Peter Tzscheutschler, TU München

Technische Universität München
Blockheizkraftwerke (BHKW)
Wann ist ihr Einsatz ökonomisch und
ökologisch sinnvoll?
14.10.2013, Ebersberg
Dr.-Ing. Peter Tzscheutschler
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik
Prof. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
Arbeitsgebiete des Lehrstuhls
600
Excess Must-run
Solar
Electricity Generation in TWh
500
Wind - Offshore
Wind - Onshore
Water
400
CHP
Geothermal
300
Biomass
Oil
200
Gas Turbine
CCGT
100
Hard Coal
Hard Coal 700°C
Lignite
0
Lignite 700°C
2020
2025
2030
2035
2040
Year
2050
KWEinsatzplanung
Elektromobilität
op
Renewable
Energies
2045
t im
Presidual
t im
io
rat
pe
- up
Energy
Storage
n
d
uil
ing ure
ist
ex t ruc t
ras
inf
gb
isin
go
isin
op
Power Transmission
Network
Energiesystemmodellierung
Wärmespeichermanagement
6118
6B11
-QTB
DemandsideManagement
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik
Prof. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
MikroKWK
t1
t1
THS,Set
Conventional
Power Plants
t0
t0
Storage Capacity
2015
TCHP,Supply
61201B11
2010
Energy Content
hTS
Nuclear
-100
TTS
2
Inhalt
Technische Universität München
• Allgemeines zur Kraft-Wärme-Kopplung
• KWK Systeme zur Objektversorgung
• Erfahrungen mit Mikro- und Mini-BHKW-Systemen
• Sind BHKW wirtschaftlich?
• Sind BHKW ökologisch sinnvoll?
• Energiewirtschaftliche Integration der KWK
• Zusammenfassung und Ausblick
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik
Prof. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
Inhalt
Technische Universität München
• Allgemeines zur Kraft-Wärme-Kopplung
• KWK Systeme zur Objektversorgung
• Erfahrungen mit Mikro- und Mini-BHKW-Systemen
• Sind BHKW wirtschaftlich?
• Sind BHKW ökologisch sinnvoll?
• Energiewirtschaftliche Integration der KWK
• Zusammenfassung und Ausblick
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Was ist Kraft-Wärme-Kopplung?
getrennte Erzeugung
72 kWh
Kraft-Wärme-Kopplung
65 kWh
Wärme
Kessel
hth = 90
%
BHKW
S 120 kWh
48 kWh
hth = 65 %
hel = 25 %
Kraftwerk
hel = 40 %
45586B06
100 kWh
25 kWh
Strom
10 kWh Verluste
30 kWh Verluste
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Prof. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
5
Leistungsbereiche der KWK
Groß KWK
• Mehrere 100 MWel
• Kraftwerke mit Wärmeauskopplung (Fernwärme, Prozesswärme/-dampf)
Klein-KWK
• Bis 2 MWel
• Blockheizkraftwerke (BHKW)
Mini-KWK
• Bis 50 kWel
• BHKW, Brennstoffzellen, Mikro-Gastrubinen, ORC
Mikro-KWK
• Bis ~2 kWel
• BHKW, Brennstoffzellen
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6
Technologien im Bereich Mikro-/Mini-KWK
Ottomotoren
• Leistungsbereich 1 kWel bis 9.500 kWel
Stirling-Maschinen
• Leistungsbereich 1 kWel bis 8 kWel
(Mikro)-Gasturbinen
• Leistungsbereich 30 kWel bis (200 kWel) 340 MWel
Organic-Rankine-Cycle
• Leistungsbereich (5 KWel) 100 kWel bis ca. 10 MWel
Brennstoffzellen
• Leistungsbereich 0,7 kWel bis 300 kWel
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7
Was sind Blockheizkraftwerke
Blockheizkraftwerk
• Kompakte Anlage zur Erzeugung von Strom und Wärme
• Üblicherweise Otto-/Dieselmotor, Generator
• Nutzung der Motorabwärme (Kühlkreislauf, Abgas)
1 kWel
Bildquelle: Remeha
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9.500 kWel
Bildquelle: GE Jenbacher Gas Engines
8
Inhalt
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• Allgemeines zur Kraft-Wärme-Kopplung
• KWK Systeme zur Objektversorgung
• Technologien
• Systemkomponenten
• Erfahrungen mit Mikro- und Mini-BHKW-Systemen
• Sind BHKW wirtschaftlich?
• Sind BHKW ökologisch sinnvoll?
• Energiewirtschaftliche Integration der KWK
• Zusammenfassung und Ausblick
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Geräteübersicht Mini-KWK
• seit vielen Jahren auf dem Markt
• Marktführer: Senertec, Vaillant
• 4,7 bzw. 5,5 KWel, 12,5 kWth
• Wirkungsgrad 27% elektrisch, 92 % gesamt
• Weitere Hersteller: Kirsch, EC-Power, YANMAR, AISIN
• Einsatz: größere Wohnhäuser, kleineres Gewerbe
Bildquelle: Senertec
Bildquelle: vaillant
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Bildquelle: Kirsch
10
Mikro-KWK Systeme 1 kWel
Microgen Stirling Engine:
• 1 kWel, 5,3-5,8 kWth + Zusatzbrenner
• Wandhängendes Heizgerät
• Brötje GmbH EcoGen WGS 20.1
• Remeha eVita 25s
• Viessmann Vitotwin 300-W
• Mit integriertem Wärmespeicher
• Senertec Dachs Stirling SE
Vaillanz Ecopower 1.0 :
• 1 kWel, 52,5 kWth + Zusatzbrenner
• Honda Motor
• Einsatz: Ein-/Zweifamilienhäuser
Bildquellen: Hersteller
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11
Brennstoffzellen Mikro-KWK Systeme
CALLUX Feldtest (800 Anlagen)
• Vaillant
• SOFC, 1 kWel, 2 kWth + Zusatzbrenner
• Hexis Galileo 1000 N
• SOFC, 1 kWel, 2 kWth + Zusatzbrenner
• Baxi Innotech GAMMA 1.0
• PEM, 1 kWel, 1,7 kWth + Zusatzbrenner
Ceramic Fuel Cells BlueGen
• SOFC, 1,5 kWel, 0,6 kWth + Zusatzbrenner
Elcore 2400
• PEM, 0,3 kWel, 0,6 kWth
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12
Mikro-KWK - hydraulische Einbindung
A: Kombispeicher
T
T
T
Erdgas
T
Heizkreis
Mikro
Mikro-KWKAnlage
Kombi-Speicher
BHKW
T
Stromnetz
T
Frischwasser
T
© TUM IfE 64-002-B-10
T
Heizkreis
B: Warmwasserspeicher
T
T
T
Erdgas
T
T
Mikro
BHKW
Mikro-KWKAnlage
WarmwasserSpeicher
T
T
Stromnetz
© TUM IfE 64-003-B-10
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Prof. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
T
14
Inhalt
Technische Universität München
• Allgemeines zur Kraft-Wärme-Kopplung
• KWK Systeme zur Objektversorgung
• Erfahrungen mit Mikro- und Mini-BHKW-Systemen
• Sind BHKW wirtschaftlich?
• Sind BHKW ökologisch sinnvoll?
• Energiewirtschaftliche Integration der KWK
• Zusammenfassung und Ausblick
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Mikro- und Mini-KWK Feldversuche in Bayern
Feldtest im Gebiet der Energie Südbayern im Zeitraum 2008 bis 2012
Messung von Systemen im realen Einsatz
• 4x Remeha eVita (1 kWel, Stirling)
• 4x Vaillant ecopower 4.7 (4,7 kWel, Gasmotor)
• 4x OTAG Lion Powerblock (nicht mehr am Markt)
• 2x Viessmann Vitotwin 300-W (Viessmann Vitotwin 300-W)
• 1x Honda Ecowill (jetzt Vaillant ecopower 1.0)
• 4x Senertec Dachs (5,5 kWel, Gasmotor)
• 1x AISIN Marathon (4,6 kWel, Gasmotor)
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16
Mikro-KWK Pilottest Bayern
- Installation
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17
Wintertag Kombi Speicher
@TUM-IfE-60-025-10
Leistung [kW]
15
10
TA = 1,3°
C
5
Erdgas
BHKW Wärme
BHKW Strom
0
Leistung [kW]
00:00
30
04:00
08:00
12:00
16:00
20:00 Time 00:00
20
Heizung
Warmwasser
Zirkulation
10
0
00:00
04:00
08:00
12:00
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik
Prof. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
16:00
20:00 Time 00:00
18
Wintertag, Warmwasserspeicher
@TUM-IfE-60-024-10
25
Leistung [kW]
TA = 1,3°
C
20
Erdgas
BHKW Wärme
BHKW Strom
15
10
5
Leistung [kW]
0
00:00
30
04:00
08:00
12:00
16:00
20:00 Time 00:00
20
Heizung
Warmwasser
Zirkulation
10
0
00:00
04:00
08:00
12:00
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik
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16:00
20:00 Time 00:00
19
Übergangstag, Kombispeicher
@-TUM -IFE 60 -037 -10
Leistung [kW]
10
Erdgas
BHKW Wärme
BHKW Strom
5
Leistung [kW]
0
00:00
20
04:00
08:00
12:00
16:00
20:00 Time 00:00
Heizung
Warmwasser
Zirkulation
10
0
00:00
04:00
08:00
12:00
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik
Prof. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
16:00
20:00 Time 00:00
20
Übergangstag, Warmwasserspeicher
@-TUM -IFE 60 -036 -10
Leistung [kW]
15
10
Erdgas
BHKW Wärme
BHKW Strom
5
Leistung [kW]
0
00:00
20
04:00
08:00
12:00
16:00
20:00 Time 00:00
Heizung
Warmwasser
Zirkulation
10
0
00:00
04:00
08:00
12:00
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik
Prof. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
16:00
20:00 Time 00:00
21
Fazit der Feldtests
• Seriensysteme laufen sehr zuverlässig.
• Geplante Betriebsdauern wurden überwiegend erreicht
• Wärmespeicher hat erheblichen Einfluss auf den Anlagenbetrieb
• Heizungspufferspeicher reduziert die Anzahl der Betriebstakte
• Eigennutzung des KWK-Stroms schwankt stark:
• Minimal 20 %
• Maximal 95 %
• Anlagenparameter waren oft nicht an das Gebäude und das
Nutzerverhalten angepasst
 Bei der Parametrisierung der Systeme besteht noch Potenzial für
Verbesserungen
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22
Inhalt
Technische Universität München
• Allgemeines zur Kraft-Wärme-Kopplung
• KWK Systeme zur Objektversorgung
• Erfahrungen mit Mikro- und Mini-BHKW-Systemen
• Sind BHKW wirtschaftlich?
• KWK-Förderung
• Einflussfaktoren
• Auslegung
• Sind BHKW ökologisch sinnvoll?
• Energiewirtschaftliche Integration der KWK
• Zusammenfassung und Ausblick
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Förderung der Kraft-Wärme-Kopplung
25 % KWK
Stromerzeugung
bis 2020
KRAFTWÄRMEKOPPLUNG
KWKG
Förderprogramm
µKWK
EnWG
EnEV
Strom
Wärme
EEG
Wettbewerbsmarkt
EEWärmeG
Erneuerbare
Energien
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Bedarfsrückgang
24
KWKG
Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz
Ziel: Erhöhung der KWK-Stromerzeugung auf 25 % bis 2020
• Gesetz gilt bis 2020, Gesamtförderung 750 Mio. €/a
• Hocheffiziente Anlage im Sinne der Richtlinie 2004/8/EG
• BAFA Liste
• Verdrängungsverbot von Fernwärme
• Vorrangiger Anschluss und vorrangige Abnahme des Stroms
• KWK-Zuschlag:
•
•
•
•
bis 50 kWel: 5,41 Ct/kWhel
bis 250 kWel: 4,0 Ct/kWhel
bis 2 MWel: 2,4 Ct/kWhel
über 2 MWel: 1,8 bis 2,1 Ct/kWhel
• Laufzeit 30.000 Vollbenutzungsstunden (bis 50 kW auch 10 Jahre)
• Bis 2 kWel auch vorgezogene Auszahlung
• Förderung von Wärme- und Kältenetzen und -speichern,
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25
Einspeisevergütung für KWK-Strom
Der Netzbetreiber muss KWK Strom zum „üblichen Preis“ abnehmen.
-> EEX KWK Index (mittlerer Baseload-Preis letztes Quartal)
8
€ct/kWh]
7
6
5
4
3
2
1
0
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
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26
Förderprogramm
µKWK
Marktanreizprogramm Mikro-KWK
Investitionskostenzuschuss für Anlagen bis 20 kWel
• Anerkannte Anlagen
• Jahresnutzungsgrad > 85%
• Mindestgröße Speicher + intelligentes Speichermanagement
• Smart Meter Anschluss und definierte Schnittstelle für Leistungsvorgaben
• Neuerrichtung in Bestandsgebäude
•
•
•
•
Keine Verdrängung von Nah- oder Fernwärme
Hydraulischer Abgleich
4.000
Umwälzpumpe nach Eneff.kl. A
Invest. Zuschuss [€]
Wartungsvertrag verpflichtend
3.000
2.000
1.000
Nennleistung [kWel]
0
0
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5
10
15
20
27
Sensitivitätsanalyse – Beispiel 5 kWel BHKW
Jahresüberschuss/-defizit [€/a]
1 200
Ausnutzungsdauer
Investition
Erdgaspreis
Anteil Einspeisung
Einspeisevergütung
Strombezugspreis
1 000
800
(5.000 h/a)
(25.000 €)
(0,06 €/kWh)
(30 %)
(0,05 €/kWh)
(0,20 €/kWh
600
400
200
0
80%
90%
100%
110%
120%
130%
-200
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik
Prof. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
28
BHKW in der Objektversorgung
Heizöl- und
Erdgaspreis
?
£ € $
2000
2013
Strompreis
?
2000
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Prof. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
2013
29
Auslegung von BHKW-Systemen
• Die Betriebsdauer sollte ca. 5.000 h/a erreichen
 Ausreichende Wärmenachfrage
• Eigengenutzter KWK Strom ist am wirtschaftlichsten
• Einspeisung ca. 4 €ct/kWh Vergütung
• Strombezug ca. 26 €ct/kWh Kosten
 Anlagenbetrieb bei Stromnachfrage
 Ausreichende Stromnachfrage
• Wärmespeicher einplanen
 Entkopplung Stromnachfrage von Wärmelieferung
Voraussetzung: Ausreichend gute Kenntnis des Strom- und
Wärmebedarfs
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik
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30
Inhalt
Technische Universität München
• Allgemeines zur Kraft-Wärme-Kopplung
• KWK Systeme zur Objektversorgung
• Erfahrungen mit Mikro- und Mini-BHKW-Systemen
• Sind BHKW wirtschaftlich?
• Sind BHKW ökologisch sinnvoll?
• Energiewirtschaftliche Integration der KWK
• Zusammenfassung und Ausblick
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Prof. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
CO2-Emissionen Kessel und 1kWel BHKW
14
TUM-IfE 39-385-A-11
CO2-Emissionen [t/a]
12
-26 %
10
BHKW
-20 %
-23 %
-17 %
8
Strombezug
(Saldo)
-11 %
-15 %
Kessel
6
4
2
NT
BW KWK
NT
BW KWK
NT
BW KWK
0
System A
System B
System C
Emissionsfaktor Strom: 580 gCO2/kWhel. Erdgas: 205 gCO2/kWhgas
eingespeister Strom wird mit dem CO2-Faktor für bezogenen Strom bewertet, und ist im Anteil des Strombezugs enthalten
Vergleich mit Niedertemperaturkessel (80% Nutzungsgrad) und Brennwertkessel (95% Nutzungsgrad)
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik
Prof. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
32
Primärenergieaufwand Kessel und 1kWel BHKW
80
TUM-IfE 39-386-A-11
Primärenergieeinsatz [MWh/a]
70
60
50
-24 %
BHKW
Kessel
-19 %
-22 %
-15 %
40
-10 %
-13 %
30
Strombezug
(Saldo)
20
10
NT
BW KWK
NT
BW KWK
NT
BW KWK
0
System A
System B
System C
Primärenergie-Faktor Strom: 2,6 kWhPE/kWhel. Erdgas: 1,1 kWhPE/kWhgas
eingespeister Strom wird mit dem PE-Faktor für bezogenen Strom bewertet, und ist im Anteil des Strombezugs enthalten
Vergleich mit Niedertemperaturkessel (80% Nutzungsgrad) und Brennwertkessel (95% Nutzungsgrad)
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik
Prof. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
33
16
80
14
70
Primärenergie [MWh/a]
CO2-Emissionen [t/a]
Primärenergie- und CO2-Bilanz (5 kWel BHKW)
12
10
8
6
4
2
0
60
50
40
30
20
10
0
BHKW Brennwertkessel
Saldo Strombezug
Gasbezug Kessel
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BHKW
Brennwertkessel
Gasbezug BHKW
34
Inhalt
Technische Universität München
• Allgemeines zur Kraft-Wärme-Kopplung
• KWK Systeme zur Objektversorgung
• Erfahrungen mit Mikro- und Mini-BHKW-Systemen
• Sind BHKW wirtschaftlich?
• Sind BHKW ökologisch sinnvoll?
• Energiewirtschaftliche Integration der KWK
• Zusammenfassung und Ausblick
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Ziele des Bundesregierung
2050
2020
1990
35 %
regenerativer
2012
Strom
24 %
25 %
regenerativer
KWK-Anteil
Strom
14 %
KWK-Anteil
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80 %
regenerativer
Strom
80 %
weniger
Klimagas
Emissionen
36
Erwartete KWK-Entwicklung in Deutschland
120
KWK Stromerzeugung [TWh/a]
9
100
Mikro KWK (< 10 kWel)
Nahwärme-KWK
1
80
60
Fernwärme-KWK
40
Industrie-KWK
20
0
2005
2010
2020
2030
Source BMU
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37
Stromproduktion [TWh]
Studie „Bayerische Stromversorgung im Jahr 2022“
- Jahresübersicht
50 % Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien
Quelle: Hamacher, Ahlhaus, Kandler
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38
Vision
Kommuniktion
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39
Zusammenfassung
Technische Universität München
• Mikro- und Mini-KWK-Systeme am Markt verfügbar
• Markteintritt von Brennstoffzellen-KWK
• In Praxistests gute Erfahrungen mit den Systemen
• Auslegung und Betrieb der Anlagen oft nicht optimal
• Auslegung und Einsatz des Speichers
• Anpassung der Betriebsparameter
• KWK-Systeme sind hocheffizient:
• Minderung der Klimagasemissionen
• Reduzierung des Primärenergiebedarfs
(Ressourcenschonung)
• Zukünftig Integration in Smart-Grid, Smart-Home
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik
Prof. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
Weitere Informationen zum Thema
Informationsportale
• www.bhkw-infothek.de
• www.bhkw-prinz.de
• www.blockheizkraftwerk-bhkw.net
• www.asue.de
Offizielles
• www.gesetze-im-internet.de/kwkg_2002
• www.bafa.de
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41
Fragen?!
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik
Prof. Dr.-Ing. U. Wagner, Prof. Dr. rer. nat. Th. Hamacher
42