Einführung - Theorie - Übungsaufgaben - Geschäftsfall ... Energy and co... · • Rapsöl und Sonnenblumenöl (Biodiesel), • Zuckerrohr, Rüben, Mais (Bioethanol). Biopower:

Co-funded by the Intelligent

Energy Europe Programme of

the European Union 1 Einführung - Theorie - Übungsaufgaben - Geschäftsfall - Zusammenfassung



the European Union 2

Überblick

Einführung – Kraft-Wärme-Kopplung und erneuerbarer Energiequellen für intelligente Energienetze

– Erneuerbare Energie

– Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

Theorie Sonnenenergie

Energie aus Biomasse

Windenergie

Erdwärme

Wasserkraft

Kraft-Wärme-Kopplung Technologien

Übungsaufgaben

Geschäftsfall

Zusammenfassung

Einführung - Theorie - Übungsaufgaben - Geschäftsfall - Zusammenfassung







Kraft-Wärme-Kopplung und erneuerbare Energiequellen für

intelligente Energienetze

DG ist der logische Kern von intelligenten Städten

Dezentralisierte Generation (DG)

Einige erneuerbare Energiequellen sind durch große Unstetigkeiten gekennzeichnet

Speicher

Gitternetz

Energieeffizienz

Kraft-Wärme-Kopplung

Erneuerbare Quellen

Lokale Produktion von Energie

Information-und

Kommunikations-

technik

Lastausgleich





Erneuerbare Energiequellen haben eine Regenerationszeit von Energie kleiner als

(oder gleich) der Nutzungsdauer.

Können daher nicht als erneuerbare fossile Brennstoffe betrachtet werden.

Sonne-

Biomasse

Wind

Geothermie

Wasser

Energieeffizienz (ist keine Quelle, aber reduziert die Verwendung der Bezugsquellen)

Erneuerbare Energie





Definition von AEEG n. 42/02 19 März 2002

"... Integrierte Systeme, welche Energie von jeglichen

Primärenergiequellen in der gemeinsamen Produktion von Strom

und thermische Energie (Wärme), umwandeln...“

KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG







the European Union

Die Sonne ist eine Quelle=> Wärme, Kühlung, Licht und Strom

Großes Potential: In einer Stunde liefert die Sonne die notwendige

Jahres Energie für den gesamten Planeten.

Technologien:

Solarheizung

Solarkühlung

Photovoltaik

Aufbereitete Sonnenenergie

SOLARENERGIE





Solarheizung (Geringe Temperatur, t < 100 °C)

• Produktion von hygienischem Warmwasser

SOLARENERGIE

Solarheizung (Hohe Temperatur, t > 150 °C)

• Heizung oder Vorwärme (industrielle Verwendung)

• Fernwärme





SOLARENERGIE

Solarheizung: Merkmale

• Eine ausgereifte Technologie

• Keine lokalen CO2-Emissionen

• Lautlos

• Zufälligkeit der Produktion

• Speicherung

• Variable Umweltbelastung





SOLARENERGIE

Solarkühlung

System des geschlossenen Kreislaufs

• Absorption

• Adsorption

System des geöffneten Kreislaufs

• DEC System (Trockenmittel & Verdunstungskühlsysteme)


Solarkollektor

Abdampf

Aufnahme

Zuluft

16-18 °C

Wärmerück-

gewinnungsrotor Entfeuchtungsrad

Befeuchter

Befeuchter

Rückluft

Warmluft

60-90 °C




Solarkühlung: Merkmale

• Relativ neue Technologie

• Hohe Kosten für kleine Größen

• Keine lokalen CO2-Emissionen

• Lautlos

• Zufälligkeit der Produktion

• Speicherung

• Variable Umweltbelastung

SOLARENERGIE





SOLARENERGIE

Photovoltaik:

Direkte Umwandlung von Sonnenenergie in Strom.

• Hohe Stromkosten

• Anreicherung

• Neue organische Materialien

anstelle von Silikon

• Energiespeicher

• Batterien

• Warmwasser durch Joule-Effekt

• Wasserstofferzeugung


Solarmodule

Umrichter

Benutzer

Zähler

Öffentliches

Stromnetz

Schalttafel




• Keine lokale CO2-Emission

• Lautlos

• Dezentralisiert

• Geringe Effizienz

• Nur Stromerzeugung

• Unterbrochene Produktion

• Umweltauswirkung

• Ländliche Nutzung (Agrarwirtschaftliche Nutzung)

SOLARENERGIE

Photovoltaik: Merkmale





Konzentrierte Solarthermie (CSP)

Konzentration, durch Bündelung der Sonnenstrahlen mit Spiegel auf die

Absorber Fläche.

Typologie

• Linear parabolisch

• Turmsysteme mit zentralem Empfänger

• Parabolrinnen- und Fresneltechnik

• Parabolschüsselkollektor

SOLARENERGIE

Bild: ENEA





SOLARENERGIE Thermodynamisch Hochtemeperatur

• Linear parabolisch

• Turmsysteme

Hohe Temperaturen werden erreicht (T bis zu

550 °C )

Verbesserung des thermodynamischen Zyklus

Die Salze müssen auf hoher Temperatur gehalten werden, auch bei Nacht.

Umweltauswirkungen (vor allem bei Turmsystemen)

Bild: ENEA

Nachteile

Aktuell, Verwendung von

Salzschmelzen als Träger von

Wärmeenergie





• Thermochemische Verarbeitung

• Biochemische Umwandlung

Biokraftstoffe: Umwandlung von Biomasse in flüssige Kraftstoffe für Beförderungsmittel.

• Rapsöl und Sonnenblumenöl (Biodiesel),

• Zuckerrohr, Rüben, Mais (Bioethanol).

Biopower: Direkte Verbrennung von Biomasse oder Umwandlung in gasförmige oder

flüssige Brennstoffe die effizienter brennen, um Strom zu erzeuge.

Bioprodukte: Umwandlung von Biomasse in Chemikalien für die Herstellung von

Kunststoffen und andere Produkte, die typischerweise aus Erdöl hergestellt werden.

ENERGIE AUS BIOMASSE





Vorteile

‒ Produktion auf Nachfrage

‒ Speicherung

‒ Kraft-Wärme-Kopplung Konfiguration

Nachteile

‒ Technologie befindet sich in der Entwicklungsphase,

‒ Einsatz von Unkrautvernichtungsmitteln (für Intensivkulturen)

‒ Umweltauswirkung (von sehr begrenzt bis nicht unbedeutend)






Biomasse

Organische Abfälle

Wald

Gemüse

Technologischer Wandel von Produkten

- Essen

- Kein Essen

landwirtschaftlich

- Tiere

- Gemüse

Energetischer Anbau

Aquatisch Land






Existierenden Haupttechnologien für die Verwendung von Biomasse

Biomasse

Holz

Öl Pflanzen kein Essen

Zuckerpflanzen kein Essen

Organische Abfälle

Aufbereitung

Mechanisch (Chips …)

Vergasung

Karbonisierung

Pyrolyse

Pyrolyse / Veresterung

Alkoholische Gärung

Anaerobe Faulung

Holz

Brennstoff

Gas

Kohle

Öl

Ethanol

Brennstoffzellen

Verbrennungsmotor (Otto Kreisprozess)

Verbrennungsmotor (Diesel Kreisprozess)

Gasturbine Mikrogasturbine

Heizkessel+ Dampfturbine

Technologie





the European Union

Wind ist eine Form der Sonnenenergie.

Winde werden von einer ungleichmäßige Erwärmung der Atmosphäre

durch die Sonne, den Unregelmäßigkeiten der Erdoberfläche und der

Erdrotation verursacht.

Technologie: Horizontal- und vertikalachsige Windturbinen

Ortsbestimmung : an Land/ vor der Küste ;

Leistung: Bis zu 8 MW

WINDENERGIE





WINDENERGIE

Rotor

Bremssystem

Turm und Fundament

Übersetzungsgetriebe

Generator

Messinstrumente

Gondel, Gier System

Foto: ENEA





Vorteile

Keine lokalen CO2-Emissionen

Nachteile

Umweltauswirkung (Lärmbelästigung, Biodiversität, sichtbar)

Unterbrochene Produktion

WINDENERGIE





Geothermische Energie verwendet Erdwärme (Dampf und Warmwasser in

verschiedenen Temperaturen)

• Dampf-dominierte hydrothermale Systeme

• Wasser-dominierte hydrothermale Systeme

• Heiße Trockengesteinssysteme

• Gepresste Gesteinssysteme

Erdwärme, kann entsprechend der Fluidenergie nach klassifiziert

werde.

ERDWÄRME

Hohe Enhtalpiewärme heat 630 kcal/kg

(Trockener Dampf)

Mittlere Enthalpiewärme 100-630 kcal/kg

(Ein Gemisch aus Wasser und Dampf)

Geringe Enthalpiewärme 100 kcal/kg

(Wasser bei 100 °C)





Hohe Enthalpie

• Elektrische Energie

• Industrieller Dampfeinsatz

Geringe und mittlere Energie

• Badewesen und Wellnessorte,

• Gewächshäuser,

• Aquakultur,

• Industrielle Nutzung,

• Trocknung von Produkten,

• Andere Verwendung.

ERDWÄRME





Hausgebrauch

• Ausgereifte Technologie

• Großer Leistungsbereich

• Auf Anfrage

• Geringere Umweltauswirkungen oder geringfügig

• Fluidtemperatur: 12-15 °C

• Kühlung

• Heizung (mit integrierter Wärmepumpe)

ERDWÄRME




the European Union

Verwendung der potentiellen Wasserenergie.

Verschiedene Arten von Turbinen als Funktion des Wassersprungs

sind verfügbar.

Pelton,

Francis,

Kaplan,

Kreuzstrom (Banki)

Archimedes Schnecke

WASSERKRAFT


Anwendungsbereich

Kreuzstrom

Francis

Kaplan

Pelton

Archimedes

Schnecke

Q [m³/s]

H [m]



the European Union Introduction - Theory - Exercises - Business Case - Summary 28

Advantages

mature technology

no local CO2 emissions

on Demand

storage

Disadvantages

high environmental impact,

ecosystem damage,

only electricity production

HYDRAULIC ENERGY




Vorteile

ausgereifte Technologie

keine lokale CO2-Emission

auf Anfrage

Speicherung

Nachteile

große Umweltauswirkung,

Schädigung des Ökosystems,

nur Stromerzeugung

Wasserkraft





Vorteile

Warum Kraft-Wärme-Kopplung?

• Wirtschaftlich: Dank besserer Anlageeffizienz kann der

Energieinhalt des Kraftstoffes in effizienterer Weise genutzt werden.

Zukünftige Einsparungen aufgrund der lokalen Energieproduktion.

• Umwelt: Niedriger Kraftstoffverbrauch bedeutet weniger

umweltschädliche Emissionen.

• Finanziell: Kraft-Wärme-Kopplung wird eine vergleichbare

Energiequelle neben den anderen Energiequellen (Sonne, Wind und

Erdwärme) und profitiert von den gesetzlichen Vorschriften und

Anlagen.






GRENZEN

Warum Kraft-Wärme-Kopplung?

• Notwendig der Gegenseitigkeit zwischen Produktion und

Nachfrage für die elektrische und die thermische Energie.

• Wirtschaftliche Zweckmäßigkeit der Anlagen. Thermische und

elektrische Anwendungen müssen in der Nähe des Kraftwerks

sein

• Höhere Anlagenkosten im Vergleich zu herkömmlichen

Systemen durch die Komplexität der KWK-Anlagen.






Die Idee der KWK ist impliziert in dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik

enthalten.

• Ein generischer thermodynamischen Zyklus um Wärme in mechanische Arbeit

umzuwandeln ist notwendig, um einen Teil der Wärme im Eingang des Zyklus

abführen

• In wirklich sinnvollen und eingesetzten Technologien ist der Teil der abgeführten

Wärme in der Regel größer als der in der mechanische Arbeit umgewandelte Teil

• Thermische Energie ist die Energieform die in industriellen und zivilen Anwendungen

am häufigsten zum Einsatz kommt

• Der KWK Prozess führt zu einer rationelleren Nutzung von Primärenergie im

Vergleich zu Prozessen welche separat zwei Arten von Energie erzeugen.

Warum KWK??






Anlagen produzieren getrennt elektrische und thermische Energie. Es kann

wie folgt definiert werden.

Getrennte Erzeugung von Kraft & Wärme

Ein Vergleich zwischen diesen beiden Anlagelösungen könnte dazu

beitragen, die Vorteile der kombinierten Energie-Kopplung (KWK) in Bezug

auf die Getrennt zu beurteilen.

KWK Vs. Getrennte KWK






Chemische Energie

mcHi Wärme

Q

Arbeit

L

Nützliche Arbeit

Le

Chemische

Verschmutzung Thermische

Verschmutzung

Mechanische

Verluste

Nützliche

Wärme

Elektrisch Energie

Thermische Energie

CHP Vs SHP

ηm ηt ηc

Chemische Energie

mcHi Wärme

Q

ηt ηc

Getr

en

nte

KW

K

KW

K Chemische Energie

mcHi Wärme

Q

Arbeit

L

Nützliche Arbeit

Le

Chemische

Verschmutzung

Mechanische

Verluste

Elektrische- und

thermische Energie

Nützliche

Wärme

ηm ηt ηc






A) Geteilte Produktion von Elektrizität und Wärme

(Alle Zahlen sind Energieeinheiten)

= 80/148 = 54%

50

( =80%)

30

( =35%)

Verlust = 68

Thermische

Anfrage

Elektrische

Anfrage

+ +

80

63

85

148

IN





the European Union 36 Introduction - Theory - Exercises - Business Case - Summary

B) Geteilte Produktion von Elektrizität und Wärme

(All figues are energy units)

50

30

IN

Losses = 20

THERMAL

REQUEST

ELECTRIC

REQUEST

+ COGENERATION

PLANT

80

100

= 80/100 = 80%

100

COMBINED HEAT & POWER




B) COMBINED PRODUCTION OF ELECTRICITY AND HEAT

(Alle Zahlen sind Energieeinheiten)

50

30

IN

Verlust = 20

Thermische

Anfrage

Elektrische

Anfrage

+ KWK-Anlage

80

100

= 80/100 = 80%

100






Die Verwendung von KWK-Systemen ermöglicht

es den Primärenergieverbrauch von 15% auf 40%

zu reduzieren, produzierter Strom und Wärme sind

gleich.






Die Einsparung kann mit der folgenden

mathematischen Formel ausgedrückt werden:






HAUPTKOMPONENTEN

1. Motor

2. Generator

3. Wärmetauscher

4. Steuersystem

5. Verteilersystem

6. Elektrische Anschlüsse

7. Elektroschrank (Wenn das Unternehmen vor hat elektrische Energie

zu verkaufen)

8. …..






Gasturbine mit Wärmerückgewinnung (kombinierter Prozess)

Gegendruckdampfturbine

Entnahme- Kondensationsdampfturbine

Gasturbine mit Wärmerückgewinnung

Verbrennungsmotor

Mikroturbinen

Stirling- Motoren

Brennstoffzellen

Dampfmotoren

Rankine- Kreislauf mit organischem Fluidum

Jede andere Technologie oder Kombination von Technologien, für

die die Begriffsbestimmung des Artikels 3 Buchstabe a) gilt..

Anlagen die als KWK definiert werden können (*)

Quelle: ENEA Desire – Net Project

(*) Quelle: Richtlinie des Europäischen Parlaments und des Rates über die Förderung der KWK auf der Grundlage eines Nutzwärmebedarfs im Energiebinnenmarkt






Vergleich der Effizienz verschiedener Generatoren

MCFC









Nehmen wir einen gleichen Energiebedarf von 80 kWh thermischer Energie und

90 kWh thermischer an, kalkulieren Sie bitte die Verbrauchsschwankungen mit

einem KWK statt einem getrennten KWK.

Daten:

• Effizienz des thermoelektrischen Kraftwerks gleich 45%.

• Wirkungsgrad des Wärmekraftwerks gleich 95%.

• KWK: Elektrischer Wirkungsgrad gleich 40% und thermischer Wirkungsgrad

gleich 45%.

Primärenergieeinsparung





Gentrennt KWK

80/45=178 kWh

90/95= 95 kWh

273 kWh

Verbrauchsreduzierung von ungefähr 27%

KWK

80/40=200 kWh

90/45=200 kWh

200 kWh

Elektrische Energie

Thermische Energie

Verbrauchte Energie (PCI)


Primärenergieeinsparung




HOCHLEISTUNGSMOTOREN

Welche der folgenden Lastprofile ist für

die KWK geeignet ?

Diagramm b

Diagramm a





HOCHLEISTUNGSMOTOREN

Welche der folgenden Lastprofile ist für

die KWK geeignet ?

Diagramm b

Diagramm a

Mit der Verwendung eines Speichersystems








Praxisbeispiel “Hypo Alpe Adria”

Blockheizkraftwerk Fernwärme und Kühlung:

Das "Hypo Alpe Adria" Blockheizkraftwerk liegt in Tavagnacco (UD) im Nordosten Italiens.

Im nördlichen Teil des Landkreises von Udine, einem Wohnbereich mit mehreren

öffentlichen und privaten Gebäuden, darunter ein Schwimmbad, ein Hotel, Sitz einer

italienischen Bank und andere Einrichtungen im Dienst der Gemeinde, wurden entwickelt.

Die Anlage "Hypo Alpe Adria" enthält eine KWK-Kraftmaschine mit 1 MW elektrischer und

1,3 MW Wärmekapazität. Darüber hinaus sind zwei Wärmeerzeuger mit 1,2 und 2,0 MW

Wärmekapazität installiert. Die Kühlanlage umfasst zwei Kältemaschinen mit 1 MW

Kühlleistung und eine Absorptionskältemaschine mit 0,5 MW Kälteleistung.





Elektrische Kapazität (gesamt) 1,06 Mwe

Wärmekapazität (gesamt) 1,27 MWth

Technologie Maschinenmotor

Nr. Der Einheit 1

Hersteller Jenbacher

Art des Kraftstoffs Erdgas

Strom (Jahreserzeugung) 2,37 GWh

Wärme (Jahreserzeugung) 2,57 GWh

Anlagebau 2006

Gesamtinvestitionskosten € 2.800.000

Finanzierung Eigenmittel

Staatliche Unterstützung Zertifikate, Steuersenkung

Ort Tavagnacco, Italien








Einige erneuerbare Energiequellen weisen starke

Produktionsdiskontinuitäten auf

Für die Energiedistrikte wir es notwendig die produzierte

Energie zu nutzen und zu optimieren

KWK-Anlagen bieten die Möglichkeit Primärenergie effizient

zu nutzen, wenn elektrische- und thermische Energie benötigt

wird

KWK-Anlagen können auch mit erneuerbaren Energien

(Biomasse) eingespeist werden

Wiederholung


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