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Potenzialanalyse eines Schwarms biogener Wärmekraftkoppelungsanlagen
zur Kompensation fluktuierender erneuerbarer Stromquellen
Frühstückspräsentation: Projektvorstellung und Fachgespräche
13.4.2016Projekt CHPswarm - Frühstückspräsentation 1
Autoren: Giovanni Beccuti, Konstantinos Boulouchos, René Buffat, Turhan Demiray, Gil Georges, Evangelos Panos, Kannan Ramachandran, Martin Raubal, Philipp Vögelin
Referenten: Konstantinos Boulouchos, Gil Georges
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Begrüssung
Gesamtperspektive Rolle WKK und Biomasse
Projektvorstellung
Allgemeine Fragerunde
Austausch mit Fachspezialisten
Buffet während ganzer Veranstaltung geöffnet
Folien werden am Anschluss an Veranstaltung per Mail verteilt
(wer sich nicht online angemeldet hat Liste am Eingang)
Abschlussbericht online verfügbar: http://bit.ly/1qnnMYB
13.4.2016Projekt CHPswarm - Frühstückspräsentation 2
Was Sie erwartet
Konstantinos Boulouchos
Gil Georrges
Ganze Projektgruppe
|| 13.4.2016Projekt CHPswarm - Frühstückspräsentation 3
Gesamtperspektive:Rolle von WKK und Biomasse im Energiesystem
Konstantinos Boulouchos
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Überschuss (A) gespeichert und verstromt (B)
Batterien
(eff. 80%, Stunden)
Pumpspeicherkraftwerke (PSK)
(eff. 75%, Tage)
Power-To-Gas-To-Power (P2G2P)
(eff. 30-40%, Monate)
Steuerbare Erzeuger auf Abruf (C):
PSK + P2G2P (innert 1min)
Verbrennungsmotoren-WKK (bereit <3min, biogen möglich)
Gas- und Dampfkraftwerke (innert 20min)
Stromnetz mit fluktuierenden erneuerbaren Quellen
13.4.2016Projekt CHPswarm - Frühstückspräsentation 4
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23TWh nachhaltiges
Biomassepotential 1
~10% des CH-Strombedarfs 2
~33% des CH-Spitzenbedarfs bei
3GW Spitzenleistung @ 2000h/a 2
~10% der jährlichen Wärmebedarfs
Warmwasser/Raumheizung 2
Potential von Bioenergie und WKK in der Schweiz
1) Nach Steubing et. al., “Biogenergy Switzerland”, Renew. Energy Reviews, 2010
2) http://www.bfs.admin.ch Energiestatistik 2014 13.4.2016Projekt CHPswarm - Frühstückspräsentation 5
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WKK
WKK Strombeitrag im Winterwesentlicher Strombeitrag von biogenen WKK im Winter
13.4.2016Projekt CHPswarm - Frühstückspräsentation 6
7
7
58
27
33
Sommerhalbjahr
Winterhalbjahr
Raumwärme
und
Warmwasser(TWh pro Jahr)
Elektrizität(TWh pro Jahr)
15 TWh Biomethan (im Jahr)
6 TWh
Elektrizität(im Jahr)
7.5 TWh
Wärme(im Jahr)
0.8 TWh0.6 TWh
5.4 TWh 6.8 TWh
16.3 %
davon nuklear:
13.5 TWh
90
% d
er
Pro
du
ktion
im W
inte
r
||
Annahme: 2’000 h/a WKK-Betrieb
3 GW Spitzenleistung bei 9GW Schweizer Spitzenbedarf im Winter
90% Betrieb im Winter 10h/d
Biogene WKK-Anlagen im Verbund (Beispiel)Portfolio verschiedener Anlagengrössen
= 3 GWel
Wä
rme
-
sp
eic
he
r
WKK
1’000 x 1’000kWel100’000 x 10kWel
10’000 x 100kWel
13.4.2016Projekt CHPswarm - Frühstückspräsentation 7
|| 13.4.2016Projekt CHPswarm - Frühstückspräsentation 8
Projektvorstellung:Potenzialanalyse eines biogenen WKK-Schwarms
Gil Georges
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Wärme-Kraft-Kopplung
Wärmeversorgung von Gebäuden / Prozessen
Verbünde von Anlagen (Schwärme)
Dezentrale Stromproduktion
Fluktuationen durch Erneuerbare
Brennstoff nur Biogas
13.4.2016Projekt CHPswarm - Frühstückspräsentation 9
Verteilte, biogene WKKs Einspringen wenn Sonne nicht scheintPotenzial in konkreten Regionen der Schweiz
WKK
WKK
WKK
WKK
Potenzialanalysen:
Technisch regionale Fallstudien
Ökonomisch nationale Energieszenarien
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Finanzierung, Projektpartner und Regionen für Fallstudien
Sponsoren: Forschungspartner:
Projektleitung
Modellierung WKK-Anlagen
Wärmebedarf Gebäude und Industrie
Biomasseverfügbarkeit
Standorte Biogasanlagen
Gebäudestruktur
Stromnetzsimulation
PV-Erzeugung
Zukunftsszenarien 2050
Marktanteile
Laboratorium für Aerothermochemie
und Verbrennungssysteme ETH (LAV)
Geoinformation Engineering ETH (GIE)
Forschungsstelle Energienetze ETH (FEN)
Energy Economics Group PSI (EEG)
13.4.2016Projekt CHPswarm - Frühstückspräsentation 10
Untersuchte Regionen (Partner):
Swiss Electric Research
Bundesamt für Energie
Kanton Luzern
Kanton Thurgau
Kanton Basel-Stadt
Centralschweizerische Kraftwerke (CKW)
Energie Wasser Luzern (EWL)
Wasserwerke Zug (WWZ)
Abteilung Energie des Kt. Thurgau
Industrielle Werke Basel (IWB)
|| 13.4.2016Projekt CHPswarm - Frühstückspräsentation 11
Schritt 1: Auslegung von WKK-Anlagen
Wärme- & Stromkonsumenten
Gasnetz Stromnetz
WKK
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Auslegung einer WKK-Anlage für gegebenes Haus / IndustrieAuslegungskriterium für Auslegung und Betrieb: maximale Rendite (Strom- und Wärmeverkauf)
13.4.2016Projekt CHPswarm - Frühstückspräsentation 12
Wärme
Stro
m
Ohne Speicher = «Heizung»:
Betrieb durch Wärmebedarf diktiert
Flexibilisierung
ISO13790 – SIA380
Gas
Erlös am Strommarkt
hängt davon wann
produziert wird
Die Effizienz steigt allgemein mit der Leistung; für gleiche
Senke kürzere Produktionszeit grösserer Tank
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Betriebsprofil einer wirtschaftlich optimierten WKK-AnlageBeispiel: Mehrfamilienhaus, 2. Woche März
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Zusammenspiel mit PV Ausgleichen von FluktuationenBetrieb als hochdynamische Stromquelle
Wärme- & Stromkonsumenten
Gasnetz Stromnetz
WKK
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Schritt 2: Charakterisierung möglicher Installationsorte
Wärme- & Stromkonsumenten
Gasnetz Stromnetz
45’641
27’550
20’211
23
15
4
|| 13.4.2016Projekt CHPswarm - Frühstückspräsentation 16
Schritt 4: Abschätzung der BiogaspotenzialeRegionales Potenzial auf Grund der lokalen Biomasseverfügbarkeit
Wärme- & Stromkonsumenten
Gasnetz Stromnetz
landwirt.
Abfälle
Fermentierung
Bioabfälle
Katalyse
Holzabfälle
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Schätzung der Biogaspotentiale im Kanton Luzern
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Landwirtschaftliche Biomasse Hausrat, Gastroabfälle, Grünschnitt, usw.
|| 13.4.2016Projekt CHPswarm - Frühstückspräsentation 18
Schritt 5: Schwarm-Auswahlmaximale Rendite bei maximaler Nutzung des Biogaspotenzials
Wärme- & Stromkonsumenten
Gasnetz Stromnetz
landwirt.
Abfälle
Fermentierung
Bioabfälle
Katalyse
Holzabfälle
WKK WKK WKK
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Optimale Zusammensetzung der biogenen WKK-Schwärmebeste Rendite, bei maximaler Ausbeute des lokalen Biogas-Potentials (kein Biogas unverbrannt lassen)
13.4.2016Projekt CHPswarm - Frühstückspräsentation 19
|| 13.4.2016Projekt CHPswarm - Frühstückspräsentation 20
Stromlastgänge, exemplarisch für Region der Grösse von LuzernHinterlegt: nominelle Spitzenleistung des gesamten Schwarms
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Stromlastgänge, exemplarisch für Region der Grösse von LuzernWasser und Bedarf skaliert von der Schweiz nach Bevölkerung, mit PV und WKK Beiträgen
13.4.2016Projekt CHPswarm - Frühstückspräsentation 21
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Strom- und Wärmeanteil der Schwärme
13.4.2016Projekt CHPswarm - Frühstückspräsentation 22
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Stromgestehungskosten mit Wärmeverkaufstatische Analyse, Erlös aus Wärmeverkauf abgezogen, jährliche Überschlagsrechnung
Annahmen
Wärmepreis: äquiv.
Gasheizung
Betrieb: 2000h/a
Wärmspeich: 4h·Pth
Gaspreise:
Biogas: 0.16CHF/kWh
Erdgas: 0.08CHF/kWh
Vergütung
Hochtarif(je nach Kanton)
13.4.2016Projekt CHPswarm - Frühstückspräsentation 23
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Ökonomische Analyse: Perspektive in 2050
0
10
20
30
40
50
60
70
80
2010 "POM" -70% CO2Reduktion ggb.
2010
Ele
ktr
izität [T
Wh]
Nuklear
Gaskraft
Erneuerbar
Kehricht
WKK (fossil)
WKK (biogen)
Wasser
0
20
40
60
80
100
120
2010 "POM" -70% CO2Reduktion ggb.
2010
Wä
rme [T
Wh
]
Solar
Kohle/Kehricht
WKK (biogen)
WKK (fossil)
Wärmepumpen
Holz/Pellets
Gas
Heizöl
Strom
Elektrizität Wärme
13.4.2016Projekt CHPswarm - Frühstückspräsentation 24
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Saisonaler Beitrag im Winter 16 % CH
Gegenläufige Korrelation zu PV und Laufwasser
Hochdynamische Anpassung an Strompreisschwankungen (~Minute)
Preisspitzen zukünftig auf Grund fluktuierender PV
Limitierend für den Beitrag (in ansteigender Reihenfolge):
1. Verfügbare Biomasse (lokal)
2. Anpassungen an /am Netz und Betrieb
3. Wärmebedarf auch in Zukunft genug Wärmesenken vorhanden
Je nach Rahmenbedingungen ist Wettbewerbsfähigkeit mit konkurrierenden
Technologien unterschiedlich (Wärmepumpen, Kehricht, usw.)
Je nach Szenario: 30-60% des nachhaltigen Biomassepotentials der Schweiz kann in
biogenen WKKs ökonomisch optimal verwertet werden
Schlussfolgerungen
13.4.2016Projekt CHPswarm - Frühstückspräsentation 25
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Ausweitung des entwickelten Modells für regionale Anwendungen unter Nutzung
von «Big Data»:
Wärmepumpen
Lokale Speicherung: Batterie, Power to gas
Integration der zukünftigen Mobilität
Entwicklung einer Mikro-WKK Anlage in Zusammenarbeit mit 2 CH-
Industriepartnern (4 Anlagen in Erprobung)
13.4.2016Projekt CHPswarm - Frühstückspräsentation 26
Ausblick
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Allgemeine Fragen ?
Im Anschluss:
Austausch mit Experten zu jeweiligen Fachbeiträgen
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Diskussionsrunde Ansprechpartner
13.4.2016 28
Philipp VögelinDoktorand am ETHZ LAV
WKK-Technologie: Modellierung, Auslegung,
Betrieb von Anlagen und Verbünden, Gebäudemodellierung
Giovanni BeccutiOberassistent am ETHZ FEN
Stromnetze: Netzfluss-Simulationen, Netztopologien,
WKK im Netzbetrieb, Regelenergie
Evangelos PanosPostDoc am PSI EEG
Energieökonomik: Energie-ökonomische Modellierung,
Technologiebewertung, Energieszenarien
René BuffatDoktorand am ETHZ GIE (Prof. M. Raubal)
Räumliche Daten: Biomasseverfügbarkeit, Biogasproduktion,
Standortbestimmung, Gebäudespezifikationen
Christian SchürchWiss. Mitarbeiter am ETHZ LAV
Experimentelle Basisdaten
Mikro-WKK Prototyp
Gil GeorgesPostDoc am ETHZ LAV
Projektleitung
Konstantinos BoulouchosProfessor und Leiter des ETHZ LAV
Projektleitung
Abschlussbericht:
http://bit.ly/1qnnMYB