Potentiale der Mikro-KWK im Quartier: Theoretische und praktische

Einsatzmöglichkeiten von KWK
KWK Konkret!
Effizienz für Strom & Wärme
Essen, 04. November 2015
Dr.-Ing. Rolf Albus
Inhalt
o KWK in der InnovationCity
o Ergebnisse und Auswertung
-
Strombilanz und CO2-Emissionen
o Zusammenfassung
Folie: 2
KWK in der InnovationCity
Folie: 3
InnovationCity Ruhr | Modellstadt Bottrop
InnovationCity – CO2-Reduktionsziele,
Pilotgebiet und Zielbereiche.
ENERGIE-EINSPARUNG
DEZENTR. ENERGIEBEREITSTELLUNG
ELEKTRO-MOBILITÄT
WOHNUMFELDVERBESSERUNGEN
ADAPTIVE KLIMAANPASSUNG
Lebensqualität und messbare CO2Reduzierung sollen im Einklang stehen
MESSBAR: CO2-REDUZIERUNG
Die Ziele sind
ambitioniert
FÜHLBAR: LEBENSQUALITÄT
Quelle: Stadt Bottrop und InnovationCity Management GmbH, 2013
Pilotgebiet
InnovationCity
Bottrop: ca.
65.000
Einwohner,
typische
Ruhrgebietsstruktur
Folie: 4
100 KWK-Anlagen in Bottrop
o Installation von 100 Mikro-KWK-Systemen in einer
erweiterten Modellregion zur „Innovation City Bottrop“.
o Zuordnung der KWK-Anlagen auf Basis einer umfassenden
Analyse durch das GWI und den jeweiligen Herstellern
(energetischer Objektzustand, Nutzer, Technologie).
o Alle Anlagen wurden mit einer automatisierten
Messdatenerfassung ausgerüstet.
o Wissenschaftliche Arbeitspakete:
o Ermittlung von Nutzungsgraden sowie Nachweis der
CO2-Reduktion
o Optimierte Auslegung von Mikro-KWK-Systemen und
der Anlagenperipherie
o Ökologische und wirtschaftliche Bewertung
o Übertragbarkeit der Ergebnisse
DEMOPHASE
Folie: 5
Anlagenportfolio
Es werden unterschiedliche KWK-Technologien von verschiedenen Herstellern
eingesetzt.
o Die europaweite Ausschreibung der KWK-Systempakete erfolgte unter der
Prämisse der Abdeckung eines möglichst breitgefächerten Anlagenportfolios
o Ausgewählte KWK-Systempakete (inkl. Speicher und Zusatzheizgerät):
Stk. System
Technologie
kWel
kWth,KWK
ηel
20
Brötje EcoGen WGS 20.1
Stirling
1,0
5,0
17,6
14
Viessmann Vitotwin 300-W
Stirling
1,0
5,3
17,0
6
Viessmann Vitotwin 350-F
Stirling
1,0
5,3
17,0
36
Vaillant ecoPower 1.0
Otto
1,0
2,5
26,3
12
Vaillant ecoPower 4.7
Otto
4,7
12,5
24,6
10
CFC BlueGen
SOFC
1,5
0,5
60,0
2
CFC BlueGen + Brennwertkessel
SOFC
1,5
0,5
60,0
Quelle: Technische Daten Herstellerangaben, 2014
Folie: 6
Überblick zu den Gebäuden | Struktur und Alter
Es werden unterschiedliche Objektstrukturen berücksichtigt – Sicherstellung der
Übertragbarkeit.
o Die ausgewählten Objekte sind
o Bei den Wohngebäuden werden
im Wesentlichen im Zeitraum von
alle Objektgrößen abgedeckt und
1951 - 2000 erbaut worden.
Bewohnerstrukturen betrachtet.
Einfamilienhaus
Doppel-/Reihenendhaus
Reihenmittelhaus
Mehrfamilienhaus
Quelle: GWI, 2014
<= 1900
1901 - 1925
1926 - 1950
1951 - 1975
1976 - 2000
> 2000
Folie: 7
Überblick zu den Gebäuden | Beheizung und Wohnfläche
Es werden unterschiedliche Objektgrößen und Beheizungsstrukturen
berücksichtigt – Sicherstellung der Übertragbarkeit.
o Unterschiedliche objektspezifische
Wohnflächen sind erfasst worden.
<= 100 m²
151 - 200 m²
251 - 300 m²
Quelle: GWI, 2014
101 - 150 m²
201 - 250 m²
> 300 m²
o Bei ca. 30 % der Objekte wurden
Öl-, Kohle- oder Stromheizungen
durch erdgasbasierte KWK-Systeme
ersetzt.
Erdgas
Flüssiggas
Öl
Kohle
Strom
Folie: 8
Ergebnisse und Auswertung
-
Strombilanz und CO2-Emissionen
Folie: 9
Beispiel | CFC BlueGen als Beistelllösung
Objektdaten
Objektart: Mehrfamilienhaus
Fläche: 476 m²
Baujahr: 1964
Energiebezug:
 ca. 61.500 kWh Erdgas/a
Umsetzung
Anlage: CFC BlueGen
Handwerk: Fa. Smit
Kommentare:
 Erfolgreiche Installation als
Beistelllösung
Abbildungen: Fotostory des Umbaus | 1. Bild: Objekt | 2. Bild: Anlage vor Modernisierung | 3. Bild: Installierte Brennstoffzelle als Beistelllösung
Quelle: GWI, 2013
Folie: 10
Beispiel | CFC BlueGen als Beistelllösung
Objektdaten
Objektart: Gewerbe
Fläche: 100 m²
Baujahr: 1994
Energiebezug:
 ca. 35.000 kWh Erdgas/a
Umsetzung
Anlage: CFC BlueGen
Handwerk: Fa. Kien
Kommentare:
 Erfolgreiche Installation als
Beistelllösung
Abbildungen: Fotostory des Umbaus | 1. Bild: Objekt | 2. Bild: Installierte Brennstoffzelle als Beistelllösung
Quelle: GWI, 2013
Folie: 11
Beispiel Brennstoffzelle | GHD-Objekt mit Wohnen
Objektdaten
Objektart: Doppelhaus mit Gewerbe
Fläche: 400 m²
Baujahr: 1987
Bewohner: 6 Personen
Alter Heizung: 11 Jahre
Energiebezug:
 ca. 4.500 l Heizöl/a
Bilanzzeitraum: 170 Tage
1.661 kWh
6.118 kWh
1.675 kWh
Abbildungen: Fotostory des Umbaus | 1. Bild: Objekt | 2. Bild: Anlage vor Modernisierung | 3 – 5. Bild: Installierte Neuanlage mit Spitzenlastgerät und Messtechnik
Quelle: GWI, 2015
Folie: 12
Strombilanz Brennstoffzelle | GHD-Objekt mit Wohnen
Der schwankende Tagesverlauf des Objektstrombedarfes
ist ausgeprägt.
KWK Erzeugung
Strombezug →
/ Einspeisung
Fremdstrombezug
Stromeinspeisung
→
Stromeigennutzung
Folie: 13
Beispiel Stirling-Motor | kleines Wohnobjekt
Objektdaten
Objektart: Reihenendhaus
Fläche: 120 m²
Baujahr: 1988
Bewohner: 3 Personen
Alter Heizung: 17 Jahre
Energiebezug:
 ca. 22.000 kWh Erdgas/a
Bilanzzeitraum: 370 Tage
4.943 kWh
1.637 kWh
603 kWh
Abbildungen: Fotostory des Umbaus | 1. Bild: Objekt | 2. Bild: Anlage vor Modernisierung | 3. Bild: Installierte Neuanlage mit Spitzenlastgerät und Messtechnik
Quelle: GWI, 2015
Folie: 14
Strombilanz Stirling-Motor | kleines Wohnobjekt
Stromeinspeisung
Fremdstrombezug
Stromeigennutzung
KWK Erzeugung
Strombezug →
/ Einspeisung
Der wärmegeführte KWK-Anlagenbetrieb ist deutlich erkennbar.
→
Quelle: GWI, 2014
Folie: 15
Kumulierte CO2-Einsparungen - Referenz: Strommix D
Die kumulierten CO2-Einsparungen durch die verschiedenen KWK-Technologien
einerseits und dem Wechsel auf Erdgas andererseits sind signifikant.
Referenzdaten:
IWU-Berechnung ’14
617 g/kWh
241 g/kWh
427 g/kWh
313 g/kWh
Die Prozentangaben beziehen
sich auf die vom KWK-System
generierten Energien
Strommix
Erdgas
Kohle
Öl
Quelle: GWI, 2015
* Die Auswertung basiert auf Daten von 45 Systemen bis zum 18. Mai 2015
Folie: 16
Bewertung nach dem regionalen Strommix NRW
Gegenüberstellung von D und NRW
o Strommix D: 617 g CO2/kWh
Quelle: IWU-Berechnung 2014
o Strommix NRW: 857 g CO2/kWh
Quelle: statistische Landesämter
Legende
Quelle: GWI, 2015
Folie: 17
Kumulierte CO2-Einsparungen - Vergleich: D NRW
↔
Die Prozentangaben beziehen
sich auf die vom KWK-System
generierten Energien
Der in NRW durch die Kohlenutzung dominierte Strommix weist im Vergleich
zum gesamtdeutschen Strommix ca. 40 % höhere spezifische CO2-Emissionen
auf. „Ideale“ Randbedingung für den Einsatz gasbasierter KWK-Systeme.
Quelle: GWI, 2015
Folie: 18
Strom und KWK in der Gebäudeenergieversorgung:
Herausforderungen
Folie: 19
Strom im Gebäude – eine hochdynamische Randbedingung
Elektrischer Energiebedarf in Watt
Die Dynamik ist beim realen Lastprofil wesentlich deutlicher ausgeprägt.
400
o Reales Lastprofil:
Ausgeprägte
Spitzen und
uneinheitlicher
Verlauf;
Differenzierung
zw. WI, SO und
ÜZ schwierig
Auf 1.000 kWh/a
normiertes reales
Lastprofil für
Haushalte
350
300
250
200
150
100
50
0
400
Auf 1.000 kWh/a
normiertes
Standardlastprofil
für Haushalte
350
300
250
WI-Samstag
WI-Sonntag
WI-Werktag
SO-Samstag
SO-Sonntag
SO-Werktag
ÜZ-Samstag
ÜZ-Sonntag
ÜZ-Werktag
o Normiertes
Lastprofil:
Einheitlicher und
gedämpfter
Verlauf
200
150
100
50
Quelle: VDMA, Thorsten Zoerner (www.stromhaltig.de), 2013
00:00
22:45
21:30
20:15
19:00
17:45
16:30
15:15
14:00
12:45
11:30
10:15
09:00
07:45
06:30
05:15
04:00
02:45
01:30
00:15
0
WI – Winter
ÜZ – Übergangszeit
SO – Sommer
Folie: 20
Strategie in der Gebäudeenergieversorgung
Gibt es DIE Strategie bzw. die optimale Versorgungslösung im Gebäude?
ELCORE 2400 (HT-PEM)
Leistung 300 Wel / 700 Wth
Buderus Logapower (SOFC)
Leistung 700 Wel / 620 Wth
Viessmann Vitovalor (NT-PEM)
Leistung 750 Wel / 1.000 Wth
BlueGen (SOFC)
Leistung 1.500 Wel / 610 Wth
Quelle: Initiative Brennstoffzelle, September 2015
Folie: 21
Welche Strategie? Grundstrombedarf im Einfamilienhaus
Die Firma ELCORE hat die elektrische Leistung des BZ-Systems (300 W) am
Objektgrundbedarf ausgerichtet.
Quelle: Bundesministerium für Wirtschaft, FFE, FhG ISI, TU Dresden, 2005
Folie: 22
Einflussgrößen auf Effizienz des Gesamtsystems
Die Vielfalt und die Komplexität der Einflussgrößen erschwert einen
hocheffizienten Betrieb der Gesamtanlage. Der individuelle planerische
Aufwand wird zunehmen.
o Ein singulärer Technologieansatz ist nicht zielführend; die Technologien sind
hocheffizient, aber wie effizient arbeiten sie im Gesamtsystem?
o Wärme und Strom im Gebäude
der Zukunft:
thermische
Speicher
 Trägheit vs. Dynamik
 Welche Führungsgröße?
 Effiziente Nutzung der
Abwärme unabdingbar
 Wie sehen die
Energiespeicher der
Zukunft aus?
elektrische
Speicher
Gebäude
(Mikro-) KWK /
Brennstoffzelle
Nutzereinfluß
Zusatzheizgerät
o Welche Technologie ist für
welchen Anwendungsfall
optimal?
Quelle: GWI, 2013
Folie: 23
Zusammenfassung
Folie: 24
Zusammenfassung
Die Ergebnisse bestätigen das Potenzial der KWK, einen bedeutenden Beitrag zur
Erreichung der klimapolitischen Ziele zu leisten.
o Bisher ermittelte CO2-Einsparung: Gas / Gas -24 %, Heizöl / Gas -38 %, Kohle /
Gas -73 %. In Bezug auf NRW zeigt die differenzierte Betrachtung der spezifischen
CO2-Emissionen (Strommix) erhöhte Potenziale für KWK auf.
o Der Einbau der verschiedenen KWK-Technologien gestaltete sich in der Regel
problemlos (eher Herausforderungen bei den Räumlichkeiten).
- Das Handwerk hat sich proaktiv eingebracht und weiterqualifiziert.
- Eine umfassende Planung ist / wird essentiell!
o Die Verfügbarkeit und der Betrieb der KWK-Anlagen ist einwandfrei (wenige
Betriebsausfälle, sehr gutes Reaktionsmanagement der Hersteller). Die Akzeptanz
als Gas-Plus-Technologie ist sehr groß.
o Die kapitalgebundenen Kosten beeinflussen die Wirtschaftlichkeit von KWKSystemen v. a. beim Vergleich zu (funktionsfähigen) Altsystemen.
o Der Stromeigennutzungsanteil stellt eine zentrale Kenngröße zur Bewertung der
Wirtschaftlichkeit von KWK-Systemen dar. Weitere Untersuchungen zu
Speichertechnologien (Batterien) sind erforderlich.
Folie: 25
Herzlichen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit
Gas- und Wärme-Institut Essen e. V.
Hafenstraße 101
45356 Essen

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