Dezentrale Netzwerke der Energieversorgung & KWK 27.6.2007rcstuuwi/urv/ss07/linked/dezNetz.pdf · Wind power Solar thermal electricity PV With St. No St ... M ik roTub ne ... (MTU

UMWELTRINGVORLESUNG

Linked – Netzwerke in unserer Umwelt

Dezentrale Netzwerke in der Energieversorgung

unter besonderer Berücksichtigung der

Kraft-Wärme-Kopplung

Dipl.-Ing. Steffen Robbi

Technische Universität Dresden, Institut für Energietechnik

27.06.2007 1UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt

ÜBERSICHT

Energiebedarf

Dezentrale Stromerzeugung durch Regenerative Energien

Überregionale Energieversorgungsstrukturen

Regionale, dezentrale Energieversorgungsstrukturen

Koppelproduktion von Strom- und Wärme/ Kälte

Erneuerbare Energiequellen für thermische Umwandlungsprozesse


VERBRAUCH AN PRIMÄRENERGIE &ELEKTRIZITÄT (2004)

0 2 4 6 8 10

Germany

Argentina

Armenia

JordanChina

Syria

Mauritius

Mongolia

GeorgiaIndonesia

Philippines

India

VietnamZambia

Yemen

Nigeria

Togo

BangladesLesotho

Tanzania

Uganda

World

Total Primary Energy Consumption

Total Net Electricity Consumption

10 20 30 40 50

energy comsumption per capita [MWh]

5 Lampen(40 W)brennen5.000 h

Energie-gehalt

von ≈ 100 lBenzin

Quelle: www.eia.doe.gov


PRIMÄRENERGIEVERBRAUCH IN DEUTSCHLAND

Quelle : BMWi, Energiebericht 2001

StromerzeugungUnd Fernwärme(35,6%)

Gebäudeheitzung und andere(28,5%)

Verkehr(19,2%)

IndustrielleProzesse(16,7%)

Primärenergieverbrauch nach Energieträger und Nutzung (2000)


21.8%

1.8%

11.2%

3.1%

32.8%

1.7%

28%

STROMERZEUGUNG NACH ENERGIETRÄGERN(DEUTSCHLAND, 2006)

Quelle: BMWT, 2006

Steinkohle

Braunkohle

MineralÖl

AndereFestbrennstoffe

Erdgas

Wasser /Wind

Kernkraft

Ersatz bis 2025 ?


ZUKÜNFTIGER TREND DERSTROMERZEUGUNGSKAPAZITÄTEN

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

700,0

2000 2010 2020 2030

gro

ss p

ow

er

gen

era

tio

n [

TM

h]

AndereWasser

WindKernkraft

Braunkohle

Steinkohle

Erdgas

Quelle: BMWA, 2005


ÜBERSICHT

Energiebedarf







BEISPIEL: WIND TURBINEN(NORDEX N-SERIE: 0.6 .. 2.5 MWel)

Bildquelle: VGB,Stromerzeugung, 2003


POTENTIALE ERNEUERBARER ENERGIEN:WIND TURBINEN – INLAND

Erreichbare Vollaststunden regelbarer Windturbinen – Inland(Turmhöhe: 80 m)

Quelle: ISET e.V., Universität Kassel, Dipl.-Phys. G. Czisch


POTENTIALE ERNEUERBARER ENERGIEN:WIND TURBINEN – KÜSTENNAH

Erreichbare Vollaststunden regelbarer Windturbinen – Offshore(Turmhöhe: 80 m)



ZUKUNFTSENERGIESZENARIO„100% ERNEUERBARE ENERGIE“

These:

Die nutzbare

erneuerbare Energieauf der Erde übersteigt

den weltweitenEnergieverbrauch um

ein Vielfaches

Quelle: Bund der Energieverbraucher


POTENTIALE ERNEUERBARER ENERGIEN:GEOTHERMIE


Bohrungstiefe für DT = 170 K relativ zur Erdoberfläche(ohne Gebiete tiefer als 8.000 m und mit Entfernungen > 300 km bis zurnächsten Messstelle)

POTENTIALE ERNEUERBARER ENERGIEN:GEOTHERMIE



BEISPIEL: PHOTOVOLTAIK SYSTEME("SOLAR-STADT" FREIBURG & PV-PPLT ESPENHAIN)


POTENTIALE ERNEUERBARER ENERGIEN:PHOTOVOLTAIK

Durchschnittliche jährliche Energiemenge ungeführter PV-Module,hel,max = 14% (Messdaten von: 1983-1992)



POTENTIALE ERNEUERBARER ENERGIEN:SOLARTHERMIE


Wärmemenge eines Solarfeldes für SEGS (Solar Thermal Power Plants)

POTENTIALE ERNEUERBARER ENERGIEN:SOLARTHERMIE



Probleme:

Energietransport

• Örtliches Vorkommen entspricht nicht dem Bedarf

Energiespeicherung

• Zeitlicher Anfall entspricht nicht dem Bedarf



STROMERZEUGUNGSKAPAZITÄTEN UNDVERTEILUNGSNETZWERK DEUTSCHLAND

Stromverteilung zur Maximallast [GW] in 2002:

Bildquelle: VDN, Jahresbericht 2002

Das deutscheHochspannungsnetz:

Bildquelle : VDN, Jahresbericht 2003


UNGLEICHGEWICHT DER WINDLAST

15.12.2005

Bildquelle: VDN-Jahresbericht 2003

Gesicherte Leistung installierter Kapazitäten

2003 1094 MW - 7,5% (14,5 GW Ges.)

2007 1421 MW – 6,3% (22,4 GW Ges.)

2010 1837 MW – 6,1% (29,8 GW Ges.)

2015 2061 MW – 5,7% (36,0 GW Ges.)


Theoretische Lösungen:

Interkontinentales Stromverteilungsnetz

Die „Wasserstoff-Wirtschaft"



AUSGLEICHSEFFEKTE BEI WEITFLÄCHIGERNUTZUNG, Bsp. WIND-ENERGIE



Wind power

Solar thermal electricity

PV

With St. No St. With St. _ FK

EC ECK L DK EC ECK EC ECK EC ECK EK EC ECK L EK

[!ct/kWh] [%] [km]

[!ct/kWh]

[km] [!ct/kWh] [%] [km]

Algeria &

Morocco

42 49 8.6 3100

Iberian Penins ula

13.9 14.2 9.3 3000

Kazakhstan 3.9 5.6 10 4300

Mauritania 3.3 5.0 10.5 4900 7.2 9.4 9.1 11.2 4.8 6.5 5300 37 46 14 5600

N-Russia &

NW-Siberia

3.2 4.6 10.5 4200

S-Morocco 2.9 4.4 10.5 4400 7.5 9.4 9.3 11.1 5.0 6.5 4400

STROMENTSTEHUNGS- UND TRANSPORTKOSTEN

Tab. 3 Anticipated local average costs of electricity (EC) and at arbitrary delivery point Kassel (ECK)for electricity generation from: a) land-based wind turbines, b) solar thermal electricity productionwith heat storage for 14 FLH (With St.), c) as b), but at half the current costs for the solar mirrorfield (With St. ½ FC), d) as b), but without storage (No St.) and e) PV. The transmission losses (L)include consideration of grid load variations with time due to changing infeed and the transmissiondistance to Kassel (DK) together with converter losses for the conversion from AC to HVDC.



WASSERSTOFF WIRTSCHAFT

Warum Wasserstoff ?

Erneuerbar

Minimaler Einfluss auf die Umwelt

Guter Energieträger ?

Schlüsselglied zwischen Elektroenergie aus erneuerbaren

Quellen und chemischer Energie (Transport und Speicherung)


ENERGIEUMWANDLUNGSSCHRITTE &TRANSPORTKETTEN

„H2-Wirtschaft“:

„e--Wirtschaft “:

DC H2 DC

H2-Storage

ACElektrolyse FC

Direkte Verbrennung von H2

DC e- DC ACHVDC

PEreg AC

Euse

konventionelle Stromverteilung

PEreg AC

Euse

konventionelle Stromverteilung

conv. E-Storage


UMWANDLUNGS- & TRANSPORT VERLUSTE

Bildquelle: Bossel, U.: The Hydrogen Illusion, In: Cogeneration & Onsite Power Production, Ausg. März-April 2004

70%

90%85% Reformation 90%

Stacks 50%


SCHLUSSFOLGERUNG ÜBERREGIONALEENERGIEVERTEILUNG

Die technischen Möglichkeiten zur Erzeugung und Verteilung erneuerbarerEnergien sind weitestgehend vorhanden und nutzbar.

Die abschätzbaren Mehrkosten für eine regenerative Versorgung sindtragbar und vertretbar gegenüber den Konsequenzen einer klimatischenVeränderung.

Das Problem ein weltweites Energiewandlungs- und verteilungssystem zuschaffen, ist kaum technischer noch finanzieller Natur, sondernhauptsächlich bedingt durch geopolitische Interessen und Prioritäten.


ÜBERSICHT

Energiebedarf







DEZENTRALE ENERGIEVERSORGUNG

Allgemeine Definition als Energieerzeugung am Ort des Bedarfs.

Jedoch noch keine abgestimmten Definitionen.

CIGRE (International Council on Large Electric Systems) definiert:

• Nicht zentral vom Versorger geplant

• Keine zentrale Verteilung

• Normalerweise kleiner als 50..100 MWel

• Gewöhnlich verbunden mit einem Verteilungssystem


STRUKTUR KONVENTIONELLERENERGIEVERSORGUNG

ELEKTRIZITÄT HEIZUNG KÜHLUNG

Kraftwerk

BRENNSTOFF

AbwärmeVerteilungs-

netzVerluste

Kraftwerk

BRENNSTOFF


netzVerluste

Kompres-sionskälte

Abwärme

Verteil.netz;Transport

BRENNSTOFF

Verluste

Brenner

(Verluste)

ζ ≈ 0,36 ζ ≈ 0,7..0,9 ζ ≈ 0,65..0,9

NutzenergiePrimärenergie

ζ =⌠⌡t

dt


VORTEILE DEZENTRALER ENERGIEVERSORGUNG

Kürzere Transportwege

Reduzierter Energieverlust

Reduzierte Materialkosten

Höherer Anteil an erneuerbaren Energien

Bedarfsgerechte Ausdehnung des el. Stromnetzes

Hohe Flexibilität der genutzten Technologien

Bei Stromverkauf des Betreibers, hohe Rentabilität


TECHNOLOGIEN DEZENTRALE VERSORGUNG

Nicht verfügbar

5.000 .. 7.000 €

800 .. 1.000 €2.000 € (off shore)

Nicht verfügbar

4.500 .. 20.000 €

1.500 .. 2.000 €

1.000 .. 1.250 €

1.500 .. 2.500 €

SPEZIFISCHEINVEST.KOSTEN

PRO kWel

(90 %)50 kWel .. 5 MWel

Wasserkraft undandereErneuerbare.

(15 %)< 1 kWel .. 5 MWel Photovoltaik

Solarenergie

(Geothermie)

(Gravitationskraft)

(35 %)0,2 kWel .. 5 MWel Windturbinen

(Ab-) wärme Solarenergie

15% .. 30%0,5 .. 75 kWel Stirlingmotor

Erdgas Methanol

25% .. 55%1 kWel .. 1 MWel Stationäre

Brennstoffzellen

25% .. 30%(< 1) .. 30 .. 200kWel

Mikro Turbinen

21% .. 40%1 .. 20 MWel Gasturbinen

1) Diesel,Schwerbenzin, Bio-diesel

2) Gas (Erdgas,Biogas, Minengas)

SysthetischeBerennstoffe oderVergasungsprodukte

36% .. 43% 1

28% .. 42% 220 kWel .. > 10 MWel1

5 kWel .. > 5 MWel 2

InterneVerbrennungs-motoren

BRENNSTOFF,ENERGIEBEDARF

ELEKTRICHERWIRKUNGSGRAD

ANWENDUNGSBEREICH


BEISPIELE DV: INTERNE VERBRENNUNGSMASCHINE(MTU "VIRTUS" DIESEL GENSET: 0.6 .. 2.5 MWel)


BEISPIELE DV: GAS TURBINEN(ROLLS ROYCE "STATIONARY TRENT": 58 MWel)


BEISPIELE DV: WASSERKRAFT(ENERGIE AG, AUSTRIA: 420 SMALL HYDRO-PPLT)


0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

Gasturbine

GUD

Kohle

Kernkraft

Gasturbine

MikroGasTurb.

Verbr.Motoren

BZ

DEZENTRALE ENERGIEVERSORGUNGPROBLEME & NACHTEILE

Höhere spezifische Kosten resultierend aus sinkender ökonomischer

Effizienz.

Spezi

fisc

he I

nvest

itio

nsk

ost

en [€/K

W]



Niedrigere el. Wirkungsgrade

verglichen mit zentralen Energieerzeugern

Bildquelle: AGFW-study, Pluralistische Wärmeversorgung 2005



Kleine Netze zeigen ungeeignete Lastprofile

Bildquelle: energy & meteo systems

Virtuelles Kraftwerk = Verbund dezentraler Kraftwerke



Kleine Netze zeigen ungeeignete Lastprofile

Virtuelles Kraftwerk = Verbund dezentraler Kraftwerke

zentraler Steuerungsmechanismus

ausreichender Mess-, Informations-, Kommunikationstechniken

Keine unbegrenzte Integration von Erzeugern, wegen:• Beachtung wärmegeführter Betriebsweise und Witterung• Genaue Auslegung konv. Kraftwerke kann wirtschaftlicher sein (DENA)

Sinnvolle Implementierung in leichtbesiedelten Gebieten



Qualität des erzeugten Stromes (Frequenz und Spannungsniveau)

Einspeiseprobleme:

• Spannungsrückfluss (Wartungsarbeiten)

Schutzausrüstung notwendig

• Blindleistungskompensation (Asynchrongeneratoren)


Energiebedarf






ÜBERSICHT


STRUKTUR KONVENTIONELLERENERGIEVERSORGUNG

ELEKTRIZITÄT HEIZUNG KÜHLUNG

Kraftwerk

BRENNSTOFF


netzVerluste

Kraftwerk

BRENNSTOFF


netzVerluste

Kompres-sionskälte

Abwärme

Verteil.netz;Transport

BRENNSTOFF

Verluste

Brenner

(Verluste)

ζ ≈ 0,36 ζ ≈ 0,7..0,9 ζ ≈ 0,65..0,9

NutzenergiePrimärenergie

ζ =⌠⌡t

dt


STRUKTUREN DER KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG

Elektrizität35,3 kW

Wärme64,7 kW

KWKηel = 0,30ηth = 0,55

Brennstoff117,6 kW

17,6 kW

Kraftwerkηel = 0,36

Brennstoff98,0 kW

62,7 kW

Kesselηth = 0,90

Brennstoff71,9 kW

7,2 kW

Rechenbeispiel:

Konventionelle (getrennte) Erzeugung vs. Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

Gesamt100,0 kW

Brennstoff169,9 kW

Brennstoff117,6 kW

ηges = 58% ηges = 85%

PE Einsparung: 1 – 117,6 kW / 169,9 kW = 30,8 %


Elektrizität42,1 kW

Kälte57,9 kW

Rechenbeispiel:

Konventionelle (getrennte) Erzeugung vs. Kraft-Kälte-Erzeugung

STRUKTUREN DER KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG

KWKηel = 0,30ηth = 0,55

Brennstoff140,4 kW

Kraftwerkηel = 0,36

Brennstoff

117,0 kW

112,8 kW

Gesamt100,0 kW

Brennstoff

191,8 kW

Brennstoff140,4 kW

ηges = 52% ηges = 71%

PE Einsparung : 1 – 140,4 kW / 191,8 kW = 26,8 %

21,1 kW

Absorberσ = 0,75

77,2 kWth

135,1 kWKälte-

Kompressorε = 2,15

84,8 kW

26,9 kWel

+ 74,8 kW


TECHNOLOGIEN DEZENTRALE VERSORGUNG (GEEIGNET FÜR KWK: JA NEIN)

Nicht verfügbar

5.000 .. 7.000 €

800 .. 1.000 €2.000 € (off

shore)

Nicht verfügbar

4.500 .. 20.000 €

1.500 .. 2.000 €

1.000 .. 1.250 €

1.500 .. 2.500 €

SPEZIFISCHEINVEST.KOSTEN

PRO kWel

(90 %)50 kWel .. 5 MWel

Wasserkraft undandereErneuerbare.

(15 %)< 1 kWel .. 5 MWel Photovoltaik

Solarenergie

(Geothermie)

(Gravitationskraft)

(35 %)0,2 kWel .. 5 MWel Windturbinen

(Ab-) wärme Solarenergie

15% .. 30%0,5 .. 75 kWel Stirlingmotor

Erdgas Methanol

25% .. 55%1 kWel .. 1 MWel Stationäre

Brennstoffzellen

25% .. 30%(< 1) .. 30 .. 200

kWel Mikro Turbinen

21% .. 40%1 .. 20 MWel Gasturbinen

1) Diesel,Schwerbenzin, Bio-diesel

2) Gas (Erdgas,Biogas, Minengas)

SysthetischeBerennstoffe oderVergasungsprodukte

36% .. 43% 1

28% .. 42% 2

20 kWel .. > 10MWel 1

5 kWel .. > 5 MWel 2

InterneVerbrennungs-motoren

BRENNSTOFF,ENERGIEBEDARF

ELEKTRICHERWIRKUNGS-

GRAD

ANWENDUNGS-BEREICH


BEISPIEL FÜR KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG

DREWAG Gas- & Dampfkraftwerk (GuD)

(Dresden, Nossener Brücke):

• 3 x 70 MWel Gas Turbine, 1 x 72 MWel Dampf Turbine

• 455 MWth Fernwärme, 25 MWth Dampferzeugung

• Gesamtwirkungsgrad: 90%


SCHLUSSFOLGERUNG KWK

Wo immer möglich, sollten verbrennungsbasierteEnergieerzeugungsprozesse als KWK-Anlagen ausgelegt werden.

Gekoppelte Erzeugung verursacht geringere elektrische Effizienzaber führt zu höheren primärenergetischen Ausnutzungsgraden.

Gekoppelte Erzeugung benötigt geeignete Versorgungsgebietemit ganzjährigem Wärme- oder Kältebedarf.

Wachsende Investitionskosten zur Wärmeauskopplung


ÜBERSICHT

Energiebedarf







UNTERSCHIEDE ERNEUERBARERENERGIEQUELLEN

Solar (photovoltaik) Module,

Solar-Turm Kraftwerke,

Solar (thermische) Kollektoren,Solare Einstrahlung SOLARENERGIE

WindturbinenWind

WasserkraftwerkeHydrologischerKreislauf

Geothermische Kraftwerke, WärmepumpenDT = 20 .. 40 K/km GEOTHERMIE

Direkte (thermische) Umsetzung,

Anaerobe Vergärung zu Biogas,

Vergasung & Synthetische Brennstoffe

Biomasse ausPhotosynthese

GezeitenkraftwerkeGezeiten GRAVITATIONSKRAFT

KONVERTIERUNG ZU

SEKUNDÄRENERGIE

ERSCHEINUNGERNEUERBARE ENERGIE

(GEEIGNET FÜR KWK: JA NEIN)


REGENERATIVE TECHNOLOGIES FOR CHP

Firm Biomass

CombustionSteamturbine

Stirlingmotor

Gasturbine

Gas Motor

Fuell Cell

Gasification

Bio GasGas Motor

Fuell Cell

Disposal Gas

Mine/ Pit Gas

Steam

Exhaust

Fuel-Gas

Fuel-Gas

Fuel-Gas

Fuel-Gas


DIRECT THERMAL CONVERSION OF BIOMASS

Example: Biomass-Powerplant at Wicker (NRW), 15 MWel

annual fuel consumption: 90.000 t matured timber,

assorted, dried and chopped at nearby preparation plant


PRODUCTION AND USE OF BIOGAS

Schematic of a Biogas-Powerplantwith Anaerobic Digester & power generation by IC-Engine-CHP


ENERGY CONTENT OF BIOMASS

Heating value (LHV) and water content of biomass

compared to fossil fuels:

5 .. 14 % 8 .. 20 MJ/kg BROWN COAL

30 MJ/kg HARD COAL

40 MJ/kg CRUDE OIL

10 .. 20 %dry13 ..15 MJ/kg GRASS /

STRAW

15 .. 60 %dry 6 .. 18 MJ/kg TIMBER

30 .. 40 MJ/m³ NATURAL GAS

14 .. 16 MJ/kg CORN

10 .. 15 %dry15 .. 20 MJ/kg RAPE GRIST

WATER CONTENTHEATING VALUE FUEL


BIOGAS-YIELD FROM DIFFERENT RAWMATERIALS

Wheat

Bread

Grease (used)

Corn-Cob Mix

Corn Silage

Gras Silage

Food-Waste

Municipal Bio-Waste

Potatoes

Fodder Beet

Gras (fresh)

Potato Peelings

Manure (pigs)

Manure (cattle)

Biogas yield [standard dm³ per kg raw material]

Source: Fraunhofer IUSE (UMSICHT), Oberhausen


CULTIVATION OF RAW MATERIALFOR BIOGAS PRODUCTION & POWER GENERATION

Source: Fraunhofer IUSE (UMSICHT), Oberhausen

21,1410.25020550 CORN SILAGE

10.000

7.600

7.200

6450

5.280

4.950

YIELD

m³ / ha

100

95

180

430

660

110

BIOGAS

m³ / t

15,6880 GRAS SILAGE

20,63100 FODDER BEET

1) Hu = 6.25 kWh/m³; hel = 33%

10,898 WHEAT

10,2145 POTATOES

14,8540 RYE SILAGE

13,3015 CORN-COB

MIX

ELECTRICITYYIELD1

MWh / ha

CROP YIELD

t / ha

RAWMATERIAL


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit…

Dipl.-Ing. Steffen Robbi

Technische Universität DresdenInstitut für Energietechnik

Professur für Energiesystemtechnik und Wärmewirtschaft

+49 – 351 – 4633 4709

[email protected]

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Dezentrale Netzwerke der Energieversorgung & KWK 27.6.2007rcstuuwi/urv/ss07/linked/dezNetz.pdf · Wind power Solar thermal electricity PV With St. No St ... M ik roTub ne ... (MTU