Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip –Komplexe …Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip...

Kraft-Wärme-Kopplung: Einfaches Prinzip – Komplexe Umsetzung

Folie 1Oktober 2013


Vortrag im Rahmen des Kolloquiums „Regenerative Energien“

Lehrstuhl für Reaktorsicherheit und –technik am 29.10.2013 in Aachen

Dipl.-Ing. Cordt Rohde

EES Enerko Energy Solutions GmbH


Folie 2Oktober 2013

ENERKO INFORMATIK GmbH

Aachen

EEB ENERKOEnergiewirtschaftliche

Beratung GmbH

Aldenhoven und Berlin

IT-BeratungSoftwareentwicklung

Strategische PlanungEnergie- und

Umweltkonzepte

ENERKO INFORMATIK GmbH

Aachen

EEB ENERKOEnergiewirtschaftliche

Beratung GmbH

Aldenhoven und Berlin

IT-BeratungSoftwareentwicklung

Strategische PlanungEnergie- und

Umweltkonzepte

� Gegründet: 1980

� Ca. 80 Mitarbeiter

ESW ENERKOWirtschaftsberatung

GmbH

Düsseldorf

WirtschaftsprüfungRechtsberatung

ESW ENERKOWirtschaftsberatung

GmbH

Düsseldorf

WirtschaftsprüfungRechtsberatung

EES ENERKOEnergy Solutions GmbH

Aachen

EnergiebeschaffungNetznutzungs-management

EES ENERKOEnergy Solutions GmbH

Aachen

EnergiebeschaffungNetznutzungs-management

Austausch von Wissen, Kundenkontakten, ProjektpersonalIngenieure, Betriebs- und Volkswirte, Rechtsanwälte, Wirtschaftsprüfer

Austausch von Wissen, Kundenkontakten, ProjektpersonalIngenieure, Betriebs- und Volkswirte, Rechtsanwälte, Wirtschaftsprüfer


Folie 3Oktober 2013

Quelle: Dow Jones Newsletter

Quelle: Spiegel Online

Aktuelle Meldungen zu Energiethemen:

Ist die Wortwahl symptomatisch – und wer

blickt da noch durch??


Folie 4Oktober 2013

Energiebedarf, Energieverwendung und KWKPlanungsgrundlagen KWKTypische KWK-AnlagenAnwendungsbeispieleWirtschaftlichkeit KWKKWK und die Energiewende


Folie 5Oktober 2013

Rot: fossil (80 %)Grün: regenerativ (12 %)

Fossile Primärenergie:- wird weitestgehend importiert (außer Braunkohle)- entspricht Würfel von 650 m Kantenlänge Heizöl. Im Jahr!- >oder Würfel 1,5 m Kantenlänge je Einwohner


Folie 6Oktober 2013

Importabhängigkeit Deutschlands nach Energieträgern

Quelle: BGR 2009


Folie 7Oktober 2013

Bedarf mechanische Energie = „Kraft“- Zwei Drittel (600 TWh/a) Stromerzeugung incl. Bahn- >das entspricht 25 % des Endenergiebedarfs- Ein Drittel (300 TWh/a) Verkehr (Straße, Wasser, Luft)

Bedarf “Wärme“- Verschiedene Sektoren - Verschiedene Temperaturniveaus- Ca. 50 % des Endenergiebedarfs

�� Endenergiebedarf ca. 63 % vom PrimärenergieinputRest: Umwandlungsverluste!


Folie 8Oktober 2013

Grundsätzliches Einsparprinzip der KWK-Stromerzeugung

Quelle: ASUE


Folie 9Oktober 2013

Entwicklung der KWK-Stromerzeugung in D bis 2011 in TWh


Folie 10Oktober 2013

�� Abschätzung des KWK-Potenzials in D, je nach Entwicklung des Heizwärmebedarfs

Quelle: AGFW 2013

Trend: „Wärmespeicher alsStromspeicher“ ist hier schon

eingerechnet!



KWK-Stromerzeugung in Europa: Deutschland im Mittelfeld

Quelle: eurostat (etwas älter)






Technische Konzepte für KWK-Anlagen

Die Bandbreite von KWK –Anlagen reicht von:

� 1 kW Mikroanlagen für Wohnhäuser

über

� 2 MW BHKW für Krankenhäuser etc.

bis zu

� 400 MW GuD- Anlagen für die Industrie

�� Niemand kann alles planen, Spezialisierung ist sinnvoll !



Planung von KWK-Anlagen: Der Teufel steckt im Detail!

� Wärme- und Strombedarf müssen weitgehend zeitgleich vorliegen

� Temperaturniveaus des Wärmebedarfs müssen zum Erzeugungskonzept passen

� KWK Anlagen für die Heizwärmeerzeugung tragen wenig zur Sommerlastabdeckung bei � „KWK-Sommerloch“ + teurer Reststrombezug

� KWK deckt fast immer nur die Wärme-Grund- bis Mittellast, es ist praktisch immer ein Spitzen- und Reservekessel notwendig

=> Es bedarf einer genauen Auslegung, um die oft genannten Einspareffekte auch zu erzielen !



Brennstoffe für KWK- Anlagen – kaum frei wählbar

Brenngase:

� Erdgas – „Der Standardbrennstoff“, sauber unproblematisch – aber teuer!

� Bio/Klär/Grubengas – gefördert durch EEG – Technik mittlerweile erprobt

� Synthesegase (Hochofen/Kokerei/Raffineriegas) – Sonderfälle der Industrie

� Sonstige Gase: LPG (Flüssiggas) hat kaum Bedeutung, Klopfprobleme bei Motoren - Wasserstoff vor allem in Brennstoffzellen sinnvoll

Flüssige Brennstoffe:

� HEL – Gasturbinen, Dieselmotor

� Pflanzenöle/ Methylester

� Sonstige Öle (z.B. HES)

Feste Brennstoffe:

� Kohle - Dampfkraftprozess

� Holz – Dampfkraft, ORC, Vergasung

� Ersatzbrennstoffe (EBS) aus Abfällen, Müll - Dampfkraftprozess



Mögliche Fahrweisen einer KWK-Anlage:

1. Wärmegeführt – „Klassische KWK“, der Standard

2. Stromgeführt –Wirtschaftliche Optimierung/ Notstrom

3. Brennstoffgeführt – Biobrennstoffe, EEG-Anlagen

Beispiel: 2 MW el – Gasmotor-BHKW

Eta el: 0,4 Eta th: 0,45

Erdgas, Biogas5 MW Hu

Strom brutto *2 MW el

Wärme < 110 °C2,2 MW th 1.

2.

3.

* Bei ausreichender Wärmespeicherung ist eine Kombination aus 1. und 2 möglich !



Wichtig: Wirkungs- und Nutzungsgrade der KWK-Anlage:

„Verhältnis Output elektrisch bzw. thermisch zu Brennstoffeinsatz“

Wirkungsgrad =Prüfstandswert; Nutzungsgrad = Jahresmittelwert

• Eta el* = Stromerzeugung/ Brennstoffeinsatz

• Eta th = Nutzwärmerzeugung/ Brennstoffeinsatz

• Eta gesamt = Eta el + Eta th

* i.d.R. Netto-Wirkungsgrade, also nach Abzug Eigenbedarf. Ausnahmen: EEG, Primärenergieeinsparung

Ziel: Brennstoffnutzung hoch �� Eta gesamt möglichst hoch !

Wenn nicht: Keine Wirtschaftlichkeit, geringere oder keine Erdgassteuerermäßigung bzw. KWK-Zuschläge, Nicht-Erfüllen des EEWärmeG usw.



Wichtig: Stromkennzahl (SKZ) der KWK-Anlage

„Verhältnis Strom- zu Wärmeoutput“

SKZ = Nettostromerzeugung / Nutzwärmerzeugung

Ziel: Stromkennzahl möglichst hoch – „je höher die SKZ, je eher ist es KWK“

Generell: Je größer die Erzeugungseinheiten, umso höher die SKZ, weil die elektrischen Wirkungsgrade besser werden. So z.B. beträgt die SKZ bei 1 kW-BHKW ca. 0,4; bei 2 MW-BHKW ca. 1, bei 400 MW-GuD SKZ 1,5! Je niedriger das Temperaturniveau, um so besser SKZ und Eta gesamt!

Wichtig: Die SKZ kann nur zusammen mit dem Gesamtnutzungsgrad bewertet werden – im Idealfall ist beides hoch. Dann maximale Aus-nutzung des KWK-Potenzials bei maximaler Primärenergieeinsparung.



Beispiele für Stromkennzahl und Gesamtnutzungsgrad

Nutzwärme

Nettostrom

Brennstoff

Verluste

ANur

Kessel

(keine KWK)

B1 kW-BHKW

C2 MW-BHKW

D2 MW-BHKW

stromgeführt mit gezielter

Wärmeabfuhr

E400 MW-

GuD

SKZ Eta gesamt

A 0 0,9

B 0,4 0,9

C 1,0 0,85

D* „1,5“ 0,7

E 1,5 0,8

1

2

3

Wärm

ebedarf

* Das BHKW erzeugt mehr Wärme als benötigt, der Überschuss wird mit Kühlern vernichtet

Gleiche Anlage, verschiedener Betrieb



Auslegung von KWK- Anlagen:

� Grundsätzlich „vom Groben ins Feine“, Details später>

� Nicht mit vorgefasstem Konzept beginnen

� Zunächst möglichst genaue Datenerhebung „IST-Zustand“

� Genaue Kenntnis der Energiepreise und aktueller Gesetze:

� KWK-Förderungsgesetz (KWKG) 2012

� Erneuerbare Energien-Gesetz (EEG) 2012

� Energiesteuergesetz/ Stromsteuergesetz 2012

� TA-Luft, diverse BImSchVo, örtliche Umweltauflagen>

� Sinnvolle Annahmen zur zukünftigen Entwicklung treffen

�� Szenarien für Energiebedarf, Energiepreise usw. aufstellen!

Ist oft dieKönigsdisziplin!



IST-Daten: Analyse des Wärmebedarfs zuerst (vorh. System)!

� Zunächst Jahressummen Brennstoffeinsatz vorhd. Erzeuger undverteilte Wärmemengen aus Abrechnungen und ggf. eigenen Messwerten bilden – Plausibilität über Nutzungsgrade prüfen –abgleichen

� Analyse der Temperaturniveaus – kann man das/ die Niveaus senken? Dann bessere Stromkennzahlen/ einfachere Technik möglich! Kann man Dampf durch Heißwasser ersetzen? Niedertemperaturwärme nutzen?

� Idealfall: Stundenwerte/ Lastgänge liegen vor, dann sind daraus folgende Darstellungen möglich und sinnvoll:

� Ganglinien Jahr/ Monat Tag (Kältester/ heißester Tag usw.)

� Lastgebirge als 3D-Darstellung (Excel) � Gute Anschauung

� Auch Draufsicht Lastgebirge bietet gute Orientierung

� Daraus geordneten Jahresdauerlinien (JDL)



01.01.2002

04.02.2002

10.03.2002

13.04.2002

17.05.2002

20.06.2002

24.07.2002

27.08.2002

30.09.2002

03.11.2002

07.12.20020:00

6:00

12:00

18:000

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Thermische Leistung in MW

Uhrzei

t

Beispielhaftes Lastgebirge Wärmebedarf

16-18

14-16

12-14

10-12

8-10

6-8

4-6

2-4

0-2



Beispielhafte geordnete Jahresdauerlinie Wärmebedarf

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 5.000 5.500 6.000 6.500 7.000 7.500 8.000 8.500

thermische Leistung (MW)

Stundenmittelwert Wärmemax. 16,3 MWth

jährlich 42.100 MWhth

Wichtiger Kennwert:Benutzungsstunden alsQuotient Wärme/ Leistung,Hier: Ca. 2.500 Bh/a

Wenn verschiedene Temp.-Niveaus: Einzelauswertung!



Analyse des Strombedarfs analog zur Wärme:

Wichtig bei Verwendung von KWK zur Eigenstromversorgung, um deneingesparten Strombezug und den Reststrombezug zu bewerten. Fernerwichtig für Verhandlungen mit Netzbetreiber über Größenordnung dervermiedenen Netznutzung. Weniger wichtig bei EEG-Anlagen, da konstanteVergütung.

Analyse: 1/4h- Werte verwenden

Daraus gleiche Ansichten wie bei Wärme generieren: BenutzungsdauernStrom meist höher (5.000>6.000 Bh/a), als bei Wärme. Stromspitzen durchKlimakälteanlagen mittlerweile auch im Sommer möglich

Anmerkung: Begriff „Kraft“ aus KWK ist nicht automatisch gleich Strom – auch Antriebsenergiefür Pumpen, Verdichter gehört dazu. Im Folgenden aber nicht behandelt, da Sonderfall



Beispielhafter Lastgang Strombedarf

0

2

4

6

8

10

12

14

01.0

1.20

0221

.01.

2002

11.0

2.20

0204

.03.

2002

25.0

3.20

0215

.04.

2002

06.0

5.20

0226

.05.

2002

16.0

6.20

0207

.07.

2002

28.0

7.20

0218

.08.

2002

08.0

9.20

0228

.09.

2002

19.1

0.20

0209

.11.

2002

30.1

1.20

0221

.12.

2002

elektrische Leistung (MW)

max. 12,7 MWel

jährlich 66.900 MWhel



Beispielhafte geordnete Jahresdauerlinie Strombedarf

0

2

4

6

8

10

12

14

0h 500h 1000h 1500h 2000h 2500h 3000h 3500h 4000h 4500h 5000h 5500h 6000h 6500h 7000h 7500h 8000h 8500h

elektrische Leistung (MW)

max. 12,7 MWel

jährlich 66.900 MWhel

Kennwert:Benutzungsstunden hier: Ca. 5.300 Bh/a



Autowerk/ Analyse Energiebedarf Synthetisches Jahr/ Basis 2010

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001

Stunden/ Jahr (nicht chronologisch)

Bed

arf

Wärm

e u

nd

Str

om

(M

W t

h,

MW

el)

Wärmebedarf gesamt geordnet

Strombedarf zeitgleich zu Wärme gesamt

Kapazität BHKW (MW th)

Strombedarf Werk über Angebot BHKW

Strombedarf Werk unterAngebot BHKW

Strombedarf Werk über Angebot BHKW

Gleichzeitigkeit Strom/Wärme:Bedarfe divergieren�Zusatzstrombezug nötig�Rücklieferung nötig

Beispiel: Großes Fahrzeugwerk in Süddeutschland/ Energiebedarf



Klimakälte aus Wärme - Mögliche Senke für „Sommerwärme“:

KWK-Anlagen für Heizungswärme leiden unter dem „Sommerloch“: Kaum Abnahme von

Nutzwärme, prozentual sehr hohe Netzverluste

Der Bedarf für Klimakälte steigt stark an – Komfortgründe, glaslastige Architektur…

Mit Absorptionskältemaschinen (AKM) wird aus Wärme Klimakälte (Niveau z.B. 6°/ 12 °C)

erzeugt. Wärmeverhältnis (Nutzkälte/ Wärmeeinsatz) für einstufige Absorptionskältemaschinen

ca. 0,6…0,7, je nach Temperaturniveau. Ab 100 °C sinnvoller Betrieb möglich. Ab 150 °C (meist

Dampfeinsatz) auch zweistufige AKM, Wärmeverhältnis bis 1,2 möglich. Baugrößen bis einige

MW Kälte sind bewährt

Adsorptionskältemaschinen nutzen Feststoffe (Zeolithe) als Bindemittel für Wasserdampf.

Baugrößen kleiner als AKM. Leistungszahl ca. 0,6, Antriebstemperaturen bereits ab 50 °C

möglich

Gute Basisinformationenbei der ASUE verfügbar!



Vergleich Absorptions- und Kompressionskälte

KKM 1,5 MW k

COP ca. 4

Strom0,4 MW th

Abwärme Trockenkühler1,9 MW th

Kälte 1,5 MW k

Instandhaltung

AKM 1,5 MW k

COP ca. 0,65

Wärme2,3

MW th

AbwärmeNasskühlturm3,8 MW th

Kälte 1,5 MW k

Wasser, Strom, Instandhaltung

BHKW 2 MW el

KWK-Strom2,0 MW el

Erdgas5,0 MW Hu

Klimakälte aus Kompressionskälteanlage.Elektrisch betrieben. Das Standardkonzept

Klimakälte aus Absorptionskälteanlage.Blockschaltung mit BHKW. Konzept ist sehr sorgfältig zu prüfen. Unter bestimmten Bedingungen wirtschaftlich!



Beispielhafte geordnete Jahresdauerlinie Wärmebedarf und Wärmebedarf für Absorptionskälte

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0

500

1.00

01.

500

2.00

02.

500

3.00

03.

500

4.00

04.

500

5.00

05.

500

6.00

06.

500

7.00

07.

500

8.00

08.

500

thermische Leistung (MW)

Stundenmittelwert Wärme für KälteStundenmittelwert WärmeJDL nur WärmeStundenmittelwert Wärme gesamt

Beispiel:Kälte aus Wärme er-höht Sommerabsatz



Projektorganisation: Wer macht was?

Mögliche Lösungen für den Ingenieurpart (Projektleitung/ Planung/ Bauleitung):

� Kunde plant selbst, und leitet den Bau. Diese Konzept ist für Folgeanlagen sinnvoll. - Genügend Arbeitszeit für Projektabwicklung „frei schalten“!- Eigenes know-how in Technik und Projektorganisation muss vorliegen!

� Ein Generalplaner oder mehrere Fachplaner unterstützen Kunden- Analog zu „Architektenauftrag“- Sinnvolle Aufteilung für Planung z.B.: Maschinentechnik/ Bautechnik- Planer schreiben aus, vergeben, leiten den Bau und IBN

� Planung wird direkt an GU vergeben (in D eher selten)- Kontrollmechanismen etablieren!- Interessenkollision bei GU: Qualität vs. Kosten- GU mit Gesamtkompetenz sorgfältig aussuchen






Gas- und Dampfturbinen-HKW (GuD)

GT G

G

Gasturbinen-HKW

GT G

Dampfturbinen-HKW

G

Leistungsbereich:

El. Wirkungsgrad:

Abwärmenutzung:

Brennstoffe:

* Investition:

0,5...300 MWel

5...300 MWth

10...30%

Dampf, Heißwasser

Gas, Öl, Kohle, Biomasse (EEG)

3.000...1.200 €/kWel

1 MWel...100 MWel

2MWth...50 MWth

20…40%

Dampf, Heißwasser

Gas, Öl

4.000...700 €/kWel

50...500 MWel

50...250 MWth

35...50%

Dampf, Heißwasser

Gas, Öl

2.500...800 €/kWel

1kWel...50 MWel

3kWth...75 MWth

25...45%

Warmwasser

Gas, Öl, Bio-Brennst. (z.B. Rapsöl =>EEG)

4.000...700 €/kWel

Mö

gli

ch

e A

nla

gen

typ

en

* Investzahlen nur sehr überschlägig, hängt stark von Baugröße und Projektspezifika ab, aber auch von Konjunkturlage

Motor-BHKW

MG


Folie 34Oktober 2013 Folie 34

Stromerzeugung mit Erdgasmotoren/ BHKW

In der Größenklasse bis ca. 10 MW eignen sich Erdgasmotoren besonders gut

� Erprobte Produkte von vielen renommierten Herstellern � Wettbewerb am Markt!

� Motoren liefern Nutzwärme bis 110 °C � ausreichend für Absorptionskälteerzeugung und Wintereinspeisung von Fernwärmesystemen, auch Niederdruckdampf möglich

� Der Motor/ die Motoren arbeiten automatisch und haben bei hohem Wirkungsgrad einen nutzbaren Regelbereich zwischen 35>100 %

� Die Wartung erfolgt durch die Hersteller � geringer Eigenaufwand

� Es werden fertige BHKW-Module mit Wärmeauskopplung, Abgasanlage, Regelung usw. geliefert

� Module lassen sich gut zu einer Gesamtanlage zusammenfügen

� Spezifische Gesamtinvestition 1000>3000 €/kW (2000>20 kW el)Gasmotor 2000 kW/

Quelle: MWM



Quelle: Lichtblick/ VW

BHKW-DatenTyp Erdgasmotor

Elektrische Leistung 20,0 (kW el)Thermische Leistung 32,0 (kW th)Gaseinsatz 57,2 ( kW Hu) >bzw. 62,9 ( kW Ho)Gesamtnutzungsgrad 91,0 ( % )Elektrischer Wirkungsgrad 35,0 ( % )Thermischer Wirkungsgrad 56,0 ( % )

BHKW geht auch in kleinSSoder in ganz klein

Quelle: Honda/ Vaillant – 1 MW el für zuhause



BHKW für hohe Temperaturen: Industrie-Gasturbinen

- Industriegasturbinen 1,5>10 MW, Wirkungsgrad elektrisch 25>35 %

bei Abgastemperaturen bis 500 °C � ideal zur Dampferzeugung

- Gasturbinen aus Flugtriebwerken bis 50 MW el, Wirkungsgrad elektrisch über 40 %

Gasturbine 6000 kW/ Quelle: Kawasaki

Gasturbine 45000 kW/ Quelle: GE


Folie 37Oktober 2013 Seite 37

Technik Mikrogasturbine (MGT)

- Entwicklung aus Aero-Hilfsturbinen - Sehr kompakte und leichte Bauweise

durch Integration des Generators - Größte Einheit z. Zt. 200 kW el- Je Ofen 2 Einheiten parallel - El. Wirkungsgrad ca. 33 % brutto

durch internen Rekuperator- Abgas ca. 275 °C heiß- Für Dauerbetrieb konstruiert- Wartung alle 8000 h � 1 x im Jahr- Hersteller z.B. Capstone (USA)

Neuentwicklung: Mikrogasturbine liefert direkt Heißluft 300 °CSgut für Trockenprozesse, aber auch Schwimmbäder



KWK in ganz großWärmeauskopplung aus Kohlekraftwerken. Z.B. 100 MW th für Aachen aus Weisweiler (auch die RWTH wird versorgt). Vermeidung lokaler Emissionen.

Oder Stadt Mannheim: Quasi zu 100 % aus Kohle wärmeversorgt!

Quelle: Eon






Beispiel 1

Auslegung eines 4 MW-BHKW Fernwärmenetz Stadtwerke xy

• Grundlage: Bereits dargestellte Auswertung Wärmebedarf

• Anlagentyp: 2 Module Gasmotor-BHKW mit ca. 2 MW el/ 2,3 MWth

• Stromkennzahl nahe „Eins“ � sehr gute Ausnutzung KWK-Potenzial!

• Modulauswahl: Eher große statt viele Module � Invest, Nutzungsgrade besser

• …grundsätzlich wäre auch ein 4 MW-Modul denkbar!

• Ziel i.d.R. zumindest 5.000, besser aber über 6.000 Volllaststunden

• Anteil KWK – Wärme steigt mit der Speichergröße, auch Möglichkeiten bei der Stromvermarktung

• Wärmespeicher zur Minimierung Startzahl/ Abdeckung kurzzeitiger Spitzenlast

• Restwärme aus vorhandenen Kesseln für Spitzenlast und Reserve

• Das BHKW ist nicht zu groß ausgelegt, denn Wärmebedarf nimmt i.d.R. über die Jahre ab (z.B. Wärmedämmung) – Prinzip der Vorsicht angewendet



Lastgang mit KWK-Anteil der Wärmeerzeugung

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

01.0

1.02

16.0

1.02

31.0

1.02

15.0

2.02

02.0

3.02

17.0

3.02

01.0

4.02

16.0

4.02

01.0

5.02

16.0

5.02

31.0

5.02

15.0

6.02

30.0

6.02

15.0

7.02

30.0

7.02

14.0

8.02

29.0

8.02

13.0

9.02

28.0

9.02

13.1

0.02

28.1

0.02

12.1

1.02

27.1

1.02

12.1

2.02

27.1

2.02

Stundenmittelwert thermische Leistung

(MW)

Kessel-Wärme 13.000 MWh/a

BHKW-Wärme 29.000 MWh/a

Hier Wärmespeichereinsatz dargestellt. Ohne Speicher würde das BHKW bei Teillast unter ca. 1 MW th abschalten



Jahresdauerlinie mit KWK-Anteil der Wärmeerzeugung

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500

Stundenmittelwert thermische Leistung

(MW)

Kessel-Wärme 13.000 MWh/a

BHKW-Wärme 29.000 MWh/a

Hier Wärmespeichereinsatz dargestellt.Für zwei Module je 2 MW el/ 2,4 MW th ca. 100 m³ Netto- bzw. 120 m³ Bruttovolumengewählt (delta T BHKW = 40 °C �� ca. 4 GWh)

Faustregel Speicher:

Zumindest 1 Stunde Volllastbetrieb für ein Modul ohne Wärmeabsatz ermöglichen, besser mehr!

Es werden durch 2 BHKW-Module erreicht:- Deckung von 70 % des Wärmebedarfs- Deckung von 30 % des Leistungsbedarfs- Ausnutzung ca. 6.000 Volllaststunden

Kurzzeitspitzen

Schwachlast



Beispiel für BHKW-Betrieb mit Speicher

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

24.7 25.7 26.7 27.7 28.7 29.7 30.7 31.7

Wärmeleistung (MW)

-8,0

-6,0

-4,0

-2,0

0,0

2,0

4,0

Speicherinhalt (MWh)

Wärmeeinspeisung BHKW direkt Erzeugung KesselBHKW-Wärme in Speicher Wärmeeinspeisung aus dem SpeicherWärmebedarf BHKW-ErzeugungSpeicherfüllstand



Technische Randbedingungen

Berücksichtigung begrenzender technischer Faktoren auf KWK-Anlagen, z.B.

• Auslegung Wärmenetze: Druck, Menge, Rücklauf-, Vorlauftemperatur, Wasserqualität….

• Vorsicht 1: Bei RLT > ca. 75 °C BHKW-Einsatz schwierig bzw. Notkühler nötig!

• Vorsicht 2: Bei Absorptionskältemaschinen hat RLT i.d.R. über 75 °C!

• Verfügbarer Gasdruck (speziell bei Gasturbinen), Gasmenge

• Brennstoffanalyse: Qualitätsschwankungen (z.B. Propanzumischung im Winter, Biogasqualitäten usw.)

• Werkstoffanforderungen, z.B. für Abgasanlage prüfen

• Schallanforderungen – haben großen Einfluss auf Aufstellung, Kosten und Art vieler Einzelkomponenten. Im Zweifel Gutachter einschalten!



Wärme-Speicher

~ 2 hVolllast~ 85 m³Netto

~ 100 m³Brutto

Ladezustand

SteuerungBHKWAn/Aus

La

de

n

NW-P< 70°C

< 110°C

Abgas~ 120°C

BHKW-P

En

tlad

en

Spitzen-kessel

AG-WT

2MWel

Strom

Kühlwasser

Motor

Ölkühlung

Generator

Luft

Mischer

Gas

BLOCKTRAFO

Synchronisation

Tischkühler~ 40°C~ 200 KW

GMK1

GMK2

94°C

74°C

(6 KV)

Nu

tzw

ärm

e

2 M

W th

Sinnvolle SchnittstelleModul/ Gesamtanlage

0,4 KV 20 KV

Turbolader Wärme-Speicher

~ 2 hVolllast~ 85 m³Netto

~ 100 m³Brutto

Ladezustand

SteuerungBHKWAn/Aus

La

de

n

NW-P< 70°C

< 110°C

Abgas~ 120°C

BHKW-P

En

tlad

en

Spitzen-kessel

AG-WT

2MWel

Strom

Kühlwasser

Motor

Ölkühlung

Generator

Luft

Mischer

Gas

BLOCKTRAFO

Synchronisation

Tischkühler~ 40°C~ 200 KW

GMK1

GMK2

94°C

74°C

(6 KV)

Nu

tzw

ärm

e

2 M

W th

Sinnvolle SchnittstelleModul/ Gesamtanlage

0,4 KV 20 KV

Turbolader

„Standardanlage“Gasmotor-BHKW



Technische Randbedingungen Stromnetz/ Steuerung

• Spannungsniveau Generator NS oder MS 6…20 kV � Blocktrafo?• Räumliche Lage von vorhandenen Schaltanlagen und Netzen• Erhöhung der Kurzschlussstromes! � KS-Berechnung meist nötig � bei

Überschreitung ggf. Is-Begrenzer sinnvoll• Schaltbedingte Spannungsänderungen prüfen!• Ggf. Inselbetrieb/ Ersatzstromversorgung sinnvoll/ nötig?• Anschluss Stromnetz mit Vorversorger prüfen. Ab 2013 „Dynamische

Netzunterstützung“ gefordert – ggf. größere Generatoren?• Verwendung von (ggf. vorhandenen) USV-Anlagen für Steuerung• Kommunikation BHKW mit vorhandenen Steuerungen/ Leitsystem



BHKW-Anbindung an die bauseitige elektrotechnische Anlage

10 kV

LTS LTS UMZ LSSchutz

Ringanbindungan das 10 kV 400 VMS-Netz

BHKW-USV Modul LTS =

NSHV 60 VDC Lasttrennschalter

LS =Leistungsschalter

bauseitige Anlagenbereiche

zentrale

Leittechnik Schutz Hilfs- Mod. LV-Umfang

Syn. antr. Steu.

Eigenbedarf BHKW

Heizwerk Auto- Anbindung an HW SPS und an die übergeordnete Leittechnik

matisierung

Zählung 1

Zählung 2

G

M

BHKW-Steuerung

Beispiel 2 MW BHKW:

10 kV-Generator erspart Blocktrafo



BestehendesHeizwerk

Kamine

Wärmespeicher2 x 50m³

Abgaswärmetauscher

BHKW – Modul2.000 kW

11 m

4,7

mBeispiel Anbau 2 MW BHKW:

Grundriss



Beispiel Anbau 2 MW BHKW an vorh. Heizwerk

Wärmespeicher 2 x 50 m³, Abgaszug an vorhd.Schornstein angebunden



Input Wirtschaftlichkeit: Investitionsbedarf für 2 MW BHKW,

Beispiel Integration BHKW in vorhandenes Heizwerk

• BHKW incl. Wärmeauskopplung 900 T€

• Bauleistungen 250 T€

• Elektrotechnik, Mess- und Regeltechnik 150 T€

• Gasanbindung, Wärmeseitige Anbindung 150 T€

• Wärmespeicher 100 T€

• Schornstein 50 T€

• Stundenlohn Montage 50 T€

• Sonstiges incl. Planung + Reserve 150 T€

Gesamt Σ 1.800 T€

(Stand 2008, in 2006 kam man noch mit ca. 1.400 T€ aus, es gab eine

Preissteigerung von ca. 30 % im Anlagenbau. Niveau 2012 eher wie 2008.



Beispiel 2:

Planung Mikrogasturbine 400 kW für

eine Kartonagenfabrik

Hier handelt es sich um eine Pilotanwendung. Mikrogasturbinen sinderst seit einigen Jahren serienreif, somit gibt es noch nicht vielBetriebserfahrungen. Die gezeigte Anlage wird zurzeit erprobt, um bei(wirtschaftlichem) Erfolg ähnliche Fabriken mit KWK-Anlagenauszurüsten. Vorteil der industriellen Anwendung sind die hohenBenutzungsdauern aufgrund durchgehender Fertigung.



Einbindung Mikrogasturbine (MGT) : Grob-Schema für 2 x 200 kW el je Ofen

Grün: Neue Teilanlagen

Abluft

55 °C

19.000 kg/h

KWK-Strom

380 kW el

Mikro-

Gasturbine

2 Module

Abgas

11.000 kg/h

275 °C

Misch-Kammer

mit Stand-By-Brenner

Trockenofenfür 450 kg/h Produkt

Frischluft, kalt

10 °C

11.000 kg/h

Umluft

100 °C

41.000 kg/h

Zuluft

165 °C

52.000 kg/h

WT Wasser

300 kW th

Betriebswasser

Ca. 60 °C, auch als Ersatz für HEL-Kessel

Erdgas

1600 kW Hu

Zusatz-brenner

1200 kW

400 kW

WT Luft

Ca. 150 kW th

Zusatzluft

auf Ofenein/ ausgang

Wärme-

Rückgewinnung

Verfahrenstechnische Einbindung in Trockenprozess. Wichtig: Fertigung soll zur Risikominimierung auch ohne Turbine laufen können!



Aufstellungskonzept: Außenaufstellung – geringe Baukosten

MGT

Ofen 1

Ofen 2NSHV

Einbindepunkt

Strom

Erdgas

Heißluft

Einbindepunkt

Strom

Erdgas

Heißluft

Bre

nn

errä

um

e

Konkrete Planung: Aufstellung, Einbindung, Bedienung, SchallschutzS






� Stromeigennutzung oder Einspeisung oder Mischform?

� „Sprungfunktionen“ (z.B. Förderdauer bei 50 kWel oder Wegfall Stromsteuer bei 2000 kWel )

� Wer investiert – Nutzer oder Contractor ?

� Relevante gesetzliche Randbedingungen

� EEG

� EEWärmeG

� KWKG

� EnEV

� StromStG

� Emissionshandel

� BImSchG usw., usw>

� Investitionshöhe

� Energiepreise: Differenz zwischen Strom- und Brennstoffpreis entscheidend!

Randbedingungen für Wirtschaftlichkeit KWK: Sehr, sehr viele!


Folie 56Oktober 2013 Folie 56



Investermittlung

� Immer vom Groben ins Feine – top down statt bottom up!

� Immer mehrere Quellen verwenden, Einzelergebnisse vergleichen und bewerten

� Genau den zu schätzenden Anlagenumfang festlegen, nicht Äpfel mit Birnen vergleichen („war der Bau eigentlich in den Kosten drin….?“)

� Gute Quellen: Anlagenbauunternehmen oder Planungsbüros mit Referenzen� ähnlicher Anlagen (gleiches Konzept, ähnliche Größe)

� Sehr viel Vorsicht bei Internetangaben, höchstens zum Vergleich heranziehen. Grund: Zahlen oft bewusst verzerrt und ggf. unvollständig oder überfrachtet, je nach Intention des Autors. Im Zweifel nachtelefonieren!

� Preise von Teilanlagen kann man nach der Formel P = P ref * (Dim/ Dim ref)0,7

� skalieren (P=Preis, Dim=Leistung, ref= Referenzobjekt). Wichtig: Gleiche Bauart, Leistungsverhältnis nicht höher als 3…5 (bzw. Kehrwerte)



Erfahrungswerte aus der

Baupraxis. Eine

„Sättigung“ Invest tritt bei

ca. 750 €/kW ein



Schritte der Wirtschaftlichkeitsrechnung (WIR)

TechnischeAnlage

WiR Statisch für ein Jahr

WiR Dynamisch für z. B.

AbschreibungszeitLebensdauer

Bepreisung

KostenströmeErlöse

Gewinn/Verluste

Änderungen von Parametern

Input Output

EnergienMengenströme

Betriebs-weise

FinanzierungBetrieb

Instandhaltung

Grenzkosteno. Vollkosten?



Unterscheidung Grenzkosten-, Vollkostenbetrachtung

� Grenzkosten/Erlöse: Nur variable Posten bewerten!

für Optimierung bereits laufende Anlagen:

� Betreiben / Betrieb ändern /Stilllegen?

� Welches Produkt / Welche Mengen erzeugen?

� Welche Brennstoffe / Welche Mengen einsetzen?

� Energie zukaufen / selbst erzeugen?

� Vollkosten/Erlöse: Alle Posten (fix und variabel) bewerten!

Für Neuplanung, Wertermittlung, Verkauf / Kauf



Beispiel Vollkostenbetrachtung Neuinvestition:

Zubau 2 MW-BHKW an Heizwerk/ Stand 2008 (Ergebnisgrafik)

200 200

1.800

900

290

1.490

1640

360

850

120

270

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

reine Wärmeerzeugung

Anteil reiner Wärmeerzeugung

Anteil Kosten für KWK

Anteil Einnahmen durch KWK

Gewinn durch KWK

Jä

hrl

ich

e K

oste

n/E

rlö

se (

T€

/a)

KWK-Zuschlag

vermiedeneneNetznutzung

Stromerlös Arbeit

Gewinn durch KWK

RestkostenWärmeerzeungung

Gaseinsatz BHKWohne EnSteuer

Fixkosten BHKWincl.Zins/ Inst

Gaseinsatz Kesselmit EnSteuer

Fixkosten Kessel

Nur Kesselanlage Zubau 2 MW-BHKW zu Kesselanlage

Nur 6 Jahre!

1530

470

180



Dynamische Betrachtung – Beispiel 2 MW BHKW: Grafik Zeitreihen

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023

Jä

hrl

ich

e Ü

be

rsc

hü

ss

e/

Ku

mu

lie

rte

r B

arw

ert

(T

€/a

, T

€)

Erlöse ./. Kosten

Erlöse ./. Kosten, abgezinst

Kumulierter Barwert Projekt

KWK-Zulage Finanzierung

Betriebszeit BHKW

Diagramm gilt für Daten aus Statischer WiR, als Finanzierung angenommen: 10 Jahre/ 6 % Zins bezogen auf 1.800 T€ Investition

Generalüberholung






Welche Rolle spielt KWK bei der Energiewende?

� Erneuerbare und KWK leisten das Gleiche: Einsparung von Primärenergie

� Gesetzlich sind daher beide Wege gleich privilegiert – das ist konsequent

� Mischformen auf der Brennstoffseite sind möglich, z.B. Biomethan-BHKW

� Im Sommer kann KWK + Wärmespeicher positive Regelenergie liefern

� Im Winter kann KWK negative Regelenergie liefern (einfache Abschaltung)

� Wärmespeicher mit E-Heizung nutzen EEG-Stromüberschuss verlustfrei

� Verdoppelung KWK-Strom in 10…20 Jahren möglich – das Potenzial ist da

� weitere 115 TWh el /a bzw. 150 TWh Primärenergieeinsparung durch KWK

KWK bleibt in jedem Energieszenario ein wichtiger Baustein!



Was erfordert/ bietet/ leistet KWK noch?

� Ohne Förderung und gesetzliche Vergünstigungen wäre KWK nicht wirtschaftlich.

Die Energiemärkte sind zu volatil, um langfristige Investitionen zu planen � KWK-

Förderung eher stärken als abbauen!

� KWK ist eine komplexe Technologie, die stark von einheimischen Unternehmen

getragen und weiterentwickelt wird � know-how-Gewinn!

� Entwicklung und Planung von KWK-Anlagen erfordern ein breit angelegtes

Ingenieurwissen, das durch betriebswirtschaftliche und juristische Kenntnisse gestützt

flankiert werden muss � Interessante und zukunftssichere Arbeit!

Also: KWK braucht die Absolventen der RWTH!!!



Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !

Dipl.-Ing. Cordt Rohde

[email protected] - 99001915

EES Enerko Energy SolutionsMostardstrasse 152062 Aachen

Date post:	16-Aug-2020
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