 38% 89,4% Beton Stahl Glas Mineralwolle Aluminium Beton Stahl Glas Mineralwolle Aluminium
18 Resümee 1. Technische Performance: Trotz geringem DNI kann ein akzeptabler Ertrag der konzentrierenden Solaranlage ohne thermische Energiespeicher erreicht werden (ca. 350 kwh/m 2 a). Weitere Optimierungsmöglichkeiten sind: Ertragsoptimierte Aufstellung der Parabolrinnenkollektoren Intelligente Steuerstrategie für kaskadische Einspeisung 2. Wirtschaftlichkeit: Mit Einspeisetarif für solarthermischen Strom + Investitionsförderung ist eine Amortisation von < 15 Jahren für Anlagen in Österreich möglich. Brennstoffoptionalität und unterschiedlicher Betriebsstrategien bieten zusätzliche betriebswirtschaftliche Vorteile: Substitution von Biomasse (Reduktion Brennstoffkosten) Boosten der Stromerzeugung (Erhöhung Strom-Erlöse) Boosten der Wärmeerzeugung (Erhöhung Wärme-Erlöse) 3. Klimabilanz: Hybridisierung mit konzentrierender Solaranlage führt zu keiner Verschlechterung der Klimabilanz. Über die Lebensdauer der Anlage können 80,562 kgco 2 -eq. eingespart werden.
19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! DI (FH), MSc. Fachhochschule Technikum Wien Institut für Erneuerbare Energie Giefinggasse 6, A-1210 Wien Tel.: +43-(1) Mobil: +43-(0)
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