Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe

Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
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
Oktober 2013
Folie 1
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Gegründet: 1980
Ca. 80 Mitarbeiter
EEB
EEB ENERKO
ENERKO
Energiewirtschaftliche
Energiewirtschaftliche
Beratung
Beratung GmbH
GmbH
EES
EES ENERKO
ENERKO
Energy
Energy Solutions
Solutions GmbH
GmbH
ENERKO
ENERKO
INFORMATIK
INFORMATIK GmbH
GmbH
ESW
ESW ENERKO
ENERKO
Wirtschaftsberatung
Wirtschaftsberatung
GmbH
GmbH
Aldenhoven
Aldenhoven und
und Berlin
Berlin
Aachen
Aachen
Aachen
Aachen
Düsseldorf
Düsseldorf
Strategische
Strategische Planung
Planung
EnergieEnergie- und
und
Umweltkonzepte
Umweltkonzepte
Energiebeschaffung
Energiebeschaffung
NetznutzungsNetznutzungsmanagement
management
IT-Beratung
IT-Beratung
Softwareentwicklung
Softwareentwicklung
Wirtschaftsprüfung
Wirtschaftsprüfung
Rechtsberatung
Rechtsberatung
Austauschvon
vonWissen,
Wissen,Kundenkontakten,
Kundenkontakten,Projektpersonal
Projektpersonal
Austausch
Ingenieure, Betriebs- und Volkswirte, Rechtsanwälte, Wirtschaftsprüfer
Ingenieure, Betriebs- und Volkswirte, Rechtsanwälte, Wirtschaftsprüfer
Oktober 2013
Folie 2
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Aktuelle Meldungen zu
Energiethemen:
Ist die Wortwahl
symptomatisch – und wer
blickt da noch durch??
Quelle: Spiegel Online
Quelle: Dow Jones Newsletter
Oktober 2013
Folie 3
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Energiebedarf, Energieverwendung und KWK
Planungsgrundlagen KWK
Typische KWK-Anlagen
Anwendungsbeispiele
Wirtschaftlichkeit KWK
KWK und die Energiewende
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Folie 4
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
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
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Folie 5
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Importabhängigkeit Deutschlands nach Energieträgern
Quelle: BGR 2009
Oktober 2013
Folie 6
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Endenergiebedarf ca.
63 % vom Primärenergieinput
Rest: Umwandlungsverluste!
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
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Folie 7
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Grundsätzliches Einsparprinzip der KWK-Stromerzeugung
Quelle: ASUE
Oktober 2013
Folie 8
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Entwicklung der KWK-Stromerzeugung in D bis 2011 in TWh
Oktober 2013
Folie 9
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Abschätzung des KWK-Potenzials in D, je nach
Entwicklung des Heizwärmebedarfs
Trend: „Wärmespeicher als
Stromspeicher“ ist hier schon
eingerechnet!
Quelle: AGFW 2013
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Folie 10
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
KWK-Stromerzeugung in Europa: Deutschland im Mittelfeld
Quelle: eurostat (etwas älter)
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Folie 11
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Energiebedarf, Energieverwendung und KWK
Planungsgrundlagen KWK
Typische KWK-Anlagen
Anwendungsbeispiele
Wirtschaftlichkeit KWK
KWK und die Energiewende
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Folie 12
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
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 !
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Folie 13
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
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 !
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Folie 14
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
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:
Feste Brennstoffe:
HEL – Gasturbinen, Dieselmotor
Kohle - Dampfkraftprozess
Pflanzenöle/ Methylester
Holz – Dampfkraft, ORC, Vergasung
Sonstige Öle (z.B. HES)
Ersatzbrennstoffe (EBS) aus
Abfällen,
Müll - Dampfkraftprozess
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Folie 15
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
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
Erdgas, Biogas
5 MW Hu
3.
Eta el: 0,4
Eta th: 0,45
Strom brutto *
2 MW el
2.
Wärme < 110 °C
2,2 MW th
1.
* Bei ausreichender Wärmespeicherung ist eine Kombination aus 1. und 2 möglich !
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Folie 16
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
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.
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Folie 17
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
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 Ausnutzung des KWK-Potenzials bei maximaler Primärenergieeinsparung.
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Folie 18
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Beispiele für Stromkennzahl und Gesamtnutzungsgrad
Wärmebedarf
3
2
1
A
B
C
D
E
Nur
Kessel
1 kWBHKW
2 MWBHKW
2 MW-BHKW
400 MWGuD
(keine
KWK)
stromgeführt
mit gezielter
Wärmeabfuhr
Gleiche Anlage,
verschiedener Betrieb
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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
* Das BHKW erzeugt mehr Wärme
als benötigt, der Überschuss wird
mit Kühlern vernichtet
Nutzwärme
Nettostrom
Brennstoff
Verluste
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
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>
Ist oft die
Königsdisziplin!
Sinnvolle Annahmen zur zukünftigen Entwicklung treffen
Szenarien für Energiebedarf, Energiepreise usw. aufstellen!
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Folie 20
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
IST-Daten: Analyse des Wärmebedarfs zuerst (vorh. System)!
Zunächst Jahressummen Brennstoffeinsatz vorhd. Erzeuger und
verteilte 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:
Oktober 2013
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)
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Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Beispielhaftes Lastgebirge Wärmebedarf
Thermische Leistung
in MW
18
16-18
14-16
12-14
10-12
8-10
6-8
4-6
2-4
0-2
16
14
12
10
8
6
4
2
18:00
0
2
00 002
2
.
02
.01 .02.2 3.20 2002 02
1
2
0
2
04 10.0 .04.
.20 .200
5
2
00
3
0
.
6
2
1
2
.
00
7
2
17 20.0
.
2
00
0
.
8
2
.
2
4
00
.0
9
2
2
7
.
0
00
.
2
1
2
0
.
.1
3
.12
03
07
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Folie 22
12:00
6:00
0:00
rz
Uh
t
ei
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Beispielhafte geordnete Jahresdauerlinie Wärmebedarf
thermische Leistung
(MW)
18
16
max. 16,3 MWth
Stundenmittelwert Wärme
14
Wichtiger Kennwert:
Benutzungsstunden als
Quotient Wärme/ Leistung,
Hier: Ca. 2.500 Bh/a
12
10
8
Wenn verschiedene Temp.Niveaus: Einzelauswertung!
6
4
jährlich 42.100 MWhth
2
0
0
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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
Folie 23
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Analyse des Strombedarfs analog zur Wärme:
Wichtig bei Verwendung von KWK zur Eigenstromversorgung, um den
eingesparten Strombezug und den Reststrombezug zu bewerten. Ferner
wichtig für Verhandlungen mit Netzbetreiber über Größenordnung der
vermiedenen Netznutzung. Weniger wichtig bei EEG-Anlagen, da konstante
Vergütung.
Analyse: 1/4h- Werte verwenden
Daraus gleiche Ansichten wie bei Wärme generieren: Benutzungsdauern
Strom meist höher (5.000>6.000 Bh/a), als bei Wärme. Stromspitzen durch
Klimakälteanlagen mittlerweile auch im Sommer möglich
Anmerkung: Begriff „Kraft“ aus KWK ist nicht automatisch gleich Strom – auch Antriebsenergie
für Pumpen, Verdichter gehört dazu. Im Folgenden aber nicht behandelt, da Sonderfall
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Folie 24
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
elektrische Leistung
(MW)
14
Beispielhafter Lastgang Strombedarf
max. 12,7 MWel
12
10
8
6
4
2
jährlich 66.900 MWhel
01
.0
1.
20
21
02
.0
1.
11 200
2
.0
2.
20
04
02
.0
3.
20
25
02
.0
3.
20
15
02
.0
4.
20
06
02
.0
5.
26 200
2
.0
5.
20
16
02
.0
6.
20
07
02
.0
7.
20
28
02
.0
7.
20
18
02
.0
8.
20
08
02
.0
9.
20
28
.0 02
9.
20
19
02
.1
0.
20
09
02
.1
1.
30 200
2
.1
1.
20
21
02
.1
2.
20
02
0
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Folie 25
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Beispielhafte geordnete Jahresdauerlinie Strombedarf
elektrische Leistung
(MW)
14
max. 12,7 MW el
12
Kennwert:
Benutzungsstunden
hier: Ca. 5.300 Bh/a
10
8
6
jährlich 66.900 MWh el
4
2
0
0h
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500h 1000h 1500h 2000h 2500h 3000h 3500h 4000h 4500h 5000h 5500h 6000h 6500h 7000h 7500h 8000h 8500h
Folie 26
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Autowerk/ Analyse
Energiebedarf
Beispiel: Großes Fahrzeugwerk
in Süddeutschland/
Energiebedarf
Synthetisches Jahr/ Basis 2010
100
Bedarf Wärme und Strom (MW th, MW el)
90
Gleichzeitigkeit Strom/Wärme:
Bedarfe divergieren
Zusatzstrombezug nötig
Rücklieferung nötig
80
70
Wärmebedarf gesamt geordnet
Strombedarf zeitgleich zu Wärme gesamt
Kapazität BHKW (MW th)
60
50
40
Strombedarf Werk über
Angebot BHKW
30
Strombedarf Werk über
Angebot BHKW
20
Strombedarf Werk unter
Angebot BHKW
10
0
1
1001
2001
3001
4001
5001
Stunden/ Jahr (nicht chronologisch)
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Folie 27
6001
7001
8001
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
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 Basisinformationen
bei der ASUE verfügbar!
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Folie 28
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Vergleich Absorptions- und
Kompressionskälte
Klimakälte aus Absorptionskälteanlage.
Blockschaltung mit BHKW. Konzept ist sehr
sorgfältig zu prüfen. Unter bestimmten
Bedingungen wirtschaftlich!
KWK-Strom
2,0 MW el
Erdgas
5,0 MW Hu
BHKW 2 MW el
Wärme
2,3
MW th
Abwärme
Nasskühlturm
3,8 MW th
AKM 1,5 MW k
Kälte 1,5 MW k
COP ca. 0,65
Wasser, Strom,
Instandhaltung
Abwärme
Trockenkühler
1,9 MW th
Strom
0,4 MW th
KKM 1,5 MW k
Kälte 1,5 MW k
COP ca. 4
Klimakälte aus Kompressionskälteanlage.
Elektrisch betrieben. Das Standardkonzept
Instandhaltung
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Folie 29
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
thermische Leistung
(MW)
18
16
Beispielhafte geordnete Jahresdauerlinie
Wärmebedarf und Wärmebedarf für Absorptionskälte
Beispiel:
Kälte aus Wärme erhöht Sommerabsatz
14
Stundenmittelwert Wärme für Kälte
Stundenmittelwert Wärme
JDL nur Wärme
Stundenmittelwert Wärme gesamt
12
10
8
6
4
2
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Folie 30
0
50
8.
8.
00
0
0
50
7.
7.
00
0
0
6.
50
0
6.
00
0
50
0
5.
00
5.
4.
50
0
0
4.
00
0
3.
50
0
3.
00
0
50
2.
2.
00
0
0
50
1.
00
0
0
1.
50
0
0
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
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
Oktober 2013
Folie 31
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Energiebedarf, Energieverwendung und KWK
Planungsgrundlagen KWK
Typische KWK-Anlagen
Anwendungsbeispiele
Wirtschaftlichkeit KWK
KWK und die Energiewende
Oktober 2013
Folie 32
Mögliche Anlagentypen
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
DampfturbinenHKW
GasturbinenHKW
Gas- und
DampfturbinenHKW (GuD)
G
MotorBHKW
G
GT
G
GT
G
M
G
Leistungsbereich:
0,5...300 MWel
5...300 MWth
1 MWel...100 MWel
2MWth...50 MWth
50...500 MWel
50...250 MWth
1kWel...50 MWel
3kWth...75 MWth
El. Wirkungsgrad:
10...30%
20…40%
35...50%
25...45%
Abwärmenutzung:
Dampf, Heißwasser
Dampf, Heißwasser
Dampf, Heißwasser
Warmwasser
Brennstoffe:
Gas, Öl, Kohle,
Biomasse (EEG)
Gas, Öl
Gas, Öl
Gas, Öl, Bio-Brennst.
(z.B. Rapsöl =>EEG)
* Investition:
3.000...1.200 €/kWel
4.000...700 €/kWel
2.500...800 €/kWel
4.000...700 €/kWel
* Investzahlen nur sehr überschlägig, hängt stark von Baugröße und Projektspezifika ab, aber auch von Konjunkturlage
Oktober 2013
Folie 33
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
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)
Oktober 2013
Folie 34
Gasmotor 2000 kW/
Quelle: MWM
Folie 34
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
BHKW-Daten
Typ
BHKW geht auch in kleinS
Soder in ganz klein
Erdgasmotor
Elektrische Leistung
Thermische Leistung
Gaseinsatz
>bzw.
Gesamtnutzungsgrad
Elektrischer Wirkungsgrad
Thermischer Wirkungsgrad
20,0
32,0
57,2
62,9
91,0
35,0
56,0
(kW el)
(kW th)
( kW Hu)
( kW Ho)
(%)
(%)
(%)
Quelle: Honda/ Vaillant – 1 MW el für zuhause
Quelle: Lichtblick/ VW
Oktober 2013
Folie 35
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
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 45000 kW/ Quelle: GE
Gasturbine 6000 kW/ Quelle: Kawasaki
Oktober 2013
Folie 36
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Neuentwicklung: Mikrogasturbine liefert direkt Heißluft 300 °C
Sgut für Trockenprozesse, aber auch Schwimmbäder
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)
Oktober 2013
Folie 37
Seite 37
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
KWK in ganz groß
Wärmeauskopplung 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
Oktober 2013
Folie 38
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Energiebedarf, Energieverwendung und KWK
Planungsgrundlagen KWK
Typische KWK-Anlagen
Anwendungsbeispiele
Wirtschaftlichkeit KWK
KWK und die Energiewende
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Folie 39
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
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
Oktober 2013
Folie 40
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Stundenmittelwert
thermische Leistung
(MW)
Lastgang mit KWK-Anteil der Wärmeerzeugung
18
16
14
Kessel-Wärme 13.000 MWh/a
BHKW-Wärme 29.000 MWh/a
12
10
8
Hier Wärmespeichereinsatz dargestellt.
Ohne Speicher würde das BHKW
bei Teillast unter ca. 1 MW th abschalten
6
4
2
01
.0
16 1.0
.0 2
31 1.02
.0
15 1.0
.0 2
02 2.0
.0 2
17 3.0
.0 2
01 3.0
.0 2
16 4.0
.0 2
01 4.0
.0 2
16 5.0
.0 2
31 5.0
.0 2
15 5.0
.0 2
30 6.0
.0 2
15 6.0
.0 2
30 7.0
.0 2
14 7.02
.0
29 8.0
.0 2
13 8.0
.0 2
28 9.02
.0
13 9.0
.1 2
28 0.0
.1 2
12 0.02
.1
27 1.0
.1 2
12 1.0
.1 2
27 2.0
.1 2
2.
02
0
Oktober 2013
Folie 41
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Stundenmittelwert
thermische Leistung
(MW)
Jahresdauerlinie mit KWK-Anteil der Wärmeerzeugung
18
16
Es werden durch 2 BHKW-Module erreicht:
- Deckung von 70 % des Wärmebedarfs
- Deckung von 30 % des Leistungsbedarfs
- Ausnutzung ca. 6.000 Volllaststunden
14
12
10
8
Kurzzeit
spitzen
6
4
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 Bruttovolumen
gewählt (delta T BHKW = 40 °C ca. 4 GWh)
Faustregel Speicher:
Zumindest 1 Stunde Volllastbetrieb für ein
Modul ohne Wärmeabsatz ermöglichen,
besser mehr!
Schwachlast
2
0
0
Oktober 2013
500
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500
Folie 42
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Wärmeleistung (MW)
Beispiel für BHKW-Betrieb mit Speicher
Speicherinhalt (MWh)
6,0
4,0
5,0
2,0
4,0
0,0
3,0
-2,0
2,0
-4,0
1,0
-6,0
0,0
24.7
Oktober 2013
25.7
26.7
Wärmeeinspeisung BHKW direkt
BHKW-Wärme in Speicher
Wärmebedarf
Speicherfüllstand
27.7
Folie 43
28.7
29.7
30.7
Erzeugung Kessel
Wärmeeinspeisung aus dem Speicher
BHKW-Erzeugung
-8,0
31.7
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
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!
Oktober 2013
Folie 44
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
BLOCKTRAFO
0,4 KV
(6 KV)
Abgas
~ 120°C
2MWel
Strom
20 KV
Synchronisation
Tischkühler
~ 40°C
~ 200 KW
„Standardanlage“
Gasmotor-BHKW
AG-WT
< 110°C
GMK1
GMK2
Gas
Mischer
Luft
Turbolader
Kühlwasser
94°C
BHKW-P
WärmeSpeicher
~2h
Volllast
~ 85 m³
Netto
~ 100 m³
Brutto
Generator
Ladezustand
Steuerung
BHKW
An/Aus
Nutzwärme 2 MW th
Entladen
Spitzenkessel
Sinnvolle Schnittstelle
Modul/ Gesamtanlage
Oktober 2013
Laden
Motor
Ölkühlung
74°C
Folie 45
NW-P
< 70°C
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
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
Oktober 2013
Folie 46
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
BHKW-Anbindung an die bauseitige elektrotechnische Anlage
10 kV
LTS
LTS
Beispiel 2 MW BHKW:
LS
UMZ
Schutz
10 kV-Generator erspart
Blocktrafo
Zählung 1
Ringanbindung
an das 10 kV
MS-Netz
400 V
BHKWModul
USV
NSHV
60 VDC
G
LTS =
Lasttrennschalter
LS =
Leistungsschalter
M
bauseitige Anlagenbereiche
BHKW-Steuerung
zentrale
Zählung 2
Leittechnik
Heizwerk Auto-
Mod.
Syn.
Steu.
Eigenbedarf BHKW
Anbindung an HW SPS und an die übergeordnete Leittechnik
matisierung
Oktober 2013
Schutz Hilfs-
Folie 47
antr.
LV-Umfang
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Bestehendes
Heizwerk
Abgaswärmetauscher
Kamine
Wärmespeicher
2 x 50m³
BHKW – Modul
2.000 kW
4,7 m
Beispiel Anbau 2 MW BHKW:
Grundriss
11 m
Oktober 2013
Folie 48
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Beispiel Anbau 2 MW BHKW an vorh. Heizwerk
Wärmespeicher 2 x 50 m³, Abgaszug an vorhd.
Schornstein angebunden
Oktober 2013
Folie 49
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Input Wirtschaftlichkeit: Investitionsbedarf für 2 MW BHKW,
Beispiel Integration BHKW in vorhandenes Heizwerk
•
•
•
•
•
•
•
•
BHKW incl. Wärmeauskopplung
Bauleistungen
Elektrotechnik, Mess- und Regeltechnik
Gasanbindung, Wärmeseitige Anbindung
Wärmespeicher
Schornstein
Stundenlohn Montage
Sonstiges incl. Planung + Reserve
Gesamt
900 T€
250 T€
150 T€
150 T€
100 T€
50 T€
50 T€
150 T€
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.
Oktober 2013
Folie 50
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Beispiel 2:
Planung Mikrogasturbine 400 kW für
eine Kartonagenfabrik
Hier handelt es sich um eine Pilotanwendung. Mikrogasturbinen sind
erst seit einigen Jahren serienreif, somit gibt es noch nicht viel
Betriebserfahrungen. Die gezeigte Anlage wird zurzeit erprobt, um bei
(wirtschaftlichem) Erfolg ähnliche Fabriken mit KWK-Anlagen
auszurüsten. Vorteil der industriellen Anwendung sind die hohen
Benutzungsdauern aufgrund durchgehender Fertigung.
Oktober 2013
Folie 51
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Verfahrenstechnische Einbindung in Trockenprozess. Wichtig: Fertigung
soll zur Risikominimierung auch ohne Turbine laufen können!
Einbindung Mikrogasturbine (MGT) : Grob-Schema für 2 x 200 kW el je Ofen
Grün: Neue Teilanlagen
Zuluft
165 °C
52.000 kg/h
Trockenofen
Umluft
100 °C
41.000 kg/h
für 450 kg/h Produkt
MischKammer
mit StandBy-Brenner
Zusatzbrenner
Abgas
1200 kW
Zusatzluft
auf Ofenein/
ausgang
11.000 kg/h
275 °C
400 kW
WT Luft
Ca. 150 kW th
MikroGasturbine
2 Module
380 kW el
Abluft
55 °C
19.000 kg/h
WärmeRückgewinnung
WT Wasser
300 kW th
Oktober 2013
KWK-Strom
Betriebswasser
Ca. 60 °C, auch
als Ersatz für
HEL-Kessel
Folie 52
Erdgas
1600 kW Hu
Frischluft, kalt
10 °C
11.000 kg/h
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Konkrete Planung: Aufstellung, Einbindung, Bedienung, SchallschutzS
Aufstellungskonzept: Außenaufstellung – geringe Baukosten
Ofen
V
NSH
ume
nerrä
n
e
r
B
Einbindepunkt
Strom
Erdgas
Heißluft
1
Ofen
2
MGT
Oktober 2013
Folie 53
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Energiebedarf, Energieverwendung und KWK
Planungsgrundlagen KWK
Typische KWK-Anlagen
Anwendungsbeispiele
Wirtschaftlichkeit KWK
KWK und die Energiewende
Oktober 2013
Folie 54
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Randbedingungen für Wirtschaftlichkeit KWK: Sehr, sehr viele!
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!
Oktober 2013
Folie 55
Seite 55
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Oktober 2013
Folie 56
Folie 56
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
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)
Oktober 2013
Folie 57
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Erfahrungswerte aus der
Baupraxis. Eine
„Sättigung“ Invest tritt bei
ca. 750 €/kW ein
Oktober 2013
Folie 58
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Schritte der Wirtschaftlichkeitsrechnung (WIR)
WiR Statisch
für ein Jahr
Input
Technische
Anlage
Output
Kostenströme
Erlöse
Gewinn/Verluste
Energien
Mengenströme
WiR Dynamisch
Betriebsweise
Finanzierung
Betrieb
Instandhaltung
Bepreisung
für z. B.
Abschreibungszeit
Lebensdauer
Grenzkosten
o. Vollkosten?
Änderungen von
Parametern
Oktober 2013
Folie 59
Seite 59
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
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
Oktober 2013
Folie 60
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Beispiel Vollkostenbetrachtung Neuinvestition:
Zubau 2 MW-BHKW an Heizwerk/ Stand 2008 (Ergebnisgrafik)
Nur Kesselanlage
Zubau 2 MW-BHKW zu Kesselanlage
KWK-Zuschlag
3.500
Nur 6 Jahre!
vermiedenene
Netznutzung
Jährliche Kosten/Erlöse (T€/a)
3.000
2.500
1.490
2.000
270
120
Stromerlös Arbeit
850
Gewinn durch KWK
470
360
Restkosten
Wärmeerzeungung
1.500
290
180
1.000
1.800
1530
1640
900
500
0
200
200
g
g
K
K
K
ugun
ugun
r KW
h KW durch KW
e
e
ü
c
f
z
z
r
r
r
u
n
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ärme
Kost
Wärm
Gew
nahm
er W
nteil
n
n
i
i
A
reine
e
E
r
il
il
Ante
Ante
Oktober 2013
Folie 61
Gaseinsatz BHKW
ohne EnSteuer
Fixkosten BHKW
incl.Zins/ Inst
Gaseinsatz Kessel
mit EnSteuer
Fixkosten Kessel
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Dynamische Betrachtung – Beispiel 2 MW BHKW: Grafik Zeitreihen
1600
Jährliche Überschüsse/ Kumulierter Barwert (T€/a, T€)
Erlöse ./. Kosten
1400
1200
Erlöse ./. Kosten, abgezinst
Diagramm gilt für Daten aus
Statischer WiR, als Finanzierung
angenommen: 10 Jahre/ 6 % Zins
bezogen auf 1.800 T€ Investition
Kumulierter Barwert Projekt
1000
800
Betriebszeit BHKW
600
KWK-Zulage
Finanzierung
400
200
0
2009
-200
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
Generalüberholung
-400
Oktober 2013
2017
Folie 62
2018
2019
2020
2021
2022
2023
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Energiebedarf, Energieverwendung und KWK
Planungsgrundlagen KWK
Typische KWK-Anlagen
Anwendungsbeispiele
Wirtschaftlichkeit KWK
KWK und die Energiewende
Oktober 2013
Folie 63
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
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!
Oktober 2013
Folie 64
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
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 KWKFörderung 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!!!
Oktober 2013
Folie 65
Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung
Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit !
Dipl.-Ing. Cordt Rohde
[email protected]
0241 - 99001915
EES Enerko Energy Solutions
Mostardstrasse 1
52062 Aachen
Oktober 2013
Folie 66

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