Download pdf - „Technoökonomische Studie zur Biomasse-KWK“ und ... file[energy from biomass] RENEWABLE ENERGY NETWORK AUSTRIA Inhalt und Methodik Studie TU Wien ¾Charakterisierung der technischen

Partner:Repotec Umwelttechnik GmbH • EVN AG • Güssinger Fernwärme GmbH •Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und technische Biowissenschaften der Technischen Universität Wien (Sitz der ARGE)

RENEWABLE ENERGY NETWORK AUSTRIA

[energy from biomass]

„Technoökonomische Studie zur Biomasse-KWK“

und Überleitung zur aktuellen Studie „Optimierte KWK-Systeme“



Inhalt und MethodikInhalt und MethodikStudie TU Wien

Charakterisierung der technischen Verfahren zur KWK aus Biomasse

Erhebung von technischen und wirtschaftlichen Daten konkreter Anlagen aus der Praxis

Wirtschaftlicher Vergleich der unterschiedlichen Technologien nach Einführung einer gleichen Basis

Vergleich mit anderen (ausländischen) neueren Studien

Ziel: Typische Stromgestehungskosten

Überleitung zur aktuellen Studie „Optimierte KWK-Systeme“



Charakterisierung der technischen Verfahren zur KWK aus BiomasseCharakterisierung der technischen Verfahren zur KWK aus Biomasse

Vergasung Gasreinigung Gasnutzung

Wärmenutzung

Strom

Feuerung Wärmeübertragungng

Kreisprozess

Wärme

Verfahren auf Verbrennungsbasis:

DampfturbinenDampfmotorenORC-Prozess(Stirlingmotor)

Verfahren auf Vergasungsbasis:

FestbettvergasungWS-VergasungLuft-/Dampfvergasung

Wärmeübertragung



Betrachtete AnlagenBetrachtete AnlagenAnlage Betreiber Technologie Stand Größe

Dampfmotor-KWK Hasag Möbel GmbH, Attnang-Puchheim

Dampfkolbenmotor Marktreife 4,3 MWth

Rinden-KWK-Enns Donausäge Rumplmayr, Enns

Gegendruck- und Kondensationsdampfturbine

Marktreife 18 MWth

Biomasse Heizkraftwerk Bad St. Leonhard

Kraft und Wärme aus Holz GmbH (kwh)

Gegendruckdampfturbine Marktreife 20 MWth

Biomasse-KWK- Waidhofen

Fuchsluger Gegendruckdampfturbine Marktreife 4 MWth

ORC-KWK-Lienz Stadtwärme Lienz ORC-Prozess Marktreife 8 MWth

ORC-KWK-Hard Biostrom GmbH ORC-Prozess Marktreife 8 MWth

Biomasseheizkraftwerk Güssing

Fernwärme Güssing GmbH

Wirbelschicht-Dampfvergasung/Gasmotor

Demonstration 8 MWth

Biomasse-Blockheizkraftwerk Wr. Neustadt

EVN Festbett-Gleichstromvergasung/ Gasmotor

Demonstration 2 MWth



Technologiespezifische KostenTechnologiespezifische Kosten

Leis

tung

/

Ko

sten

art

Einh

eit

Ros

tfeue

rung

-St

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0,

9 M

Wth

Ros

tfeue

rung

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4,

3 M

Wth

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sung

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asm

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2,

0 M

Wth

Ros

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rung

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zess

8,0

MW

th

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8,

0 M

Wth

Ros

tfeue

rung

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egen

druc

k-

da

mpf

turb

ine

18,5

MW

th

Brennstoff-wärmeleistung

kWth 900 4300 2000 8000 8000 18500

El. Generatorleistung kWel,brut 50 580 580 1130 2000 2700

El. Eigenverbrauch kW 30 80 100 180 300 200

El. Nettoleistung kWel,net 20 480 480 950 1700 2500

Nutzbare Fernwärmeleistung

kWQ 800 3050 720 6100 4500 12000

Investition (Anlage, Gebäude, MSRT)

€/kWel,brut 8784,00 3775,56 5172,41 4630,09 5000,00 2637,96

Investition (Anlage, Gebäude, MSRT)

€/kWth 488,00 509,26 1500,00 654,00 1250,00 385,00

Wartung und Instandhaltung % Invest. p.a. 1,0 2,5 3,0 2,0* 3,0 2,0

Sonstige Fixkosten (Pacht, Versicherung) % Invest. p.a. 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2

Personalaufwand €/a 40 000 40 000 40 000 60 000 160 000 120 000

Betriebsmittelkosten €/MWhth 0,00 1,03 1,00 0,20 1,70 0,14



KostenKosten-- und Erlund Erlöösverteilung am Beispiel Gsverteilung am Beispiel Güüssingssing

Erlöse

Strom

Wärme

Kosten Jährliche Abschreibung/Kreditrate (5 % p.a.

real, 15 Jahre Laufzeit)

Entsorgung

PersonalPacht, Versicherung

Brennstoff

Betriebsmittel

Wartung/Instandhaltung



Stirlingmotor Dampfmotor

FB-Vergasung ORC-Prozess

WS-Vergasung Dampfturbine



StandardStandard--Rahmenbedingungen fRahmenbedingungen füür den Vergleichr den Vergleich

bhungStromgeste el

PaK ⋅=

Korrektur der Anlagengröße nach Schaidhauff [1998]:

b = -0,28

Volllaststunden im Bezug auf Strom 6000 h/a

Volllaststunden im Bezug auf Wärme 4000 h/a

Kalkulatorische Berechnungsdauer 13 a

Kalkulatorischer Mischzinssatz 6 % p.a.

Brennstoffkosten inkl. Entsorgung der Asche 14 €/MWh

Wärmetarif ab Kraftwerk 20 €/MWhQ

Keine Investförderung angenommen



Stromgestehungskosten am derzeitigen Stand der TechnikStromgestehungskosten am derzeitigen Stand der Technik

0

50

100

150

200

250

300

1 10 100

Fuel power [MWth]

Elec

tric

ity p

rodu

ctio

n co

sts

[€/M

Wh]

No investment subsidies6 % p.a for 13 yearsFuel costs: 14 €/MWh

Full load capacity heat: 4000 hFull load capacity electricity: 6000 hIncoming heat leads : 20 €/MWh

Fixed bed gasification

Fluidised bed gasification

ORC-Process

Back pressure steam turbine

Steam engine



VariationenVariationen

2 Leistungsklassen

3 MWth 20 MWth

Dampfmotor, FB-Vergasung, ORC-Prozeß WS-Vergasung, Dampfprozeß

Folgende Variationen wurden durchgeführt:

JahresvolllaststundenWärmeabsatzpreis ab Kraftwerk

Investförderung als verlorener ZuschussBiomassepreis

Kalkulatorische Betrachtungsdauer



Einfluss der VolllaststundenEinfluss der Volllaststunden

0

100

200

300

400

500

600

700

0 2000 4000 6000 8000 10000Total full load hours [h/a]

Elec

tric

ity p

rodu

ctio

n co

sts

[€/M

Wh]

Fixed bed gasifier 3 MWth

ORC-Process 3 MWth

Steam engine 3 MWth

Fluidised bed gasifier 20 MWth

Steam turbine 20 MWth


Full load hours p.a. for heat are set to 2/3 of the total full load hours p.a.Full load hours p.a. electricity: 6000 hFeed in tariffs heat: 20 €/MWh



Stromgestehungskosten bei unterschiedlichen Stromgestehungskosten bei unterschiedlichen Absatzpreisen der WAbsatzpreisen der Wäärmerme

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 10 20 30 40Feed in tariffs for heat [€/MWh]

Elec

tric

itypr

oduc

tion

cost

s[€

/MW

h]


Steam engine 3 MWth


No investment subsidiesInterest rates: 6 % p.a. for 13 yearsFuel costs: 14 €/MWh

Full load hours p.a.heat: 4000 hFull load hours p.a.electricity: 6000 h

ORC-Process 3 MWth




Einfluss der Einfluss der InvestfInvestföörderungrderung

0

50

100

150

200

250

0 10 20 30 40 50 60Investment subsidies [%]

Elec

tric

ity p

rodu

ctio

n co

sts

[€/M

Wh]


ORC-Process 3 MWth

Steam engine 3 MWth



6 % p.a. for 13 yearsFuel costs: 14 €/MWh

Full load hours p.a. heat: 4000 hFull load hours p.a. electricity: 6000 hFeed in tariffs heat: 20 €/MWh




Stromgestehungskosten bei unterschiedlichen Preisen fStromgestehungskosten bei unterschiedlichen Preisen füür r die eingesetzte Biomassedie eingesetzte Biomasse

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 5 10 15 20 25 30

Fuel price [€/MWh]

Elec

tric

itypr

oduc

tion

cost

s[€

/MW

h]

Steam engine 3 MWth



No investment subsidiesInterest rates: 6 % p.a. for 13 years


ORC-Process 3 MWth



Kalkulatorische BetrachtungsdauerKalkulatorische Betrachtungsdauer

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 10 20 30 40Pay back period [a]

Elec

tric

ity p

rodu

ctio

n co

sts

[€/M

Wh]


ORC-Process 3 MWth

Steam engine 3 MWth



No investment subsidies6 % p.a. Fuel costs: 14 €/MWh




Leistungsgröße: 500 kWel

Brennstoff: Hackgut

Betrachtete Technologien:

– Verbrennung mit Dampfmotor oder Dampfschraube– Verbrennung mit ORC-Prozess

– Vergasung mit Festbett und Gasmotor– Vergasung mit Zweistufenvergaser und Gasmotor

Deutsche Studie zu Stromgestehungskosten aus Biomasse (Quelle: Vogel, Kaltschmitt, 2007)



0,75 %/a (Investitionskosten-bezogen)- sonstige Nebenkosten

1 %/a (Investitionskosten-bezogen)- Versicherung

3 %/a (Investitionskosten-bezogen)- Kosten für Wartungs- und Reinigungsarbeiten

50000 €/a Mitarbeiter- durchschnittliche, spezifische Personalkosten

20 €/MWhth.- spezifischer Wärmeverkaufspreis (frei Anlage)

4000 h/a- Volllaststunden Wärmeerzeugung

6000 h/a- Volllaststunden Stromerzeugung

14 €/MWhBWL ≈ 40,5 €/tfeucht- spezifische Brennstoffkosten

1 %/a- Instandhaltungsfaktor Infrastruktur

2 %/a- Instandhaltungsfaktor Anlage und Peripherie

2,5 %/a- durchschnittliche Inflationsrate

8 %/a- Nominalzins

20 a- kalkulatorische Nutzungsdauer der Anlage

Basisdaten:

RahmenannahmenParameter

Deutsche Studie zu Stromgestehungskosten für 500 kWel(Quelle: Vogel, Kaltschmitt, 2007)



VergasungsVergasungs-- und verbrennungsbasierter Konzepte elektrischer Wirkungsgrad (lund verbrennungsbasierter Konzepte elektrischer Wirkungsgrad (links) und inks) und Gesamtwirkungsgrad (rechts) vs. StromgestehungskostenGesamtwirkungsgrad (rechts) vs. Stromgestehungskosten (Vogel, (Vogel, KaltschmittKaltschmitt, 2007), 2007)

10

15

20

25

30

35

1015202530Stromgestehungskosten [€ct/kWhel.]

ηel. [

%]

Vergasung kurzfristig Vergasung Technikentwicklung mittelfristigVergasung Kostenentwicklung mittelfristig Vergasung Technik- und Kostenentwicklung mittelfristigVerbrennung kurzfristig Verbrennung Technikentwicklung mittelfristigVerbrennung Kostenentwicklung mittelfristig Verbrennung Technik- und Kostenentwicklung mittelfristig

60

65

70

75

80

85

90

1015202530Stromgestehungskosten [€ct/kWhel.]

ηGes

amt [%

]

L

T L+T

günstig günstig

ungünstigungünstig

L

L+TT

L= LernkurveneffekteT= Technische Entwicklung

L

L+TT

L

L+TT

Vergasung

VergasungVerbrennung

Verbrennung



WWäärmerme-- und Stromgestehungskosten, CH, 2006und Stromgestehungskosten, CH, 2006Quelle: Th. Quelle: Th. NussbaumerNussbaumer et al.et al.

Leistungsgröße: KWK 0,5 MWel – 5 MWel

Brennstoff: Hackgut

Betrachtete Technologien:– Rostfeuerungen mit Dampfprozess und Elektroentstauber

Finanztechnische Randbedingungen nicht standardisiert.

Zuteilung der Kosten zu Strom- und Wärmeerzeugung im Verhältnis 2,5:1



WWäärmerme-- und Stromgestehungskosten, CH, 2006und Stromgestehungskosten, CH, 2006Quelle: Th. Quelle: Th. NussbaumerNussbaumer et al.et al.

0 5 10 15 20 25Leistung Qth+Pel MW

250

125

188

62

€/MWh

Strom

Wärme



Stromgestehungskosten am derzeitigen Stand der TechnikStromgestehungskosten am derzeitigen Stand der Technik

0

50

100

150

200

250

300

1 10 100

Fuel power [MWth]

Elec

tric

ity p

rodu

ctio

n co

sts

[€/M

Wh]


Full load capacity heat: 4000 hFull load capacity electricity: 6000 hIncoming heat leads : 20 €/MWh

Fixed bed gasification

Fluidised bed gasification

ORC-Process

Back pressure steam turbine

Steam engine

Festbettvergasung, DE

Dampfmotor/ORC, DE

Dampfturbine, CH







Stromgestehungskosten zukStromgestehungskosten zuküünftiger KWKnftiger KWK--AnlagenAnlagen

0

50

100

150

200

250

0 10 20 30 40 50

Number of future plants

Elec

tric

itypr

oduc

tion

cost

s[€

/MW

h]

ORC-process 3 MWth

Fluidised bed gasification 20 MWthSteam turbine 20 MWth

No investment subsidiesInterest rates: 6 % p.a for 13 yearsFuel costs: 14 €/MWh

Full load capacity heat: 4000 hFull load capacity electricity: 6000 hFeed in tariffs heat: 20 €/MWh

Fixed bed gasification 3 MWthSteam engine 3 MWth



Bandbreite der derzeitigen Stromerzeugungskosten aus erneuerbareBandbreite der derzeitigen Stromerzeugungskosten aus erneuerbaren n Energien (Quelle: Energien (Quelle: NitschNitsch et. al 2004)et. al 2004)



Zusammenfassung der bisherigen StudienZusammenfassung der bisherigen Studien

Studie beruht aus ausgeführten Anlagen, also auf realen belastbaren Daten

Notwendigkeit der Festlegung von Rahmenbedingungen für den Vergleich

Starke Abhängigkeit der Wirtschaftlichkeit von der Wärmeauskopplung

Starke Abhängigkeit der Stromgestehungskosten von der Anlagengröße

Starke Abhängigkeit der Stromgestehungskosten von den Brennstoffkosten

Kein großer Unterschied im Hinblick auf die Technologien

Ähnliche Ergebnisse bei ausländischen Studien



EdZEdZ--ProjektProjekt „„Optimierte Optimierte KWKKWK--SystemeSysteme““

Fokus: praxisorientierte Untersuchung bestehender Kraft-Wärme-Kopplungen

Betrachtete Anlagen (Verbrennungsanlagen)• Leistungsbereich kleiner 2 MWel

• Arbeitsmaschine auf Basis rechtsläufiger Kreisprozess− ORC Prozess− Dampfturbine− Dampfschraubenexpander, Dampfmotor



Projekt Projekt –– Inhalte (1)Inhalte (1)

• Recherche nach Anlagen in Österreich und Auswahl von repräsentativen Systemen

• Untersuchung und Kostenerhebung der Einzelkomponenten− Dampfturbine− Kondensator− Wärmeabnehmer, Ermittlung Lastprofil− Evakuierungseinrichtungen− Eigenstrombedarf

• Bewertung des Standes der Technik



Projekt Projekt –– Inhalte (2)Inhalte (2)

• Prozesssimulation verschiedenster Verschaltungen− Kondensator (Variation Temperatur, Bauart)− Detaillierte Betrachtung der Dampfturbinen− Variation der Evakuierungseinrichtung− Berechnung mit realistischen Lastprofilen der Wärmeabnehmer

• WirtschaftlichkeitsberechnungAuf Basis einer optimalen Anlagenvariante werden die Randbedingungen,

wie Brennstoffpreis variiert und die Stromgestehungskosten berechnet.



Inhalt der PrInhalt der Prääsentationsentation

Ergebnisse:• Präsentation der Situation derzeit installierter KWK-Systeme• Berechnung der Stromgestehungskosten als Vergleichswert• Ermittlung der optimalen Anlagenverschaltung