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KWK = Strom („Kraft“) - Wärmekopplung
Thermodynamisch optimiertes Heizen und der
Mythos der KWK
Dr. Gerhard LutherUniversität des Saarlandes, FSt. Zukunftsenergie
c/o Technische Physik – Bau E26D-66041 Saarbrücken
EU - Germany
Tel.: (49) 0681/ 302-2737; Fax /302-4676 e-mail: Luther.Gerhard@vdi.de luther.gerhard@mx.uni-saarland.de
Homepage: http://www.uni-saarland.de/fak7/fze
DPG2010_AKE9.1 ergänzt für Lehramtsseminar SS2010
0. Zur Einstimmung :
Budgetansatz
eigentlich: ProKopf-Budget - Ansatz
ProKopf-Budgetansatz mit Emissionshandel
Quelle: WBGU - Sondergutachten 2009, Abb.2
EU, US & ...
China, Mexico &....
Entwicklungsländer
fossiles CO2:
Beispiele für Pro-Kopf-Emissionsverläufe
< 750 [Gt] CO2 in 2010 bis 2050 >
2 °C-Leitplanke
1 t [CO2 /Kopf/a]
12 t [CO2 /Kopf/a]
Was folgt daraus für Heizen in DE:
1. Extreme Anforderung an CO2-Einsparung
2. Globale Pro Kopf Zuteilung übersieht Heizbedarf
3. Heizen wird richtig teuer.
daher :
• Grundlegende Einsparungen bei Heizenergie notwendig• Ganzheitliche Betrachtung: Umfassende Thermische Sanierung Einsatz von Solarenergie (WW im Sommer, Beitrag zur Heizung)
Thermodynamisch optimierte Bereitstellung und Anwendung der Heizwärme
Bei Teilsanierung immer das Endziel im Auge behalten
0. Zur Einstimmung: CO2 Budgetansatz
1.Thermodynamisch optimiertes Heizen
2. Der KWK Mythos
3. Ein Ganzheitlicher Ansatz für Vergleiche Ergebnisse bei Erdgas: Vergleich KWK mit zentralem GuD und dezentralem Brennwertkessel bzw. Wärmepumpe
Kann optimale KWK Effizienz eines WP- Systems erreichen?
4. KWK – eine ökologische Sackgasse ?
5. Erdgas für Strom und Wärme optimal einsetzen
Thermodynamisch optimiertes Heizen und der
Mythos der KWK
1. Thermodynamisch optimiertes Heizen
1.
Minimaler Exergie- Einsatz zur Abdeckung des noch übrig bleibenden Heizwärmebedarfes,
• nach thermischer Sanierung, und im • Gesamtrahmen der Strom- und Wärme- Erzeugung
IdealeWärme –
Kraftmaschine
ΔS
ΔQ
ΔQU
ΔE
ΔST
TU
Der Exergiebegriff:
1. Elektrizität ΔE ist
Entropie frei.
3. Energiebilanz (1.Hauptsatz): ΔE = ΔQ - ΔQU
2. Entropie ΔS verkleinert sich nicht: im optimalen, reversiblen Fall gilt dann (2.Hauptsatz): ΔS = ΔQ/ T und ΔS = ΔQU/ TU
daher: ΔE = (T- TU) /T * ΔQ heißt Exergie
also: Exergie = Carnotfaktor * entnommene Wärmemenge = „ maximal verfügbare Arbeit“
1.1
1.2 Die drei Ansätze zum thermodynamischen Heizen
1. Strom Wärme Kopplung beim Brennstoff-Einsatz: KWK
Die Entropie ΔS wird oberhalb der Umgebungstemperatur TU an ein Kühlmittel abgegeben.
Das kostet Exergie für die Stromerzeugung, aber man kann bei geeigneter Festlegung der
Abgabetemperatur mit dieser Wärme noch etwas anfangen, z.B. Heizen (oder auch Kühlen mit Absorber WP : KWKK)
2. Strom Wärme Kopplung beim Stromeinsatz: Wärmepumpe
Anergie ΔQU aus der Umgebung entnehmen,
reine Exergie in Form mechanischer oder elektrische Energie ΔE hinzugeben,
und dann die Wärmemenge ΔQ auf einem höheren Temperaturniveau T (e.g.) zu
Heizzwecken nutzen
3. Das Auskommen mit kleinen Temperaturdifferenzen bei der KWK, im Wärmepumpenprozess, und vor allem bei der Wärmeübertragung: Flächenheizung, Aufheizen statt „isothermer Wärmeabgabe“
1.2
Mindest - Exergie für die drei thermischen Grundaufgaben:
1. Ausgleich der Transmissionsverluste QT Temperatur halten bei ca. 20 °C ΔET = (Tinnen – Taußen) / Tinnen * ΔQT
2. Lüftungswärme QL aufbringen,
zur Aufwärmung von Frischluft von ca. 0° auf ca. 20°C
ΔEL = 0.5 * (Tinnen – Taußen) / Tinnen * ΔQL
3. Warmwasser - Wärme QW liefern,
Trinkwasser aufwärmen von ca. 15 °C auf ca. 50-60 °C,
ΔEW = 0.5 * (Tw – Taußen2) / Tw * ΔQW
1.3 Die zum Heizen notwendige Exergie
Taußen bzw Taußen2 = Umgebungstemperatur für die Wärmepumpe in Heizperiode bzw. im Gesamtjahr
1.3
2. Der KWK Mythos
2.
KWK als Hoffnungsträger zur Energieeinsparung
• Gesetzlicher Auftrag zur Verdoppelung der Stromerzeugung aus KWK auf eine Anteil von 25% bis 2020 AD (KWKG)
• Abnahmeverpflichtung von KWK-Strom
• Jährliche Subventionen in etwa Milliardenhöhe durch Einspeisevergütung gemäß : KWKG = Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz 2009 und EEG = Erneuerbare-Energien-Gesetz 2009 (Finanziert durch Abwälzung auf Strompreis)
• und weitere Vergünstigungen ( z.B. Anrechnung als RE in EEWärmeG, Interessenverband ist „gemeinnützig“, etc. )
Ein beliebter Spruch:
„ KWK nutzt Abwärme, die sonst verloren wäre.“
Verschwiegen wird meist: Fernwärme wird bei thermodynamisch noch Arbeits - fähigem Temperaturniveau betrieben, daher:
bei Dampfkraftwerken ergibt sich eine deutliche Stromeinbuße, und bei Motoren und Gasturbinen ist wg. der hohen Abwärme-Temperatur
der elektrische Wirkungsgrad von vorneherein niedrig.
2.1
Man erhält märchenhafte CO2- und PE Einsparungen
wenn man z.B.:
{2. +3.}: moderne Erdgas –KWK vergleicht mit:
• altem Ölkessel + altem KoKW
• + StromMix (50% Kohleanteil)
1. Nur die „Brennstoffausnutzung“ vergleicht
also bei der KWK Strom und Wärme addiert, und dann mit dem Strom aus einem reinen Kraftwerk vergleicht.
Ergebnis: KWK - Mythos mit
märchenhaften 30 - 60% Einsparung an CO2 und PE
2.2
Die EU schreibt daher vor,dass bei Förderung der KWK in den Mitgliedsländern,
zum Vergleich mit der getrennter Erzeugung von Strom und Wärme betrachtet wird:
2. Gleiche Primärenergieträger
also z.B. Erdgaseinsatz nicht nur bei KWK sondern auch bei getrennter Erzeugung
1. Eine detaillierte Gleicheit der Wärme- und Stromproduktion
also gleiche Strom- und gleiche Wärmeproduktion auch in getrennter Erzeugung.
3. Moderne Anlagen der getrennten Erzeugung
also z.B.: GUD und Brennwertkessel
2.3
Zitat aus EU Richtlinie 2004/8/EG Anhang III „Verfahren zur Bestimmung der Effizienz des KWK-Prozessesf) Wirkungsgrad-Referenzwerte für die getrennte Erzeugung von Strom und Wärme
……Die Wirkungsgrad-Referenzwerte werden nach folgenden Grundsätzen berechnet:
1. Beim Vergleich von KWK-Blöcken gemäß Artikel 3 mit Anlagen zur getrennten Stromerzeugung gilt der Grundsatz, dass
die gleichen Kategorien von Primärenergieträgern verglichen werden.
2. Jeder KWK-Block wird mit der besten, im Jahr des Baus dieses KWK- Blocks auf dem Markt erhältlichen und
wirtschaftlich vertretbaren Technologie für die getrennte Erzeugung von Wärme und Strom verglichen.
3. …4. …
eigentlich trivial
Quelle: http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2004:052:0050:0060:DE:PDF
RICHTLINIE 2004/8/EG DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES vom 11. Februar 2004 über die Förderung einer am Nutzwärmebedarf orientierten Kraft-Wärme-Kopplung im Energiebinnenmarkt und zur Änderung der Richtlinie 92/42/EWGhttp://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2004:052:0050:0060:DE:PDF
Entscheidung 2007/74/EG = Entscheidung der Kommission vom 21.12.2006, zur Festlegung harmonisierter Wirkungsgrad-Referenzwerte für die getrennte Erzeugung von Strom und Wärme in Anwendung der RL 2004/8/EG..)
http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2007:032:0183:0188:DE:PDF
Zitate für EU –KWK-Richtlinie:
Ein Ganzheitlicher Ansatz für Vergleiche
3.
Ergebnisse bei Erdgas:
Mehraufwand bei getrennter Erzeugung mit GuD + Brennwertkessel GuD + Wärmepumpe
Schwerpunkt: Erdgas - KWK für Gebäudewärme
Aufgabe:
Moderne Erdgas- Anlagen sollen
einige bestehende alte Stromkraftwerke und
eine sehr große Zahl von alten Heizungsanlagen verdrängen.
Modernisierungs Szenario3.0
ein Hintergrund: Der deutsche Gasabsatz von insgesamt 925 TWh wurde 2007 zu 11,5 % zur Verstromung in Kraftwerken und
zu 27 % meist zu Heizzwecken in den Haushalten eingesetzt.
Veranschaulichung:
250 TWh Heizwärme entspricht {Faktor 0.6) ca. 150 TWh Strom
Gesamte Stromerzeugung in DE: ca. 600 TWh
Aufgabe: Moderne Erdgas- Anlagen sollen
alte Stromkraftwerke und Heizungsanlagen verdrängen.
Modernisierungs Szenario
Hierzu werden 2 Erdgas - Fälle betrachtet und verglichen:
(1.) KWK - Untersuchungsfall:
KWK Anlagen verdrängen
die alten Heizungsanlagen und Stromkraftwerke .
(2.) Referenzfall „Getrennte Erzeugung“:
GuD-Kraftwerken verdrängen alte Stromkraftwerke
BrennwertKessel verdrängen die alten Heizungskessel(2a) weiterer Fall „Getrennte Erzeugung“:
GuD-Kraftwerken verdrängen alte Stromkraftwerke
WärmepumpenWärmepumpen (WP) verdrängen die alten Kessel, und werden aus den neuen GuD gespeist.
Ich beschränke mich auf den Einsatz de PE-Träger Erdgas , weil:• dies einfach und übersichtlich ist• Erdgas der wichtigste Energieträger im Heizungsbereich ist• der Erdgaseinsatz in DE zunehmen soll
Bem.: Der Einsatz von KWK auf Kohlebasis ist energiewirtschaftlich durchaus interessant, weil hierdurch man auch Kohle bequem, (relativ) sauber und preiswert zu Heizzwecken nutzen kann. (siehe Dänemark). Ökologisch jedoch nur mit CCS vertretbar !
Modernisierungs Szenario
System:
Brennwertkessel:
Wärme
Strom
GuD-Anlage:
xK
Q0
Erdgas
th
el
BK
xGuD
GuD
Zwei Möglichkeiten zum Vergleich:
1. Input vorgeben: Q0 =1
2. Output des KWK-Versorgers : Wärme (vollständige Kundenversorgung)
und
Strom (Netzeinspeisung),
detailliert vorgeben.
th = Wärme / Q0
el = Strom/ Q0
3.1 Erste Vergleichsart: Gleicher Erdgaseinsatz Q = 1
3.11 Dezentraler Kessel und zentrale Stromerzeugung (GuD)
3.12 Wärmeversorger mit KWK –Anlage 3.13 Dezentrale Wärmepumpe (WP) und zentrale GuD-Anlage
3.14 Kann optimale KWK Effizienz eines WP- Systems erreichen?
3.1
Dezentraler Kessel und zentrale Stromerzeugung
System:
Brennwertkessel:
Wärme
Strom
GuD-Anlage:
xK
Q0
Erdgas
Wärme:th = xK * BK
Strom:el = xGuD * GuD
th
el
BK
xGuD
GuD
xK + xGuD =1
3.11
Für Strom und Wärme aus getrennter Erzeugung gilt für alle xK:
1 = xK + xGuD (1)
Wärme = Q0* (K * xK) ; also : xK = Wärme/(Q0* K) (2)
Strom = Q0* (GuD * x_GuD)
mit (1) und (2):
Strom = Q0 * GuD - Wärme* GuD /K
Strom= Q0 * GuD - Wärme* GuD /K
Strom –Wärme –Diagramm
Eine Gerade von Q0 * GuD auf der Stromachse
nach Q0 * K auf der Wärmeachse
Normierung: Q0=1
kleine Nebenrechnung:
Strom und Wärme bei Gaseinsatz = 1
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40
Wärme
Str
om
E_GuD
E10
E_heff
GuD und Brennwertkessel
Hocheffizienz-Grenzenfür MikroKWK und KWK
Gaseinsatz: Q = 1.0
BK
GuD_
{Strom aus GuD und Wärme aus Brennwertkessel} und „Hocheffizienkriterien“ für KWK
Fazit: „hocheffizient“ ist wohl maßlos übertrieben
Speicher: KWK-Vergleich_eta_GUD_BK_WP.xls; Blatt „allgemein“
3.12
Wärmeversorger mit KWK –Anlage
Versorger:
Spitzenkessel:
Wärme
Strom
KWK
im Spitzenstrom-
Betrieb
KWK-Anlage :
im KWK-Betrieb
xSK
xKWK
Q0V
Erdgas
xSE
Paradefall:
Die KWK – Scheibe
Wärmeversorger mit KWK –Anlage
Versorger:
Spitzenkessel:
Wärme
Strom
KWK
im Spitzenstrom-
Betrieb
KWK-Anlage :
im KWK-Betrieb
xSK
xKWK
Q0V
Erdgas
xSE
Wärmespitze:
Zusatzstrom:
thV
elV
KWK
Versorger:
Spitzenkessel:
Wärme
Strom
KWK
im Spitzenstrom- Betrieb
KWK-Anlage :
im KWK-Betrieb
xSK
xKWK
Q0V
Erdgas
xSE
Ein korrekter Vergleich muss die gesamte Produktion des Versorgers, die mit seiner KWK Anlage und der Verpflichtung zur Fernwärmelieferung zusammenhängt,beachten.
Vergleiche also Erdgaseinsatz (PE) für:KWK: Q0
V = PE des Versorgers
und
getrennte
Erzeugung: Q0 = PE für GuD + Kessel, ergibt
sich aus detaillierter Gleichheit: Wärme = Q0 * ηK
Strom = Q0 * ηGuD
Neuer Eintrag: Strom und Wärme aus reiner KWK Paradefall: XSK= XSE= 0
Erzeugung von Strom und Wärme
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40
Wärme : Kessel bzw. KWK-Versorger
Str
om
: G
uD
bzw
. Ve
rso
rge
r E_GuDB2B4B5B6B7B8E_heffE10
GuD und Brennwertkessel
Hocheffizienz-Grenzen
Paradefall: kleine Symbole
Gaseinsatz: Q = 1.0
Paradefall:XSK = XSE =0
Datenquelle: siehe Tabellen in Folie 37 +38 Speicher: KWK-Vergleich_eta_GUD_BK_WP.xls; Blatt „allgemein“
Erzeugung von Strom und Wärme
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 2,20
gesamte Endenergie: Wärme und Strom
Str
om
: G
uD
bzw
. V
ers
org
er E_GuD
B2
B4
B5
B6
B7
B8
E_heff
E10
GuD + BrennwertKessel
"Hoch-effizienz"
Paradefall: kleine Symbole
Gaseinsatz: Q = 1
Strom und gesamte Endenergie
nur für Paradefall: XSK= XSE= 0
Speicher: KWK-Vergleich_eta_GUD_BK_WP.xls; Blatt „allg_ges“
Erzeugung von Strom und Wärme
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 2,20
gesamte Endenergie: Wärme und Strom
Str
om
: G
uD
bzw
. Ver
sorg
er
E_GuD1 E_GuDB2 B2B4 B4B5 B5B6 B6B7 B7B8 B8E_heff E10
GuD + BrennwertKessel
"Hoch-effizienz"
Gaseinsatz: Q = 1
Paradefall: kleine Symbole, Gesamter KWK-Versorger = Große Symbole
Strom und gesamte Endenergie
neu: Versorgung mit 20% Spitzenkessel: XSK= 0.2; XSE= 0
Speicher: KWK-Vergleich_eta_GUD_BK_WP.xls; Blatt „allg_ges“
Dezentrale Wärmepumpe und zentrale GuD-Anlage
System:
Wärmepumpe:
Wärme
Strom
GuD-Anlage: xK
Q0
Erdgas
Strom für WP:
Strom:
th
el
K_WP
GuD xGuD
3.13
Betrachte die WP als einen „Superkessel“ mit einem - auf den GasEinsatz im GUD-Kraftwerk bezogenen -
thermischen Wirkungsgrad:
K_WP = JAZ * GUD
Mit : JAZ = Jahresarbeitszahl = gelieferte Wärme / eingesetzter Strom
GUD = eingesetzter Strom / eingesetzte Wärme im Kraftwerk
K_WP = JAZ * GUD
Zahlenwerte:
Speicher: KWK_Vergleich_mit_WP.xls!“eta_K_WP“
Zum Vergleich:
Brennwertkessel: eta_K = 1,1
Vergleich KWK mit: { GUD + Wärmepumpe }
Arbeitszahl in der Heizzeit (nur Heizung) auf der Basis von Tagesmittelwerten (Zeitraum 11/07 – 10/08).Temperaturhub, den die WP überwinden muss, zwischen Umweltmedium und HeizkreisVorlauf .
Quelle: Christel Russ, Marek Miara, Michael Platt:„Untersuchungen zum Einsatz von Wärmepumpen im Gebäudebestand“ , Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme Freiburg, (2009), Bild 10, S.10
Tages-Arbeitszahlen von Wärmepumpen und Temperaturhub
Hocheffiziente Wärmepumpe für thermisch sanierte Gebäude
• Moderne WP zeigen bei einem ΔT = 20 bis 30 [K] schon heute eine Arbeitszahl von 3.5 bis 4.5 • Bei der Installation der WP kann viel Geld durch Verminderung des Wärmebedarfs eingespart werden: Anreiz zur thermischen Sanierung. • Jede Verminderung des Exergieanforderung für Gebäudewärme (z.B.: niedrige Heiz-Temperaturen, Ausnutzung von Aufwärmprozessen, überdimensionierte Heizkörper)
kann in einen besseren Wirkungsgrad der WP umgesetzt werden.
• Interessante Entwicklungen: WP für Heizen und Kühlen WP in Kombination mit Wasser-Eis- Speicher Temperaturgleit bei Wärmeabgabe (insbesondere: transkritische CO2-WP)
JAZ = 4 ist durchaus gerechtfertigt.
Erzeugung von Strom und Wärme
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 2,20
gesamte Endenergie: Wärme und Strom
Str
om
: G
uD
bzw
. V
ers
org
er
E_GuD1 E_GuDB2 B2B4 B4B5 B5B6 B6B7 B7B8 B8E_heff E10
GuD + BrennwertKessel
GuD versorgt auch WP
"Hoch-effizienz"
Paradefall: kleine Symbole
Gaseinsatz: Q = 1
hier: Beispiel für KWK-Versorger mit 10% Spitzenanteile: XSK= 0.1; XSE= 0,1
Strom und gesamte Endenergie
neu: Zentrales GuD, speist auch Wärmepumpe mit JAZ=4
Speicher: KWK-Vergleich_eta_GUD_BK_WP.xls; Blatt „allg_ges“
Kann eine optimale KWK die Effizienz der WP erreichen?
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10
gesamte Endenergie: Wärme und Strom
Str
om
: G
uD
bzw.
Ver
sorg
er
E_GuD1 E_GuDB2 B2B4 B4B5 B5B6 B6B7 B7B8 B8E_heff E10
GuD + BrennwertKessel
GuD versorgt auch WP"Hoch-effi-zienz"
Paradefall: kleine Symbole
Gaseinsatz: Q = 1
zentral
dezentral
Kann optimale KWK die Effizienz eines GuD-WP- Systems je erreichen?
3.14
Speicher: KWK-Vergleich_eta_GUD_BK_WP.xls; Blatt „allg_ges“
Große Symbole: Beispiel für KWK-Versorger mit 10% Spitzenanteile: XSK= 0.1, und XSE= 0,1
Kann optimale KWK die Effizienz eines GuD-WP- Systems je erreichen?
1. Bei kleiner dezentraler KWK ist theoretisch eine hohe „Brennstoff- ausnutzung“ - wie bei einem Brennwertkessel- möglich. (Betrachte: gesamt <= 1.05 )
Aber bei Motoren sind keine hohen elektrischen Wirkungs-
grade möglich. (Betrachte: el < 0.40 , meist jedoch < 0,35)
2. Bei großer zentraler KWK ist wg. des Fernwärmenetzbetriebes keine
so hohe „Brennstoffausnutzung“ möglich: Betrachte: gesamt <= 0,91
Ein relativ hoher elektrischer Wirkungsgrad erreichbar, aber er ist (auch bei GuD)
begrenzt durch die Exergieverluste für die Bereitstellung der relativ hohen Vorlauftemperatur der Fernwärme.
(Betrachte: el <= 0.46 )
Folgerung: Selbst im Paradefall der KWK kann die Energie-Effizienz des GuD-WP-System wohl nicht erreicht werden.
Ein nur didaktisches Beispiel:
Modernes, großes GuD mit und ohne KWK
Abgasverluste = 10 % (umfasst auch sonstige Betriebsverluste)
ohne KWK: el = 60% , davon 13%Punkte für WP-Betrieb verwenden
mit voller KWK: elKWK = 47% also 13% Stromeinbuße
Fernwärme thKWK = 43% =(100 -10 -47%)
„COP“ der Stromeinbuße: COPKWK = 43/13 = 3,3 beachte aber : Wärme bei hoher Temperatur, z.B. 130 °C
COP einer dezentralen WP: COP = 4
beachte: Wärme bei niedriger Temperatur, z.B. 30°C
Die KWK erzeugt einen exergetischen Luxus, der dezentral in thermisch sanierten Gebäuden nicht mehr gebraucht wird.
PE - Mehraufwand für getrennte Erzeugung
Q0V = Gesamter PE –Einsatz des Versorgers zur Erzeugung von
Wärme ( KWK-Wärme und Spitzenwärme) und Strom ( KWK-Strom und Spitzenstrom)
Q0 = Summe des PE -Einsatzes bei der getrennten Erzeugung von Wärme in dezentralen Brennwertkesseln und Strom im GuD –Kraftwerk.
Definition: Primärenergiefaktor: f = Q0 / Q0V
3.2
PE- Einsparung durch reine KWK: PEE = 1-1/f0 = (Q0-Q0V) / Q0
mit dem PE –Faktor für reinen KWK- Betrieb: f0 = f(xSK=0, xSE=0) (also: f0 = f für den Paradefall)
f0 =f(xSK=0,xSE=0)
Input Datenquelle: A = IER-Voss2009 ; C = /Mephisto/ B = UBA-CC2007nr10, DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)
Speicher: KWK_Vergleich_Hifsdateien.xls; Blatt „Versorger“
Mehrverbrauchsfaktor f von { Brennwertkessel und GuD } im Vergleich zu KWK- Versorgung
Beispiel mit xSK = xSE =0.1
Speicher: KWK_Vergleich_Hifsdateien.xls; Blatt „WP“
Mehrverbrauchsfaktor f von {GuD und WP aus GuD } im Vergleich zu KWK- Versorgung
Input Datenquelle: A = IER-Voss2009 ; C = /Mephisto/ B = UBA-CC2007nr10, DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)
f0 =f(xSK=0,xSE=0)
Beispiel mit xSK = xSE =0.1
• Die Versorgung unter Einsatz von KWK-Anlagen ist der getrennten Versorgung mit Brennwertkessel und GuD meist knapp aber keineswegs grundsätzlich überlegen. • Es kommt nicht nur auf die Anlage sondern ganz erheblich auch auf die Betriebsweise an.
• Die KWK unterliegt deutlich im technischen Wettbewerb mit GuD-Kraftwerk und Wärmepumpe.
• Eine herausragende Subventionierung der KWK führt zu einem suboptimalen Ergebnis bei der Energie-Effizienz..
Fazit:
4.
KWK –
eine ökologische Sackgasse ?
4.
KWK und Kraftwerkserneuerung
Brennwert-
Kessel
GuD als KWK
Alternative
SpitzenKessel
KWK -Wärme
KWK -Strom
Spitzenstrom
in Restzeit NetzReserve
KWK - Option GuD - Option
VERSORGER
Netz Fazit:
KWK behindert BestandsErneuerung ?
4.1
Das „Sommer“ Dilemma der KWK im Gebäudewärmebereich
Es ist bekannt, dass • Hohe Investitionskosten eine hohe Jahres –Betriebszeit der KWK- Anlage erfordern • Die Wärmenachfrage im Gebäudebereich jedoch ungleichförmig ist.
Also muss die KWK- Anlage A) entweder nur einen mittleren Teil der Wärmenachfrage abdecken,
( Einsatz von Spitzenkessel ) B) oder einen großen Teil der Wärmenachfrage abdecken, und ihr
Geld mit Spitzenstrom verdienen.
Folge: 1. Bei zentraler Fernwärmeversorgung immer negativ für Energiebilanz. 2. Bei der dezentralen Stromerzeugenden Heizung mit Brennwertnutzung, bei der als Spitzenkessel ebenfalls ein Brennwertkessel eingesetzt wird,
A) führt der Spitzenkessel zu keinem Energiedefizit (immerhin !)
B) wirkt jede Spitzenstromerzeugung jedoch besonders negativ ( wg. des besonders niedrigen elektrischen Wirkungsgrades der SeH).
4.2
KWK behindert weitere Einsparungen im Gebäudewärmebereich
Bei Fernwärme (zentrale KWK)• Viele Kunden schließen sich an die Fernwärme an
ohne vorher ihr Gebäude thermisch zu sanieren ( u.a. auch Zeitdruck wg. Marketing Aktionen zum gleichzeitigem Anschluss)
• Hohe Investitionen in Wärmebereitstellung blockieren jedoch Motivation und Wirtschaftlichkeit weiterer Sparmaßnahmen (wg. der Fixkosten der Fernwärme, Auslastung der Netze, relativ günstiger Arbeitspreise)
Bei einer dezentralen KWK- Anlage gilt: 1. Verminderung des Wärmebedarfs schmälert die KWK- Scheibe:
Die Amortisation müsste mit Spitzenstrom verdient werden. ( Verlust der KWK-Zuschläge - oder Trickserei erforderlich)
2. Thermische Sanierung bringt kaum Erlöse , da Wärmebedarf oft durch kostenlose Abwärme gedeckt werden könnte.
4.3
Es werden oft zugunsten der KWK:
U1: die brutalen Fehler des KWK-Mythos gemacht: (nur „Brennstoffausnutzung“ bewertet; Vergleich „alter KoKW“ mit „neuer Erdgas-KWK“ , „reine Abwärmenutzung“ ohne Wirkungsgradeinbuße )
U2 : Beitrag des Spitzenkessels ausgeklammert,
U3 : nur die Stromerzeugung im „KWK- Betrieb“ betrachtet („Paradefall“),
U4: Unrealistische (manipulierte) Vergleichswerte der getrennten Erzeugung benutzt (sogar gesetzlich vorgeschrieben wg. EU 2007/74/EG )
U5: Bei WP Strombezug aus dem deutschen Strommix unterstellt, statt im Systemvergleich aus modernem Gas- Kraftwerk (GuD).
Andererseits werden manchmal (im Prinzip ok aber verkomplizierend):
U6: Umfangreiche Nebeneffekte berücksichtigt (Verluste im Stromnetz, Bonus für Verbraucher nahe Stromerzeugung Pumpstrom und Wärmeverluste in Fernwärmeleitung, Unterschiede im Aufwand für Gastransport zum zentralen oder dezentralen Verbraucher, etc.)
Warum die KWK meist besser erscheint als sie tatsächlich ist.
4.4
Bei Wärmepumpen wird mit dem Strombezug aus dem deutschen Strommix gerechnet. Im Systemvergleich mit moderner Erdgas – KWK muss man aber den
Strombezug aus einem Erdgas GuD - Kraftwerk zugrunde legen.
Begründung: 1. Bei einer neuen Erdgas-KWK-Anlage wird sowohl der Strom als auch die Wärme aus einer neu errichteten Anlage und aus Erdgas erzeugt. Zu einem korrekten Systemvergleich mit einer getrennten Erzeugung muss daher ebenfalls von modernen Erdgasanlagen ausgegangen werden.
2. Diese bereits in der EU-Richtlinie 2004/8/EG für den Fall von Kraftwerk und dezen- tralem Kessel festgelegte Vorgehensweise muss sinngemäß auch auf die Stromversorgung von dezentralen Wärmepumpen angewendet werden.
3. Würde man die WP im Systemvergleich mit dem Strom-Mix speisen, so würde man für die Energieversorgung der Wärmepumpe ja letztendlich nicht Erdgas sondern den BrennstoffMix der deutschen Stromerzeugung einsetzen.
4 Im Übrigen werden bei der beabsichtigten Verlagerung von Erdgas aus der dezen- tralen Wärmeerzeugung in die Stromerzeugung ja auch tatsächlich neue GuD-Anlagen gebaut werden, falls KWK-Anlagen in geringerem Umfang zum Zuge kommen.
(U5) : Ein wichtiges Argument in voller Länge
5.
Vorschläge
Erdgas für Strom und Wärme optimal einsetzen
5.
Eingesparte Energie als Maß für den Zuschuss
Entweder liegen die Voraussetzungen des KWK - Gesetzes vor, dann erfolgt eine volle Förderung für jede kWh die in dieser Scheibe als „KWK- Strom“ erzeugt wird, oder aber es erfolgt überhaupt keine Förderung .
Bisher: „voll oder gar nicht“ Prinzip
Vorschlag: linearer Erlös für Einsparenergie
bei jährlicher Abrechnung.
Einsparenergie = Q0V – Q0
= Q0V * (1- f )
mit
f = Q0/ Q0V = (el
V / GUD + thV / K ) [(4)]
Subvention = p * Einsparenergie
Versorger:
Spitzenkessel:
Wärme
Strom
KWK
im Spitzenstrom- Betrieb
KWK-Anlage :
im KWK-Betrieb
xSK
xKWK
Q0V
Erdgas
xSE
elV
thV
Q0V
auch auf WP übertragbar
5.1
p kann CO2 Faktor enthalten
1. Direkten Erdgaseinsatz in Gebäuden zurückdrängen durch:
(1.1) Thermische Sanierung der Gebäudehülle
(1.2) Auslegung der Wärmeübertrager auf kleine Temperaturdifferenzen,
(1.3) Wärmepumpen
(1.4) Thermische Sonnenenergie für WW im Sommer und zur Heizungsunterstützung im Winter.
Skizze zu einem Gesamtkonzept des Einsatzes von Erdgas
2. Erdgaseinsatz ausweiten durch GuD- Anlagen , welche: (2.1) indirekt über Wärmepumpen auch Wärmeversorgung übernehmen (2.2) auch bedarfsgerecht KWK - Fernwärme bereitstellen (2.3) alte CO2- ineffiziente Kraftwerke verdrängen.
3. Erdgas zur dezentralen KWK nur einsetzen bei:,
voller Ausnutzung des Brennwerteffektes und garantierter Beschränkung auf streng wärmegeführten Betrieb. Dann kann die dezentrale KWK einen auch elektrizitätswirtschaftlich sinnvollen Beitrag zur Abdeckung der saisonalen Leistungsspitze durch den vermehrten Einsatz von Wärmepumpen leisten.
5.2
• KWK in manchen Bereichen durchaus vernünftig, aber KWK Mythos hat Politik und Öffentlichkeit hereingelegt.
•
Alternative:
• Gesamtlösung mit thermischer Sanierung, Sonnenenergie, neue GuD und WP, KWK
• In der breiten Anwendung: nicht die Technologie sondern das Ergebnis fördern •
• Bemessung der Subvention: Linearer Tarif für Einsparenergie ( für KWK; auch für WP; CO2 -Faktor einbeziehbar )
Also:
Ziel: Kaum noch Exergie für‘s Heizen einsetzen
Anhang für Diskussion
weiteres Rohmaterial für DPG2010
Anhang 1. Strom-und Heizwärme -Erzeuger
1. Strom und Heizwärme- Erzeuger(gekoppelt und getrennt)
Begin: Einschub: 1 KWK Anlagen und GuD
UrBildQuelle: http://www.bhkw-infozentrum.de/erlaeuter/kwkprinzip.html
Prinzip: Block-Heizkraftwerk (BHKW)
Wärmeabgabe an Kühlwasser und Abgas erfolgt auf hohem Temperaturniveau. Das ist schlecht für den Wirkungsgrad. Aber man kann die Abwärme noch direkt weiter verwerten
el = 34 %
gesamt = 90 %
Einschub: 1.1
Anlagenschema des Dampfkraftprozesses
Quelle: E. Hahne: „Technische Thermodynamik“, 3.A.,Oldenbourg Verlag München 2000, ISBN=3-486-25397-2, Bild 5.21, p. 258
1.2 Dampfkraftwerk und Clausius-Rankine Vergleichsprozess
Einfacher Dampfkraftwerksprozess
H.D. Baehr, S. Kabelac: Thermodynamik, Grundlagen und techn. Anwendungen, Springer, 2006
Idealisierter Vergleichsprozess (Clausius- Rankine)
Schraffierter Bereich: gewinnbare Nutzarbeit Also:
Wärmeauskopplung bei T > Tu vermindert die Nutzarbeit
GUD –Kraftwerk
Gasturbine mit anschließendem Dampf Kraftprozeß
Begin: Einschub: 1.4
GUD –Kraftwerk:: Gas- Dampf- Kraftprozeß
BildQuelle: E. Hahne: „Technische Thermodynamik“, 3.A.,Oldenbourg Verlag München 2000, ISBN=3-486-25397-2, Bild 8.10, p.386
ca. 650 °C
Quelle: http://www.kraftwerk-irsching.com/pages/ekw_de/Neubau/Bauvorhaben/index.htm
Beispiel: GUD - Irsching
Moderne GUD werden el = 60% erreichen
End: Einschub: 1.4
End: Einschub: 1 KWK Anlagen und GuD
Anhang 2. Wichtige Grundeigenschaften
2. Wichtige Grundeigenschaften und ihre Folgen: zentrale – dezentrale KWK Wärmegeführter – Stromgeführter Betrieb
Kraft-Wärme-Kopplung ist die gleichzeitige Umwandlung von eingesetzter Energie
in elektrische Energie und in Nutzwärme in einer ortsfesten technischen Anlage. (KWKModG2009, §3 Absatz (1),Satz1
2.
„Zentrale “ und „Dezentrale“ KWK
Eine KWK-Anlage nennen wir .
„dezentral“ (im Sinne von „lokal“) nur dann, wenn die Wärme direkt am Erzeugungsort in die Heizungsanlage eingespeist wird . „zentral“, wenn die produzierte Wärme über Fernwärmeleitungen abgegeben werden muss.
Dann lassen sich die folgenden Eigenschaften zuordnen:
2.1
Einige Vorteile einer dezentralen KWK
Niedrige Vorlauftemperaturen erreichbar, wenn das Gebäude thermisch saniert ist und die Heizkörper großzügig ausgelegt (z.B. Flächenheizungen)
Individuelle Anpassung der Vorlauftemperatur schöpft exergetisches Einsparpotential aus.
Rücklauftemperaturen so niedrig, dass eine Abgaskondensation möglich wird.
Wärmenutzung wie bei einem Brennwertkessel erreichbar. Dezentrale Stromeinspeisung vermeidet Netzverluste
Die Strom erzeugende Heizung (SeH) ist z.B. eine wirklich dezentrale KWK.
Aber: schlechtere elektrische Wirkungsgrade
Einige Nachteile einer zentralen KWK
Hohe Vorlauftemperatur notwendig (Exergieverlust!)
„Geleitzugprinzip“: In einem Fernwärmenetz bestimmt der Verbrau-
cher mit den höchsten Ansprüchen die Temperatur.
Weiterhin muss berücksichtigt werden: Warmwasserversorgung jederzeit sicherstellen Temperaturdifferenzen an den Wärmetauschern Abkühlung bis zum letzten Verbraucher Keine niedrige Rücklauftemperatur möglich also: keine Brennwertnutzung möglich.
Zusätzlicher betrieblicher Aufwand für Pumpen und Leitungsverluste Erhebliche Investitionen in den Bau des Fernwärmenetzes, zumal die Gebiete mit hoher Wärmebedarfsdichte meist schon ausgebaut sind.
a
Aber: Große Anlagen haben bessere elektrische Wirkungsgrade.
„Wärmegeführter “ und „Stromgeführter“ Betrieb
Wärmegeführter Betrieb (der Öko - Fall). Ein Betreiber einer KWK –Anlage kann seine Anlage nach Maßgabe der Wärmenachfrage in Kraft-Wärme Kopplung betreiben.
Stromgeführter Betrieb (die große Versuchung). Ein Betreiber einer KWK –Anlage kann seine Anlage nach Maßgabe der Stromnachfrage fahren, selbst wenn er nur einen Teil der produzierten Wärme oder sogar überhaupt keine Wärme als Nutzwärme abgeben kann. KWK- Anlage muss also nicht im KWK-Betrieb gefahren werden! aber : Schlechter elektrischer Wirkungsgrad beim Spitzenstrom aus KWK-Anlagen
Spitzenwärme. Ein Betreiber einer KWK –Anlage muss zur Abdeckung seiner Wärmedeckungspflicht manchmal einen Spitzenkessel zuschalten.aber : Schlechter thermischer Wirkungsgrad beim Spitzenkessel für die Fernwärme
2.2
Anhang 3. vollständiger Brennstoffvergleich
Wärme = Q0
V * [ xKWK*ηthKWK+ xSK*ηSK ]
Strom = Q0
V * [ xKWK*ηelKWK +xSE*ηSE]
Elektrischer Wirkungsgrad :
elV = Strom / Q0
V
Versorger:
Spitzenkessel:
Wärme
Strom
im Spitzenstrom-
Betrieb
KWK-Anlage :
im KWK-Betrieb
xSK
xKWK
Q0V
Erdgas
xSE
xSK*ηSK
xKWK*ηthKWK
xKWK*ηelKWK
xSE*ηSE
Endenergie und PE-Aufwand des Versorgers:
Thermischer Wirkungsgrad :
thV = Wärme / Q0
V
xKWK + xSE + xSK = 1
GesamteBrennstoffausnutzung:
gesamtV = el
V + thV
thV
elV
Zitat aus AKE2008H:
Vollständiger Brennstoffvergleich Für die Gesamt- Nutzenergie eines Versorgers ( freie KWK, Spitzenkessel) gilt:
gesamtV * Q0
V = ( elV + th
V ) *Q0V (1)
mit: Q0V = Gesamter PE des Versorgers (KWK, SpitzenKessel +SpitzenStrom)
Betrachte eine detaillierte Gleichheit der Nutzenergien bei der getrennten Erzeugung:
für GUD- Strom: GUD QGUD = elV *Q0
V (2a)
für Kessel -Nutzwärme : K QK = thV * Q0
V (2b)
Q0 = gesamte Primärenergie (PE) der getrennten Erzeugung:
Q0 = QGUD + QK (3)
Faktor für den PE- Aufwand bei der getrennten Erzeugung:
f = Q0/ Q0V = (el
V / GUD + thV / K ) (4)
Bezeichnungen:
thKWK = Wärmewirkungsgrad der KWK-Erzeugung, definiert als jährliche
Nutzwärmeerzeugung im Verhältnis zum Brennstoff, der für die Erzeugung der Summe von KWK-Nutzwärmeleistung und KWK- Stromerzeugung eingesetzt wurde.
K = Wirkungsgrad-Referenzwert für die getrennte Wärmeerzeugung.
(z.B. im Brennwertkessel, Bezug auf Hu= unterer Heizwert)
elKWK = elektrischer Wirkungsgrad der KWK, definiert als jährlicher KWK-
Strom im Verhältnis zum Brennstoff, der für die Erzeugung der Summe von KWK- Nutzwärmeleistung und KWK- Stromerzeugung eingesetzt wurde.
GUD = Wirkungsgrad-Referenzwert für die getrennte Stromerzeugung
( z.B. in einem zentralen GUD –Kraftwerk)
gesamtKWK = th
KWK + elKWK = Gesamt-Nutzungsgrad der KWK
Q0
KWK = Primärenergieeinsatz (PE) in der KWK-Anlage QGUD und QK = PE im GUD – Kraftwerk und im HeizKessel Q0 = QGUD + QK = gesamter PE der getrennten Erzeugung
f = Q0/ Q0KWK = Faktor für den Primärenergie - Mehrverbrauch durch
getrennte Erzeugung von Strom und Wärme.
Bezeichnungen:
thV = Wärmewirkungsgrad der Strom- und Wärme-Erzeugung des Versorgers,
´ definiert als gesamte jährliche Nutzwärmeerzeugung im Verhältnis zum Brennstoff, der für die Erzeugung von Wärme und von Strom insgesamt (also: für KWK, für SE und für SK) beim Versorger eingesetzt wurde.
K = Wirkungsgrad-Referenzwert für die getrennte Wärmeerzeugung.
(z.B. im Brennwertkessel, Bezug auf Hu= unterer Heizwert)
elV = elektrischer Wirkungsgrad der Strom- und Wärme-Erzeugung des Versor-
gers, definiert als gesamte jährliche Stromerzeugung im Verhältnis zum Brennstoff, der für die Erzeugung von Wärme und Strom insgesamt beim Versorger eingesetzt wurde.
GUD = Wirkungsgrad-Referenzwert für die getrennte Stromerzeugung
( z.B. in einem zentralen GUD –Kraftwerk)
gesamtV = th
V + elV = Gesamt-Nutzungsgrad des Versorgers
Q0V = Primärenergieeinsatz (PE) des Versorgers
QGUD und QK = PE im GUD – Kraftwerk und im HeizKessel Q0 = QGUD + QK = gesamter PE der getrennten Erzeugung
f = Q0/ Q0V = Faktor für den Primärenergie - Mehrverbrauch durch
getrennte Erzeugung von Strom und Wärme.
Der Versorger setzt KWK, Spitzenstrom (SE) und SpitzenKessel (SK) ein.
Gl.(4) wird anschaulicher, wenn wir den Versorger beschreiben mit:
gesamtV = Gesamtnutzungsfaktor des Versorgers, und
elV = elektrischer Wirkungsgrad des Versorgers
Der PE- Faktor f = Q0/ Q0V für den PE- Aufwand:
f = gesamtV /K + el
V * { 1/ GUD - 1/ K } (4a)
ist eine lineare Funktion von elV .
Für den Paradefall (xKWK = 1) gilt:
f(0,0)= ηgesamtKWK/K + ηel
KWK * {1/ GUD - 1/ K } (4b)
(also xSK =xSE= 0)
Der PE-Faktor Gl.(4a) lässt sich umschreiben als Funktion von xSK und xSE :
f(xSK, xSE) = f(0,0) + mSK * xSK + mSE * xSE (4c)
mit : mSK = - [ f(0,0) - SK / K ] mSE = - [ f(0,0) - SE / GUD ] und f(0,0) = ηgesamt
KWK/K + ηelKWK* { 1/ GUD - 1/ K } [ (4b)]
Der Einfluss von Spitzenkessel und Spitzenstrom
f(1,0)
f(0,0)_
1.0xSK0
_SK/ K
f1. Randfall: xSE = 0
1.0xSE0
_SE/ GuD
f(0,0)_
f(0,1)
f2. Randfall: xSK = 0
Veranschaulichung von Gl.(4c) durch ihre beiden Randfälle:
Anhang 4. Ergebnisse des Vergleichs (Tabellen)
4. Ergebnisse:
Vergleich KWK mit getrennter Erzeugung
4.
4.1 Vergleich KWK mit { GUD + Brennwertkessel}
4.2 Vergleich KWK mit { GUD + Wärmepumpe (WP)}
Faktor für Energieaufwand bei getrennter Erzeugung
0,80
0,90
1,00
1,10
0,00 0,10 0,20 0,30
Anteil Spitzenwärme: x_SK
f
x_SE =0x_SE =0,1x_SE =0,2x_SE =0,3
Faktor f für den Mehraufwand bei getrennter Erzeugung
durch ein GuD Kraftwerk mit GUD = 0.585
und einen Brennwertkessel mit K = 1.05
Beispiel: BHWK mit elektrischer Leistung von 1MW
Grunddaten siehe Bild 9: BHKW_1MW
4.1
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
1 2 3 4 6 7 8 9 10 11
Strom /Wärme Erzeuger eta_el eta_ges eta_th f(0,0)
inputDaten-Quelle eta_SE m_SE eta_SK m_SK
GuD 0,585 0,585 0 0 IER-Voss2009 0,585
GegenP_200MW 0,460 0,90 0,440 1,21 IER-Voss2009 0,46 -0,42 0,90 -0,35
GuD_100MW 0,445 0,89 0,445 1,18 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)?? #WERT! 0,90 -0,33
BHKW_1MW 0,390 0,89 0,500 1,14 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)0,390 -0,48 0,90 -0,29
Mephisto_20kW 0,315 1,05 0,735 1,24 Mephisto 0,315 -0,70 1,05 -0,24
GuD_24MW 0,363 0,86 0,497 1,09 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)?? #WERT! 0,90 -0,24
GT_10MW 0,311 0,83 0,519 1,03 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)0,311 -0,49 0,90 -0,17
BHKW_50kW 0,293 0,88 0,587 1,06 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)0,293 -0,56 0,90 -0,20
Mikro_9kW 0,243 0,98 0,737 1,12 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)0,243 -0,70 0,98 -0,18
Mikro_3kW 0,157 0,94 0,783 1,01 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)0,157 -0,75 0,94 -0,12
Mikro_0.8kW 0,104 0,90 0,796 0,94 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)0,104 -0,76 0,90 -0,08
BrenwertKessel 0 1,05 1,05 0 1,05Standardkessel 0 0,900 0 0,90
KWK -Anlage im gekoppelten Betrieb und im Spitzenlastbetrieb
gekoppelter Betrieb ungekoppelte Spitze
Referenz: GUD- Kraftwerken mit GUD = 0.585 und Brennwertkesseln mit K = 1.05
Der „Paradefall“ xSK= xSE=0 wird durch f(0,0) beschrieben,
die Steigung mSK gibt die Empfindlichkeit von f gegenüber xSK, und
die Steigung mSE gibt die Empfindlichkeit von f gegenüber xSE an.
Speicher: KWK_Vergleich_Hifsdateien.xls!“3Paras“
f(xSK, xSE) = f(0,0) + mSK * xSK + mSE * xSE (4c)
Parameter für f(xSK, xSE), den Mehraufwand für getrennte Erzeugung
{ xSK ; xSE } = PE – Anteil für { Spitzenkessel ; Spitzenstrom }
16
17
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19
20
21
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29
30
31
1 2 3 4 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Brenn- stoffaus- nutzung
PE-Faktor getrennte
Erzeugung
Strom /Wärme Erzeuger eta_el eta_ges eta_th x_KWK
InputDaten-Quelle f(0,0) eta_SE x_SE eta_SK x_SK eps_el eps_th eps_ges f
GuD 0,585 0,585 0 0 IER-Voss2009 0,585 1 0 0 0,585 0 0,585
GegenP200M 0,460 0,90 0,440 0,80 IER-Voss20091,21 0,46 0,10 0,90 0,10 0,414 0,44 0,86 1,13GuD Erdgas, 100 MWel 0,445 0,89 0,445 0,80 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)1,18 ? 0,10 0,90 0,10 ###### 0,45 #WERT! #WERT!
BHKW_1M 0,390 0,89 0,500 0,80 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)1,14 0,390 0,10 0,90 0,10 0,351 0,49 0,84 1,07Mephisto_20k 0,315 1,05 0,735 0,80 Mephisto 1,24 0,315 0,10 1,05 0,10 0,284 0,69 0,98 1,14GuD24M 0,363 0,86 0,497 0,80 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)1,09 ?? 0,10 0,90 0,10 ###### 0,49 #WERT! #WERT!
GT_10M 0,311 0,83 0,519 0,80 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)1,03 0,311 0,10 0,90 0,10 0,280 0,51 0,79 0,96BHKW_50k 0,293 0,88 0,587 0,80 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)1,06 0,293 0,10 0,90 0,10 0,264 0,56 0,82 0,98Mikro_9k 0,243 0,98 0,737 0,80 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)1,12 0,243 0,10 0,98 0,10 0,219 0,69 0,91 1,03Mikro_3k 0,157 0,94 0,783 0,80 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)1,01 0,157 0,10 0,94 0,10 0,141 0,72 0,86 0,93Mikro_0.8k 0,104 0,90 0,796 0,80 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)0,94 0,104 0,10 0,90 0,10 0,093 0,73 0,82 0,85BrenwertKessel 0 1,05 1,05 0 0 0 1,05 1 0 1,05 1,05Standardkessel 0 0,900 0 0 0 0,90 1 0 0,9 0,9
Gesamter Versorger
Gl.(5a,b)
KWK -Anlage im gekoppelten Betrieb und im Spitzenlastbetrieb
ungekoppelte Spitzegekoppelter Betrieb
Der thermische Wirkungsgrad der SpitzenWärmeerzeugung wurde für die Fernwärmeanlagen auf eta_SK= 0.90 gesetzt,
bei den Mikro KWK-Anlagen wurde hierzu die angegebene Brennstoffausnutzung (eta_ges) übernommen.
Für den elektrische Wirkungsgrad der Spitzenstromerzeugung eta_SE wurde- sofern nicht anders angegeben- der elektrische Wirkungsgrad des KWK- Betriebes übernommen.
Speicher: KWK_Vergleich_Hifsdateien.xls!“Versorger“
10% Beispiel: f(xSK=0.1, xSE= 0.1)
f = Mehraufwand für getrennte Erzeugung mit GuD und BrennwertKessel
4.2
Betrachte die WP als einen „Superkessel“ mit einem - auf den GasEinsatz im GUD-Kraftwerk bezogenen -
thermischen Wirkungsgrad:
K_WP = JAZ * GUD
Mit : JAZ = Jahresarbeitszahl = gelieferte Wärme / eingesetzter Strom
GUD = eingesetzter Strom / eingesetzte Wärme im Kraftwerk
K_WP = JAZ * GUD
Zahlenwerte:
Speicher: KWK_Vergleich_mit_WP.xls!“eta_K_WP“
Zum Vergleich:
Brennwertkessel: eta_K = 1,1
Vergleich KWK mit: { GUD + Wärmepumpe }
Vergleich KWK-Anlagen mit {GuD + Wärmepumpe}
Der PE-Faktor der getrennten Erzeugung als Funktion von xSK und xSE :
f(xSK, xSE) = f(0,0) + mSK * xSK + mSE * xSE (4c)
Speicher: KWK_Vergleich_Hifsdateien.xls!“WP_3Paras“
Speicher: KWK_Vergleich_Hifsdateien.xls!“WP“
10% Beispiel: f(xSK=0.1, xSE= 0.1)
f = Mehraufwand für getrennte Erzeugung mit GuD und Wärmepumpe
neu: Strom und Wärme vom KWK - Versorger mit XSK= XSE= 0.1 (als ein Beispiel)
Erzeugung von Strom und Wärme
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40
Wärme : Kessel bzw . KWK-Versorger
Str
om
: G
uD
bzw
. Ve
rso
rge
r E_GuD E_GuDB2 B2B4 B4B5 B5B6 B6B7 B7B8 B8E_heff E10
GuD und Brennwertkessel
Hocheffizienz-Grenzen
Paradefall: kleine Symbole, Gesamter KWK-Versorger = Große Symbole
Gaseinsatz: Q = 1.0
XSK und XSE = 0.1
Anhang 5. Zusammenfassung
• KWK in vielen Bereichen durchaus vernünftig, aber KWK Mythos hat Politik und Öffentlichkeit hereingelegt.
weiterhin: • Vergleich muss Spitzenkessel und Spitzenstrom einbeziehen Keine Veranlassung für eine bevorzugte Förderung der KWK.
{GuD + Wärmepumpe} in der Regel sogar PE - effizienter.
• Dezentrale KWK nur sinnvoll bei Brennwertnutzung und streng wärmegeführtem Betrieb
• KWK darf nicht in eine ökologische Sackgasse führen
Vorschläge:
• Gesamtlösung mit thermischer Sanierung, WP, Sonnenenergie, neue GuD, KWK
• In der breiten Anwendung: nicht die Technologie sondern das Ergebnis fördern •
• Bemessung der Subvention: Linearer Tarif für Einsparenergie ( für KWK; auch für WP; CO2 -Faktor einbeziehbar )
Also:
Ziel: Kaum noch Exergie für‘s Heizen einsetzen
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