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Ringvorlesung

„Energie 2050 – Transformation des Energiesystems“

Leibniz Universität Hannover – 20.06.2012

„Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) – Effizienz in jeder Größenklasse“

Teil 1: die große KWK

Heizkraftwerke mit Fernwärmesystemen

Michael Kranz

Abteilung Energiewirtschaft

Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 2

Vorteile der KWK, Kennzahlen

Primärenergieeinsparung durch KWK

Besonderheit GuD-Anlagen

Typische moderne Heizkraftwerke, Beispiel GuD in Hannover

Emissionsvergleich BHKW und GuD

Integration der KWK in das neue Energiesystem mit stark

fluktuierender Einspeisung der Erneuerbaren Energien

Wärmespeicher als Stromspeicher

Agenda


Wärmeerzeugung, Stromerzeugung, Kraft-Wärme-Kopplung – Nutzungsgrade

zu

ab

q

q1

Energiezugeführte

WärmeStrom

zu

ab

q

q1

Energiezugeführte

Strom

zu

ab

q

q1

Energiezugeführte

WärmeHeizkessel

Kondensationskraftwerk

KWK

80 – 95 %

35 – 55 %

50 – 90 %


Elektr. Wirkungsgrad von BHKW in Abhängigkeit der elektr. Leistung

Quelle: ASUE

GuD 50 – 500 MW

20

25

30

35

40

45

50

55

60

0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 9.000 10.000

elektr. Leistung [kW]

elek

tr. W

irk

un

gsg

rad

[

%]


Kennzahlen zur Ermittlung der KWK-Scheibe

Höhe der Primärenergieeinsparung (PEE)

Die Höhe der Primärenergieeinsparung ist die prozentuale

Einsparung an Brennstoff durch die gekoppelte Strom- und

Wärmeerzeugung innerhalb eines KWK-Prozesses gegenüber dem

Brennstoffwärmeverbrauch in Referenzsystemen der ungekoppelten

Strom- und Wärme-Erzeugung.

Die Höhe der Primärenergieeinsparung wird gemäß der EU-KWK-

Richtlinie nach folgender Formel berechnet:

%100

EfRe

EKWK

WfRe

WKWK

11PEE

W: Wärme

E: Strom

PEE steigt mit steigendem elektrischen Wirkungsgrad der KWK-Anlage Quelle: AGFW, FW308


Primärenergieeinsparung PEE gemäß EU-Richtlinie

prinzipiell

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70%

elektr. Wirkungsgrad

PE

E [

-]

PEE: Primärenergieeinsparung

gegenüber der getrennten Strom-

und Wärmeerzeugung

GuD BHKW


Zukünftige Heizkraftwerke (und Kraftwerke?) werden aus heutiger

Sicht überwiegend als GuD-Anlage ausgeführt werden

Was zeichnet GuD-Anlagen aus?

max. Wirkungsgrade

max. Stromkennzahl

Wodurch erreichen GuD-Anlagen ihre hohen Wirkungsgrade und

Stromkennzahlen?


T/S-Diagramm und Schema eines GuD-Kraftwerks

s in kJ/kg·K

-273

0

1200

T in

°C

1

2

3

4

6 5

7 8

10

Qzu

I

II 11

Qab

Qab

Bild 1: Der kombinierte Gas-/ Dampfturbinen-Prozess im T,s-Diagramm

T = Temperatur

s = Entropie

I: Gaskreislauf

1 – 2 = Verdichter

2 – 3 = Brennkammer (Zufuhr der Wärme Qzu)

3 – 4 = Turbine

4 – 5 = Abhitzekessel

5 – 1 = Kaminverlust (Abfuhr der Wärme Qab)

II: Wasser-Dampf-Kreislauf

6 – 7 = Economizer

7 – 8 = Verdampfer

8 – 9 = Überhitzer

9 – 10 = Dampfturbine

10 – 11 = Kondensator (Abfuhr der Wärme Qab)

11 – 6 = Speisewasservorwärmung

I. Gaskreislauf II. Wasser-Dampf-Kreislauf

Kühlturm

25° C

10

11

25° C 11‘

Wasser

60° C

6 6‘

5

7

130° C

115° C

Kamin

540° C

9

Dampf

150° C

520° C

4

9

8 5‘

1

Luft

15° C

Erdgas

2

G

G

3 Rauchgas

1200 °C

9


0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

700 800 900 1.000 1.100 1.200 1.300 1.400 1.500 1.600

Obere Prozess-Temperatur [K]

Ca

rno

t-W

irk

un

gsg

rad

[

-]Carnot-Wirkungsgrad

Untere Prozess-Temperatur Tu: 298 K

Untere Prozess-Temperatur Tu: 813 K

Gasturbine

Dampf-Kraftwerk

GuD

Carnot = 1 - Tu

To


Beispiel: GuD-Heizkraftwerk Linden modernisiert


Bei Heizkraftwerken ist der Typ der Entnahmekondensations-

anlage die häufigste Ausführung.

Dieser Anlagentyp kann zur reinen (Kondensation-)

Stromerzeugung eingesetzt werden und wird bei voller

Wärmeauskopplung zur reinen KWK-Anlage mit max.

Brennstoffausnutzung von bis zu 90 %

Max. Flexibilität

- Stromerzeugung mit maximalen Wirkungsgrad

- Im KWK-Prozess max. Brennstoffausnutzung und max.

Stromkennzahl

Ideale Voraussetzungen für zukünftige Anforderungen


Strom- und Fernwärmeerzeugung in einer Entnahme-Kondensationsturbinenanlage

D = Dampferzeuger K = Abwärme-Kondensator

G = Generator HK = Heiz-Kondensator

P = Pumpe F = Frischdampfnutzung

Kond-A = Kondensations-Anteil KWK-A = KWK-Anteil

P

nutzbare

Wärme

Abwärme

HK

K

Strom

KWK-A

Kond-A

Brennstoff

F

Ab-

wärme

D

Bilanzgrenze

G

Eigenbedarf

Quelle: AGFW


1. Minimale Dampferzeugerleistung

Kondensationsbetrieb

2. Maximale Dampferzeugerleistung

Kondensationsbetrieb

3. Maximale Dampferzeugerleistung

max. Wärmeauskopplung

4. Minimale Dampferzeugerleistung,

volle Wärmeauskopplung

innerhalb des Kennfeldes ist

jeder Betriebspunkt möglich

Kennlinienfeld einer Entnahme-Kondensationsturbine vereinfachte Darstellung P/Q-Diagramm

Wärmeauskopplung [MJ/s]

Ele

ktr

ische

Le

istu

ng

[M

W]

4

1

3

2

Ko

nd

en

sa

tio

nslin

ie

x

2 3 → x Stromverlust infolge steigender Wärmeauskopplung

x Stromgewinn infolge abnehmender Wärmeauskopplung 3 2 →


Große Heizkraftwerke kommunaler Unternehmen versorgen über

große FW-Netze ihre Kunden.

Der bauliche und damit investive Aufwand für die Errichtung

eines FW-Netzes ist hoch

Durch Verdichtung werden stetig neue Kunden

angeschlossen

Damit wird der Rückgang des Wärmebedarfes durch

Wärmedämmmaßnahmen mehr als ausgeglichen

Das Netz verursacht Wärmeverluste, diese liegen im

einstelligen Prozentbereich und sind damit tolerabel

FW-Netze verfügen über einen Wärmespeicher

→ Erhöhung Flexibilität

GuD-Anlagen als EK-Anlagen passen sich jederzeit dem

Strom-/ Wärmebedarf an


320 MW

100 MW

6 MW

40 MW

15 MW

120 MW

20 MW

45 MW 25 MW

30 MW

25 MW

FW-Netz enercity mit innerstädtischen Kraftwerksstandorten

Netzlänge: etwa 300 km

30.000 Wohnungen sowie Krankenhäuser und Schwimmbäder im Stadtgebiet werden beliefert


Ø Strom- und FW-Bedarf für HannoverJahre 2006 - 2010 | Di - Fr | 0° C | Maxwerte = 100 %

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

00:0

0

01:0

0

02:0

0

03:0

0

04:0

0

05:0

0

06:0

0

07:0

0

08:0

0

09:0

0

10:0

0

11:0

0

12:0

0

13:0

0

14:0

0

15:0

0

16:0

0

17:0

0

18:0

0

19:0

0

20:0

0

21:0

0

22:0

0

23:0

0

Uhrzeit

Strom Stadtnetzbedarf

FW-Einspeisung

Ø Strom und FW-Bedarf für Hannover

Jahre 2006 – 2010 | Di-Fr | 0° C | Maxwerte = 100 %

Strom und Wärmebedarf passen im Winter gut zusammen

→ ideale Voraussetzung für KWK-Betrieb


Gedankenansatz: die GuD-Linden wird ersetzt durch BHKW

Basisansatz: 600 GWh/a Wärmeerzeugung

Wieviele BHKW werden benötigt?

Wieviel KWK-Strom wird produziert?

Auswirkungen auf Emissionen

Vergleich GuD-Heizkraftwerk mit BHKW


Notwendige Anlagen-Anzahl zur Produktion von 600 GWh/a Wärme

8.551

2.947

461

123 62 27 1

0

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

8.000

9.000

6 kW

BHKW

20 kW

BHKW

200 kW

BHKW

1.000 kW

BHKW

2.000 kW

BHKW

5.000 kW

BHKW

GuD

Daten-Basis: ASUE


KWK-Strom-Produktion bei Produktion von 600 GWh/a Wärme

257

295

453

591

623

767

675

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

6 kW

BHKW

20 kW

BHKW

200 kW

BHKW

1.000 kW

BHKW

2.000 kW

BHKW

5.000 kW

BHKW

GuD

Str

om

erze

ug

un

g [

GW

h e

l]

Daten-Basis: ASUE


Spezifische NOx- und CO-Emissionen bezogen auf KWK-Strom-Produktion

694

1.020

1.278

776

472

1.264

1.190 1.166

20

926

1.348

1.269

233

933

0

200

400

600

800

1.000

1.200

1.400

1.600

6 kW

BH

KW

20 k

W B

HK

W

200

kW B

HK

W

1.00

0 kW

BH

KW

2.00

0 kW

BH

KW

5.00

0 kW

BH

KW

GuD

[g/M

Wh

el]

NOx CO

Daten-Basis: ASUE


Wie integrieren sich KWK-Anlagen in das zukünftige

Energiesystem, dass maßgeblich durch stark steigende

Einspeisungen hochvolatiler Erneuerbarer geprägt ist?

Regelenergiebedarf wird deutlich steigen

Hier leisten KWK-Anlagen einen wertvollen Beitrag

EK-Anlagen die mit Wärmespeicher arbeiten können als

Stromspeicher eingesetzt werden


Exemplarischer Wochenverlauf Winterwoche 2020

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Fr Sa So Mo Di Mi Do

PV WEA-onshoreWEA-offshore konv. KWKBio (wärmegeführt) GeothermieWasser NachfrageGW

Residuallast

Quelle: Consentec et. al


Aus Dromedar …

Bisheriges Tagespreisgefüge:


… wird Kamel!

Kommendes Tagespreisgefüge:

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b1/Chameau_de_bactriane.JPG


Die Einsatzweise von (Heiz) Kraftwerken wird durch die

Stundenpreise an der Strombörse bestimmt

Hohe Einspeisungen der Erneuerbaren

→ niedrige Residuallast

→ Strompreise sinken

→ Anlagen reduzieren ihre Erzeugung

Niedrige Einspeisungen der Erneuerbaren

→ hohe Residuallast

→ Strompreise steigen

→ Anlagen erhöhen ihre Erzeugung


Wann ist Energie am wichtigsten? Winter, Übergangszeit?

klare kalte Winternacht … keine Solarenergie, kein Wind

Quelle der Bilder: Internet


Entstehung Regelenergiebedarf

Ausgleich Ungleichgewicht Last/Erzeugung, Frequenzstabilisierung

bisher:

Lastschwankungen hervorgerufen durch Nutzungsverhalten der Verbraucher

Erzeugungsschwankungen durch KW-Ausfälle, KW-Lastbeschränkungen

Grundsatz: die Erzeugung folgt der Last zur Systemstabilisierung

aktuell:

Erzeugungsschwankungen durch hochvolatile Einspeisungen der

erneuerbaren Energien (Wind, Solar)

Bedarf an Regelenergie deutlich gestiegen

durch weiteren Ausbau der EE nimmt Bedeutung der Regelenergie weiter zu

Ziel:

Last folgt der Erzeugung, damit mögl. Begrenzung der Regelenergie-

bereitstellung durch Kraftwerke


Bereitstellung Regelenergie durch flexibilisierte Wärmeauskopplung mit flankierenden Maßnahmen

G

Wärmespeicher Elektroheizer

(Windheizer)

bei Starkwind

Kessel

FW-Netz

lagert Wärme aus

Dampf bleibt in der Turbine

→ Stromerzeugung steigt


KWK verbindet Strom- und Wärmemarkt

Wärmemarkt

volatile EE

(Wind Sonne)

Speicher derzeit

eingeschränkt

(nur Pumpspeicher)

eher planbare EE

(Biomasse, Geothermie)

Speicher möglich

KWK-Anlage

als

Bindglied

Strommarkt

eher volatile Last weniger volatile Last


KWK und Erneuerbare integrieren sich gut in das neue Energiesystem

KWK als die Effizienztechnologie ist aus ökologischen Gesichtspunkten immerhin die „2. Wahl“, gleich nach den EE.

KWK ist sicher verfügbar und einsetzbar

Strombedarf aus sicher verfügbaren Anlagen ist (noch) grundsätzlich höher als KWK-Wärmebedarf → ideal sind hohe Stromkennzahlen

große KWK-Anlagen sind effizienter als kleine, allerdings benötigen sie große Netze

kleine und Kleinst-KWK-Anlagen sind dort sinnvoll, wo Netze nicht erschlossen werden können

durch kleine KWK-Anlagen wird sich diese Effizienztechnologie weiter verbreiten

wo immer wirtschaftlich und technisch möglich, sollte KWK zum Einsatz kommen

→ Allerdings werden wir noch viele Dekaden nicht ohne Kondensationsstromerzeugung auskommen

Fazit

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Michael Kranz

Abt. Energiewirtschaft

Stadtwerke Hannover AG // Glockseestraße 33 // 30169 Hannover

Tel (0511) 430-3372 // Fax (0511) 430-941-3372

[email protected] // www.enercity.de

Date post:	26-Oct-2019
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