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Die übertriebene Story von der einzigartigen KWK
( und manchmal enthalten Märchen ja auch ein Stück Wahrheit )
KWK = Strom („Kraft“) - Wärmekopplung
Kraftwärmekopplung
Hoffnungsträger oder Subventionsloch
Dr. Gerhard Luther
Universität des Saarlandes, FSt. Zukunftsenergie
c/o Technische Physik – Bau E26
D-66041 Saarbrücken
EU - Germany
Tel.: (49) 0681/ 302-2737; Fax /302-4676
e-mail: Luther.Gerhard@vdi.de
luther.gerhard@mx.uni-saarland.de
Homepage: http://www.uni-saarland.de/fak7/fze
AKE2008H_08
• 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
KWK mit neuem Schwung
Heute investieren - morgen gewinnen
Quelle: http://www.bkwk.de/aktuelles/veranstaltungen/Jahreskongress_2008_Programm.pdf
u.a. auch Vorträge mit großer Perspektive:
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
1. Strom und Heizwärme- Erzeuger
(gekoppelt und getrennt)
UrBildQuelle: http://www.bhkw-infozentrum.de/erlaeuter/kwkprinzip.html
Prinzip: Block-Heizkraftwerk (BHKW)
Wärmeabgabe an Kühlwasser und Abgas erfolgt auf hohem Temperaturniveau. Das ist
schlecht für den Wirkungsgrad. Aber man kann die Abwärme noch direkt weiter verwerten
el = 34 %
gesamt = 90 %
1.1
Einfacher Dampfkraftwerksprozess
H.D. Baehr, S. Kabelac: Thermodynamik, Grundlagen und techn. Anwendungen, Springer, 2006
Idealisierter Vergleichsprozess (Clausius- Rankine)
Schraffierter Bereich: gewinnbare Nutzarbeit
Also:
Wärmeauskopplung bei T > Tu vermindert die Nutzarbeit
1.2 Dampfkraftwerk
Quelle:John R. Tyldsley: “An Introduction to Applied Thermodynamics and Energy Conversion“, Longman,London1977, ISBN=0-582-44066-1,
Gasturbinen- Prozess
ca. 650 °C
1.3
GUD –Kraftwerk:: Gas- Dampf- Kraftprozeß
BildQuelle: E. Hahne: „Technische Thermodynamik“, 3.A.,Oldenbourg Verlag München 2000, ISBN=3-486-25397-2, Bild 8.10, p.386
ca. 650 °C
1.4
Quelle: http://www.kraftwerk-irsching.com/pages/ekw_de/Neubau/Bauvorhaben/index.htm
Beispiel: GUD - Irsching
Moderne GUD werden el = 60% erreichen
Wie gut sind moderne Feuerungsanlagen ?
1.5
Erdgas- Brennwertkessel
Quelle: Stadtwerke Karlsruhe: Kundenbroschüre „Erdgas Brennwert Heizkessel“ , ergänzt SpQ:SW_Karlsruhe_BrennwertKessel.pdf
NT Bw
Ich rechne meist
nur mit
105 %
aktueller Stand der Technik
Brennwerttechnik
bereits veraltet
uralter Verschwender
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).
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
Direkte Messung der Abgasverluste über einen Zeitraum t0:
1. Messung des anfallenden Kondensatwassers W in [ Liter]
2. Ablesung des Gasverbrauches VG in [mn
3]
3. Berechnung von
WD0 = maximaler theoretischer Kondensatanfall
WD0 = VG *xV0 mit xV0 = 1,6 [ Liter H2O /mn
3 ] 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:
Faustformel: qA = (1 – w) * 13,5%
w = (W / VG ) / 1,6
Quelle: G. Luther: DE 10 2004 058 520 B3; „Messverfahren zur Bestimmung des Abgasverlustes von Feuerungsanlagen mit Abgaskondensation“
Abgasverlust: bezogen auf vollständige Kondensation, im Maß von Hu
Gemessen Abgasverluste meiner eigenen Brenwertanlage
im Winter 2005/06
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 Abgaskondensa
KWK - Promotion
2
BQuelle: http://www.dbresearch.de/PROD/DBR_INTERNET_DE-PROD/PROD0000000000221415.PDF
Speicher:DB-Research2008_KWK-Eckpfeiler-des-IEKP_16p.pdf
Strom- Wärmekopplung
in der EU
Sollte man
den KWK –Anteil in BRD
nicht erhöhen ?
In DK sind es ja mehr als 50% !
BRD: 12%
DK: 52%
Quelle: ASUE: Grafiken Blockheizkraftwerke: 10.11.2005: Kraft-Wärmekopplung ; http://www.asue.de/images/images_neu/grafik_309_f.jpg
Was hat man verglichen:
• Ein modernes Erdgas - BHKW
in idealer
wärmegeführter Betriebsweise
mit einem
• uralten Kohlekraftwerk (KoKW)
(eta=34% [im Bildtext ]
und
einem alten Heizölkessel
[34%]
Werbebild der Gaswirtschaft:
Ergebnis durch das BHKW:
37% PE-Einsparung
59% CO2 Einsparung
Werbebild des B.KWK:
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
a
el = 34,5% (= 38 / 110)
th = 89 % (= 50 /56)
el = 38 %
gesamt = 88 %
B.KWK = Bundesverband Kraft Wärme Kopplung
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.pdf Lokal: BMU2008-IZES_miniKWK-Leitfaden_44p.pdf
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 ; p.8
http://www.bmu.de/files/pdfs/allgemein/application/pdf/leitfaden_mini_kwk.pdf Lokal: BMU2008-IZES_miniKWK-Leitfaden_44p.pdf
Schlussfolgerung in der BMU – Broschüre:
KWK ist eine der wirksamsten Maßnahmen
zur Einsparung von Primärenergie und
zur 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
Korrekte Vergleiche ??
Gleicher Primärenergieträger
Modern Technik auf beiden Seiten
GUD + Brennwerttechnik
Alternative: Wärmepumpe
3
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 )
Man sollte aber nicht Äpfel mit Birnen vergleichen, denn:
Auch naheliegende technische Alternativen in Vergleich einbeziehen:
• Brennwert- Mini - BHKW (dezentral)
• Wärmepumpe mit Niedertemperatur - Heizflächen
Zitat aus EU Richtlinie 2004/8/EG
Anhang 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. …
eigentlich trivial
Quelle: http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2004:052:0050:0060:DE:PDF
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
10% doch eher
etwas
mickrig ?
hier steht noch was ganz Wichtiges
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;
Quelle: http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2004:052:0050:0060:DE:PDF
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
Auslese aus der
Richtlinie 2007/74/EG für Erdgas
http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2007:032:0183:0188:DE:PDF
getrennte Erzeugung von Wärme
Harmonisierte Wirkungsgrad-Referenzwerte für die
getrennte Erzeugung von Strom
Tatsächliche
Marktwerte
„reale Betriebsdaten “
GUD
Brennwert-
Kessel
60 %
105%
Auslegung
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
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
tatsächlich:
ca. 0 bis
-5%
RICHTLINIE 2004/8/EG DES 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
Ergebnisse wissenschaftlich korrekter Vergleiche
( entsprechen auch den Grundsätzen (!) der EU –Richtlinie)
4
Korrekt, aber noch nicht optimal:
Primärenergie
Erdgas
100 %
(1.000 kWh)
Abwärme 10 %
(100 kWh)
Strom 32 %
(320 kWh)
200 kg CO2
BHKW
Wärme 58 %
(580 kWh)
Strom 58 %
(320 kWh)
Wärme 90 %
(580 kWh)
Primärenergie
Erdgas 100 %
(552 kWh)
Primärenergie
Erdgas 100 %
(644 kWh)
GuD-Kraftwerk
Abwärme 10 %
(64 kWh)
Erdgas-
heizwerk
Abwärme
42 % (232 kWh)
110 kg CO2
129 kg CO2
Kraft-Wärme-Kopplung getrennte Erzeugung
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) ]
Bezug auf modernes Erdgas –GUD + Heizwerk
Quelle: V. Quaschning : “Erneuerbare Energien und Klimaschutz“, Abb. 4.4. Hanser Verlag (2008) ,ISBN=978-3-446-41444-0
Korrekt, optimal und sogar wirklichkeitsnah:
Primärenergie
Erdgas
100 %
(1.000 kWh)
Abwärme 10 %
(100 kWh)
Strom 32 %
(320 kWh)
200 kg CO2
BHKW
Wärme 58 %
(580 kWh)
Strom 58 %
(320 kWh)
Wärme 90 %
(580 kWh)
Primärenergie
Erdgas 100 %
(552 kWh)
Primärenergie
Erdgas 100 %
(644 kWh)
GuD-Kraftwerk
Abwärme 10 %
(64 kWh)
Erdgas-
heizwerk
Abwärme
42 % (232 kWh)
110 kg CO2
129 kg CO2
Kraft-Wärme-Kopplung getrennte Erzeugung
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) ]
Bezug auf Erdgas GUD + Brenwertkessel
Brenn
wert -
Kessel incl. Abgas-
kondensation
th =105% Hu
Erdgas ohne
Kondensation
95%
( 551 kWh)
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.:
Demnächst: Dezentrales Brennwert Mini - BHKW, allseits optimal:
Quelle: ich habe im Urbild der vorherigen Folie überall die Werte der Brennwertnutzung eingesetzt.
Primärenergie
Erdgas
100 %
(1.000 kWh)
Abwärme 10 %
(100 kWh)
Strom 32 %
(320 kWh)
200 kg CO2
BHKW
Wärme 58 %
(580 kWh)
Strom 58 %
(320 kWh)
Wärme 90 %
(580 kWh)
Primärenergie
Erdgas 100 %
(552 kWh)
Primärenergie
Erdgas 100 %
(644 kWh)
GuD-Kraftwerk
Abwärme 10 %
(64 kWh)
Erdgas-
heizwerk
Abwärme
42 % (232 kWh)
110 kg CO2
129 kg CO2
Kraft-Wärme-Kopplung getrennte Erzeugung
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) ]
Bezug auf Erdgas GUD + Brenwertkessel
Brenn
wert -
Kessel
incl. Abgas-
kondensation
( dezentral )
gesamt = 105% HU
139
Wärme
730 kWh
incl. Abgas-
kondensation
th =105% Hu
Wärme
730 kWh
Erdgas ohne
Kondensation
95%
( 694 kWh)
Primärenergie
Erdgas
100 %
(1.000 kWh)
Abwärme 10 %
(100 kWh)
Strom 32 %
(320 kWh)
200 kg CO2
BHKW
Wärme 58 %
(580 kWh)
Strom 58 %
(320 kWh)
Wärme 90 %
(580 kWh)
Primärenergie
Erdgas 100 %
(552 kWh)
Primärenergie
Erdgas 100 %
(644 kWh)
GuD-Kraftwerk
Abwärme 10 %
(64 kWh)
Erdgas-
heizwerk
Abwärme
42 % (232 kWh)
110 kg CO2
129 kg CO2
Kraft-Wärme-Kopplung getrennte Erzeugung
Demnächst: Dezentrales Brennwert Mini - BHKW, allseits optimal:
Ergebnis durch das Brennwert-BHKW (bzgl. GUD + Wärmepumpe
- 15.5 % , PE- Mehrverbrauch ! [ = (1 – 1000/ (552 + 315)) ]
- 15.5 % , CO2 Mehremission ! [ = (1 - 200/(110 +63 ) ]
Bezug auf Erdgas GUD + Wärmepumpe
incl. Abgas-
kondensation
( dezentral )
gesamt = 105% HU
Wärme
730 kWh
Wärme
730 kWh
Wärmepumpe = 4
183
132
315
63
KWK mit Brennwertnutzung
1. Bei dezentraler Mikro –KWK, gibt es
kein grundsätzliches Problem, sofern
• die Wärme lokal , im gleichen Gebäude,
genutzt wird.
• die Verbrennung im Motor bei
nicht zu hohem Luftüberschuss erfolgt .
Also z.B. problemlos bei einem Otto-Motor mit Katalysator und  =1 Regelung.
2. Aber sehr problematisch bei Wärmenetzen
5
2. Hindernisse für effektive Brennwertnutzung bei
zentraler KWK mit Wärmenetz.
• Temperaturspreizung T am Wärmeübertrager erforderlich
• 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
6
Brenstoffmehrverbrauch bei getrennter Erzeugung
Für die Gesamt- Nutzenergie einer KWK – Anlage gilt:
gesamt
KWK * Q0
KWK = ( el
KWK + th
KWK ) *Q0
KWK (1)
mit Q0
KWK = Primärenergieeinsatz (PE) in der KWK-Anlage
Betrachte eine detaillierte Gleichheit der Nutzenergien bei der getrennten
Erzeugung:
für GUD- Strom: GUD QGUD = el
KWK * Q0
KWK (2a)
für Kessel -Nutzwärme : K QK = th
KWK * Q0
KWK (2b)
Q0 = gesamte Primärenergie (PE) der getrennten Erzeugung:
Q0 = QGUD + QK (3)
Faktor für den PE- Aufwand bei der getrennten Erzeugung:
f = Q0/ Q0
KWK = ( el
KWK / GUD + th
KWK / K ) (4)
Bezeichnungen:
th
KWK = 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)
el
KWK = 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)
gesamt
KWK = th
KWK + el
KWK = Gesamt-Nutzungsgrad der KWK
Q0
KWK = 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/ Q0
KWK = Faktor für den Primärenergie - Mehrverbrauch durch
getrennte Erzeugung von Strom und Wärme.
Bemerkung:
Die Gl.(4) für f entspricht der Formel im Anhang III der
EU - Richtlinie 2004/74/EG:
denn: PEE = PE–Einsparung durch KWK = (Q0 - Q0
KWK ) / Q0 = ( 1 – 1/ f )
.
PEE Primärenergieeinsparung
KWK Wη Wärmewirkungsgrad-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 Wη Wirkungsgrad-Referenzwert für die getrennte Wärmeerzeugung.
KWK Eη 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. Wenn ein KWK-Block mechanische Energie erzeugt, ………
Ref Eη Wirkungsgrad-Referenzwert für die getrennte Stromerzeugung
Gl.(4) wird anschaulicher, wenn wir die KWK beschreiben mit:
gesamt
KWK = Gesamtnutzungsfaktor der KWK, und
el
KWK = elektrischer Wirkungsgrad der KWK
Aus Gl.(1) : th
KWK = [ gesamt
KWK - el
KWK ] (1a)
Gl.(4): f = ( el
KWK / GUD + [ th
KWK ] / K )
Mit (1a) : f = ( el
KWK / GUD + [ gesamt
KWK - el
KWK ] / K )
Ordnen : f = gesamt
KWK / K + el
KWK * { 1/ GUD – 1 / K )
also:
Der PE- Faktor f = Q0/ Q0
KWK für den PE- Aufwand:
f = gesamt
KWK /K + el
KWK * { 1/ GUD - 1/ K } (4a)
ist eine lineare Funktion von el
KWK .
Der PE- Faktor f = Q0/ Q0
KWK für den PE- Aufwand:
f = gesamt
KWK /K + el
KWK * { 1/ GUD - 1/ K } (4a)
[ meist =< 1 ] { > 0 }
PE - Mehraufwand bei getrennter Erzeugung
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
KWK_eta_el
PE
-
Faktor
f
f bei KWK_eta_th=1,05)
f bei KWK_eta_th=0,90)
f bei KWK_eta_th=0,85)
Referenz: GUD = 60% für GUD –Kraftwerk
K = 105% (Hu) für Brennwertkessel
1.05 = gesamt
KWK
0.90 =
0.85 = gesamt
KWK
el
KWK
PE - Mehraufwand bei getrennter Erzeugung
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
KWK_eta_el
PE
-
Faktor
f
f bei KWK_eta_th=1,05)
f bei KWK_eta_th=0,90)
f bei KWK_eta_th=0,85)
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
7
Vollständiger Brennstoffvergleich
Für die Gesamt- Nutzenergie eines Versorgers ( freie KWK, Spitzenkessel) gilt:
gesamt
V * Q0
V = ( el
V + th
V ) *Q0
V (1)
mit: Q0
V = Gesamter PE des Versorgers (KWK, SpitzenKessel +SpitzenStrom)
Betrachte eine detaillierte Gleichheit der Nutzenergien bei der getrennten
Erzeugung:
für GUD- Strom: GUD QGUD = el
V *Q0
V (2a)
für Kessel -Nutzwärme : K QK = th
V * Q0
V (2b)
Q0 = gesamte Primärenergie (PE) der getrennten Erzeugung:
Q0 = QGUD + QK (3)
Faktor für den PE- Aufwand bei der getrennten Erzeugung:
f = Q0/ Q0
V = (el
V / GUD + th
V / K ) (4)
Bezeichnungen:
th
V = 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)
el
V = 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)
gesamt
V = th
V + el
V = Gesamt-Nutzungsgrad des Versorgers
Q0
V = Primärenergieeinsatz (PE) des Versorgers
QGUD und QK = PE im GUD – Kraftwerk und im HeizKessel
Q0 = QGUD + QK = gesamter PE der getrennten Erzeugung
f = Q0/ Q0
V = Faktor für den Primärenergie - Mehrverbrauch durch
getrennte Erzeugung von Strom und Wärme.
Der Versorger setzt KWK, Spitzenstrom (SE) und SpitzenKessel (SK) ein.
Gl.(4) wird anschaulicher,
wenn wir den Versorger beschreiben mit:
gesamt
V = Gesamtnutzungsfaktor des Versorgers, und
el
V = elektrischer Wirkungsgrad des Versorgers
Der PE- Faktor f = Q0/ Q0
V für den PE- Aufwand:
f = gesamt
V /K + el
V * { 1/ GUD - 1/ K } (4a)
ist eine lineare Funktion von el
V .
Gesamte Nutzenergie: Qnutz
V = gesamt
V * Q0
V
Anteile an der Primärenergie:
x_KWK = wärmegeführte KWK
x_SE = Spitzenstrom (ohne Wärmenutzen)
x_SK = Spitzenwärme (im Spitzenkessel)
Q0
V = { x_KWK + x_SE + x_SK } * Q0
V = Q0
KWK + Q0
SE + Q0
SK
Anlagenwirkungsgrade von Spitzenstrom und ~Kessel:
el
SE für Spitzenstrom (ohne Wärmenutzen)
th
SK für Spitzenwärme (im Spitzenkessel)
Dann gilt:
el
V = x_KWK * el
KWK + x_SE * el
SE (5a)
th
V = x_KWK * th
KWK + x_SK * th
SK (5b)
KWK –Strom und Wärme, SpitzenStrom und SpitzenWärme
Bei Wärme geführten Betrieb: x_SE = 0 und gesamt
KWK = th
SK gilt:
Verschlechterung des PE-Faktors durch Spitzenkessel
f = gesamt
V /K + el
KWK * x_KWK * { 1/ GUD - 1/ K } (4c)
mit: gesamt
V = ( x_KWK + x_SK )* gesamt
KWK = 1.0 * gesamt
KWK (mit Gl.(8a))
=
Speicher: Blatt „SK“
KWK mit SpitzenKessel (SK): PE - Aufwand bei getrennter Erzeugung,
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
KWK_eta_el
PE
-
Faktor
f
f (1,05)
f (0,85)
x_KWK = 1; 0.8; 0.6
x_SK = 0; 0.2; 0.4
Referenz: GUD = 60%
K = 105% (Hu)
gesamt
KWK =1,05 bzw. 0,85
el
KWK
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
KWK mit SpitzenKessel (SK): PE - Aufwand bei getrennter Erzeugung,
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
KWK_eta_el
PE
-
Faktor
f
f (1,05)
f (0,85)
x_KWK = 1; 0.8; 0.6
x_SK = 0; 0.2; 0.4
gesamt
KWK =1,05 bzw. 0,85
Referenz: GUD = 60%
K = 105% (Hu)
Bei freiem Betrieb mit: el
KWK = el
SE und ohne Spitzenkessel: x_SK =0 gilt:
Verschlechterung des PE-Faktors durch SpitzenStrom
also: f = x_KWK* gesamt
KWK /K + el
KWK * { 1/ GUD + x_SE / K - 1/ K }
Speicher: Blatt „SE“
f = gesamt
V /K + el
KWK * { 1/ GUD - 1/ K } aus (4b)
mit: gesamt
V = x_KWK* gesamt
KWK + x_SE*el
SE (aus Gl.(7a))
Referenz:
GUD = 60%
K = 105% (Hu)
gesamt
KWK =1,05 bzw. 0,85
KWK mit SpitzenStrom (SE): PE - Aufwand bei getrennter Erzeugung,
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
KWK_eta_el
PE
-
Faktor
f
f (1,05)
f (0,85)
x_KWK = 1; 0.8; 0.6
x_SE = 0; 0.2; 0.4
el
KWK
Folgerungen:
1. Bei der KWK mit Spitzenstrom sind nur noch dezentrale Brennwertanlagen mit gutem
Strom-Wirkungsgrad interessant..
2. Zentrale KWK mit Spitzenstrom ergibt erst bei sehr hohen elektrischen Wirkungsgraden
eine positive Einsparbilanz. Meist gilt:
Das massiv subventionierte „Einsparwerkzeug“ KWK
verbraucht meist mehr Primärenergie
als die getrennte Erzeugung mit GUD und Brennwertkessel
Referenz: GUD = 60%
K = 105% (Hu)
KWK mit SpitzenStrom (SE): PE - Aufwand bei getrennter Erzeugung,
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
KWK_eta_el
PE
-
Faktor
f
f (1,05)
f (0,85)
x_KWK = 1; 0.8; 0.6
x_SE = 0; 0.2; 0.4
Das massiv subventionierte „Einsparwerkzeug“ KWK
verbraucht oft mehr Primärenergie
als die getrennte Erzeugung mit GUD und Brennwertkessel
1. Zur Abdeckung des HeizWärmebedarfs ist Spitzenkessel unvermeidlich.
2. Versuchung mit Spitzenstrom Geld zu verdienen ist unwiderstehlich.
daher:
Folgerung für Erdgas - BHKWs
Die BHKW – Subventionierung
ist oft grob unsinnig.
8
Wie wurde bisher die Brennwerttechnik
in wichtigen KWK – Studien
behandelt
UBA: CC07nr10 : http://www.umweltdaten.de/publikationen/fpdf-l/3291.pdf
Speicher:UBA-CC2007nr10_Potenziale-KWK_undCO2-Emissionen.undKosten_318p.pdf
von
Manfred Horn, Hans-Joachim Ziesing, DIW, Berlin
Felix Christian Matthes, Ralph Harthan, Öko-Institut, Berlin
Gerald Menzler, Verband der Industriellen Energie- und Kraftwirtschaft e.V. (VIK), Essen
Im Auftrag des Umweltbundesamtes
8.1
Mein Kommentar: Unfassbar !!
Es wird kein normales BHKW mit
einem handelsüblichen {GUD + Brennwertkessel}
verglichen.
Nur Brennwertgeräte sind aber moderne (2007 AD) Gaskessel !!!!
Quelle der Tabelle: UBA: CC2007 nr.10 (siehe Vorseite) p.171, Tabelle 5.6 ; Speicher:UBA-CC2007nr10_Potenziale-KWK_undCO2-Emissionen.undKosten_318p.pdf
Hier fehlt der Brennwertkessel als Referenz
Eine nicht zu rechtfertigende Blindheit :
Bem.: In der gesamten Studie tritt das Wort „Brennwert“ nur in dem obigen Zitat (Tabelle 5-6) auf.
Zitiert als /Traube 2000/. Speicher::Traube_KWK_EigKWKstud.pdf
8.2 Traube Studie 2000
ansonsten eine ganz ordentliche Studie:
Urquelle der Tabelle: /Traube2000 , p.27/
Mein Kommentar: das „ jeweils “ ist der Kardinalfehler.
Es gibt keinen Grund, normale (idR ohne Brennwertnutzung) KWK Anlagen
nicht mit moderner normaler { GUD + Brennwertkessel} getrennter Erzeugung
zu vergleichen .
HW: zentrales Heizwerk;
HK: dezentrale Heizkessel
Heizkraftwerke:
K/E: Kondensations-Entnahme-Turbine;
GgDr: Gegendruckturbine
Tabelle 5: Vergleich des Primärenergieeinsatzes und der CO2-Emissionen
der gekoppelten und ungekoppelten Erzeugung.
gekoppelte Erzeugung inklusive Spitzenkessel. Werte in Prozent der gekoppelten Erzeugung ohne Brennwertausstattung
mB/oB: mit/ohne Brennwertausstattung (jeweils gekoppelt und ungekoppelt)
Hier wird ein Gas - KWK mit
einem Kohle-Kraftwerk (KoKW)
verglichen.
Hier fehlt der Brennwertkessel als Referenz
0. Es gibt im industriellen Bereich durchaus sehr vernünftige
KWK -Anwendungen (die hier nicht behandelt wurden).
1. Der Vorteil einer zentralen KWK zur Siedlungsversorgung ist
selbst unter idealer Betriebsweise bestenfalls bescheiden
und rechtfertigt keine extreme Förderung.
2. Die Förderung der KWK –Anlagen ist extrem anspruchslos:
sie werden selbst dann noch gefördert, wenn sie mehr Energie
verbrauchen als ihre Alternative {GUD + Brennwertkessel}.
3. Der beliebte alleinige Hinweis auf den
Gesamtwirkungsgrad (Strom + Wärme) beim BHKW und auf den
elektrischen Wirkungsgrad (nur Strom) beim Kraftwerk
ist eine reine Volks-Verdummung.
4. Dezentrale Brennwert Mini-BHKW, mit Wärmenutzung vor Ort, sind
sehr interessant,
sofern sie nur (!!!) wärmegeführt betrieben werden.
Optimale Erdgaseinsatz aber immer noch:
5. Zentrales mittelgroßes (300 MW) GUD –Kraftwerk
und Wärmepumpe mit NT-Flächenheizung
Schlussfolgerungen::
Anhang 1: Low Ex Wärme
Anhang 2: außenliegende Wand- und Luftheizung
Physikalische Forderung:
Keine Exergieverschwendung !
Daher ist ein
gemeinsamer Bestandteil aller wirklich hocheffizienten Heizsysteme:
Niedertemperatur Heizung
:
Anhang 1: Low Ex Wärme
Folgerung für die Heizung:
Wir brauchen LowEx ( = „low exergy“) Anlagen, also
Niedertemperaturheizungen mit
• niedriger Vorlauftemperatur für die Wärmepumpen –Anwendung
• niedriger Rücklauftemperatur für die Brennwertnutzung,
wobei ein kleiner zweiter effektiver NT-Heizkreis ausreicht!
Schwierigkeit: Nachträgliche Installation in Altbauten
Ein Ansatz zur LowEx Heizung:
die außenliegende Wandheizung (aWH)
die außenliegende Luftheizung (aLH)
Anhang 2: aWH und aLH
Quelle: G.Luther: DE 10 2008 009 553.2 A1
„Integrierte außenliegende Wandheizung – .. zur Nutzung der massiven Außenwand als ein …integrierter thermischer Speicher und als Murokausten- WÜT "

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AKE2008H_08Luther_KWK-Subventionsloch_kurz.ppt

  • 1. Die übertriebene Story von der einzigartigen KWK ( und manchmal enthalten Märchen ja auch ein Stück Wahrheit ) KWK = Strom („Kraft“) - Wärmekopplung Kraftwärmekopplung Hoffnungsträger oder Subventionsloch Dr. Gerhard Luther Universität des Saarlandes, FSt. Zukunftsenergie c/o Technische Physik – Bau E26 D-66041 Saarbrücken EU - Germany Tel.: (49) 0681/ 302-2737; Fax /302-4676 e-mail: Luther.Gerhard@vdi.de luther.gerhard@mx.uni-saarland.de Homepage: http://www.uni-saarland.de/fak7/fze AKE2008H_08
  • 2. • 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 KWK mit neuem Schwung Heute investieren - morgen gewinnen Quelle: http://www.bkwk.de/aktuelles/veranstaltungen/Jahreskongress_2008_Programm.pdf u.a. auch Vorträge mit großer Perspektive:
  • 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. 1. Strom und Heizwärme- Erzeuger (gekoppelt und getrennt)
  • 5. UrBildQuelle: http://www.bhkw-infozentrum.de/erlaeuter/kwkprinzip.html Prinzip: Block-Heizkraftwerk (BHKW) Wärmeabgabe an Kühlwasser und Abgas erfolgt auf hohem Temperaturniveau. Das ist schlecht für den Wirkungsgrad. Aber man kann die Abwärme noch direkt weiter verwerten el = 34 % gesamt = 90 % 1.1
  • 6. Einfacher Dampfkraftwerksprozess H.D. Baehr, S. Kabelac: Thermodynamik, Grundlagen und techn. Anwendungen, Springer, 2006 Idealisierter Vergleichsprozess (Clausius- Rankine) Schraffierter Bereich: gewinnbare Nutzarbeit Also: Wärmeauskopplung bei T > Tu vermindert die Nutzarbeit 1.2 Dampfkraftwerk
  • 7. Quelle:John R. Tyldsley: “An Introduction to Applied Thermodynamics and Energy Conversion“, Longman,London1977, ISBN=0-582-44066-1, Gasturbinen- Prozess ca. 650 °C 1.3
  • 8. GUD –Kraftwerk:: Gas- Dampf- Kraftprozeß BildQuelle: E. Hahne: „Technische Thermodynamik“, 3.A.,Oldenbourg Verlag München 2000, ISBN=3-486-25397-2, Bild 8.10, p.386 ca. 650 °C 1.4
  • 10. Wie gut sind moderne Feuerungsanlagen ? 1.5 Erdgas- Brennwertkessel
  • 11. Quelle: Stadtwerke Karlsruhe: Kundenbroschüre „Erdgas Brennwert Heizkessel“ , ergänzt SpQ:SW_Karlsruhe_BrennwertKessel.pdf NT Bw Ich rechne meist nur mit 105 % aktueller Stand der Technik Brennwerttechnik bereits veraltet uralter Verschwender
  • 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. Direkte Messung der Abgasverluste über einen Zeitraum t0: 1. Messung des anfallenden Kondensatwassers W in [ Liter] 2. Ablesung des Gasverbrauches VG in [mn 3] 3. Berechnung von WD0 = maximaler theoretischer Kondensatanfall WD0 = VG *xV0 mit xV0 = 1,6 [ Liter H2O /mn 3 ] 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: Faustformel: qA = (1 – w) * 13,5% w = (W / VG ) / 1,6 Quelle: G. Luther: DE 10 2004 058 520 B3; „Messverfahren zur Bestimmung des Abgasverlustes von Feuerungsanlagen mit Abgaskondensation“
  • 15. Abgasverlust: bezogen auf vollständige Kondensation, im Maß von Hu Gemessen Abgasverluste meiner eigenen Brenwertanlage im Winter 2005/06 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 Abgaskondensa
  • 17. BQuelle: http://www.dbresearch.de/PROD/DBR_INTERNET_DE-PROD/PROD0000000000221415.PDF Speicher:DB-Research2008_KWK-Eckpfeiler-des-IEKP_16p.pdf Strom- Wärmekopplung in der EU Sollte man den KWK –Anteil in BRD nicht erhöhen ? In DK sind es ja mehr als 50% ! BRD: 12% DK: 52%
  • 18. Quelle: ASUE: Grafiken Blockheizkraftwerke: 10.11.2005: Kraft-Wärmekopplung ; http://www.asue.de/images/images_neu/grafik_309_f.jpg Was hat man verglichen: • Ein modernes Erdgas - BHKW in idealer wärmegeführter Betriebsweise mit einem • uralten Kohlekraftwerk (KoKW) (eta=34% [im Bildtext ] und einem alten Heizölkessel [34%] Werbebild der Gaswirtschaft: Ergebnis durch das BHKW: 37% PE-Einsparung 59% CO2 Einsparung
  • 19. Werbebild des B.KWK: 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 a el = 34,5% (= 38 / 110) th = 89 % (= 50 /56) el = 38 % gesamt = 88 % B.KWK = Bundesverband Kraft Wärme Kopplung
  • 20. 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.pdf Lokal: BMU2008-IZES_miniKWK-Leitfaden_44p.pdf Offizielles Werbebild des BMU: Ergebnis durch das BHKW (vermutlich bzgl. BRD- StromMix ) : 38% PE-Einsparung 34% CO2 Einsparung
  • 21. 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.pdf Lokal: BMU2008-IZES_miniKWK-Leitfaden_44p.pdf Schlussfolgerung in der BMU – Broschüre: KWK ist eine der wirksamsten Maßnahmen zur Einsparung von Primärenergie und zur 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
  • 22. Korrekte Vergleiche ?? Gleicher Primärenergieträger Modern Technik auf beiden Seiten GUD + Brennwerttechnik Alternative: Wärmepumpe 3
  • 23. 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 ) Man sollte aber nicht Äpfel mit Birnen vergleichen, denn: Auch naheliegende technische Alternativen in Vergleich einbeziehen: • Brennwert- Mini - BHKW (dezentral) • Wärmepumpe mit Niedertemperatur - Heizflächen
  • 24. Zitat aus EU Richtlinie 2004/8/EG Anhang 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. … eigentlich trivial Quelle: http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2004:052:0050:0060:DE:PDF
  • 25. 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 10% doch eher etwas mickrig ? hier steht noch was ganz Wichtiges
  • 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; Quelle: http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2004:052:0050:0060:DE:PDF 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
  • 27. Auslese aus der Richtlinie 2007/74/EG für Erdgas http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2007:032:0183:0188:DE:PDF getrennte Erzeugung von Wärme Harmonisierte Wirkungsgrad-Referenzwerte für die getrennte Erzeugung von Strom Tatsächliche Marktwerte „reale Betriebsdaten “ GUD Brennwert- Kessel 60 % 105% Auslegung
  • 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. 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 tatsächlich: ca. 0 bis -5%
  • 30. RICHTLINIE 2004/8/EG DES 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. Ergebnisse wissenschaftlich korrekter Vergleiche ( entsprechen auch den Grundsätzen (!) der EU –Richtlinie) 4
  • 32. Korrekt, aber noch nicht optimal: Primärenergie Erdgas 100 % (1.000 kWh) Abwärme 10 % (100 kWh) Strom 32 % (320 kWh) 200 kg CO2 BHKW Wärme 58 % (580 kWh) Strom 58 % (320 kWh) Wärme 90 % (580 kWh) Primärenergie Erdgas 100 % (552 kWh) Primärenergie Erdgas 100 % (644 kWh) GuD-Kraftwerk Abwärme 10 % (64 kWh) Erdgas- heizwerk Abwärme 42 % (232 kWh) 110 kg CO2 129 kg CO2 Kraft-Wärme-Kopplung getrennte Erzeugung 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) ] Bezug auf modernes Erdgas –GUD + Heizwerk Quelle: V. Quaschning : “Erneuerbare Energien und Klimaschutz“, Abb. 4.4. Hanser Verlag (2008) ,ISBN=978-3-446-41444-0
  • 33. Korrekt, optimal und sogar wirklichkeitsnah: Primärenergie Erdgas 100 % (1.000 kWh) Abwärme 10 % (100 kWh) Strom 32 % (320 kWh) 200 kg CO2 BHKW Wärme 58 % (580 kWh) Strom 58 % (320 kWh) Wärme 90 % (580 kWh) Primärenergie Erdgas 100 % (552 kWh) Primärenergie Erdgas 100 % (644 kWh) GuD-Kraftwerk Abwärme 10 % (64 kWh) Erdgas- heizwerk Abwärme 42 % (232 kWh) 110 kg CO2 129 kg CO2 Kraft-Wärme-Kopplung getrennte Erzeugung 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) ] Bezug auf Erdgas GUD + Brenwertkessel Brenn wert - Kessel incl. Abgas- kondensation th =105% Hu Erdgas ohne Kondensation 95% ( 551 kWh) 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. Demnächst: Dezentrales Brennwert Mini - BHKW, allseits optimal: Quelle: ich habe im Urbild der vorherigen Folie überall die Werte der Brennwertnutzung eingesetzt. Primärenergie Erdgas 100 % (1.000 kWh) Abwärme 10 % (100 kWh) Strom 32 % (320 kWh) 200 kg CO2 BHKW Wärme 58 % (580 kWh) Strom 58 % (320 kWh) Wärme 90 % (580 kWh) Primärenergie Erdgas 100 % (552 kWh) Primärenergie Erdgas 100 % (644 kWh) GuD-Kraftwerk Abwärme 10 % (64 kWh) Erdgas- heizwerk Abwärme 42 % (232 kWh) 110 kg CO2 129 kg CO2 Kraft-Wärme-Kopplung getrennte Erzeugung 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) ] Bezug auf Erdgas GUD + Brenwertkessel Brenn wert - Kessel incl. Abgas- kondensation ( dezentral ) gesamt = 105% HU 139 Wärme 730 kWh incl. Abgas- kondensation th =105% Hu Wärme 730 kWh Erdgas ohne Kondensation 95% ( 694 kWh)
  • 35. Primärenergie Erdgas 100 % (1.000 kWh) Abwärme 10 % (100 kWh) Strom 32 % (320 kWh) 200 kg CO2 BHKW Wärme 58 % (580 kWh) Strom 58 % (320 kWh) Wärme 90 % (580 kWh) Primärenergie Erdgas 100 % (552 kWh) Primärenergie Erdgas 100 % (644 kWh) GuD-Kraftwerk Abwärme 10 % (64 kWh) Erdgas- heizwerk Abwärme 42 % (232 kWh) 110 kg CO2 129 kg CO2 Kraft-Wärme-Kopplung getrennte Erzeugung Demnächst: Dezentrales Brennwert Mini - BHKW, allseits optimal: Ergebnis durch das Brennwert-BHKW (bzgl. GUD + Wärmepumpe - 15.5 % , PE- Mehrverbrauch ! [ = (1 – 1000/ (552 + 315)) ] - 15.5 % , CO2 Mehremission ! [ = (1 - 200/(110 +63 ) ] Bezug auf Erdgas GUD + Wärmepumpe incl. Abgas- kondensation ( dezentral ) gesamt = 105% HU Wärme 730 kWh Wärme 730 kWh Wärmepumpe = 4 183 132 315 63
  • 36. KWK mit Brennwertnutzung 1. Bei dezentraler Mikro –KWK, gibt es kein grundsätzliches Problem, sofern • die Wärme lokal , im gleichen Gebäude, genutzt wird. • die Verbrennung im Motor bei nicht zu hohem Luftüberschuss erfolgt . Also z.B. problemlos bei einem Otto-Motor mit Katalysator und  =1 Regelung. 2. Aber sehr problematisch bei Wärmenetzen 5
  • 37. 2. Hindernisse für effektive Brennwertnutzung bei zentraler KWK mit Wärmenetz. • Temperaturspreizung T am Wärmeübertrager erforderlich • 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: gesamt KWK * Q0 KWK = ( el KWK + th KWK ) *Q0 KWK (1) mit Q0 KWK = Primärenergieeinsatz (PE) in der KWK-Anlage Betrachte eine detaillierte Gleichheit der Nutzenergien bei der getrennten Erzeugung: für GUD- Strom: GUD QGUD = el KWK * Q0 KWK (2a) für Kessel -Nutzwärme : K QK = th KWK * Q0 KWK (2b) Q0 = gesamte Primärenergie (PE) der getrennten Erzeugung: Q0 = QGUD + QK (3) Faktor für den PE- Aufwand bei der getrennten Erzeugung: f = Q0/ Q0 KWK = ( el KWK / GUD + th KWK / K ) (4)
  • 39. Bezeichnungen: th KWK = 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) el KWK = 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) gesamt KWK = th KWK + el KWK = Gesamt-Nutzungsgrad der KWK Q0 KWK = 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/ Q0 KWK = 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: denn: PEE = PE–Einsparung durch KWK = (Q0 - Q0 KWK ) / Q0 = ( 1 – 1/ f ) . PEE Primärenergieeinsparung KWK Wη Wärmewirkungsgrad-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 Wη Wirkungsgrad-Referenzwert für die getrennte Wärmeerzeugung. KWK Eη 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. Wenn ein KWK-Block mechanische Energie erzeugt, ……… Ref Eη Wirkungsgrad-Referenzwert für die getrennte Stromerzeugung
  • 41. Gl.(4) wird anschaulicher, wenn wir die KWK beschreiben mit: gesamt KWK = Gesamtnutzungsfaktor der KWK, und el KWK = elektrischer Wirkungsgrad der KWK Aus Gl.(1) : th KWK = [ gesamt KWK - el KWK ] (1a) Gl.(4): f = ( el KWK / GUD + [ th KWK ] / K ) Mit (1a) : f = ( el KWK / GUD + [ gesamt KWK - el KWK ] / K ) Ordnen : f = gesamt KWK / K + el KWK * { 1/ GUD – 1 / K ) also: Der PE- Faktor f = Q0/ Q0 KWK für den PE- Aufwand: f = gesamt KWK /K + el KWK * { 1/ GUD - 1/ K } (4a) ist eine lineare Funktion von el KWK .
  • 42. Der PE- Faktor f = Q0/ Q0 KWK für den PE- Aufwand: f = gesamt KWK /K + el KWK * { 1/ GUD - 1/ K } (4a) [ meist =< 1 ] { > 0 } PE - Mehraufwand bei getrennter Erzeugung 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 KWK_eta_el PE - Faktor f f bei KWK_eta_th=1,05) f bei KWK_eta_th=0,90) f bei KWK_eta_th=0,85) Referenz: GUD = 60% für GUD –Kraftwerk K = 105% (Hu) für Brennwertkessel 1.05 = gesamt KWK 0.90 = 0.85 = gesamt KWK el KWK
  • 43. PE - Mehraufwand bei getrennter Erzeugung 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 KWK_eta_el PE - Faktor f f bei KWK_eta_th=1,05) f bei KWK_eta_th=0,90) f bei KWK_eta_th=0,85) 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: gesamt V * Q0 V = ( el V + th V ) *Q0 V (1) mit: Q0 V = Gesamter PE des Versorgers (KWK, SpitzenKessel +SpitzenStrom) Betrachte eine detaillierte Gleichheit der Nutzenergien bei der getrennten Erzeugung: für GUD- Strom: GUD QGUD = el V *Q0 V (2a) für Kessel -Nutzwärme : K QK = th V * Q0 V (2b) Q0 = gesamte Primärenergie (PE) der getrennten Erzeugung: Q0 = QGUD + QK (3) Faktor für den PE- Aufwand bei der getrennten Erzeugung: f = Q0/ Q0 V = (el V / GUD + th V / K ) (4)
  • 45. Bezeichnungen: th V = 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) el V = 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) gesamt V = th V + el V = Gesamt-Nutzungsgrad des Versorgers Q0 V = Primärenergieeinsatz (PE) des Versorgers QGUD und QK = PE im GUD – Kraftwerk und im HeizKessel Q0 = QGUD + QK = gesamter PE der getrennten Erzeugung f = Q0/ Q0 V = 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: gesamt V = Gesamtnutzungsfaktor des Versorgers, und el V = elektrischer Wirkungsgrad des Versorgers Der PE- Faktor f = Q0/ Q0 V für den PE- Aufwand: f = gesamt V /K + el V * { 1/ GUD - 1/ K } (4a) ist eine lineare Funktion von el V .
  • 47. Gesamte Nutzenergie: Qnutz V = gesamt V * Q0 V Anteile an der Primärenergie: x_KWK = wärmegeführte KWK x_SE = Spitzenstrom (ohne Wärmenutzen) x_SK = Spitzenwärme (im Spitzenkessel) Q0 V = { x_KWK + x_SE + x_SK } * Q0 V = Q0 KWK + Q0 SE + Q0 SK Anlagenwirkungsgrade von Spitzenstrom und ~Kessel: el SE für Spitzenstrom (ohne Wärmenutzen) th SK für Spitzenwärme (im Spitzenkessel) Dann gilt: el V = x_KWK * el KWK + x_SE * el SE (5a) th V = x_KWK * th KWK + x_SK * th SK (5b) KWK –Strom und Wärme, SpitzenStrom und SpitzenWärme
  • 48. Bei Wärme geführten Betrieb: x_SE = 0 und gesamt KWK = th SK gilt: Verschlechterung des PE-Faktors durch Spitzenkessel f = gesamt V /K + el KWK * x_KWK * { 1/ GUD - 1/ K } (4c) mit: gesamt V = ( x_KWK + x_SK )* gesamt KWK = 1.0 * gesamt KWK (mit Gl.(8a)) = Speicher: Blatt „SK“ KWK mit SpitzenKessel (SK): PE - Aufwand bei getrennter Erzeugung, 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 KWK_eta_el PE - Faktor f f (1,05) f (0,85) x_KWK = 1; 0.8; 0.6 x_SK = 0; 0.2; 0.4 Referenz: GUD = 60% K = 105% (Hu) gesamt KWK =1,05 bzw. 0,85 el KWK
  • 49. 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 KWK mit SpitzenKessel (SK): PE - Aufwand bei getrennter Erzeugung, 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 KWK_eta_el PE - Faktor f f (1,05) f (0,85) x_KWK = 1; 0.8; 0.6 x_SK = 0; 0.2; 0.4 gesamt KWK =1,05 bzw. 0,85 Referenz: GUD = 60% K = 105% (Hu)
  • 50. Bei freiem Betrieb mit: el KWK = el SE und ohne Spitzenkessel: x_SK =0 gilt: Verschlechterung des PE-Faktors durch SpitzenStrom also: f = x_KWK* gesamt KWK /K + el KWK * { 1/ GUD + x_SE / K - 1/ K } Speicher: Blatt „SE“ f = gesamt V /K + el KWK * { 1/ GUD - 1/ K } aus (4b) mit: gesamt V = x_KWK* gesamt KWK + x_SE*el SE (aus Gl.(7a)) Referenz: GUD = 60% K = 105% (Hu) gesamt KWK =1,05 bzw. 0,85 KWK mit SpitzenStrom (SE): PE - Aufwand bei getrennter Erzeugung, 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 KWK_eta_el PE - Faktor f f (1,05) f (0,85) x_KWK = 1; 0.8; 0.6 x_SE = 0; 0.2; 0.4 el KWK
  • 51. Folgerungen: 1. Bei der KWK mit Spitzenstrom sind nur noch dezentrale Brennwertanlagen mit gutem Strom-Wirkungsgrad interessant.. 2. Zentrale KWK mit Spitzenstrom ergibt erst bei sehr hohen elektrischen Wirkungsgraden eine positive Einsparbilanz. Meist gilt: Das massiv subventionierte „Einsparwerkzeug“ KWK verbraucht meist mehr Primärenergie als die getrennte Erzeugung mit GUD und Brennwertkessel Referenz: GUD = 60% K = 105% (Hu) KWK mit SpitzenStrom (SE): PE - Aufwand bei getrennter Erzeugung, 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 KWK_eta_el PE - Faktor f f (1,05) f (0,85) x_KWK = 1; 0.8; 0.6 x_SE = 0; 0.2; 0.4
  • 52. Das massiv subventionierte „Einsparwerkzeug“ KWK verbraucht oft mehr Primärenergie als die getrennte Erzeugung mit GUD und Brennwertkessel 1. Zur Abdeckung des HeizWärmebedarfs ist Spitzenkessel unvermeidlich. 2. Versuchung mit Spitzenstrom Geld zu verdienen ist unwiderstehlich. daher: Folgerung für Erdgas - BHKWs Die BHKW – Subventionierung ist oft grob unsinnig.
  • 53. 8 Wie wurde bisher die Brennwerttechnik in wichtigen KWK – Studien behandelt
  • 54. UBA: CC07nr10 : http://www.umweltdaten.de/publikationen/fpdf-l/3291.pdf Speicher:UBA-CC2007nr10_Potenziale-KWK_undCO2-Emissionen.undKosten_318p.pdf von Manfred Horn, Hans-Joachim Ziesing, DIW, Berlin Felix Christian Matthes, Ralph Harthan, Öko-Institut, Berlin Gerald Menzler, Verband der Industriellen Energie- und Kraftwirtschaft e.V. (VIK), Essen Im Auftrag des Umweltbundesamtes 8.1
  • 55. Mein Kommentar: Unfassbar !! Es wird kein normales BHKW mit einem handelsüblichen {GUD + Brennwertkessel} verglichen. Nur Brennwertgeräte sind aber moderne (2007 AD) Gaskessel !!!! Quelle der Tabelle: UBA: CC2007 nr.10 (siehe Vorseite) p.171, Tabelle 5.6 ; Speicher:UBA-CC2007nr10_Potenziale-KWK_undCO2-Emissionen.undKosten_318p.pdf Hier fehlt der Brennwertkessel als Referenz Eine nicht zu rechtfertigende Blindheit : Bem.: In der gesamten Studie tritt das Wort „Brennwert“ nur in dem obigen Zitat (Tabelle 5-6) auf.
  • 56. Zitiert als /Traube 2000/. Speicher::Traube_KWK_EigKWKstud.pdf 8.2 Traube Studie 2000 ansonsten eine ganz ordentliche Studie:
  • 57. Urquelle der Tabelle: /Traube2000 , p.27/ Mein Kommentar: das „ jeweils “ ist der Kardinalfehler. Es gibt keinen Grund, normale (idR ohne Brennwertnutzung) KWK Anlagen nicht mit moderner normaler { GUD + Brennwertkessel} getrennter Erzeugung zu vergleichen . HW: zentrales Heizwerk; HK: dezentrale Heizkessel Heizkraftwerke: K/E: Kondensations-Entnahme-Turbine; GgDr: Gegendruckturbine Tabelle 5: Vergleich des Primärenergieeinsatzes und der CO2-Emissionen der gekoppelten und ungekoppelten Erzeugung. gekoppelte Erzeugung inklusive Spitzenkessel. Werte in Prozent der gekoppelten Erzeugung ohne Brennwertausstattung mB/oB: mit/ohne Brennwertausstattung (jeweils gekoppelt und ungekoppelt) Hier wird ein Gas - KWK mit einem Kohle-Kraftwerk (KoKW) verglichen. Hier fehlt der Brennwertkessel als Referenz
  • 58. 0. Es gibt im industriellen Bereich durchaus sehr vernünftige KWK -Anwendungen (die hier nicht behandelt wurden). 1. Der Vorteil einer zentralen KWK zur Siedlungsversorgung ist selbst unter idealer Betriebsweise bestenfalls bescheiden und rechtfertigt keine extreme Förderung. 2. Die Förderung der KWK –Anlagen ist extrem anspruchslos: sie werden selbst dann noch gefördert, wenn sie mehr Energie verbrauchen als ihre Alternative {GUD + Brennwertkessel}. 3. Der beliebte alleinige Hinweis auf den Gesamtwirkungsgrad (Strom + Wärme) beim BHKW und auf den elektrischen Wirkungsgrad (nur Strom) beim Kraftwerk ist eine reine Volks-Verdummung. 4. Dezentrale Brennwert Mini-BHKW, mit Wärmenutzung vor Ort, sind sehr interessant, sofern sie nur (!!!) wärmegeführt betrieben werden. Optimale Erdgaseinsatz aber immer noch: 5. Zentrales mittelgroßes (300 MW) GUD –Kraftwerk und Wärmepumpe mit NT-Flächenheizung Schlussfolgerungen::
  • 59. Anhang 1: Low Ex Wärme Anhang 2: außenliegende Wand- und Luftheizung
  • 60. Physikalische Forderung: Keine Exergieverschwendung ! Daher ist ein gemeinsamer Bestandteil aller wirklich hocheffizienten Heizsysteme: Niedertemperatur Heizung : Anhang 1: Low Ex Wärme
  • 61. Folgerung für die Heizung: Wir brauchen LowEx ( = „low exergy“) Anlagen, also Niedertemperaturheizungen mit • niedriger Vorlauftemperatur für die Wärmepumpen –Anwendung • niedriger Rücklauftemperatur für die Brennwertnutzung, wobei ein kleiner zweiter effektiver NT-Heizkreis ausreicht! Schwierigkeit: Nachträgliche Installation in Altbauten
  • 62. Ein Ansatz zur LowEx Heizung: die außenliegende Wandheizung (aWH) die außenliegende Luftheizung (aLH) Anhang 2: aWH und aLH Quelle: G.Luther: DE 10 2008 009 553.2 A1 „Integrierte außenliegende Wandheizung – .. zur Nutzung der massiven Außenwand als ein …integrierter thermischer Speicher und als Murokausten- WÜT "