Kraft-Wärme-Kopplung auf der Basis von Holz im Rahmen von ...
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<strong>Kraft</strong>-<strong>Wärme</strong>-<strong>Kopplung</strong> <strong>auf</strong> <strong>der</strong> <strong>Basis</strong> <strong>von</strong> <strong>Holz</strong> <strong>im</strong> <strong>Rahmen</strong><br />
<strong>von</strong> Contracting-Modellen<br />
© Harpen AG - Dr. Sta – März 2006<br />
3. Südwestfälischer Energietag<br />
Meschede, 30. März 2006
Übersicht<br />
1. Motivation<br />
2. Grundlagen<br />
3. Technik<br />
4. Wirtschaftlichkeit<br />
5. Aspekte zum Contracting<br />
6. Ausgeführte Anlagen / Referenzen<br />
7. Harpen AG / RWE als Partner<br />
© Harpen AG - Dr. Sta – März 2006
Motivation für die Nutzung <strong>von</strong> <strong>Holz</strong> bei <strong>der</strong><br />
Energiebereitstellung<br />
„Notwendige Voraussetzung zu einem wirksamen Kl<strong>im</strong>aschutz sind zum einen<br />
Maßnahmen zur Energieeinsparung und zur Verbesserung <strong>der</strong> Energieeffizienz und zum<br />
an<strong>der</strong>en Maßnahmen zum Ausbau <strong>der</strong> Nutzung <strong>der</strong> erneuerbaren Energien.“<br />
© Harpen AG - Dr. Sta – März 2006<br />
(BMU, 2001)<br />
Ein wesentlicher Anteil am Ausbau <strong>der</strong> erneuerbaren Energien kann neben <strong>der</strong> bereits<br />
intensiven Nutzung des in Deutschland verfügbaren Aufkommens an Wasser- und<br />
Windenergie durch die Verwendung <strong>von</strong> Biomasse erfolgen.<br />
Biomasse ist bei <strong>der</strong> Verbrennung CO 2 -neutral und trägt daher wesentlich zur Entlastung<br />
<strong>der</strong> CO 2 -Emissionen bei.<br />
Einen wesentlichen Anteil am Biomasse-Aufkommen in Deutschland hat <strong>Holz</strong>.
Aufkommen und Nutzungspotenzial biogener Brennstoffe<br />
in Deutschland<br />
Klärschlamm (kommunal)<br />
4%<br />
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Stroh (Überschuss-) 21%<br />
Gülle 15%<br />
Hausmüll (Rest-) 13%<br />
Bio-/Grünabfall 6%<br />
<strong>Holz</strong> 41%<br />
Waldrestholz 22%<br />
Industrierestholz 10%<br />
Altholz 9%<br />
Das nutzbare Angebot biogener Brennstoffe in Deutschland beträgt 70 Mio. t pro Jahr<br />
<strong>Holz</strong> hat daran einen Anteil <strong>von</strong> 28,7 Mio. t (da<strong>von</strong> ca. 7 Mio. t belastetes Altholz)<br />
Die aus <strong>Holz</strong> max<strong>im</strong>al erzeugbare elektrische Leistung bei reiner Verstromung beträgt ca. 5.200 MW. Dies<br />
unterstellt, dass keine Stoffströme für an<strong>der</strong>e Zwecke verwendet werden.<br />
Die hieraus erzielbare elektrische Arbeit beträgt ca. 7% <strong>der</strong> heute in Deutschland jährlich erzeugten Strommenge<br />
(550 TWh), dies entspricht einer CO2-Einsparung <strong>von</strong> ca. 23 Mio. t CO2 Wird zusätzlich auch das KWK-Potenzial solcher Anlagen genutzt, ergibt sich ein weiteres Min<strong>der</strong>ungspotenzial<br />
<strong>von</strong> (max<strong>im</strong>al) 13 Mio. t CO2 .<br />
Quellen: Forschungszentrum Karlsruhe, VdEW, eigene Berechnungen
Gesetzliche Grundlage für die Energieerzeugung aus<br />
Biomasse ist das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)<br />
§8 <strong>der</strong> EEG-Novelle vom 31. Juli 2004 legt für die Vergütung für Strom aus Biomasse fest:<br />
• Vergütungssätze:<br />
- bis 150 kW: 11,5 €ct/kWh<br />
- bis 500 kW: 9,9 €ct/kWh<br />
- bis 5000 kW: 8,9 €ct/kWh<br />
- über 5000 kW: 8,4 €ct/kWh<br />
- Altholzeinsatz: 3,9 €ct/kWh<br />
• zusätzliche Vergütungen:<br />
- NawaRo-Bonus: 4,0 - 6,0 €ct/kWh<br />
- <strong>Holz</strong>-Bonus: 2,5 €ct/kWh<br />
- KWK-Bonus: 2,0 €ct/kWh (für den in KWK erzeugten Strom, über 2 MW Leistung nach AGFW-Arbeitsblatt FW308 nachzuweisen)<br />
• Verringerung <strong>der</strong> Grundvergütung um 1,5% pro Jahr einer späteren Inbetriebnahme<br />
© Harpen AG - Dr. Sta – März 2006
EEG-Grundvergütung nach Leistung und<br />
Inbetriebnahmejahr<br />
Vergütung [ct/kWh]<br />
20<br />
18<br />
16<br />
14<br />
12<br />
10<br />
© Harpen AG - Dr. Sta – März 2006<br />
8<br />
6<br />
0 5 10<br />
Leistung [MW]<br />
15 20<br />
2004<br />
2008<br />
2010<br />
2012<br />
2008<br />
(mit KWK- und NawaRo-Bonus)
Mögliche Technologien <strong>der</strong> Energieerzeugung aus <strong>Holz</strong><br />
Vergasung<br />
• technisch <strong>auf</strong>wändig<br />
• zur Zeit keine Standardanlagen verfügbar (CHOREN-Verfahren <strong>im</strong> Pilot-Status)<br />
• hohe Investitionskosten, speziell <strong>im</strong> größeren Leistungsbereich<br />
(Kostendegression fällt geringer aus als bei <strong>der</strong> Verbrennung)<br />
• hohe, zur Zeit nicht abschätzbare Betriebskosten (Verschleiß!)<br />
Verbrennung<br />
• variable Technologie<br />
• Vielzahl <strong>von</strong> ausgeführten Anlagen<br />
• geringeres Betriebsrisiko („erprobte Technik“)<br />
Gerade <strong>im</strong> größeren Leistungsbereich ist die Verbrennung die „Technik <strong>der</strong> Wahl“!<br />
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Typischer Aufbau einer <strong>Holz</strong>verbrennungsanlage mit<br />
Energieerzeugung<br />
Brennstofflager<br />
Brennstoff<strong>auf</strong>bereitung<br />
- Wertstoff o<strong>der</strong> Deponie ?<br />
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- je nach Feuerungsart<br />
Feuerungsanlage Dampferzeuger Rauchgasreinigung<br />
- Rostfeuerung<br />
(verschiedene Ausführungen)<br />
- Wirbelschicht<br />
(stationär, zirkulierend)<br />
Ascheentsorgung<br />
- Silo o<strong>der</strong> Halle, Platzbedarf<br />
berücksichtigen<br />
- Dampfparameter abhängig<br />
vom Einsatzstoff und <strong>der</strong><br />
Anlagengröße<br />
Dampfturbine<br />
<strong>Wärme</strong><br />
- Gegendruck<br />
- Entnahme-Kondensation<br />
- nach TA Luft o<strong>der</strong> BImSchV<br />
Strom
Wesentliche Auslegungskriterien einer<br />
<strong>Holz</strong>verbrennungsanlage<br />
Brennstoffart (Hackschnitzel, Sägespäne, Waldrestholz, Altholz) und Zustand (Feuchte)<br />
sowie Größe <strong>der</strong> Anlage haben Auswirkung <strong>auf</strong> die Feuerungstechnologie<br />
• Rostfeuerung nur bis zu einer best<strong>im</strong>mten Größe<br />
• Wirbelschichtfeuerung erst ab einer best<strong>im</strong>mten Größe<br />
Rauchgasreinigung ist abhängig <strong>von</strong> <strong>der</strong> Größe <strong>der</strong> Anlage und vom Einsatzstoff<br />
• TA Luft bis 50 MW Feuerungswärmeleistung<br />
• 13. BImSchV über 50 MW Feuerungswärmeleistung<br />
• 17. BImSchV bei Einsatz <strong>von</strong> belastetem Altholz (A3 und A4)<br />
Dampfparameter (und damit auch <strong>der</strong> Wirkungsgrad!) sind ebenfalls wesentlich <strong>von</strong> <strong>der</strong><br />
Art des Brennstoffs (Chlor!) und <strong>der</strong> Größe <strong>der</strong> Anlage sowie <strong>der</strong> Feuerungsart abhängig<br />
• Dampfparameter <strong>von</strong> 40 bar / 400 °C (Altholz, kleine Anlage) bis 120 bar / 535 °C<br />
(naturbelassenes <strong>Holz</strong>, Wirbelschichtfeuerung)<br />
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Kriterien für die Auslegung einer KWK-Anlage<br />
Allgemein:<br />
• Die Anlage sollte <strong>auf</strong> die örtliche Bedarfssituation zugeschnitten sein<br />
• Entscheidend ist hier das Verhältnis Strombedarf / <strong>Wärme</strong>bedarf<br />
• Als Kennzahl hierfür dient die arbeitsbezogene Stromkennziffer σ A = (P el x t) / (Q th x t)<br />
• Entscheidend ist nicht die max<strong>im</strong>ale Stromausbeute, son<strong>der</strong>n die opt<strong>im</strong>ale Anlagenkonfiguration<br />
Speziell für EEG-Anlagen:<br />
• Aufgrund <strong>der</strong> Ausspeisung des Stroms ist für die Größe <strong>der</strong> Anlage zunächst nur <strong>der</strong> <strong>Wärme</strong>bedarf<br />
maßgebend<br />
• Die Opt<strong>im</strong>ierung erfolgt dann durch Max<strong>im</strong>ierung <strong>der</strong> Stromkennziffer, was <strong>der</strong> Erreichung eines möglichst<br />
hohen elektrischen Wirkungsgrades entspricht<br />
• Allerdings ist <strong>auf</strong> die durch das EEG gegebenen Leistungsgrenzen (5 MW für NawaRo-Bonus, 20 MWel für<br />
die max<strong>im</strong>ale elektrische Leistung) zu achten<br />
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Beispiel für die Auslegung einer KWK-Anlage zur<br />
Verbrennung <strong>von</strong> <strong>Holz</strong><br />
63.000<br />
161.159<br />
29.262 MW<br />
91.866 kW<br />
683.831<br />
40.816<br />
M<br />
Feuerungsw ärmeleistung<br />
6.200 676.009<br />
160.123 40.998<br />
33.520 MW<br />
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14.000<br />
160.265<br />
58.000<br />
450.000<br />
12.000<br />
200.000<br />
M<br />
677.084<br />
0.000<br />
6.200<br />
56.067<br />
6.200<br />
200.964<br />
235.143<br />
34.088<br />
3306.290<br />
40.000<br />
2814.417<br />
0.000<br />
0.000 kW<br />
2850.798<br />
6.910<br />
6.489 kW<br />
M<br />
6.500 2850.798<br />
201.696 14.818<br />
10.000 676.533<br />
160.193 0.182<br />
6.500<br />
201.696<br />
1.000<br />
56.014<br />
2850.798<br />
6.910<br />
234.482<br />
34.088<br />
Nettoleistung<br />
5.961 MW<br />
M<br />
G<br />
0.062 2321.835<br />
18.272<br />
X 0.898<br />
0.062<br />
36.786<br />
1.000<br />
36.796<br />
KWK-Strom<br />
M<br />
154.021<br />
18.272<br />
1.796 MW <br />
<br />
Elektrische (Brutto-)Leistung max. 8,9 MW<br />
Elektrische (Brutto-)Leistung max. 8,9 MW<br />
Eigenbedarf ca. 1,3 MW<br />
Eigenbedarf ca. 1,3 MW<br />
7.297 MW <br />
<br />
Thermische Leistung max. 20,7 MW<br />
Thermische Leistung max. 20,7 MW<br />
<br />
<br />
El. Wirkungsgrad <strong>im</strong> Kondensationsbetrieb: 26,6 %<br />
El. Wirkungsgrad <strong>im</strong> Kondensationsbetrieb: 26,6 %<br />
<br />
<br />
max. Nutzungsgrad: 77,6%<br />
max. Nutzungsgrad: 77,6%<br />
<br />
<br />
<strong>Holz</strong>bedarf ca. 90.000 t pro Jahr<br />
<strong>Holz</strong>bedarf ca. 90.000 t pro Jahr<br />
<br />
<br />
Platzbedarf zwischen 10.000 und 15.000 m²<br />
Platzbedarf zwischen 10.000 und 15.000 m²<br />
0.707 kW<br />
154.148<br />
18.272<br />
6.500<br />
190.000<br />
237.030 kW<br />
2.000<br />
80.000<br />
2824.428<br />
15.000<br />
335.037<br />
12.000<br />
6.000<br />
188.651<br />
10.372 MW<br />
2.000<br />
80.000<br />
2.000<br />
12.000<br />
2824.428<br />
15.000<br />
335.037<br />
15.000<br />
2.000<br />
80.000<br />
50.569<br />
3.000<br />
335.037<br />
0.833
Erfolgsfaktoren für ein KWK-Erzeugungsprojekt <strong>auf</strong> <strong>der</strong><br />
<strong>Basis</strong> <strong>von</strong> <strong>Holz</strong><br />
Brennstoffverfügbarkeit<br />
Nähe <strong>der</strong> Anlage zum Brennstoffvorkommen<br />
• Transportkosten (7 – 8 €/t <strong>im</strong> Umkreis <strong>von</strong> 50 km)<br />
langfristige vertraglich gewährleistete Brennstoffversorgung<br />
• Menge<br />
• Qualität<br />
• Preis<br />
Vorhandensein einer <strong>Wärme</strong>senke<br />
• möglichst über 5.500 Volllastbenutzungsstunden<br />
• niedrige <strong>Wärme</strong>parameter (z.B. 120 °C) und hohe Auslastung (s.o.) ermöglichen Einsatz einer<br />
Gegendruckanlage (niedrige Investitionskosten, hohe Stromausbeute, opt<strong>im</strong>ierter<br />
Nutzungsgrad)<br />
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Warum KWK be<strong>im</strong> Einsatz <strong>von</strong> Biomasse?<br />
Nur durch den Einsatz <strong>der</strong> <strong>Kraft</strong>-<strong>Wärme</strong>-<strong>Kopplung</strong> ist nach heutigem Stand <strong>der</strong> Einsatz<br />
<strong>von</strong> <strong>Holz</strong> in einer EEG-Anlage wirtschaftlich<br />
• absinkende Quote <strong>der</strong> EEG-För<strong>der</strong>ung<br />
• steigende Herstellkosten (Anlagentechnik)<br />
• steigende Brennstoffpreise<br />
aber:<br />
• KWK-Bonus lt. §8 Abs. 4 <strong>der</strong> EEG-Novelle<br />
• zusätzlicher Deckungsbeitrag aus dem <strong>Wärme</strong>erlös<br />
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Wirtschaftlichkeit <strong>von</strong> Biomasse-(<strong>Holz</strong>-)Projekten<br />
Investitionssumme<br />
• stark steigend mit sinken<strong>der</strong> Anlagengröße<br />
• 100%-Punkt <strong>im</strong> Diagramm rechts<br />
20 MW el , 79 t/h Dampf,<br />
spez. Investition 2230 €/kW<br />
(nur Anlagentechnik, ohne Projektspezifika wie<br />
Grundstück, Genehmigung, Planung etc.)<br />
anzustreben<strong>der</strong> Brennstoffpreis<br />
• naturbelassen z.Zt. 50 – 60 €/t atro<br />
Stromerlös nach EEG<br />
<strong>Wärme</strong>erlös sollte sich an den anlegbaren<br />
Kosten für eine Vergleichslösung orientieren<br />
Wartung, Personal abhängig vom Konzept<br />
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Prozentuale Investitionssumme<br />
200%<br />
190%<br />
180%<br />
170%<br />
160%<br />
150%<br />
140%<br />
130%<br />
120%<br />
110%<br />
el. Leistung<br />
Dampfleistung<br />
100%<br />
20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%<br />
Prozentuale Leistung
Contracting - Charakterisierung<br />
Abgabe <strong>der</strong> Energieversorgung eines Standortes an einen qualifizierten Dritten<br />
Bündelung aller energiespezifischen Aspekte in einer Hand<br />
Freiwerden <strong>von</strong> Investitionsmitteln <strong>auf</strong>grund <strong>der</strong> Finanzierung durch den Contractor<br />
Übernahme des betrieblichen Risikos durch den Contractor<br />
Opt<strong>im</strong>ierungspotenzial <strong>auf</strong>grund <strong>der</strong> Bündelung <strong>von</strong> Beschaffungs- sowie<br />
Absatzvorgängen durch den Contractor<br />
• in <strong>der</strong> Regel betreibt <strong>der</strong> Contractor mehrere Anlagen und kann so insbeson<strong>der</strong>e in Bezug <strong>auf</strong><br />
die Anlagen- und Brennstoffbeschaffung <strong>auf</strong> spezielle Ressourcen zurückgreifen und so <strong>im</strong><br />
Interesse des Kunden z.B. durch Poolung günstige Konditionen erreichen<br />
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Contracting – mögliche vertragliche Konstellation<br />
Finanzierung<br />
Planung,<br />
Errichtung<br />
Betrieb<br />
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Stromverk<strong>auf</strong><br />
(EEG)<br />
Stromzuk<strong>auf</strong><br />
(Eigenbedarf)<br />
Netzbetreiber<br />
Projektgesellschaft<br />
(Contractor, ggfs. weitere)<br />
Biomassekraftwerk<br />
Dampferzeuger, Turbine, ggfs.<br />
Reservekessel<br />
Strom<br />
<strong>Wärme</strong><br />
Produktion<br />
Kunde<br />
Rückl<strong>auf</strong><br />
Biomasse<br />
Standort-<br />
Dienstleistungen
Ausgeführte Anlagen und Projekte<br />
Biomasseheizkraftwerk Kehl<br />
• zirkulierende Wirbelschichtfeuerung<br />
59 t/h - 90 bar - 500°C – 8,9 MWel / 35 MWth – 110.000 t <strong>Holz</strong><br />
<strong>Holz</strong>heizkraftwerk Berlin-Neukölln<br />
• Rostfeuerung<br />
2 x 60 t/h - 64 bar - 445°C - 20 MWel / 66 MWth – 220.000 t <strong>Holz</strong><br />
Biomassekraftwerk Bergkamen<br />
• zirkulierende Wirbelschichtfeuerung<br />
80 t/h - 90 bar - 500°C - 20 MWel / max. 20 MWth – 140.000 t <strong>Holz</strong><br />
Industriekraftwerk Baienfurt<br />
• zirkulierende Wirbelschichtfeuerung<br />
17 t/h - 42 bar - 440°C – Einbindung in GuD-Anlage<br />
15.000 t Papierschlämme und ca. 35.000 t Rinde (Industrierestholz)<br />
in Planung: vier weitere Projekte<br />
• 5 MW NawaRo-Anlage (Chemiestandort) – 65.000 t <strong>Holz</strong><br />
• 1 x 5 MW sowie 1 x 12 und 1 x 20 MW-Anlagen (<strong>Holz</strong>verarbeitende<br />
Industrie)<br />
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Harpen / RWE als Contractor<br />
aus Harpen (Bereich „Dezentrale Energie“) wird RWE !<br />
<strong>im</strong> <strong>Rahmen</strong> <strong>der</strong> Neustrukturierung <strong>der</strong> Harpen AG werden die beiden mit Energie<br />
befassten Bereiche („Dezentrale Energie“ und „Regenerative Energie“) abgespalten<br />
das Geschäftsfeld „Regenerative Energie“ (<strong>im</strong> wesentlichen Wind- und Wasserkraft) wird<br />
<strong>auf</strong> die RWE Power AG übertragen<br />
das Geschäftsfeld „Dezentrale Energie“ (inkl. Biomasse-Anlagen) wird in Zukunft als<br />
eigenständige Gesellschaft unter dem Dach <strong>der</strong> RWE Energy AG firmieren – die neue<br />
Gesellschaft heißt „RWE Key Account Contracting GmbH“ und wird ihren Betrieb<br />
voraussichtlich April/Mai 2006 <strong>auf</strong>nehmen<br />
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