Zum Original:

http://www.dpg-physik.de/veroeffentlichung/broschueren/studien.html

Die Elektrizitätsstudie der DPG, 2010

Dr. Gerhard LutherUniversität des Saarlandes, FSt. Zukunftsenergie c/o Technische Physik – Bau E26D-66041 SaarbrückenEU - Germany

Tel.: (49)  0681/ 302-2737; Fax /302-4676 e-mail: Luther.Gerhard@vdi.de

Homepage: http://www.uni-saarland.de/fak7/fze

Teil I: Nutzung von elektrischer Energie

1. Nutzungssektoren (Haushalt, Gewerbe, Industrie) , 1.4 Einsparpotenziale

2. Thermodynamisch optimiertes Heizen

3. Transport – Elektromobilität

Teil II: Bereitstellung von elektrischer Energie

1.Thermische Kraftwerke auf fossiler Basis2. Kernkraftwerke•

3. Kraft-Wärme-Kopplung und Systemvergleich

4. Biomassekraftwerke5. Solare Elektrizitätserzeugung ( PV und Solarthermische Stromerzeugung) 6. Windkraft 7. Wasserkraft 8. Elektrizität aus geothermischen Quellen

9. Fusionskraftwerke

Teil III: Transport und Speicherung von elektrischer Energie1.Stromnetze und Systemaspekte2.Stromspeichertechniken

Ausblick auf eine Zukunft mit niedrigen CO2-Emissionen

Es spricht vieles dafür,

dass die Bedeutung des Stroms im Zusammenspiel der verschiedenen Energieformen wie in der Vergangenheit so auch in den kommenden Jahrzehnten

stetig anwachsen wird.

Teil I: Nutzung von elektrischer Energie

1. Nutzungssektoren (Haushalt, Gewerbe, Industrie) , 1.4 Einsparpotenziale

2. Thermodynamisch optimiertes Heizen

3. Transport – Elektromobilität

Teil II: Bereitstellung von elektrischer Energie

1.Thermische Kraftwerke auf fossiler Basis2. Kernkraftwerke•

3. Kraft-Wärme-Kopplung und Systemvergleich

4. Biomassekraftwerke5. Solare Elektrizitätserzeugung ( PV und Solarthermische Stromerzeugung) 6. Windkraft 7. Wasserkraft 8. Elektrizität aus geothermischen Quellen

9. Fusionskraftwerke

Teil III: Transport und Speicherung von elektrischer Energie1.Stromnetze und Systemaspekte2.Stromspeichertechniken

Ausblick auf eine Zukunft mit niedrigen CO2-Emissionen

Zum Original:

http://www.dpg-physik.de/veroeffentlichung/broschueren/studien.html

Exzerpt:

Teil I: Nutzung von elektrischer Energie ......... 2. Thermodynamisch optimiertes Heizen (p. 27 ff) 2.1 Die zum Heizen benötigte Exergie 2.2 Quellen für Heizenergie und ihr Exergiegehalt 2.3 Optimierung von Gebäudeisolierung und Wärmebereitstellung 2.4 Zusammenfassung und Ausblick ......Teil II: Bereitstellung von elektrischer Energie ......... 3. KWK und Systemvergleich (p. 74 ff) 3.1 Die Besonderheiten der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) 3.2 Vergleich: Erdgas KWK und getrennte Strom- und Wärmeerzeugung 3.3 Die KWK in der Energiepolitik und der öffentlichen Diskussion 3.4 Skizze zur Optimierung des Erdgaseinsatzes für Gebäudewärme 3.5 Zusammenfassung und Ausblick........

Zur Themenseite: Thermodynamisch Optimiertes Heizen http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/ThOptHeizen.htm

Dr. Gerhard LUTHER,Uni des Saarlandes, Technische Physik, Bau E2666041 Saarbrückenluther.gerhard@vdi.de Tel.: 0681-302-2737

Die Elektrizitätsstudie der DPG, 2010

0. Zur Einstimmung: Die Elektrizitätsstudie der DPG

1.Thermodynamisch optimiertes Heizen 1.a Reale Strom und Heizwärme- Erzeuger (gekoppelt und getrennt)

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, Wärmerückgewinnung, Einsatz von RE 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

ΔS

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 zu

(e.g.) 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

IdealeWärme PumpeΔS

ΔQH

ΔQU

ΔEWP

ΔS

TUTH

IdealeKraft Wärme-

KopplungΔS

ΔQ

ΔQH`

ΔEKWK

ΔST

TH`

1. KWK: Strom Wärme Kopplung beim Brennstoff-Einsatz

2. Wärmepumpe (WP): Strom Wärme Kopplung beim Stromeinsatz

IndexeH ..= „Heiz-“U..= „Umgebungs-“

E = ElektrizitätQ = WärmeS = Entropie T = Temperatur

Kopplung von Strom und Wärme

Vorlauf-Temperatur der Fernwärme/Heizung

Umgebungs-Temperatur: Luft, Wasser, Erdwärme

dezentral

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

1.a Strom und Heizwärme- Erzeuger(gekoppelt und getrennt)

1a

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 %

1a.1

GUD –Kraftwerk

Gasturbine mit anschließendem Dampf Kraftprozeß

1a.2

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

Gas

Dampf

Quelle: http://www.kraftwerk-irsching.com/pages/ekw_de/Neubau/Bauvorhaben/index.htm

Beispiel: GUD - Irsching

Moderne GUD werden el = 60% erreichen

Wie gut sind moderne Feuerungsanlagen ?

1a.3

Erdgas- Brennwertkessel

Quelle: Stadtwerke Karlsruhe: Kundenbroschüre „Erdgas Brennwert Heizkessel“ , ergänzt SpQ:SW_Karlsruhe_BrennwertKessel.pdf

NT Bw

Ich rechne meist nur mit

105 %

aktueller Stand der Technik

Brennwerttechnik

bereits veralteturalter Verschwender

1a.3.1

Quelle: Prof. Wolff, Wolfenbüttel, siehe Folienheader Speicher:FH_Wb_Wolff_Betrieb_Brennwertkessel_ppt

Wie gut sind Brennwertkessel

wirklich ?

1a.3.2

Quelle: Prof. Wolff, Wolfenbüttel, siehe Folienheader Speicher:FH_Wb_Wolff_Betrieb_Brennwertkessel_ppt

Für Vergleich Heizkessel vs. Fernwärme ist maßgebend:

der Nettoabgasverlust (der gesamten Feuerungsanlage)

(1.) Der BruttoAbgasverlust des Kessels unterschlägt die Wärmerückgewinnung aus dem Abgas über den Kamin in das Haus.

(2.) Die Abstrahlverluste des Kessels können mit den Wärmeverlusten des Wärmeübertragers bei der Fernwärme gegen gerechnet werden.

Setzt man { (1) + (2) } mit 3 - 5 % an, so kommt man selbst bei einem BruttoAbgasverlust von 90%(Ho) für den Vergleich mit der Fern- wärme auf einen analogen „Kesselwirkungsgrad“ von 94% (Ho) also etwa: 105- % (Hu).

Es gibt auch Brennwertanlagen, die hervorragend funktionieren

z.B.: meine eigene Feuerungsanlage Kessel: Viessmann Vitodens 200 mittlere Leistung in 2005/06: 14 [kW]

Kaminhöhe ca. 16 m Durchmesser: 150 mm, Abgasrohr: 80 mm

1a.3.3

Direkte Messung der Abgasverluste über einen Zeitraum t0:

1. Messung des anfallenden Kondensatwassers W in [ Liter] 2. Ablesung des Gasverbrauches VG in [mn

3]

3. Berechnung von WD0 = maximaler theoretischer Kondensatanfall WD0 = VG *xV0 mit xV0 = 1,6 [ Liter H2O /mn

3 ] bei Erdgas 4. Integraler Kondensatanfall w = W / WD0

w = W / (VG *xV0 ) = (W / VG ) / 1,6 Es gilt:Wärmeverluste qA in [ %] von Feuerungsanlagen mit Kondensatanfall:

Faustformel: qA = (1 – w) * 13,5%

w = (W / VG ) / 1,6

Quelle: G. Luther: DE 10 2004 058 520 B3; „Messverfahren zur Bestimmung des Abgasverlustes von Feuerungsanlagen mit Abgaskondensation“

Abgasverlust: bezogen auf vollständige Kondensation, im Maß von Hu

Gemessen Abgasverluste meiner eigenen Brenwertanlage im Winter 2005/06

also thermischer Wirkungsgrad für den Vergleich mit KWK Anlage: 109 % (Hu)

• Die Stiftung Warentest hat in 2010 acht marktgängige Erdgas – Brennwert-kessel auf ihren Nutzungsgrad im Heizbetrieb unter exakt gleichen Bedingungen untersucht /Stiftung Warentest 2010/.

• Die Werte wurden auf dem Prüfstand in Anlehnung an DIN 4702 Teil 8 für ein Bestandsgebäude mit mäßiger Wärmedämmung und Auslegungstem-peraturen von 75/60°C für das Heizsystem ermittelt. Offensichtlich wurde keine Korrektur für eine Wärmerückgewinnung im Kamin durchgeführt.

• Es ergaben sich unter Bezug auf den Brennwert, Ho , Nutzungsgrade von 94%-96%, im Mittel 95%. Bezieht man diesen Wert auf den im Kraftwerksbereich üblichen Heizwert Hu (manchmal auch als “Unterer Heizwert“

bezeichnet), dann ergibt dies einen Nutzungsgrad von 105,5% (+- 1%)

• Berücksichtigt man - wie von uns gemessen- zusätzliche Kondensation im Kamin mit Wärmeabfuhr an das Gebäude, so ergeben sich also die gleichen Werte um 108-109% wie bei unserer Messung über 5 Jahr an einer Einzel-anlage (/Luther, AKE2008H/). .

Stiftung Warentest 7/2010: Test Brennwertkessel

1a.3.4

 Quellen:/Stiftung Warentest 2010/ : “Mehrwert dank Brennwert“, test, Heft7/2010, p.60- 65 Zugänglich gegen eine kleine Gebühr: http://www.test.de/themen/haus-garten/test/Gasheizkessel-Mehrwert-dank-Brennwert-4108206-4108208/

/Luther AKE 2008H/ : G.Luther: „Kraftwärmekopplung (KWK) – Hoffnungsträger oder Subventionsloch?“ Vortrag: http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/AKE_Archiv/AKE2008H/Links_AKE2008H.htm

<< Bild der Tabelle aus test-Heft >>

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

Es werden oft zugunsten der KWK:

U1: die offenkundigen Fehler des „KWK-Mythos“ gemacht: (nur „Brennstoffausnutzung“ bewertet; Vergleich „alter KoKW“ mit „neuen 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.

2.4

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 Kommt später noch mal

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

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

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“

ε_el

ε_th

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

Neuer Eintrag: Strom und Wärme aus reiner KWK 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

0,00 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

ε_th

ε_el

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“

ε_el

ε_gesamt

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“

ε_gesamt

ε_el

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

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 Wdh.

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 }

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“

ε_gesamt

ε_el

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, kleines GuD mit KWK und großes GuD 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.

Ein nur didaktisches Beispiel:

Modernes, großes GuD mit und ohne KWK

Abgasverluste = 10 % (umfasst auch sonstige Betriebsverluste)

ohne KWK: el = 60% , davon 10%Punkte für WP-Betrieb verwenden

mit voller KWK: elKWK = 50% also 10% Stromeinbuße

Fernwärme thKWK = 40% =(100 -10 -50%)

„COP“ der Stromeinbuße: COPKWK = 40/10 = 4 beachte aber : Wärme bei hoher Temperatur, z.B. 130 °C

COP einer dezentralen WP: COP = 4 , also ebenfalls 40 %Punkte Wärme

beachte: Wärme bei niedriger Temperatur, z.B. 30°C

Ein großes GuD bringt auch im KWK-Betrieb hervorragende Leistung.Günstig für industriellem Wärmebedarf hoher Temperatur.

• 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.

Siehe hierzu das entsprechende Kapitel in: http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/AKE_Archiv/DPG2010-AKE_Bonn/Vortraege/DPG2010_AKE9.1_Luther_ThermOptHz_KWK-Mythos.ppt

• KWK – eine ökologische Sackgasse ? Nach Installation einer dezentralen KWK gibt es kaum noch Anreize zur - weiteren thermischen Sanierung - Nutzung von Thermischer Solarenergie

• WP als Senke für fluktuierenden Wind- und PV- Strom

- eine künftige Gretchenfrage: Warum soll man bei Stromüberfluss (Wind + PV) noch und sogar vorrangig Erdgas in KWK- Anlagen verbrennen ? - Der Ausbau der Stromversorgung mit Wind und Sonne erfordert

vor allem Stromsenken (und keine neuen „vorrangigen“ Stromerzeuger)

• Ungleiche steuerliche Belastung der Nutzwärme

- 1 kWh Gas im dezentralen Kessel : 0.65 ct (Erdgassteuer, incl.MWSt.) - “ “ beim KWK – Fernwärmeversorger : 0 - 1 kWh Gas für 0.58 Kwh GuD-Strom

für 2 kWh Wärme mittels WP : ca. 6 ct ( EEG [2011]+KWKG+Ökosteuer + Konzessionsabgabe + CO2-Zertifikat incl. dazugehöriger MWSt.

)

A1 Diskussionspunkte:

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 verführt.

• Eine herausragende Subventionierung der KWK als Technologie< führt zu einem suboptimalen Ergebnis bei der Energie-Effizienz .

•

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

Einige Diskussionsfolien aus

den übrigen Kapitel der DPG-Studie

III.1 Thermische Kraftwerke auf fossiler Basis

1.1 Die Rolle der fossilen Kraftwerke weltweit und in Europa/Deutschland

1.2 CO2-Reduktion mit konventionellen Technologien:

Wirkungsgradverbesserung und Ersatz von Kohle durch Erdgas

1.3 Zukünftige Entwicklung: CO2-Abscheidung und -Speicherung (CCS)

1.4 Bis 2030 erreichbaren Senkung der CO2-Emissionen bei Stromerzeugung

1.5 Zusammenfassung und Ausblick

Aus dem Kapitel:

Reduzierung des CO2 Ausstoßes von Steinkohlekraftwerken

durch Steigerung des Wirkungsgrades

BQuelle: DPG2010: E-Studie, p. 49, Abb.2 Urquelle: Verband der Kraftwerksbetreiber (VGB PowerTech e.V.), Broschüre Zahlen und Fakten zur Stromerzeugung 2009/10

heute

III.2 Kernkraftwerke 2.1 Internationale Situation 2.2 Status quo in Deutschland (bei fluktuierendem Stromangebot) 2.3 Versorgung und Entsorgung 2.4 Zusammenfassung und Ausblick

Aus dem Kapitel:

Fähigkeit deutscher Druckwasserreaktoren zur

Leistungsänderung

in 2 min um 20% der Voll-Last auf 100% bzw. 80%

in 10 min um 50% der Voll-Last auf 100% bzw. 50%

in 40 min um 70/80% der Voll-Last auf 100% bzw. 20/30 %

BQuelle: DPG2010, E-Studie, p. 67, Abb.3Urquelle: M. Hundt et al.: Verträglichkeit von erneuerbaren Energien und Kernenergie im Erzeugungsverbund. Stuttgart, Oktober 2009 http://www.ier.uni-stuttgart.de/publikationen/pb_pdf/Hundt_EEKE_Langfassung.pdf

AKW eignen sich also durchaus zur Ausregelung der fluktuierenden EEG - Einspeisung

Teil III: Transport und Speicherung von elektrischer Energie

Aus dem Kapitel:

2. Stromspeichertechniken

2.1 Einführung

2.2 Mechanische Speicher: Schwungrad

2.3 Hydraulische Speicher

2.4 Elektrische Speicher: Supraleitende Spulen und Kondensatoren

2.5 Elektrochemische Speicher

2.6 Zusammenfassung elektrische Speicher

2.7 Wärmespeicher für solarthermische Kraftwerke

2.8 Zusammenfassung und Ausblick

Übersicht über die wichtigsten Parameter der verschiedenen

Energiespeicher (für den Bereich Netzmanagement)

Quelle: DPG2010, E-Studie, p. 137, Tab. 1, Martin Rzepka, ZAE-Bayern

unb. =unbegrenzt ; CAES = Compressed Air Energy Storage, AA= advanced adiabatic SMES = supraleitende Spulen,