Wärmebereitstellung mittels BHKW und Wärmepumpe ausgewählte Beispiele Energiewirtschaftliches Kolloquium am 23.März 2011 in Dresden INNIUS
Inhalt Bilanzgrenzen und energetische Kennwerte Bemessungsgrundlagen Wärmeleistung in Abhängigkeit von der Außentemperatur Wärmeverlust bei der Wärmeverteilung Elektroenergieverbrauch für die Wärmebereitstellung und - verteilung BHKW Wärmepumpe Wärmeversorgungskosten und Anlagenoptimierung Zusammenfassung und Ausblick Folie 2 / INNIUS
Bilanzgrenzen (Symbole gemäß DIN V 4701) W WP W HKW,brutto ΔW netto elektrische Antriebs- Energie für WP Elt Elektroenergie- Bereitstellung BHKW Elt Brennstoffenergie Q Br Brennst. Energiezentrale Wärme Q Erz Elt el. Hilfsenergie (einschließlich Wärmeverteilung) Wärmeverlust Verteilungsnetz Q Verl = Q Erz - ΣQ H Wärme ΣQ H Endenergie an der Bilanzgrenze Bilanzgrenze Folie 3 / INNIUS
Energetische Kennzahlen (Symbole gemäß DIN V 4701) Primärenergiefaktor f PE,WV = f PE,Br Q Br -f PE,El (W HWK,brutto W WP ΔW netto ) ΣQ H Energieeffizienz COP (Nutzen / Aufwand) COP = W HWK,brutto + ΣQ H Q Br + W WP + ΔW netto Folie 4 / INNIUS
Bemessungsgrundlagen Endenergie an der Bilanzgrenze Wärmeverlust des Verteilungsnetzes Elektroenergieverbrauch für Wärmebereitstellung und -verteilung Folie 5 / INNIUS
Bemessungsgrundlagen Endenergie an der Bilanzgrenze In der Regel sind Kenntnisse über die Versorgungsverhältnisse vorhanden Eine Darstellung als Wärmeleistung in Abhängigkeit von der Außentemperatur ist sinnvoll Mit einer daraus ableitbaren Jahresdauerlinie für die Wärmeleistung ist eine geeignete Bemessung möglich Folie 6 / INNIUS
Auslesen eines Wärmezählers mit PC Folie 7 / INNIUS
Wärmeleistung in Abhängigkeit von der Außentemperatur Mustergebäude - Wärmeleistung und FW-Spreizung in Abhängigkeit von der Außentemperatur 70 65 60 Wärmeleistung Heizbetrieb Verrechnungsleistung: 116 kw 55 50 Wärmeleistung Sommerbertrieb Wärmeleistung [kw] 45 40 35 30 25 FW-Spreizung [K] 20 15 10 5 Außentemperatur [ C] 0 25,0 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0-2,5-5,0-7,5-10,0-12,5-15,0 Folie 8 / INNIUS
Wärmeleistung in Abhängigkeit von der Außentemperatur 70 65 Mustergebäude - Wärmeleistung und FW-Spreizung in Abhängigkeit von der Außentemperatur Wärmeleistung Heizbetrieb Verrechnungsleistung: 116 kw 60 55 Wärmeleistung Sommerbertrieb Wärmeleistung [kw] 50 45 40 35 30 Trend Wärmeleistung Q* = 64,7 kw q* = 40,4 W/m² FW-Spreizung [K] 25 20 15 10 Q Sommer = 5,3 kw q Sommer = 3,3 W/m² 5 Leistungsanteil Sommer: Q Sommer /Q* = 8,1% Außentemperatur [ C] 0 25,0 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0-2,5-5,0-7,5-10,0-12,5-15,0 Folie 9 / INNIUS
Wärmeleistung in Abhängigkeit von der Außentemperatur 70 65 60 55 Mustergebäude - Wärmeleistung und FW-Spreizung in Abhängigkeit von der Außentemperatur Wärmeleistung Heizbetrieb Wärmeleistung Sommerbertrieb Trend Wärmeleistung Verrechnungsleistung: 116 kw 35,0 32,5 30,0 27,5 50 FW-Spreizung Heizbetrieb 25,0 Wärmeleistung [kw] 45 40 35 30 FW-Spreizung Sommerbetrieb Q* = 64,7 kw q* = 40,4 W/m² 22,5 20,0 17,5 15,0 FW-Spreizung [K] 25 12,5 20 10,0 15 10 Q Sommer = 5,3 kw q Sommer = 3,3 W/m² 7,5 5,0 5 Leistungsanteil Sommer: Q Sommer /Q* = 8,1% Außentemperatur [ C] 2,5 0 25,0 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0-2,5-5,0-7,5 0,0-10,0-12,5-15,0 Folie 10 / INNIUS
Wärmeleistung in Abhängigkeit von der Außentemperatur 70 65 60 Mustergebäude - Wärmeleistung und FW-Spreizung in Abhängigkeit von der Außentemperatur Wärmeleistung Heizbetrieb Wärmeleistung Sommerbertrieb Trend Wärmeleistung Verrechnungsleistung: 116 kw 35,0 32,5 30,0 Wärmeleistung [kw] 55 50 45 40 35 30 Wärmeleistung max. Heizbetrieb Wärmeleistung max. Sommerbertrieb FW-Spreizung Heizbetrieb FW-Spreizung Sommerbetrieb Q* = 64,7 kw q* = 40,4 W/m² 27,5 25,0 22,5 20,0 17,5 15,0 FW-Spreizung [K] 25 12,5 20 10,0 15 10 Q Sommer = 5,3 kw q Sommer = 3,3 W/m² 7,5 5,0 5 Leistungsanteil Sommer: Q Sommer /Q* = 8,1% Außentemperatur [ C] 2,5 0 25,0 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0-2,5-5,0-7,5 0,0-10,0-12,5-15,0 Folie 11 / INNIUS
Jahresdauerlinie und Wärmebedarf 260 240 220 Gesamtwärmebedarf: 753 MWh/a spez. Gesamtwärmebedarf: 160 kwh/m²*a 200 180 160 Anteil Heizung: Anteil TWWB: 79% 21% Wärmeleistung [kw] 140 120 100 80 Anteil Heizung 60 40 20 Tage Anteil TWWB 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 Folie 12 / INNIUS
Bemessungsgrundlagen Wärmeverluste von Verteilungsnetzen Darstellung bezogen auf den Wärmeverbrauch Folie 13 / INNIUS
Typische Fahrkurven für Nahwärmenetze 85 80 75 70 65 Vorlauftemperatur [ C] 60 55 50 45 40 35 30 25 Außentemperatur [ C] 20 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0-2,5-5,0-7,5-10,0-12,5-15,0 Folie 14 / INNIUS
Netzverlust in Gebiet mit großer spez. Wärmelast 30% 28% 26% Messwerte rel. Netzverlust mit konst. absoluten Wert 24% Netzverlust [%] 22% 20% 18% 16% 14% 12% 10% spezifische Nennleistung bezogen auf die Wohngebietsfläche 50 W/m² spezifischer Jahreswärmeverbrauch bezogen auf die Wohngebietsfläche 161 kwh/m²*a Jahresmittelwert Netzverlust 5,6% 8% 6% 4% 2% Außentemperatur [ C] 0% 25,0 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0-2,5-5,0-7,5-10,0-12,5-15,0 Folie 15 / INNIUS
Netzverlust in Gebiet mit geringer spez. Wärmelast Netzverlust [%] 30% 28% 26% 24% 22% 20% 18% 16% 14% 12% 10% 8% 6% Netzverlust ohne Erweiterung Heizbetrieb Netzverlust ohne Erweiterung Sommerbetrieb Netzverlust mit Erweiterung Heizbetrieb rel. Verlust mit konst. abs. Verlust ohne Erweiterung rel. Verlust mit konst. abs. Verlust ohne Erweiterung erweitertes Versorgungsgebiet (150 %) spezifische Nennleistung bezogen auf die Wohngebietsfläche 22 W/m² spezifischer Jahreswärmeverbrauch bezogen auf die Wohngebietsfläche 61 kwh/m²*a Jahresmittelwert Netzverlust 6,6% 4% 2% 0% 25,0 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0-2,5-5,0 Außentemperatur [ C] -7,5-10,0-12,5-15,0 Folie 16 / INNIUS
Bemessungsgrundlagen Elektroenergieverbrauch für Wärmebereitstellung und verteilung Darstellung bezogen auf den Wärmeverbrauch Folie 17 / INNIUS
Eltverbrauch bezogen auf Wärmeverbrauch 3,2% 3,0% 2,8% 2,6% 2,4% 2,2% Wärmenetz ca. 5 MW Nennleistung Approximation Wärmenetz Gaskesselanlagen ca. 150 kw Approximaton Gaskesselanlagen FW-Kompaktstationen ca. 50 kw rel. Eltverbrauch 2,0% 1,8% 1,6% 1,4% 1,2% Jahresmittelwert ca. 1,25 % 1,0% 0,8% Jahresmittelwert ca. 0,8 % 0,6% 0,4% 0,2% Außentemperatur [ C] 0,0% 25,0 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0-2,5-5,0-7,5-10,0-12,5-15,0 Folie 18 / INNIUS
BHKW BHKW Bemessung energetische Kennzahlen Folie 19 / INNIUS
BHKW - Bemessung 260 240 Gesamtwärmebedarf: 753 MWh/a 220 200 180 Wärmeleistung [kw] 160 140 120 100 Gaskessel Arbeitsanteil Kessel: 42,4% 80 60 Leistungsanteil BHKW: 23,4% 40 20 0 BHKW Arbeitsanteil BHKW: 57,6% Tage 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 Folie 20 / INNIUS
BHKW energetische Kennzahlen (f PE,El = 2,6) Bezeichnung Einheit BHKW 1 BHKW 2 BHKW 3 von 27. Okt. 08 15. Okt. 10 15. Nov. 10 bis 26. Okt. 09 16. Mrz. 11 14. Mrz. 11 Gradtagszahl Kd 3.478 2.672 2.250 Nennwärmeleistung Abnehmer kw 35 72 256 Nennwärmeleistung BHKW kw 12,5 30 60 elektr. Nennleistung BHKW kw 4,7 15 30 Stromkennzahl BHKW 1 0,376 0,5 0,5 Leistungsanteil BHKW 35,7% 41,7% 23,4% Vollbenutzungsstunden BHKW h/a 3.814,88 Wärmenergie Energiezentrale kwh 63.481 140.814 409.223 Anteil BHKW 75,1% 74,4% 40,7% Wärmenergie Verbraucher kwh 63.481 140.814 394.515 Wärmeverlust Verteilung 0,0% 0,0% 3,6% Elektroenergie BHKW kwh 17.800 52.291 85.335 Brennstoffenergie (Erdgas) kwh 101.173 211.524 551.290 elektrische Hilfsenergie (1%) kwh 635 1.408 4.092 Primärenergiefaktor Wärmevers. 1,05 0,71 1,00 Energieeffizienz (COP) 0,80 0,91 0,86 Folie 21 / INNIUS
BHKW Vergleich mit Gaskessel (f PE,Br = 1,1) Bezeichnung Einheit Kessel 1 Kessel 2 Kessel 3 von 27. Okt. 08 15. Okt. 10 15. Nov. 10 bis 26. Okt. 09 16. Mrz. 11 14. Mrz. 11 Gradtagszahl Kd 3.478 2.672 2.250 Nennwärmeleistung Abnehmer kw 35 72 256 Wärmenergie Energiezentrale kwh 63.481 140.814 409.223 Wärmenergie Verbraucher kwh 63.481 140.814 394.515 Wärmeverlust Verteilung 0,0% 0,0% 3,6% Jahresnutzungsgrad Kessel Brennstoffenergie (Erdgas) kwh 74.684 85% 165.664 481.439 elektrische Hilfsenergie (1%) kwh 635 1.408 4.092 Primärenergiefaktor Wärmevers. 1,32 1,32 1,37 Energieeffizienz (COP) 0,84 0,84 0,81 Folie 22 / INNIUS
Wärmepumpe Wärmepumpe Vor- und Rücklauftemperaturen Bemessung energetische Kennzahlen Folie 23 / INNIUS
Wärmepumpe Vor- und Rücklauftemperaturen 85 80 75 70 Vorlauftemperatur Heizung Rücklauftemperatur Heizung Vorlauftemperatur Wärmepumpe t* VL-Hzg. = C 82,5 65 60 Temperatur [ C] 55 50 45 t* VL-WP = C 52,5 t* RL-Hzg. = C 52,2 40 35 30 25 Außentemperatur [ C] 20 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0-2,5-5,0-7,5-10,0-12,5-15,0 Folie 24 / INNIUS
Wärmepumpe Bemessung - Jahresdauerlinie 55 50 45 Betrachtung nur für Anteil Heizung Gesamtwärmebedarf: 120 MWh/a Wärmeleistung [kw] 40 35 30 25 20 15 Gaskessel Arbeitsanteil Kessel: 12,3% Leistungsanteil Wärmepumpe: Wärmepumpe Arbeitsanteil Wärmepumpe: 87,7% 43% 10 5 0 COP Wärmepumpe: Mittelwert Heizperiode 3,6 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 Tage Folie 25 / INNIUS
Wärmepumpe ausgeführte Anlage - Messergebnisse 36 34 32 30 28 26 24 Wärmeleistung Heizbetrieb Wärmeleistung Sommerbertrieb Trend Wärmeleistung Leistung WP Heizung: 30 kw Leistung WP TWWB: 20 kw Q* = 35,5 kw q* = 40,4 W/m² Wärmeleistung [kw] 22 20 18 16 14 12 10 8 6 Q Sommer = 3,3 kw q Sommer = 3,7 W/m² 4 2 Leistungsanteil Sommer: Q Sommer /Q* = 9,2% Außentemperatur [ C] 0 25,0 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0-2,5-5,0-7,5-10,0-12,5-15,0 Folie 26 / INNIUS
Wärmepumpe ausgeführte Anlage - Messergebnisse 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 COP 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 COP Hzg. Heizperiode 1,0 0,5 0,0 COP TWWB Heizperiode COP gesamt ohne BP Heizperiode COP gesamt mit BP Heizperiode Außentemperatur [ C] 25,0 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0-2,5-5,0-7,5-10,0-12,5-15,0 Folie 27 / INNIUS
Wärmepumpe energetische Kennzahlen (f PE,El = 2,6) Bezeichnung Einheit WP 1 WP 2 wie BHKW 2 von 10. Mai. 10 15. Okt. 10 bis 9. Mrz. 11 16. Mrz. 11 Gradtagszahl Kd 2.976 2.672 Nennwärmeleistung Abnehmer kw 35,5 72 Nennwärmeleistung Wärmepumpe kw 35,5 35,5 Leistungsanteil Wärmepumpe 100,0% 49,3% Wärmenergie Energiezentrale kwh 98.338 140.814 davon Wärmenergie Wärmepumpe kwh 98.338 88.300 Arbeitsanteil Wärmepumpe 100,0% 62,7% Wärmenergie Verbraucher kwh 98.338 140.814 Wärmeverlust Verteilung 0,0% 0,0% Elektroenergie Wärmepumpe kwh 31.164 27.983 Jahresnutzungsgrad Kessel 85% Brennstoffenergie (Erdgas) kwh 61.781 elektrische Hilfsenergie (1%) kwh 983 1.408 Primärenergiefaktor Wärmevers. 0,85 1,03 Energieeffizienz (COP) 3,06 1,54 Folie 28 / INNIUS
Vergleich Primärenergiefaktor Wärmeversorgung 1,20 1,15 1,10 Primärenergiefaktor Wärmeversorgung 1,05 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 Wärmepumpe wie BHKW 2 BHKW 2 zukünftige Entwicklung 0,55 Primärenergiefaktor Elt 0,50 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3,0 Folie 29 / INNIUS
Wärmeversorgungskosten Wärmeversorgungskosten Grundkosten Verbrauchskosten sonstige Kosten Folie 30 / INNIUS
Wärmeversorgungskosten Fernwärmekosten Bezeichnung Einheit Bestandsgebäude WD nach EnEV Gebäude mit Versorgungsfläche m² 4.699 880 Anschlussleistung kw 400 50 spezifische Anschlussleistung W/m² 85 57 Jahreswärmeverbrauch MWh/a 752,80 81,30 spezifischer Jahreswärmeverbrauch kwh/m²*a 160 92 Grundpreis /kw*a 35,53 36,56 Preisgleitfaktor Grundpreis Arbeitspreis Ct/kWh 1,1251 2,04 Preisgleitfaktor Arbeitspreis Servicepreis (geschätzt) /kw*a 2,6902 10,00 Grundkosten /a 15.989,92 2.056,68 Verbrauchskosten /a 41.313,72 4.461,75 Servicekosten (geschätzt) /a 4.000,00 500,00 Gesamtkosten netto /a 61.303,65 7.018,43 spezifischer Preis pro Wärmeeinheit Ct/kWh 8,14 8,63 spezifischer Preis pro Fläche /m²*a 13,05 7,98 BHKW 3 (Contractingpreis) Ct/kWh 7,23 Wärmepumpe 1 mit Förderung Ct/kWh 9,05 Folie 31 / INNIUS
Optimierung der Betriebsführung Anpassung der Anlageneinstellungen an die konkreten Versorgungsverhältnisse Folie 32 / INNIUS
Optimierung der Betriebsführung 40 38 36 34 32 30 spezifische Wärmeleistung [W/m²] 28 26 24 22 20 18 16 14 12 Ist Soll 10 8 6 4 2 t a,grenz. Außentemperatur [ C] 0 25,0 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0-2,5-5,0-7,5-10,0-12,5-15,0 Folie 33 / INNIUS
Optimierung der Betriebsführung 40 38 36 34 32 Einsparung: normierter Jahresverbrauch Ist: 121,24 MWh/a normierter Jahresverbrauch Soll: 81,30 MWh/a Verbrauchseinsparung : 39,94 MWh/a spezifische Wärmeleistung [W/m²] 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 Ist Soll 2 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 Tage Folie 34 / INNIUS
Zusammenfassung Anlagenbemessung Es sollten vorhandene Verbrauchsinformationen einbezogen werden Die beste Informationsquelle ist der Zusammenhang zwischen Wärmeleistung und Außentemperatur BHKW und Wärmepumpe BHKW s lassen sich gut in vorhandene Wärmeversorgungssysteme einbinden Bei Wärmepumpen sind die zu hohen Temperaturen der Bestandsanlagen das größte Hindernis Betriebsführung und Bilanzierung Eine optimale Anlageneinstellung zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme ist nicht möglich Eine energetische Bilanzierung ist mit den Informationen der Jahresrechnungen einfach möglich und sollte auch erfolgen Folie 35 / INNIUS
Ausblick Die Bereitstellung von Wärmeenergie aus erneuerbaren Quellen ist die eigentliche Herausforderung der nächsten Jahrzehnte. Derzeit beträgt der Anteil in Dresden nur wenige Prozent. Von der DREWAG wurden 2010 ca. 2.100 GWh (ca. 35 %) Fernwärme und ca. 3.800 GWh (ca. 65 %) Erdgas abgegeben. Der Erdgasanteil wird zurzeit noch mit einem schlechten Primärenergiefaktor in Endenergie umgewandelt. Hier ist eine Verbesserung unbedingt erforderlich. Dafür zeichnet sich im Gebäudebestand kurz- bis mittelfristig nur der Einsatz von Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ab. Ausgeführte KWK-Anlagen mit Mini-BHKW und Nahwärmenetzen in der Größenordnung von einigen hundert kw erlauben eine Verringerung des Primärenergiefaktors auf ca. 50 % bis 70 %. Für den Einsatz von Wärmepumpen im Bestand mit Nutzung regenerativer Energiequellen müssen die Voraussetzungen noch geschaffen werden. Folie 36 / INNIUS
Ausblick Goethe Faust I Prolog im Himmel Ein guter Mensch in seinem dunklen Drange ist sich des rechten Weges wohl bewußt Folie 37 / INNIUS
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit sowie ebenfalls vielen Dank an Frau Nickol, Herrn Dr. Mewes und Herrn Dr. Ibrahim für die Organisation der Tagung. Dr.-Ing. Wolfgang Heße INNIUS DÖ GmbH, Großenhainer Straße 144 01129 Dresden Tel.: 0351 / 85 31 6-37 w.hesse@innius-doe.de Folie 38 / INNIUS