CO2-Emissionen und Energiekosten verschiedener …asue.de/sites/default/files/asue/termine_veranstaltungen/2010/... · ASUE-Fachtagung 26. – 27. Oktober 2010 Prof. Dr. Bernd Biffar

CO2-Emissionen und Energiekosten verschiedener Systeme der Kraft-Wrme-Klte-Kopplung

ASUE-Fachtagung 26. 27. Oktober 2010Prof. Dr. Bernd BiffarHochschule Kempten

Prof. Dr.-Ing. Bernd Biffar 2ASUE-Fachtagung 26.-27.10.2010

Inhalt

1. Einleitung2. Referenzsysteme3. CO2-Emissionen4. Energiekosten5. Zusammenfassung


1 Einleitung

Ausbau der Kraft-Wrme-Kopplung (KWK) kann Primrenergiebedarf BRD reduzieren Beitrag zur Reduzierung der CO2-Problematik leisten

Politik: Erhhung des KWK-Stromanteils auf 25 % bis 2020Kernthema: Wie kann Wrmenutzung KWK-Anlagen erhhtwerden, so dass fr Wirtschaftlichkeit ausreichendeVolllaststundenzahl und damit Ausbau KWK erreicht wird?Ansatzpunkt: Wrmeerzeugung von KWK-Anlagen wird zur Herstellung von

Klte mit Absorptionskltemaschinen verwendet => Kraft-Wrme-Klte-Kopplung (KWKK)

Wrme- und Kltebedarf sind saisonal gegenlufig, KWKK kann Auslastung KWK-Anlage erhhen


1 Einleitung

KWK-AnlageSpitzenlast-kessel

Brennstoff

Wrme

Strom

Klte-maschine

Klte

Prinzip der KWKK:


1 Einleitung

Berechnung und Vergleich der CO2-Emissionen Energiekostenvon KWKK-Anlagen und getrennter Versorgung mit Strom und Klte

=> Wie sinnvoll ist KWKK aus kologischer und konomischer Sicht?


1 Einleitung

Berechnungsparameter:Technik elektrischer Nutzungsgrad KWK-Anlage thermischer Nutzungsgrad KWK-Anlage Nutzungsgrad Kessel Emissionsfaktor Stromerzeugung COP Kltemaschinen (E-Turbo, ein- und zweistufiger

Absorber)Wirtschaftlichkeit Brennstoffpreis Strompreis

Vollstndige Parametervariation sehr

umfangreich => Definition typischer Referenzsysteme und Berechnung von zwei

Preisszenarien


2 Referenzsysteme

1. Blockheizkraftwerk mit einstufiger Absorptionskltemaschine (AKM)

BHKWSpitzenlast-kessel

Erdgas

Wrme

Strom

einstufige AKM Klte

el, BHKW 40 %

th, BHKW 45 %

Spitzenlastkessel 90 %

COPAKM 0,6


2 Referenzsysteme

2. Gasturbinenanlage mit einstufiger Absorptionskltemaschine

GasturbineSpitzenlast-kessel

Erdgas

Wrme

Strom

zweistufige AKM

Klte

el, GT 30 %

th, GT 50 %


COPAKM 0,6


2 Referenzsysteme

2. Gasturbinenanlage mit zweistufiger Absorptionskltemaschine

GasturbineSpitzenlast-kessel

Erdgas

Wrme

Strom

zweistufige AKM

Klte

el, GT 30 %

th, GT 50 %


COPAKM 1,1


2 Referenzsysteme

3. Getrennte Versorgung mit Kompressionskltemaschine

COPmige Kltemaschine = 3COPgute Kltemaschine = 5

Strombezug

Kompressions-kltemaschine

Klte


2,5 MWh Erdgas

3 CO2-Emissionen

1. KWKK mit BHKW und einstufiger AKM versus getrennte Versorgung

BHKW

1,13 MWh Wrme

einstufige AKM

495 kg CO2

1 MWhel

0,68 MWhKlteKKM

COP = 3

Strombezug 1,23 MWhel

0,23 MWhel

704 kg CO2


2,5 MWh Erdgas

3 CO2-Emissionen

1. KWKK mit BHKW und einstufiger AKM versus getrennte Versorgung

BHKW

1,13 MWh Wrme

einstufige AKM

495 kg CO2

1 MWhel

0,68 MWhKlteKKM

COP = 5


0,14 MWhel

653 kg CO2


3,3 MWh Erdgas

3 CO2-Emissionen

2. KWKK mit GT und einstufiger AKM versus getrennte Versorgung

GT

1,67 MWh Wrme

einstufige AKM

660 kg CO2

1 MWhel

1 MWhKlteKKM

COP = 3


0,33 MWhel

767 kg CO2


3,3 MWh Erdgas

3 CO2-Emissionen

2. KWKK mit GT und einstufiger AKM versus getrennte Versorgung

GT

1,67 MWh Wrme

einstufige AKM

660 kg CO2

1 MWhel

1 MWhKlteKKM

COP = 5


0,2 MWhel

690 kg CO2


3,3 MWh Erdgas

3 CO2-Emissionen

3. KWKK mit GT und zweistufiger AKM versus getrennte Versorgung

GT

1,67 MWh Wrme

zweistufige AKM

660 kg CO2

1 MWhel

1,83 MWhKlteKKM

COP = 3


0,61 MWhel

926 kg CO2


3,3 MWh Erdgas

3 CO2-Emissionen

3. KWKK mit GT und zweistufiger AKM versus getrennte Versorgung

GT

1,67 MWh Wrme

zweistufige AKM

660 kg CO2

1 MWhel

1,83 MWhKlteKKM

COP = 5


0,37 MWhel

786 kg CO2


3 CO2-Emissionen

Zusammenfassung der Berechnungsergebnisse:

System CO2-Emissionen KWKK COPKKMCO2-Emissionen

getrennte Versorgung3 704 kg

5 653 kg

3 767 kg

5 690 kg

3 926 kg

5 786 kgGT/zwei-

stufige AKM

GT/ein-stufige AKM

660 kg

BHKW/ein-stufige AKM 495 kg

KWKK reduziert CO2-Emissionen (???)


3 CO2-Emissionen

Berechnung enthlt Brennstoffeffekt: Erdgaseinsatz bei KWKK wirdverglichen mit Brennstoffmix Stromerzeugung BRD

=> Elimination Brennstoffeffekt

Verstromung des in KWK-Anlage eingesetzten Erdgases in GuD-Anlage

=> Emissionsfaktor Strombezug 400 g/kWhel statt 575 g/kWhel


3 CO2-Emissionen

Berechnungsergebnisse bei identischem Brennstoffeinsatz:

System CO2-Emissionen KWKK COPKKMCO2-Emissionen

getrennte Versorgung3 490 kg

5 454 kg

3 533 kg

5 480 kg

3 644 kg

5 547 kgGT/zwei-

stufige AKM

GT/ein-stufige AKM

660 kg

BHKW/ein-stufige AKM 495 kg

Identischen Brennstoffeinsatz vorausgesetzt, trgt KWKK bei den betrachteten Systemen nicht zur CO2-Einsparung bei


4 Energiekosten

Keine Vollkostenrechnung fr Anlagen, sondern Betrachtung von Energiekosten als wesentlichem Kostenparameter bestehenderAnlagen => Entscheidungsbasis fr AnlageneinsatzplanungPreisszenarien (Groabnehmer):

(a) inkl. EEG-/KWK-Umlage, Stromsteuer(b) ohne kosteuer (Annahme: vollstndige Rckerstattung fr KWK)

Szenario Strompreis(a) in c/kWhel Gaspreis(b) in c/kWhHo

1 11,0 3,5

2 8,5 2,0


4 Energiekosten

Grenzfallbetrachtung Anlagenbetreiber: Mit Brennstoffeinsatz wirdStromeinkauf vermieden, Wrmeabsatz muss mindestens Differenzzwischen Brennstoff- und Strombezugskosten erbringen => minimaler Wrmepreisminimaler Wrmepreis < 0 => KWK-Anlage ist schon durchStromerzeugung wirtschaftlich, zustzlicher Wrmeabsatz durchKlteerzeugung in KWKK verbessert Wirtschaftlichkeit

BHKW GTPreisszenario

1 2 1 2Stromkosten in c/kWhel 11,0 8,5 11,0 8,5

Brennstoffkosten fr Erzeugung 1 kWhelin c 9,6 5,5 12,8 7,3

Minimaler Wrmepreis in c/kWhth < 0 < 0 1,1 < 0


4 Energiekosten

minimaler Wrmepreis < 0 mit einer Ausnahme: 1,1 c/kWhth frKWKK mit Gasturbinenanlage und Preisszenario 1, darausresultiert Preis Klteerzeugung mit einstufiger AKM: 18 /MWhKlte Preis Klteerzeugung mit zweistufiger AKM: 10 /MWhKlte

Preis fr Klte, die aus bezogenem Strom erzeugt wird bei COP = 3: 37 /MWhKlte bei COP = 5: 22 /MWhKlte

=> In allen betrachteten Szenarien sind die Energiekosten frKlteerzeugung in KWKK geringer als fr Strombezug und

Klteerzeugung mit KKM(nicht pauschal verallgemeinerbar!)


5 Zusammenfassung

Klteerzeugung aus Wrme kann durch Erhhung des Wrmeabsatzes von KWK-Anlagen deren Zubau ermglichenCO2-Emissionen der KWKK Verwendung Emissionsfaktor Strommix BRD => Reduzierung

der globalen CO2-Emissionen, beinhaltet Brennstoffeffekt Systemvergleich mit identischem Brennstoff Erdgas =>

Erhhung der globalen CO2-Emissionen Energiekosten Bei betrachteten Preisszenarien ist KWKK wirtschaftlich, sie

kann abhngig von aktueller Preissituation auchunwirtschaftlich sein => kontinuierliche Analyse derBetriebskosten erforderlich

Berechnungen beinhalten nur EnergiekostenAnlageneinsatzoptimierung => fr Investitionsentscheidungmssen Kapitalkosten bercksichtigt werden


CO2

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CO2-Emissionen und Energiekosten verschiedener Systeme der Kraft-Wrme-Klte-KopplungInhalt1 Einleitung1 Einleitung1 Einleitung1 Einleitung2 Referenzsysteme2 Referenzsysteme2 Referenzsysteme2 Referenzsysteme3 CO2-Emissionen3 CO2-Emissionen3 CO2-Emissionen3 CO2-Emissionen3 CO2-Emissionen3 CO2-Emissionen3 CO2-Emissionen3 CO2-Emissionen3 CO2-Emissionen4 Energiekosten4 Energiekosten4 Energiekosten5 Zusammenfassung

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