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Ringvorlesung
„Energie 2050 – Transformation des Energiesystems“
Leibniz Universität Hannover – 20.06.2012
„Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) – Effizienz in jeder Größenklasse“
Teil 1: die große KWK
Heizkraftwerke mit Fernwärmesystemen
Michael Kranz
Abteilung Energiewirtschaft
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 2
Vorteile der KWK, Kennzahlen
Primärenergieeinsparung durch KWK
Besonderheit GuD-Anlagen
Typische moderne Heizkraftwerke, Beispiel GuD in Hannover
Emissionsvergleich BHKW und GuD
Integration der KWK in das neue Energiesystem mit stark
fluktuierender Einspeisung der Erneuerbaren Energien
Wärmespeicher als Stromspeicher
Agenda
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 3
Wärmeerzeugung, Stromerzeugung, Kraft-Wärme-Kopplung – Nutzungsgrade
zu
ab
q
q1
Energiezugeführte
WärmeStrom
zu
ab
q
q1
Energiezugeführte
Strom
zu
ab
q
q1
Energiezugeführte
WärmeHeizkessel
Kondensationskraftwerk
KWK
80 – 95 %
35 – 55 %
50 – 90 %
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 4
Elektr. Wirkungsgrad von BHKW in Abhängigkeit der elektr. Leistung
Quelle: ASUE
GuD 50 – 500 MW
20
25
30
35
40
45
50
55
60
0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 9.000 10.000
elektr. Leistung [kW]
elek
tr. W
irk
un
gsg
rad
[
%]
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 5
Kennzahlen zur Ermittlung der KWK-Scheibe
Höhe der Primärenergieeinsparung (PEE)
Die Höhe der Primärenergieeinsparung ist die prozentuale
Einsparung an Brennstoff durch die gekoppelte Strom- und
Wärmeerzeugung innerhalb eines KWK-Prozesses gegenüber dem
Brennstoffwärmeverbrauch in Referenzsystemen der ungekoppelten
Strom- und Wärme-Erzeugung.
Die Höhe der Primärenergieeinsparung wird gemäß der EU-KWK-
Richtlinie nach folgender Formel berechnet:
%100
EfRe
EKWK
WfRe
WKWK
11PEE
W: Wärme
E: Strom
PEE steigt mit steigendem elektrischen Wirkungsgrad der KWK-Anlage Quelle: AGFW, FW308
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 6
Primärenergieeinsparung PEE gemäß EU-Richtlinie
prinzipiell
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70%
elektr. Wirkungsgrad
PE
E [
-]
PEE: Primärenergieeinsparung
gegenüber der getrennten Strom-
und Wärmeerzeugung
GuD BHKW
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 7
Zukünftige Heizkraftwerke (und Kraftwerke?) werden aus heutiger
Sicht überwiegend als GuD-Anlage ausgeführt werden
Was zeichnet GuD-Anlagen aus?
max. Wirkungsgrade
max. Stromkennzahl
Wodurch erreichen GuD-Anlagen ihre hohen Wirkungsgrade und
Stromkennzahlen?
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 8
T/S-Diagramm und Schema eines GuD-Kraftwerks
s in kJ/kg·K
-273
0
1200
T in
°C
1
2
3
4
6 5
7 8
10
Qzu
I
II 11
Qab
Qab
Bild 1: Der kombinierte Gas-/ Dampfturbinen-Prozess im T,s-Diagramm
T = Temperatur
s = Entropie
I: Gaskreislauf
1 – 2 = Verdichter
2 – 3 = Brennkammer (Zufuhr der Wärme Qzu)
3 – 4 = Turbine
4 – 5 = Abhitzekessel
5 – 1 = Kaminverlust (Abfuhr der Wärme Qab)
II: Wasser-Dampf-Kreislauf
6 – 7 = Economizer
7 – 8 = Verdampfer
8 – 9 = Überhitzer
9 – 10 = Dampfturbine
10 – 11 = Kondensator (Abfuhr der Wärme Qab)
11 – 6 = Speisewasservorwärmung
I. Gaskreislauf II. Wasser-Dampf-Kreislauf
Kühlturm
25° C
10
11
25° C 11‘
Wasser
60° C
6 6‘
5
7
130° C
115° C
Kamin
540° C
9
Dampf
150° C
520° C
4
9
8 5‘
1
Luft
15° C
Erdgas
2
G
G
3 Rauchgas
1200 °C
9
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 9
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
700 800 900 1.000 1.100 1.200 1.300 1.400 1.500 1.600
Obere Prozess-Temperatur [K]
Ca
rno
t-W
irk
un
gsg
rad
[
-]Carnot-Wirkungsgrad
Untere Prozess-Temperatur Tu: 298 K
Untere Prozess-Temperatur Tu: 813 K
Gasturbine
Dampf-Kraftwerk
GuD
Carnot = 1 - Tu
To
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 10
Beispiel: GuD-Heizkraftwerk Linden modernisiert
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 11
Bei Heizkraftwerken ist der Typ der Entnahmekondensations-
anlage die häufigste Ausführung.
Dieser Anlagentyp kann zur reinen (Kondensation-)
Stromerzeugung eingesetzt werden und wird bei voller
Wärmeauskopplung zur reinen KWK-Anlage mit max.
Brennstoffausnutzung von bis zu 90 %
Max. Flexibilität
- Stromerzeugung mit maximalen Wirkungsgrad
- Im KWK-Prozess max. Brennstoffausnutzung und max.
Stromkennzahl
Ideale Voraussetzungen für zukünftige Anforderungen
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 12
Strom- und Fernwärmeerzeugung in einer Entnahme-Kondensationsturbinenanlage
D = Dampferzeuger K = Abwärme-Kondensator
G = Generator HK = Heiz-Kondensator
P = Pumpe F = Frischdampfnutzung
Kond-A = Kondensations-Anteil KWK-A = KWK-Anteil
P
nutzbare
Wärme
Abwärme
HK
K
Strom
KWK-A
Kond-A
Brennstoff
F
Ab-
wärme
D
Bilanzgrenze
G
Eigenbedarf
Quelle: AGFW
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 13
1. Minimale Dampferzeugerleistung
Kondensationsbetrieb
2. Maximale Dampferzeugerleistung
Kondensationsbetrieb
3. Maximale Dampferzeugerleistung
max. Wärmeauskopplung
4. Minimale Dampferzeugerleistung,
volle Wärmeauskopplung
innerhalb des Kennfeldes ist
jeder Betriebspunkt möglich
Kennlinienfeld einer Entnahme-Kondensationsturbine vereinfachte Darstellung P/Q-Diagramm
Wärmeauskopplung [MJ/s]
Ele
ktr
ische
Le
istu
ng
[M
W]
4
1
3
2
Ko
nd
en
sa
tio
nslin
ie
x
2 3 → x Stromverlust infolge steigender Wärmeauskopplung
x Stromgewinn infolge abnehmender Wärmeauskopplung 3 2 →
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 14
Große Heizkraftwerke kommunaler Unternehmen versorgen über
große FW-Netze ihre Kunden.
Der bauliche und damit investive Aufwand für die Errichtung
eines FW-Netzes ist hoch
Durch Verdichtung werden stetig neue Kunden
angeschlossen
Damit wird der Rückgang des Wärmebedarfes durch
Wärmedämmmaßnahmen mehr als ausgeglichen
Das Netz verursacht Wärmeverluste, diese liegen im
einstelligen Prozentbereich und sind damit tolerabel
FW-Netze verfügen über einen Wärmespeicher
→ Erhöhung Flexibilität
GuD-Anlagen als EK-Anlagen passen sich jederzeit dem
Strom-/ Wärmebedarf an
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 15
320 MW
100 MW
6 MW
40 MW
15 MW
120 MW
20 MW
45 MW 25 MW
30 MW
25 MW
FW-Netz enercity mit innerstädtischen Kraftwerksstandorten
Netzlänge: etwa 300 km
30.000 Wohnungen sowie Krankenhäuser und Schwimmbäder im Stadtgebiet werden beliefert
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 16
Ø Strom- und FW-Bedarf für HannoverJahre 2006 - 2010 | Di - Fr | 0° C | Maxwerte = 100 %
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
00:0
0
01:0
0
02:0
0
03:0
0
04:0
0
05:0
0
06:0
0
07:0
0
08:0
0
09:0
0
10:0
0
11:0
0
12:0
0
13:0
0
14:0
0
15:0
0
16:0
0
17:0
0
18:0
0
19:0
0
20:0
0
21:0
0
22:0
0
23:0
0
Uhrzeit
Strom Stadtnetzbedarf
FW-Einspeisung
Ø Strom und FW-Bedarf für Hannover
Jahre 2006 – 2010 | Di-Fr | 0° C | Maxwerte = 100 %
Strom und Wärmebedarf passen im Winter gut zusammen
→ ideale Voraussetzung für KWK-Betrieb
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 17
Gedankenansatz: die GuD-Linden wird ersetzt durch BHKW
Basisansatz: 600 GWh/a Wärmeerzeugung
Wieviele BHKW werden benötigt?
Wieviel KWK-Strom wird produziert?
Auswirkungen auf Emissionen
Vergleich GuD-Heizkraftwerk mit BHKW
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 18
Notwendige Anlagen-Anzahl zur Produktion von 600 GWh/a Wärme
8.551
2.947
461
123 62 27 1
0
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
6.000
7.000
8.000
9.000
6 kW
BHKW
20 kW
BHKW
200 kW
BHKW
1.000 kW
BHKW
2.000 kW
BHKW
5.000 kW
BHKW
GuD
Daten-Basis: ASUE
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 19
KWK-Strom-Produktion bei Produktion von 600 GWh/a Wärme
257
295
453
591
623
767
675
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
6 kW
BHKW
20 kW
BHKW
200 kW
BHKW
1.000 kW
BHKW
2.000 kW
BHKW
5.000 kW
BHKW
GuD
Str
om
erze
ug
un
g [
GW
h e
l]
Daten-Basis: ASUE
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 20
Spezifische NOx- und CO-Emissionen bezogen auf KWK-Strom-Produktion
694
1.020
1.278
776
472
1.264
1.190 1.166
20
926
1.348
1.269
233
933
0
200
400
600
800
1.000
1.200
1.400
1.600
6 kW
BH
KW
20 k
W B
HK
W
200
kW B
HK
W
1.00
0 kW
BH
KW
2.00
0 kW
BH
KW
5.00
0 kW
BH
KW
GuD
[g/M
Wh
el]
NOx CO
Daten-Basis: ASUE
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 21
Wie integrieren sich KWK-Anlagen in das zukünftige
Energiesystem, dass maßgeblich durch stark steigende
Einspeisungen hochvolatiler Erneuerbarer geprägt ist?
Regelenergiebedarf wird deutlich steigen
Hier leisten KWK-Anlagen einen wertvollen Beitrag
EK-Anlagen die mit Wärmespeicher arbeiten können als
Stromspeicher eingesetzt werden
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 22
Exemplarischer Wochenverlauf Winterwoche 2020
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Fr Sa So Mo Di Mi Do
PV WEA-onshoreWEA-offshore konv. KWKBio (wärmegeführt) GeothermieWasser NachfrageGW
Residuallast
Quelle: Consentec et. al
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 23
Aus Dromedar …
Bisheriges Tagespreisgefüge:
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 24
… wird Kamel!
Kommendes Tagespreisgefüge:
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 25
Die Einsatzweise von (Heiz) Kraftwerken wird durch die
Stundenpreise an der Strombörse bestimmt
Hohe Einspeisungen der Erneuerbaren
→ niedrige Residuallast
→ Strompreise sinken
→ Anlagen reduzieren ihre Erzeugung
Niedrige Einspeisungen der Erneuerbaren
→ hohe Residuallast
→ Strompreise steigen
→ Anlagen erhöhen ihre Erzeugung
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 26
Wann ist Energie am wichtigsten? Winter, Übergangszeit?
klare kalte Winternacht … keine Solarenergie, kein Wind
Quelle der Bilder: Internet
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 27
Entstehung Regelenergiebedarf
Ausgleich Ungleichgewicht Last/Erzeugung, Frequenzstabilisierung
bisher:
Lastschwankungen hervorgerufen durch Nutzungsverhalten der Verbraucher
Erzeugungsschwankungen durch KW-Ausfälle, KW-Lastbeschränkungen
Grundsatz: die Erzeugung folgt der Last zur Systemstabilisierung
aktuell:
Erzeugungsschwankungen durch hochvolatile Einspeisungen der
erneuerbaren Energien (Wind, Solar)
Bedarf an Regelenergie deutlich gestiegen
durch weiteren Ausbau der EE nimmt Bedeutung der Regelenergie weiter zu
Ziel:
Last folgt der Erzeugung, damit mögl. Begrenzung der Regelenergie-
bereitstellung durch Kraftwerke
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 28
Bereitstellung Regelenergie durch flexibilisierte Wärmeauskopplung mit flankierenden Maßnahmen
G
Wärmespeicher Elektroheizer
(Windheizer)
bei Starkwind
Kessel
FW-Netz
lagert Wärme aus
Dampf bleibt in der Turbine
→ Stromerzeugung steigt
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 29
KWK verbindet Strom- und Wärmemarkt
Wärmemarkt
volatile EE
(Wind Sonne)
Speicher derzeit
eingeschränkt
(nur Pumpspeicher)
eher planbare EE
(Biomasse, Geothermie)
Speicher möglich
KWK-Anlage
als
Bindglied
Strommarkt
eher volatile Last weniger volatile Last
Ringvorlesung 20-06-2012, Leibniz Universität Hannover 30
KWK und Erneuerbare integrieren sich gut in das neue Energiesystem
KWK als die Effizienztechnologie ist aus ökologischen Gesichtspunkten immerhin die „2. Wahl“, gleich nach den EE.
KWK ist sicher verfügbar und einsetzbar
Strombedarf aus sicher verfügbaren Anlagen ist (noch) grundsätzlich höher als KWK-Wärmebedarf → ideal sind hohe Stromkennzahlen
große KWK-Anlagen sind effizienter als kleine, allerdings benötigen sie große Netze
kleine und Kleinst-KWK-Anlagen sind dort sinnvoll, wo Netze nicht erschlossen werden können
durch kleine KWK-Anlagen wird sich diese Effizienztechnologie weiter verbreiten
wo immer wirtschaftlich und technisch möglich, sollte KWK zum Einsatz kommen
→ Allerdings werden wir noch viele Dekaden nicht ohne Kondensationsstromerzeugung auskommen
Fazit
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Michael Kranz
Abt. Energiewirtschaft
Stadtwerke Hannover AG // Glockseestraße 33 // 30169 Hannover
Tel (0511) 430-3372 // Fax (0511) 430-941-3372
[email protected] // www.enercity.de