Systeme zur solarunterstützten Kraft-Wärme-Kopplung mit Ergebnissen des Vorhabens Solar-KWK (Fkz 0325542A) Dipl.-Ing. Dirk Mangold Steinbeis Forschungsinstitut für solare und zukunftsfähige thermische Energiesysteme, Stuttgart Statusseminar Energieforschung für die Wärmewende Frankfurt, 19.-20. April 2016
Systeme zur solarunterstützten Kraft- Wärme-Kopplung Magdalena Berberich, Dirk Mangold, Thomas Schmidt Eingangsstatement Dänemark als Vorbild?! Stand von Markt und Technik in Deutschland Modellbildung für TRNSYS Ergebnisse und Ausblick Statusseminar EnEff:Wärme 2016 2
Schema eines Solar-KWK-Systems A A A Statusseminar EnEff:Wärme 2016 3
Solar <-> KWK?!? Wärme Strom Summe Solar End 100 kwh 100 kwh Primär 0 kwh 240 kwh* 240 kwh KWK End 100 kwh 100 kwh Primär 110 kwh 110 kwh 220 kwh * Allgemeiner Strommix: Primärenergiefaktor 2,4 Eine Verdrängung von KWK-Abwärme durch Solarthermie ist oftmals aus Wirtschaftlichkeits- und Umweltschutzgründen nicht zu empfehlen.
Motivation für Solar-KWK Der Anteil von Strom aus erneuerbaren Energien steigt. Die Strompreise sinken. Die Betriebsstunden von Kraftwerken werden reduziert. Die Wirtschaftlichkeit von KWK-Systemen sinkt. Alternative Wärmeerzeugung in Fernwärmenetzen Kann Solarthermie den sommerlichen Wärmebedarf decken? Kopplung von KWK-Anlagen mit Solarthermie und Wärmespeicher!
Schema eines dänischen Smart District Heating -Systems Statusseminar EnEff:Wärme 2016 6
Solare Fernwärmesysteme in Dänemark Statusseminar EnEff:Wärme 2016 7
Installed collector area [m²] (thick bars) Number of plants (thin bars) [-] Solare Fernwärmesysteme Solar District Heating in Denmark in Dänemark Sum of collector area and the number of operating and upcoming plants 1.300.000 1.200.000 1.100.000 1.000.000 130 120 110 100 900.000 800.000 700.000 600.000 500.000 400.000 300.000 200.000 100.000 0 90 80 70 60 50 40 30 20 10-2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016+ Year Quelle: Planenergi, Dk Statusseminar EnEff:Wärme 2016 8
Solar-KWK-Pionier in Braedstrup, Dk Statusseminar EnEff:Wärme 2016 9
Solar-KWK-Pionier in Braedstrup, Dk Statusseminar EnEff:Wärme 2016 10
Systeme zur solarunterstützten Kraft- Wärme-Kopplung Magdalena Berberich, Dirk Mangold, Thomas Schmidt Eingangsstatement Dänemark als Vorbild?! Stand von Markt und Technik in Deutschland Modellbildung für TRNSYS Ergebnisse und Ausblick Statusseminar EnEff:Wärme 2016 11
Solare Fernwärme in Deutschland in Betrieb derzeit insgesamt ca. 34.250 m² Hamburg Bramfeld 1.400 m² Hamburg Wilhelmsburg 1.348 m² Rostock Brinckmanshöhe 1.000 m² Hamburg Mümmelmannsberg 2.000 m² Hamburg Harburg 477 m² in Planung/Realisierung derzeit insgesamt ca. 15.600 m² in Vorbereitung derzeit insgesamt ca. 35.900 m² Hannover Kronsberg 1.350 m² Düsseldorf 200 m² Senftenberg 8.300 m² Jena-Pößneck 99 m² Chemnitz 1.700 m² Neuerkirch-Külz 1.400 m² in Vorbereitung 9 Anlagen mit ca. 35.900 m² Neckarsulm 5.670 m² Eggenstein 1.600 m² Crailsheim 7.300 m² Stuttgart Burgholzhof 1.635 m² Stuttgart Brenzstraße 1.000 m² Esslingen 1.330 m² Augsburg 2.000 m² München 2.900 m² Freiburg-Gutleutmatten 2.000 m² Büsingen 1.090 m² Friedrichshafen 4.050 m² Quelle: Solites Statusseminar EnEff:Wärme 2016 Stand: April 122016
Solarthermie für Fernwärmesysteme Beispiele Messe Wels (Wels, AT) UPC Arena (Graz, AT) Kollektorfeld CPC Vakuumröhren mit 3.400 m² Kollektorfläche Flachkollektoren mit 1.407 m² Kollektorfläche Solarwärmeertrag 1.290 MWh/a 454 MWh/a (2012) Einspeisetemperatur 81 86 C = T VL oder höher Netztemperaturen gleitend gleitend T VL, Winter 120 C (TA -14 C) 120 C (TA -12 C) T VL, Sommer 70 C (TA 16 C) 75 C (TA 12 C) Statusseminar EnEff:Wärme 2016 13
Spezifischer Wärmeertrag [kwh/(m² a)] VL(70/70) RL(30/40) VL(90/70) RL(30/40) VL(70/70) RL(40/50) VL(100/80) RL(30/40) VL(90/70) RL(40/50) VL(70/70) RL(50/60) VL(100/80) RL(40/50) VL(90/70) RL(50/60) VL(100/80) RL(50/60) VL(110/90) RL(50/60) VL(100/80) RL(60/70) VL(110/90) RL(60/70) Solarthermie für Fernwärmesysteme 600 TRNSYS-Simulationen VL (Winter/ Sommer) RL (Winter/ Sommer) 500 400 300 200 100 0 50 55 60 65 70 75 80 85 Mitllere Netztemperatur [ C] Flachkollektor Flachkollektor HT Vakuum-Röhren Kollektor Vakuum-Röhren Kollektor CPC Statusseminar EnEff:Wärme 2016 14
Neue TRNSYS-Modelle (Solar-KWK Fkz 0325542A) Statusseminar EnEff:Wärme 2016 15
Analyse des KWK-Anlagenbestandes Konventionelle KWK-Anlagen Förderung nach KWK-Gesetz Zulassung durch BAFA Daten auf Anfrage KWK-Anlagen mit Biobrennstoffen Förderung nach EEG Erfassung durch Übertragungsnetzbetreiber Daten öffentlich zugänglich Biomasse = Dampfturbine, Gas = BHKW Statusseminar EnEff:Wärme 2016 16
KWK-Anlagenbestand in Deutschland KWK-Anlagen nach Anlagenart 35000 14000 30000 30851 10527 DT: Dampfturbine GT: Gasturbine GUD: Gas- und Dampfturbine BHKW: Blockheizkraftwerk 12000 25000 10000 Leistung in MW 20000 15000 EEG 13206 4275 8000 6000 Anzahl Anlagen 10000 4000 5000 0 EEG 2000 3088 1709 126 133 0 Summe DT GT GUD BHKW EEG Statusseminar EnEff:Wärme 2016 17
Modellerstellung für KWK-Anlagen Teillastverhalten Zeitliches Verhalten Stromgeführt und wärmegeführt regelbar Empirisches Kennlinien-Modell Wirkungsgradkennfeld Daten von Anlagenherstellern und -betreibern Statusseminar EnEff:Wärme 2016 18
Modellerstellung für KWK-Anlagen Statusseminar EnEff:Wärme 2016 19
Modellerstellung für strompreisorientierte Regelung Gewinnorientierte Regelung der KWK-Anlage Stromvermarktung über die Strombörse EPEX Teilnahme am Markt für Minutenreserveleistung Preisdaten der Jahre 2012, 2013 und 2014 Statusseminar EnEff:Wärme 2016 20
EPEX Preis in /MWh Preisindex Phelix an der EPEX 150 100 50 0-50 -100-150 150 100 50 0-50 -100-150 150 100 50 0-50 -100-150 2012 Durchschnitt 43 /MWh 2013 Durchschnitt 38 /MWh 2014 Durchschnitt 33 /MWh Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Statusseminar EnEff:Wärme 2016 21
Erste Gesamtsystemsimulationen Beispielsystem Jahresnetzwärmebedarf MWh 126.417 Netztemperaturen C 70/40 Elektrische Leistung Erdgas-BHKW MW 15 Eigenstromverbrauch BHKW kw 300 Variable Betriebskosten BHKW /MWh_el 5,3 Wirkungsgrad Spitzenlastkessel 0,88 Variable Betriebskosten Spitzenlastkessel /MWh_th 0,13 Erdgassteuer /MWh_Hs 5,5 Erdgaspreis ohne Steuer /MWh_Hs 40 Hs: Brennwert Statusseminar EnEff:Wärme 2016 22
Erste Gesamtsystemsimulationen Wirkungsgrade des BHKWs werden im Modell berechnet Förderung nach KWKG 2012 Wetter- und Lastdaten allgemeingültig für den Standort Frankfurt Ertrag Strom als Anhaltspunkt für die Wirtschaftlichkeit: Summe Erträge aus der Stromvermarktung Summe Stromgestehungskosten des BHKWs Statusseminar EnEff:Wärme 2016 23
Wärme in MWh Wärme in MWh Monatsbilanzen für 2012,2013 und 2014 25000 20000 15000 10000 2012 2013 2014 Variante 2012 2013 2014 Regelung Stromgef. Stromgef. Stromgef. Pel KWK (MW) 15 15 15 Speichervolumen (m³) 440 440 440 Kollektorfläche (m²) 0 0 0 Anteil Solar (%) 0 0 0 Anteil KWK (%) 31,6 21,9 15,7 Anteil Kessel (%) 68,4 78,1 84,3 Ertrag Strom (T ) 904,9 639,9 323,7 Zyklenzahl Speicher 1117 776 558 25000 20000 15000 10000 5000 5000 0 Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez 0 KWK Statusseminar Solarthermie EnEff:Wärme Spitzenlastkessel 2016 24
Wärme in MWh Wärme in MWh Monatsbilanzen für 2014 mit Solarthermie 25000 25000 Variante 7 16 78 7 Regelung Wärmegef. Stromgef. Stromgef. 16 78 Pel KWK (MW) 15 15 15 20000 Speichervolumen (m³) 440 440 13600 20000 Kollektorfläche (m²) 0 0 59300 Anteil Solar (%) 0 0 15,1 15000 Anteil KWK (%) 59,2 15,7 14,2 15000 Anteil Kessel (%) 40,8 84,3 70,9 Ertrag Strom (T ) -193,2 323,7 313,0 Zyklenzahl Speicher 2224 558 34 10000 10000 5000 5000 0 0 Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Statusseminar EnEff:Wärme 2016 25 KWK Solarthermie Spitzenlastkessel
Wärme in MWh Wärme in MWh Monatsbilanzen für 2014 mit Solarthermie 25000 25000 Variante 76 77 78 76 77 Regelung Stromgef. Stromgef. Stromgef. 78 P el KWK (MW) 15 15 15 20000 Speichervolumen (m³) 3320 4900 13600 20000 Kollektorfläche (m²) 15800 31600 59300 Anteil Solar (%) 5,7 10,3 15,1 15000 10000 Anteil KWK (%) 15,8 15,0 14,2 Anteil Kessel (%) 78,5 74,9 70,9 Ertrag Strom (T ) 320,9 315,3 313,0 Zyklenzahl Speicher 108 78 34 15000 10000 5000 5000 0 Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez 0 KWKStatusseminar Solarthermie EnEff:Wärme Spitzenlastkessel 2016 26
Fazit Solarthermische Anlagen können (stromgeführte) KWK-Systeme ohne wirtschaftliche Einbußen ergänzen! Zusätzliche Synergieeffekte durch multifunktionale Nutzung des Solar -Speichers Solare Wärmegestehungskosten: 30 bis 50 /MWh mit Förderung, ab 5.000 m², Vollkosten Statusseminar EnEff:Wärme 2016 27
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Ing. Dirk Mangold mangold@solites.de www.solites.de www.solarefernwärme.de Statusseminar Energieforschung für die Wärmewende Frankfurt, 19.-20. April 2016