Die Rlle der KWK-Technlgien in zukünftigen Energieversrgungsstrukturen Status und Ausblick Erfahrungsaustausch der Chemiker und Ingenieure des Gasfaches Karlsruhe, 22. September 2011 Dr.-Ing. Rlf Albus
Inhalt Randbedingungen und neue Strukturen Die DVGW-Innvatinsffensive KWK und Brennstffzellen Klassifizierung Marktüberblick Bewertungsmöglichkeiten Ausblick Zusammenfassung und Ausblick Flie 2
Die Zukunft des Energieversrgungssystems Der (langfristige) Umbau der Energieversrgungsstrukturen ist im vllen Gange und unumkehrbar! Die klassischen Energieversrgungsstrukturen verändern sich drastisch und immer schneller Das Energieknzept der Bundesregierung sieht keinen Gestaltungsraum für fssile Energieträger Effizienzsteigerung und Senkung der CO 2 -Emissinen Erneuerbare Energien als eine tragende Säule zukünftiger Energieversrgung Leistungsfähige Netzinfrastruktur für Strm und Integratin erneuerbarer Energien Energetische Gebäudesanierung Flie 3
Quelle: BMU-Leitszenari 2009; bdew 2010 CO 2 -Emissinsminderung bis 2020 Die Klimaschutzziele der Bundesregierung sehen für den Wärmemarkt eine weitere Verringerung der CO 2 -Emissinen um ca. 93 Mi. t/a bis 2020 vr (entspricht ca. 10 % der gesamten energiebedingten CO 2 - Emissinen pr Jahr) Neben dem Ausbau der Erneuerbaren Energien in der Strmerzeugung rückt nun der Wärmemarkt immer stärker in den Fkus. Danach sllen hier mit 46 % fast die Hälfte der angestrebten Minderungsziele bis 2020 erreicht werden. Flie 4
Quelle: BMU (2010) 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020 Anteil erneuerbarer Energien [%] Anteil erneuerbarer Energien im Wärmemarkt Die bisherige Entwicklung im Wärmemarkt könnte zum Ziel führen, es sind aber nch grße Anstrengungen erfrderlich 14 12 10 8 6 4 2 0 Für 2010 wird der Anteil erneuerbarer Energien vm Bundesumweltministerium (BMU) mit mehr als 136 TWh bzw. 9,5 % angegeben, davn 60 % aus der Verwertung vn fester Bimasse und Bigas Ziel: 14 % in 2020 Einsatz hcheffizienter Gas- Plus-Technlgien (schnelle Umsetzbarkeit bei hher Wirtschaftlichkeit) Flie 5
Quelle: Prf. Maas, Bestandsersatz als Variante der energetischen Sanierung 2009 Entwicklung des Jahresheizwärmebedarfs Deutschland ist gebaut der Heizwärmebedarf ist nach wie vr hch! Die aktuelle Neubauqute liegt bei nur 0,5 %! Die aktuelle Sanierungsqute liegt bei 1,1 %; eine Erhöhung auf 2 % würde ein Investitinsvlumen über 2.000 Mi. EUR bis 2050 erfrdern! (Quelle: Deutsche Bank Research, 2010) Flie 6
Quellen: initiative erdgas pr umwelt (2011) Darmstädter Institut für Whnen und Umwelt (2009) Basis: Öl-Standardkessel, Gebäude 110 m², Baujahr 1950 Dämmmaßnahmen und Technlgieaustausch Wie viel muss investiert werden, um 1 kg CO 2 pr Jahr einzusparen? Eur Die wirtschaftlichste Alternative: 10 9,00 Technlgieaustausch geht vr Dämmung 8 Amrtisatinszeiten: Dachdämmung 12,5 Jahre 6 Außenwanddämmung 13,1 Jahre 4 4,35 Kellerdeckendämmung Austausch Fenster Brennwertkessel 11,2 Jahre 10,4 Jahre 5,4 Jahre 2 1,62 Fazit: 0 Heizung Dämmung Heizung und Dämmung Ausgewgenheit der Maßnahmen ist anzustreben für ein öklgisches und öknmisches Optimum! Flie 7
Quelle: DVGW 2010 Energieversrgungsstrukturen der Zukunft Knvergenz der Strm- und Gasnetze KWK als Brückentechnlgie Erdgas Erdgasspeicher HD GuD HS KKW AKW BHKW MS BHKW Bigas Bigas, SNG Wasserstff Erneuerbare-Gase Elektrlyse/Methanisierung Wasser (PS) Wind MD ND Endverbraucher z. B. Mikr-KWK (wärme und strmgeführt durch intelligente Agenten) NS PV
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Innvatinen dem Markt verfügbar machen Die Zukunft der Energieversrgungsstrukturen Die langfristige angelegte Innvatinsffensive Gastechnlgie des DVGW setzt Impulse zur technischen und wissenschaftlichen Unterstützung der Gaswirtschaft bei den fundamentalen Herausfrderungen der Zukunft Laufzeit & Mittel: Teil 1: (2009 2011) 6 Mi. Teil 2: (2012 2013) 3 Mi. Flie 10
Struktur und Prjekte der DVGW-Innvatinsffensive Cluster 1 Systemanalyse Cluster 2 Gaserzeugung & Aufbereitung Cluster 3 Netzmanagement Cluster 4 Anwendungs- Technlgien Cluster 5 Kmmunikatin Systemverbund der Energienetze Synthetic Natural Gas Vrstudie Smart Gas Grid Teil 1 Sanierungsknzepte Mehrfamilienhäuser Bewertung Energieversrgung durch Gas Teil 1 Mnitring Bigaseinspeisung Smart Gas Grid Teil 2 Brennwert+ Slarthermie Bewertung Energieversrgung durch Gas Teil 2 Abfallstffe für die Bigaseinspeisung Bigasatlas Gas-Wärme-Pumpe+ Brennwert Mdelica-Simulatin Gas-Wärme-Pumpe+ Slarthermie Energiespeicher- Knzepte Gas-Wärme-Pumpe+ Umweltwärme Ziele: Stärkung der Rlle regenerativer gasförmiger Energieträger in den bestehenden Gasinfrastrukturen Greening f Gas Auf- und Ausbau vn Verfahren und Technlgien zur Optimierung vn Verteilnetzen Smart Grids Unterstützung bei der Einführung innvativer Gasanwendungen Gas-Plus-Technlgien Kraft-Wärme- Kpplung Brennstffzellen Gasbeschaffenheit+ Industrielle Anwendungen Flie 11
Gas-Plus-Technlgien im Fkus Gas-Plus-Technlgien sind die ideale Plattfrm für die Einkpplung regenerativer Energien in die Gebäudeenergieversrgung Slarthermie + Gas-Brennwertkessel Erdgas + Umweltwärme durch Gaswärmepumpe Bigas H 2 (Mikr-)KWK Flie 12
KWK Brennstffzelle KWK Ott- Mtr KWK Stirling und Dampf Gas-Plus-Technlgien Prtfli Es wird ein umfangreiches Prtfli innvativer Technlgien abgedeckt Gaswärmepumpe Der Standardfall Heute Gasbrennwert + Slar Flie 13
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Mikr-KWK in der Hausenergieversrgung Mikr-KWK als Strmerzeugende Heizung Anlagen für den Einsatz in Ein- und kleinen Mehrfamilienhäusern als Strmerzeugende Heizung (bis ca. 3-4 kw el ) Bis zu 90 95 % Brennstffausnutzung 30 % Brennstffeinsparung gegenüber getrennter Strm- und Wärmeerzeugung und Reduktin der CO 2 -Emissinen Installatin durch das SHK-Handwerk im Bestand durch Austausch vn alten Kesseln der im Neubau (Plug and Play) Breites Anwendungsspektrum als Technlgie zur Verlinkung vn Strm- und Gasnetz Einsatzmöglichkeiten: Wärmegeführter Betrieb Strmerzeugende Heizung Strmgeführter Betrieb Vernetzung zu virtuellen Kraftwerken (Speicher!) Quelle: www.strmerzeugende-heizung.de Flie 15
Primärenergieeinsparung Quelle: Vaillant Deutschland GmbH & C. KG, 2011
Sinnvlle Knzepte zur Abwärmenutzung erfrderlich! Klassifizierung vn KWK-Technlgien 1. Klassifizierung nach dem elektrischen Wirkungsgrad h el 10 15 % Stirling-Mtren Micrgen: Infinia/Enatec: WhisperGen: Viessmann, Vaillant, BDR Thermea Baxi, Remeha BT/Buderus, BT/Junkers, Aristn/Elc 2G Hme Dampfexpansin Otag Lin h el 20 30 % h el 30 60 % Ott-Mtren Vaillant EcPwer 3.0/4.7, Vaillant Hnda EcPwer 1.0, Kirsch, Wätas, SenerTec Brennstffzelle Vaillant, Hexis, CFCL, Baxi, RBZ Inhuse 5000 2. Klassifizierung nach der elektrischen Leistung Mikr-KWK 2 kw el ; Mini-KWK 15 kw el ; Kleinst-KWK 50 kw el ; Klein-KWK 2.000 kw el Flie 17
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Quelle: www.strmerzeugende-heizung.de, August 2011 Marktübersicht KWK Stirling- und Dampf-Mtren Flie 19
Auswahl: KWK Stirling- und Dampf-Mtren OTAG Vetriebs GmbH & C. KG lin-pwerblck De Dietrich Remeha GmbH evita WhisperGen Efficient Hme Energy S.L. Viessmann Werke GmbH & C. KG Vittwin 300-W SenerTec Kraft- Wärme-Energiesysteme GmbH Dachs Stirling SE 0,3 2,0 kw el 1,0 kw el 1,0 kw el 3 16 kw th 3 (6) 23,7 kw th 7,5 14,5 kw th 1,0 kw el 3,6 (6) 26 kw th 1,0 kw el 3 (6,1) 18 kw th verfügbar verfügbar verfügbar Herbst 2011 Herbst 2011 12.500 Gerät 10.980 Gerät 12.000 System unbekannt unbekannt Flie 20
Quelle: www.strmerzeugende-heizung.de, August 2011 Marktübersicht KWK Ott-Mtren Flie 21
Auswahl: KWK Ott-Mtren Vaillant Deutschland GmbH & C. KG ecpower 1.0 Vaillant Deutschland GmbH & C. KG ecpower 3.0/4.7 prenvis GmbH & CO. KG primus 1.4 Kirsch GmbH micrbhkw L 4.12 1,0 kw el 1,3 3,0/4,7 kw el 2,0 3,8 kw el 2,0 4,0 kw el 2,5 25,8 kw th 4,0 8,0/12,5 kw th 5,6 10,7 kw th 5,0 12,0 kw th Smmer 2011 verfügbar verfügbar Dezember 2011 17.000 / 16.000 Kmplettsystem 16.800 Gerät 11.000 Gerät 20.000 Gerät Flie 22
Quelle: www.strmerzeugende-heizung.de, August 2011 Marktübersicht KWK Brennstffzellen Flie 23
Auswahl: KWK Brennstffzellen Baxi Inntech GmbH Gamma 1.0 Hexis AG Galile RBZ GmbH Inhuse 5000 Vaillant Deutschland GmbH & C. KG Flie 24
KWK Brennstffzellen Beispiel BlueGen: Im Versuchshaus des Gaswärme-Instituts seit Juni 2010 im Dauerbetrieb Pwer Management System Abgas mit integrierter Wärmerückgewinnung Brennstffzellenmdul Wasseraufbereitung Luftgebläse Gasreinigung Flie 25
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dynamisch statisch Bewertung vn innvativen KWK-Technlgien Das Nutzerverhalten ist entscheidend und muss bei der Bewertung standardisiert berücksichtigt werden Wirkungsgradmessungen nach EN 50465 (neu) bzw. basierend auf bestehender Nrmung 5 Wirkungsgradpunkte: Ergebnis ist eine Wirkungsgradkennlinie über den gesamten Lastbereich des Gerätes Keine Berücksichtigung eines Puffer- bzw. Kmbispeichers Nrmnutzungsgradmessungen nach DIN 4709 Nrmnutzungsgrad für Mikr-KWK-Geräte bis 70 kw Nennwärmebelastung Dynamische Messung über 24 h Basiert auf Lastprfilen der VDI 4655 Pufferspeicher und Zusatzkessel werden berücksichtigt Langzeittest im Demnstratinshaus des GWI unter reprduzierbaren, aber praxisnahen Randbedingungen Flie 27
Wirkungsgradmessungen Statisch ermittelte Wirkungsgrade einer ttmtrisch betriebenen Mikr-KWK in Abhängigkeit der Rücklauftemperatur Flie 28
Lastpunkt [%] Nrmnutzungsgradmessung nach DIN 4709 Prfil einer dynamischen Messung über 24 h 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 4 8 12 16 20 24 Laufzeit [h] Mbiler Versuchsstand am GWI Flie 29
Leistung / kw Nrmnutzungsgradmessung nach DIN 4709 Beispielhaftes Ergebnis einer dynamischen Messung über 24 h thermische Leistung Messung 5 10 9 8 vrgegebenes Prüfprfil gemessene Leistung 7 6 5 4 3 2 Punkt P V TV TR Laufzeit kum. Energiemenge Laufzeit kum. Energiemenge Lastpunkt 1 0 0 4 8 12 16 20 24 Zeit / h kj/s l/min C C h s s h kwh kwh % 0 0 0 50 30 0 0 0 0 0 0 0 1 2,49 1,8 50 30 3,75 13500 13500 3,75 9,3375 9,3375 30 2 5,229 3,8 50 30 0,5 1800 15300 4,25 2,6145 11,952 63 3 0 0,0 50 30 0,75 2700 18000 5 0 11,952 0 4 2,49 1,8 50 30 5,25 18900 36900 10,25 13,0725 25,0245 30 5 8,3 6,0 50 30 1 3600 40500 11,25 8,3 33,3245 100 6 2,49 1,8 50 30 4,75 17100 57600 16 11,8275 45,152 30 7 0 0,0 50 30 0,75 2700 60300 16,75 0 45,152 0 8 2,49 1,8 50 30 0,75 2700 63000 17,5 1,8675 47,0195 30 9 0 0,0 50 30 1 3600 66600 18,5 0 47,0195 0 10 3,984 2,9 50 30 0,75 2700 69300 19,25 2,988 50,0075 48 11 0 0,0 50 30 0,75 2700 72000 20 0 50,0075 0 12 2,49 1,8 50 30 4 14400 86400 24 9,96 59,9675 30 Flie 30
Nrmnutzungsgradmessung nach DIN 4709 Bewertung des Gesamtnrmnutzungsgrades Der Gesamtnrmnutzungsgrad ist definiert als Summe der faktrisierten erzeugten elektrischen Energiemenge und der abgenmmenen thermischen Nutzenergiemenge im Verhältnis zur eingesetzten Brennstffenergiemenge: h ges, H h th,h f f P,el P,Br h el,h Primärenergiefaktren Gas 1,1 und Strm 3,0 (f P,el /f P,Br = 2,73) Resultiert aus der Überlegung, dass mit KWK-Technlgien nicht regenerativ, sndern fssil erzeugter Strm substituiert wird. Flie 31
Leistung [kw] Nrmnutzungsgradmessung nach DIN 4709 Auswertung einer dynamischen Messung über 24 h 24 22 20 18 16 14 vrgegebenes Prüfprfil gemessene Leistung Prüfling: Mikr-KWK Q b = 20 kw Q th = 16 kw Q el = 1 kw T V / T R = 50 / 30 C 12 10 8 6 4 Nutzungsgrad unbewertet: h th = 84,5 % h el = 10,7 % h N = 95,2 % 2 0 0 4 8 12 16 20 24 Zeit [h] bewertet nach DIN 4709: h N = 113,7 % Flie 32
CFCL-Brennstffzelle Prüfstandsergebnisse Die guten Ergebnisse belegen das hhe Ptential dieser Innvatin! Flie 33
CFCL-Brennstffzelle im GWI-Demnstratinshaus Degradatin bei 0,5 % auf 1.000h - seit 12 Mnaten störungsfreier Betrieb! h el ca. 57 % 1 Stackaustausch (18.-31.08.10); 2 Umbau Messtechnik; 3 Wartung Flie 34
Inhalt Randbedingungen und neue Strukturen Die DVGW-Innvatinsffensive KWK und Brennstffzellen Klassifizierung Marktüberblick Bewertungsmöglichkeiten Ausblick Zusammenfassung und Ausblick Flie 35
Quelle: Prf. Dr. Bernhard Lenz, 2010 Speichermöglichkeiten thermischer Energie Die Wärmespeicherung ist auf dem Weg zu einem strmgeführten KWK- Betrieb eine zentrale Herausfrderung, die schnell, umfassend und wirtschaftlich gelöst werden muss! Flie 36
Vm Labr in die Praxis Was ist erreicht wrden? Mit Abschluss der Labr- und Langzeituntersuchungen im Rahmen der DVGW- Innvatinsffensive liegen abgesicherte Knzepte und Handlungsempfehlungen für einen effizienten Einsatz der innvativen Technlgien in der Praxis vr. Wie muss der nächste Schritt aussehen? Nun muss der nächste Schritt - die Praxisphase - entsprechend flankiert werden, um die Markteinführung der Gas-Plus-Technlgien Mikr-KWK und Brennstffzelle nachhaltig zu unterstützen. Labrversuch im GWI unter dynamischen Randbedingen Erweiterter Labrversuch im GWI- Versuchshaus unter praxisnahen Randbedingungen Technlgietransfer in eine Praxisphase, z. B. mit Mnitring- Prgramm Zunehmende Marktreife der Technlgien Flie 37
Inhalt Randbedingungen und neue Strukturen Die DVGW-Innvatinsffensive KWK und Brennstffzellen Klassifizierung Marktüberblick Bewertungsmöglichkeiten Ausblick Zusammenfassung und Ausblick Flie 38
Zusammenfassung und Ausblick Die zukünftige Energieversrgung wird technlgisch deutlich anspruchsvller! Mit dem Ziel der drastischen CO 2 -Emissinsreduzierung steht ein fundamentaler Umbau der Energieversrgung bevr Der Umbau wird im Wesentlichen durch neue technische Lösungen getragen KWK ist eine wichtige Brückentechnlgie bei der Knvergenz der Strm- und Gasnetze Gastechnlgien sind DER Mtr für Innvatin und Zukunftsfähigkeit auf dem Weg zu den regenerativen Energien Die Haupt-Herausfrderungen für Gastechnlgien sind aus heutiger Sicht: Höhere Effizienz in den Umwandlungsstufen mit dem Ziel stärkerer dezentraler Strmerzeugung (Mini/Mikr-KWK, BZ) Entwicklung vn bezahlbaren Systemlösungen für die Gebäudeenergieversrgung und die Industrie Entwicklung vn gasbasierten Systemlösungen für die Integratin der regenerativen Energien in eine stabile und bezahlbare Energieversrgung Entwicklung und Begleitung vn Knzepten zur Markteinführung neuer Technlgien Flie 39
Herzlichen Dank für die Aufmerksamkeit! Dr.-Ing. Rlf Albus Gaswärme-Institut e. V. Essen Hafenstraße 101 45356 Essen Tel.: +49 (0) 201 3618-101 Fax: +49 (0) 201 3618-102