Potentiale der Mikro-KWK im Quartier: Theoretische und praktische Betrachtungen der Einsatzmöglichkeiten am Beispiel des 100 KWK Projektes (InnovationCity Ruhr) VDI-Fachtagung Dezentrale und Hybride Energiesysteme für Gebäude und Quartiere Dipl.-Ing. Jörn Benthin (Dr. Manfred Lange, Tim Hanisch)
Inhalt o Motivation/Hintergrund InnovationCity Ruhr 100 KWK o Datenerfassung Datenerhebung Monitoring o Modellierung o Erste Ergebnisse o Zusammenfassung Ausblick Folie: 2
InnovationCity Ruhr Folie: 3
Der Weg zum Projekt Was ist die Innovation City Ruhr Zielvorgaben o Pilotprojekt o Exemplarisches Quartier des Ruhrgebiets o 70.000 Einwohner Auswahl: Modellstadt Bottrop o Gute Übertragbarkeit auf andere Städte o Eingebunden in flächendeckenden Ansatz o Großer Rückhalt bei der Bevölkerung o Starke Einzelprojekte 77 PROJEKTE FÜHLBARE LEBENSQUALITÄT CO 2 -EINSPARUNG Folie: 4
InnovationCity Ruhr Bottrop Innovation- City o Weltweit erstmals eine energetische Sanierung eines industriell geprägten Stadtquartiers o 80 % aller Ressourcen werden in Städten verbraucht o Hauptsächlich fossile Energieträger o Ziel: Reduzierung der CO 2 - Emissionen um 50 % (2010 2020) o Ziel einer Energiewende von unten (Bottom-up) o Gebäude industriellen und häuslichen Typs sollen saniert werden o Photovoltaik, Wärmepumpen, Strom-speicher, KWK, KWKK o Intelligente Energiemanagementsysteme Folie: 5
100 KWK Folie: 6
100 KWK o Bis 2020 KWK-Anteil an der Stromproduktion auf min. 25% erhöht werden in NRW o Regional bedingt durch die Geschichte des Ruhrgebietes neben Niedertemperaturkesseln auch noch viele Kohlekessel (Kohledeputat) o Energet. Sanierung von Bestandsgebäuden durch KWK-Technologie o Installation von 100 KWK-Anlagen o Installation eines Energie-Monitoringsystems o Europaweite Ausschreibung: Brötje Ceramic Fuel Cells Vaillant VIESSMANN ausgewählt Folie: 7
100 KWK - Typologie und Ergebnistransfer Deutschland 100 KWK InnovationCity Die Erstellung prozentualer Gebäudetypologien für die verschiedenen Bilanzräume soll einen genäherten Ergebnistransfer ermöglichen. Folie: 8
Datenerfassung Folie: 9
Datenerfassung Datenerhebung (Auszug) Im Hinblick auf die optimale Gebäude /Gerätekombination hat das GWI ausführliche vorgelagerte Befragungen mit den Bewerbern durchgeführt und folgende Daten erhoben: o Objekttyp (EFH, RH, MFH) o Obj.-Funktion (Wohnen, GHD ) o Baujahr o Wohnfläche o Renovierungen (Jahr, Art) o Energieverbräuche der vorangegangenen Jahre (Strom, Wärme, Kosten) (Kohle, Öl, Gas) o Heizungssystems (Alter, Speicher) o Bewohner (Anzahl, Alter, Aufenthalt) o Wärmeübertrager (Radiator, Fußbodenheizung) Konventionelles Wärmebereitstellungssystem Abbildung: Gebäudeschema Bewerbungsphase Folie: 10
Datenerfassung - Energie-Monitoring In den ausgewählten Objekten wurde jeweils das passende KWK-System eingebaut und ein funkbasierte Messdatenerfassungssystem mit folgenden Messgrößen installiert: o Strombezug o Stromproduktion KWK o Stromeinspeisung o Thermische Produktion o Vorlauf KWK (T,,) o Rücklauf KWK (T,,) o Vorlauf Heizungssystem (T,,) o Rücklauf Heizungssystem (T,,) o Außentemperatur o Innentemperatur (1 Raum) o Luftfeuchtigkeit (innen, außen) Abbildung: Gebäudeschema Projektphase mit Bilanzgrenze Folie: 11
Modellierung Folie: 12
Modelica Modellierungsebenen Modelbildung / Diskretisierung des Systems Modellierung / Simulation Folie: 13
Modelica Modellierungstiefe Folie: 14
Erste Ergebnisse Folie: 15
Stromproduktion Σ = 25 Anlagen kwh 31.1.-10.2.2015 C kwh 30.5.-9.6.2015 C kwh 4.7.-14.7.2015 C 600 = 5221 kwh 27 600 = 1882 kwh 27 600 = 1017 kwh 27 500 500 500 22 22 22 400 400 400 17 17 17 300 12 300 12 300 12 200 7 200 7 200 7 100 2 100 2 100 2 0-3 0-3 0-3 Folie: 16
Stromeinspeisung Σ = 25 Anlagen kwh 31.1.-10.2.2015 300 C kwh 30.5.-9.6.2015 250 250 250 22 22 kwh 4.7.-14.7.2015 300 300 = 2803 kwh 27 = 1067 kwh 27 = 527 kwh C C 27 22 200 17 200 17 200 17 150 12 150 12 150 12 100 7 100 7 100 7 50 2 50 2 50 2 0-3 0-3 0-3 Folie: 17
Strombezug Σ = 25 Anlagen kwh 31.1.-10.2.2015 400 350 = 1988 kwh C 27 kwh 30.5.-9.6.2015 400 350 = 3000 kwh C 27 kwh 4.7.-14.7.2015 400 350 = 3463 kwh C 27 300 22 300 22 300 22 250 17 250 17 250 17 200 12 200 12 200 12 150 150 150 100 7 100 7 100 7 50 2 50 2 50 2 0-3 0-3 0-3 Folie: 18
Monatliche Stromerzeugung in Deutschland 2014 [Quelle: ISE Fraunhofer] Folie: 19
Monatliche Stromerzeugung (EE) in Deutschland 2014 [Quelle: ISE Fraunhofer] Folie: 20
Erste nicht abschließende Bilanz Auswahlmasken für CO2 und PE-Faktor Strom Quelle Wert CO2-Emission (g/kwh) Strommix-IWU Berechnung 2014 617,00 PE-Faktor Strommix-IWU Berechnung 2014 2,67 Erdgas Quelle Wert CO2-Emission (g/kwh) Erdgas-IWU Berechnung 2014 241 PE-Faktor Erdgas-IWU Berechnung 2014 1,13 Flüssiggas Quelle Wert CO2-Emission (g/kwh) Flüssiggas-IWU Berechnung 2014 261 PE-Faktor Flüssiggas-IWU Berechnung 2014 1,1 Kohle Quelle Wert CO2-Emission (g/kwh) Kohle-IWU Berechnung 2014 427,00 PE-Faktor Kohle-IWU Berechnung 2014 1,06 Öl Quelle Wert CO2-Emission (g/kwh) Heizöl-IWU Berechnung 2014 313,00 PE-Faktor Heizöl-IWU Berechnung 2014 1,16 Folie: 21
Erste nicht abschließende Bilanz Σ = 45 Anlagen Folie: 22
Erste nicht abschließende Bilanz Σ = 45 Anlagen Folie: 23
Erste nicht abschließende Bilanz Auswahlmasken für CO2 und PE-Faktor Strom Quelle Wert CO2-Emission (g/kwh) Strom-Mix NRW - Statistische Landesämter 2013 857,20 PE-Faktor Strommix-IWU Berechnung 2014 2,67 Erdgas Quelle Wert CO2-Emission (g/kwh) Erdgas-IWU Berechnung 2014 241 PE-Faktor Erdgas-IWU Berechnung 2014 1,13 Flüssiggas Quelle Wert CO2-Emission (g/kwh) Flüssiggas-IWU Berechnung 2014 261 PE-Faktor Flüssiggas-IWU Berechnung 2014 1,1 Kohle Quelle Wert CO2-Emission (g/kwh) Kohle-IWU Berechnung 2014 427,00 PE-Faktor Kohle-IWU Berechnung 2014 1,06 Öl Quelle Wert CO2-Emission (g/kwh) Heizöl-IWU Berechnung 2014 313,00 PE-Faktor Heizöl-IWU Berechnung 2014 1,16 Folie: 24
Erste nicht abschließende Bilanz Σ = 25 Anlagen Folie: 25
Betrachtung E-Mobility o EFH 4 Personen o Winter/Frühjahr o Keine Optimierung der Stromproduktion o Gemittelt ca. 25 kwh eingespeist o E-Mobility nutzbar 18 kwh o Bei 12-20 kwh pro 100 km o 90-150 km pro Woche Abbildung: Tägliche KWK-E-Mobility-Reichweite am Beispiel Bottrop (von innen nach außen: 13/2 km; 21/2 km; 21 km OneWay) o 13 21 km pro Tag Folie: 26
Betrachtung E-Mobility o EFH 4 Personen o Winter/Frühjahr o Keine Optimierung der Stromproduktion o Gemittelt ca. 25 kwh eingespeist o E-Mobility nutzbar 18 kwh o Bei 12-20 kwh pro 100 km o 90-150 km pro Woche Abbildung: Tägliche KWK-E-Mobility-Reichweite am Beispiel Bottrop (von innen nach außen: 13/2 km; 21/2 km; 21 km OneWay) o 13 21 km pro Tag Folie: 27
Zusammenfassung Ausblick Folie: 28
Zusammenfassung Die häuslichen KWK ist in der Lage einen bedeutenden Beitrag bei der Erreichung der Emissions-und Energieeffizienz-Ziele Deutschlands zu leisten. o Der Einsatz moderner dezentraler KWK-Systeme ermöglicht es, die Stromund Wärmeproduktion der real vor Ort bestehenden Bedarfsstruktur anzunähern. o Der Einsatz moderner Regelungsansätze ermöglich eine relevante Verbesserung der Energieeffizienz im häuslichen Sektor bei gleichbleibenden bis zunehmendem Komfort. o Erste Auswertungen weisen eine Reduzierung der CO 2 Emissionen im gemischten Bestand um ca. 36-40% nach. o Erste Auswertungen weisen eine Reduzierung des Primärenergieverbrauchs im gemischten Bestand um ca. 26% nach. o Der verringerte Strombezug speziell in den Spitzenzeiten bietet bei der Fortführung des KWK-Ausbaus bedeutende Möglichkeiten zur Reduktion der konventionellen Stromproduktion. Folie: 29
Ausblick Die Potentiale der häuslichen KWK sind vielseitig und bieten speziell im Hinblick auf netzreaktive Quartiere und die Neuausrichtung der Netze viele Möglichkeiten. o Erste Simulationen und Auswertungen zeigen nicht nur im Hinblick auf die Energieversorgung im Gebäudebestand große Potentiale sondern auch der Einsatz im Hinblick auf den Mobilitätssektorverspricht größerer Synergieeffekte. o Durch eine stromorientierte Fahrweise kann die häusliche KWK Spitzenlasten im Netz verringern und im Quartier durch eine optimierte netzreaktive Fahrweise in Richtung eines harmonisierten Lastgangs optimiert werden. o Durch die Kombination mit weiteren Technologien wie PtH und DSM sind weitere Potentiale speziell im Hinblick auf den Gewerbe-Handels und Dienstleistungssektor möglich. o Weitere Optimierungs-und Anreizsysteme sind durch die Schaffung variabler Stromtarife denkbar. Folie: 30
Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dipl.-Ing. Jörn Benthin Gas-und Wärme-Institut Essen e.v. Hafenstraße 101 45356 Essen Tel.: +49 (0) 201 3618-258