Klaus Görner Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik LUAT

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1 Dortm dezentral im Folie 1 Kraft-Wärme rme-kopplung - dezentral im - Universität (Energieforschung Ruhr) Gaswärme Institut Essen EnergieRegion.NRW - Hannover Messe April 2010, Hannover

2 Inhalt Dortm Motivation Kraft-Wärme-Kopplung Bewertungsmaßstäbe en im dezentralen Bereich Gasmotoren Stirling-Motoren Dampfexpansionsmaschinen Brennstoffzellen en im Energetische / exergetische Bewertung dezentral im System-Integration Objekt (Gebäude) Stromnetz Versorgungsnetz Zusammenfassung Folie 2

3 Motivation Motivation - Dortm dezentral im Folie 3

4 KWK: Motivation Dortm Zentrale KWK ist energetisch sehr sinnvoll, hat aber oft das Problem der fehlenden Wärmesenke. Nah- Fernwärmesysteme sind sehr investitionskostenintensiv. Hausheizung hat bei Neuanlagen hohen Brennstoffnutzungsgrad, ist aber exergetisch nicht sinnvoll (Niedertemperaturwärme von < 60 C). Stromeinspeisungen von regenerativ gespeisten Anlagen (Wind, Sonne,...) sind fluktuierend belasten zunehmend des Stromnetz. dezentral im Folie 4 Anforderungen an Anlagen zur Strom- Wärmebereitstellung: Hoher Brennstoffnutzungsgrad, Hoher exergetischer Wirkungsgrad für Stromerzeugung, Ganzjährig gegebene Wärmesenke, Evtl. zusätzliche Abwärmenutzung zur Kälteerzeugung. Notwendigkeit einer Gesamtsystemoptimierung.

5 Kraft-Wärme-Kopplung Dortm Kraft-Wärme rme- Kopplung - dezentral im Folie 5

6 Kraft-Wärme-Kopplung Zentral - dezentral Dortm P el P el P el =0 Kraftwerk KWKanlage Haus heizung Stromerzeugung zentral Wärmeerzeugung dezentral dezentral im Folie 6 Q N =0 Q N Q N Stromerzeugung dezentralisieren Wärmeerzeugung zentralisieren Wohneinheit

7 Kraft-Wärme-Kopplung Dortm Systemvergleich Zentrale Erzeugung Dezentrale Erzeugung Dezentrale Erzeugung (nur Strom) (Strom Wärme) (nur Wärme) GuD-KW Mikro-KWK Hausheizung P el Stromerzeugung zentral P el energetisch Gasmotor / exergetisch Gaskessel objektorientiert Stirlingmotor / systemorientiert Q Gasbrennwertkessel N Q ökonomisch Dampferzeuger / ökologisch Gas-BW + N Solar betriebswirtschaftlich Gasturbine / volkswirtschaftlich Gaswärmepumpe Wohneinheit technologisch Brennstoffzelle / ideologisch KWKanlage P el =0 Haus heizung Wärmeerzeugung dezentral dezentral im Folie 7 Gas- Dampf- Turbinenkraftwerk Q N =0 Systemvergleich Systeme Kraftwerk

8 en im dezentralen Bereich Dortm en im dezentralen Bereich - dezentral im Folie 8

9 en im dezentralen Bereich Dortm Investitionsstau im Gebäudebeheizungsbereich Ca. 10 unter 10 Jahre Ca. Ca. 10 % unter 10 Jahre Ca % älter älter Jahre Jahre Brennstoffnutzungsgrad > % Brennstoffnutzungsgrad < % Stand Stand der der Technik dezentral im Ca. Ca % bis bis Jahre Jahre Brenstoffnutzungsgrad ~ % Folie 9

10 en im dezentralen Bereich Dortm Definition Leistungsbereich Definition KWK-Anlagen zeichnen sich durch eine zeitgleiche Erzeugung von Strom (allg. mechanische / elektrische Arbeit) Nutzwärme aus. Leistungsbereiche Bisher keine allgemein akzeptierte Definition. Motorische Anlagen < 10 kw el Mikro-KWK (µ-kwk) kw el Mini-KWK dezentral im Brennstoffzellen-Anlagen < 10 kw el Mikro-KWK (µ-kwk) kw el Mini-KWK sschritte von kleinen zu großen Leistungen Gasturbinen-Anlagen < 100 kw el Mikro-KWK (µ-kwk) sschritte von großen zu kleinen Leistungen Folie 10

11 en im dezentralen Bereich Energiebedarf für Gebäude 12,0% 9,0% Dortm Raumwärme Warmwasser Strom 79,0% Primärenergieverbrauch dezentral im Folie 11 Strom- / Raumwärmebedarf: 1 / 9 Quelle: 30,0% 16,0% 26,0% 28,0% Wohnen Industrie Gewerbe Verkehr

12 en im dezentralen Bereich Einteilung nach Leistungsbereichen Einfamilienhausbereich < 5 kw el > 5 kw el Mehrfamilienhausbereich Kleinindustrieller Bereich Dortm dezentral im Honda (Verbrennungsmotor) EcoPower (Vaillant) WhisperGen (WhisperTech) (MicroGen) Lion powerblock (Otag) (SteamCell (engineon)) Dachs (SenerTec; Baxi Group) EcoPower (Vaillant) Solo EC Power Lichtblick Folie 12

13 en im dezentralen Bereich Dortm Gasmotorische Anlagen / BHKW-Anlagen ecopower (Vaillant) Leistungsdaten - elektr. Leistung 1,3 4,7 kw - therm. Leistung 4,0 12,5 kw - Betriebsmodus modulierender - Brennstoff Erdgas Flüssiggas (Propan) - Brennstoffleistung 8,8 19 kw Honda dezentral im Folie 13

14 Dortm en im dezentralen Bereich Gasmotorische Anlagen / BHKW-Anlagen Dachs (SenerTec) Motor-BHKW (Erdgas-/Flüssiggas-, Benzin-/Diesel-Motor) Leistungsdaten - Otto-1-Zylinder-Viertaktmotor - Elektr. Leistung bis 10 kw - Lebensdauer bis h - Wartungsintervalle bis h (entspricht ca km Fahrleistung beim PKW) dezentral im Folie 14 Quelle: ASUE Einsatzbereiche Monovalenter Betrieb - Gebäudeheizung (stromerzeugende Heizung) Netzersatzbetrieb - Rettungsd., Feuerwehr, Polizei - Banken (EDV) - Verwaltungsgebäude (EDV) - Produktionsbetriebe mit empfindlichen Verbrauchern Inselbetrieb - Hütten auf Bergen oder Inseln

15 en im dezentralen Bereich Dortm dezentral im Stirling-Motoren WhisperGen (WhisperTech) Leistungsdaten - elektrische Leistung 1 kw - thermische Leistung 7,5 12 kw - Betriebsmodus modulierender - Besonderheit Brennwerttechnik im Heizbereich - Markteinführung in U.K. - Geräuschemissionen 63 db A (MK 4) Folgemodelle sind leiser Folie 15 Quelle: ASUE

16 en im dezentralen Bereich Dortm Stirling-Motoren Dampfexpansions-µ-KWK-Anlagen - OTAG-lion powerpack Charakteristische Anlagendaten Dampferzeuger - Rohrverdampfer - Frischdampf: 300 C, bar dezentral im Folie 16 Elektrischer Wandler - Lineargenerator (Linator) - Hubfrequenz: 3000/min Wärmeauskopplung - reiner Heizbetrieb möglich (Linator-Ausfall) - kein Spitzenlastkessel notwendig Innovative Komponente: Linator

17 en im Dortm en im - dezentral im Folie 17

18 en im Wirkungsgradsteigerung über Einzelkomponentenoptimierung Dortm Lausward (Stadtwerke D dorf) > 43 % % > 60 % dezentral im Folie 18 Braunkohle-Vortrocknung Optimierte Anlagenparameter Eigenbedarfsreduzierung... Anlagen: BoA 2+3 Quelle: VGB, Evonik, Siemens, 2010 Konzeptvereinfachungen Eigenbedarfsreduzierung Mühlenluftnutzung Niedriger Kondensatordruck... Anlagen: Walsum 10 Datteln 4 GT-Wirkungsgrad Absolute Leistung GT Erhöhung Eintritts-Temp.... Anlagen: Irsching (540 MW)

19 Kraft-Wärme-Kopplung Kennzahlen Dortm Elektrischer Wirkungsgrad KWK- System Dampf-KW mit Gegendruckturbine Elektrische Leistung P el [MW] η el [-] 0,15 0,33 Brennstoffnutzungsgrad Stromkennzahl P el /Q N [-] 0,3 0,6 (P el +Q N )/W B [-] 0,8 0,9 Dampf-KW mit Entnahmekondensationsturbine ,32 0,36 0,8 2,5 0,55 0,7 GT-KW mit Abhitzenutzung (offene GT) 0, ,15 0,35 0,3 0,7 0,7 0,85 dezentral im Gas-/Dampf-KW mit Abhitzenutzung ca. 370 je Modul 0,35 0,42 0,7 2,7 0,6 0,9 Folie 19 BHKW Gas- oder Dieselmotor 0, ,25 0,43 0,3 1,2 0,8 0,95

20 en im Flexibilisierung des Kraftwerkseinsatzes Ausgangs-: Situation Erhöhung der Regelfähigkeit von bisher in Gr- Mittellast eingesetzter Kraftwerke, um damit die Netzeinspeisung über die Regenerativen auszuregeln. Dortm Ziele: Erhöhung der Anlagenflexibilität Erhöhung der Anlagendynamik allgemein (Laständerungsgeschw.) Erweiterter Leittechnik-Einsatz Online-Monitoring Verbesserung der Sensorik Betriebsbegleitende Simulationsprogramme Optimierung der Online-Kesselreinigung dezentral im Betriebliche Ziele: Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit Erhöhung der Anlagenlebensdauer Erweiterter Leittechnikeinsatz Online-Monitoring Verbesserung der Sensorik Betriebsbegleitende Simulationsprogramme Optimierung der online-kesselreinigung Folie 20

21 Energetische / exergetische Bewertung von KWK Dortm Energetische / exergetische Bewertung von KWK - dezentral im Folie 21

22 Kraft-Wärme-Kopplung Dortm Energetische / exergetische Bewertung - Kennzahlen W B P el dezentral im Folie 22 Bilanzhülle Q N

23 Kraft-Wärme-Kopplung Energetische / exergetische Bewertung - Kennzahlen Energetische Betrachtung P el Dortm W B Umwandlungs- Prozess Q N P el Q N W B elektr. Arbeit Nutzwärme Brennstoffenergiestrom (therm. Input) m B* H U dezentral im Exergetische Betrachtung E B Umwandlungs- Prozess P el Q N E B Brennstoffexergiestrom m B* e xu Folie 23

24 Kraft-Wärme-Kopplung - Energetische / exergetische Bewertung - Kennzahlen Stromkennzahl σ = Qel P & N Dortm dezentral im Stromausbeute (elektrischer Wirkungsgrad) Q Wärmeausbeute γ = & N W& B Brennstoffnutzungsgrad (energetischer Wirkungsgrad) exergetischer Nutzungsfaktor (exergetischer Wirkungsgrad, Gütegrad) η = el ω = ξ = β = P el W& B P + Q& el N W& B P + E& el N E& B P el Q N W B E B elektr. Arbeit Nutzwärme Brennstoffenergiestrom (therm. Input) m B* H U Brennstoffexergiestrom m B* e xu Folie 24

25 Kraft-Wärme-Kopplung Energetische Bewertung - zentrale Erzeugung WB WB WB Dortm Kraftwerk Heizkraftwerk Heizkraftwerk 39,5 Verluste 60,5 Verluste 39,5 34,2 26,3 29,2 48,2 Verluste 22,6 dezentral im Folie 25 P el P el QN P el QN

26 en im dezentralen Bereich Dortm Gasmotorisch betriebene BHKW- Anlagen (Verbrennungs- Motoren) Energieflussdiagramm Brennstoff 100 Verluste 19,3 dezentral im Heizwärme 48,1 Strom 32,6 Folie 26

27 Energetische / exergetische Bewertung von KWK Dortm Reine Stromerzeugung Anteil (Wirkungsgrad) [%] 100 [%] Brennstoff: Erdgas GuD Stirling BHKW HTBZ1 HTBZ GuD Gas- Dampfturb.- KW (Typ Irsching) η = 60 % P el = 540 MW el Stirling Motor (extern. Verbr.) η = 30 % P el = 30 kw el BHKW Magermotor (Jenbacher) η = 44 % P el = 4 Mw el dezentral im Energie Exergie Strom Wärme HTBZ1 SOFC-Brennstoffzelle (CFCL) η = 60 % P el = 300 kw el HTBZ2 SOFC-Brennstoffzelle η = 45 % P el = 300 kw el Folie 27

28 Energetische / exergetische Bewertung von KWK Dortm Stromerzeugung Wärmeerzeugung (T=150 C) Anteil (Wirkungsgrad) [%] 100 [%] Brennstoff: Erdgas GuD Stirling BHKW HTBZ1 HTBZ GuD Gas- Dampfturb.- KW (Typ Irsching+WK) η = 60 % P el = 540 MW el Stirling Motor (extern. Verbr.) η = 30 % P el = 30 kw el BHKW Magermotor (Jenbacher) η = 44 % P el = 4 Mw el dezentral im Energie Exergie Strom Wärme HTBZ1 SOFC-Brennstoffzelle (CFCL) η = 60 % P el = 300 kw el HTBZ2 SOFC-Brennstoffzelle η = 45 % P el = 300 kw el Folie 28

30 Integration ins Gebäude Dortm Integration ins Objekt (Gebäude) - dezentral im Folie 30

31 Integration ins Gebäude Dortm dezentral im Folie 31 Grprinzip Abgas / Frischluft Quelle: GWI Gasnetz EVU Brennstoff Stromnetz Abgas Warmwasser Heizung Strom Strom Wasser Kaltwasser Abwasser (Kondenswasser) Gebäude Mikro-KWK- Anlage & Leistungsregelung Warmwasserverteilung Heizungsanlage

32 Integration ins Gebäude Dortm Management des Strombedarfs Elektrische Leistung Leistung in kw [kw] Bedarf BZA SULZER-Werte dezentral im Folie :00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 Ein Tag im Januar Trotz Stromerzeugung über Bedarfsmenge beträgt der Deckungsgrad nur 43,5 % Quelle: GWI Anlage A (P el = 840 W el ) 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00

33 Integration ins Gebäude Dortm dezentral im Management des Strombedarfs Nutzwärme-Energie [kwh] Energiemenge / kwh Netzbezug BZA Strombedarf J F M A M J J A S O N D Quelle: GWI Folie 33 Quelle: GWI Anlage A (P el = 840 W el )

34 Integration ins Gebäude Dortm dezentral im Management des Strom- Wärmebedarfs Energiemenge Thermische Energie / kwh thermisch [kwh] Deckung des Strom- Wärmebedarfs Wärmebilanz BZA Spitzenkessel Speicherverlust Liter 300 Liter 500 Liter Speichergrösse Strombilanz BZA Netzbezug Einspeisung Liter 300 Liter 500 Liter Speichergrösse Energiemenge Elektrische / Energie kwh elektrisch [kwh] Quelle: GWI Folie 34 Quelle: GWI Anlage B (P el = 1500 W el )

35 Integration ins Stromnetz Dortm Integration ins Stromnetz - dezentral im Folie 35

36 Integration ins Stromnetz Stromnetztopologie Dortm Gasnetz GuD-KW Stromnetz 380 kv Übertragungs- Netz > 300 MW el Industrie 110 kv dezentral im BHKW > 50 MW el > 10 kw el 10 kv Mikro-KWK 0,4 kv Verteil-Netz Folie 36

37 Integration ins Stromnetz Lastregelfunktion Dortm Gasnetz Stromnetz GuD-KW Erdgas Biogas Industrie Kohle-KW Wasser-KW dezentral im Synth.-Gas Wasserstoff BHKW Mikro-KWK Kern-KW Regerative KW Fluktuierende, volatile Einspeisung Folie 37 Regelbedarf

38 en im dezentralen Bereich Dortm dezentral im Gasmotorisch betriebene BHKW-Anlagen (Verbrennungs-Motoren) Zuhausekraftwerk (Lichtblick) Motor-BHKW Erdgas-Motor, (Benzin-/Diesel-Motor grsätzlich auch möglich) Leistungsdaten - elektrische Leistung 20 kw - thermische Leistung 34 kw - Markteinführung Geräuschemissionen k.a. - Strom-/Wärmeerz. 1 : 1,7 Bedarf Gebäude 1 : 9 Überschussstrom soll ins Netz eingespeist werden bzw. Stromerzeugung steht im Vordergr, Wärmenutzung wird zum Problem (große Speicher notwendig) Folie 38

39 Integration ins Stromnetz Vergleich zentral - dezentral Dortm Gas 1 Einheit á 540 MW Einheiten á 20 kw Gas dezentral im Folie 39 GuD-KW á 540 MW z.b. Irsching O keine Wärmesenke Virtuelles Kraftwerk mit insgesamt 540 MW z.b. Lichtblick (HH)

40 Integration in Versorgungsnetze Dortm Integration in Versorgungsnetze - dezentral im Folie 40

41 Integration ins Stromnetz Lastregelfunktion Dortm Gasnetz Stromnetz GuD-KW dezentral im Speicherfähigkeit des Netzes Erdgasspeicher Industrie BHKW Hohe Laständerungsgeschwindigkeiten Mikro-KWK Folie 41

42 Zusammenfassung Dortm Zusammen- fassung - dezentral im Folie 42

43 Zusammenfassung Dortm KWK hat insgesamt hohes Primärenergieeinsparungspotential Bei der zentralen Erzeugung ist die Wärmesenke das Problem Bei der dezentralen Gebäudeheizung ist der exergetische Wirkungsgrad sehr klein Die Bewertung von Mikro-KWK-Anlagen muss auf verschiedenen Ebenen erfolgen: - energetisch / exergetisch - objektorientiert / systemorientiert - ökonomisch / ökologisch - betriebswirtschaftlich / volkswirtschaftlich dezentral im Integration ins Stromnetz (virtuelles Kraftwerk): - kann Regelleistung beistellen - belasten aber das Stromnetz - Wärmespeicherung ist ökonomisch limitierender Faktor Integration ins Versorgungsnetz: - kann Regelleistung beistellen (Pufferung in Gasnetz) - benötigt ausgewogenes Strom-/Wärme-Management Folie 43

44 Dortm Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit dezentral im Folie 44