1 Bremer Impulse: Bauen + Energie Lehrgang Modernisierungs
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Lehrgang ModernisierungsBaumeister Bremer Impulse: Bauen + Energie Lehrgang Modernisierungs-Baumeister Blockheizkraftwerke und Wärmepumpen Teil 2: Blockheizkraftwerke Rolf-Peter Strauß, ZETA, Hochschule Bremen Ein Projekt der Bremer Impulse: Bauen + Energie Lehrgang ModernisierungsBaumeister Schwerpunkte Blockheizkraftwerke • Grundlagen Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) • Wie viel Energie lässt sich einsparen? • Typische Einsatzbedingung • Integration in ein Gebäude • Abschließende Bewertung Blockheizkraftwerke und Wärmepumpen Ein Projekt der Bremer Impulse: Bauen + Energie Rolf-Peter Strauß, ZETA, Hochschule Bremen Folie 2 Veranstaltungsdatum 23.05.2008 1 Lehrgang ModernisierungsBaumeister Einführung Kraft-Wärme-Kopplung Definition Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ¾ Gleichzeitig Erzeugung von Kraft (meist: Strom) und Wärme (meist zum Heizen) mit einer Maschine ¾ Die bei der Krafterzeugung (immer) abzuführende Wärme wird genutzt! (und nicht ungenutzt, z. B. mit einem Kühlturm, an die Umgebung abgegeben) Arten der KWK: • Kraftwerke mit Fernwärme-Netzen • Blockheizkraftwerke (BHKW) • Brennstoffzellen Blockheizkraftwerke und Wärmepumpen Rolf-Peter Strauß, ZETA, Hochschule Bremen Ein Projekt der Bremer Impulse: Bauen + Energie Folie 3 Veranstaltungsdatum 23.05.2008 Lehrgang ModernisierungsBaumeister Thermodynamische Grundlagen – Teil 1 Wesentliche Eigenschaften von Energie: 1. Die Menge an Energie bleibt bei einer Umwandlung stets konstant 2. Wärmeübertrager Brenner Aufwand Brennstoff (1. Hauptsatz der Thermodynamik; Prinzip der Energieerhaltung) Abgase Verlust Wärme (50°C) Nutzen Der Wert * der Energie nimmt bei einer Umwandlung stets ab (2. Hauptsatz der Thermodynamik) * WÜT Wärmeübertrager Brenner Brenner Aufwand Brennstoff Ansatz: Energie = ‚wertvolle‘ Energie ** + ‚wertlose‘ Energie = ‚Exergie‘ + ‚Anergie‘ Abgase Verlust Wärme (50°C) (50°C) Nutzen ‚Wert‘ im Sinne der Fähigkeit von Energie, Arbeit zu leisten! Blockheizkraftwerke und Wärmepumpen Ein Projekt der Bremer Impulse: Bauen + Energie ** abhängig von der Umgebungstemperatur Rolf-Peter Strauß, ZETA, Hochschule Bremen Folie 4 Veranstaltungsdatum 23.05.2008 2 Lehrgang ModernisierungsBaumeister Thermodynamische Grundlagen - Teil 2 Wert verschiedener Energieformen: 1. Mechanische, elektrische, kinetische, potentielle Energie = 100% Exergie 2. Die Exergie der Wärme hängt von deren Temperatur ab 'Wert' der Wärme = Exergie 100% Anergie 80% 60% 40% Exergie 20% Umgebungstemperatur 0°C 0% 0 500 1000 1500 2000 Temperatur der Wärme in °C Blockheizkraftwerke und Wärmepumpen Rolf-Peter Strauß, ZETA, Hochschule Bremen Ein Projekt der Bremer Impulse: Bauen + Energie Folie 5 Veranstaltungsdatum 23.05.2008 Lehrgang ModernisierungsBaumeister Einordnung Kraft-Wärme-Kopplung Brennstoff Dampf Prozess Brenner Brennstoff Verlust (50°C) Nutzen (Wärme) Strom Nutzen (Strom) KWK-Kraftwerk Verlust (10°C) Strom Motor Nutzen (Wärme) Kraftwerk Abgase Wärme Abgase Wärme Nutzen (Wärme) Abgase Wärme Dampf Prozess (50°C) Verlust Brennstoff Wärme BHKW Brenner WÜT Abgase Brenner Brennstoff Heizkessel Verlust (100°C) Nutzen (Wärme) Strom Nutzen (Strom) Exergie Blockheizkraftwerke und Wärmepumpen Ein Projekt der Bremer Impulse: Bauen + Energie Anergie Rolf-Peter Strauß, ZETA, Hochschule Bremen Folie 6 Veranstaltungsdatum 23.05.2008 3 Lehrgang ModernisierungsBaumeister Aufbau und Einbindung eines BHKW StromAnschluss Abgas Wärmeübertrager Abgas Vorlauf BHKW Rücklauf Generator Motor Heizkreis-Verteiler Gas aus Netz Pufferspeicher Spitzenlast-Kessel (vermeidet häufiges Takten) Blockheizkraftwerke und Wärmepumpen Ein Projekt der Bremer Impulse: Bauen + Energie Rolf-Peter Strauß, ZETA, Hochschule Bremen Folie 7 Veranstaltungsdatum 23.05.2008 Lehrgang ModernisierungsBaumeister Ausführungsbeispiele Kompakt-Modul Klein-BHKW für EFH (~5 kWel; ~12 kWtherm) Blockheizkraftwerke und Wärmepumpen Ein Projekt der Bremer Impulse: Bauen + Energie Rolf-Peter Strauß, ZETA, Hochschule Bremen Folie 8 Veranstaltungsdatum 23.05.2008 4 Lehrgang Energetische Kennwerte von BHKW‘s ModernisierungsBaumeister (Bewertung 1. Teil) Wirkungsgrad eines BHKW: ηBHKW = P + Q& H P Nutzen Q& = el = el + H = η el + η th Aufwand Q& Br Q& Br Q& Br Stromanteil eines BHKW: γ BHKW = Pel Pel + Q& H Stromfaktor eines BHKW: P σ BHKW = &el Q H Æ Alle Kennwerte sollten bei einem BHKW möglichst hoch sein! Blockheizkraftwerke und Wärmepumpen Rolf-Peter Strauß, ZETA, Hochschule Bremen Ein Projekt der Bremer Impulse: Bauen + Energie Folie 9 Veranstaltungsdatum 23.05.2008 Lehrgang ModernisierungsBaumeister Wirkungsgrade von marktverfügbaren Gas-BHKW‘s 100% η BHKW = η el + η therm y = -0,0032Ln(x) + 0,88 Wirkungsgrad 80% η therm y = -0,0288Ln(x) + 0,6662 60% 40% η el 20% y = 0,0256Ln(x) + 0,2138 0% 1 10 100 1000 10000 Elektrische Leistung in kW Blockheizkraftwerke und Wärmepumpen Ein Projekt der Bremer Impulse: Bauen + Energie Rolf-Peter Strauß, ZETA, Hochschule Bremen Folie 10 Veranstaltungsdatum 23.05.2008 5 Lehrgang ModernisierungsBaumeister Stromanteil von marktverfügbaren Gas-BHKW‘s 1,0 γ = Stromanteil γ 0,8 Pel Pel + Q& H 0,6 y = 0,0311Ln(x) + 0,2407 typischer Bereich 0,3 - 0,5 0,4 0,2 0,0 1 10 100 1000 10000 Elektrische Leistung in kW Blockheizkraftwerke und Wärmepumpen Ein Projekt der Bremer Impulse: Bauen + Energie Rolf-Peter Strauß, ZETA, Hochschule Bremen Folie 11 Veranstaltungsdatum 23.05.2008 Lehrgang Energetischer Vergleich von BHKW‘s (Bewertung 2. Teil) ModernisierungsBaumeister Ein Vergleich eines BHKW mit anderen Energieerzeugern muss besonders sorgfältig durchgeführt werden, da BHKW‘s ¾ Energiearten mit stark unterschiedlicher ‚Qualität‘ liefern (Strom und Wärme) ¾ thermodynamisch eher schwieriger zu bewerten sind (2. Hauptsatz) ¾ und bilanztechnisch nicht eindeutig sind. Randbedingungen eines ‚fairen‘ Vergleichs: 1. Strom Gleiche Produkte Brennstoff Strom- und Wärmemenge BHKW Wärme 2. Gleiche Edukte Brennstoff 3. Randbedingungen Gleiche Randbedingungen technischer Stand, Investor, Förderung, Umweltanspruch, Platzbedarf,… Blockheizkraftwerke und Wärmepumpen Ein Projekt der Bremer Impulse: Bauen + Energie Strom Brennstoff Referenz Wärme Rolf-Peter Strauß, ZETA, Hochschule Bremen Folie 12 Veranstaltungsdatum 23.05.2008 6 Lehrgang ModernisierungsBaumeister Berechnung der Energieeinsparung Wirkungsgrad einer getrennten Erzeugung von Strom und Wärme (Referenzanlage): ηRef. = Pel + Q& H Nutzen 1 = = & & (1 − γ ) γ Aufwand QBr ,el + QBr ,H + ηel ηH Energieeinsparung eines BHKW gegenüber der Referenzanlage: ER = 1 − ηRef. ηBHKW ηel: Wirkungsgrad des Kraftwerks, ηH: Wirkungsgrad des Kessels, Blockheizkraftwerke und Wärmepumpen γ : Stromanteil BHKW Rolf-Peter Strauß, ZETA, Hochschule Bremen Ein Projekt der Bremer Impulse: Bauen + Energie Folie 13 Veranstaltungsdatum 23.05.2008 Lehrgang ModernisierungsBaumeister Energieeinsparung BHKW (allgemein: KWK) Einfluss des gewählten Vergleichsprozesses auf die Einsparung Energieeinsparung BHKW 70% EnEVBewertung 60% 50% 40% nur Kraftw erk: Mix Bestand KW+Kessel: Mix Bestand KW+Kessel: Gas neu nur Kessel: Mix Bestand 30% 20% sinnvolle Bewertung 10% 0% 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 Strom-Anteil des BHKW γ Wirkungsgrade: Kraftwerk: Mix-Bestand: 33%, Gas neu: 58%; Kessel: Mix-Bestand: 88%, Gas neu: 108; Blockheizkraftwerke und Wärmepumpen Ein Projekt der Bremer Impulse: Bauen + Energie BHKW: 88% Rolf-Peter Strauß, ZETA, Hochschule Bremen Folie 14 Veranstaltungsdatum 23.05.2008 7 Lehrgang ModernisierungsBaumeister Wirtschaftliche Aspekte - Teil 1 BHKW‘s sind im Vergleich zur konventionellen Heizung sehr teurer: ¾ BHKW-Modul ¾ eventuell Wärmenetz ¾ Wartungskosten ¾ Aufstellungsraum spez. Kosten in kW el ¾ Installation, 2000 1500 1000 500 0 0 500 1000 1500 2000 Elektrische Leistung des BHKW in kWel BHKW werden subventioniert: ¾ Förderung (Zuschüsse) durch Bund/Land/Energie-Versorgungsunternehmen ¾ Günstiger Absatz des Strom an EVU‘s Blockheizkraftwerke und Wärmepumpen Ein Projekt der Bremer Impulse: Bauen + Energie Rolf-Peter Strauß, ZETA, Hochschule Bremen Folie 15 Veranstaltungsdatum 23.05.2008 Lehrgang ModernisierungsBaumeister Wirtschaftliche Aspekte – Teil 2 BHKW‘s sind normalerweise nur wirtschaftlich, wenn ¾ sie nur betrieben werden, wenn die Wärme auch genutzt werden kann (‚Wärmegeführter Betrieb‘) ¾ und der erzeugte Strom möglichst selber genutzt werden kann (da meist die Stromkosten für Netzbezug höher sind als die Einspeisevergütung) ¾ und der verkaufte Strom subventioniert wird (Einspeisevergütung) ¾ und sich lange Betriebszeiten realisieren lassen (Betrieb als Grundlast-Wärmeerzeuger, Æ Spitzenlastkessel erforderlich!) ¾ und wenn ein geeigneter Aufstellungsraum vorhanden ist ¾ und kein Nahwärmenetz erforderlich wird ¾ und wenn die Brennstoffpreise gering sind. Unter den oben genannten Bedingungen ergibt sich eine Rendite von ca. 10-20%, die häufig nicht für eine positive Investitionsentscheidung ausreicht! Blockheizkraftwerke und Wärmepumpen Ein Projekt der Bremer Impulse: Bauen + Energie Rolf-Peter Strauß, ZETA, Hochschule Bremen Folie 16 Veranstaltungsdatum 23.05.2008 8 Lehrgang ModernisierungsBaumeister Typische Auslegung eines BHKW 100 Wärme vom Spitzenlastkessel Heizleistung in % 80 Wärme von BHKW 60 Leistungsanteil BHKW: Heizleistung des BHKW 40 20 Wärmeanteil BHKW: Volllastbetrieb BHKW (hier: ~ 6500 h/a) QBHKW ≈ 40 ⋅ ⋅ ⋅ 70% QH 0 0 2000 4000 Stunden Q& BHKW ≈ 20 ⋅ ⋅ ⋅ 40% Q& H 6000 8000 Für die Wirtschaftlichkeit eines BHKW ist der Sommer entscheidend! Æ BHKW steht in Konkurrenz zur Solaranlage!! Blockheizkraftwerke und Wärmepumpen Ein Projekt der Bremer Impulse: Bauen + Energie Rolf-Peter Strauß, ZETA, Hochschule Bremen Folie 17 Veranstaltungsdatum 23.05.2008 Lehrgang ModernisierungsBaumeister Zusammenfassung ¾ Mit BHKW lassen sich bis zu 40 % Energie einsparen ¾ Energetische Vergleiche mit anderen Techniken sind sorgfältig zu bewerten ¾ Die hohen Investitionskosten werden größtenteils durch geringere Energiekosten kompensiert ¾ BHKW‘s werden bei steigenden Energiekosten eher unwirtschaftlicher! ¾ Es sollte gut geprüft werden, ob die hohen Investitionskosten nicht sinnvoller in die Vermeidung von Energiebedarf verwenden lassen ¾ Je besser Gebäude gedämmt sind, desto geringer ist die Energieeinsparung durch ein BHKW ¾ Für sehr gut gedämmte Gebäude sind BHKW nicht mehr interessant, da sich nur noch geringe Betriebszeiten ergeben Blockheizkraftwerke und Wärmepumpen Ein Projekt der Bremer Impulse: Bauen + Energie Rolf-Peter Strauß, ZETA, Hochschule Bremen Folie 18 Veranstaltungsdatum 23.05.2008 9 Lehrgang ModernisierungsBaumeister Nützliche Internet-Adressen und Buchtipps www.bine.info - Portal zur Energieforschung: Thema Kraft-Wärme-Kopplung www.asue.de – BHKW Kenndaten und Wissenswertes www.thema-energie.de - Wissenskatalog Energie: Blockheizkraftwerke www.bhkw-infozentrum.de - Portal zu Blockheizkraftwerken mit Forum und Newsletter www.bhkw-forum.de - BHKW-Forum für Betreiber und Interessenten www.bkwk.de - Geräteliste des Bundesverbands KWK e.V. 1. Wolfgang Suttor, Armin Müller: „Das Mini-Blockheizkraftwerk. Eine Heizung, die kostenlos Strom erzeugt “, 2. Auflage,C.F.Müller 2. Wolfgang Suttor: „Blockheizkraftwerke. Ein Leitfaden für den Anwender“, 6. aktualisierte Auflage 2005, ISBN 3-934595-47-2 3. Steinborn, Friedhelm: „BHKW-Plan-Handbuch: wirtschaftliche Auslegung und Planung von Blockheizkraftwerken“, Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung, Baden-Württemberg - 6. Auflage Blockheizkraftwerke und Wärmepumpen Ein Projekt der Bremer Impulse: Bauen + Energie Rolf-Peter Strauß, ZETA, Hochschule Bremen Folie 19 Veranstaltungsdatum 23.05.2008 10
