Optimierung der Wärmenutzung mit
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Optimierung der Wärmenutzung: Mobiler Wärmetransport als weitere Möglichkeit Markus Hertel Hansjürgen Krist, Roland Schipf 22.09.2014 Biogas-Fachforum Landkreis Traunstein AK Biogasanlagen Landkreis Rosenheim Agenda 1. Einführung 2. Speichermaterialien für mobile Systeme 3. Mobile Wärmetransportsysteme 4. Beispielrechnung 5. Fazit mobiler Wärmetransport 6. Weitere Beispiele 24.09.2014 Folie 2 Einführung Quelle: www.die-energiesparer.info/images/energieverbrauch 24.09.2014 Folie 3 Einführung Energiebedarf in der EU knapp die Hälfte des Endenergiebedarfs der EU wird in Form von Wärme benötigt, davon etwa 80 % bei Temperaturen unterhalb von 250 °C 24.09.2014 Folie 4 Einführung Strom vielseitig einsetzbar keine Einschränkung des Einsatzbereiches („Strom ist Strom“) Transformation in MS und HS möglich verlustarmer Transport möglich Wärme Quelle: www.tagesschau.de beschränkter Einsatzbereich Temperaturniveau - Solarthermieanlage (niederkalorisch) - Gasbrenner (hochkalorisch) lokale Nutzung nötig - kostenintensiver Transport - verglw. hohe Transportverluste 24.09.2014 Quelle: www.bohsung.de Folie 5 Einführung Methoden der thermischen Energiespeicherung: Speicherung fühlbarer Wärme Änderung der fühlbaren Temperatur beim Lade-/Entladevorgang Speicherung latenter Wärme Änderung des Aggregatszustands beim Lade-/ Entladevorgang Thermochemische Wärmespeicherung Speichern der Energie durch endound exotherme Reaktionen 24.09.2014 Folie 6 Agenda 1. Einführung 2. Speichermaterialien für mobile Systeme 3. Mobile Wärmetransportsysteme 4. Beispielrechnung 5. Fazit mobiler Wärmetransport 6. Weitere Beispiele 24.09.2014 Folie 7 Speichermaterialien Einteilung von Wärmspeicher (WS) nach Arbeitsprinzip Sensible WS fest Latente WS Sorption flüssig fest-flüssig 24.09.2014 Thermochemische WS Reaktionswärme flüssig-gasförmig Folie 8 Speichermaterialien Thermochemische Speicher (Zeolith) • Änderung des chemischen Zustandes durch Wärmezufuhr • Anlagerung von Wasserdampf an der inneren Oberfläche des mikroporösen Zeolith • Luft als Wärmeträgermedium 24.09.2014 Folie 9 Speichermaterialien Latentwärmespeicher • Speicherung der Wärmeenergie im Phasenübergang • Wasser oder Thermoöl als Wärmeträgermedium 335 kJ 335 kJ © Bine – Informationsdienst, 2002 1 kg Eis 0 °C 24.09.2014 1 kg Wasser 0 °C 1 kg Wasser 80 °C Folie 10 Agenda 1. Einführung 2. Speichermaterialien für mobile Systeme 3. Mobile Wärmetransportsysteme 4. Beispielrechnung 5. Fazit mobiler Wärmetransport 6. Weitere Beispiele 24.09.2014 Folie 11 Beispielprojekt mobiler Wärmetransport AVA / Schulzentrum Friedberg: Wärmesenke Schulzentrum Friedberg Ausgangspunkt: Wärmeversorgung über Gas- und Heizöl Ziel: Umstellung auf erneuerbare Energien Biomasseheizung (Hauslösung) Solarunterstützung einzelner Gebäude Fernwärme 03.06.2013 12 Konzeptsuche Errichtung einer alternativen Heizanlage mit Biomasse wegen innerstädtischer Lage kaum möglich Für Erweiterung der Realschule besteht baurechtliche Verpflichtung zum Einsatz regenerativer Energien => Suche nach geeigneter Wärmequelle 03.06.2013 13 Ergebnis aus Potenzialanalyse: Ergebnis aus Potenzialanalyse: Wärmequelle AVA GmbH Augsburg 9 km entfernt vom Schulzentrum 03.06.2013 „gefunden“ 14 Die Idee: Mobiler Wärmetransport Wie sollen Wärmequelle und Wärmesenke verbunden werden? Innovative Lösung gesucht Bild oben: Mobiler Wärmetransportcontainer bei der Beladung Quelle: bifa Umweltinstitut Bild links: Mobiler Wärmetransportcontainer an der AVA GmbH Quelle: AVA GmbH 03.06.2013 15 Mobiler Wärmetransport Funktionsprinzip Kraftwerk Wärmeerzeugung Beladeleistung bis 250 kW Festes Natriumacetat Schulzentrum Wärmenutzung Entladeleistung bis 150 kW Heißwasser >95°C Kaltwasser Wärmetauscher Transportstrecke ca. 9km Wärmetauscher Transportierte Energiemenge: 2,5 MWh Kaltwasser Heißwasser 100 95 Flüssiges Natriumacetat Temperatur [°C] 90 80 70 60 58 50 40 40 30 24.09.2014 Folie 16 Zeit Latentwärmespeicher Hersteller LaTherm GmbH Schmelzpunkt rd. 58,5 °C Quelle: www.latherm.de SGL Carbon Schmelzpunkt Salz A rd. 133 °C Schmelzpunkt Salz B rd. 142 °C Quelle: SGL Carbon Power Tank keine Angaben über eingesetzte Salze / Paraffine Quelle: www.powertank.de 24.09.2014 Folie 17 Mobiler Wärmetransport Bisherige Umsetzungen Dortmund (gefördertes Pilotprojekt BMU) Wärmelieferung von einer Deponiegasanlage zu einem Schwimmbad in Dortmund Buchen im Neckar-Odenwald-Kreis (AWN, Demonstrationsvorhaben des Umweltministeriums BW) Wärmelieferung vom Biomasseheizkraftwerk Buchen zur Bundeswehrkaserne in Walldürn Augsburg/Friedberg (AVA GmbH / LK AIC-FDB; erste kommerzielle Umsetzung) Wärmelieferung von der AVA GmbH zum Schulzentrum in Friedberg seit 01.01.2013 24.09.2014 Folie 18 Mobiler Wärmetransport Rahmendaten Container: Anforderungen: • Maße: 6,06 x 2,44 x 2,44 m • Containerstellplatz • integrierter Wärmetauscher • für Schwerlastverkehr geeignete Zu- • gefüllt mit Speichermedium (bspw. Natriumacetat) und Abfahrtswege • Wärmeträgermedium Wasser • Containergewicht ca. 29 t (Zugmaschine mit Container: 40 t) • Anforderungen an die Wärmequelle: mind. Temperatur ca. 90 °C • nutzb. Wärmemenge: 2,0 bis 2,3 MWh (entspr. ca. 200 bis 230 l Heizöl); 100 – 200 kW Leistung • Anforderungen an die Wärmesenke: niedrige Temp. im Heizungsrücklauf rel. hoher und gleichmäßiger Wärmeverbrauch (bspw. Schule, Schwimmbad, etc.) • CO2-Einsparung: ~0,21 kgCO2/kWh Bsp.: 600 MWh/a an Schule CO2-Einsparung: ~126 tCO2/a 24.09.2014 Folie 19 Umsetzung im Schulzentrum Friedberg Jahresdauerlinie Jahresdauerlinie Krankenhaus Krankenhaus • Versorgung mit zwei Containern parallel • Deckung der Grundlast durch mobilen Wärmetransport • Spitzenlastdeckung durch konventionelle Heizungsanlage Agenda 1. Einführung 2. Speichermaterialien für mobile Systeme 3. Mobile Wärmetransportsysteme 4. Beispielrechnung 5. Fazit mobiler Wärmetransport 6. Weitere Beispiele 24.09.2014 Folie 21 Beispielrechnung Biogasanlagen versorgt Schulzentrum Wärmebedarf Schulzentrum: Deckung durch mob. WT 35%: 1.900 MWh/a 665 MWh/a Investkosten (netto) für BGA-Betreiber: 2 Container a 75.000 € Wärmeauskopplung inkl. Planung 20.000 € Summe 170.000 € Investkosten (inkl. USt) an Schulzentrum: Planung 40.000 € Integration Heizung 70.000 € Stellplatz inkl. Schlauchsystem, etc. 68.000 € Elektroarbeiten & MSR rd. 35.000 € Summe 215.000 € 24.09.2014 Folie 22 Beispielrechnung Biogasanlagen versorgt Schulzentrum Beschreibung Kalkulatorische Abschreibungen und Zinsen AfA auf Investition Nutzungsdauer Anlagenteile Zinsen u. ä. Aufwendungen Anteil Fremdfinanzierung Zinssatz (monatlich, nachschüssig) Laufzeit Gebühren (einmalig) 24.09.2014 Biogasanlagenbetreiber Wert Einheit -12.206 €/a €/a a €/a % % a % d. 1,0 Kreditsumme -10.200 10 -2.006 100 3,5 10 Wärmeabnehmer Wert Einheit -9.018 €/a €/a a €/a % % a % d. 1,0 Kreditsumme -6.473 20 -2.545 100 3,5 10 Folie 23 Beispielrechnung Biogasanlagen versorgt Schulzentrum Beschreibung Betriebskosten/-Erlöse Wärme Wärmepreis Transport Transportpauschale Wartung bezogen auf Investitionskosten 24.09.2014 Biogasanlagenbetreiber Wert Einheit 9.310 €/a 1.310 2,00 13.100 20,0 -5.100 3,0 €/a €/MWh €/a €/MWh €/a % Wärmeabnehmer Wert Einheit -22.361 €/a -1.559 -2,38 -13.100 -23,8 -7.702 3,6 €/a €/MWh €/a €/MWh €/a % Folie 24 Beispielrechnung Biogasanlagen versorgt Schulzentrum Beschreibung Biogasanlagenbetreiber Wert Einheit Förderung/Einsparungen KWK-Bonus (EEG 2004) Wegfall Bezug Erdgas Erdgaspreis Wärmeabnehmer Wert Einheit 13.100 €/a 36.025 €/a 13.100 €/a 20 €/MWh ----- ----36.025 €/a 55 €/MWh 10.204 €/a Ergebnis 4.646 €/a Wärmegestehungskosten Wärmeabnehmer: rd. 47,50 €/MWh Zuschuss in Höhe von 40% der zuwendungsfähigen Ausgaben berücksichtigt (Förderprogramm BioSol – Mobile Wärmespeicher) Lieferbare Wärmemenge Wärmegestehungskosten in MWh/a Abnehmer in €/MWh 24.09.2014 500 55,80 665 47,50 800 43,30 Folie 25 Agenda 1. Einführung 2. Speichermaterialien für mobile Systeme 3. Mobile Wärmetransportsysteme 4. Beispielrechnung 5. Fazit mobiler Wärmetransport 6. Weitere Beispiele 24.09.2014 Folie 26 Fazit mobiler Wärmetransport Technologie bisher noch nicht umgesetzt bei Biogasanlagen Förderung einer oder mehrerer Projekte als Demonstrationsvorhaben möglich Wirtschaftlichkeit ist gegenüber Gasversorgung grundsätzlich darstellbar individuelle Betrachtung notwendig Ökologisch sinnvoll Einsparung von CO2-Emissionen Transportemissionen vernachlässigbar (< 5%) Langfristige Bindung der Vertragspartner notwendig kommunale Liegenschaften bieten sich deshalb an Preisstabilität als Gegenleistung 24.09.2014 Folie 27 Agenda 1. Einführung 2. Speichermaterialien für mobile Systeme 3. Mobile Wärmetransportsysteme 4. Beispielrechnung 5. Fazit mobiler Wärmetransport 6. Weitere Beispiele 24.09.2014 Folie 28 Beispiel Wärmenetz Ellgau in Schwaben: vorab ein paar Rahmenbedingungen Nawaro Anlage: 440 KW elektrisch 480 KW thermisch Inbetriebnahme BGA Juni 2007 Wärmenetz: 2.650 MWh/a 52 Haushalte alle öffentlichen Gebäude der Gemeinde (Schule, Mehrzweckhalle, Kindergarten mit Rathaus, Gaststätte) Kirche Insgesamt 56 Anschlüsse am Wärmenetz Inbetriebnahme 2012 Folie 29 Beispiel Ellgau in Schwaben Länge bis ersten Hausanschluss: 1.230 m Gesamtlänge: > 3.000 m Netzkosten erste Kalkulation: > 1 Mio. € Trotz großem Interesse kein wirtschaftlicher Betrieb möglich: - Entfernung => hohe Leitungskosten und –verluste - BGA zu geringe Leistung bzw. Wärmeabnahme von BGA zu niedrig - Trotzdem weiterer Kessel notwendig der im Winter zur Deckung beiträgt Folie 30 Lösungsansätze Wärmenetz: Länge 3.820 m max. Leistung 950 KW Rohrdurchmesser 140 mm bis 38mm Erhöhung der Attraktivität: - 100 % Wärmegarantie für alle Liegenschaften - Notversorgung durch Spitzenlastkessel 750 KW an der BGA, Brennstoff (Biogas oder Heizöl) und bestehende Gasheizungen (Gaststätte, Schule) Effizienzerhöhung - Alle Haushalte bekommen einen Pufferspeicher zwischen 800 -1.350 L BGA kann 24 h Wärme absetzen Folie 31 Ausführung Kostensenkung durch: - Kunststoffrohre Firma Rehau - Übergabestationen Firma Xewatec Lenggries (einfache Bauart, die „selbst“ repariert werden kann) - Kernlochbohrungen, Leitungsverlegung in Eigenleistung Finanzierung und Wärmekosten: - Projekt wurde durch ein KfW Förderdarlehen mit Tilgungszuschuss finanziert. - Gesamtkosten: 850.000 € netto – Tilgungszuschuss KFW (30 %) (rd. 600.000 € Investitionskosten mit Hausspeicher) - Wärmepreis: 45 € netto pro MWh - Einnahmen: 45 €/MWh + KWK Boni (3 Ct/kWh) Folie 32 Kontakt und Ansprechpartner bifa Umweltinstitut GmbH Am Mittleren Moos 46 86167 Augsburg Markus Hertel Projektmanager E-Mail: [email protected] Tel. (08 21) 7000 – 158 24.09.2014 Einführung Notwendigkeit thermischer Speicher Zeitlicher Unterschied zwischen Energiebedarf und Verfügbarkeit: - bspw. KWK-Anlagen in einem FWN - Solarthermieanlagen, PV-Anlagen (EE allg.) Reduzierung Energiebedarf für Klimatisierung (z. B. alte Burggemäuer) Erleichterung des Einsatzes von Umweltenergien durch latente Wärmespeicher (Solarkraftwerke erhitzen Salzspeicher) Speichermöglichkeit, auch für überschüssigen elektrischen Strom, in Form von Wärme (Heizstab, Wärmepumpe) 24.09.2014 Folie 34 Jahresheizarbeit 24.09.2014 Folie 35 Ziele des Kommunalunternehmens Energie Dollnstein Primärziele: • • • • Zukunftssicherheit Unabhängigkeit von Energie und Versorger Flexibilität Preissicherheit Sekundärziele: • • • • • hoher Einsatz von regenerativen Energien Netzverluste auf ein Minimum reduzieren Natürliche Ressourcen schonen wirtschaftliche Darstellbarkeit geringe Wartungs- und Personalkosten 24.09.2014 Folie 36 Wärmenetz Dollnstein Klassisches Hochtemperaturnetz 24.09.2014 Folie 37 Wärmenetz Dollnstein Heizzentrale „offenes“ Netz Niedertemperaturbetrieb im Sommer 24.09.2014 Folie 38 Netzinnovation zur Sicherung der Zukunft • Wärme und Strom Verbund o Kombination BHKW und Wärmepumpe o Temperatur-Transformator beim Abnehmer • Einbindung von Photovoltaik und Solarthermie o 80% Solarbetrieb von 1. Mai bis 15. Oktober o dezentrale Einspeisemöglichkeit von Solarthermie => Energiemanagement: Wärme und Strom notwendig FAZIT Einsparung von mehr 30 % an Primärenergie Kostenstabilität durch hohen Anteil an Solarthermie 24.09.2014 Folie 39
