Mikro-KWK Technologien Ökobilanz Wirtschaftlichkeit Vernetzung Langfristige Perspektiven 1 Mikro-KWK und ihre Vernetzung Dr. Martin Pehnt Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg martin.pehnt@ifeu.de www.ifeu.de Clean Energy Power 2005 Tagung Perspektiven dezentraler Energiesysteme, 26.1.2005 Berlin
Die Frage nach der richtigen Größe Mikro-KWK Technologien Ökobilanz Wirtschaftlichkeit Vernetzung Langfristige Perspektiven 2 wenn immer möglich, sollte auch eine dezentralisierte [Energie-] Versorgung aufgebaut werden. Club of Rome 2002 Im neuen Zeitalter der dezentralen Energiegewinnung könnte jeder Mensch seine eigene Energie erzeugen und verbrauchen, (...) so dass hier erstmals ein wahrhaft demokratisches Energieregime entstünde. J. Rifkin, Die H2-Revolution
Definition Mikro-KWK = stromerzeugende Heizung Mikro-KWK Technologien Ökobilanz Wirtschaftlichkeit Vernetzung Langfristige Perspektiven 3 Definition Mikro-KWK ist die gekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung in einem einzelnen Versorgungsobjekt auf Basis einer kleinen Energieumwandlungseinheit. Hier: < 15 kw el www.tips-project.de
Mikro-KWK heute: Jährlicher Zubau Mikro-KWK Technologien Ökobilanz Wirtschaftlichkeit Vernetzung Langfristige Perspektiven 4 MW el 12 10 8 6 4 2 0 Schätzung: ca. 60 MW installierte Mikro-KWK-Leistung 0,04 % der deutschen Stromproduktion 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Annual Jährlicher capacity Zubau additions an Mikro-KWK (MW) (< 15 kwel ) Quelle: ASUE, Öko-Institut
Mikro-KWK-Technologien Mikro-KWK Technologien Ökobilanz Wirtschaftlichkeit Vernetzung Langfristige Perspektiven 5 Forschung Entwicklung und Demonstration Kommerzialisierung Marktdurchdringung Entwicklung einer neuen technischen Idee Komponentenforschung und Laborentwicklung Aufskalierung zu kommerzieller Größe Systemdemonstration Pilotanlagen/Prototypen Erste Einführung der neuen Technologie in den kommerziellen Markt Schrittweise Annahme der neuen Technologie durch Anwender Ottomotor Gasturbine Stirlingmotor Brennstoffzelle Dampfexpansionsmaschine Weitere Technologien, z. B. Thermophotovoltaik Je nach Typ Zeit bis zur Markteinführung 10 Jahre und mehr 5 Jahre 1 Jahr 0 Jahre
Mikro-KWK-Technologien Mikro-KWK Technologien Ökobilanz Wirtschaftlichkeit Vernetzung Langfristige Perspektiven 6 Forschung Entwicklung einer neuen technischen Idee Komponentenforschung und Laborentwicklung Entwicklung und Demonstration Aufskalierung zu kommerzieller Größe Systemdemonstration Pilotanlagen/Prototypen Kommerzialisierung Erste Einführung der neuen Technologie in den kommerziellen Markt Marktdurchdringung Schrittweise Annahme der neuen Technologie durch Anwender Ottomotor Gasturbine Stirlingmotor Beispiele für Mikro-KWK Brennstoffzelle Dampfexpansionsmaschine Senertec Dachs P el = 5 5,5 kw P therm = 12 kw η elektrisch = 25% Weitere Technologien, z. B. Thermophotovoltaik PEMFC MCFC PAFC SOFC Je nach Typ Honda P el = 1 kw P therm = 3,25 kw η Zeit bis zur Markteinführung elektrisch = 20 % 10 Jahre und mehr η gesamt = 85-90% 5 Jahreη gesamt = 85 1 Jahr % 0 Jahre
Mikro-KWK-Technologien Mikro-KWK Technologien Ökobilanz Wirtschaftlichkeit Vernetzung Langfristige Perspektiven 7 Forschung Entwicklung einer neuen technischen Idee Komponentenforschung und Laborentwicklung Ottomotor Gasturbine Entwicklung und Demonstration Aufskalierung zu kommerzieller Größe Systemdemonstration Pilotanlagen/Prototypen Kommerzialisierung Erste Einführung der neuen Technologie in den kommerziellen Markt Marktdurchdringung Schrittweise Annahme der neuen Technologie durch Anwender Solo V 161 Leistung: P el = 9,5 kw P therm = 26 kw η elektr = 24% η gesamt = 95% Stirlingmotor Brennstoffzelle Dampfexpansionsmaschine Weitere Technologien, z. B. Thermophotovoltaik PEMFC MCFC PAFC SOFC Je nach Typ Whispher Tech Leistung: P el = 0,8 kw P therm = 6 kw η elektrisch = 10-12% ηzeit gesamt bis zur Markteinführung = 85-90% 10 Jahre und mehr 5 Jahre 1 Jahr 0 Jahre
Mikro-KWK-Technologien Mikro-KWK Technologien Ökobilanz Wirtschaftlichkeit Vernetzung Langfristige Perspektiven 8 Forschung Entwicklung einer neuen technischen Idee Komponentenforschung und Laborentwicklung Entwicklung und Demonstration Aufskalierung zu kommerzieller Größe Systemdemonstration Pilotanlagen/Prototypen Kommerzialisierung Erste Einführung der neuen Technologie in den kommerziellen Markt Marktdurchdringung Schrittweise Annahme der neuen Technologie durch Anwender Ottomotor Gasturbine (keine Mikro-KWK, nur > 25 kw el ) Stirlingmotor Brennstoffzelle Dampfexpansionsmaschine Weitere Technologien, z. B. Thermophotovoltaik PEMFC MCFC PAFC SOFC Je nach Typ Zeit bis zur Markteinführung 10 Jahre und mehr 5 Jahre 1 Jahr 0 Jahre
Umweltaspekte Mikro-KWK Technologien Ökobilanz Wirtschaftlichkeit Vernetzung Langfristige Perspektiven 9 Treibhauseffekt Versauerung (NO x, SO 2, NH 3 ) (Brennstoff Erdgas; Wärmegutschrift mit Gaskessel, Status 2010) 700 Mikro-KWK g CO2 eq./kwhel KWK Nah/Fern ungekoppelt 1400 Mikro-KWK mg SO2 eq./kwhel KWK Nah/Fern ungekoppelt 600 1200 * 500 1000 400 800 300 200 100 0 BZ Otto Stirling klein Stirling mittel Otto GuD mit KWK GuD 600 MW Mix (D) 600 400 200 0-200 BZ Otto Stirling klein Stirling mittel Otto * * * Keine Bandbreite ausgewertet. GuD mit KWK Quelle: Pehnt et al. 2005 GuD 600 MW Mix (D)
Andere Brennstoffe für Mikro-KWK Mikro-KWK Technologien Ökobilanz Wirtschaftlichkeit Vernetzung Langfristige Perspektiven 10... möglich, aber noch nicht Stand der Technik.
Ökobilanz: Zusammenfassung Mikro-KWK Technologien Ökobilanz Wirtschaftlichkeit Vernetzung Langfristige Perspektiven 11 Deutliche Treibhausgas (THG)-Vorteile der Mikro-KWK gegenüber ungekoppelter Energiebereitstellung* Gegenüber fossiler Nah-/Fernwärme keine signifikanten THG- Vorteile. Diese bietet u. U. zusätzlichen Vorteil der höheren Kompatibilität mit erneuerbaren Energieträgern Alle Mikro-KWK-Technologien* eng beieinander. Wichtig nicht nur η el, sondern η gesamt Andere Umweltwirkungen (z. B. Versauerung): Stirling (FLOX), Brennstoffzelle: sehr geringe Einwirkungen Motor-BHKW: höhere Emissionen, stark abhängig von System (3-Wege- Kat/Magerbetrieb) und Wartung. Daten-Unsicherheiten und Schwankungen bzgl. CH 4 und NO x * Ausnahme: kleiner Stirling
Wirtschaftlichkeit: Stromgestehungskosten (2000er Preise) Mikro-KWK Technologien Ökobilanz Wirtschaftlichkeit Vernetzung Langfristige Perspektiven 12 Cent per kwh electricity Cent pro kwh el 30 25 20 15 10 5 0 Marginal Stromkosten purchase für costs einen for households Haushalt (ohne Grundpreis) Engine 1 kw Stirling 3 kw Stirling Gutschrift 0.8 kw für Wärmeerzeugung Engine 5 kw (lean Low-NOx) Engine 5 kw (Lean High-NOx + condenser) Engine 5 kw (lean High-NOx) Verschiedene Technologien Engine 5 kw (lambda=1) Stirling 9.5 kw Average refund for electricity fed into the grid Vergütung für eingespeisten Strom nach KWK-Gesetz (Bonus + üblicher Preis + vermiedene Netzkosten) 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 Volllaststunden (h/a) Full load operating hours Quelle: Schneider, in: Pehnt et al. (2005), Micro cogeneration, Springer.
Weitere Beweggründe für Mikro-KWK Mikro-KWK Technologien Ökobilanz Wirtschaftlichkeit Vernetzung Langfristige Perspektiven 13 Gasabsatz in Neubaugebieten Verzögerung des Betriebsmittelausbaus der Netze Einstieg in/ausweitung Contracting-Geschäft Kundenbindung Personalverfügbarkeit Engagement, Pioniernutzer...
Stufen der Vernetzung Mikro-KWK Technologien Ökobilanz Wirtschaftlichkeit Vernetzung Langfristige Perspektiven 14 Unabhängiges Netz von zusammengeschalteten Erzeugern, z. B. Mikro-KWK-Systeme ( Micro Grid ) Verbindung zu Datenserver Automatische Datensammlung (Bafa, Zollamt-Erklärung) Home load management, Smart home Automatisierter Service Selbstlernende Steuerung
Beispiel für Vernetzung Mikro-KWK Technologien Ökobilanz Wirtschaftlichkeit Vernetzung Langfristige Perspektiven 15
Stufen der Vernetzung Mikro-KWK Technologien Ökobilanz Wirtschaftlichkeit Vernetzung Langfristige Perspektiven 16 Unabhängiges Netz von zusammengeschalteten Erzeugern, z. B. Mikro-KWK-Systeme ( Micro Grid ) Verbindung zu Datenserver Automatische Datensammlung (Bafa, Zollamt-Erklärung) Home load management Automatisierter Service Virtuelles Kraftwerk Oftmals mit Vorhersage-Modellen und gekoppelt mit erneuerbaren Energien Verschiedene Kommunikationswege, z. B. ISDN, DSL, Powerline, Rundsteuerung, UMTS
Wirtschaftliche Aspekte des virtuellen Kraftwerks Mikro-KWK Technologien Ökobilanz Wirtschaftlichkeit Vernetzung Langfristige Perspektiven 17 Kostenreduktion durch Virtuelles Kraftwerk durch Clusterung der Interessen (Mengenrabatte, Zinsraten, Standardisierung) durch optimierte Betriebsstrategien (Merit order, Betriebspunkte, Verteilnetz-Auslastung, Peak shaving, etc.) Erlöserhöhung durch Virtuelles Kraftwerk Neue Vermarktungsmöglichkeiten durch Pooling, z. B. Ausgleichs- und Regelenergie Spotmarkt Direkte Belieferung von Verbrauchern (Vergleichmäßigung, höhere Deckungsbeiträge)
Virtuelles Kraftwerk mit Mikro-KWK Mikro-KWK Technologien Ökobilanz Wirtschaftlichkeit Vernetzung Langfristige Perspektiven 18 Problem: kleine Anlagen Wärmenachfrage begrenzt Potenzial der zusätzlichen, zeitlich flexiblen Stromerzeugung Vor allem in Übergangszeit Im Winter Stromnetzentlastung Im Sommer kaum Potenzial (Wärmespeicher!) Anreiz zum Peak shaving besteht auch ohne Vernetzung Substitution von Eigenstrombedarf ist lukrativer als Einspeisung differenzierte Tarifstruktur könnte zusätzliche Anreize bieten Eigenstromerzeugung heute lukrativer als Börse, Regelenergie etc. Zahlreiche institutionelle Hemmnisse
Potenziale der KWK in zwei Energieszenarien Mikro-KWK Technologien Ökobilanz Wirtschaftlichkeit Vernetzung Langfristige Perspektiven 19 GW el 2000 2050 Referenz (Business as usual) Nachhaltig (hoher Anteil erneuerbarer E., - 80 % CO 2 ) Mikro-KWK 0 0.6 3.3 Nah- und Fernwärme 1.2 2.8 7.9 Industrielle KWK 2.7 8.1 10.3 Total 3.9 11.5 21.5 3,3 GW entspricht bei 4000 Volllaststunden/a circa 13 TWh/a, weniger als 3 % der voraussichtlichen Stromerzeugung im Jahr 2050. Quelle: DLR, IFEU, WI 2004 im Auftrag des BMU
Schlussfolgerungen Mikro-KWK Technologien Ökobilanz Wirtschaftlichkeit Vernetzung Langfristige Perspektiven 20 Technologien der Mikro-KWK sind verfügbar. Innovative Systeme stoßen hinzu. Mikro-KWK leistet einen Beitrag zum Klima- und Ressourcenschutz. Allerdings gibt es auch attraktive Konkurrenzoptionen keine Konkurrenz zur Nahwärme, sondern Ergänzung. Wesentlich für Wirtschaftlichkeit sind hohe Volllaststunden und hoher Eigenstromanteil Auslegung der Anlage Kontinuierlicher Wärmebedarf Vernetzung bringt in absehbarer Zukunft für Mikro-KWK keine entscheidenden Vorteile. Eine smarte Regelung und Interfaces machen sie jedoch attraktiver. Das Potenzial für Mikro-KWK ist da, selbst in einem stark regenerativ geprägten Szenario. Entscheidend ist eine KWKfreundliche Politikumgebung und Infrastruktur.
Zum Weiterlesen Mikro-KWK Technologien Ökobilanz Wirtschaftlichkeit Vernetzung Langfristige Perspektiven 21 M. Pehnt, L. Schneider et al. Microcogeneration Erscheint Frühling 2005 bei Springer IZES A. Thiele M. Pehnt R. Köpke Broschüre für das BMU Anfordern bei www.bmu.de 49 Euro im Buchhandel Download unter www.bkwk.de 17 Euro im Buchhandel (populärwissenschaftliches Sachbuch)
Langfristige Perspektiven Mikro-KWK Technologien Ökobilanz Wirtschaftlichkeit Vernetzung Langfristige Perspektiven 22 Referenzszenario gemäß Enquete-Kommission Nachhaltigkeitsszenario gemäß BMU-UBA-Szenario (- 80 % CO2-Emissionen bis 2050) PJ/a 6000 5000 4000 KWK-Anteil 12,3 % 2000 2010 2020 2030 2040 2050 KWK-Anteil 25,5 % KWK-Anteil 13,5 % 3000 2000 1000 0 Nachhaltigkeit Quelle: DLR, IFEU, WI, LEE, ZSW, ISE 2003 Referenz Nachhaltigkeit Referenz Nachhaltigkeit Referenz Nachhaltigkeit Referenz Nachhaltigkeit Warmwasser Raumwärme Prozesswärme Referenz Nachhaltigkeit Referenz