Normative energetische Bewertung von KWK-Anlagen/Brennstoffzellen

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1 Heiz- und Raumlufttechnik Gemeinschaftsveranstaltung NHRS und afecor Normative energetische Bewertung von KWK-Anlagen/Brennstoffzellen Berlin Prof. Dr.-Ing. Bert Oschatz Institut für Technische Gebäudeausrüstung Dresden Forschung und Anwendung GmbH

2 INHALT Einleitung aktuell mittelfristig perspektivisch EnEV-Nachweis für innovative Technologien Bewertungsvorschlag für stromgeführte Brennstoffzelle Mikro-KWK in DIN V :2011 INS Projekt: Energetische Bewertung von Brennstoffzellen Fazit 2

3 Politisches Umfeld Energiekonzept der Bundesregierung für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung Gebäuderelevante Klimaschutzziele übergreifend sektorspezifisch CO 2 -Reduzierung (Bezugsjahr 1990) Anteil erneuerbarer Energien am Bruttoenergieverbrauch - 40% - 55% - 70% >- 80% 18% 30% 45% 60% Sanierungsrate - Gebäude Verdopplung von jährlich 1% auf 2% Reduzierung Primärenergiebedarf - 80% Ohne Einsatz innovativer Effizienztechnologien, z.b. Brennstoffzellen, Gaswärmepumpen nicht erreichbar KWKG: Erhöhung der Stromerzeugung aus KWK auf 25% bis zum Jahr

4 Energiepolitik nach der Wahl Energiewende Ja Aber wie CDU/CSU: Festhalten am Energiekonzept 2010, marktwirtschaftliche Lösungen mit fairen Wettbewerb, Technologieoffenheit und neue technologische Entwicklungen zielführend SPD: Aus- und Umbau der KfW-Förderung, Ausbau von KWK und Fernwärme FPD: Anreiz statt Zwang, keine Zwangssanierung im Gebäudebestand, Ordnungsrecht nur im Neubau, Innovation und neue Technologien zielführend Bündnis 90/Die Grünen: Zwangssanierung des Gebäudebestandes auf NEH-Niveau, Deckung des Wärmebedarfs durch EE, Aufstockung des KfW-Programms, Nutzung von KWK Die Linke: verbesserte Förderung der energetischen Gebäudesanierung und BHKW, Anteil EE: Erhöhung im Neubau und Ausweitung auf Bestand 4

5 Regelverfahren der EnEV aktuell Energetische Bewertung nach EnEV 2009 und für die darauf aufbauenden Regelungen (EEWärmeG, KfW-Förderung) 2 zulässige Nachweisverfahren für Wohngebäude DIN V : DIN V 18599: DIN V DIN V

6 Problem: EnEV-Nachweis für innovative Technologien (EnEV 2009) aktuell DIN V DIN V Kein Verfahren für die Bewertung von Brennstoffzellen, Gaswärmepumpen, Mikro-KWK nicht ohne Weiteres rechenbar Bewertung von KWK prinzipiell möglich, aber auf Mikro-KWK nicht ohne Weiteres übertragbar, Keine Bewertung von Brennstoffzellen, Kein Verfahren für die Bewertung von Sorptions-GWP Aktuelle Vorgehensweise für innovative Technologien: eine vom Standard abweichende Nachweisführung für ähnliche energetische Eigenschaften 6

7 Aktueller Stand: EnEV 2009 aktuell Nachteile einer vom Standard abweichenden Nachweisführung Hohe Anforderungen an den Ersteller eines solchen Energieausweises Keine rechtssichere Situation für den Nachweisführenden Notwendigkeit einer Abstimmung mit der nach Landesrecht zuständigen Behörde (Prüfung im Einzelfall) Hilfskonstruktion Hersteller von innovativen Produkten/Technologien, die in der Norm nicht abgebildet sind, lassen sich von unabhängigen Sachverständigen Vorschläge für die energetische Bewertung im Rahmen der EnEV erstellen. Bisher: Keine offizielle Anerkennung von den Bewertungsvorschlägen 7

8 Bewertungsvorschlag Beispiel: stromgeführte Brennstoffzelle Bewertungsvorschlag für CFC-Brennstoffzelle: aktuell Anlagenbewertung nach DIN V über den Primärenergiefaktor und die von Brennstoffzelle gelieferte Wärmemenge als Nah-/Fernwärme mit einem Primärenergiefaktor f P =0,0 und einer Erzeugeraufwandszahl e g =1,0 Bild: CFC 8

9 aktuell Bewertungsvorschlag Brennstoffzelle Eingangsparameter Deckungsbeitrag der Brennstoffzelle von folgenden Faktoren abhängig: Gebäudegröße, Heizwärmebedarf, Systemtemperaturen und Art des Warmwasserbetriebes Beispiel: EFH mit A N =200 m² und zentraler Warmwasserbereitung mit Zirkulation Deckungsbeitrag der Brennstoffzelle in kwh/a Auslegungstemperatur 35/28 C Auslegungstemperatur 55/45 C Auslegungstemperatur 70/55 C spez. Jahres-Heizwärmebedarf in kwh/(m²a) 9

10 Bewertungsvorschlag Brennstoffzelle Anlagenbewertung nach DIN V aktuell Bestimmung des Wärmeenergiebedarfs des Gebäudes Bestimmung des absoluten Deckungsbeitrages der Brennstoffzelle anhand der im Gutachten enthaltenen Werte Ermittlung des prozentualen Deckungsanteils der Brennstoffzelle X in % (Bezug des Deckungsbeitrages auf den gesamten Wärmeenergiebedarf für Heizung und TWE) 4 Definieren von zwei Wärmeerzeugern mit vorgegebenen Deckungsanteilen auf der Heizungsseite 5 6 Definieren der Brennstoffzelle als Nah-/Fernwärme mit einem Primärenergiefaktor f p =0,0 und einem im Schritt 3 berechneten Deckungsanteil X Definieren eines Spitzenlast-Wärmeerzeugers mit einem Deckungsanteil Y=1-X und einem Brennstoff entsprechend der geplanten technischen Ausführung 7 Durchführen der Schritte 4 bis 6 entsprechend auf der Warmwasserseite 8 Ermittlung des Jahres-Primärenergiebedarfes des Gebäudes 10

11 Mikro-KWK in DIN V :2011 Bild: Remeha Mikro-KWK nach DIN V :2011 berechenbar Verwendung von Produktkennwerten möglich, alternativ Verwendung von Standardwerten Deutlich einfachere Berechnung als bisher mittelfristig Bild: Viessmann Bild: Vaillant Bild: Vaillant 11

12 Mikro-KWK im Sinne DIN V Gültigkeitsbereich für die Berechnung von Mikro-KWK-Systemen mittelfristig Typ des Gebäudes Typ der KWK-Anlage Betriebsweise der Anlage Grädigkeit bis zur Pufferspeichernachladung Q outg,a Wohnbau Stirling-, Gasexpansions- oder Verbrennungsmotor Wärmegeführte Betriebsweise 20 K kwh/a bis kwh/a P th,chp 2 kw bis 20 kw V PS 0,3 m³ bis 3 m³ Q w,outg,a kwh/a bis kwh/a Berechnungsansatz für Brennstoffzellen-KWK nicht gültig! 12

13 Mikro-KWK Standardwerte mittelfristig 13

14 Ergebnisdarstellung der Berechnung von gebäudeintegrierten KWK-Systemen mittelfristig 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 2013 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 14

15 Mikro-KWK Berechnungsansatz Deckungsanteil KWK als Funktion von Erzeugernutzwärmeabgabe gesamt und für Warmwasser Thermische Leistung KWK-Modul (ohne Spitzenlastkessel!) Pufferspeichervolumen mittelfristig Planungs- oder Produktwerte oder Standardwerte Elektrische und thermische Nutzungsgrade KWK thermischer Nutzungsgrad Spitzenlastkessel Pufferspeichervolumen Klarer Rechenweg für Verfahren A (Brennstoff + Strom) und Verfahren B (Wärme und PE-Faktor) - vergleichbar mit Berechnung größerer Wärmenetzte im Teil 1 Berechnung für gesamtes Jahr (keine Monatswerte) 15

16 Brennstoffzellen auf dem Weg zur Marktreife Dynamische Entwicklung Erste Geräte marktverfügbar Prof. Dr.-Ing. Bert Oschatz Energetische Bewertung von KWK-Anlagen/Brennstoffzellen Berlin

17 Brennstoffzellen auf dem Weg zur Marktreife SOFC PEM-FC 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 BOL-Angaben marktverfügbar Labor-/ Feldtest Labor-/ Feldtest Markteinführung 2013 Labor-/ Feldtest Labor-/ Feldtest Bilder: CFC, Vaillant, Elcore, IBZ 17

18 Energetische Bewertung von Brennstoffzellen Bewertungsansatz der DIN V :2011 auf Brennstoffzellen nicht übertragbar Energetische Bewertung weiterhin nicht ohne Weiteres möglich INS Projekt: Erarbeitung eines Bewertungsverfahrens für Brennstoffzellen innerhalb der energetischen Systemnormung perspektivisch Projektlaufzeit: 05/ /2013 Projektbearbeitung: ITG Dresden Einbeziehung von BZH-Herstellern Projektfinanzierung: aus Mitteln des BMWi 18

19 Energetische Bewertung von Brennstoffzellen INS Projekt perspektivisch Ziele des Projektes Erarbeitung eines normativen Bewertungsverfahren für Brennstoffzellen-KWK Ermittlung des Endenergie- und Primärenergiebedarfs Brennstoffzelle innerhalb von Gebäuden und als (Teil der) Wärmeversorgung von Wärmenetzen (Fern-/Nahwärme) Vorbereiten und Einbringen eines Bewertungsvorschlages in die zuständigen Normungsausschüsse Erwarteter Nutzen Sachgerechte normative Bewertung von Brennstoffzellen im Rahmen von zukünftiger EnEV, Förderprogrammen etc. Verminderung des Aufwandes bei der Nachweiserstellung Verbesserung der Rahmenbedingungen für den Einsatz von Brennstoffzellen 19

20 Fazit Innovative Heiztechnologien (Mikro-KWK u.a. Brennstoffzellen, Gaswärmepumpen) zur der Klimaschutzziele unabdingbar Aktueller Stand: Probleme bei der Berücksichtigung in der EnEV und den darauf aufbauenden Regelungen Keine ausreichende Abbildung in Normen und in Software Keine Anerkennung von Bewertungsvorschlägen Mikro-KWK nach DIN V :2011 berechenbar, jedoch Berechnungsansatz auf Brennstoffzellen nicht übertragbar Erreichung Eine Abbildung von Brennstoffzellen-KWK in der Systemnormung erforderlich! INS Projekt: Erarbeitung eines Bewertungsverfahrens für Brennstoffzellen innerhalb der energetischen Systemnormung Einbringen des Bewertungsverfahrens in die Neufassung der DIN V Bild: CFC Bild: Hexis 20