Elektrizität, thermodynamisch optimiertes Heizen

Die Elektrizitätsstudie der DPG, 2010
Zum Original:
http://www.dpgphysik.de/veroeffentlichung/broschueren/stu
dien.html
Dr. Gerhard Luther
Universität des Saarlandes, FSt. Zukunftsenergie
c/o Technische Physik – Bau E26
Tel.: (49) 0681/ 302-2737; Fax /302-4676
D-66041 Saarbrücken
e-mail: [email protected]
EU - Germany
Homepage: http://www.uni-saarland.de/fak7/fze
Teil I: Nutzung von elektrischer Energie
1. Nutzungssektoren (Haushalt, Gewerbe, Industrie) , 1.4 Einsparpotenziale
2. Thermodynamisch optimiertes Heizen
3. Transport – Elektromobilität
Teil II: Bereitstellung von elektrischer Energie
1.Thermische Kraftwerke auf fossiler Basis
2. Kernkraftwerke
•
3. Kraft-Wärme-Kopplung und Systemvergleich
4. Biomassekraftwerke
5. Solare Elektrizitätserzeugung ( PV und Solarthermische Stromerzeugung)
6. Windkraft
7. Wasserkraft
8. Elektrizität aus geothermischen Quellen
9. Fusionskraftwerke
Teil III: Transport und Speicherung von elektrischer Energie
1.
2.
Stromnetze und Systemaspekte
Stromspeichertechniken
Ausblick auf eine Zukunft mit niedrigen CO2-Emissionen
Es spricht vieles dafür,
dass die Bedeutung des Stroms
im Zusammenspiel der verschiedenen Energieformen
wie in der Vergangenheit
so auch in den kommenden Jahrzehnten
stetig anwachsen wird.
Teil I: Nutzung von elektrischer Energie
1. Nutzungssektoren (Haushalt, Gewerbe, Industrie) , 1.4 Einsparpotenziale
2. Thermodynamisch optimiertes Heizen
3. Transport – Elektromobilität
Teil II: Bereitstellung von elektrischer Energie
1.Thermische Kraftwerke auf fossiler Basis
2. Kernkraftwerke
•
3. Kraft-Wärme-Kopplung und Systemvergleich
4. Biomassekraftwerke
5. Solare Elektrizitätserzeugung ( PV und Solarthermische Stromerzeugung)
6. Windkraft
7. Wasserkraft
8. Elektrizität aus geothermischen Quellen
9. Fusionskraftwerke
Teil III: Transport und Speicherung von elektrischer Energie
1.
2.
Stromnetze und Systemaspekte
Stromspeichertechniken
Ausblick auf eine Zukunft mit niedrigen CO2-Emissionen
Die Elektrizitätsstudie der DPG, 2010
Exzerpt:
Teil I: Nutzung von elektrischer Energie
.........
2. Thermodynamisch optimiertes Heizen (p. 27 ff)
2.1 Die zum Heizen benötigte Exergie
2.2 Quellen für Heizenergie und ihr Exergiegehalt
2.3 Optimierung von Gebäudeisolierung und Wärmebereitstellung
2.4 Zusammenfassung und Ausblick
......
Teil II: Bereitstellung von elektrischer Energie
.........
3. KWK und Systemvergleich (p. 74 ff)
3.1 Die Besonderheiten der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)
3.2 Vergleich: Erdgas KWK und getrennte Strom- und Wärmeerzeugung
3.3 Die KWK in der Energiepolitik und der öffentlichen Diskussion
3.4 Skizze zur Optimierung des Erdgaseinsatzes für Gebäudewärme
3.5 Zusammenfassung und Ausblick
........
Zur Themenseite:
Thermodynamisch Optimiertes Heizen
http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/ThOptHeizen.htm
Dr. Gerhard LUTHER,
Uni des Saarlandes, Technische Physik, Bau E26
66041 Saarbrücken
[email protected] Tel.: 0681-302-2737
Zum Original:
http://www.dpgphysik.de/veroeffentlichung/
broschueren/studien.html
Thermodynamisch optimiertes Heizen
und der
Mythos der KWK
0. Zur Einstimmung: Die Elektrizitätsstudie der DPG
1.Thermodynamisch optimiertes Heizen
1.a Reale Strom und Heizwärme- Erzeuger (gekoppelt und getrennt)
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, Wärmerückgewinnung, Einsatz von RE
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
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 zu
(e.g.) Heizzwecken nutzen
3. Das Auskommen mit kleinen Temperaturdifferenzen
bei der KWK, im Wärmepumpenprozess, und vor allem
bei der Wärmeübertragung: Flächenheizung,
Aufheizen statt „isothermer Wärmeabgabe“
Kopplung von Strom und Wärme
1. KWK: Strom Wärme Kopplung beim Brennstoff-Einsatz
ΔQ
ΔS
T
Ideale
Kraft WärmeKopplung
ΔEKWK
ΔS
ΔQH`
TH`
VorlaufTemperatur
der
Fernwärme/
Heizung
2. Wärmepumpe (WP): Strom Wärme Kopplung beim Stromeinsatz
ΔQH
dezentral
ΔS
ΔEWP
Ideale
Wärme Pumpe
ΔS
ΔQU
UmgebungsTemperatur:
Luft, Wasser, Erdwärme
E = Elektrizität
Q = Wärme
S = Entropie
T = Temperatur
TH
TU
Indexe
H ..= „Heiz-“
U..= „Umgebungs-“
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
1a
1.a Strom und Heizwärme- Erzeuger
(gekoppelt und getrennt)
1a.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
1a.2
GUD –Kraftwerk
Gasturbine mit
anschließendem Dampf Kraftprozeß
GUD –Kraftwerk:: Gas-
Dampf- Kraftprozeß
Gas
ca. 650 °C
Dampf
BildQuelle: E. Hahne: „Technische Thermodynamik“, 3.A.,Oldenbourg Verlag München 2000, ISBN=3-486-25397-2, Bild 8.10, p.386
Beispiel: GUD - Irsching
Moderne GUD werden el = 60% erreichen
Quelle: http://www.kraftwerk-irsching.com/pages/ekw_de/Neubau/Bauvorhaben/index.htm
1a.3
Wie gut sind moderne Feuerungsanlagen ?
Erdgas- Brennwertkessel
1a.3.1
uralter Verschwender
bereits veraltet
aktueller Stand der Technik
Brennwerttechnik
NT
Bw
Ich rechne meist
nur mit
105 %
Quelle: Stadtwerke Karlsruhe: Kundenbroschüre „Erdgas Brennwert Heizkessel“ , ergänzt
SpQ:SW_Karlsruhe_BrennwertKessel.pdf
1a.3.2
Wie gut sind Brennwertkessel
wirklich ?
Quelle: Prof. Wolff, Wolfenbüttel, siehe Folienheader
Speicher:FH_Wb_Wolff_Betrieb_Brennwertkessel_ppt
Quelle: Prof. Wolff, Wolfenbüttel, siehe Folienheader
Speicher:FH_Wb_Wolff_Betrieb_Brennwertkessel_ppt
Für Vergleich Heizkessel vs. Fernwärme ist maßgebend:
der Nettoabgasverlust (der gesamten Feuerungsanlage)
(1.) Der BruttoAbgasverlust des Kessels unterschlägt die
Wärmerückgewinnung aus dem Abgas über den Kamin in das Haus.
(2.) Die Abstrahlverluste des Kessels können mit den Wärmeverlusten des
Wärmeübertragers bei der Fernwärme gegen gerechnet werden.
Setzt man { (1) + (2) } mit 3 - 5 % an, so kommt man selbst bei einem
BruttoAbgasverlust von 90%(Ho) für den Vergleich mit der Fernwärme auf einen analogen „Kesselwirkungsgrad“ von 94% (Ho)
also etwa: 105- % (Hu).
1a.3.3
Es gibt auch Brennwertanlagen, die hervorragend funktionieren
z.B.: meine eigene Feuerungsanlage
Kessel: Viessmann Vitodens 200
mittlere Leistung in 2005/06: 14 [kW]
Kaminhöhe ca. 16 m
Durchmesser: 150 mm, Abgasrohr: 80 mm
Direkte Messung der Abgasverluste über einen Zeitraum t0:
1. Messung des anfallenden Kondensatwassers W in [ Liter]
2. Ablesung des Gasverbrauches VG in [mn3]
3. Berechnung von
WD0 = maximaler theoretischer Kondensatanfall
WD0 = VG *xV0
mit xV0 = 1,6 [ Liter H2O /mn3 ] bei Erdgas
4.
Integraler Kondensatanfall w = W / WD0
w = W / (VG *xV0 ) = (W / VG ) / 1,6
Es gilt:
Wärmeverluste qA in [ %] von Feuerungsanlagen mit Kondensatanfall:
w = (W / VG ) / 1,6
Faustformel:
qA = (1 – w) * 13,5%
Quelle: G. Luther: DE 10 2004 058 520 B3; „Messverfahren zur Bestimmung des Abgasverlustes von Feuerungsanlagen mit Abgaskondensation“
Gemessen Abgasverluste meiner eigenen Brenwertanlage
im Winter 2005/06
Abgasverlust: bezogen auf vollständige Kondensation, im Maß von Hu
also thermischer Wirkungsgrad für den Vergleich mit KWK Anlage:
109 % (Hu)
1a.3.4
Stiftung Warentest 7/2010: Test Brennwertkessel
• Die Stiftung Warentest hat in 2010 acht marktgängige Erdgas – Brennwertkessel auf ihren Nutzungsgrad im Heizbetrieb unter exakt gleichen Bedingungen
untersucht /Stiftung Warentest 2010/.
• Die Werte wurden auf dem Prüfstand in Anlehnung an DIN 4702 Teil 8 für ein
Bestandsgebäude mit mäßiger Wärmedämmung und Auslegungstemperaturen von 75/60°C für das Heizsystem ermittelt.
Offensichtlich wurde keine Korrektur für eine Wärmerückgewinnung im
Kamin durchgeführt.
• Es ergaben sich unter Bezug auf den Brennwert, Ho ,
Nutzungsgrade
von 94%-96%, im Mittel 95%. Bezieht man diesen Wert auf den im
Kraftwerksbereich üblichen Heizwert Hu (manchmal auch als “Unterer Heizwert“
bezeichnet), dann ergibt dies einen Nutzungsgrad
von 105,5% (+- 1%)
• Berücksichtigt man - wie von uns gemessen- zusätzliche Kondensation im
Kamin mit Wärmeabfuhr an das Gebäude, so ergeben sich also die gleichen
Werte um 108-109% wie bei unserer Messung über 5 Jahr an einer Einzelanlage (/Luther, AKE2008H/). .
Quellen:
/Stiftung Warentest 2010/ : “Mehrwert dank Brennwert“, test, Heft7/2010, p.60- 65
Zugänglich gegen eine kleine Gebühr:
http://www.test.de/themen/haus-garten/test/Gasheizkessel-Mehrwert-dank-Brennwert-4108206-4108208/
/Luther AKE 2008H/ : G.Luther:
„Kraftwärmekopplung (KWK) – Hoffnungsträger oder Subventionsloch?“
Vortrag: http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/AKE_Archiv/AKE2008H/Links_AKE2008H.htm
<<
Bild der Tabelle aus test-Heft >>
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
2.4
Warum die KWK meist besser erscheint als sie tatsächlich ist.
Es werden oft zugunsten der KWK:
U1: die offenkundigen Fehler des „KWK-Mythos“ gemacht:
(nur „Brennstoffausnutzung“ bewertet;
Vergleich „alter KoKW“ mit „neuen 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
Kommt später noch mal
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.
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
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
{Strom aus GuD und Wärme aus Brennwertkessel}
und „Hocheffizienkriterien“ für KWK
Strom und Wärme bei Gaseinsatz = 1
ε_el
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
BK
1,00
1,20
ε_th
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
Versorger:
xSK
Paradefall:
Die KWK –
Scheibe
Wärme
Spitzenkessel:
KWK-Anlage:
xKWK
xSE
im KWK-Betrieb
K
W
K
im SpitzenstromBetrieb
Strom
Wärmeversorger mit KWK –Anlage
Erdgas
Q0V
Wärmespitze:
thV
Versorger:
xSK
KWK
Spitzenkessel
KWK-Anlage:
xKWK
Zusatzstrom:
Wärme
xSE
im KWK-Betrieb
K
W
K
im SpitzenstromBetrieb
elV
Strom
Neuer Eintrag: Strom und Wärme aus reiner KWK
Paradefall: XSK= XSE= 0
Strom: GuD bzw . Versorger
Erzeugung von Strom und Wärme
0,60
ε_el
E_GuD
B2
B4
B5
B6
B7
B8
E_heff
E10
Gaseinsatz: Q = 1.0
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
ε_th
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
0,60
ε_el
Gaseinsatz: Q = 1
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
ε_gesamt
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
0,60
ε_el
E_GuD1
B2
B4
B5
B6
B7
B8
E_heff
Gaseinsatz: Q = 1
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
ε_gesamt
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
(U5) : Ein wichtiges Argument in voller Länge
Wdh.
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.
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“
Strom und gesamte Endenergie
neu: Zentrales GuD speist auch Wärmepumpe mit JAZ=4
Strom: GuD bzw. Versorger
Erzeugung von Strom und Wärme
ε_el
0,60
E_GuD1
B2
B4
B5
B6
B7
B8
E_heff
Gaseinsatz: Q = 1
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
ε_gesamt
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, kleines GuD mit KWK und großes
Abgasverluste = 10 %
ohne KWK: el =
60%
GuD ohne KWK
(umfasst auch sonstige Betriebsverluste)
, davon
13%Punkte für WP-Betrieb verwenden
elKWK = 47% also 13% Stromeinbuße
Fernwärme thKWK = 43% =(100 -10 -47%)
„COP“ der Stromeinbuße: COPKWK = 43/13 = 3,3
beachte aber : Wärme bei hoher Temperatur, z.B. 130 °C
mit voller KWK:
COP einer dezentralen WP: COP = 4
beachte: Wärme bei niedriger Temperatur, z.B. 30°C
Die KWK erzeugt einen exergetischen Luxus, der dezentral
in thermisch sanierten Gebäuden nicht mehr gebraucht wird.
Ein nur didaktisches Beispiel:
Modernes, großes
Abgasverluste = 10 %
ohne KWK: el =
60%
GuD mit und ohne KWK
(umfasst auch sonstige Betriebsverluste)
, davon
10%Punkte für WP-Betrieb verwenden
elKWK = 50% also 10% Stromeinbuße
Fernwärme thKWK = 40% =(100 -10 -50%)
„COP“ der Stromeinbuße: COPKWK = 40/10 = 4
beachte aber : Wärme bei hoher Temperatur, z.B. 130 °C
mit voller KWK:
COP einer dezentralen WP: COP = 4 , also ebenfalls
beachte: Wärme bei niedriger Temperatur, z.B. 30°C
40 %Punkte Wärme
Ein großes GuD bringt auch im KWK-Betrieb
hervorragende Leistung.
Günstig für industriellem Wärmebedarf hoher Temperatur.
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 ?
Siehe hierzu das entsprechende Kapitel in:
http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/AKE_Archiv/DPG2010AKE_Bonn/Vortraege/DPG2010_AKE9.1_Luther_ThermOptHz_KWK-Mythos.ppt
A1
•
Diskussionspunkte:
KWK – eine ökologische Sackgasse ?
Nach Installation einer dezentralen KWK gibt es kaum noch Anreize zur
- weiteren thermischen Sanierung
- Nutzung von Thermischer Solarenergie
•
WP als Senke für fluktuierenden Wind- und PV- Strom
- eine künftige Gretchenfrage: Warum soll man bei Stromüberfluss (Wind + PV)
noch und sogar vorrangig
Erdgas in KWK- Anlagen verbrennen ?
- Der Ausbau der Stromversorgung mit Wind und Sonne erfordert
vor allem
•
Stromsenken
(und keine neuen „vorrangigen“ Stromerzeuger)
Ungleiche steuerliche Belastung der Nutzwärme
- 1 kWh Gas im dezentralen Kessel
-
“ “
beim KWK – Fernwärmeversorger
:
0.65 ct
:
0
(Erdgassteuer, incl.MWSt.)
- 1 kWh Gas für 0.58 Kwh GuD-Strom
für 2 kWh Wärme mittels WP
:
ca. 6 ct
( EEG [2011]+KWKG+Ökosteuer +
Konzessionsabgabe + CO2-Zertifikat
incl. dazugehöriger MWSt. )
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 verführt.
•
Eine herausragende Subventionierung der KWK als Technologie<
führt zu einem suboptimalen Ergebnis bei der Energie-Effizienz .
•
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
Einige Diskussionsfolien
aus
den übrigen Kapitel der
DPG-Studie
Aus dem Kapitel:
III.1 Thermische Kraftwerke auf fossiler Basis
1.1 Die Rolle der fossilen Kraftwerke weltweit und in Europa/Deutschland
1.2 CO2-Reduktion mit konventionellen Technologien:
Wirkungsgradverbesserung und Ersatz von Kohle durch Erdgas
1.3 Zukünftige Entwicklung: CO2-Abscheidung und -Speicherung (CCS)
1.4 Bis 2030 erreichbaren Senkung der CO2-Emissionen bei Stromerzeugung
1.5 Zusammenfassung und Ausblick
Reduzierung des CO2 Ausstoßes von Steinkohlekraftwerken
durch Steigerung des Wirkungsgrades
heute
BQuelle: DPG2010: E-Studie, p. 49, Abb.2
Urquelle: Verband der Kraftwerksbetreiber (VGB PowerTech e.V.), Broschüre Zahlen und Fakten zur Stromerzeugung 2009/10
Aus dem Kapitel:
III.2 Kernkraftwerke
2.1 Internationale Situation
2.2 Status quo in Deutschland
(bei fluktuierendem Stromangebot)
2.3 Versorgung und Entsorgung
2.4 Zusammenfassung und Ausblick
Fähigkeit deutscher Druckwasserreaktoren zur
Leistungsänderung
in 2 min um 20% der Voll-Last
auf 100% bzw. 80%
in 10 min um 50% der Voll-Last
auf 100% bzw. 50%
in 40 min um 70/80% der Voll-Last
auf 100% bzw. 20/30 %
AKW eignen sich also durchaus
zur Ausregelung der fluktuierenden EEG - Einspeisung
BQuelle: DPG2010, E-Studie, p. 67, Abb.3
Urquelle: M. Hundt et al.: Verträglichkeit von erneuerbaren Energien und Kernenergie im Erzeugungsverbund. Stuttgart, Oktober 2009
http://www.ier.uni-stuttgart.de/publikationen/pb_pdf/Hundt_EEKE_Langfassung.pdf
Aus dem Kapitel:
Teil III: Transport und Speicherung von elektrischer Energie
2. Stromspeichertechniken
2.1 Einführung
2.2 Mechanische Speicher: Schwungrad
2.3 Hydraulische Speicher
2.4 Elektrische Speicher: Supraleitende Spulen und Kondensatoren
2.5 Elektrochemische Speicher
2.6 Zusammenfassung elektrische Speicher
2.7 Wärmespeicher für solarthermische Kraftwerke
2.8 Zusammenfassung und Ausblick
Übersicht über die wichtigsten Parameter der verschiedenen
Energiespeicher
unb. =unbegrenzt ;
SMES = supraleitende Spulen,
(für den Bereich Netzmanagement)
CAES = Compressed Air Energy Storage, AA= advanced adiabatic
Quelle: DPG2010, E-Studie, p. 137, Tab. 1, Martin Rzepka, ZAE-Bayern