KWK = Strom (Kraft) - Wärmekopplung Thermodynamisch optimiertes Heizen und der Mythos der KWK Dr....

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KWK = Strom („Kraft“) - Wärmekopplung Thermodynamisch optimiertes Heizen und der Mythos der KWK Dr. Gerhard Luther Universität des Saarlandes, FSt. Zukunftsenergie c/o Technische Physik – Bau E26 D-66041 Saarbrücken EU - Germany Tel.: (49) 0681/ 302-2737; Fax /302-4676 e-mail: [email protected] [email protected] saarland.de Homepage: http://www.uni-saarland.de/fak7/fze DPG2010_AKE9.1 ergänzt für Lehramtsseminar SS2010

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KWK = Strom („Kraft“) - Wärmekopplung

Thermodynamisch optimiertes Heizen und der

Mythos der KWK

Dr. Gerhard LutherUniversität des Saarlandes, FSt. Zukunftsenergie

c/o Technische Physik – Bau E26D-66041 Saarbrücken

EU - Germany

Tel.: (49)  0681/ 302-2737; Fax /302-4676 e-mail: [email protected] [email protected]

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

DPG2010_AKE9.1 ergänzt für Lehramtsseminar SS2010

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0. Zur Einstimmung :

Budgetansatz

eigentlich: ProKopf-Budget - Ansatz

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ProKopf-Budgetansatz mit Emissionshandel

Quelle: WBGU - Sondergutachten 2009, Abb.2

EU, US & ...

China, Mexico &....

Entwicklungsländer

fossiles CO2:

Beispiele für Pro-Kopf-Emissionsverläufe

< 750 [Gt] CO2 in 2010 bis 2050 >

2 °C-Leitplanke

1 t [CO2 /Kopf/a]

12 t [CO2 /Kopf/a]

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Was folgt daraus für Heizen in DE:

1. Extreme Anforderung an CO2-Einsparung

2. Globale Pro Kopf Zuteilung übersieht Heizbedarf

3. Heizen wird richtig teuer.

daher :

• Grundlegende Einsparungen bei Heizenergie notwendig• Ganzheitliche Betrachtung: Umfassende Thermische Sanierung Einsatz von Solarenergie (WW im Sommer, Beitrag zur Heizung)

Thermodynamisch optimierte Bereitstellung und Anwendung der Heizwärme

Bei Teilsanierung immer das Endziel im Auge behalten

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0. Zur Einstimmung: CO2 Budgetansatz

1.Thermodynamisch optimiertes Heizen

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

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1. Thermodynamisch optimiertes Heizen

1.

Minimaler Exergie- Einsatz zur Abdeckung des noch übrig bleibenden Heizwärmebedarfes,

• nach thermischer Sanierung, und im • Gesamtrahmen der Strom- und Wärme- Erzeugung

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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

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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 (e.g.) zu

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

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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

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2. Der KWK Mythos

2.

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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. )

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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

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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

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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

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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

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RICHTLINIE 2004/8/EG DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES vom 11. Februar 2004 über die Förderung einer am Nutzwärmebedarf orientierten Kraft-Wärme-Kopplung im Energiebinnenmarkt und zur Änderung der Richtlinie 92/42/EWGhttp://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2004:052:0050:0060:DE:PDF

Entscheidung 2007/74/EG = Entscheidung der Kommission vom 21.12.2006, zur Festlegung harmonisierter Wirkungsgrad-Referenzwerte für die getrennte Erzeugung von Strom und Wärme in Anwendung der RL 2004/8/EG..)

http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2007:032:0183:0188:DE:PDF

Zitate für EU –KWK-Richtlinie:

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Ein Ganzheitlicher Ansatz für Vergleiche

3.

Ergebnisse bei Erdgas:

Mehraufwand bei getrennter Erzeugung mit GuD + Brennwertkessel GuD + Wärmepumpe

Schwerpunkt: Erdgas - KWK für Gebäudewärme

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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

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Aufgabe: Moderne Erdgas- Anlagen sollen

alte Stromkraftwerke und Heizungsanlagen verdrängen.

Modernisierungs Szenario

Hierzu werden 2 Erdgas - Fälle betrachtet und verglichen:

(1.) KWK - Untersuchungsfall:

KWK Anlagen verdrängen

die alten Heizungsanlagen und Stromkraftwerke .

(2.) Referenzfall „Getrennte Erzeugung“:

GuD-Kraftwerken verdrängen alte Stromkraftwerke

BrennwertKessel verdrängen die alten Heizungskessel(2a) weiterer Fall „Getrennte Erzeugung“:

GuD-Kraftwerken verdrängen alte Stromkraftwerke

WärmepumpenWärmepumpen (WP) verdrängen die alten Kessel, und werden aus den neuen GuD gespeist.

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Ich beschränke mich auf den Einsatz de PE-Träger Erdgas , weil:• dies einfach und übersichtlich ist• Erdgas der wichtigste Energieträger im Heizungsbereich ist• der Erdgaseinsatz in DE zunehmen soll

Bem.: Der Einsatz von KWK auf Kohlebasis ist energiewirtschaftlich durchaus interessant, weil hierdurch man auch Kohle bequem, (relativ) sauber und preiswert zu Heizzwecken nutzen kann. (siehe Dänemark). Ökologisch jedoch nur mit CCS vertretbar !

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Modernisierungs Szenario

System:

Brennwertkessel:

Wärme

Strom

GuD-Anlage:

xK

Q0

Erdgas

th

el

BK

xGuD

GuD

Zwei Möglichkeiten zum Vergleich:

1. Input vorgeben: Q0 =1

2. Output des KWK-Versorgers : Wärme (vollständige Kundenversorgung)

und

Strom (Netzeinspeisung),

detailliert vorgeben.

th = Wärme / Q0

el = Strom/ Q0

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3.1 Erste Vergleichsart: Gleicher Erdgaseinsatz Q = 1

3.11 Dezentraler Kessel und zentrale Stromerzeugung (GuD)

3.12 Wärmeversorger mit KWK –Anlage 3.13 Dezentrale Wärmepumpe (WP) und zentrale GuD-Anlage

3.14 Kann optimale KWK Effizienz eines WP- Systems erreichen?

3.1

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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

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Für Strom und Wärme aus getrennter Erzeugung gilt für alle xK:

1 = xK + xGuD (1)

Wärme = Q0* (K * xK) ; also : xK = Wärme/(Q0* K) (2)

Strom = Q0* (GuD * x_GuD)

mit (1) und (2):

Strom = Q0 * GuD - Wärme* GuD /K

Strom= Q0 * GuD - Wärme* GuD /K

Strom –Wärme –Diagramm

Eine Gerade von Q0 * GuD auf der Stromachse

nach Q0 * K auf der Wärmeachse

Normierung: Q0=1

kleine Nebenrechnung:

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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“

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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

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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

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Versorger:

Spitzenkessel:

Wärme

Strom

KWK

im Spitzenstrom- Betrieb

KWK-Anlage :

im KWK-Betrieb

xSK

xKWK

Q0V

Erdgas

xSE

Ein korrekter Vergleich muss die gesamte Produktion des Versorgers, die mit seiner KWK Anlage und der Verpflichtung zur Fernwärmelieferung zusammenhängt,beachten.

Vergleiche also Erdgaseinsatz (PE) für:KWK: Q0

V = PE des Versorgers

und

getrennte

Erzeugung: Q0 = PE für GuD + Kessel, ergibt

sich aus detaillierter Gleichheit: Wärme = Q0 * ηK

Strom = Q0 * ηGuD

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Neuer Eintrag: Strom und Wärme aus reiner KWK Paradefall: XSK= XSE= 0

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

Datenquelle: siehe Tabellen in Folie 37 +38 Speicher: KWK-Vergleich_eta_GUD_BK_WP.xls; Blatt „allgemein“

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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“

Page 31: KWK = Strom (Kraft) - Wärmekopplung Thermodynamisch optimiertes Heizen und der Mythos der KWK Dr. Gerhard Luther Universität des Saarlandes, FSt. Zukunftsenergie.

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“

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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

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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 }

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Arbeitszahl in der Heizzeit (nur Heizung) auf der Basis von Tagesmittelwerten (Zeitraum 11/07 – 10/08).Temperaturhub, den die WP überwinden muss, zwischen Umweltmedium und HeizkreisVorlauf .

Quelle: Christel Russ, Marek Miara, Michael Platt:„Untersuchungen zum Einsatz von Wärmepumpen im Gebäudebestand“ , Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme Freiburg, (2009), Bild 10, S.10

Tages-Arbeitszahlen von Wärmepumpen und Temperaturhub

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Hocheffiziente Wärmepumpe für thermisch sanierte Gebäude

• Moderne WP zeigen bei einem ΔT = 20 bis 30 [K] schon heute eine Arbeitszahl von 3.5 bis 4.5 • Bei der Installation der WP kann viel Geld durch Verminderung des Wärmebedarfs eingespart werden: Anreiz zur thermischen Sanierung. • Jede Verminderung des Exergieanforderung für Gebäudewärme (z.B.: niedrige Heiz-Temperaturen, Ausnutzung von Aufwärmprozessen, überdimensionierte Heizkörper)

kann in einen besseren Wirkungsgrad der WP umgesetzt werden.

• Interessante Entwicklungen: WP für Heizen und Kühlen WP in Kombination mit Wasser-Eis- Speicher Temperaturgleit bei Wärmeabgabe (insbesondere: transkritische CO2-WP)

JAZ = 4 ist durchaus gerechtfertigt.

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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“

Page 37: KWK = Strom (Kraft) - Wärmekopplung Thermodynamisch optimiertes Heizen und der Mythos der KWK Dr. Gerhard Luther Universität des Saarlandes, FSt. Zukunftsenergie.

Kann eine optimale KWK die Effizienz der WP erreichen?

0,00

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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

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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.

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Ein nur didaktisches Beispiel:

Modernes, großes GuD mit und 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.

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PE - Mehraufwand für getrennte Erzeugung

Q0V = Gesamter PE –Einsatz des Versorgers zur Erzeugung von

Wärme ( KWK-Wärme und Spitzenwärme) und Strom ( KWK-Strom und Spitzenstrom)

Q0 = Summe des PE -Einsatzes bei der getrennten Erzeugung von Wärme in dezentralen Brennwertkesseln und Strom im GuD –Kraftwerk.

Definition: Primärenergiefaktor: f = Q0 / Q0V

3.2

PE- Einsparung durch reine KWK: PEE = 1-1/f0 = (Q0-Q0V) / Q0

mit dem PE –Faktor für reinen KWK- Betrieb: f0 = f(xSK=0, xSE=0) (also: f0 = f für den Paradefall)

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f0 =f(xSK=0,xSE=0)

Input Datenquelle: A = IER-Voss2009 ; C = /Mephisto/ B = UBA-CC2007nr10, DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)

Speicher: KWK_Vergleich_Hifsdateien.xls; Blatt „Versorger“

Mehrverbrauchsfaktor f von { Brennwertkessel und GuD } im Vergleich zu KWK- Versorgung

Beispiel mit xSK = xSE =0.1

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Speicher: KWK_Vergleich_Hifsdateien.xls; Blatt „WP“

Mehrverbrauchsfaktor f von {GuD und WP aus GuD } im Vergleich zu KWK- Versorgung

Input Datenquelle: A = IER-Voss2009 ; C = /Mephisto/ B = UBA-CC2007nr10, DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)

f0 =f(xSK=0,xSE=0)

Beispiel mit xSK = xSE =0.1

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• 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:

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4.

KWK –

eine ökologische Sackgasse ?

4.

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KWK und Kraftwerkserneuerung

Brennwert-

Kessel

GuD als KWK

Alternative

SpitzenKessel

KWK -Wärme

KWK -Strom

Spitzenstrom

in Restzeit NetzReserve

KWK - Option GuD - Option

VERSORGER

Netz Fazit:

KWK behindert BestandsErneuerung ?

4.1

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Das „Sommer“ Dilemma der KWK im Gebäudewärmebereich

Es ist bekannt, dass • Hohe Investitionskosten eine hohe Jahres –Betriebszeit der KWK- Anlage erfordern • Die Wärmenachfrage im Gebäudebereich jedoch ungleichförmig ist.

Also muss die KWK- Anlage A) entweder nur einen mittleren Teil der Wärmenachfrage abdecken,

( Einsatz von Spitzenkessel ) B) oder einen großen Teil der Wärmenachfrage abdecken, und ihr

Geld mit Spitzenstrom verdienen.

Folge: 1. Bei zentraler Fernwärmeversorgung immer negativ für Energiebilanz. 2. Bei der dezentralen Stromerzeugenden Heizung mit Brennwertnutzung, bei der als Spitzenkessel ebenfalls ein Brennwertkessel eingesetzt wird,

A) führt der Spitzenkessel zu keinem Energiedefizit (immerhin !)

B) wirkt jede Spitzenstromerzeugung jedoch besonders negativ ( wg. des besonders niedrigen elektrischen Wirkungsgrades der SeH).

4.2

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KWK behindert weitere Einsparungen im Gebäudewärmebereich

Bei Fernwärme (zentrale KWK)• Viele Kunden schließen sich an die Fernwärme an

ohne vorher ihr Gebäude thermisch zu sanieren ( u.a. auch Zeitdruck wg. Marketing Aktionen zum gleichzeitigem Anschluss)

• Hohe Investitionen in Wärmebereitstellung blockieren jedoch Motivation und Wirtschaftlichkeit weiterer Sparmaßnahmen (wg. der Fixkosten der Fernwärme, Auslastung der Netze, relativ günstiger Arbeitspreise)

Bei einer dezentralen KWK- Anlage gilt: 1. Verminderung des Wärmebedarfs schmälert die KWK- Scheibe:

Die Amortisation müsste mit Spitzenstrom verdient werden. ( Verlust der KWK-Zuschläge - oder Trickserei erforderlich)

2. Thermische Sanierung bringt kaum Erlöse , da Wärmebedarf oft durch kostenlose Abwärme gedeckt werden könnte.

4.3

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Es werden oft zugunsten der KWK:

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

4.4

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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

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5.

Vorschläge

Erdgas für Strom und Wärme optimal einsetzen

5.

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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

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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

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• KWK in manchen Bereichen durchaus vernünftig, aber KWK Mythos hat Politik und Öffentlichkeit hereingelegt.

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

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Anhang für Diskussion

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weiteres Rohmaterial für DPG2010

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Anhang 1. Strom-und Heizwärme -Erzeuger

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

Begin: Einschub: 1 KWK Anlagen und GuD

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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 %

Einschub: 1.1

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Anlagenschema des Dampfkraftprozesses

Quelle: E. Hahne: „Technische Thermodynamik“, 3.A.,Oldenbourg Verlag München 2000, ISBN=3-486-25397-2, Bild 5.21, p. 258

1.2 Dampfkraftwerk und Clausius-Rankine Vergleichsprozess

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Einfacher Dampfkraftwerksprozess

H.D. Baehr, S. Kabelac: Thermodynamik, Grundlagen und techn. Anwendungen, Springer, 2006

Idealisierter Vergleichsprozess (Clausius- Rankine)

Schraffierter Bereich: gewinnbare Nutzarbeit Also:

Wärmeauskopplung bei T > Tu vermindert die Nutzarbeit

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GUD –Kraftwerk

Gasturbine mit anschließendem Dampf Kraftprozeß

Begin: Einschub: 1.4

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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

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

Beispiel: GUD - Irsching

Moderne GUD werden el = 60% erreichen

End: Einschub: 1.4

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End: Einschub: 1 KWK Anlagen und GuD

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Anhang 2. Wichtige Grundeigenschaften

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2. Wichtige Grundeigenschaften und ihre Folgen: zentrale – dezentrale KWK Wärmegeführter – Stromgeführter Betrieb

Kraft-Wärme-Kopplung ist die gleichzeitige Umwandlung von eingesetzter Energie

in elektrische Energie und in Nutzwärme in einer ortsfesten technischen Anlage. (KWKModG2009, §3 Absatz (1),Satz1

2.

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„Zentrale “ und „Dezentrale“ KWK

Eine KWK-Anlage nennen wir .

„dezentral“ (im Sinne von „lokal“) nur dann, wenn die Wärme direkt am Erzeugungsort in die Heizungsanlage eingespeist wird . „zentral“, wenn die produzierte Wärme über Fernwärmeleitungen abgegeben werden muss.

Dann lassen sich die folgenden Eigenschaften zuordnen:

2.1

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Einige Vorteile einer dezentralen KWK

Niedrige Vorlauftemperaturen erreichbar, wenn das Gebäude thermisch saniert ist und die Heizkörper großzügig ausgelegt (z.B. Flächenheizungen)

Individuelle Anpassung der Vorlauftemperatur schöpft exergetisches Einsparpotential aus.

Rücklauftemperaturen so niedrig, dass eine Abgaskondensation möglich wird.

Wärmenutzung wie bei einem Brennwertkessel erreichbar. Dezentrale Stromeinspeisung vermeidet Netzverluste

Die Strom erzeugende Heizung (SeH) ist z.B. eine wirklich dezentrale KWK.

Aber: schlechtere elektrische Wirkungsgrade

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Einige Nachteile einer zentralen KWK

Hohe Vorlauftemperatur notwendig (Exergieverlust!)

„Geleitzugprinzip“: In einem Fernwärmenetz bestimmt der Verbrau-

cher mit den höchsten Ansprüchen die Temperatur.

Weiterhin muss berücksichtigt werden: Warmwasserversorgung jederzeit sicherstellen Temperaturdifferenzen an den Wärmetauschern Abkühlung bis zum letzten Verbraucher Keine niedrige Rücklauftemperatur möglich also: keine Brennwertnutzung möglich.

Zusätzlicher betrieblicher Aufwand für Pumpen und Leitungsverluste Erhebliche Investitionen in den Bau des Fernwärmenetzes, zumal die Gebiete mit hoher Wärmebedarfsdichte meist schon ausgebaut sind.

a

Aber: Große Anlagen haben bessere elektrische Wirkungsgrade.

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„Wärmegeführter “ und „Stromgeführter“ Betrieb

Wärmegeführter Betrieb (der Öko - Fall). Ein Betreiber einer KWK –Anlage kann seine Anlage nach Maßgabe der Wärmenachfrage in Kraft-Wärme Kopplung betreiben.

Stromgeführter Betrieb (die große Versuchung). Ein Betreiber einer KWK –Anlage kann seine Anlage nach Maßgabe der Stromnachfrage fahren, selbst wenn er nur einen Teil der produzierten Wärme oder sogar überhaupt keine Wärme als Nutzwärme abgeben kann. KWK- Anlage muss also nicht im KWK-Betrieb gefahren werden! aber : Schlechter elektrischer Wirkungsgrad beim Spitzenstrom aus KWK-Anlagen

Spitzenwärme. Ein Betreiber einer KWK –Anlage muss zur Abdeckung seiner Wärmedeckungspflicht manchmal einen Spitzenkessel zuschalten.aber : Schlechter thermischer Wirkungsgrad beim Spitzenkessel für die Fernwärme

2.2

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Anhang 3. vollständiger Brennstoffvergleich

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Wärme = Q0

V * [ xKWK*ηthKWK+ xSK*ηSK ]

Strom = Q0

V * [ xKWK*ηelKWK +xSE*ηSE]

Elektrischer Wirkungsgrad :

elV = Strom / Q0

V

Versorger:

Spitzenkessel:

Wärme

Strom

im Spitzenstrom-

Betrieb

KWK-Anlage :

im KWK-Betrieb

xSK

xKWK

Q0V

Erdgas

xSE

xSK*ηSK

xKWK*ηthKWK

xKWK*ηelKWK

xSE*ηSE

Endenergie und PE-Aufwand des Versorgers:

Thermischer Wirkungsgrad :

thV = Wärme / Q0

V

xKWK + xSE + xSK = 1

GesamteBrennstoffausnutzung:

gesamtV = el

V + thV

thV

elV

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Zitat aus AKE2008H:

Vollständiger Brennstoffvergleich Für die Gesamt- Nutzenergie eines Versorgers ( freie KWK, Spitzenkessel) gilt:

gesamtV * Q0

V = ( elV + th

V ) *Q0V (1)

mit: Q0V = Gesamter PE des Versorgers (KWK, SpitzenKessel +SpitzenStrom)

Betrachte eine detaillierte Gleichheit der Nutzenergien bei der getrennten Erzeugung:

für GUD- Strom: GUD QGUD = elV *Q0

V (2a)

für Kessel -Nutzwärme : K QK = thV * Q0

V (2b)

Q0 = gesamte Primärenergie (PE) der getrennten Erzeugung:

Q0 = QGUD + QK (3)

Faktor für den PE- Aufwand bei der getrennten Erzeugung:

f = Q0/ Q0V = (el

V / GUD + thV / K ) (4)

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Bezeichnungen:

thKWK = Wärmewirkungsgrad der KWK-Erzeugung, definiert als jährliche

Nutzwärmeerzeugung im Verhältnis zum Brennstoff, der für die Erzeugung der Summe von KWK-Nutzwärmeleistung und KWK- Stromerzeugung eingesetzt wurde.

K = Wirkungsgrad-Referenzwert für die getrennte Wärmeerzeugung.

(z.B. im Brennwertkessel, Bezug auf Hu= unterer Heizwert)

elKWK = elektrischer Wirkungsgrad der KWK, definiert als jährlicher KWK-

Strom im Verhältnis zum Brennstoff, der für die Erzeugung der Summe von KWK- Nutzwärmeleistung und KWK- Stromerzeugung eingesetzt wurde.

GUD = Wirkungsgrad-Referenzwert für die getrennte Stromerzeugung

( z.B. in einem zentralen GUD –Kraftwerk)

gesamtKWK = th

KWK + elKWK = Gesamt-Nutzungsgrad der KWK

Q0

KWK = Primärenergieeinsatz (PE) in der KWK-Anlage QGUD und QK = PE im GUD – Kraftwerk und im HeizKessel Q0 = QGUD + QK = gesamter PE der getrennten Erzeugung

f = Q0/ Q0KWK = Faktor für den Primärenergie - Mehrverbrauch durch

getrennte Erzeugung von Strom und Wärme.

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Bezeichnungen:

thV = Wärmewirkungsgrad der Strom- und Wärme-Erzeugung des Versorgers,

´ definiert als gesamte jährliche Nutzwärmeerzeugung im Verhältnis zum Brennstoff, der für die Erzeugung von Wärme und von Strom insgesamt (also: für KWK, für SE und für SK) beim Versorger eingesetzt wurde.

K = Wirkungsgrad-Referenzwert für die getrennte Wärmeerzeugung.

(z.B. im Brennwertkessel, Bezug auf Hu= unterer Heizwert)

elV = elektrischer Wirkungsgrad der Strom- und Wärme-Erzeugung des Versor-

gers, definiert als gesamte jährliche Stromerzeugung im Verhältnis zum Brennstoff, der für die Erzeugung von Wärme und Strom insgesamt beim Versorger eingesetzt wurde.

GUD = Wirkungsgrad-Referenzwert für die getrennte Stromerzeugung

( z.B. in einem zentralen GUD –Kraftwerk)

gesamtV = th

V + elV = Gesamt-Nutzungsgrad des Versorgers

Q0V = Primärenergieeinsatz (PE) des Versorgers

QGUD und QK = PE im GUD – Kraftwerk und im HeizKessel Q0 = QGUD + QK = gesamter PE der getrennten Erzeugung

f = Q0/ Q0V = Faktor für den Primärenergie - Mehrverbrauch durch

getrennte Erzeugung von Strom und Wärme.

Der Versorger setzt KWK, Spitzenstrom (SE) und SpitzenKessel (SK) ein.

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Gl.(4) wird anschaulicher, wenn wir den Versorger beschreiben mit:

gesamtV = Gesamtnutzungsfaktor des Versorgers, und

elV = elektrischer Wirkungsgrad des Versorgers

Der PE- Faktor f = Q0/ Q0V für den PE- Aufwand:

f = gesamtV /K + el

V * { 1/ GUD - 1/ K } (4a)

ist eine lineare Funktion von elV .

Für den Paradefall (xKWK = 1) gilt:

f(0,0)= ηgesamtKWK/K + ηel

KWK * {1/ GUD - 1/ K } (4b)

(also xSK =xSE= 0)

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Der PE-Faktor Gl.(4a) lässt sich umschreiben als Funktion von xSK und xSE :

f(xSK, xSE) = f(0,0) + mSK * xSK + mSE * xSE (4c)

mit : mSK = - [ f(0,0) - SK / K ] mSE = - [ f(0,0) - SE / GUD ] und f(0,0) = ηgesamt

KWK/K + ηelKWK* { 1/ GUD - 1/ K } [ (4b)]

Der Einfluss von Spitzenkessel und Spitzenstrom

f(1,0)

f(0,0)_

1.0xSK0

_SK/ K

f1. Randfall: xSE = 0

1.0xSE0

_SE/ GuD

f(0,0)_

f(0,1)

f2. Randfall: xSK = 0

Veranschaulichung von Gl.(4c) durch ihre beiden Randfälle:

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Anhang 4. Ergebnisse des Vergleichs (Tabellen)

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4. Ergebnisse:

Vergleich KWK mit getrennter Erzeugung

4.

4.1 Vergleich KWK mit { GUD + Brennwertkessel}

4.2 Vergleich KWK mit { GUD + Wärmepumpe (WP)}

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Faktor für Energieaufwand bei getrennter Erzeugung

0,80

0,90

1,00

1,10

0,00 0,10 0,20 0,30

Anteil Spitzenwärme: x_SK

f

x_SE =0x_SE =0,1x_SE =0,2x_SE =0,3

Faktor f für den Mehraufwand bei getrennter Erzeugung

durch ein GuD Kraftwerk mit GUD = 0.585

und einen Brennwertkessel mit K = 1.05

Beispiel: BHWK mit elektrischer Leistung von 1MW

Grunddaten siehe Bild 9: BHKW_1MW

4.1

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Strom /Wärme Erzeuger eta_el eta_ges eta_th f(0,0)

inputDaten-Quelle eta_SE m_SE eta_SK m_SK

GuD 0,585 0,585 0 0 IER-Voss2009 0,585

GegenP_200MW 0,460 0,90 0,440 1,21 IER-Voss2009 0,46 -0,42 0,90 -0,35

GuD_100MW 0,445 0,89 0,445 1,18 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)?? #WERT! 0,90 -0,33

BHKW_1MW 0,390 0,89 0,500 1,14 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)0,390 -0,48 0,90 -0,29

Mephisto_20kW 0,315 1,05 0,735 1,24 Mephisto 0,315 -0,70 1,05 -0,24

GuD_24MW 0,363 0,86 0,497 1,09 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)?? #WERT! 0,90 -0,24

GT_10MW 0,311 0,83 0,519 1,03 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)0,311 -0,49 0,90 -0,17

BHKW_50kW 0,293 0,88 0,587 1,06 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)0,293 -0,56 0,90 -0,20

Mikro_9kW 0,243 0,98 0,737 1,12 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)0,243 -0,70 0,98 -0,18

Mikro_3kW 0,157 0,94 0,783 1,01 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)0,157 -0,75 0,94 -0,12

Mikro_0.8kW 0,104 0,90 0,796 0,94 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)0,104 -0,76 0,90 -0,08

BrenwertKessel 0 1,05 1,05 0 1,05Standardkessel 0 0,900 0 0,90

KWK -Anlage im gekoppelten Betrieb und im Spitzenlastbetrieb

gekoppelter Betrieb ungekoppelte Spitze

Referenz: GUD- Kraftwerken mit GUD = 0.585 und Brennwertkesseln mit K = 1.05

Der „Paradefall“ xSK= xSE=0 wird durch f(0,0) beschrieben,

die Steigung mSK gibt die Empfindlichkeit von f gegenüber xSK, und

die Steigung mSE gibt die Empfindlichkeit von f gegenüber xSE an.

Speicher: KWK_Vergleich_Hifsdateien.xls!“3Paras“

f(xSK, xSE) = f(0,0) + mSK * xSK + mSE * xSE (4c)

Parameter für f(xSK, xSE), den Mehraufwand für getrennte Erzeugung

{ xSK ; xSE } = PE – Anteil für { Spitzenkessel ; Spitzenstrom }

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Brenn- stoffaus- nutzung

PE-Faktor getrennte

Erzeugung

Strom /Wärme Erzeuger eta_el eta_ges eta_th x_KWK

InputDaten-Quelle f(0,0) eta_SE x_SE eta_SK x_SK eps_el eps_th eps_ges f

GuD 0,585 0,585 0 0 IER-Voss2009 0,585 1 0 0 0,585 0 0,585

GegenP200M 0,460 0,90 0,440 0,80 IER-Voss20091,21 0,46 0,10 0,90 0,10 0,414 0,44 0,86 1,13GuD Erdgas, 100 MWel 0,445 0,89 0,445 0,80 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)1,18 ? 0,10 0,90 0,10 ###### 0,45 #WERT! #WERT!

BHKW_1M 0,390 0,89 0,500 0,80 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)1,14 0,390 0,10 0,90 0,10 0,351 0,49 0,84 1,07Mephisto_20k 0,315 1,05 0,735 0,80 Mephisto 1,24 0,315 0,10 1,05 0,10 0,284 0,69 0,98 1,14GuD24M 0,363 0,86 0,497 0,80 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)1,09 ?? 0,10 0,90 0,10 ###### 0,49 #WERT! #WERT!

GT_10M 0,311 0,83 0,519 0,80 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)1,03 0,311 0,10 0,90 0,10 0,280 0,51 0,79 0,96BHKW_50k 0,293 0,88 0,587 0,80 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)1,06 0,293 0,10 0,90 0,10 0,264 0,56 0,82 0,98Mikro_9k 0,243 0,98 0,737 0,80 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)1,12 0,243 0,10 0,98 0,10 0,219 0,69 0,91 1,03Mikro_3k 0,157 0,94 0,783 0,80 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)1,01 0,157 0,10 0,94 0,10 0,141 0,72 0,86 0,93Mikro_0.8k 0,104 0,90 0,796 0,80 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)0,94 0,104 0,10 0,90 0,10 0,093 0,73 0,82 0,85BrenwertKessel 0 1,05 1,05 0 0 0 1,05 1 0 1,05 1,05Standardkessel 0 0,900 0 0 0 0,90 1 0 0,9 0,9

Gesamter Versorger

Gl.(5a,b)

KWK -Anlage im gekoppelten Betrieb und im Spitzenlastbetrieb

ungekoppelte Spitzegekoppelter Betrieb

Der thermische Wirkungsgrad der SpitzenWärmeerzeugung wurde für die Fernwärmeanlagen auf eta_SK= 0.90 gesetzt,

bei den Mikro KWK-Anlagen wurde hierzu die angegebene Brennstoffausnutzung (eta_ges) übernommen.

Für den elektrische Wirkungsgrad der Spitzenstromerzeugung eta_SE wurde- sofern nicht anders angegeben- der elektrische Wirkungsgrad des KWK- Betriebes übernommen.

Speicher: KWK_Vergleich_Hifsdateien.xls!“Versorger“

10% Beispiel: f(xSK=0.1, xSE= 0.1)

f = Mehraufwand für getrennte Erzeugung mit GuD und BrennwertKessel

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4.2

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 }

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Vergleich KWK-Anlagen mit {GuD + Wärmepumpe}

Der PE-Faktor der getrennten Erzeugung als Funktion von xSK und xSE :

f(xSK, xSE) = f(0,0) + mSK * xSK + mSE * xSE (4c)

Speicher: KWK_Vergleich_Hifsdateien.xls!“WP_3Paras“

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Speicher: KWK_Vergleich_Hifsdateien.xls!“WP“

10% Beispiel: f(xSK=0.1, xSE= 0.1)

f = Mehraufwand für getrennte Erzeugung mit GuD und Wärmepumpe

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neu: Strom und Wärme vom KWK - Versorger mit XSK= XSE= 0.1 (als ein Beispiel)

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_GuD E_GuDB2 B2B4 B4B5 B5B6 B6B7 B7B8 B8E_heff E10

GuD und Brennwertkessel

Hocheffizienz-Grenzen

Paradefall: kleine Symbole, Gesamter KWK-Versorger = Große Symbole

Gaseinsatz: Q = 1.0

XSK und XSE = 0.1

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Anhang 5. Zusammenfassung

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• KWK in vielen Bereichen durchaus vernünftig, aber KWK Mythos hat Politik und Öffentlichkeit hereingelegt.

weiterhin: • Vergleich muss Spitzenkessel und Spitzenstrom einbeziehen Keine Veranlassung für eine bevorzugte Förderung der KWK.

{GuD + Wärmepumpe} in der Regel sogar PE - effizienter.

• Dezentrale KWK nur sinnvoll bei Brennwertnutzung und streng wärmegeführtem Betrieb

• KWK darf nicht in eine ökologische Sackgasse führen

Vorschläge:

• Gesamtlösung mit thermischer Sanierung, WP, Sonnenenergie, neue GuD, 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