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Die übertriebene Story von der einzigartigen KWK ( und manchmal enthalten Märchen ja auch ein Stück Wahrheit )

AKE2008H_08. Kraftwärmekopplung Hoffnungsträger oder Subventionsloch. Die übertriebene Story von der einzigartigen KWK ( und manchmal enthalten Märchen ja auch ein Stück Wahrheit ). Dr. Gerhard Luther Universität des Saarlandes, FSt. Zukunftsenergie c/o Technische Physik – Bau E26

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Die übertriebene Story von der einzigartigen KWK ( und manchmal enthalten Märchen ja auch ein Stück Wahrheit )

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  1. AKE2008H_08 Kraftwärmekopplung Hoffnungsträger oder Subventionsloch Die übertriebene Story von der einzigartigen KWK ( und manchmal enthalten Märchen ja auch ein Stück Wahrheit ) Dr. Gerhard LutherUniversität des Saarlandes, FSt. Zukunftsenergie c/o Technische Physik – Bau E26 D-66041 SaarbrückenEU - Germany Tel.: (49)  0681/ 302-2737; Fax /302-4676 e-mail: Luther.Gerhard@vdi.deluther.gerhard@mx.uni-saarland.de Homepage: http://www.uni-saarland.de/fak7/fze KWK = Strom („Kraft“) - Wärmekopplung

  2. KWK mit neuem Schwung Heute investieren - morgen gewinnen u.a. auch Vorträge mit großer Perspektive: • Kann die Fernwärme in Deutschland zum Standardheizsystem werden? • Stephan Schwarz , Präsident der AGFW, Stadtwerke München GmbH • Kann der KWK-Ausbau zusammen mit anderen Energieeffizienzmaßnahmen und dem Ausbau der Regenerativenergien den • Bau herkömmlicher Kraftwerke in Deutschland vermeiden? • Dr. Felix Christian Matthes, Öko-Institut e.V., Berlin • Wahlweise Strom oder Wärme - BHKW mit integrierter Elektro-Wärmepumpe • Karsten Rasche, Geschäftsführer, Ingenieurbüro Rasche Wärmetrans, Leipzig Quelle: http://www.bkwk.de/aktuelles/veranstaltungen/Jahreskongress_2008_Programm.pdf

  3. Kraftwärmekopplung Hoffnungsträger oder Subventionsloch 1. Strom und Heizwärme- Erzeuger (gekoppelt und getrennt) 1.1 BHKW ; 1.2 Dampfkraftwerk ; 1.3 Gasturbine; 1.4 GUD-Kraftwerk; 1.5 Brennwertkessel 2. KWK-Promotion 3. Korrekte Vergleiche ?? 4. Ergebnisse wissenschaftlich korrekter Vergleiche 5. KWK mit Brennwertnutzung 5.1 bei dezentraler Mikro.KWK ; 5.2 Bei zentraler KWK 6. Brenstoffmehrverbrauch bei getrennter Erzeugung 7. Vollständiger Brennstoffvergleich für Versorger ( KWK + Spitzenwärme + Spitzenstrom ) 8. Wie wurde bisher die Brennwerttechnik in wichtigen KWK – Studien abgehandelt Anhang 1: Low Ex –Wärme Anhang 2 : außenliegende Wand- und Luftheizung

  4. Strom und Heizwärme- Erzeuger • (gekoppelt und getrennt)

  5. 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

  6. 1.2Dampfkraftwerk 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

  7. 1.3 Gasturbinen- Prozess ca. 650 °C Quelle:John R. Tyldsley: “An Introduction to Applied Thermodynamics and Energy Conversion“, Longman,London1977, ISBN=0-582-44066-1,

  8. 1.4 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

  9. Beispiel: GUD - Irsching Moderne GUD werden el = 60% erreichen Quelle: http://www.kraftwerk-irsching.com/pages/ekw_de/Neubau/Bauvorhaben/index.htm

  10. 1.5 Wie gut sind moderne Feuerungsanlagen ? Erdgas- Brennwertkessel

  11. aktueller Stand der Technik uralter Verschwender bereits veraltet Brennwerttechnik NT Bw Ich rechne meist nur mit 105 % Quelle: Stadtwerke Karlsruhe: Kundenbroschüre „Erdgas Brennwert Heizkessel“ , ergänzt SpQ:SW_Karlsruhe_BrennwertKessel.pdf

  12. 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 Fern- wärme auf einen analogen „Kesselwirkungsgrad“ von 94% (Ho) also etwa: 105- % (Hu).

  13. 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

  14. Faustformel: qA = (1 – w) * 13,5% Direkte Messung der Abgasverluste über einen Zeitraum t0: 1. Messung des anfallenden KondensatwassersW 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 Quelle: G. Luther: DE 10 2004 058 520 B3;„Messverfahren zur Bestimmung des Abgasverlustes von Feuerungsanlagen mit Abgaskondensation“

  15. 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) Messverfahren: G. Luther: DE 10 2004 058 520 B3; „Messverfahren zur Bestimmung des Abgasverlustes von Feuerungsanlagen mit Abgaskondensation“

  16. 2 KWK - Promotion

  17. BRD: 12% DK: 52% Strom- Wärmekopplung in der EU Sollte man den KWK –Anteil in BRD nicht erhöhen ? In DK sind es ja mehr als 50% ! BQuelle: http://www.dbresearch.de/PROD/DBR_INTERNET_DE-PROD/PROD0000000000221415.PDFSpeicher:DB-Research2008_KWK-Eckpfeiler-des-IEKP_16p.pdf

  18. Werbebild der Gaswirtschaft: • Was hat man verglichen: • Ein modernesErdgas- BHKW in idealer • wärmegeführter Betriebsweise • mit einem • uralten Kohlekraftwerk (KoKW) • (eta=34% [im Bildtext ] • und • einem altenHeizölkessel [34%] Ergebnis durch das BHKW: 37%PE-Einsparung 59%CO2 Einsparung Quelle: ASUE: Grafiken Blockheizkraftwerke: 10.11.2005:Kraft-Wärmekopplung ; http://www.asue.de/images/images_neu/grafik_309_f.jpg

  19. Werbebild des B.KWK: B.KWK = Bundesverband Kraft Wärme Kopplung el = 38 % gesamt = 88 % el = 34,5% (= 38 / 110) th = 89 %(= 50 /56) a Ergebnis durch das BHKW (bzgl. einer uralten getrennten Erzeugung): 40 % PE-Einsparung Bildquelle: http://www.bkwk.de/aktuelles/Poster_und_Grafiken/Vergleich_KWK_Getrennt.pdf

  20. Offizielles Werbebild des BMU: Ergebnis durch das BHKW(vermutlich bzgl.BRD- StromMix): 38% PE-Einsparung 34% CO2 Einsparung Quelle: BMU 2008: „Energie dreifach nutzen: Strom, Wärme und Klimaschutz: Ein Leitfaden für.... Mini-KWK ; Abb. p.7 http://www.bmu.de/files/pdfs/allgemein/application/pdf/leitfaden_mini_kwk.pdfLokal: BMU2008-IZES_miniKWK-Leitfaden_44p.pdf

  21. Schlussfolgerung in der BMU – Broschüre: KWK ist eine der wirksamsten Maßnahmenzur Einsparung von Primärenergie undzur Vermeidung von klimaschädlichem Kohlendioxid! Deshalb hat die Bundesregierung beschlossen, den KWK-Anteil an der Stromerzeugung bis zum Jahre 2020 auf 25 % zu verdoppeln. und fördert Investition und Betrieb der KWK mit jährlichen Milliardenbeträgen Quelle: BMU 2008: „Energie dreifach nutzen: Strom, Wärme und Klimaschutz: Ein Leitfaden für.... Mini-KWK ; p.8 http://www.bmu.de/files/pdfs/allgemein/application/pdf/leitfaden_mini_kwk.pdfLokal: BMU2008-IZES_miniKWK-Leitfaden_44p.pdf

  22. 3 Korrekte Vergleiche ?? Gleicher Primärenergieträger Modern Technik auf beiden Seiten GUD + Brennwerttechnik Alternative: Wärmepumpe

  23. Man sollte aber nicht Äpfel mit Birnen vergleichen, denn: • Ein korrekter Vergleich setzt für beide Seiten voraus: • gleicher Primärenergieträger, z.B. Erdgas • moderne Technik, zumindest aktueller Stand der Technik ( z.B.: GUD – Kraftwerk , Brennwertkessel ) • (vgl. hierzu auch Richtlinie EU 2004/8/EG; Anhang III ) • Auch naheliegendetechnische Alternativen in Vergleich einbeziehen: • Brennwert- Mini - BHKW (dezentral) • Wärmepumpe mit Niedertemperatur - Heizflächen

  24. eigentlich trivial Zitat aus EU Richtlinie 2004/8/EGAnhang 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 KWK- Blocks 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

  25. hier steht noch was ganz Wichtiges 10% doch eher etwas mickrig? Zitat aus EU Richtlinie 2004/8/EG Einleitende Bemerkungen in Erwägung nachstehender Gründe: ….. (11) Hocheffiziente KWK wird in dieser Richtlinie als der Umfang der Energieinsparungen durch die kombinierte anstatt der getrennten Produktion von Wärme und Strom definiert. Energieeinsparungen von mehr als 10 % gelten als „hocheffizient“. Zur Maximierung der Energieeinsparungen und um zu vermeiden, dass Energieeinsparungen zunichte gemacht werden, muss den Betriebsbedingungen von KWK-Blöcken die größte Aufmerksamkeit gelten. …... Quelle: http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2004:052:0050:0060:DE:PDF

  26. Zitate aus EU Richtlinie 2004/8/EG Artikel 3 : Begriffsbestimmungen : Im Sinne dieser Richtlinie bezeichnet der Ausdruck i) „hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung“ die KWK, die den in Anhang III festgelegten Kriterien entspricht; Artikel 4: Kriterien für den Wirkungsgrad der KWK (1) Zur Bestimmung der Effizienz der KWK nach Anhang III legt die Kommission nach dem in Artikel 14 Absatz 2 genannten Verfahren spätestens am 21. Februar 2006 harmonisierte Wirkungsgrad-Referenzwerte für die getrennte Erzeugung von Strom und Wärme fest. Diese harmonisierten Wirkungsgrad-Referenzwerte bestehen aus einer Matrix von Werten, aufgeschlüsselt nach relevanten Faktoren wie Baujahr und Brennstoff-typen, und müssen sich auf eine ausführlich dokumentierte Analyse stützen, bei der unter anderem die Betriebsdaten bei realen Betriebsbedingungen, der grenzüberschreitende Stromhandel, der Energieträgermix, die klimatischen Bedingungen und die angewandten KWK-Technologien gemäß den Grundsätzen in Anhang III berücksichtigt werden. (2) Die Kommission prüft die in Absatz 1 genannten harmonisierten Wirkungs-grad- Referenzwerte für die getrennte Erzeugung von Strom und Wärme zum ersten Mal am 21. Februar 2011 und danach alle vier Jahre …… …..……….. RL 2007/74/EG Quelle: http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2004:052:0050:0060:DE:PDF

  27. GUD Brennwert-Kessel 60 % Auslegung 105% Tatsächliche Marktwerte Auslese aus derRichtlinie 2007/74/EG für Erdgas HarmonisierteWirkungsgrad-Referenzwerte für die getrennte Erzeugung von Strom „reale Betriebsdaten “ getrennte Erzeugung von Wärme http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2007:032:0183:0188:DE:PDF

  28. Ein Problem: Die EU Richtlinie 2004/8/EG legt in Artikel 4 Absatz 1 (Zitat siehe 2 Folien vorher) u.a. fest, dass die Referenzwerte für die getrennte Erzeugung als Betriebsdaten bei realen Betriebsbedingungen ermittelt werden. Die festgelegten Wirkungsgrad Zahlenwerte für 2006 bis 2011 liegen für Gaskraftwerke ca. 15% (!!) niedriger als die Auslegungswerte moderner GUD. 1. Bei diesem niedrigen Wirkungsgrad kommt der Verdacht auf, dass sich hierin auch der Beitrag betehender GUD‘s zur Regelenergie widerspiegelt. Dies wäre jedoch nicht korrekt, da die wärmegeführte (!!) KWK keinen vergleichbaren Beitrag liefert. 2. Hinzu kommt, dass in der Praxis für die BHKW‘s offensichtlich von Auslegungsdaten ausgegangen wird. Daher habe ich mich entschlossen sowohl bei der KWK als auch bei der getrennten Erzeugung von den Auslegungswerten auszugehen. Kommentare, Bedenken und Bestärkungen bitte mir gleich mailen: luther.gerhard@vdi.de

  29. tatsächlich: ca. 0 bis -5% Zitat aus EU Richtlinie 2004/8/EG Einleitende Bemerkungen in Erwägung nachstehender Gründe: ….. (11) Hocheffiziente KWK wird in dieser Richtlinie als der Umfang der Energieinsparungen durch die kombinierte anstatt der getrennten Produktion von Wärme und Strom definiert. Energieeinsparungen von mehr als 10 % gelten als „hocheffizient“. Zur Maximierung der Energieeinsparungen und um zu vermeiden, dass Energieeinsparungen zunichte gemacht werden, muss den Betriebsbedingungen von KWK-Blöcken die größte Aufmerksamkeit gelten. …... Quelle: http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2004:052:0050:0060:DE:PDF

  30. RICHTLINIE 2004/8/EGDES 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 Richtlinie 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

  31. 4 Ergebnisse wissenschaftlich korrekter Vergleiche ( entsprechen auch den Grundsätzen (!) der EU –Richtlinie)

  32. Korrekt, aber noch nicht optimal: Bezug auf modernes Erdgas –GUD + Heizwerk Ergebnis durch das Erdgas -BHKW(bzgl. Erdgas– GUD + HeizWerk): 16% PE-Einsparung [ = (1 – 1000/ (552 + 644)) ] {vergleiche BMU: 38 % weniger PE} 16% CO2 Einsparung[ = (1 - 200/(110 +129) ] Quelle: V. Quaschning : “Erneuerbare Energien und Klimaschutz“,Abb. 4.4.Hanser Verlag (2008) ,ISBN=978-3-446-41444-0

  33. Brenn wert - Kessel Korrekt, optimal und sogar wirklichkeitsnah: Bezug auf Erdgas GUD + Brenwertkessel 110 Erdgas ohne Kondensation 95% ( 551 kWh) incl. Abgas- kondensation th =105% Hu Ergebnis durch das Erdgas -BHKW(bzgl. Erdgas– GUD + BrennwertKessel: 9 % PE-Einsparung [ = (1 – 1000/ (552 + 551)) ] {vergleiche BMU: 38 % weniger PE} 9 % CO2 Einsparung[ = (1 - 200/(110 +110) ] Urbild-Quelle: V. Quaschning : “Erneuerbare Energien und Klimaschutz“,Hanser Verlag (2008) ,ISBN=978-3-446-41444-0 ich habe im Urbild das GasHeizwerk durch einen handelsüblichen Brennwertkessel ersetzt.:

  34. Wärme 730 kWh Wärme 730 kWh incl. Abgas- kondensation ( dezentral ) gesamt = 105% HU Brenn wert - Kessel Demnächst: DezentralesBrennwert Mini - BHKW, allseits optimal: Bezug auf Erdgas GUD + Brenwertkessel 139 Erdgas ohne Kondensation 95% ( 694 kWh) incl. Abgas- kondensation th =105% Hu Ergebnis durch das Brennwert-BHKW(bzgl. GUD + BrennwertKessel: 20 % PE-Einsparung [ = (1 – 1000/ (552 + 694)) ] {vergleiche BMU: 38 % weniger PE} 20 % CO2 Einsparung[ = (1 - 200/(110 +139) ] Quelle: ich habe im Urbild der vorherigen Folie überall die Werte der Brennwertnutzung eingesetzt.

  35. Wärme 730 kWh incl. Abgas- kondensation ( dezentral ) gesamt = 105% HU Demnächst: DezentralesBrennwert Mini - BHKW, allseits optimal: Bezug auf Erdgas GUD + Wärmepumpe Wärme 730 kWh Wärmepumpe = 4 63 183 315 132 Ergebnis durch das Brennwert-BHKW(bzgl. GUD + Wärmepumpe - 15.5 % , PE- Mehrverbrauch ! [ = (1 – 1000/ (552 + 315)) ] - 15.5 % , CO2 Mehremission ! [ = (1 - 200/(110 +63 ) ]

  36. 5 KWK mit Brennwertnutzung • 1. Bei dezentraler Mikro –KWK, gibt eskein grundsätzliches Problem, sofern • die Wärme lokal , im gleichen Gebäude, genutzt wird. • die Verbrennung im Motor beinicht zu hohem Luftüberschuss erfolgt . • Also z.B. problemlos bei einem Otto-Motor mit Katalysator und  =1 Regelung. 2. Aber sehr problematisch bei Wärmenetzen

  37. 2. Hindernisse für effektive Brennwertnutzung bei zentraler KWK mit Wärmenetz. • TemperaturspreizungT am Wärmeübertragererforderlich • Hohe Vorlauftemperatur für jederzeitiges WarmWasser • Geleitzugbetrieb: Nutzer mit höchstem T– Anspruch magebend ( Industriedampf ! ) • Temperaturabfall bis zum letzten Verbraucher muss einkalkuliert werden • Luftüberschuss bei Gasturbinen und Dieselmotoren erforderlich Also: Zentrale und effektive Brennwertnutzung bleibt vermutlich ein Traum

  38. 6 Brenstoffmehrverbrauch bei getrennter Erzeugung Für die Gesamt- Nutzenergie einer KWK – Anlage gilt: gesamtKWK * Q0KWK = ( elKWK + thKWK ) *Q0KWK(1) mit Q0KWK = Primärenergieeinsatz (PE) in der KWK-Anlage Betrachte eine detaillierte Gleichheit der Nutzenergien bei der getrennten Erzeugung: für GUD- Strom: GUD QGUD =elKWK * Q0KWK (2a) für Kessel -Nutzwärme : K QK = thKWK * Q0KWK(2b) Q0 = gesamte Primärenergie (PE) der getrennten Erzeugung: Q0 = QGUD + QK (3) Faktor für den PE- Aufwand bei der getrennten Erzeugung: f = Q0/ Q0KWK = ( elKWK / GUD + thKWK / K )(4)

  39. Bezeichnungen: thKWK = Wärmewirkungsgrad 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. K = Wirkungsgrad-Referenzwert für die getrennte Wärmeerzeugung.(z.B. im Brennwertkessel, Bezug auf Hu= unterer Heizwert) elKWK= elektrischer Wirkungsgrad der KWK, definiert als jährlicher KWK- Strom im Verhältnis zum Brennstoff, der für die Erzeugung der Summe von KWK- Nutzwärmeleistung und KWK- Stromerzeugung eingesetzt wurde. GUD = 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.

  40. Bemerkung: Die Gl.(4) für f entspricht der Formel im Anhang III der EU - Richtlinie 2004/74/EG: PEE Primärenergieeinsparung KWK WηWärmewirkungsgrad-Referenzwert 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. Ref WηWirkungsgrad-Referenzwert für die getrennte Wärmeerzeugung. KWK Eηelektrischer Wirkungsgrad der KWK, definiert als jährlicher KWK-Strom im Verhältnis zum Brennstoff, der für die Erzeugung der Summe von KWK-Nutzwärmeleistung und KWK-Stromerzeugung eingesetzt wurde. Wenn ein KWK-Block mechanische Energie erzeugt, ……… Ref EηWirkungsgrad-Referenzwert für die getrennte Stromerzeugung . denn: PEE = PE–Einsparung durch KWK = (Q0 - Q0KWK ) / Q0 = ( 1 – 1/ f )

  41. Gl.(4) wird anschaulicher, wenn wir die KWK beschreiben mit:gesamtKWK= Gesamtnutzungsfaktor der KWK, undelKWK = elektrischer Wirkungsgrad der KWK Aus Gl.(1) : thKWK = [gesamtKWK - elKWK](1a) Gl.(4): f = ( elKWK / GUD + [ thKWK ]/ K ) Mit (1a) : f = ( elKWK / GUD + [ gesamtKWK - elKWK]/ K ) Ordnen : f = gesamtKWK / K + elKWK * { 1/ GUD – 1 / K ) also: Der PE- Faktor f = Q0/ Q0KWKfür den PE- Aufwand: f = gesamtKWK/K + elKWK * {1/ GUD- 1/K} (4a) ist eine lineare Funktion von elKWK .

  42. 1.05 =gesamtKWK 0.90 = 0.85 =gesamtKWK Referenz: GUD= 60% für GUD –KraftwerkK= 105%(Hu) für Brennwertkessel elKWK Der PE- Faktor f = Q0/ Q0KWKfür den PE- Aufwand:f = gesamtKWK /K + elKWK * {1/ GUD - 1/ K } (4a) [ meist =< 1 ]{ > 0 }

  43. Referenz: eta_GUD = 60%eta_K = 105% (Hu) Folgerungen: 1. Bei der KWK sind allenfalls dezentrale Brennwertanlagen wirklich interessant 2. Bei der angemessenen und zeitgemäßen Referenz, GUD und Brennwertkessel, kann die KWK ohne Brennwertnutzung kaum noch mithalten. 3. Falls der KWK zeitweise ohne Wärmenutzung („stromgeführt“) betrieben wird, wird ihre Einsparbilanz sehr bald negativ: das massiv subventionierte Einsparwerkzeug KWK verbraucht dann mehr Primärenergie als der marktgängige konventionelle Stand der Technik

  44. 7 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: GUD QGUD =elV *Q0V (2a) für Kessel -Nutzwärme : 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)

  45. Bezeichnungen: thV = Wärmewirkungsgrad der Strom- und Wärme-Erzeugung des Versorgers, ´ 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. K = Wirkungsgrad-Referenzwert für die getrennte Wärmeerzeugung.(z.B. im Brennwertkessel, Bezug auf Hu= unterer Heizwert) elV= elektrischer Wirkungsgrad der Strom- und Wärme-Erzeugung des Versor-gers, 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.

  46. 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/ Q0Vfür den PE- Aufwand: f = gesamtV/K + elV * {1/ GUD- 1/K} (4a) ist eine lineare Funktion von elV .

  47. KWK –Strom und Wärme, SpitzenStrom und SpitzenWärme Gesamte Nutzenergie: QnutzV = gesamtV * Q0V Anteile an der Primärenergie:x_KWK = wärmegeführte KWK x_SE = Spitzenstrom (ohne Wärmenutzen) x_SK = Spitzenwärme (im Spitzenkessel) Q0V ={x_KWK + x_SE + x_SK}*Q0V =Q0KWK +Q0SE + Q0SK Anlagenwirkungsgrade von Spitzenstrom und ~Kessel:elSEfürSpitzenstrom (ohne Wärmenutzen) thSKfür Spitzenwärme (im Spitzenkessel) Dann gilt: elV = x_KWK * elKWK + x_SE * elSE(5a) thV = x_KWK * thKWK + x_SK * thSK (5b)

  48. gesamtKWK =1,05 bzw. 0,85 Referenz: GUD = 60%K = 105% (Hu) elKWK Verschlechterung des PE-Faktors durch Spitzenkessel Bei Wärme geführten Betrieb: x_SE= 0 und gesamtKWK = thSKgilt: f = gesamtV/K + elKWK* x_KWK* {1/ GUD - 1/ K } (4c) mit:gesamtV= (x_KWK +x_SK)* gesamtKWK = 1.0 * gesamtKWK(mit Gl.(8a)) = Speicher: Blatt „SK“

  49. gesamtKWK =1,05 bzw. 0,85 Referenz: GUD = 60%K = 105% (Hu) Folgerungen: 1. Bei der KWK mit Spitzenkessel sind nur noch dezentrale Brennwertanlagen wirklich interessant. 2. Zentrale KWK mit Spitzenkessel ergibt erst bei hohen elektrischen Wirkungsgraden eine positive Einsparbilanz. Meist gilt hier: Das massiv subventionierte „Einsparwerkzeug“ KWK verbraucht oft mehr Primärenergie als die getrennte Erzeugung mit GUD und Brennwertkessel

  50. elKWK Verschlechterung des PE-Faktors durch SpitzenStrom Bei freiem Betrieb mit: elKWK = elSEund ohne Spitzenkessel: x_SK =0 gilt: f = gesamtV/K + elKWK* {1/ GUD - 1/ K } aus (4b) mit: gesamtV= x_KWK* gesamtKWK +x_SE*elSE (aus Gl.(7a)) also: f = x_KWK* gesamtKWK/K + elKWK* {1/ GUD + x_SE / K - 1/ K} gesamtKWK =1,05 bzw. 0,85 Referenz:GUD = 60%K = 105% (Hu) Speicher: Blatt „SE“

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