TISG zum 100 Jahre Jubiläum
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Technische Gasfachtagung Aktueller Stand stromerzeugende Heizungen und Mini-WKK 12. April 2012 Luzern Eine lebhafte Debatte: Dezentrale Stromproduktion Die aktuelle Energie-Debatte • Dilemma: Atomausstieg oder Klimaschutz • Dilemma: Gas-Kombi-Kraftwerke oder dezentrale Stromproduktion (WKK) • Wie schliesst man die Stromlücke • WKK und Gas-Kombi-Kraftwerke nur mit Erdgas möglich • Aber: Ist WKK möglich ohne Subventionen • Subventionitis überall: Windkraft, Photovoltaik....und jetzt WKK? Kleine WKK Stromerzeugende Heizungen Mikro-WKK Mini-WKK Gegenargumente: • Zu wenig technisch ausgereift • Zu teuer Nur machbar mit: • Subventionen • Einspeisevergütungen Schweiz – Dein Strom Strom WKK soll zwischen 3.8 – 11.5 TWh Strom liefern Quelle: Unser Bundesrat! Stromverbrauchabsenkung Der Werkzeugkasten • Verbrauchsvorschriften Geräte • Bonus - Malus-System für Stromkonsumenten • Wärmedämmung Einsparungen mit diesen Massnahmen Gem. Bund 25 TWh Gem. Stadtwerke 13 TWh Gründe Anstieg Stromverbrauch: • • • Bevölkerungs- / Wirtschaftswachstum Elektrowärmepumpen IT-Branche Bericht von der Gasbaustelle Stromerzeugende Heizung und Gaswärmepumpen Positionierung Markt Gasverwendung Gasbaustellen • Erdgas/Biogas Produkte Gasstrom Gross-Gross: WKK 200 kW – 1 MW 2011 Vorphase 2020 2040 Produktionsphase Stromproduktion mit Erdgas Kombikraftwerken Substitutionsphase Einsatz Gasstrom durch Erneuerbaren Strom Klein-Klein: Stromerzeugende Heizung und Mini-WKK 2011 2020 Markteinführung 2040 Marktreife Standardprodukt Wie entwickelt sich der Strom- und Wärmebedarf im Wohnbereich ? • EFH / MFH (Grund-Leistungsbereich < 5 kWel.) Wärmebedarf nimmt ab (bessere Isolation, Gebäudestandard, Neubau, fortschreitende Sanierung) Strombedarf wird im Verhältnis zum Wärmebedarf immer grösser Raumheizung Brauchwarmwasser Strom Leistungs-Index 250 2 200 1,5 150 1 100 50 0 0,5 0 Leistungs-Index [kWh/kWh] Energiebedarf [kWh/a m2] • • Das stromproduzierende Haus 2008 2009 2010 2011 2012 Brennstoffzelle Stromerzeugende Heizung Gaswärmepumpe für das EFH Gaswärmepumpe für das MFH Brennwert-Solar-Kombination Kondensierender Gasheizkessel Wie positionieren sich stromerzeugende Heizungen? 2013 Was ist Micro-/Mini-WKK? Was sind stromerzeugende Heizungen? Viele Begriffe für dieselbe Technologie... Ein Wirrwarr • WKK Wärme-Kraft-Kopplung (auch KWK) Nach BFE: 200kW bis 4MWel, immer gekoppelt mit Elektro-Wärmepumpe • BHKW Block-Heiz-Kraftwerk • Mini-WKK BHKW mit Pel < 15kW und Ptherm < 40kW * • SeH Stromerzeugende Heizung, Pel typischerweise <5kW * Quelle: Bund Das Grundprinzip: Kleine WKK • WKK = Wärme-Kraft-Kopplung, also gleichzeitige Erzeugung von Wärme und Strom • Dadurch hohe Brennstoffausnutzung • Primär: Wärmeerzeugung, Strom ist „Nebenprodukt“ • Soll herkömmlichen Heizkessel ersetzen Abgas Wärme Erdgas SeH Strom Stromerzeugende Heizung – Definitionen Stromerzeugende Heizung Kondensierendes, wärmegeführtes Gasheizgerät zur gleichzeitigen Erzeugung von Wärme und Strom in einem thermodynamischen (Wärme-KraftKopplung) oder elektrochemischen (Brennstoffzellenheizung) Prozess beim Endverbraucher. Es wird nur dann Strom produziert, wenn von der Heizungsregelung Wärme angefordert wird. Durch den Einsatz eines Heizungspuffers ist stromoptimierter Betrieb möglich. Mikro WKK Stromerzeugende Heizung auf Basis der WärmeKraft-Kopplung mit einer elektrischen Leistung von maximal 5 kW und einphasiger bzw. dreiphasiger Einspeisung ins Hausverteilnetz. Die thermische Leistung liegt in der Regel unter 30 kW. Mini WKK Stromerzeugende Heizung auf Basis der WärmeKraft-Kopplung mit einer elektrischen Leistung zwischen 5 und 30 kW und in der Regel dreiphasiger Einspeisung ins Hausverteilnetz (3x230/400V). Gegenüberstellung: WKK versus SeH Gross-Wärmekraftkopplung • Pel typisch 200kW bis 4MW • Optimiert für hohe el. Wirkungsgrade • Stromgeführt • Typ. Laufzeiten >4000h • Kurze Wartungsintervalle • Hohe Wartungskosten • Ziel: Stromrückspeisung Stromerzeugende Heizung • Pel typisch 1 bis 5kW • Optimiert für hohe Gesamtwirkungsgrade • Wärmegeführt • Typ. Laufzeiten <2000h • Lange Wartungsintervalle • Tiefe Wartungskosten • Ziel: Senken der Eigenimporte Stromerzeugende Heizungen – Die Grundidee Die typische Mikro-KWK oder stromerzeugende Heizung ist eine Kombination von: • Kondensierendem Gasheizkessel • Thermischer Stromerzeugungseinheit mit: • Kleiner thermischer Leistung (Bereich EFH) • Kleiner elektrischer Leistung (<5kW) Ziele dieser Kombination: • Parallele Erzeugung von Wärme (für Raumheizung, Warmwasser) sowie elektrischer Leistung (wärmegeführt ) • Einfache Installation (ähnlich wie Gas-Wandgerät) Argumente für die stromerzeugende Heizung • • • • • • Produzieren Strom genau dann, wenn Elektrowärmepumpen diesen benötigen ein (kleiner) Beitrag zur Deckung der Stromlücke Da der Strom dezentral produziert wird, kann das lokale Stromnetz teilweise entlastet werden Hohe Brennstoffausnutzung, da die Abwärme der Stromproduktion zur Gebäude‐ Beheizung genutzt wird. Entsprechend weniger CO2‐Emission (im Vergleich zum EU Strommix) Wirtschaftlicher Betrieb dank der dadurch erreichten Effizienz – allerdings sind die Investitionskosten hierfür noch hoch In gasversorgten Altbauten könnten sie zu einer energieeffizienten Alternative werden: ‐ hohe Vorlauftemperaturen sind keine Einschränkung ‐ dank (eingebautem) Spitzenlastkessel ist ein hoher Wärmebedarf kein Investitions‐Problem ‐ die aufwändige Erschliessung einer Umweltwärmequelle entfällt (siehe Solar, Wärmepumpen) Neue Herausforderung: Brauchwarmwasser (BWW) Bestandsgebäude Neubau / Modernisiertes Gebäude Thermischer Energiebedarf gesamt Heizenergie BWW • • ≈ 20 % ≈ 80 % ≈ 60 - 40 % ≈ 40 - 60 % Während früher der Anteil an der Energie zur BWW- Erwärmung verhältnismässig gering war, gewinnt er bei modernen Gebäuden oder sanierten (gedämmten) Altbauten immer mehr an Bedeutung Folglich muss der Wärmeerzeuger einen beachtlichen, oder sogar den grösseren Teil der Energie auf hohem Temperaturniveau bereitstellen Diese Herausforderung können Stromerzeugende Heizungen deutlich besser und effizienter meistern, als beispielsweise Elektro-Wärmepumpen! Neue Gasheizgeräte im Heizungsraum FOGA Brennstoffzellen-Heizgeräte Markteinführungsprogramme der Gaswirtschaft! Inklusive Förderprogrmme Motoren- Generatoren-Technologien Brennstoffzelle Verbrennungsmotor Otto-Motor Stirling-Motor Entwicklungsstand der Technologien Folgende Technologien werden bei aktuellen Geräten verwendet: Entwicklungsschritte • Gas-(otto)motor Prinzip: Stand: Interne Verbrennung Erprobt und bewährt • Stirlingmotor Prinzip: Stand: Externe Verbrennung Erste Geräte Praxiserprobt • Dampfmotor Prinzip: Stand: Externe Verbrennung mit Dampfkreislauf Erste Serie im Einsatz • Brennstoffzelle Prinzip: Stand: Chemische Reaktionsenergie Vorserie (Beispiel Hexis Galileo) Stirling-Technologien • Freikolben-Stirling: Viessmann Vitowin, BDR eVita, Ariston/Elco, Vaillant EcoPower Stirling • Kinematischer Stirling: EHE Efficient Home Energy SL Whispergen Stirling-Technologien Kinematisch Freikolben • Whispergen • Solo-Stirling • Vitotwin, eVita • Elco/Ariston mCHP • Baugrösse nicht beschränkt • Benötigt keine hohen Temperaturen • Rekuperierender Brenner nicht nötig • Wirkungsgrad tiefer als Freikolben • Begrenzte Baugrösse (bewegte Masse) • Hohe Temperaturen (200-700 C) notwendig • Dafür höherer Wirkungsgrad • Benötigt rekuperierender Brenner Gründe für Stirling-Technologien • Robuste Technologie, Unterhaltskosten voraussichtlich geringer als bei anderen Mikro‐WKK‐Technologien • Robuste bodenstehende Ausführung und integrierte Warmwasser‐Bereitung • Integrierter Spitzenlast‐Kessel • Starke industrielle Partnerschaften der Hersteller: Viessmann-BDR und Buderus-Ariston Linearer Dampfmotor „Linator“ • Eingesetzt im Otag Lion • Sehr hohe Modulierbarkeit • Kontinuierliche Verbrennung (Verdampfer) Verbrennungsmotor (Ottomotor) • Beispiel: Kirsch microBHKW • Höherer elektrischer Wirkungsgrad als bei externer Verbrennung • Erprobte VerbrennungsmotorenTechnik • Reiner Saugmotor • Mit Abgasbehandlung Je nach Technologie verschiedene Konzepte für Heizung Drei Gerätekonzeptionen • Heizung rein durch Abwärmenutzung der Stromerzeugungseinheit (Bsp: Kirsch, Lion, Dachs) • Heizung durch Abwärme Stromerzeugung Integrierter Zusatzbrenner (Bsp: eVita, Whispergen, Vitotwin) • Heizung durch Abwärme Stromerzeugung Beistell-Kessel (Bsp: EcoPower 1.0) Vaillant EcoPower 1.0 Erreichbare elektrische Wirkungsgrade von stromerzeugenden Heizungen und BrennstoffzellenHeizungen SeH Brennstoffzellen Reale elektrische Wirkungsgrade Gerät Technologie el. Wirkungsgrad* Otag Lion Dampfmotor 10-12% Remeha eVita Freikolben-Stirling 14% Viessmann VitoTwin Freikolben-Stirling 14% EHE WhisperGen Kinematischer Stirling 11% SenerTec Dachs Gas-Ottomotor 27% Kirsch microBHKW Gas-Ottomotor 25% Vaillant Ecowill Gas-Ottomotor 20% Vaillant Ecopower 1.0 Gas-Ottomotor 26% Proenvis Primus 1.4 Gas-Ottomotor 24% Hexis Galileo SOFC-Brennstoffzelle 30% Baxi Innotech Gamma PEM-Brennstoffzelle 31% CFCL BlueGen SOFC-Brennstoffzelle 53% Vaillant BZH SOFC-Brennstoffzelle 30-34% * Nur WKK-Teil, ohne allenfalls vorhandenem Zusatzbrenner Übersicht eingesetzter Technologien Otag Lion Technologie: Dampfmotor Elektr. Leistung: 2 kW Therm. Leistung: 16 kW Zusatzbrenner: Nein Modulation: Ja Ges. Wirkungsgrad: 94% Remeha eVita Technologie: Stirling Elektr. Leistung: 1 kW Therm. Leistung: 6 kW Zusatzbrenner: 18 kW Modulation: Ja Ges. Wirkungsgrad: 92% Whispertech Whispergen Technologie: Stirling Elektr. Leistung: 1 kW Therm. Leistung: 7 kW Zusatzbrenner: 14 kW Modulation: 2 Stufen Ges. Wirkungsgrad: 94% Elco/Ariston mCHP Technologie: Stirling Elektr. Leistung: 1 kW Therm. Leistung: ca. 25 kW Zusatzbrenner: 20 kW Modulation: Ja Ges. Wirkungsgrad: 98% Vaillant Ecowill Technologie: Gasmotor Elektr. Leistung: 1 kW Therm. Leistung: 3 kW Zusatzbrenner: 12-30 kW Modulation: Nein Ges. Wirkungsgrad: >80% Kirsch microBHKW Technologie: Gasmotor Elektr. Leistung: 4 kW Therm. Leistung: 12 kW Zusatzbrenner: nein Modulation: Ja, 3 Stufen Ges. Wirkungsgrad: 95% Marktreife Geräte (verfügbar für Praxistests) WhisperTech / EHE WhisperGen BDR / Remeha eVita Daten • Technologie: Stirling • Elektr. Leistung: 1 kW • Therm. Leistung: 7 kW • Zusatzbrenner: 14 kW • Modulation: 2 Stufen • Ges. Wirkungsgrad: 94% • Preis ca: EUR 8‘500 (voraussichtl.) • Markteinführung: Ab Sommer 2010 in EU Daten • Technologie: Stirling • Elektr. Leistung: 1 kW • Therm. Leistung: 6 kW • Zusatzbrenner: 18 kW • Modulation: Ja • Ges. Wirkungsgrad: 92% • Markteinführung: Ab 2011 Kirsch microBHKW Viessmann Vitotwin 300-W Daten • Technologie: Gasmotor • Elektr. Leistung: 4 kW • Therm. Leistung: 12 kW • Zusatzbrenner: nein • Modulation: Ja, 3 Stufen • Ges. Wirkungsgrad: 95% • Preis ca: EUR 10‘000 (voraussichtl.) • Markteinführung: Ab 2012 Daten • Technologie: Stirling • Elektr. Leistung: 1 kW • Therm. Leistung: 6 kW • Zusatzbrenner: 20 kW • Modulation: Ja • Ges. Wirkungsgrad: 96% • Ab 2012 Aktuell / In Deutschland verfügbar Proenvis Primus 1.4 Technologie: Gas-Ottomotor • Elektr. Leistung: 3.7 kW • Therm. Leistung: 10 kW • Leistungsmodulation • Ges. Wirkungsgrad: bis 95% • Markteinführung 2011 Vaillant EcoPower 1.0 Technologie: Gas-Ottomotor • Elektr. Leistung: 1 kW • Therm. Leistung: 2.5 kW • Zusätzliches Brennwert-Modul notwendig • Modulation: unbekannt • Ges. Wirkungsgrad: 92% (WKK-Teil) • Feldtests in DE, Entwicklungsstand unbekannt • Markteinführung CH unbekannt, frühestens 2012 möglich Modulierbarkeit von SeH Stromerzeugende Heizgeräte können in der Regel ihre thermische Leistung gleitend oder in Stufen Modulieren. Bei Gasmotor-Geräten über die Drosselklappe (Kirsch) - bei Stirling-Geräten über einen modulierenden Brenner (Viessmann ; Remeha). Viessmann Vitotwin / Remeha eVita Kirsch microBHKW Leistung (kW) Leistung (kW) P_thermisch P_elektrisch Zusatz brenne r Hauptbrenner P_min P_max Leistungsstufe Technikansätze Stromerzeugende Heizung Vom Gerät zum System Voraussetzung Markterfolg • Produkt Qualität - Niedriger Service/ Unterhalt - Langzeit-Stabilität - Einfache Wartung • Einfache Installation mit Standardschaltungen- und -Lösungen Ausführung: Dachs Stirling Einheit Zielgrössen • Markt: EFH/Zweifamilienhäuser: 35‘000 kWh Wärme/Jahr • Komplettsystem; Stirling-Generator, 530 l Pufferspeicher, Plattenwärmetauscher, Pumpen • Maximierte Stirlinglaufzeiten • Reduzierter Planungs-, Installationsund Inbetriebsetzungsaufwand Geräte in Entwicklung Otag Lion Technologie: Dampfmotor Elektr. Leistung: 2 kW Therm. Leistung: 16 kW Zusatzbrenner: Nein Modulation: Ja Ges. Wirkungsgrad: 94% Wird periodisch weiterentwickelt Eingeschränkt verfügbar Geräte für Praxistests der Schweizer Gaswirtschaft WhisperTech / EHE WhisperGen BDR / Remeha eVita • • • • • • • 5 Exemplare vorgesehen Zusätzlich System mit Speicher, Regelung (Efontis) 5 Geräte im Lager SVGW 1 Gerät im Labortest SVGW • Otag Lion Kirsch microBHKW • • • 5 Exemplare vorgesehen 1 Gerät Praxistest Sion 5 Geräte durch Kirsch noch nicht ausgeliefert 5 Exemplare vorgesehen 1 Ausstellungsgerät (verglast) 4 Geräte im Lager bei Walter Meier AG 1 Geräte im Labortest SVGW • • • 2 Exemplare vorgesehen 1 Gerät Praxistest LGV 1 Gerät im Lager SVGW Marktübersicht Stromerzeugende Heizung Mikro-WKK und Mini-WKK Marktübersicht Stromerzeugende Heizung Brennstoffzelle Aufstellung/Einbindung von Stromerzeugenden Heizungen Einbindung EFH • Installation im Heizungsraum • Einbindung in bestehende Hydraulik (Fussbodenheizung, Radiatoren usw.) • Stromerzeugende Heizung ersetzt bisherige Heizung • Pufferspeicher notwendig, um lange Betriebszeiten des thermischen Stromerzeugers zu ermöglichen! Stromerzeugende Heizung - Das System Wichtige Komponenten: • Speicher/Puffer • Steuerung • Regelung Unterschiedliche Ansätze für Speicher: • Puffer-Speicher • Kombispeicher, BWW integriert • Puffer und BWW in getrennten Speichern • Durch Hersteller empfohlene Speichergrössen im Bereich 300 bis 800l System = Stromerzeugende Heizung + Pufferspeicher Häufig als Paketlösung des Herstellers, inkl. Regelung und Anschlussset: Beispiel WhisperGen Systempaket Hydraulische Einbindung SeH in System mit Kombispeicher Hydraulische Einbindung SeH in System mit Puffer und separatem BWW-Speicher Aufstellung/Abgasführung/Schal l/Elektrische Einbindung 48 Referent: Martin Seifert, SVGW Gassicherheit - Abgasführung • • • Die Abgasführung wird in der Regel raumluftunabhängig im LASSystem ausgeführt. Auch eine raumluftabhängige Abgasführung ist bei entsprechend dimensionierter Zuluftöffnung möglich Bei Geräten mit Stirling-Motor handelt es sich um einen gewöhnlichen Gebläsebrenner – es können handelsübliche Abgasleitungen wie bei kondensierenden Kesseln eingesetzt werden. Die Geräte sind kondensierend – es muss eine Abführung des Kondensats über einen Siphon eingebaut werden. Einbindung: Analog Brennwertkessel Stromerzeugende Heizung „Otag Lion“ Brennwertkessel 5. Gassicherheit – Abgasführung für Gasmotor-Geräte Für Gasmotor-BHKWs sind die Anforderungen nach VKF Brandschutzrichtlinie 25-03 definiert. Es müssen druckdichte Abgasleitungen nach Klassifizierung H eingesetzt werden. 5. Gassicherheit – Gasregelstrecke Beispiel: Kirsch Gasmotor-BHKW L4.12 Schallschutz bei Stromerzeugenden Heizgeräten Wandhängendes Stirlinggerät (Vitotwin / eVita) Schallabsorbierende Innenauskleidung Stirlingmotor an Federn hängend gelagert Schalldämpfende Wandhalterung Bei Stirling-Geräten muss besonders auf eine gute Körperschall-Entkopplung geachtet werden. Schallschutz bei Stromerzeugenden Heizgeräten Gasmotor-Gerät Abgasschalldäpfer Flexible Anschluss-Schläuche Schallabsorbierende Innenauskleidung Geräteaufstellung auf Gummidäpfern Für die Aufstellung von Gasmotor-BHKWs bedarf es vorab einer ausführlichen Planung und Beurteilung in Bezug auf Schall. Auch der Luftschall im Aufstellungsraum ist zu beachten – der Raum sollte von massiven Wänden umgeben sein. Elektrische Einbindung • Grundsätzliche gelten die Technischen Anschlussbedingungen des betreffenden Werkes (TAB) • In DE zugelassene Geräte benötigten bisher eine ENS („Netzfreischaltung“), sofern die Schaltstelle dem Versorger nicht zugänglich ist Üblich bei stromerzeugenden Heizungen • Neu: Selbstätige Schaltstelle zwischen einer netzparallelen Eigenerzeugeranlage und dem öffentlichen Niederspannungsnetz nach DIN V VDE 0126-1-1 Durch Impedanzmessung muss neu nur noch eine Phase überwacht werden • Folgende Werte werden vor und während Netzsynchronisation ständig überwacht: – Spannung zwischen 80% und 114% von Unenn – Frequenz min. 47Hz, max. 50.2 bis 51.5Hz – Mittelwert Spannung über 10min Bei Abweichung muss Gerät innerhalb 200ms vom Netz getrennt werden! • In DE zugelassene Geräte üblicherweise von CH-Werken anerkannt Elektrische Anschlussbedingungen Normschema Einfamilienhaus Elektrische Anschlussbedingungen Normschema Mehrfamilienhaus Stromeinspeisung / Rückspeisung – unterschiedliche Modelle Je nach Modell, wie der Stromanbieter den überschüssig erzeugten Strom vergütet, ergeben sich verschiedene Möglichkeiten für den Stromzählertyp. Vierquadrantenzähler Stromzähler mit mehreren Zählregistern, welcher sowohl Wirk- als auch Blindenergien nach Bezug und Lieferung (meist auch tarifabhängig) getrennt erfasst. Für Bezug und Lieferung kann der Energieversorger unterschiedliche Tarife festlegen. Zähler ohne Rücklaufsperre Saldierender Stromzähler mit (meist) nur einem Zählregister, welcher je nach Energieflussrichtung vor- oder rückwärts läuft. Modellbeispiele: 1.Strombezug und Rückspeisung werden jährlich saldiert. Ist der Saldo am Jahresende negativ, zahlt der Kunde lediglich den Reststrombezug aus dem Netz. Ist der Saldo positiv, bekommt der Kunde den Überschuss zum gleichen Tarif wie der Strombezug, oder zu einem vorher festgelegten Tarif erstattet. 2.Die Stromrückspeisung wird ab der ersten eingespeisten kWh zu einem festgelegten Tarif (in der Regel deutlich unter dem Tarif für den Strombezug) vergütet. Der Tarif kann auch differenziert für Hoch- und Niedertarif festgelegt werden. Modellbeispiele: 1.Strombezug und Rückspeisung werden jährlich saldiert. Ist der Saldo am Jahresende negativ, zahlt der Kunde lediglich den Reststrombezug aus dem Netz. Ist der Saldo positiv, bekommt der Kunde den Überschuss zum gleichen Tarif wie der Strombezug, oder zu einem vorher festgelegten Tarif erstattet. Ausgeführte Installationen 59 Referent: Martin Seifert, SVGW Typische Installationen von SeH Dreifamilienhaus ; Bestand (Baujahr 1920) Heizleistung: 26 kW Thermischer Speicher: Kombispeicher 750 L mit integriertem BWW-Wärmetauscher Typische Installationen von SeH Einfamilienhaus ; Neubau Heizleistung: 12 kW Thermischer Speicher: Kombispeicher 650 L mit integriertem BWW-Wärmetauscher Typische Installationen • Stirling-Geräte (Quelle Ariston) Wirtschaftlichkeitsüberlegungen Weshalb keine grösseren el. Leistungen? • Wärme- und Stromerzeugung soll an Bedürfnis EFH angepasst sein • Optimales Verhältnis: 10% Strom + 90% Wärme • Höherer el. Wirkungsgrad steigert den Gesamtwirkungsgrad nicht! Brennstoffmehrverbrauch vs. Stromeinsparung Einfamilienhaus ; Baujahr 2005 ; 150 m² ; 4 Personen Wärmebedarf für Heizung und BWW: 80 kWh/m2 x a = 12.000 kWh/a ; Heizlast: 6 kW Strombedarf: 5000 kWh/a Energiebilanz versus el. Wirkungsgrad Ist ein hoher el. Wirkungsgrad von Vorteil? Beispiel: Jährlicher Energiebedarf Neubau Thermisch (Heizung + BWW): 15‘000kWh Elektrisch (Haushaltsstrom): 5‘000kWh Thermischer Nutzungsgrad: 90% (10 % Abgasverluste) Energiebedarf pro Jahr Neubau (EFH) Bezug Erdgas Eigenproduktion Strom Bezug Strom Variante 1: Gasheizkessel Variante 2: WKK mit ηel = 15% Variante 3: WKK mit ηel = 30% 16’700 kWh 19’600 kWh 23’800 kWh 0 kWh 2’900 kWh 7’100 kWh 5’000 kWh 2’100 kWh - 2’100 kWh * Energiebedarf gesamt * Negative Werte = Vergütete Stromrückspeisung Energiefluss in einem Mustergebäude Einfamilienhaus ; Baujahr 2005 ; 150 m² ; 4 Personen Wärmebedarf für Heizung und BWW: 80 kWh/m² x a = 12.000 kWh/a ; Heizlast: 6 kW Strombedarf: 5000 kWh/a Verluste (Abgas ; Stillstand): 800 kWh Strom Rückspeisung: 500 kWh Strom: 2000 kWh Erdgas: 14.800 kWh Wärme für Heizung / Strom Eigenverbrauch: 1500 kWh BWW: 12.000 kWh Stromfluss in einem Gebäude mit SeH Einfamilienhaus ; Baujahr 2005 ; 150 m² ; 4 Personen Wärmebedarf für Heizung und BWW: 80 kWh/m² x a = 12.000 kWh/a ; Heizlast: 6 kW Strombedarf: 5000 kWh/a Strombedarf im Gebäude: 5000 kWh/a Stromerzeugende Hilfsenergie: 200 kWh/a Heizung Deckung Eigenbedarf: 1500 kWh/a Stirling Abgegebene Energie: 2000 kWh/a Rückgespeiste Energie: 500 kWh/a Öffentliches Stromnetz Energiebezug aus dem Netz: 3500 kWh/a Energiebilanz versus el. Wirkungsgrad Ist ein hoher el. Wirkungsgrad von Vorteil? Beispiel: Jährlicher Energiebedarf Neubau Thermisch (Heizung + BWW): 15‘000kWh Elektrisch (Haushaltsstrom): 5‘000kWh Thermischer Nutzungsgrad: 90% (10 % Abgasverluste) Energiebedarf pro Jahr Neubau (EFH) Bezug Erdgas Eigenproduktion Strom Bezug Strom Energiebedarf gesamt Variante 1: Gasheizkessel Variante 2: WKK mit ηel = 15% Variante 3: WKK mit ηel = 30% 16’700 kWh 19’600 kWh 23’800 kWh 0 kWh 2’900 kWh 7’100 kWh 5’000 kWh 2’100 kWh - 2’100 kWh * 21’700 kWh 21’700 kWh 21’700 kWh Der Gesamtenergiebedarf (Strom und Erdgas) bleibt gleich! * Negative Werte = Vergütete Stromrückspeisung Stromgestehungskosten Beispiel: Stromerzeugende Heizung mit 1.5 kW elektrischer Leistung Kosten Bezug Erdgas: Elektrische Leistung: Abwärmenutzung des WKK-Teils: Wartungskosten Brennwert-Kessel: Wartungskosten Stromerz. Heizung: Energiebedarf pro Jahr Neubau (EFH) 6 Rp./kWh 1.5 kW 90% CHF 300.- / Jahr CHF 500.- / Jahr Bei 2000 Bh pro Jahr Bei 4000 Bh pro Jahr Zusätzlicher Bezug von Erdgas* 200.- 400.- Zusätzliche Wartungskosten* 200.- 200.- 3000 kWh 6000 kWh 13 Rp./kWh 10 Rp./kWh Eigenproduktion Strom Stromgestehungskosten • Zum Vergleich: Durchschnittlicher Bezugspreis Strom = 18Rp./kWh • Kann Stromimport während Hochtarif vermindert werden, steigt Wirtschaftlichkeit markant an • Wartungskosten speziell bei kleinen elektrischen Leistungen sehr wichtig * Gegenüber Brennwert-Kessel ohne Stromproduktion Stromproduktion über das Jahr Gebäude ; 15 kW Heizlast SeH mit 6 kW_th und 1kW_el + Spitzenlast Monatliche Stromproduktion über das Jahr (qualitative Darstellung) November bis Ende Februar: Strirling läuft mehr oder weniger durch Mai bis Ende August: Stirling läuft für BWW Erwärmung nur gut 1 h/Tag Überschlagsrechung Mustergebäude (Bestand) Gebäude ; 15 kW Heizlast SeH mit 6 kW_th und 1kW_el + Spitzenlast Energiebedarf im Winter: 15 kW x 1800 h = 27.000 kWh_th Davon ca. 80 % mit Stirling = 21.600 kWh_th / 6 kW = 3600 h/Winter BWW im Sommer: 4 Personen a`2 kWh/Pers x d = 8 kWh_th/d 180 Tage x 8 kWh_th/d = 1440 kWh_th/Sommer / 6 kW = 240 h/Sommer Stromproduktion: Winter ca. 3600 kWh_el Sommer ca. 240 kWh_el Gesamt: ca. 3840 kWh_el Bei 250.000 SeH entspricht das einer elektrischen Energie von 960 MWh/a. Potential Stromverbrauchsabsenkung CH • In CH 700‘000 EFH/kleine MFH in Gasversorgten Gebieten • Annahmen: Betrieb von 100‘000 Stromerzeugenden Heizungen Durchschnittlich 2000 Bh / Jahr Variante 1: Stirling (Pel = 1 kW) Variante 2: Gasmotor (Pel = 4 kW) Variante 3: Brennstoffzelle (Pel = 2 kW) Pro Jahr… Variante 1 1 kW Variante 2 4 kW Variante 3 2 kW Total mit SeH produzierter Strom 200 GWh 800 GWh 400 GWh Zum Vergleich: Stromverbrauch in der Schweiz im Jahr 2010: 60 TWh Geräte- / Systempreise - Zielkorridore Geräte Aktuelle Gerätepreise: EUR 9’000.- Systeme Zielkorridor: EUR 6’000.- Aktuelle Systempreise: EUR 15’000.- Zielkorridor: EUR 8’000.- Markt Marktsegmente/Nutzungsart Anwendungsbereich, Nutzungsart Gebäudetypen: • Ein- und Zweifamilienhäuser • Reiheneinfamilienhäuser • Modernisierung / Renovation Nutzungsart: • Raumheizung • Warmwasser • Stromerzeugung primär für Eigenverbrauch Leistungsmatrix SeH und Marktsegmente Vitotwin 300W / eVita 25S Whispergen EU1 EFH Kirsch L4.12 Kleines MFH EFH • Stromerzeugende Heizungen können sinnvoll ab einer nominalen Heizleistung von ca. 7kW eingesetzt werden. • Eine gute Auslastung wird bei den Stirling-Geräten ab einem Bedarf von ca. 20.000 kWh erreicht – es können so Laufzeiten des Generators von >3000 h/a erzielt werden. • Das Kirsch Gasmotor-BHKW hat im Gegensatz zu den Stirling-Geräten keinen Zusatzbrenner. Für eine gute Auslastung sollte der Heizleistungsbedarf des Gebäudes möglichst nahe an der nominalen Geräteleistung von 12 kW liegen. Stromerzeugende Heizungen - Der Markt Der Zielmarkt: • Einfamilienhäuser Altbauten / Neubau • Kleine Mehrfamilienhäuser Das Mengengerüst: • Einfamilienhäuser in gasversorgtem Gebiet: 600‘000 Einheiten • Zweifamilienhäuser in gasversorgtem Gebiet: 90‘000 Einheiten First Mover / Technik-Begeisterte: • Im gasversorgten Gebiet: 50‘000 Personen Stromerzeugende Heizungen - Der Markt Einfamilienhaus Volumen Potenzial Konkurrenz Potenzieller Markt Neubau mittel klein EWP Pellets 5% Renovation gross gross Pellets EWP > 10 % Kleine Mehrfamilienhäuser Volumen Potenzial Konkurrenz Potenzieller Markt Neubau klein klein EWP Pellets 5% Renovation gross gross Pellets EWP > 10 % Stromerzeugende Heizungen - Der Markt • Potential liegt in Renovation • Einfamilienhäusern: > 500 Geräte/Jahr • Kleinen Mehrfamilienhäusern: >100 Geräte/Jahr • Potential im Neubau: • Starke Konkurrenz von Elektrowärmepumpe/Pelletheizung • Gesamtzahl Geräte pro Jahr: > 100 Geräte/Jahr Totalabsatz pro Jahr: > 600 Geräte/Jahr Geschäftsmodelle von Mikro-WKK oder stromerzeugende Heizungen • Spezialisierte Firmen: EnVersum, Lichtblick • Finanzierung • Verkauf von Wärme, Ankauf Strom • Fernkontrolle und Betrieb der Anlagen Aktuelle Projekte der Schweizer Gaswirtschaft Road Map Praxistestgeräte - Praxistests - Begleitete Markteinführung - Soll Herstellern den Zugang zum Schweizer Markt vereinfachen Gebrauchstest Praxistest Otag Lion Seit September 2010 BDR eVita seit September 2011 ; ab Herbst 2012 Whispergen seit September 2011 Kirsch, VitoTwin seit Ende 2011 Zeit Stromerzeugende Heizung – Installationen in der Schweiz Schaffhausen Vitotwin Evita Whispergen Romanshorn Brugg Kirsch microBHKW L4.12 Olten Aarau Schlieren Niederuzwil Ecopower 1,0 Noch nicht definiert Stirling Bern Ottomotor Thun Sion Markterwartung CH 2012: 50 – 100 Installationen Markt Deutschland 2012 : 4‘000 – 6‘000 Installationen Marktbestand Deutschland: 30‘000 Einheiten (Gros: Dachs) Stand: April 2012 SVGW-Messpaket SVGW-Messpaket Stromerzeugende Heizung – Messprinzip T1 (Aussentemperatur) Messtechnik Brauchwarmwasser Elek. Z ElektroUnterverteilung T2 Zusatzbrenner Gas Z T3 Heizkreise Hauptbrenner (Stirling) WMZ T4 Stromerzeugende Heizung Trinkwasser (kalt) SVGW-Messpaket während Praxistest Lärm Abgasverluste/Emissionen Gasverbrauch BHKW (Black-Box) Strombedarf El. Leistung Heizleistung Elektronischer Gaszähler Ultraschall Wärmezähler Stromzähler PC (Datenlogger) Hersteller: Swiss Gas Metering Hersteller: Landis+Gyr Hersteller: EMU Elektronik Hersteller: PC Engines Typ: EGZ-G4 Typ: UH-50 Typ: EMU32.x7 Typ: Alix 3.d3 Messpaket stromerzeugende Heizung Bezeichnung Aktuelle therm. Belastung Messgrösse Durchfluss Einheit m3/h bzw. kW Messgerät Gaszähler Kumulierter Energiebedarf Energie m3 bzw. kWh Gaszähler Aktuelle Wärmeleistung Leistung kW Wärmezähler Kumulierte Wärmeproduktion Energie kWh Wärmezähler Vorlauftemperatur Temperatur °C Wärmezähler Rücklauftemperatur Temperatur °C Wärmezähler Aktueller Durchfluss VL Durchfluss l/h Wärmezähler Kumulierte eingespeiste el. Energie Energie kWh Elektrozähler Aktuell eingespeiste el. Leistung Leistung kW Elektrozähler - - Elektrozähler Strom A Elektrozähler Aktuelle Spannungen (je Phase) Spannung V Elektrozähler Aktuelle Netzfrequenz Frequenz Hz Elektrozähler Ev. Aussentemperatur Temperatur °C Aussenfühler Ev. Innentemperatur Temperatur °C Innenfühler Ev. Abgastemperatur Temperatur °C Temperaturfühler Cos phi (je Phase) Aktuelle Ströme (je Phase) • • Zielgrössen der Messungen: • Stromgestehungskosten • Strom/Wärme-Verhältnis • Laufzeiten • Jahresnutzungsgrad • CO2 Emissionen • Lokale Emissionen • LRV Während Praxistest für jede Anlage periodisch aufgenommene und für die spätere Analyse abgespeicherte Messwerte SVGW und Hersteller (falls gewünscht) erhalten aufgenommene Daten in regelmässigen Abständen (z.B. monatlich) vom Endkunden zur fortlaufenden Auswertung SVGW-Messpaket Stromerzeugende Heizung – Messwerte Zusatzbrenner in Betrieb Stirling in Betrieb Gerät aus SVGW-Messpaket Stromerzeugende Heizung – Messwerte Leistungsmessung Startphase Positiver Wert= Strombezug negativer Wert= Stromproduktion Produktion SVGW-Messpaket Stromerzeugende Heizung – Messwerte Schulungs- und Kompetenzzentrum der Schweizer Gaswirtschaft / TPG Schwerzenbach Leistungen: • Gebrauchstests / Usability • Messprogramme • Überprüfung und Verifizierung Herstellerangaben • Workshops • Produkteschulungen • Verkaufsschulungen Prüfstand mit Rückkühlanlage • Anschluss diverser BHKWs möglich • Aufzeichnung und Anzeige von über • 25 Messgrössen Prüfstand für Demonstrationen und Schulungen • Pufferspeicher mit Rückkühlung zur Simulation von Heizkreisen • Interaktive Bedienung/Steuerung über grossen Touchscreen • Visualisierung von Medien des Herstellers Demoanlagen SeH im SVGW Schulungs- und Kompetenzzentrum Schwerzenbach Kirsch microBHKW L4.12 ehe Whispergen EU1 Remeha eVita 25S Gasmotor-BHKW Stirling- Gerät Stirling-Gerät 4 kW_elektrisch 12 kW_thermisch 1 kW_elektrisch 6 kW_thermisch + 8 kW Zusatzbrenner 1 kW_elektrisch 6 kW_thermisch + 18 kW Zusatzbrenner Vorserienfertigung – Geräte in CH verfügbar Serienfertigung - Geräte in CH verfügbar Serienfertigung – Vertrieb in CH noch nicht gestartet Das SVGW Zertifizierungsverzeichnis Schulungen SeH 2012 - Es sind bislang 2 Schulungen im Mai geplant. - Inhalt: allgemeine Übersicht und Einführung in das Thema SeH ; spezielle, tiefere technische Schulung zum jeweiligen Gerät inkl. Inbetriebnahme- und die wichtigsten Wartungsschritte. - Whispergen am 24.5. - Kirsch voraussichtlich am 22.5. Brennstoffzellen - Schwerpunktprogramm Feldtest Brennstoffzellen Projektziele Frühzeitiges Sammeln von Erfahrungen mit BrennstoffzellenHeizgeräten verschiedener Typen Eignungsabklärungen für diverse Marktsegmente Monitoring des Technologie- und Wirtschaftlichkeitsfortschrittes Potentialabklärung der Technologie für hohe Stromkennzahlen Abklärung zu Geschäftsmodellen Umgang mit Marktmittlern im Brennstoffzellengeschäft Etablierung der Themenführerschaft bei dieser Technologie (Stromwirtschaft nach Fukushima?) Brennstoffzellen-Heizung • Stromerzeugung durch chemische Reaktion, Abwärme der BZ wird für Heizung verwendet • Keine klassische WKK, keine bewegten Teile • Wichtiger Entwicklungsschritt, da sehr hohe el. Wirkungsgrade möglich • Gaswirtschaft macht sich stark, verfügbare Geräte am Markt zu testen und zu fördern • DE: Grosses Projekt „Callux“, Tests von Vorseriengeräten • Zur Zeit grösstes Problem: Lebensdauer der BZ, jedoch kontinuierliche Fortschritte Typische Kesselausführungsform Brennstoffzellen-Heizgerät • Integration einer SOFC-Brennstoffzelleneinheit in ein Wandgerät Aktuelle Geräte im Vorserienstadium Hexis Galileo Baxi Innotech Gamma CFCL BlueGen Vaillant BZH Technologie: SOFC-BZ Elektr. Leistung: 1 kW Therm. Leistung: 2 kW Zusatzbrenner: 20 kW Modulation: Ja Ges. Wirkungsgrad: 90% Markteinführung: Ab 2014 Technologie: PEM-BZ Elektr. Leistung: 1 kW Therm. Leistung: 1.7 kW Zusatzbrenner: 15 kW Modulation: Ja Ges. Wirkungsgrad: 85% Markteinführung: Ab 2014 Technologie: SOFC-BZ Elektr. Leistung: 2 kW Therm. Leistung: 1.2 kW Zusatzbrenner: Modulation: Ja Ges. Wirkungsgrad: 85% Markteinführung unbekannt Technologie: SOFC-BZ Elektr. Leistung: 1 kW Therm. Leistung: 2 kW Zusatzbrenner: Modulation: unbekannt Ges. Wirkungsgrad: 85 % Prototyp Beurteilung stromerzeugende Heizungen Stromerzeugende Heizung Lagebeurteilung - Technologie ist da, viele Geräte kurz vor (beschränkter) Markteinführung - Kein breiter Rollout, verhaltener Auftritt der Hersteller - In EU (vor allem DE, NL, UK) Markteinführung durch Gaswirtschaft eng begleitet und gefördert (Unterstützung, Praxistests, Förderprogramme usw.) - Schweiz für Hersteller uninteressant (Kleinstmarkt!), es geht nichts ohne Unterstützung der Gaswirtschaft - Rahmenbedingungen in der Schweiz stimmen (noch) nicht: Anschlussbedingungen/Einspeisebedingungen - Langfristiger Prozess, Substitutionsmarkt, muss aufgebaut werden Killer-Faktoren bei Markteinführung • • • • • • • • Mangelndes Interesse der Hersteller am Schweizer Markt Zu geringe Stückzahl- Aussichten Ungenügendes Engagement der Gasindustrie Fehlendes Langzeitengagement der Gaswirtschaft Zu forsche Markteinführung mit wenig erprobten Gasgeräten Schwache Lieferantensituation Zu schwaches Lobbying für den Erdgas-Effizienzpfad Ungenügende Verankerung der Gastechnologien in Regelwerken / SIA-Normen sowie in den Standardlösungen Voraussetzungen für Markterfolg • Proof of Concept beim Kunden, Einbindung der Marktmittler • Langzeiterfahrung • Praxistest-Projekte mit ausgewählten Kunden • Erfolgs-Stories • Klare und normative Rahmenbedingungen Die wichtigsten Erfolgsfaktoren für die stromerzeugende Heizung EU-Schweiz in stromerzeugender Heizung/ Mini-WKK Vieles noch offen oder noch nicht geregelt: • • • • Anschlussbedingungen und Zählerstandards Produkt-Zertifizierungen-Test- und Benchmarking Zurechnung Mikro-WKK zu Gebäudeeffizienz Finanzielle Unterstützungsmassnahmen-Tarife/ Förderbeiträge Vergleich Förderung Mikro-WKK EU-Richtlinien • Richtlinie Energieverbrauchender Produkte Einschluss von WKK • Aktionsplan Energieffizienz • Energieeffizienz und Einspar Richtlinie • WKK-Direktive Schweiz ? Konkurrierende Technologien Die Stromerzeugende Heizung konkurriert hauptsächlich mit hocheffizienten Wärmepumpen, sowie Holzpellets-Heizungen. Hocheffizienz- Elektro-Wärmepumpe Stromerzeugende Heizung Holzpellets- Kessel Der Regenbogen der stromerzeugenden Heizungen Der Ausblick 2016 - 2020 Trend und Zukunft • Erneuerbare auch bei Heizen mit Erdgas • Im Erdgasnetz erneuerbare Anteile (Biogas-Einspiesung) = 1+ 1+ + Biogas = Lastverschiebung mit stromerzeugender Heizung Smart Home Smart Grid Stromerzeugende Heizungen im Verbund - Fremdgesteuert - Stromoptimiert Danke für die Aufmerksamkeit [email protected]