Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (Marco Henning)

Kraft-Wärme-Kälte
Kopplung
ökologische und
ökonomische Aspekte
vorgestellt durch
Marco Henning
M.Sc., Dipl.-Ing (FH)
Tel. 0201/2400-4107
Mobil 0162/ 1098458
Email marco.henning@jci.com
Vertriebsleiter HVAC Klima- & Kaltwassersysteme
Deutschland * Österreich * Schweiz

Inhalte/ Agenda
1. Johnson Controls
Unternehmens Kurzübersicht
2. KWKK-Grundprinzip
Zusammenspiel der Komponenten von KWKK-Systemen
3. Absorptions-Flüssigkeitskühler für KWKK-Systeme
Warm- und Heißwasser-beheizte Absorptionsflüssigkeitskühler zur Einbindung in KWKK-Systeme
4. KWK- und BAFA-Förderung
Förderungen gem. KWK-Gesetz (2009) und BAFA-Förderung für Absorptionsflüssigkeitskühler
5. Betrachtung einer KWKK-Gesamt-Anlage
Wirtschaftlichkeit und CO2-Äquivalent am Beispiel eines Rechenzentrums (Kurzfassung)
6. Fazit
Kraft-Wärme-Kälte Kopplung
ökologische und ökonomische Aspekte

Inhalte/ Agenda
1. Johnson Controls
Unternehmens Kurzübersicht
2. KWKK-Grundprinzip
Zusammenspiel der Komponenten von KWKK-Systemen
3. Absorptions-Flüssigkeitskühler für KWKK-Systeme
Warm- und Heißwasser-beheizte Absorptionsflüssigkeitskühler zur Einbindung in KWKK-Systeme
4. KWK- und BAFA-Förderung
Förderungen gem. KWK-Gesetzt (2009) und BAFA-Förderung für Absorptionsflüssigkeitskühler
5. Betrachtung einer KWKK-Gesamt-Anlage
Wirtschaftlichkeit und CO2-Äquivalent am Beispiel eines Rechenzentrums (Kurzfassung)
6. Fazit
Kraft-Wärme-Kälte Kopplung
ökologische und ökonomische Aspekte

Johnson Controls
weltweit vertreten
Nord-
amerika
Europa
Latein- und
Südamerika
Naher Osten &
Afrika
Asien&
Pazifik
150.000 Mitarbeiter an mehr
als 1.300 Standorten beliefern
Kunden in 125 Ländern
Umsatz über
40 Mrd. US$
Seit 62 Jahren
ununterbrochene
Umsatzsteigerungen
Seit 18 Jahren
ununterbrochene
Gewinnsteigerungen

Johnson Controls
Geschäftsfelder
Weltweiter Marktführer in den wachsenden Märkten
Gebäude,
die energieeffizient,
sicher und komfortabel
sind.
Technologie von
Weltklasse zur
Differenzierung
der Fahrzeuginnen-
ausstattung und
Steigerung der
Nachfrage.
Autobatterien
höchster Qualität
zu niedrigen Kosten
unterstützen Kunden
beim Steigern ihrer
Marktanteile
Automotive Experience Building Efficiency Power Solutions

KWKK-Grundprinzip
Gas-
bezug
Heiz-
wärme
elektr.
Strom
Wärme aus Gebäude
(Kühllast)
Abwärme
Flüssigkeitskühler
Verluste
&
Abgas
elektr.
Strom
BHKW
Absorber
Rückkühlsystem

KWKK-Grundprinzip
Das Blockheizkraftwerk
(Gesamtwirkungsgrad 80-90%)
100% Erdgas
(bezogen auf HU)
Wärmeauskopplung
50-60% (je nach Modul)
Stromauskopplung
30-40% (je nach Modul)
Großer Vorteil: Nutzung der thermischen und mechanischen Arbeitsfähigkeit (Exergie) des Gases

KWKK-Grundprinzip
Der mit Warmwasser beheizte Absorber
Wärmeauskopplung
aus BHKW
Abwärme an Kühltürme
ca. 2,5-fach der Kühllast
Großer Vorteil: Nutzung der ohnehin vorhanden Abwärme des BHKW, elektr. Leistung <10kW
Elektr. Strom
< 10kW
Wärme
aus Kühllast Gebäude
Wärme-Verluste
ca. 3%

Absorptions-Flüssigkeitskühler u.
KWKK-Grundprinzip
Der (Hybrid-) Rückkühler
Wasser aus Aufbereitung
zur adiabaten Kühlung
(ca. 45Tage / Jahr erforderlich)
Abwärme an Kühltürme
aus Absorber
Großer Vorteil: geringer Wasserverbrauch und elektr. Leistungsaufnahme
Elektr. Strom

Absorptions-Flüssigkeitskühler
für KWKK-Systeme
Kleinkälteserie WFC
• Kälteleistung: 18 bis 175 kW
• Arbeitsstoffpaar: H2O/LiBr
• Inhibitor: Molibdat
• Heizmedium: Warmwasser zw. 70 und 95°C
Eintritts-Temperatur
• Kaltwasser: 4,5 bis 18°C Austritts-Temperatur
• Kühlwasser: 24 bis 32°C Eintritts-Temperatur
• Regelbarkeit: stetig, bis min. 20% der Nennkälteleistung

Großkälteserie YIA
• Kälteleistung: 200 bis 5.000 kW
• Arbeitsstoffpaar: H2O/LiBr
• Inhibitor: Molibdat
• Heizmedium: Warm- oder Heißwasser
zw. 75 und 128°C Eintritts-Temperatur
• Kaltwasser: 4,5 bis 18°C Austritts-Temperatur
• Kühlwasser: 24 bis 35°C Eintritts-Temperatur
• Regelbarkeit: stetig, bis min. 20% der Nennkälteleistung
Absorptions-Flüssigkeitskühler
für KWKK-Systeme

KWKK- und BAFA Förderung
Novellierung des KWK-Gesetzes 2009 - Vergütungsgrößen
KWK-Zuschlag Maximal geförderte
Betriebsjahre
Maximal geförderte
Vollbenutzungsstunden-
anzahl
Brennstoffzelle
(Inbetriebnahme ab dem
01.01.2009 bis 31.12.2016)
5,11
ct/ kWh
10 Jahre
KWK - Anlagen bis 50 KW
( Inbetriebnahme ab
01.01.2009 bis 31.12.2016)
5,11
ct/ kWh
10 Jahre
KWK- Anlagen 50 KW –
2MW
(Inbetriebnahme ab dem
01.01.2009 bis 31.12.2016)
2,1
ct/ kWh
6 Jahre 30.000
KWK – Anlagen größer 2
MW
( Inbetriebnahme ab
01.01.2009 bis 31.12.2016)
1,5
ct/ kWh
6 Jahre 30.000
Modernisierte KWK – Anlagen
(Inbetriebnahme ab dem 01.01.2009 bis
31.12.2016)
gemäß den entsprechenden Bestimmungen für Neuanlagen
KWK – Anlagen, die wärmeseitig direkt mit einem Unternehmen des Verarbeitenden Gewerbes verbunden und diese
überwiegend mit Prozesswärme versorgen, erhalten die Vergütung maximal 4 Betriebsjahre und bis zu 30.000
Vollbenutzungsstunden.

Klima-Kälte-Impulsprogramm
BMU – Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit
Förderung von Maßnahmen an gewerblichen Kälteanlagen
• seit 24.06.2011 werden auch Sorptionskälteanlagen gefördert
• durch Bonusförderung (25% der Nettoinvestitionskosten*)
• ab einer Kälteleistung von 50kW
• wenn Beheizung mittels Sekundärwärme erfolgt aus
a) Abwärme aus Produktion, BHKW-Anlagen
b) Wärme aus Fern- oder Nahwärmenetze
c) Wärme aus thermischen Solaranlagen
• gilt für Neu- und Altanlagen
• Förderung umfasst Sorptionsanlage einschl. Peripherie
• Antrag über das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA)
* an bestimmte Randparameter geknüpft

Klima-Kälte-Impulsprogramm – Warum?
‚Bei der gewerblichen Kältetechnik sind noch außerordentliche
Einsparungen an Geld, Energie und CO2-Emissionen möglich -
durch regelmäßige Wartung sowie durch Einsatz von Komponenten
des neuesten Standes der Technik:
> Elektronische Expansionsventile Quelle:
> Drehzahlregelung der Verdichter
> Regelung des Gesamtsystems
> Anlagen-Komponenten mit hoher Effizienz
Allein mit am Markt verfügbarer Technik können in Kälteanlagen in
Deutschland jährlich ca. 11 Mrd. kWh (zwei fossil-thermische
Kraftwerke) eingespart werden.‘

Betrachtung einer KWKK-Gesamtanlage
Wirtschaftlichkeit und CO2-Äquivalent am Beispiel eines Rechenzentrums
Unterpunkte:
• Begründung für gewähltes Beispiel
• Darstellung möglicher (Kälte-) Konzepte mit Varianten
• Gestehungskosten der Varianten
• Betriebskosten und -stunden pro Jahr
• Gesamtkosten und CO2-Äquivalent

Unterpunkte:
• Begründung für gewähltes Beispiel
• Darstellung möglicher (Kälte-) Konzepte mit Varianten
• Gestehungskosten der Varianten
• Betriebskosten und –stunden pro Jahr
• Gesamtkosten und CO2-Äquivalent

Warum am Beispiel eines Rechenzentrums?
• Ganzjahresbetrieb
• sehr hohe Anforderungen an Betriebssicherheit – Redundanzen
• sehr hohe Anforderung an den Amortisationszeitraum
• vergleichsweise hoher spezifischer Stromverbrauch pro Fläche (1-2 kW/m²)
• Stromverbrauch ist Indiz für ähnlich hohe Kühllasten
• ggf. sinnvolle Kombination mit Freier Kühlung möglich

‚Bilanzhülle‘
Rechenzentrum
Wie ist die wirtschaftliche & ökologische Bewertung aufgebaut ?
1. Definition eines Gebäudes in einer ‚Bilanzhülle‘
3. Darstellen der benötigten Medien
2. Definition der Versorgungsanforderungen
an Strom & Kälte
4. Mögliche Konzepte mit Varianten darstellen
6. Bewertung der jeweiligen Gesamtkosten
jährlich kumuliert und innerhalb von 6 Jahren
5. Bewertung der Gestehungs- u. Betriebskosten
7. Bewertung des CO2-Äquivalent in
Tonnen pro Jahr
Gesamtkosten
• jährlich dynamisiert
• kumuliert über 10 Jahre
Strom
Bedarf an:
• Strom
• Kälte
Gas
Wasser
System-Lösung A1
CO2
System-Lösung A2
System-Lösung B1
System-Lösung B2
*Förderung nach KWK-Gesetz 2009 / ohne Inanspruchnahme der BAFA-Förderung

Grunddaten des Gebäudes
• Rechenzentrum mit 450 m² Nutzfläche am Standort Hannover
• Betriebszeit an 8.760 Stunden pro Jahr
• durchschnittliche elektrische Leitungsaufnahme (ohne Kälteerzeugung) 324 kW
• Spitzenlast Kühlung im Sommer 345 kW, im Winter 250 kW
• Kühlbedarf 2.609 MWh/a
• Kaltwassernetz 6/12°C zur Versorgung von Lüftungsanlage, EDV-Klimaschränke
• Notbeheizung im Winter erforderlich (Störfall)

Konzept A: mit BHKW-Technik & Absorber (KWKK)
• A1: BHKW + Absorber + Hybridkühler mit Wasseraufbereitung + Einbindung Freikühlung
• A2: BHKW + Absorber + Hybridkühler mit Wasseraufbereitung
Konzept B: mit ‚konventioneller‘ Kältetechnik
• B1: Scroll-Kältemaschine +Trockenkühler + Einbindung Freikühlung
• B2: Turbo-Kältemaschine + Hybridkühler mit Wasseraufbereitung + Einbindung Freikühlung
2 Grundkonzepte – jeweils 2 Varianten

Variante A1 Rechenzentrum
2.842MWh el/a
(ohne Energiezentrale)
Absorber
BHKW
EVU
Kompression
Hybrid-Rückkühler
Gas
Wärme
elektr.
Strom
Wärme
Abwärme
Verluste
&
Abgas
(Redundanz)
Freikühlung
elektr.
Strom
Wasseraufb. Wasser

Variante A2 Rechenzentrum
2.842 MWh el/a
Absorber
BHKW
EVU
Kompression
Hybrid-Rückkühler
Gas
Wärme
elektr.
Strom
Wärme
Abwärme
Verluste
&
Abgas
(Redundanz)
elektr.
Strom
Wasseraufb. Wasser

Variante B1+2 Rechenzentrum
2.842 MWh el/a
Scroll oder Turbo
Heizkessel
EVU
Redundanz
Hybrid-Rückkühler
Gas
elektr.
Strom
Wärme
Abwärme
Verluste
&
Abgas
Freikühlung
(Notbeheizung)
Wasseraufb. Wasser

Gestehungskosten
der Varianten
Variante A1
Absorber + BHKW
+ Freikühlung
Variante A2
Absorber + BHKW
Variante B1
Kompression
Scroll +
Freikühlung
Variante B2
Turbo +
Freikühlung
Blockheizkraftwerk 225.000 225.000 --- ---
Absorber 92.000 92.000 --- ---
Kompressionskälte --- --- 45.000 70.000
Kompressionskälte, Redun. 45.000 45.000 45.000 70.000
Hybrid-Rückkühler 95.000 95.000 --- 70.000
Trocken-Rückkühler --- --- 50.000 ---
Heizkessel Notbeheizung --- --- 20.000 20.000
Kühlwassersystem 40.000 40.000 25.000 35.000
BHKW-Peripherie 15.000 15.000 --- ---
Wasseraufbereitung 5.000 5.000 --- 5.000
Freikühleinrichtung 10.000 --- 10.000 10.000
Flächenkosten 170.000 170.000 90.000 90.000
Summe Investition 697.000 687.000 285.000 365.000

Variante A1
Absorber + BHKW
+ Freikühlung
Variante A2
Absorber + BHKW
Variante B1
Kompression
Scroll +
Freikühlung
Variante B2
B2: Turbo +
Freikühlung
Tilgungszeitraum 6 Jahre 6 Jahre 6 Jahre 6 Jahre
Zinssatz 4,7 % 4,7 % 4,7 % 4,7 %
Investitionssumme 697.000.- 687.000.- 285.000.- 365.000.-
Annuitätsfaktor 0,195 0,195 0,195 0,195
Errechnete Annuität 136.007.- 134.055.- 55.612.- 71.223.-
Kapitalkosten als Annuitäten

Betriebskosten
der Varianten
Variante A1
Absorber +
BHKW +
Freikühlung
Variante A2
Absorber +
BHKW
Variante B1
Kompression
Scroll +
Freikühlung
Variante B2
B2: Turbo +
Freikühlung
Strombezugskosten 158.- €/MWh 158.- €/MWh 158.- €/MWh 158.- €/MWh
Teuerungsrate Strom 4,0 %/a 4,0 %/a 4,0 %/a 4,0 %/a
Gasbezugskosten 53.- €/MWh 53.- €/MWh 53.- €/MWh 53.- €/MWh
Teuerungsrate Gas 4,0 %/a 4,0 %/a 4,0 %/a 4,0 %/a
Wartung & Instandhaltung 35.050.-€ 43.523.-€ 6.600.-€ 9.040.-€
Fremdbezug Strom gesamt 158.325.-€ 67.835.-€ 529.656.-€ 504.648.-€
Fremdbezug Gas 340.825.-€ 446.799.-€ 0.-€ 0.-€
Fremdbezug Wasser 3.406.-€ 3.406.-€ 0.-€ 1.698.-€
Energiekosten Fremdbezug 502.556.-€ 518.040.-€ 529.656.-€ 506.346.-€
KWK-Bonus/ Energiesteuer -111.094.-€ -145.637.-€ 0.-€ 0.-€
Energiekosten gesamt 391.462.-€ 372.403.-€ 529.656.-€ 506.346.-€
Betriebskosten gesamt
(im ersten Jahr)
426.512.-€ 415.926.-€ 536.256.-€ 515.386.-€

Betriebsstunden pro Jahr
0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000
B
2
:
T
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BHKW Kälteerzeuger Freikühlung

B1+2: Konventionelle Kältetechnik
0%
0%
100%
Verteilung Energieanteile Strom pro Jahr
A2: Absorber + BHKW
76%
11%
13%
A1: Absorber + BHKW + Freikühlung
61%
8%
31%
Selbstnutzung BHKW-Strom
Einspeisung BHKW-Strom
Fremdbezug

Kosteneinsparung nach
6 Jahren (B1-A1):
Ca. 144.000 € (!!)
Kosteneinsparung
nach
6 Jahren (B2-A1):
ca. 100.000 € (!!)

Konzept A
schon ab dem
1. Jahr wirtschaftlich!
Ende
KWK-Bonus >50kW
21 €/MWh
Vollständige Tilgung der
Kapitalkosten im 6. Jahr
Zunehmende
Wirtschaftlichkeit
ab dem 6. Jahr

Fazit zu KWKK-Systemen
• etablierte Technologien der Komponenten von KWKK-Systemen verfügbar
• Verbesserungspotentiale bei allen Komponenten gegeben (COP, Stromkennzahl etc.)
• voraussichtlich verbesserte KWK-Vergütungen ab 2012 möglich
• zukünftig höheres CO2-Einsparpotential durch KWKK-Systeme als konventionell
• KWKK trotz hoher Investitionskosten bei entsprechender Laufzeit wirtschaftlich sehr
interessant
• BAFA Förderung positiv für Projekte mit geringerer jährlicher Betriebsdauer
• Laufzeit von Absorptionsflüssigkeitskühlern > 20 Jahren bedeutet reduzierte Kosten für
Neubeschaffung gegenüber Kompressionskälteanlagen
• CO2-Äquivalent von KWK(K)-Systemen um mindestens 50% gegenüber Netzbezug
reduziert und besser als Kompression
• Marktanteil von Absorptionsflüssigkeitskühlern in Deutschland <10%, damit
Wachstumschancen dieses Segments

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
vorgestellt durch
Marco Henning
M.Sc., Dipl.-Ing (FH)
Tel. 0201/2400-4107
Mobil 0162/ 1098458
Email marco.henning@jci.com
Vertriebsleiter HVAC Klima- & Kaltwassersysteme
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