Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (Marco Henning)

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Kraft-Wärme-Kälte Kopplung

ökologische und ökonomische Aspekte

vorgestellt durch

Marco HenningM.Sc., Dipl.-Ing (FH)

Tel. 0201/2400-4107Mobil 0162/ 1098458Email marco.henning@jci.com

Vertriebsleiter HVAC Klima- & KaltwassersystemeDeutschland * Österreich * Schweiz

Inhalte/ Agenda

1. Johnson Controls Unternehmens Kurzübersicht

2. KWKK-Grundprinzip Zusammenspiel der Komponenten von KWKK-Systemen

3. Absorptions-Flüssigkeitskühler für KWKK-Systeme Warm- und Heißwasser-beheizte Absorptionsflüssigkeitskühler zur Einbindung in KWKK-Systeme

4. KWK- und BAFA-Förderung Förderungen gem. KWK-Gesetz (2009) und BAFA-Förderung für Absorptionsflüssigkeitskühler

5. Betrachtung einer KWKK-Gesamt-Anlage Wirtschaftlichkeit und CO2-Äquivalent am Beispiel eines Rechenzentrums (Kurzfassung)

6. Fazit

Kraft-Wärme-Kälte Kopplungökologische und ökonomische Aspekte

Inhalte/ Agenda

4. KWK- und BAFA-Förderung Förderungen gem. KWK-Gesetzt (2009) und BAFA-Förderung für Absorptionsflüssigkeitskühler

6. Fazit

Johnson Controlsweltweit vertreten

Nord- amerika

Europa

Latein- und Südamerika

Naher Osten & Afrika

Asien& Pazifik

150.000 Mitarbeiter an mehr als 1.300 Standorten beliefern

Kunden in 125 Ländern

Umsatz über 40 Mrd. US$

Seit 62 Jahren ununterbrochene

UmsatzsteigerungenSeit 18 Jahren

ununterbrochene Gewinnsteigerungen

Johnson Controls Geschäftsfelder

Weltweiter Marktführer in den wachsenden Märkten

Gebäude, die energieeffizient,

sicher und komfortabel sind.

Technologie von Weltklasse zur

Differenzierung der Fahrzeuginnen-

ausstattung und Steigerung der

Nachfrage.

Autobatterien höchster Qualität

zu niedrigen Kosten unterstützen Kunden beim Steigern ihrer

Marktanteile

Automotive Experience Building Efficiency Power Solutions

Inhalte/ Agenda

6. Fazit

KWKK-Grundprinzip

Gas- bezug

Heiz-wärme

elektr.

Wärme aus Gebäude(Kühllast)

Abwärme Flüssigkeitskühler Verluste

& Abgas

elektr.

Absorber

Rückkühlsystem

KWKK-Grundprinzip

Das Blockheizkraftwerk(Gesamtwirkungsgrad 80-90%)

100% Erdgas (bezogen auf HU)

Wärmeauskopplung 50-60% (je nach Modul)

Stromauskopplung 30-40% (je nach Modul)

Großer Vorteil: Nutzung der thermischen und mechanischen Arbeitsfähigkeit (Exergie) des Gases

KWKK-Grundprinzip

Der mit Warmwasser beheizte Absorber

Wärmeauskopplungaus BHKW

Abwärme an Kühltürme ca. 2,5-fach der Kühllast

Großer Vorteil: Nutzung der ohnehin vorhanden Abwärme des BHKW, elektr. Leistung <10kW

Elektr. Strom < 10kW

Wärme aus Kühllast Gebäude

Wärme-Verluste ca. 3%

Absorptions-Flüssigkeitskühler u. KWKK-Grundprinzip

Der (Hybrid-) Rückkühler

Wasser aus Aufbereitungzur adiabaten Kühlung(ca. 45Tage / Jahr erforderlich)

Abwärme an Kühltürme aus Absorber

Großer Vorteil: geringer Wasserverbrauch und elektr. Leistungsaufnahme

Elektr. Strom

Inhalte/ Agenda

6. Fazit

Absorptions-Flüssigkeitskühler für KWKK-Systeme

Kleinkälteserie WFC

• Kälteleistung: 18 bis 175 kW

• Arbeitsstoffpaar: H2O/LiBr

• Inhibitor: Molibdat

• Heizmedium: Warmwasser zw. 70 und 95°C

Eintritts-Temperatur

• Kaltwasser: 4,5 bis 18°C Austritts-Temperatur

• Kühlwasser: 24 bis 32°C Eintritts-Temperatur

• Regelbarkeit: stetig, bis min. 20% der Nennkälteleistung

Großkälteserie YIA

• Kälteleistung: 200 bis 5.000 kW

• Arbeitsstoffpaar: H2O/LiBr

• Inhibitor: Molibdat

• Heizmedium: Warm- oder Heißwasser

zw. 75 und 128°C Eintritts-Temperatur

• Kaltwasser: 4,5 bis 18°C Austritts-Temperatur

• Kühlwasser: 24 bis 35°C Eintritts-Temperatur

• Regelbarkeit: stetig, bis min. 20% der Nennkälteleistung

Absorptions-Flüssigkeitskühler für KWKK-Systeme

Inhalte/ Agenda

6. Fazit

KWKK- und BAFA Förderung

Novellierung des KWK-Gesetzes 2009 - Vergütungsgrößen

KWK-Zuschlag Maximal geförderte Betriebsjahre

Maximal geförderte Vollbenutzungsstunden-

anzahl

Brennstoffzelle(Inbetriebnahme ab dem 01.01.2009 bis 31.12.2016)

5,11ct/ kWh

10 Jahre

KWK - Anlagen bis 50 KW ( Inbetriebnahme ab 01.01.2009 bis 31.12.2016)

5,11ct/ kWh

10 Jahre

KWK- Anlagen 50 KW – 2MW(Inbetriebnahme ab dem 01.01.2009 bis 31.12.2016)

2,1ct/ kWh

6 Jahre 30.000

KWK – Anlagen größer 2 MW( Inbetriebnahme ab 01.01.2009 bis 31.12.2016)

1,5ct/ kWh

6 Jahre 30.000

Modernisierte KWK – Anlagen (Inbetriebnahme ab dem 01.01.2009 bis 31.12.2016)

gemäß den entsprechenden Bestimmungen für Neuanlagen

KWK – Anlagen, die wärmeseitig direkt mit einem Unternehmen des Verarbeitenden Gewerbes verbunden und diese überwiegend mit Prozesswärme versorgen, erhalten die Vergütung maximal 4 Betriebsjahre und bis zu 30.000 Vollbenutzungsstunden.

Klima-Kälte-Impulsprogramm BMU – Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit

Förderung von Maßnahmen an gewerblichen Kälteanlagen

• seit 24.06.2011 werden auch Sorptionskälteanlagen gefördert• durch Bonusförderung (25% der Nettoinvestitionskosten*)• ab einer Kälteleistung von 50kW• wenn Beheizung mittels Sekundärwärme erfolgt aus

a) Abwärme aus Produktion, BHKW-Anlagen b) Wärme aus Fern- oder Nahwärmenetze c) Wärme aus thermischen Solaranlagen

• gilt für Neu- und Altanlagen• Förderung umfasst Sorptionsanlage einschl. Peripherie• Antrag über das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA)

* an bestimmte Randparameter geknüpft

Klima-Kälte-Impulsprogramm – Warum?

‚Bei der gewerblichen Kältetechnik sind noch außerordentliche Einsparungen an Geld, Energie und CO2-Emissionen möglich - durch regelmäßige Wartung sowie durch Einsatz von Komponenten des neuesten Standes der Technik:

> Elektronische Expansionsventile Quelle: > Drehzahlregelung der Verdichter > Regelung des Gesamtsystems > Anlagen-Komponenten mit hoher Effizienz

Allein mit am Markt verfügbarer Technik können in Kälteanlagen in Deutschland jährlich ca. 11 Mrd. kWh (zwei fossil-thermische Kraftwerke) eingespart werden.‘

Inhalte/ Agenda

6. Fazit

Betrachtung einer KWKK-GesamtanlageWirtschaftlichkeit und CO2-Äquivalent am Beispiel eines Rechenzentrums

Unterpunkte:

• Begründung für gewähltes Beispiel

• Darstellung möglicher (Kälte-) Konzepte mit Varianten

• Gestehungskosten der Varianten

• Betriebskosten und -stunden pro Jahr

• Gesamtkosten und CO2-Äquivalent

Unterpunkte:

• Betriebskosten und –stunden pro Jahr

Warum am Beispiel eines Rechenzentrums?

• Ganzjahresbetrieb

• sehr hohe Anforderungen an Betriebssicherheit – Redundanzen

• sehr hohe Anforderung an den Amortisationszeitraum

• vergleichsweise hoher spezifischer Stromverbrauch pro Fläche (1-2 kW/m²)

• Stromverbrauch ist Indiz für ähnlich hohe Kühllasten

• ggf. sinnvolle Kombination mit Freier Kühlung möglich

‚Bilanzhülle‘

Rechenzentrum

Wie ist die wirtschaftliche & ökologische Bewertung aufgebaut ?

1. Definition eines Gebäudes in einer ‚Bilanzhülle‘

3. Darstellen der benötigten Medien

2. Definition der Versorgungsanforderungen an Strom & Kälte

4. Mögliche Konzepte mit Varianten darstellen

6. Bewertung der jeweiligen Gesamtkosten jährlich kumuliert und innerhalb von 6 Jahren

5. Bewertung der Gestehungs- u. Betriebskosten

7. Bewertung des CO2-Äquivalent inTonnen pro Jahr

Gesamtkosten• jährlich dynamisiert

• kumuliert über 10 Jahre

StromBedarf an:

• Strom

• KälteGas

Wasser

System-Lösung A1

System-Lösung A2

System-Lösung B1

System-Lösung B2

*Förderung nach KWK-Gesetz 2009 / ohne Inanspruchnahme der BAFA-Förderung

Grunddaten des Gebäudes

• Rechenzentrum mit 450 m² Nutzfläche am Standort Hannover

• Betriebszeit an 8.760 Stunden pro Jahr

• durchschnittliche elektrische Leitungsaufnahme (ohne Kälteerzeugung) 324 kW

• Spitzenlast Kühlung im Sommer 345 kW, im Winter 250 kW

• Kühlbedarf 2.609 MWh/a

• Kaltwassernetz 6/12°C zur Versorgung von Lüftungsanlage, EDV-Klimaschränke

• Notbeheizung im Winter erforderlich (Störfall)

Unterpunkte:

Konzept A: mit BHKW-Technik & Absorber (KWKK)• A1: BHKW + Absorber + Hybridkühler mit Wasseraufbereitung + Einbindung Freikühlung

• A2: BHKW + Absorber + Hybridkühler mit Wasseraufbereitung

Konzept B: mit ‚konventioneller‘ Kältetechnik• B1: Scroll-Kältemaschine +Trockenkühler + Einbindung Freikühlung

• B2: Turbo-Kältemaschine + Hybridkühler mit Wasseraufbereitung + Einbindung Freikühlung

2 Grundkonzepte – jeweils 2 Varianten

Variante A1 Rechenzentrum

2.842MWh el/a(ohne Energiezentrale)

AbsorberBHKW

Kompression

Hybrid-Rückkühler

Wärme

elektr.

StromWärme

AbwärmeVerluste &

(Redundanz)

Freikühlung

elektr.

Wasseraufb. Wasser

Variante A2 Rechenzentrum

2.842 MWh el/a(ohne Energiezentrale)

AbsorberBHKW

Kompression

Hybrid-Rückkühler

Wärme

elektr.

StromWärme

AbwärmeVerluste &

(Redundanz)

elektr.

Wasseraufb. Wasser

Variante B1+2 Rechenzentrum

2.842 MWh el/a(ohne Energiezentrale)

Scroll oder TurboHeizkessel

Redundanz

Hybrid-Rückkühler

elektr.

Wärme

AbwärmeVerluste &

Freikühlung

(Notbeheizung)

Wasseraufb. Wasser

Unterpunkte:

Gestehungskosten der Varianten

Variante A1Absorber + BHKW

+ Freikühlung

Variante B1Kompression

Scroll + Freikühlung

Variante B2Turbo +

Freikühlung

Blockheizkraftwerk 225.000 225.000 --- ---

Absorber 92.000 92.000 --- ---

Kompressionskälte --- --- 45.000 70.000

Kompressionskälte, Redun. 45.000 45.000 45.000 70.000

Hybrid-Rückkühler 95.000 95.000 --- 70.000

Trocken-Rückkühler --- --- 50.000 ---

Heizkessel Notbeheizung --- --- 20.000 20.000

Kühlwassersystem 40.000 40.000 25.000 35.000

BHKW-Peripherie 15.000 15.000 --- ---

Wasseraufbereitung 5.000 5.000 --- 5.000

Freikühleinrichtung 10.000 --- 10.000 10.000

Flächenkosten 170.000 170.000 90.000 90.000

Summe Investition 697.000 687.000 285.000 365.000

+ Freikühlung

Variante B1Kompression

Scroll + Freikühlung

Variante B2B2: Turbo + Freikühlung

Tilgungszeitraum 6 Jahre 6 Jahre 6 Jahre 6 Jahre

Zinssatz 4,7 % 4,7 % 4,7 % 4,7 %

Investitionssumme 697.000.- 687.000.- 285.000.- 365.000.-

Annuitätsfaktor 0,195 0,195 0,195 0,195

Errechnete Annuität 136.007.- 134.055.- 55.612.- 71.223.-

Kapitalkosten als Annuitäten

Unterpunkte:

Betriebskosten

der Varianten

Variante A1

Absorber +

BHKW +

Freikühlung

Variante A2

Absorber +

Variante B1

Kompression

Scroll +

Freikühlung

Variante B2

B2: Turbo +

Freikühlung

Strombezugskosten 158.- €/MWh 158.- €/MWh 158.- €/MWh 158.- €/MWh

Teuerungsrate Strom 4,0 %/a 4,0 %/a 4,0 %/a 4,0 %/a

Gasbezugskosten 53.- €/MWh 53.- €/MWh 53.- €/MWh 53.- €/MWh

Teuerungsrate Gas 4,0 %/a 4,0 %/a 4,0 %/a 4,0 %/a

Wartung & Instandhaltung 35.050.-€ 43.523.-€ 6.600.-€ 9.040.-€

Fremdbezug Strom gesamt 158.325.-€ 67.835.-€ 529.656.-€ 504.648.-€

Fremdbezug Gas 340.825.-€ 446.799.-€ 0.-€ 0.-€

Fremdbezug Wasser 3.406.-€ 3.406.-€ 0.-€ 1.698.-€

Energiekosten Fremdbezug 502.556.-€ 518.040.-€ 529.656.-€ 506.346.-€

KWK-Bonus/ Energiesteuer -111.094.-€ -145.637.-€ 0.-€ 0.-€

Energiekosten gesamt 391.462.-€ 372.403.-€ 529.656.-€ 506.346.-€

Betriebskosten gesamt

(im ersten Jahr)

426.512.-€ 415.926.-€ 536.256.-€ 515.386.-€

Betriebsstunden pro Jahr

0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000

ühlun

rber +

er + B

ikühlu

BHKW Kälteerzeuger Freikühlung

B1+2: Konventionelle Kältetechnik

Verteilung Energieanteile Strom pro Jahr

A2: Absorber + BHKW

A1: Absorber + BHKW + Freikühlung

Selbstnutzung BHKW-Strom

Einspeisung BHKW-Strom

Fremdbezug

Unterpunkte:

Kosteneinsparung nach

6 Jahren (B1-A1):

Ca. 144.000 € (!!)

Kosteneinsparung nach

6 Jahren (B2-A1):

ca. 100.000 € (!!)

Konzept A

schon ab dem

1. Jahr wirtschaftlich!

Ende KWK-Bonus >50kW

21 €/MWh

Vollständige Tilgung der Kapitalkosten im 6. Jahr

Zunehmende Wirtschaftlichkeit

ab dem 6. Jahr

Inhalte/ Agenda

6. Fazit

Fazit zu KWKK-Systemen• etablierte Technologien der Komponenten von KWKK-Systemen verfügbar

• Verbesserungspotentiale bei allen Komponenten gegeben (COP, Stromkennzahl etc.)

• voraussichtlich verbesserte KWK-Vergütungen ab 2012 möglich

• zukünftig höheres CO2-Einsparpotential durch KWKK-Systeme als konventionell

• KWKK trotz hoher Investitionskosten bei entsprechender Laufzeit wirtschaftlich sehr interessant

• BAFA Förderung positiv für Projekte mit geringerer jährlicher Betriebsdauer

• Laufzeit von Absorptionsflüssigkeitskühlern > 20 Jahren bedeutet reduzierte Kosten für Neubeschaffung gegenüber Kompressionskälteanlagen

• CO2-Äquivalent von KWK(K)-Systemen um mindestens 50% gegenüber Netzbezug reduziert und besser als Kompression

• Marktanteil von Absorptionsflüssigkeitskühlern in Deutschland <10%, damit Wachstumschancen dieses Segments

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

vorgestellt durch

Marco HenningM.Sc., Dipl.-Ing (FH)

Tel. 0201/2400-4107Mobil 0162/ 1098458Email marco.henning@jci.com

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Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (Marco Henning)

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