Vergleich zwischen Systemen der getrennten und der gekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme bei unterschiedlichen Bedarfsstrukturen

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1 KWK-Systemvergleich 1 Vergleich zwischen Systemen der getrennten und der gekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme bei unterschiedlichen Bedarfsstrukturen Aufgabe 1: Verschiedene Systeme der getrennten und gekoppelten Erzeugung von Wärme und Strom sollen im Hinblick auf ihren Gesamtsystemnutzungsgrad und ihre CO 2 -Emissionen miteinander verglichen werden. Als Ausgangssituation werden drei Versorgungsfälle gewählt, die sich im Verhältnis des zu deckenden Strom- und Wärmebedarfs unterscheiden. Für jeden Versorgungsfall werden drei verschiedene Kombinationen von Energieerzeugungsanlagen vorgegeben, jeweils zwei zur getrennten Erzeugung (ölgefeuerter Heizkessel und kondensationskraftwerk, erdgasgefeuerter Brennwertkessel und erdgasgefeuertes GuD-Kraftwerk) und eine zur gekoppelten Erzeugung (erdgasgefeuertes Blockheizkraftwerk inkl. Spitzenheizkessel) von Strom und Wärme. Für die möglichen Kombinationen von Versorgungsfall (angegeben ist der Jahresenergiebedarf) und Erzeugungssystem sollen der Energieeinsatz und der daraus resultierende Nutzungsgrad des jeweiligen Gesamtsystems ermittelt werden. Mit Hilfe der eingesetzten Brennstoffmengen und der spezifischen Emissionsfaktoren werden anschließend die CO 2 -Gesamtemissionen der einzelnen Systeme berechnet. Für jeden der in Tabelle 1.1 gegebenen Versorgungsfälle sollen drei Anlagenkombinationen (Kombination 1 bis 3 auf Seite 2) untersucht werden. Versorgungsfälle: Die zu betrachtenden Versorgungsfälle sind durch ihren Jahresbedarf an Strom und Wärme wie folgt charakterisiert: Tab. 1.1: Versorgungsfälle Versorgungsfall Strombedarf in MWh/a Wärmebedarf in MWh/a 1 ("Haushalte") 4,7 18,8 2 ("Wohnsiedlung") ("Versorgungsgebiet") Die veränderte Dimensionierung der einzelnen Erzeugungstechnologien beim Übergang von Versorgungsfall Nr. 1 zu Nr. 2 und 3 und die daraus möglicherweise resultierenden Nutzungsgradänderungen sind nicht Gegenstand des Vergleichs.

2 2 KWK-Systemvergleich Anlagenkombinationen: Kombination 1 (konventionelle getrennte Erzeugung, "Kohle-KW"): - -Zentralheizung * Nutzungsgrad: 83 % (Verteilungsverluste sind beinhaltet) - -Kondensationskraftwerk * Nutzungsgrad: 39 % Kombination 2 (moderne getrennte Erzeugung, "GuD"): - erdgasgefeuerter Brennwertkessel * Nutzungsgrad: 98 % (Verteilungsverluste sind beinhaltet) - erdgasgefeuertes GuD-Kraftwerk * Nutzungsgrad: 52 % Kombination 3 (gekoppelte Erzeugung, "BHKW"): - erdgasgefeuertes BHKW * elektrischer Nutzungsgrad: 32 % * thermischer Nutzungsgrad: 52 % - erdgasgefeuerter Heizkessel (Spitzenkessel) * Nutzungsgrad: 91 % - Nahwärmenetz * Verteilungsnutzungsgrad: 93 % und zur Deckung eines eventuell verbleibenden Reststrombedarfs - erdgasgefeuertes GuD-Kraftwerk * Nutzungsgrad: 52 % Verluste beim Stromtransport und bei der Stromverteilung werden nicht betrachtet. Über diese Angaben hinaus sollen zwei weitere Randbedingungen beachtet werden: 1. Das BHKW erzeugt keinen Überschußstrom. 2. Das BHKW deckt maximal 8 % des Wärmebedarfs. Spezifische (auf den Brennstoffeinsatz bezogene) Emissionsfaktoren für CO 2 : (Angaben in kg/mwh Hu ) - : 2 - leichtes Heizöl: : 33

3 KWK-Systemvergleich 3 a) Berechnen Sie für die drei Versorgungsfälle und die jeweils drei Anlagenkombinationen den Brennstoffeinsatz. Bedienen Sie sich dazu des Sankey-Diagramms. Überlegen Sie sich zu Beginn, welche Größe den Ausgangspukt für die Berechnung der Energieflüsse darstellt. Beachten Sie speziell für die dritte Anlagenkombination ("BHKW") die zusätzlich genannten Randbedingungen. Ermitteln Sie aus der Energiebilanz für alle Anlagenkombinationen den Gesamtssystemnutzungsgrad. b) Berechnen Sie die Höhe der CO 2 -Emissionen für jede der Anlagenkombinationen und beziehen Sie die Ergebnisse als relative Werte auf die Anlagenkombination 1 ("BHKW"). Weisen Sie dabei die Anteile der verschiedenen Brennstoffe einzeln aus, und tragen Sie die Ergebnisse in das beigefügte Diagramm ein. c) Stellen Sie den ermittelten Gesamtsystemnutzungsgrad der (drei mal drei =) neun zu untersuchenden Versorgungssysteme über dem jeweiligen Verhältnis zwischen Strom- und Wärmebedarf dar (drei Funktionen mit jeweils drei Stützpunkten). Welche Tendenzen lassen sich erkennen? d) Diskutieren Sie, warum im Falle eines Systemvergleichs der vorliegenden Art auf der Basis des Jahresenergiebedarfs für das System der gekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme die durch die Randbedingung 2 vorgegebene Beschränkung (das BHKW deckt maximal 8 % des Wärmebedarfs) eine sinnvolle und notwendige Vorgabe ist. e) Welcher Gesamtsystemnutzungsgrad ergibt sich für den Versorgungsfall 3 ("Versorgungsgebiet") und die Anlagenkombination 3 ("BHKW"), wenn Sie die Randbedingung 2 unberücksichtigt lassen und das BHKW vollständig und exakt den Wärmebedarf (1 %) deckt, während das GuD- Kraftwerk den restlichen Strom bereitstellt, das BHKW vollständig und exakt den Strombedarf deckt und die überschüssig erzeugte Wärme ungenutzt abgeführt wird? Tragen Sie auch diese Werte in das Diagramm ein. Wie können solche Ergebnisse in der Praxis erreicht werden, und welchen denkbaren Einsatzfällen entsprechen sie? f) Führen Sie neben dem Gesamtsystemnutzungsgrad und dem CO 2 -Ausstoß weitere Kriterien an, hinsichtlich derer ein Vergleich energietechnischer Systeme durchgeführt werden kann.

4 4 KWK-Systemvergleich Anlagen zu b): CO 2 -Emissionen für den Versorgungsfall "Haushalte" Abb. 1.1: CO 2 -Emissionen für den Versorgungsfall Haushalte CO 2 -Emissionen für den Versorgungsfall "Wohnsiedlung" Abb. 1.2: CO 2 -Emissionen für den Versorgungsfall Wohnsiedlung

5 KWK-Systemvergleich 5 CO 2 -Emissionen für den Versorgungsfall "Versorgungsgebiet" Abb. 1.3: CO 2 -Emissionen für den Versorgungsfall Versorgungsgebiete Anlage zu e): 1,9,8,7 Gesamtnutzungsgrad,6,5,4,3 GuD Kohle-KW BHKW (5a) BHKW (5b) BHKW,2,1,25,5,75 1 1,25 Verhältnis Strom-/Wärmebedarf Abb. 1.4: Darstellung der Gesamtsystemnutzungsgrade in Abhängigkeit vom Verhältnis Strom- /Wärmebedarf