Prinzip: Kraft-Wärme-Kälte Kopplung - Landkreis Mühldorf a. Inn
Prinzip: Kraft-Wärme-Kälte Kopplung - Landkreis Mühldorf a. Inn
Prinzip: Kraft-Wärme-Kälte Kopplung - Landkreis Mühldorf a. Inn
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Energiesymposium des <strong>Landkreis</strong>es <strong>Mühldorf</strong><br />
6./ 7. Juni 2008 Waldkraiburg<br />
<strong>Kraft</strong>-<strong>Wärme</strong>-<strong>Kälte</strong>-<strong>Kopplung</strong><br />
eine Lösung des Energieproblems?<br />
1. Ansatz<br />
Wolfgang Schölkopf<br />
Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung<br />
ZAE Bayern,<br />
Walther-Meissner-Str. 6, 85748 Garching,<br />
www.zae-bayern.de<br />
Übersicht<br />
2. Technisches <strong>Prinzip</strong> <strong>Kraft</strong>-<strong>Wärme</strong>-<strong>Kopplung</strong><br />
3. Beispiele für <strong>Kraft</strong>-<strong>Wärme</strong>-<strong>Kopplung</strong><br />
4. <strong>Kraft</strong>-<strong>Kälte</strong>-<strong>Kopplung</strong><br />
5. Beispiele für <strong>Kraft</strong>-<strong>Wärme</strong>-<strong>Kälte</strong>-<strong>Kopplung</strong><br />
Vortrag 6.6.2008
<strong>Prinzip</strong>: <strong>Kraft</strong>-<strong>Wärme</strong>-<strong>Kälte</strong> <strong>Kopplung</strong><br />
<strong>Wärme</strong>bedarfsprofil<br />
von Gebäuden<br />
<strong>Kälte</strong>bedarfsprofil<br />
von Gebäuden<br />
Strombedarfsprofil<br />
im Netz<br />
jan<br />
dec<br />
jan<br />
dec<br />
Jan<br />
Dez<br />
Vortrag 6.6.2008
Entwicklungsstand von Maschinen für KWKK<br />
zentral dezentral<br />
Stand der Technik<br />
Wasserdampfturbine<br />
Gasturbine<br />
Organic-Rankine-Cycle<br />
Kalina-Cycle<br />
Gasmotor<br />
Diesel-/Ottomotor<br />
Stirling-Motor<br />
Brennstoffzellen<br />
Vortrag 6.6.2008
Wirkungsgrade und Investion für dezentrale BHKW<br />
SOFC<br />
MCFC<br />
Vortrag 6.6.2008
Auslegung: <strong>Kraft</strong>-<strong>Wärme</strong>-<strong>Kopplung</strong><br />
800<br />
700<br />
600<br />
500<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
0<br />
Jahresdauerlinie<br />
erforderliche Leistung<br />
762 kW thermisch ab Heizhaus<br />
Heizölkessel 600 kW<br />
Hackgutkessel 240 kW mit 35 kW el Stirling<br />
0 Stunden [h]<br />
30% Heizöl (energetisch)<br />
70% Biomasse (energetisch)<br />
7208<br />
Vortrag 6.6.2008
Wirtschaftlichkeit kleiner KWK<br />
Stirlingmotor 35 kW el<br />
Quelle: Mawera,<br />
Hackgutkessel mit 35 kW Stirlingmotor<br />
Maximale Leistung ab Heizhaus 762 [kW]<br />
Anschlussleistung ab Hausübergabestation<br />
Abnehmer-Nennleistung (o.GF) 1.122 [kW]<br />
Nahwärme ab Heizhaus 2.458.887 [kWh]<br />
Verkaufte Nahwärme ab Übergabest. 1.683.000 [kWh]<br />
Netzlänge (Trassenlänge) 3.044 [m]<br />
Hausübergabestationen 110 Anzahl<br />
Gleichzeitigkeitsfaktor (GF) 0,58 [-]<br />
Netzbelegung ohne GF 0,4 [kW/m]<br />
<strong>Wärme</strong>belegung 553 [kWh/m]<br />
Jahreswärmeverlust ab Heizhaus 32 [%]<br />
Hackgutkessel 240 kW <strong>Wärme</strong>leistung<br />
7.208 Volllaststunden<br />
Stirling η = ca. 12 %<br />
35 kW el 259.474 kWh el<br />
Zinssatz: 5%<br />
Nutzungsdauer: 20 Jahre<br />
Einspeisevergütung: 21,5 €ct/kWh<br />
*System ohne Stirling 1.300.000 € 96.- €/MWh <strong>Wärme</strong><br />
*System mit Stirling 1.465.000 € 78.- €/MWh <strong>Wärme</strong><br />
*Heizkraftwerk und Nahwärmenetz<br />
Vortrag 6.6.2008
Stromerzeugung in biogenen Kleinst-Heizkraftwerken<br />
Stirlingmotor 1 - 3 kW el<br />
Quelle: KWB<br />
Pelletfeuerung mit Stirlingmotor<br />
Kleinst-Rapsöl-BHKW<br />
Quelle:<br />
Stirling Power Module Energieumwandlungsgesellschaft<br />
mbH<br />
- ca. 7 bis 12 kW el<br />
- η el ca. 26%<br />
- hoher Wartungsaufwand<br />
- hoher Brennstoffpreis 56 Cent/Liter Rapsöl netto<br />
60 €/MWh Rapsöl, Vergleich Hackgut 15 €/MWh, Pellet 40 €/MWh<br />
BHKW oft zu unwirtschaftlich<br />
beide Systeme wärmegeführt und für Grundlastbetrieb<br />
Quelle: Sunmachine GmbH<br />
- ca. 1 bis 3 kW el<br />
- η el ca. 6 - 22%<br />
- meist Stickstoff oder Helium als Arbeitsmedium<br />
Vortrag 6.6.2008
<strong>Inn</strong>ovative Systeme zur <strong>Kraft</strong>-<strong>Wärme</strong>kopplung<br />
Hersteller:<br />
MTU CFC Solutions,<br />
Ottobrunn<br />
<strong>Wärme</strong>-<strong>Kraft</strong>-<strong>Kopplung</strong> mit Brennstoffzellen<br />
Status: Es laufen ca. 6 Pilotanlagen in BRD<br />
Typ: MCFC, Betriebstemperatur 650 °C<br />
Energieträger fossile Gase (Erdgas, Deponiegas u.ä.)<br />
Leistung: 250 kWel und 180 KWth ,<br />
el. Wirkungsgrad ≤ 0,5 Gesamtwirkungsgrad ≥ 0,8<br />
Hochdruckwasserdampf für Prozesswärme/Heizung<br />
mit ca. 400 °C<br />
Betriebserfahrung:<br />
bis zu 99 % Verfügbarkeit in Pilotanlagen,<br />
über 100.000 h kumulierte Betriebsstunden<br />
20.000 h für Einzelanlage<br />
Hersteller: Fa. Vaillant<br />
Status: Es laufen 56 Pilotanlagen in Europa<br />
vorwiegend in Wohngebäuden<br />
Typ: PEM, Betriebstemperatur ca. 100 °C<br />
int. Reformer für Erdgas<br />
Leistung: bis 4,6 kW el und bis 7 kW th + Brennwertkessel 25-50 kW th<br />
el. Wirkungsgrad ≤ 0,3, Gesamtwirkungsgrad ≤ 0,9<br />
Warmwasser 70 °C<br />
für Heizung/WW<br />
Betriebserfahrung:<br />
über 200.000 h kumulierte<br />
Betriebsstunden<br />
622 MWh el und 1200 MWh th<br />
Vortrag 6.6.2008
Beispiel: Seitzstraße München<br />
© Pool Architekten<br />
Neubau<br />
1.350 m² Nutzfläche<br />
für 8 Wohnungen und 6 Büros<br />
3-fach Verglasung<br />
Kontrollierte Lüftung<br />
mit <strong>Wärme</strong>rückgewinnung<br />
Heizenergiebedarf 20 kWh/m²a<br />
Restwärmedeckung mit Mini-BHKW<br />
Technische Daten: P el = 5 kW<br />
P th = 15 kW<br />
Vortrag 6.6.2008
<strong>Kälte</strong>erzeugung für Raumklimatisierung<br />
ε<br />
KÄLTE<br />
KOMPRESSION<br />
T 1<br />
T 0<br />
Q 1<br />
Q 0<br />
W<br />
Leistungsziffer <strong>Kälte</strong>zahl<br />
ε KÄLTE<br />
<strong>Kälte</strong> Q<br />
=<br />
elektr.<br />
Arbeit<br />
=<br />
0<br />
W<br />
2 bis 5<br />
Großanlagen: bis 7<br />
ABSORPTION<br />
T 2<br />
T 1<br />
T 0<br />
COP KÄLTE =<br />
COPKÄLTE<br />
=<br />
Q 2<br />
Q 0<br />
Q 1<br />
<strong>Kälte</strong> Q0<br />
Antriebwärme<br />
Q<br />
0,7 bis 1,3<br />
Klein- und Großanlagen<br />
2<br />
Vortrag 6.6.2008
<strong>Kälte</strong>erzeugung mit Absorption<br />
Absorptionskälteanlage<br />
(mit Stoffpaar<br />
Wasser / wässrige Lithiumbromidlösung)<br />
Prozessablauf,<br />
Fließschema<br />
Kühlwasser<br />
Lösungswärmetauscher<br />
Generator<br />
Lösungspumpe<br />
Absorber<br />
Kondensator<br />
Verdampfer<br />
Antriebswärme<br />
(Heisswasser)<br />
Kaltwasser<br />
<strong>Kälte</strong>mittelpumpe<br />
Vortrag 6.6.2008
Kennzahl: WÄRMEPUMPE / KÄLTEMASCHINE<br />
<strong>Wärme</strong>verhältnis<br />
<strong>Kälte</strong>verhältnis<br />
oder COP<br />
(engl. coefficient of<br />
performance)<br />
COP<br />
COP<br />
<strong>Kälte</strong><br />
<strong>Wärme</strong><br />
Druck<br />
QV<br />
=<br />
QG<br />
<strong>Kälte</strong>maschine<br />
QA + QK<br />
=<br />
QG<br />
<strong>Wärme</strong>pumpe<br />
= COP + 1<br />
<strong>Kälte</strong><br />
p 1<br />
p 0<br />
Verdampfer V<br />
Nutzkälte<br />
Umweltwärme<br />
Q V<br />
T V<br />
Kondensator K<br />
Drossel<br />
t V<br />
t K<br />
Lösungspumpe<br />
t A<br />
Q K<br />
Q A<br />
T K,T A<br />
Absorber A<br />
Abwärme<br />
Nutzwärme<br />
Q G<br />
Lösungswärmetauscher<br />
T G<br />
t G<br />
Austreiber G<br />
(Generator)<br />
Antriebswärme<br />
Temperatur<br />
Vortrag 6.6.2008
Optimierte <strong>Kälte</strong>erzeugung<br />
mit BHKW-gekoppelter Absorptionskältemaschine<br />
BHKW +<br />
SE-AKM<br />
BHKW +<br />
SE/DE-AKM<br />
SE … Single-Effekt<br />
SE/DE … Double-Effekt<br />
AKM … Absorptionskältemaschine<br />
Vortrag 6.6.2008
Beispiel: Bodenseetherme Konstanz<br />
Vortrag 6.6.2008
Beispiel: <strong>Kraft</strong>-<strong>Kälte</strong>-<strong>Kopplung</strong> am Flughafen München<br />
Single-Effect/Double-Lift<br />
Absorptionskälteanlage<br />
2,5 MW <strong>Kälte</strong>leistung<br />
Heißwasser: 95/60 °C<br />
Kühlwasser: 27/35 °C<br />
Kaltwasser: 12/6 °C<br />
Hersteller: Entropie GmbH,<br />
Baujahr1997<br />
Vortrag 6.6.2008
Zielvorstellung: Raumheizung/-kühlung bis 2030<br />
Klimatisierung in Deutschland [PJ]<br />
3.500<br />
3.000<br />
2.500<br />
2.000<br />
1.500<br />
1.000<br />
500<br />
0<br />
1995 2030* )<br />
2005<br />
Sonne<br />
<strong>Wärme</strong>pumpen<br />
Erdwärme<br />
Biomasse<br />
<strong>Wärme</strong> aus KW(K)K<br />
konv. Brennersysteme<br />
*) Heinloth, 1997<br />
Vortrag 6.6.2008
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