Thermodynamisch optimiertes Heizen und der

DPG2010_AKE9.1 ergänzt für Lehramtsseminar SS2010
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]
Homepage: http://www.uni-saarland.de/fak7/fze
KWK = Strom („Kraft“) - Wärmekopplung
0. Zur Einstimmung :
Budgetansatz
eigentlich:
ProKopf-Budget - Ansatz
2 °C-Leitplanke
fossiles CO2:
Beispiele für Pro-Kopf-Emissionsverläufe
12 t
[CO2 /Kopf/a]
EU, US & ...
< 750 [Gt] CO2 in 2010 bis 2050 >
China, Mexico &....
Entwicklungsländer
1t
[CO2 /Kopf/a]
ProKopf-Budgetansatz mit Emissionshandel
Quelle: WBGU - Sondergutachten 2009, Abb.2
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
Thermodynamisch optimiertes Heizen
und der
Mythos der KWK
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
1.
1. Thermodynamisch optimiertes Heizen
Minimaler Exergie- Einsatz zur Abdeckung des noch
übrig bleibenden Heizwärmebedarfes,
• nach thermischer Sanierung, und im
• Gesamtrahmen der Strom- und Wärme- Erzeugung
1.1
Der Exergiebegriff:
1. Elektrizität ΔE ist
ΔE
ΔQ
ΔS
T
Ideale
Wärme –
Kraftmaschine
Entropie frei.
ΔS
ΔQU
TU
2. Entropie ΔS verkleinert sich nicht:
im optimalen, reversiblen Fall gilt
dann (2.Hauptsatz):
ΔS = ΔQ/ T
3. Energiebilanz (1.Hauptsatz):
daher:
also:
und
ΔS = ΔQU/ TU
ΔE = ΔQ - ΔQU
ΔE = (T- TU) /T * ΔQ heißt
Exergie
Exergie = Carnotfaktor * entnommene Wärmemenge
= „ maximal verfügbare Arbeit“
1.2
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“
1.3
1.3 Die zum Heizen notwendige Exergie
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
Taußen bzw Taußen2 = Umgebungstemperatur für die Wärmepumpe in Heizperiode bzw. im Gesamtjahr
2.
2. Der KWK Mythos
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. )
2.1
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.
2.2
Man erhält
märchenhafte CO2- und PE Einsparungen
wenn man z.B.:
1. Nur die „Brennstoffausnutzung“ vergleicht
also bei der KWK Strom und Wärme addiert,
und dann mit dem Strom aus einem reinen Kraftwerk vergleicht.
{2. +3.}: moderne Erdgas –KWK vergleicht mit:
• altem Ölkessel + altem KoKW
•
+
StromMix (50% Kohleanteil)
Ergebnis: KWK - Mythos mit
märchenhaften 30 - 60% Einsparung an CO2 und PE
2.3
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:
1. Eine detaillierte Gleicheit der Wärme- und Stromproduktion
also gleiche Strom- und gleiche Wärmeproduktion auch in getrennter Erzeugung.
2. Gleiche Primärenergieträger
also z.B. Erdgaseinsatz nicht nur bei KWK sondern auch bei getrennter Erzeugung
3. Moderne Anlagen der getrennten Erzeugung
also z.B.: GUD und Brennwertkessel
eigentlich trivial
Zitat aus EU Richtlinie 2004/8/EG
Anhang III „Verfahren zur Bestimmung der Effizienz des KWK-Prozesses
f) 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 KWKBlocks auf dem Markt erhältlichen und
wirtschaftlich vertretbaren Technologie
für die getrennte Erzeugung von Wärme und Strom verglichen.
3. …
4. …
Quelle: http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2004:052:0050:0060:DE:PDF
Zitate für EU –KWK-Richtlinie:
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/EWG
http://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
3.
Ein Ganzheitlicher Ansatz für Vergleiche
Ergebnisse bei Erdgas:
Mehraufwand bei getrennter Erzeugung mit
GuD + Brennwertkessel
GuD + Wärmepumpe
Schwerpunkt: Erdgas - KWK für Gebäudewärme
3.0
Modernisierungs Szenario
Aufgabe:
Moderne Erdgas- Anlagen sollen
einige bestehende alte Stromkraftwerke und
eine sehr große Zahl von alten Heizungsanlagen
verdrängen.
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
Modernisierungs Szenario
Aufgabe:
Moderne Erdgas- Anlagen sollen
alte Stromkraftwerke
und Heizungsanlagen
verdrängen.
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
Wärmepumpen (WP) verdrängen die alten Kessel,
und werden aus den neuen GuD gespeist.
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 !
Modernisierungs Szenario
Erdgas
Wärme
Q0
System:
th
th = Wärme / Q0
Brennwertkessel:
Zwei Möglichkeiten
zum Vergleich:
xK

1. Input vorgeben: Q0BK=1
2. Output des KWK-Versorgers :
Wärme (vollständige Kundenversorgung)
und
GuD-Anlage:
xGuD
Strom
(Netzeinspeisung),
GuD vorgeben.
detailliert
el
Strom
el = Strom/ Q0
3.1
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?
3.11
Dezentraler Kessel und zentrale Stromerzeugung
Erdgas
Q0
Wärme:
th = xK * BK
Wärme
System:
xK
th
Brennwertkessel:
BK
xK + xGuD =1
Strom:
el = xGuD * GuD
xGuD
GuD-Anlage:
GuD
el
Strom
kleine Nebenrechnung:
Strom –Wärme –Diagramm
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
Eine Gerade von Q0 * GuD auf der Stromachse
nach Q0 * K auf der Wärmeachse
Normierung: Q0=1
{Strom aus GuD und Wärme aus Brennwertkessel}
und „Hocheffizienkriterien“ für KWK
Strom und Wärme bei Gaseinsatz = 1
0,60
GuD_
E_GuD
E10
Gaseinsatz: Q = 1.0
Strom
0,50
E_heff
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
0,00
GuD und
Brennwertkessel
Hocheffizienz-Grenzen
für MikroKWK und KWK
0,20
0,40
0,60
0,80

1,00 BK 1,20
1,40
Wärme übertrieben
Fazit: „hocheffizient“ ist wohl maßlos
Speicher: KWK-Vergleich_eta_GUD_BK_WP.xls; Blatt „allgemein“
3.12
Wärmeversorger mit KWK –Anlage
Erdgas
Q0V
Wärme
Versorger:
Spitzenkessel:
xSK
Paradefall:
Die KWK –
Scheibe
KWK-Anlage :
xKWK
xSE
im KWK-Betrieb
K
W
K
im SpitzenstromBetrieb
Strom
Wärmeversorger mit KWK –Anlage
Erdgas
Q0V
Wärmespitze:
thV
Versorger:
Spitzenkessel:
xSK
KWK-Anlage :
KWK
xKWK
Zusatzstrom:
Wärme
xSE
im KWK-Betrieb
K
W
K
im SpitzenstromBetrieb
elV
Strom
Ein korrekter Vergleich muss
die gesamte Produktion des Versorgers,
die mit seiner KWK Anlage und
der Verpflichtung zur Fernwärmelieferung zusammenhängt,
beachten.
Erdgas
Q0 V
Vergleiche also Erdgaseinsatz (PE) für:
KWK:
Q0V = PE des Versorgers
und
getrennte
Erzeugung: Q0 = PE für GuD + Kessel, ergibt
sich aus detaillierter Gleichheit:
Wärme = Q0 * ηK
Strom = Q0 * ηGuD
Wärme
Versorger:
Spitzenkessel:
xSK
KWK-Anlage :
xKWK
xSE
im KWK-Betrieb
K
W
K
im SpitzenstromBetrieb
Strom
Neuer Eintrag: Strom und Wärme aus reiner KWK
Paradefall: XSK= XSE= 0
Strom: GuD bzw . Versorger
Erzeugung von Strom und Wärme
E_GuD
B2
B4
B5
B6
B7
B8
E_heff
E10
Gaseinsatz: Q = 1.0
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
Paradefall:
XSK = XSE =0
0,10
0,00
0,00
GuD und
Brennwertkessel
Hocheffizienz-Grenzen
0,20
Paradefall: kleine Symbole
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
Wärme : Kessel bzw. KWK-Versorger
Datenquelle: siehe Tabellen in Folie 37 +38
Speicher: KWK-Vergleich_eta_GUD_BK_WP.xls; Blatt „allgemein“
Strom und gesamte Endenergie
nur für Paradefall: XSK= XSE= 0
Strom: GuD bzw. Versorger
Erzeugung von Strom und Wärme
Gaseinsatz: Q = 1
0,60
E_GuD
B2
B4
0,50
"Hoch0,40effizienz"
B5
B6
B7
0,30
B8
E_heff
0,20
E10
0,10
0,00
0,40
GuD + BrennwertKessel
0,60
Paradefall: kleine Symbole
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
1,80
2,00
2,20
gesamte Endenergie: Wärme und Strom
Speicher: KWK-Vergleich_eta_GUD_BK_WP.xls; Blatt „allg_ges“
Strom und gesamte Endenergie
neu: Versorgung mit 20% Spitzenkessel:
XSK= 0.2;
XSE= 0
Strom: GuD bzw. Versorger
Erzeugung von Strom und Wärme
E_GuD1
B2
B4
B5
B6
B7
B8
E_heff
Gaseinsatz: Q = 1
0,60
0,50
"Hoch0,40effizienz"
0,30
E_GuD
B2
B4
B5
B6
B7
B8
E10
0,20
0,10
0,00
0,40
Paradefall: kleine Symbole,
GuD + BrennwertKessel
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
1,80
gesamte Endenergie: Wärme und Strom
2,00
2,20
Gesamter KWK-Versorger = Große Symbole
Speicher: KWK-Vergleich_eta_GUD_BK_WP.xls; Blatt „allg_ges“
3.13
Dezentrale Wärmepumpe und zentrale GuD-Anlage
Erdgas
Q0
Wärme
System:
th
Wärmepumpe:
K_WP
Strom für WP:
Strom:
xK
xGuD
GuD-Anlage:
GuD
el
Strom
Vergleich KWK mit: { GUD + Wärmepumpe }
Betrachte die WP als einen „Superkessel“ mit einem
- auf den GasEinsatz im GUD-Kraftwerk bezogenen -
thermischen Wirkungsgrad:
K_WP
JAZ**GUD
K_WP== JAZ
GUD
Mit : JAZ = Jahresarbeitszahl = gelieferte Wärme / eingesetzter Strom
GUD = eingesetzter Strom / eingesetzte Wärme im Kraftwerk
Zahlenwerte:
Zum Vergleich:
Brennwertkessel: eta_K =
1,1
Speicher: KWK_Vergleich_mit_WP.xls!“eta_K_WP“
Tages-Arbeitszahlen von Wärmepumpen und Temperaturhub
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
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.
JAZ = 4 ist durchaus gerechtfertigt.
• Interessante Entwicklungen:
WP für Heizen und Kühlen
WP in Kombination mit Wasser-Eis- Speicher
Temperaturgleit bei Wärmeabgabe
(insbesondere: transkritische CO2-WP)
Strom und gesamte Endenergie
neu: Zentrales GuD, speist auch Wärmepumpe mit JAZ=4
Strom: GuD bzw. Versorger
Erzeugung von Strom und Wärme
E_GuD1
B2
B4
B5
B6
B7
B8
E_heff
Gaseinsatz: Q = 1
0,60
0,50
"Hoch0,40effizienz"
0,30
0,20
GuD versorgt auch WP
0,10
0,00
0,40
E_GuD
B2
B4
B5
B6
B7
B8
E10
GuD + BrennwertKessel
0,60
Paradefall: kleine Symbole
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
1,80
2,00
2,20
gesamte Endenergie: Wärme und Strom
hier: Beispiel für KWK-Versorger mit 10% Spitzenanteile: XSK= 0.1; XSE= 0,1
Speicher: KWK-Vergleich_eta_GUD_BK_WP.xls; Blatt „allg_ges“
3.14
Kann optimale KWK die Effizienz eines
GuD-WP- Systems je erreichen?
Strom: GuD bzw. Versorger
Kann eine optimale KWK die Effizienz der WP erreichen?
0,60
Gaseinsatz: Q = 1
"Hocheffizienz"
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
0,40
GuD versorgt auch WP
GuD + BrennwertKessel
E_GuD1
B2
B4
B5
B6
B7
B8
E_heff
E_GuD
B2
B4
B5
B6
B7
B8
E10
0,50
0,60
Paradefall: kleine Symbole
zentral
dezentral
0,70
0,80
0,90
1,00
gesamte Endenergie: Wärme und Strom
Große Symbole: Beispiel für KWK-Versorger mit 10% Spitzenanteile: XSK= 0.1, und XSE= 0,1
Speicher: KWK-Vergleich_eta_GUD_BK_WP.xls; Blatt „allg_ges“
1,10
Kann optimale KWK die Effizienz eines GuD-WP- Systems je erreichen?
1. Bei kleiner dezentraler KWK ist theoretisch eine hohe „Brennstoffausnutzung“ - wie bei einem Brennwertkessel- möglich.
(Betrachte: gesamt <= 1.05 )
Aber bei Motoren sind keine hohen elektrischen Wirkungsgrade 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.
Ein nur didaktisches Beispiel:
Modernes, großes GuD mit und ohne KWK
Abgasverluste = 10 %
ohne KWK: el =
60%
(umfasst auch sonstige Betriebsverluste)
, davon
13%Punkte für WP-Betrieb verwenden
elKWK = 47% also 13% Stromeinbuße
Fernwärme thKWK = 43% =(100 -10 -47%)
mit voller KWK:
3,3
beachte aber : Wärme bei hoher Temperatur, z.B. 130 °C
„COP“ der Stromeinbuße: COPKWK = 43/13 =
4
30°C
COP einer dezentralen WP: COP =
beachte: Wärme bei niedriger Temperatur, z.B.
Die KWK erzeugt einen exergetischen Luxus, der dezentral
in thermisch sanierten Gebäuden nicht mehr gebraucht wird.
3.2
PE - Mehraufwand für getrennte Erzeugung
Definition: Primärenergiefaktor: f = Q0 / Q0V
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.
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)
Mehrverbrauchsfaktor f von { Brennwertkessel und GuD }
im Vergleich zu KWK- Versorgung
Beispiel mit xSK = xSE =0.1
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 {GuD und WP aus GuD }
im Vergleich zu KWK- Versorgung
Beispiel mit xSK = xSE =0.1
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 „WP“
Fazit:
• 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..
4.
4.
KWK –
eine ökologische Sackgasse ?
4.1
KWK und Kraftwerkserneuerung
KWK - Option
V
E
R
S
O
R
G
E
R
N
e
tz
GuD - Option
SpitzenKessel
BrennwertKWK -Wärme
Kessel
KWK -Strom
GuD
als KWK
Spitzenstrom
Alternative
in Restzeit
NetzReserve
Fazit:
KWK behindert BestandsErneuerung ?
4.2
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,
B)
( Einsatz von Spitzenkessel )
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).
4.3
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.
4.4
Warum die KWK meist besser erscheint als sie tatsächlich ist.
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.)
(U5) : Ein wichtiges Argument in voller Länge
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 dezentralem 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 dezentralen Wärmeerzeugung in die Stromerzeugung
ja auch tatsächlich neue GuD-Anlagen gebaut werden,
falls KWK-Anlagen in geringerem Umfang zum Zuge kommen.
5.
5.
Vorschläge
Erdgas für Strom und Wärme optimal einsetzen
5.1
Eingesparte Energie als Maß für den Zuschuss
„voll oder gar nicht“ Prinzip
Bisher:
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 .
Vorschlag:
linearer Erlös für Einsparenergie
bei jährlicher Abrechnung.
thV
Erdgas
Q0VV
Q0
Wärme
Versorger:
Spitzenkessel:
xSK
KWK-Anlage :
xKWK
xSE
im KWK-Betrieb
Einsparenergie = Q0V – Q0
= Q0V * (1- f )
mit
f = Q0/ Q0V = (elV / GUD + thV / K )
K
W
K
[(4)]
im SpitzenstromBetrieb
el
V
Subvention = p * Einsparenergie
Strom
auch auf WP übertragbar
p kann CO2 Faktor enthalten
5.2
Skizze zu einem Gesamtkonzept des Einsatzes von Erdgas
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.
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.
Also:
• 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 )
Ziel:
Kaum noch Exergie für‘s Heizen einsetzen
Anhang
für Diskussion
weiteres Rohmaterial
für DPG2010
Anhang 1. Strom-und Heizwärme -Erzeuger
Begin: Einschub: 1 KWK Anlagen und GuD
1. Strom und Heizwärme- Erzeuger
(gekoppelt und getrennt)
Einschub: 1.1
Prinzip: Block-Heizkraftwerk (BHKW)
gesamt = 90 %
el
= 34 %
Wärmeabgabe an Kühlwasser und Abgas erfolgt auf hohem Temperaturniveau. Das ist
schlecht für den Wirkungsgrad. Aber man kann die Abwärme noch direkt weiter verwerten
UrBildQuelle: http://www.bhkw-infozentrum.de/erlaeuter/kwkprinzip.html
1.2 Dampfkraftwerk und Clausius-Rankine Vergleichsprozess
Anlagenschema des Dampfkraftprozesses
Quelle: E. Hahne: „Technische Thermodynamik“, 3.A.,Oldenbourg Verlag München 2000, ISBN=3-486-25397-2, Bild 5.21, p. 258
Einfacher Dampfkraftwerksprozess
Idealisierter Vergleichsprozess (Clausius- Rankine)
Schraffierter Bereich: gewinnbare Nutzarbeit
Also:
Wärmeauskopplung bei T > Tu vermindert die Nutzarbeit
H.D. Baehr, S. Kabelac: Thermodynamik, Grundlagen und techn. Anwendungen, Springer, 2006
Begin: Einschub: 1.4
GUD –Kraftwerk
Gasturbine mit
anschließendem Dampf Kraftprozeß
GUD –Kraftwerk:: Gas- Dampf- Kraftprozeß
ca. 650 °C
BildQuelle: E. Hahne: „Technische Thermodynamik“, 3.A.,Oldenbourg Verlag München 2000, ISBN=3-486-25397-2, Bild 8.10, p.386
End: Einschub: 1.4
Beispiel: GUD - Irsching
Moderne GUD werden el = 60% erreichen
Quelle: http://www.kraftwerk-irsching.com/pages/ekw_de/Neubau/Bauvorhaben/index.htm
End: Einschub: 1 KWK Anlagen und GuD
Anhang 2. Wichtige Grundeigenschaften
2.
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
2.1
„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:
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
Einige Nachteile einer zentralen KWK
 Hohe Vorlauftemperatur notwendig (Exergieverlust!)
„Geleitzugprinzip“: In einem Fernwärmenetz bestimmt der Verbraucher 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 aden Bau des Fernwärmenetzes, zumal die
Gebiete mit hoher Wärmebedarfsdichte meist schon ausgebaut sind.
Aber: Große Anlagen haben bessere
elektrische Wirkungsgrade.
2.2
„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.
Spitzenwärme.
Ein Betreiber einer KWK –Anlage muss zur Abdeckung seiner
Wärmedeckungspflicht manchmal einen Spitzenkessel zuschalten.
aber :
Schlechter thermischer Wirkungsgrad beim Spitzenkessel für die Fernwärme
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
Anhang 3. vollständiger Brennstoffvergleich
Endenergie und PE-Aufwand des Versorgers:
Wärme =
Erdgas
Q0V
Wärme
Versorger:
xSK
Spitzenkessel
:
KWK-Anlage :
xKWK
xSE
im KWK-Betrieb
th
V
Thermischer Wirkungsgrad :
thV =
Wärme / Q0V
xSK*ηSK
xKWK*ηthKWK
xKWK*ηelKWK
im SpitzenstromBetrieb xSE*ηSE
elV
Strom
xKWK + xSE + xSK = 1
Q0V * [ xKWK*ηthKWK+ xSK*ηSK ]
Strom =
Q0V * [ xKWK*ηelKWK +xSE*ηSE]
Elektrischer Wirkungsgrad :
elV =
Strom / Q0V
Gesamte
Brennstoffausnutzung:
gesamtV = elV + thV
Zitat aus AKE2008H:
Vollständiger Brennstoffvergleich
Für die Gesamt- Nutzenergie eines Versorgers ( freie KWK, Spitzenkessel) gilt:
gesamtV * Q0V
=
( elV + thV ) *Q0V
(1)
mit: Q0V = Gesamter PE des Versorgers (KWK, SpitzenKessel +SpitzenStrom)
Betrachte eine detaillierte Gleichheit der Nutzenergien bei der getrennten
Erzeugung:
für GUD- Strom:
für Kessel -Nutzwärme :
GUD QGUD
=
elV *Q0V
(2a)
K QK = thV * Q0V
(2b)
Q0 = gesamte Primärenergie (PE) der getrennten Erzeugung:
Q0 = QGUD + QK
(3)
Faktor für den PE- Aufwand bei der getrennten Erzeugung:
f = Q0/ Q0V = (elV / GUD + thV / K )
(4)
Bezeichnungen:
thKWK = Wärmewirkungsgrad
K
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.
= Wirkungsgrad-Referenzwert für die getrennte Wärmeerzeugung.
(z.B. im Brennwertkessel, Bezug auf Hu= unterer Heizwert)
elKWK = elektrischer Wirkungsgrad der KWK, definiert als jährlicher KWK-
GUD
Strom im Verhältnis zum Brennstoff, der für die
Erzeugung der Summe von KWK- Nutzwärmeleistung und
KWK- Stromerzeugung eingesetzt wurde.
= Wirkungsgrad-Referenzwert für die getrennte Stromerzeugung
( z.B. in einem zentralen GUD –Kraftwerk)
gesamtKWK = thKWK + elKWK = Gesamt-Nutzungsgrad
der KWK
Q0KWK = 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.
Bezeichnungen:
thV = Wärmewirkungsgrad der Strom- und Wärme-Erzeugung des Versorgers,
´
K
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.
= Wirkungsgrad-Referenzwert für die getrennte Wärmeerzeugung.
(z.B. im Brennwertkessel, Bezug auf Hu= unterer Heizwert)
elV = elektrischer Wirkungsgrad der Strom- und Wärme-Erzeugung des Versorgers, 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 = thV + 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.
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 + elV * { 1/ GUD - 1/ K }
(4a)
ist eine lineare Funktion von elV .
Für den Paradefall (xKWK = 1) gilt:
f(0,0)= ηgesamtKWK/K + ηelKWK * {1/ GUD - 1/ K }
(also xSK =xSE= 0)
(4b)
Der Einfluss von Spitzenkessel und Spitzenstrom
Der PE-Faktor Gl.(4a) lässt sich umschreiben als Funktion von xSK und xSE :
f(xSK, xSE) = f(0,0) + mSK * xSK +
mit :
mSE * xSE (4c)
mSK = - [ f(0,0) - SK / K ]
mSE = - [ f(0,0) - SE / GUD ]
und
f(0,0) = ηgesamtKWK/K + ηelKWK* { 1/ GUD - 1/ K } [ (4b)]
Veranschaulichung von Gl.(4c) durch ihre beiden Randfälle:
f
f
f(0,0)_ 1. Randfall: xSE = 0
f(0,0)_ 2. Randfall: xSK = 0
_SK/ K
f(1,0)
_SE/ GuD
f(0,1)
0
xSK
1.0
0
xSE
1.0
Anhang 4. Ergebnisse des Vergleichs (Tabellen)
4.
4.
Ergebnisse:
Vergleich KWK
mit getrennter Erzeugung
4.1 Vergleich KWK mit
{ GUD + Brennwertkessel}
4.2 Vergleich KWK mit
{ GUD + Wärmepumpe (WP)}
4.1
Beispiel: BHWK mit elektrischer Leistung von 1MW
Faktor für Energieaufwand bei
getrennter Erzeugung
1,10
1,00
f
0,90
0,80
0,00
x_SE
x_SE
x_SE
x_SE
Grunddaten siehe Bild 9:
BHKW_1MW
=0
=0,1
=0,2
=0,3
0,10
0,20
0,30
Anteil Spitzenwärme: x_SK
Faktor f für den Mehraufwand bei getrennter Erzeugung
durch ein GuD Kraftwerk mit GUD = 0.585
und einen Brennwertkessel mit
K = 1.05
Parameter für f(xSK, xSE), den Mehraufwand für getrennte Erzeugung
f(xSK1, xSE) = f(0,0)
+3 mSK4 * xSK
+7
2
6
11
KWK -Anlage im gekoppelten Betrieb und im Spitzenlastbetrieb
16
17
18
mSE
* xSE
(4c)
8
9
10
gekoppelter Betrieb
Strom /Wärme
Erzeuger
19 GuD
20 GegenP_200MW
21 GuD_100MW
22 BHKW_1MW
23 Mephisto_20kW
24 GuD_24MW
25 GT_10MW
26 BHKW_50kW
27 Mikro_9kW
28 Mikro_3kW
29 Mikro_0.8kW
30 BrenwertKessel
31 Standardkessel
eta_el
0,585
0,460
0,445
0,390
0,315
0,363
0,311
0,293
0,243
0,157
0,104
0
0
eta_ges
0,585
0,90
0,89
0,89
1,05
0,86
0,83
0,88
0,98
0,94
0,90
1,05
eta_th
0
0,440
0,445
0,500
0,735
0,497
0,519
0,587
0,737
0,783
0,796
1,05
0,900
ungekoppelte Spitze
f(0,0)
0
1,21
1,18
1,14
1,24
1,09
1,03
1,06
1,12
1,01
0,94
inputDate
n-Quelle eta_SE
m_SE
eta_SK
m_SK
-0,42
DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)
??
#WERT!
DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)
0,390
-0,48
Mephisto
0,315 -0,70
DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)
??
#WERT!
DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)
0,311
-0,49
DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)
0,293
-0,56
DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)
0,243
-0,70
DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)
0,157
-0,75
DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)
0,104
-0,76
0,90
0,90
0,90
1,05
0,90
0,90
0,90
0,98
0,94
0,90
1,05
0,90
-0,35
-0,33
-0,29
-0,24
-0,24
-0,17
-0,20
-0,18
-0,12
-0,08
IER-Voss2009 0,585
IER-Voss2009
0,46
0
0
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
die Steigung mSE gibt die Empfindlichkeit von f gegenüber
Speicher: KWK_Vergleich_Hifsdateien.xls!“3Paras“
xSK, und
xSE an.
{ xSK ; xSE } = PE – Anteil für { Spitzenkessel ; Spitzenstrom }
10% Beispiel: f(xSK=0.1, xSE= 0.1)
f = Mehraufwand für getrennte Erzeugung mit GuD und BrennwertKessel
1
2
3
4
6
7
8
9
10
11
12
14
15
16
KWK -Anlage im gekoppelten Betrieb und im Gesamter Versorger
Spitzenlastbetrieb
16
gekoppelter Betrieb
PE-Faktor
Brennstoffaus- getrennte
nutzung Erzeugung
ungekoppelte Spitze
17
18
13
Gl.(5a,b)
Strom /Wärme
Erzeuger
eta_el
0,585
19 GuD
eta_ges
eta_th
0,585
x_KWK
0
InputDate
n-Quelle
f(0,0)
0 IER-Voss2009
eta_SE
0,585
x_SE eta_SK x_SK
1
0
0
eps_el
eps_th
0,585
0
eps_ges
0,585
0,460
0,445
0,90
0,89
0,440
0,445
0,80 IER-Voss20091,21
0,46 0,10
0,80 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)
1,18 ?
0,10
0,90 0,10 0,414
0,90 0,10 ######
0,44
0,45
0,86
#WERT!
22 BHKW_1M
0,390
0,89
0,500
0,80 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)
1,14
0,390
0,90 0,10
0,49
0,84
23 Mephisto_20k
24 GuD24M
0,315
0,363
1,05
0,86
0,735
0,497
0,80 Mephisto
1,24
0,315 0,10
0,80 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)
1,09 ??
0,10
1,05 0,10 0,284
0,90 0,10 ######
0,69
0,49
0,98
#WERT!
25 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
26 BHKW_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
27 Mikro_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
28 Mikro_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
29 Mikro_0.8k
0,104
0
0
0,90
1,05
0,796
1,05
0,900
0,80 DIW/ÖKO (Tab.5.1,p.158)
0,94
0,104
0
0
0
0
0,10
0
0
0,90 0,10
1,05
1
0,90
1
0,093
0
0
0,73
1,05
0,9
0,82
1,05
0,9
20 GegenP200M
21 GuD Erdgas,
100 MWel
30 BrenwertKessel
31 Standardkessel
0,10
0,351
f
1,13
#WERT!
1,07
1,14
#WERT!
0,96
0,98
1,03
0,93
0,85
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 angegebender elektrische Wirkungsgrad des KWK- Betriebes übernommen.
Speicher: KWK_Vergleich_Hifsdateien.xls!“Versorger“
4.2
Vergleich KWK mit: { GUD + Wärmepumpe }
Betrachte die WP als einen „Superkessel“ mit einem
- auf den GasEinsatz im GUD-Kraftwerk bezogenen -
thermischen Wirkungsgrad:
K_WP
JAZ**GUD
K_WP== JAZ
GUD
Mit : JAZ = Jahresarbeitszahl = gelieferte Wärme / eingesetzter Strom
GUD = eingesetzter Strom / eingesetzte Wärme im Kraftwerk
Zahlenwerte:
Zum Vergleich:
Brennwertkessel: eta_K =
1,1
Speicher: KWK_Vergleich_mit_WP.xls!“eta_K_WP“
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 +
Speicher: KWK_Vergleich_Hifsdateien.xls!“WP_3Paras“
mSE * xSE (4c)
10% Beispiel: f(xSK=0.1, xSE= 0.1)
f = Mehraufwand für getrennte Erzeugung mit GuD und Wärmepumpe
Speicher: KWK_Vergleich_Hifsdateien.xls!“WP“
neu: Strom und Wärme vom KWK - Versorger
mit XSK= XSE= 0.1 (als ein Beispiel)
Strom: GuD bzw . Versorger
Erzeugung von Strom und Wärme
Gaseinsatz: Q = 1.0
0,60
0,50
0,40 XSK und XSE = 0.1
0,30
0,20
0,10
Hocheffizienz-Grenzen
0,00
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
E_GuD
B2
B4
B5
B6
B7
B8
E_heff
E_GuD
B2
B4
B5
B6
B7
B8
E10
GuD und
Brennwertkessel
1,00
1,20
1,40
Wärme : Kessel bzw . KWK-Versorger
Paradefall: kleine Symbole,
Gesamter KWK-Versorger = Große Symbole
Anhang 5. Zusammenfassung
Also:
• 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 )
Ziel:
Kaum noch Exergie für‘s Heizen einsetzen