Theorie und Praxis bei KWK - Anlagen. Grundlagen, Planungsschritte, Umsetzung und Erfahrungsberichte

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1 Theorie und Praxis bei KWK - Anlagen Grundlagen, Planungsschritte, Umsetzung und Erfahrungsberichte

2 Die GWE Familienunternehmen mit Fokus KWK Die GWE ist ein spezialisierter Generalplaner für Energieanlagen auf Basis der Kraft-Wärme-Kopplung unter Zugrundelegung des Gedanken der bedarfsgerechten und dezentralen Energieerzeugung ein durch zwei Generationen geführtes Familienunternehmen Ansprechpartner für Kunden aus Industrie und Gewerbe Entwickler von maßgeschneiderten Lösungen für kostengünstige und umweltfreundliche Energieerzeugung, -verteilung und verwendung Die GWE bietet Unabhängige, herstellerneutrale und individuelle Planungslösung Transparente Energieströme durch Messen und Kontrollieren Einführung von Energiemanagementsysteme und -audits Verbesserung der Energieverteilung und nutzung zur Reduzierung des Energieverbrauchs 2

3 Was ist Kraft-Wärme-Kopplung? aktuelles KWKG Kraft-Wärme-Kopplung ist die gleichzeitige Umwandlung von eingesetzter Energie in elektrische Energie und in Nutzwärme Wesentliche KWK-Anlagen sind: Dampfturbinen-Anlagen, Gasturbinen-Anlagen, Verbrennungsmotoren-Anlagen Wesentliche Brennstoffe, Energiequellen: Kohle, Abfall, gasförmige oder flüssige Brennstoffen, Abwärme Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK): Umwandlung von Nutzwärme aus KWK in Nutzkälte durch thermisch angetriebene Kältemaschinen (Wärmeverbraucher). technische Energieeffizienzerhöhung 3

4 Kaufmännische Vorteile der Kraft-Wärme-Kopplung II Wertstoff Strom - Zusammensetzung 2014 Strombestandteile [WERT] % [WERT] % [WERT] % Arbeitspreis Steuern, Abgaben, Umlagen Netznutzung *Erneuerbare-Energien-Gesetz **Stromnetzentgeltverordnung ***Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz 4

5 Kaufmännische Vorteile der Kraft-Wärme-Kopplung II Staatliche Förderung und Energiesteuerbefreiung Staatliche Förderung der dezentralen Energieerzeugung (KWKG) Förderung über Vollbenutzungsstunden für den in Kraft-Wärme-Kopplung erzeugten Strom Förderhöhe abhängig von der installierten elektrischen Leistung (1,8-5,41 ct/kwh) Vergütung auch der Stromeinspeisung ins Netz CO 2 -Emissionshandelsaufschlag (0,3 Ct/kWh) Förderung von Nachrüstungen und Modernisierung von Altanlagen Investitionszuschüsse für Absorptionskältemaschinen und Speichersysteme Vollständige Befreiung des in der KWK-Anlage eingesetzten Primärbrennstoffs von der Energiesteuer Abkoppeln vom Strombezug durch signifikante oder umfassende Stromeigenerzeugung Strompreis: nur noch geringer Anteil des eigentlichen Stromrohstoffpreises EEG-Umlage 2014: 62,4 /MWh! Verringerung der Ausnahmetatbestände! Der in KWK erzeugte Strom ist günstiger als der bezogene Strom! 5

6 Wirtschaftliche Abschätzung zur Stromerzeugung bei vollständigen Stromeigenverbrauch Gasmotor Gasturbine Einheit Gaspreis 30,00 30,00 /MWh elektrischer Wirkungsgrad % Stromgestehungskosten I 71,43 90,91 /MWh Zzgl. Wartungsvertrag (Full-Service) 10,00 8,00 /MWh Abzgl. KWK-Bonus 30,00 20,00 /MWh Stromgestehungskosten II 51,43 78,91 /MWh aktueller Strombezugspreis aus dem Netz (Vollversorgung und Vollkostenpreis) /MWh Differenz Eigenerzeugung zu Stromzukauf 98,57 71,09 /MWh Amortisationszeit liegt unterhalb der Vollbenutzungsstunden 6

7 Auslegungsparameter einer KWK-Anlage Benötigte Daten Wärme-/Kälteverbrauchslast mit Leistung und Arbeit über die Zeit aufgetragen Medienparameter (Druck, Temperatur (Vorlauf und Rücklauf), Kondensatrückflussquote) Auslegung der Anlage nach den Prinzipien Grundlast der Wärme-/Kälteversorgung Laufzeiten und Volllaststunden Zeit zwischen zwei Abschaltvorgängen Teillastbereich Puffer / Speicher (Dampf und Warm-/Kaltwasser) erhöhen die Anlagenlaufzeit und entkoppeln die Verbraucher von der Anlage Strom ist ein Ergebnis, nicht Auslegungsparameter der Anlage! 7

8 Vorgehen Anlagendimensionierung Benötigte Daten Details und Optimierungen Wärme- /Kälteverbraucher Energieverteilung Medienumstellung (Dampf/Warmwasser) Daten ermitteln durch Messwerte Abschätzungen, Berechnungen Auswertung von Lastgänge Strom und Dampf/Gas sortiert, unsortiert mit und ohne Erzeugung Anlagendimensionierung (iteratives Vorgehen) Excel Datei zur Kraftwerkssimulation (Simulation dynamisches Verhalten) Verfahrensfließbilder, Grundfließbilder Aufstellpläne Grundrisse, Ansichten, Schnitte 8

9 Theorie

10 Typische Anwendung KWK Gleichzeitigkeit des Wärme-/Kälte- und Strombedarfs! Wärme- oder Gasbedarf Strombedarf 10

11 Stromverwendung im KWK-Betrieb II Strombezug Stromeinspeisung 11

12 Lastgang 12

13 Lastgang 13

14 Lastgang 14

15 Lastgang 15

16 Dampfmassenstrom [kg/h] Speicherfüllstand [kg] Lastgang Tag 1 Tag 2 Tag 3 Tag 4 Tag 5 Tag 6 Tag 7 Tag 8 0 Datum Dampfbedarf Dampferzeugung Gasturbine Speicherfüllstand des Dampfspeichers 16

17 Lastgang 17

18 Lastgang Einspeisung Eigenbedarfsdeckung Zukauf 18

19 Leistungsberechnung Leistungsberechnung DT mit 4 Entnahmestufen Bezeichnung Legende Wirkungsgrade Turbosatz Randbedingungen: Input Dampfleistung m [Mg/h] p [bar a] Eingabe Ergebnis h innerer 0,99 - h i > h i+1 P FD 116,364 [MW th ] T [ C] h [kj/kg] Vorgabe h mechanisch 0,975 - Dampffeuchte 0 x 1 beachten x [-] s [kj/kg K] h Getriebe 0,985 - Dampfrückkühlung mit Zellenkühlern Wellenleistung ideal Feed Frischdampf h Generator 0,96 - EB daher nur 4,5 P T, id 35,209 [MW el ] Gesamtverlus te 8,70% - 0,07 bar und 86,5% im Feuchtgebiet 130, Entropiegefälle beachten, ggf. Reihenfolge Wellenleistung real ,38 der Entnahmen anpassen P T,real 33,476 [MW el ] 6,752 G Generatorklemmenleistung Bleed 1 Bleed 2 Bleed 3 Bleed 4 Abdampf brutto Anzapfung Kunde Anzapfung Kunde n.n. n.n. zu LUKO P G 32,137 [MW el ] ,2 0 4, , , , ,37 Eigenbedarf bezogen auf P G ,865 7,235 P E 4,3 [MW el ] P Stufe 1 P Stufe 2 P Stufe 3 P Stufe 4 P Stufe 5 verfügbare Nutzleistung 0 P el [MW] 0 P el [MW] 0 P el [MW] 0 P el [MW] 35,209 P el [MW] P N 27,837 [MW el ] 0 P th [MW] 0 P th [MW] 0 P th [MW] 0 P th [MW] 81,155 P th [MW] Elektrischer Bedarf Kunde Überschlägige Berechnung der LUKOs (vorläufig!) P Kunde 17 [MW el ] Gesamtleistung ideal Kondensationswärme im LUKO 75,255 P kond,th [MW] 30,909 P el [MW] Eintrittstemperatur Luft LUKO 12 T air,in [ C] Wirkungsgrade 81,155 P th [MW] Zieltemperatur Kondensat nach LUKO 45,5 T kond,soll [ C] elektrisch 27,62% 112,064 P ges [MW] Anzahl LUKOs 4 thermisch* 0,00% Luftbedarf je LUKO bei T Kond, soll = 45 C ,02 V Air [m³/h] 19

20 Fließbild 20

21 Fließbild 21

22 Fließbild 22

23 Fließbild 23

24 Fließbild 24

25 Fließbild 25

26 Lageplan 26

27 Lageplan 27

28 Lageplan 28

29 Werkslage- und Gebäudeplan 29

30 Maschinenschnitt 30

31 Schnitt 31

32 Schnitt 32

33 Ansicht 33

34 Ansicht 34

35 Ansicht 35

36 Ansicht 36

37 Ansicht 37

38 Ansicht 38

39 Ansicht 39

40 Ansicht 40

41 Maschinenaufstellungsplan 41

42 Grundriss 42

43 Grundriss 43

44 Praxis

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