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Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 1Oktober 2013
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Vortrag im Rahmen des Kolloquiums „Regenerative Energien“
Lehrstuhl für Reaktorsicherheit und –technik am 29.10.2013 in Aachen
Dipl.-Ing. Cordt Rohde
EES Enerko Energy Solutions GmbH
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 2Oktober 2013
ENERKO INFORMATIK GmbH
Aachen
EEB ENERKOEnergiewirtschaftliche
Beratung GmbH
Aldenhoven und Berlin
IT-BeratungSoftwareentwicklung
Strategische PlanungEnergie- und
Umweltkonzepte
ENERKO INFORMATIK GmbH
Aachen
EEB ENERKOEnergiewirtschaftliche
Beratung GmbH
Aldenhoven und Berlin
IT-BeratungSoftwareentwicklung
Strategische PlanungEnergie- und
Umweltkonzepte
� Gegründet: 1980
� Ca. 80 Mitarbeiter
ESW ENERKOWirtschaftsberatung
GmbH
Düsseldorf
WirtschaftsprüfungRechtsberatung
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GmbH
Düsseldorf
WirtschaftsprüfungRechtsberatung
EES ENERKOEnergy Solutions GmbH
Aachen
EnergiebeschaffungNetznutzungs-management
EES ENERKOEnergy Solutions GmbH
Aachen
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Austausch von Wissen, Kundenkontakten, ProjektpersonalIngenieure, Betriebs- und Volkswirte, Rechtsanwälte, Wirtschaftsprüfer
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Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 3Oktober 2013
Quelle: Dow Jones Newsletter
Quelle: Spiegel Online
Aktuelle Meldungen zu Energiethemen:
Ist die Wortwahl symptomatisch – und wer
blickt da noch durch??
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 4Oktober 2013
Energiebedarf, Energieverwendung und KWKPlanungsgrundlagen KWKTypische KWK-AnlagenAnwendungsbeispieleWirtschaftlichkeit KWKKWK und die Energiewende
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 5Oktober 2013
Rot: fossil (80 %)Grün: regenerativ (12 %)
Fossile Primärenergie:- wird weitestgehend importiert (außer Braunkohle)- entspricht Würfel von 650 m Kantenlänge Heizöl. Im Jahr!- >oder Würfel 1,5 m Kantenlänge je Einwohner
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 6Oktober 2013
Importabhängigkeit Deutschlands nach Energieträgern
Quelle: BGR 2009
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 7Oktober 2013
Bedarf mechanische Energie = „Kraft“- Zwei Drittel (600 TWh/a) Stromerzeugung incl. Bahn- >das entspricht 25 % des Endenergiebedarfs- Ein Drittel (300 TWh/a) Verkehr (Straße, Wasser, Luft)
Bedarf “Wärme“- Verschiedene Sektoren - Verschiedene Temperaturniveaus- Ca. 50 % des Endenergiebedarfs
���� Endenergiebedarf ca. 63 % vom PrimärenergieinputRest: Umwandlungsverluste!
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 8Oktober 2013
Grundsätzliches Einsparprinzip der KWK-Stromerzeugung
Quelle: ASUE
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 9Oktober 2013
Entwicklung der KWK-Stromerzeugung in D bis 2011 in TWh
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 10Oktober 2013
���� Abschätzung des KWK-Potenzials in D, je nach Entwicklung des Heizwärmebedarfs
Quelle: AGFW 2013
Trend: „Wärmespeicher alsStromspeicher“ ist hier schon
eingerechnet!
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 11Oktober 2013
KWK-Stromerzeugung in Europa: Deutschland im Mittelfeld
Quelle: eurostat (etwas älter)
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 12Oktober 2013
Energiebedarf, Energieverwendung und KWKPlanungsgrundlagen KWKTypische KWK-AnlagenAnwendungsbeispieleWirtschaftlichkeit KWKKWK und die Energiewende
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 13Oktober 2013
Technische Konzepte für KWK-Anlagen
Die Bandbreite von KWK –Anlagen reicht von:
� 1 kW Mikroanlagen für Wohnhäuser
über
� 2 MW BHKW für Krankenhäuser etc.
bis zu
� 400 MW GuD- Anlagen für die Industrie
���� Niemand kann alles planen, Spezialisierung ist sinnvoll !
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 14Oktober 2013
Planung von KWK-Anlagen: Der Teufel steckt im Detail!
� Wärme- und Strombedarf müssen weitgehend zeitgleich vorliegen
� Temperaturniveaus des Wärmebedarfs müssen zum Erzeugungskonzept passen
� KWK Anlagen für die Heizwärmeerzeugung tragen wenig zur Sommerlastabdeckung bei � „KWK-Sommerloch“ + teurer Reststrombezug
� KWK deckt fast immer nur die Wärme-Grund- bis Mittellast, es ist praktisch immer ein Spitzen- und Reservekessel notwendig
=> Es bedarf einer genauen Auslegung, um die oft genannten Einspareffekte auch zu erzielen !
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 15Oktober 2013
Brennstoffe für KWK- Anlagen – kaum frei wählbar
Brenngase:
� Erdgas – „Der Standardbrennstoff“, sauber unproblematisch – aber teuer!
� Bio/Klär/Grubengas – gefördert durch EEG – Technik mittlerweile erprobt
� Synthesegase (Hochofen/Kokerei/Raffineriegas) – Sonderfälle der Industrie
� Sonstige Gase: LPG (Flüssiggas) hat kaum Bedeutung, Klopfprobleme bei Motoren - Wasserstoff vor allem in Brennstoffzellen sinnvoll
Flüssige Brennstoffe:
� HEL – Gasturbinen, Dieselmotor
� Pflanzenöle/ Methylester
� Sonstige Öle (z.B. HES)
Feste Brennstoffe:
� Kohle - Dampfkraftprozess
� Holz – Dampfkraft, ORC, Vergasung
� Ersatzbrennstoffe (EBS) aus Abfällen, Müll - Dampfkraftprozess
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 16Oktober 2013
Mögliche Fahrweisen einer KWK-Anlage:
1. Wärmegeführt – „Klassische KWK“, der Standard
2. Stromgeführt –Wirtschaftliche Optimierung/ Notstrom
3. Brennstoffgeführt – Biobrennstoffe, EEG-Anlagen
Beispiel: 2 MW el – Gasmotor-BHKW
Eta el: 0,4 Eta th: 0,45
Erdgas, Biogas5 MW Hu
Strom brutto *2 MW el
Wärme < 110 °C2,2 MW th 1.
2.
3.
* Bei ausreichender Wärmespeicherung ist eine Kombination aus 1. und 2 möglich !
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 17Oktober 2013
Wichtig: Wirkungs- und Nutzungsgrade der KWK-Anlage:
„Verhältnis Output elektrisch bzw. thermisch zu Brennstoffeinsatz“
Wirkungsgrad =Prüfstandswert; Nutzungsgrad = Jahresmittelwert
• Eta el* = Stromerzeugung/ Brennstoffeinsatz
• Eta th = Nutzwärmerzeugung/ Brennstoffeinsatz
• Eta gesamt = Eta el + Eta th
* i.d.R. Netto-Wirkungsgrade, also nach Abzug Eigenbedarf. Ausnahmen: EEG, Primärenergieeinsparung
Ziel: Brennstoffnutzung hoch ���� Eta gesamt möglichst hoch !
Wenn nicht: Keine Wirtschaftlichkeit, geringere oder keine Erdgassteuerermäßigung bzw. KWK-Zuschläge, Nicht-Erfüllen des EEWärmeG usw.
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 18Oktober 2013
Wichtig: Stromkennzahl (SKZ) der KWK-Anlage
„Verhältnis Strom- zu Wärmeoutput“
SKZ = Nettostromerzeugung / Nutzwärmerzeugung
Ziel: Stromkennzahl möglichst hoch – „je höher die SKZ, je eher ist es KWK“
Generell: Je größer die Erzeugungseinheiten, umso höher die SKZ, weil die elektrischen Wirkungsgrade besser werden. So z.B. beträgt die SKZ bei 1 kW-BHKW ca. 0,4; bei 2 MW-BHKW ca. 1, bei 400 MW-GuD SKZ 1,5! Je niedriger das Temperaturniveau, um so besser SKZ und Eta gesamt!
Wichtig: Die SKZ kann nur zusammen mit dem Gesamtnutzungsgrad bewertet werden – im Idealfall ist beides hoch. Dann maximale Aus-nutzung des KWK-Potenzials bei maximaler Primärenergieeinsparung.
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 19Oktober 2013
Beispiele für Stromkennzahl und Gesamtnutzungsgrad
Nutzwärme
Nettostrom
Brennstoff
Verluste
ANur
Kessel
(keine KWK)
B1 kW-BHKW
C2 MW-BHKW
D2 MW-BHKW
stromgeführt mit gezielter
Wärmeabfuhr
E400 MW-
GuD
SKZ Eta gesamt
A 0 0,9
B 0,4 0,9
C 1,0 0,85
D* „1,5“ 0,7
E 1,5 0,8
1
2
3
Wärm
ebedarf
* Das BHKW erzeugt mehr Wärme als benötigt, der Überschuss wird mit Kühlern vernichtet
Gleiche Anlage, verschiedener Betrieb
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 20Oktober 2013
Auslegung von KWK- Anlagen:
� Grundsätzlich „vom Groben ins Feine“, Details später>
� Nicht mit vorgefasstem Konzept beginnen
� Zunächst möglichst genaue Datenerhebung „IST-Zustand“
� Genaue Kenntnis der Energiepreise und aktueller Gesetze:
� KWK-Förderungsgesetz (KWKG) 2012
� Erneuerbare Energien-Gesetz (EEG) 2012
� Energiesteuergesetz/ Stromsteuergesetz 2012
� TA-Luft, diverse BImSchVo, örtliche Umweltauflagen>
� Sinnvolle Annahmen zur zukünftigen Entwicklung treffen
���� Szenarien für Energiebedarf, Energiepreise usw. aufstellen!
Ist oft dieKönigsdisziplin!
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 21Oktober 2013
IST-Daten: Analyse des Wärmebedarfs zuerst (vorh. System)!
� Zunächst Jahressummen Brennstoffeinsatz vorhd. Erzeuger undverteilte Wärmemengen aus Abrechnungen und ggf. eigenen Messwerten bilden – Plausibilität über Nutzungsgrade prüfen –abgleichen
� Analyse der Temperaturniveaus – kann man das/ die Niveaus senken? Dann bessere Stromkennzahlen/ einfachere Technik möglich! Kann man Dampf durch Heißwasser ersetzen? Niedertemperaturwärme nutzen?
� Idealfall: Stundenwerte/ Lastgänge liegen vor, dann sind daraus folgende Darstellungen möglich und sinnvoll:
� Ganglinien Jahr/ Monat Tag (Kältester/ heißester Tag usw.)
� Lastgebirge als 3D-Darstellung (Excel) � Gute Anschauung
� Auch Draufsicht Lastgebirge bietet gute Orientierung
� Daraus geordneten Jahresdauerlinien (JDL)
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 22Oktober 2013
01.01.2002
04.02.2002
10.03.2002
13.04.2002
17.05.2002
20.06.2002
24.07.2002
27.08.2002
30.09.2002
03.11.2002
07.12.20020:00
6:00
12:00
18:000
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Thermische Leistung in MW
Uhrzei
t
Beispielhaftes Lastgebirge Wärmebedarf
16-18
14-16
12-14
10-12
8-10
6-8
4-6
2-4
0-2
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 23Oktober 2013
Beispielhafte geordnete Jahresdauerlinie Wärmebedarf
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 5.000 5.500 6.000 6.500 7.000 7.500 8.000 8.500
thermische Leistung (MW)
Stundenmittelwert Wärmemax. 16,3 MWth
jährlich 42.100 MWhth
Wichtiger Kennwert:Benutzungsstunden alsQuotient Wärme/ Leistung,Hier: Ca. 2.500 Bh/a
Wenn verschiedene Temp.-Niveaus: Einzelauswertung!
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 24Oktober 2013
Analyse des Strombedarfs analog zur Wärme:
Wichtig bei Verwendung von KWK zur Eigenstromversorgung, um deneingesparten Strombezug und den Reststrombezug zu bewerten. Fernerwichtig für Verhandlungen mit Netzbetreiber über Größenordnung dervermiedenen Netznutzung. Weniger wichtig bei EEG-Anlagen, da konstanteVergütung.
Analyse: 1/4h- Werte verwenden
Daraus gleiche Ansichten wie bei Wärme generieren: BenutzungsdauernStrom meist höher (5.000>6.000 Bh/a), als bei Wärme. Stromspitzen durchKlimakälteanlagen mittlerweile auch im Sommer möglich
Anmerkung: Begriff „Kraft“ aus KWK ist nicht automatisch gleich Strom – auch Antriebsenergiefür Pumpen, Verdichter gehört dazu. Im Folgenden aber nicht behandelt, da Sonderfall
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 25Oktober 2013
Beispielhafter Lastgang Strombedarf
0
2
4
6
8
10
12
14
01.0
1.20
0221
.01.
2002
11.0
2.20
0204
.03.
2002
25.0
3.20
0215
.04.
2002
06.0
5.20
0226
.05.
2002
16.0
6.20
0207
.07.
2002
28.0
7.20
0218
.08.
2002
08.0
9.20
0228
.09.
2002
19.1
0.20
0209
.11.
2002
30.1
1.20
0221
.12.
2002
elektrische Leistung (MW)
max. 12,7 MWel
jährlich 66.900 MWhel
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 26Oktober 2013
Beispielhafte geordnete Jahresdauerlinie Strombedarf
0
2
4
6
8
10
12
14
0h 500h 1000h 1500h 2000h 2500h 3000h 3500h 4000h 4500h 5000h 5500h 6000h 6500h 7000h 7500h 8000h 8500h
elektrische Leistung (MW)
max. 12,7 MWel
jährlich 66.900 MWhel
Kennwert:Benutzungsstunden hier: Ca. 5.300 Bh/a
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 27Oktober 2013
Autowerk/ Analyse Energiebedarf Synthetisches Jahr/ Basis 2010
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001
Stunden/ Jahr (nicht chronologisch)
Bed
arf
Wärm
e u
nd
Str
om
(M
W t
h,
MW
el)
Wärmebedarf gesamt geordnet
Strombedarf zeitgleich zu Wärme gesamt
Kapazität BHKW (MW th)
Strombedarf Werk über Angebot BHKW
Strombedarf Werk unterAngebot BHKW
Strombedarf Werk über Angebot BHKW
Gleichzeitigkeit Strom/Wärme:Bedarfe divergieren�Zusatzstrombezug nötig�Rücklieferung nötig
Beispiel: Großes Fahrzeugwerk in Süddeutschland/ Energiebedarf
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 28Oktober 2013
Klimakälte aus Wärme - Mögliche Senke für „Sommerwärme“:
KWK-Anlagen für Heizungswärme leiden unter dem „Sommerloch“: Kaum Abnahme von
Nutzwärme, prozentual sehr hohe Netzverluste
Der Bedarf für Klimakälte steigt stark an – Komfortgründe, glaslastige Architektur…
Mit Absorptionskältemaschinen (AKM) wird aus Wärme Klimakälte (Niveau z.B. 6°/ 12 °C)
erzeugt. Wärmeverhältnis (Nutzkälte/ Wärmeeinsatz) für einstufige Absorptionskältemaschinen
ca. 0,6…0,7, je nach Temperaturniveau. Ab 100 °C sinnvoller Betrieb möglich. Ab 150 °C (meist
Dampfeinsatz) auch zweistufige AKM, Wärmeverhältnis bis 1,2 möglich. Baugrößen bis einige
MW Kälte sind bewährt
Adsorptionskältemaschinen nutzen Feststoffe (Zeolithe) als Bindemittel für Wasserdampf.
Baugrößen kleiner als AKM. Leistungszahl ca. 0,6, Antriebstemperaturen bereits ab 50 °C
möglich
Gute Basisinformationenbei der ASUE verfügbar!
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 29Oktober 2013
Vergleich Absorptions- und Kompressionskälte
KKM 1,5 MW k
COP ca. 4
Strom0,4 MW th
Abwärme Trockenkühler1,9 MW th
Kälte 1,5 MW k
Instandhaltung
AKM 1,5 MW k
COP ca. 0,65
Wärme2,3
MW th
AbwärmeNasskühlturm3,8 MW th
Kälte 1,5 MW k
Wasser, Strom, Instandhaltung
BHKW 2 MW el
KWK-Strom2,0 MW el
Erdgas5,0 MW Hu
Klimakälte aus Kompressionskälteanlage.Elektrisch betrieben. Das Standardkonzept
Klimakälte aus Absorptionskälteanlage.Blockschaltung mit BHKW. Konzept ist sehr sorgfältig zu prüfen. Unter bestimmten Bedingungen wirtschaftlich!
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 30Oktober 2013
Beispielhafte geordnete Jahresdauerlinie Wärmebedarf und Wärmebedarf für Absorptionskälte
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0
500
1.00
01.
500
2.00
02.
500
3.00
03.
500
4.00
04.
500
5.00
05.
500
6.00
06.
500
7.00
07.
500
8.00
08.
500
thermische Leistung (MW)
Stundenmittelwert Wärme für KälteStundenmittelwert WärmeJDL nur WärmeStundenmittelwert Wärme gesamt
Beispiel:Kälte aus Wärme er-höht Sommerabsatz
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Folie 31Oktober 2013
Projektorganisation: Wer macht was?
Mögliche Lösungen für den Ingenieurpart (Projektleitung/ Planung/ Bauleitung):
� Kunde plant selbst, und leitet den Bau. Diese Konzept ist für Folgeanlagen sinnvoll. - Genügend Arbeitszeit für Projektabwicklung „frei schalten“!- Eigenes know-how in Technik und Projektorganisation muss vorliegen!
� Ein Generalplaner oder mehrere Fachplaner unterstützen Kunden- Analog zu „Architektenauftrag“- Sinnvolle Aufteilung für Planung z.B.: Maschinentechnik/ Bautechnik- Planer schreiben aus, vergeben, leiten den Bau und IBN
� Planung wird direkt an GU vergeben (in D eher selten)- Kontrollmechanismen etablieren!- Interessenkollision bei GU: Qualität vs. Kosten- GU mit Gesamtkompetenz sorgfältig aussuchen
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Folie 32Oktober 2013
Energiebedarf, Energieverwendung und KWKPlanungsgrundlagen KWKTypische KWK-AnlagenAnwendungsbeispieleWirtschaftlichkeit KWKKWK und die Energiewende
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Folie 33Oktober 2013
Gas- und Dampfturbinen-HKW (GuD)
GT G
G
Gasturbinen-HKW
GT G
Dampfturbinen-HKW
G
Leistungsbereich:
El. Wirkungsgrad:
Abwärmenutzung:
Brennstoffe:
* Investition:
0,5...300 MWel
5...300 MWth
10...30%
Dampf, Heißwasser
Gas, Öl, Kohle, Biomasse (EEG)
3.000...1.200 €/kWel
1 MWel...100 MWel
2MWth...50 MWth
20…40%
Dampf, Heißwasser
Gas, Öl
4.000...700 €/kWel
50...500 MWel
50...250 MWth
35...50%
Dampf, Heißwasser
Gas, Öl
2.500...800 €/kWel
1kWel...50 MWel
3kWth...75 MWth
25...45%
Warmwasser
Gas, Öl, Bio-Brennst. (z.B. Rapsöl =>EEG)
4.000...700 €/kWel
Mö
gli
ch
e A
nla
gen
typ
en
* Investzahlen nur sehr überschlägig, hängt stark von Baugröße und Projektspezifika ab, aber auch von Konjunkturlage
Motor-BHKW
MG
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 34Oktober 2013 Folie 34
Stromerzeugung mit Erdgasmotoren/ BHKW
In der Größenklasse bis ca. 10 MW eignen sich Erdgasmotoren besonders gut
� Erprobte Produkte von vielen renommierten Herstellern � Wettbewerb am Markt!
� Motoren liefern Nutzwärme bis 110 °C � ausreichend für Absorptionskälteerzeugung und Wintereinspeisung von Fernwärmesystemen, auch Niederdruckdampf möglich
� Der Motor/ die Motoren arbeiten automatisch und haben bei hohem Wirkungsgrad einen nutzbaren Regelbereich zwischen 35>100 %
� Die Wartung erfolgt durch die Hersteller � geringer Eigenaufwand
� Es werden fertige BHKW-Module mit Wärmeauskopplung, Abgasanlage, Regelung usw. geliefert
� Module lassen sich gut zu einer Gesamtanlage zusammenfügen
� Spezifische Gesamtinvestition 1000>3000 €/kW (2000>20 kW el)Gasmotor 2000 kW/
Quelle: MWM
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 35Oktober 2013
Quelle: Lichtblick/ VW
BHKW-DatenTyp Erdgasmotor
Elektrische Leistung 20,0 (kW el)Thermische Leistung 32,0 (kW th)Gaseinsatz 57,2 ( kW Hu) >bzw. 62,9 ( kW Ho)Gesamtnutzungsgrad 91,0 ( % )Elektrischer Wirkungsgrad 35,0 ( % )Thermischer Wirkungsgrad 56,0 ( % )
BHKW geht auch in kleinSSoder in ganz klein
Quelle: Honda/ Vaillant – 1 MW el für zuhause
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 36Oktober 2013
BHKW für hohe Temperaturen: Industrie-Gasturbinen
- Industriegasturbinen 1,5>10 MW, Wirkungsgrad elektrisch 25>35 %
bei Abgastemperaturen bis 500 °C � ideal zur Dampferzeugung
- Gasturbinen aus Flugtriebwerken bis 50 MW el, Wirkungsgrad elektrisch über 40 %
Gasturbine 6000 kW/ Quelle: Kawasaki
Gasturbine 45000 kW/ Quelle: GE
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 37Oktober 2013 Seite 37
Technik Mikrogasturbine (MGT)
- Entwicklung aus Aero-Hilfsturbinen - Sehr kompakte und leichte Bauweise
durch Integration des Generators - Größte Einheit z. Zt. 200 kW el- Je Ofen 2 Einheiten parallel - El. Wirkungsgrad ca. 33 % brutto
durch internen Rekuperator- Abgas ca. 275 °C heiß- Für Dauerbetrieb konstruiert- Wartung alle 8000 h � 1 x im Jahr- Hersteller z.B. Capstone (USA)
Neuentwicklung: Mikrogasturbine liefert direkt Heißluft 300 °CSgut für Trockenprozesse, aber auch Schwimmbäder
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 38Oktober 2013
KWK in ganz großWärmeauskopplung aus Kohlekraftwerken. Z.B. 100 MW th für Aachen aus Weisweiler (auch die RWTH wird versorgt). Vermeidung lokaler Emissionen.
Oder Stadt Mannheim: Quasi zu 100 % aus Kohle wärmeversorgt!
Quelle: Eon
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 39Oktober 2013
Energiebedarf, Energieverwendung und KWKPlanungsgrundlagen KWKTypische KWK-AnlagenAnwendungsbeispieleWirtschaftlichkeit KWKKWK und die Energiewende
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 40Oktober 2013
Beispiel 1
Auslegung eines 4 MW-BHKW Fernwärmenetz Stadtwerke xy
• Grundlage: Bereits dargestellte Auswertung Wärmebedarf
• Anlagentyp: 2 Module Gasmotor-BHKW mit ca. 2 MW el/ 2,3 MWth
• Stromkennzahl nahe „Eins“ � sehr gute Ausnutzung KWK-Potenzial!
• Modulauswahl: Eher große statt viele Module � Invest, Nutzungsgrade besser
• …grundsätzlich wäre auch ein 4 MW-Modul denkbar!
• Ziel i.d.R. zumindest 5.000, besser aber über 6.000 Volllaststunden
• Anteil KWK – Wärme steigt mit der Speichergröße, auch Möglichkeiten bei der Stromvermarktung
• Wärmespeicher zur Minimierung Startzahl/ Abdeckung kurzzeitiger Spitzenlast
• Restwärme aus vorhandenen Kesseln für Spitzenlast und Reserve
• Das BHKW ist nicht zu groß ausgelegt, denn Wärmebedarf nimmt i.d.R. über die Jahre ab (z.B. Wärmedämmung) – Prinzip der Vorsicht angewendet
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 41Oktober 2013
Lastgang mit KWK-Anteil der Wärmeerzeugung
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
01.0
1.02
16.0
1.02
31.0
1.02
15.0
2.02
02.0
3.02
17.0
3.02
01.0
4.02
16.0
4.02
01.0
5.02
16.0
5.02
31.0
5.02
15.0
6.02
30.0
6.02
15.0
7.02
30.0
7.02
14.0
8.02
29.0
8.02
13.0
9.02
28.0
9.02
13.1
0.02
28.1
0.02
12.1
1.02
27.1
1.02
12.1
2.02
27.1
2.02
Stundenmittelwert thermische Leistung
(MW)
Kessel-Wärme 13.000 MWh/a
BHKW-Wärme 29.000 MWh/a
Hier Wärmespeichereinsatz dargestellt. Ohne Speicher würde das BHKW bei Teillast unter ca. 1 MW th abschalten
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 42Oktober 2013
Jahresdauerlinie mit KWK-Anteil der Wärmeerzeugung
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500
Stundenmittelwert thermische Leistung
(MW)
Kessel-Wärme 13.000 MWh/a
BHKW-Wärme 29.000 MWh/a
Hier Wärmespeichereinsatz dargestellt.Für zwei Module je 2 MW el/ 2,4 MW th ca. 100 m³ Netto- bzw. 120 m³ Bruttovolumengewählt (delta T BHKW = 40 °C ���� ca. 4 GWh)
Faustregel Speicher:
Zumindest 1 Stunde Volllastbetrieb für ein Modul ohne Wärmeabsatz ermöglichen, besser mehr!
Es werden durch 2 BHKW-Module erreicht:- Deckung von 70 % des Wärmebedarfs- Deckung von 30 % des Leistungsbedarfs- Ausnutzung ca. 6.000 Volllaststunden
Kurzzeitspitzen
Schwachlast
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 43Oktober 2013
Beispiel für BHKW-Betrieb mit Speicher
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
24.7 25.7 26.7 27.7 28.7 29.7 30.7 31.7
Wärmeleistung (MW)
-8,0
-6,0
-4,0
-2,0
0,0
2,0
4,0
Speicherinhalt (MWh)
Wärmeeinspeisung BHKW direkt Erzeugung KesselBHKW-Wärme in Speicher Wärmeeinspeisung aus dem SpeicherWärmebedarf BHKW-ErzeugungSpeicherfüllstand
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 44Oktober 2013
Technische Randbedingungen
Berücksichtigung begrenzender technischer Faktoren auf KWK-Anlagen, z.B.
• Auslegung Wärmenetze: Druck, Menge, Rücklauf-, Vorlauftemperatur, Wasserqualität….
• Vorsicht 1: Bei RLT > ca. 75 °C BHKW-Einsatz schwierig bzw. Notkühler nötig!
• Vorsicht 2: Bei Absorptionskältemaschinen hat RLT i.d.R. über 75 °C!
• Verfügbarer Gasdruck (speziell bei Gasturbinen), Gasmenge
• Brennstoffanalyse: Qualitätsschwankungen (z.B. Propanzumischung im Winter, Biogasqualitäten usw.)
• Werkstoffanforderungen, z.B. für Abgasanlage prüfen
• Schallanforderungen – haben großen Einfluss auf Aufstellung, Kosten und Art vieler Einzelkomponenten. Im Zweifel Gutachter einschalten!
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 45Oktober 2013
Wärme-Speicher
~ 2 hVolllast~ 85 m³Netto
~ 100 m³Brutto
Ladezustand
SteuerungBHKWAn/Aus
La
de
n
NW-P< 70°C
< 110°C
Abgas~ 120°C
BHKW-P
En
tlad
en
Spitzen-kessel
AG-WT
2MWel
Strom
Kühlwasser
Motor
Ölkühlung
Generator
Luft
Mischer
Gas
BLOCKTRAFO
Synchronisation
Tischkühler~ 40°C~ 200 KW
GMK1
GMK2
94°C
74°C
(6 KV)
Nu
tzw
ärm
e
2 M
W th
Sinnvolle SchnittstelleModul/ Gesamtanlage
0,4 KV 20 KV
Turbolader Wärme-Speicher
~ 2 hVolllast~ 85 m³Netto
~ 100 m³Brutto
Ladezustand
SteuerungBHKWAn/Aus
La
de
n
NW-P< 70°C
< 110°C
Abgas~ 120°C
BHKW-P
En
tlad
en
Spitzen-kessel
AG-WT
2MWel
Strom
Kühlwasser
Motor
Ölkühlung
Generator
Luft
Mischer
Gas
BLOCKTRAFO
Synchronisation
Tischkühler~ 40°C~ 200 KW
GMK1
GMK2
94°C
74°C
(6 KV)
Nu
tzw
ärm
e
2 M
W th
Sinnvolle SchnittstelleModul/ Gesamtanlage
0,4 KV 20 KV
Turbolader
„Standardanlage“Gasmotor-BHKW
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 46Oktober 2013
Technische Randbedingungen Stromnetz/ Steuerung
• Spannungsniveau Generator NS oder MS 6…20 kV � Blocktrafo?• Räumliche Lage von vorhandenen Schaltanlagen und Netzen• Erhöhung der Kurzschlussstromes! � KS-Berechnung meist nötig � bei
Überschreitung ggf. Is-Begrenzer sinnvoll• Schaltbedingte Spannungsänderungen prüfen!• Ggf. Inselbetrieb/ Ersatzstromversorgung sinnvoll/ nötig?• Anschluss Stromnetz mit Vorversorger prüfen. Ab 2013 „Dynamische
Netzunterstützung“ gefordert – ggf. größere Generatoren?• Verwendung von (ggf. vorhandenen) USV-Anlagen für Steuerung• Kommunikation BHKW mit vorhandenen Steuerungen/ Leitsystem
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 47Oktober 2013
BHKW-Anbindung an die bauseitige elektrotechnische Anlage
10 kV
LTS LTS UMZ LSSchutz
Ringanbindungan das 10 kV 400 VMS-Netz
BHKW-USV Modul LTS =
NSHV 60 VDC Lasttrennschalter
LS =Leistungsschalter
bauseitige Anlagenbereiche
zentrale
Leittechnik Schutz Hilfs- Mod. LV-Umfang
Syn. antr. Steu.
Eigenbedarf BHKW
Heizwerk Auto- Anbindung an HW SPS und an die übergeordnete Leittechnik
matisierung
Zählung 1
Zählung 2
G
M
BHKW-Steuerung
Beispiel 2 MW BHKW:
10 kV-Generator erspart Blocktrafo
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 48Oktober 2013
BestehendesHeizwerk
Kamine
Wärmespeicher2 x 50m³
Abgaswärmetauscher
BHKW – Modul2.000 kW
11 m
4,7
mBeispiel Anbau 2 MW BHKW:
Grundriss
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 49Oktober 2013
Beispiel Anbau 2 MW BHKW an vorh. Heizwerk
Wärmespeicher 2 x 50 m³, Abgaszug an vorhd.Schornstein angebunden
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 50Oktober 2013
Input Wirtschaftlichkeit: Investitionsbedarf für 2 MW BHKW,
Beispiel Integration BHKW in vorhandenes Heizwerk
• BHKW incl. Wärmeauskopplung 900 T€
• Bauleistungen 250 T€
• Elektrotechnik, Mess- und Regeltechnik 150 T€
• Gasanbindung, Wärmeseitige Anbindung 150 T€
• Wärmespeicher 100 T€
• Schornstein 50 T€
• Stundenlohn Montage 50 T€
• Sonstiges incl. Planung + Reserve 150 T€
Gesamt Σ 1.800 T€
(Stand 2008, in 2006 kam man noch mit ca. 1.400 T€ aus, es gab eine
Preissteigerung von ca. 30 % im Anlagenbau. Niveau 2012 eher wie 2008.
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 51Oktober 2013
Beispiel 2:
Planung Mikrogasturbine 400 kW für
eine Kartonagenfabrik
Hier handelt es sich um eine Pilotanwendung. Mikrogasturbinen sinderst seit einigen Jahren serienreif, somit gibt es noch nicht vielBetriebserfahrungen. Die gezeigte Anlage wird zurzeit erprobt, um bei(wirtschaftlichem) Erfolg ähnliche Fabriken mit KWK-Anlagenauszurüsten. Vorteil der industriellen Anwendung sind die hohenBenutzungsdauern aufgrund durchgehender Fertigung.
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 52Oktober 2013
Einbindung Mikrogasturbine (MGT) : Grob-Schema für 2 x 200 kW el je Ofen
Grün: Neue Teilanlagen
Abluft
55 °C
19.000 kg/h
KWK-Strom
380 kW el
Mikro-
Gasturbine
2 Module
Abgas
11.000 kg/h
275 °C
Misch-Kammer
mit Stand-By-Brenner
Trockenofenfür 450 kg/h Produkt
Frischluft, kalt
10 °C
11.000 kg/h
Umluft
100 °C
41.000 kg/h
Zuluft
165 °C
52.000 kg/h
WT Wasser
300 kW th
Betriebswasser
Ca. 60 °C, auch als Ersatz für HEL-Kessel
Erdgas
1600 kW Hu
Zusatz-brenner
1200 kW
400 kW
WT Luft
Ca. 150 kW th
Zusatzluft
auf Ofenein/ ausgang
Wärme-
Rückgewinnung
Verfahrenstechnische Einbindung in Trockenprozess. Wichtig: Fertigung soll zur Risikominimierung auch ohne Turbine laufen können!
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 53Oktober 2013
Aufstellungskonzept: Außenaufstellung – geringe Baukosten
MGT
Ofen 1
Ofen 2NSHV
Einbindepunkt
Strom
Erdgas
Heißluft
Einbindepunkt
Strom
Erdgas
Heißluft
Bre
nn
errä
um
e
Konkrete Planung: Aufstellung, Einbindung, Bedienung, SchallschutzS
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 54Oktober 2013
Energiebedarf, Energieverwendung und KWKPlanungsgrundlagen KWKTypische KWK-AnlagenAnwendungsbeispieleWirtschaftlichkeit KWKKWK und die Energiewende
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 55Oktober 2013 Seite 55
� Stromeigennutzung oder Einspeisung oder Mischform?
� „Sprungfunktionen“ (z.B. Förderdauer bei 50 kWel oder Wegfall Stromsteuer bei 2000 kWel )
� Wer investiert – Nutzer oder Contractor ?
� Relevante gesetzliche Randbedingungen
� EEG
� EEWärmeG
� KWKG
� EnEV
� StromStG
� Emissionshandel
� BImSchG usw., usw>
� Investitionshöhe
� Energiepreise: Differenz zwischen Strom- und Brennstoffpreis entscheidend!
Randbedingungen für Wirtschaftlichkeit KWK: Sehr, sehr viele!
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 56Oktober 2013 Folie 56
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 57Oktober 2013
Investermittlung
� Immer vom Groben ins Feine – top down statt bottom up!
� Immer mehrere Quellen verwenden, Einzelergebnisse vergleichen und bewerten
� Genau den zu schätzenden Anlagenumfang festlegen, nicht Äpfel mit Birnen vergleichen („war der Bau eigentlich in den Kosten drin….?“)
� Gute Quellen: Anlagenbauunternehmen oder Planungsbüros mit Referenzen� ähnlicher Anlagen (gleiches Konzept, ähnliche Größe)
� Sehr viel Vorsicht bei Internetangaben, höchstens zum Vergleich heranziehen. Grund: Zahlen oft bewusst verzerrt und ggf. unvollständig oder überfrachtet, je nach Intention des Autors. Im Zweifel nachtelefonieren!
� Preise von Teilanlagen kann man nach der Formel P = P ref * (Dim/ Dim ref)0,7
� skalieren (P=Preis, Dim=Leistung, ref= Referenzobjekt). Wichtig: Gleiche Bauart, Leistungsverhältnis nicht höher als 3…5 (bzw. Kehrwerte)
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 58Oktober 2013
Erfahrungswerte aus der
Baupraxis. Eine
„Sättigung“ Invest tritt bei
ca. 750 €/kW ein
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 59Oktober 2013 Seite 59
Schritte der Wirtschaftlichkeitsrechnung (WIR)
TechnischeAnlage
WiR Statisch für ein Jahr
WiR Dynamisch für z. B.
AbschreibungszeitLebensdauer
Bepreisung
KostenströmeErlöse
Gewinn/Verluste
Änderungen von Parametern
Input Output
EnergienMengenströme
Betriebs-weise
FinanzierungBetrieb
Instandhaltung
Grenzkosteno. Vollkosten?
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 60Oktober 2013
Unterscheidung Grenzkosten-, Vollkostenbetrachtung
� Grenzkosten/Erlöse: Nur variable Posten bewerten!
für Optimierung bereits laufende Anlagen:
� Betreiben / Betrieb ändern /Stilllegen?
� Welches Produkt / Welche Mengen erzeugen?
� Welche Brennstoffe / Welche Mengen einsetzen?
� Energie zukaufen / selbst erzeugen?
� Vollkosten/Erlöse: Alle Posten (fix und variabel) bewerten!
Für Neuplanung, Wertermittlung, Verkauf / Kauf
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 61Oktober 2013
Beispiel Vollkostenbetrachtung Neuinvestition:
Zubau 2 MW-BHKW an Heizwerk/ Stand 2008 (Ergebnisgrafik)
200 200
1.800
900
290
1.490
1640
360
850
120
270
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
reine Wärmeerzeugung
Anteil reiner Wärmeerzeugung
Anteil Kosten für KWK
Anteil Einnahmen durch KWK
Gewinn durch KWK
Jä
hrl
ich
e K
oste
n/E
rlö
se (
T€
/a)
KWK-Zuschlag
vermiedeneneNetznutzung
Stromerlös Arbeit
Gewinn durch KWK
RestkostenWärmeerzeungung
Gaseinsatz BHKWohne EnSteuer
Fixkosten BHKWincl.Zins/ Inst
Gaseinsatz Kesselmit EnSteuer
Fixkosten Kessel
Nur Kesselanlage Zubau 2 MW-BHKW zu Kesselanlage
Nur 6 Jahre!
1530
470
180
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 62Oktober 2013
Dynamische Betrachtung – Beispiel 2 MW BHKW: Grafik Zeitreihen
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023
Jä
hrl
ich
e Ü
be
rsc
hü
ss
e/
Ku
mu
lie
rte
r B
arw
ert
(T
€/a
, T
€)
Erlöse ./. Kosten
Erlöse ./. Kosten, abgezinst
Kumulierter Barwert Projekt
KWK-Zulage Finanzierung
Betriebszeit BHKW
Diagramm gilt für Daten aus Statischer WiR, als Finanzierung angenommen: 10 Jahre/ 6 % Zins bezogen auf 1.800 T€ Investition
Generalüberholung
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 63Oktober 2013
Energiebedarf, Energieverwendung und KWKPlanungsgrundlagen KWKTypische KWK-AnlagenAnwendungsbeispieleWirtschaftlichkeit KWKKWK und die Energiewende
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 64Oktober 2013
Welche Rolle spielt KWK bei der Energiewende?
� Erneuerbare und KWK leisten das Gleiche: Einsparung von Primärenergie
� Gesetzlich sind daher beide Wege gleich privilegiert – das ist konsequent
� Mischformen auf der Brennstoffseite sind möglich, z.B. Biomethan-BHKW
� Im Sommer kann KWK + Wärmespeicher positive Regelenergie liefern
� Im Winter kann KWK negative Regelenergie liefern (einfache Abschaltung)
� Wärmespeicher mit E-Heizung nutzen EEG-Stromüberschuss verlustfrei
� Verdoppelung KWK-Strom in 10…20 Jahren möglich – das Potenzial ist da
� weitere 115 TWh el /a bzw. 150 TWh Primärenergieeinsparung durch KWK
KWK bleibt in jedem Energieszenario ein wichtiger Baustein!
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 65Oktober 2013
Was erfordert/ bietet/ leistet KWK noch?
� Ohne Förderung und gesetzliche Vergünstigungen wäre KWK nicht wirtschaftlich.
Die Energiemärkte sind zu volatil, um langfristige Investitionen zu planen � KWK-
Förderung eher stärken als abbauen!
� KWK ist eine komplexe Technologie, die stark von einheimischen Unternehmen
getragen und weiterentwickelt wird � know-how-Gewinn!
� Entwicklung und Planung von KWK-Anlagen erfordern ein breit angelegtes
Ingenieurwissen, das durch betriebswirtschaftliche und juristische Kenntnisse gestützt
flankiert werden muss � Interessante und zukunftssichere Arbeit!
Also: KWK braucht die Absolventen der RWTH!!!
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Folie 66Oktober 2013
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !
Dipl.-Ing. Cordt Rohde
[email protected] - 99001915
EES Enerko Energy SolutionsMostardstrasse 152062 Aachen