Mikro-KWK

Zuletzt aktualisiert am 07.02.2017

Beitrag zur Studie: „Langfristige Szenarien der gesamtwirtschaftlich optimalen Integration von Mikro-KWK-Anlagen in das österreichische Energiesystem“

1  Abstract

Im Arbeitspaket „Evaluierung der optimalen Anlagengröße“ wurde seitens der FfE eine ganzheitliche Bewertung verschiedener Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK) durchgeführt. Diese umfasst den Kumulierten Energieaufwand (KEA, definiert nach VDI 4600) für Herstellung, Nutzung und Entsorgung. Die ganzheitliche Bewertung verschiedener Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen hilft bei der optimalen Einbindung der betrachteten Technologie in das Energiesystemmodell der TU Wien.

2  Allgemeiner Kontext und Zielsetzung

Im Gesamtprojekt erfolgt eine ökonomische, energetische und ökologische (auf Basis der Treibhausgasemissionen) Gesamtbewertung der Perspektive für Mikro-KWK Technologielinien bis 2050 in Österreich mit dem Ziel, die gesellschaftlich optimalen Systemintegrationsoptionen aufzuzeigen, um verbrauchernahe Energiedienstleistungen bereitzustellen.
Die zentrale Zielsetzung dieses Projekts lautet daher:

  • Welche Mikro-KWK Technologien haben in Zukunft das Potenzial, in Österreich zur Strom- und Wärmeversorgung relevant beizutragen?
  • Wie können diese Mikro-KWK Technologien zu geringsten gesamtwirtschaftlichen Kosten integriert werden, um die ökologischen und energetischen Optima zu erreichen?

3  Vorgehensweise

Im Projektteil der FfE wurde der Kumulierte Herstellungsaufwand KEAH für verschiedene Mikro-KWK-Systeme berechnet. Die vom Projektpartner bioenergy2020+ in einer Technologiematrix zusammengefassten technischen Daten umfassen:

  • Verbrennungsmotoren,
  • Stirlingmotoren,
  • Dampfmotoren,
  • Mikrogasturbinen,
  • Brennstoffzellen und
  • Anlagen mit ORC-Prozess.

Die Herstellungsaufwendungen wurden in Form eines leistungsspezifischen KEAH zur Verfügung gestellt. Im Gegensatz zum energiespezifischen KEAH, dargestellt in Formel (1), ist dieser unabhängig von Modellannahmen bzw. Szenarioergebnissen zur Lebensdauer LD und Ausnutzungsdauer ta.

Formel_1_03 (1)

Für Brennstoffzellen und ORC-Anlagen konnte auf Daten aus anderen Studien wie etwa „EduaR&D – Ganzheitliche dynamische Bewertung der KWK mit Brennstoffzellen“ oder Gabie zurückgegriffen werden. Zur Berechnung des Herstellungsaufwandes motorischer Blockheizkraftwerke (BHKW) und Mikrogasturbinen wurden andere Ansätze gewählt. Dies ist unter anderem auf andere System- und Bilanzgrenzen von Großanlagen zurückzuführen. So benötigen Mikro-KWK-Anlagen im Allgemeinen keine eigene Bautechnik, wie Gebäude oder Fundamente.

Exemplarisch ist in Abbildung 1 die methodische Vorgehensweise für die Berechnung der Herstellungsaufwendungen von motorischen BHKW gezeigt. Ausgehend vom Massengerüst einer Referenzanlage wurde zunächst ein massenspezifischer KEAH ermittelt. Mit den Leistungsgewichten, die aus der Technologiematrix hervorgehen, konnte damit der leistungsspezifische KEAH der in der Datenbank geführten Anlagen berechnet werden.

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Abbildung 1: Vorgehensweise zur Ermittlung des leistungsspezifischen Herstellungsaufwandes von BHKW

Die Energieaufwendungen der Nutzungsphase (KEAN) ergeben sich aus Simulationen und Szenarienrechnungen. Zusätzliche Berechnungsgrundlage bildet der Primärenergiefaktor der eingesetzten Energieträger. Für das österreichische Energiesystem sind dies neben Erdgas insbesondere auch biogene Energieträger.

4  Ergebnisse

Das Ergebnis der oben dargestellten Berechnungsmethodik für BHKW zeigt Abbildung 2. An der Trendlinie ist zu erkennen, dass der spezifische Herstellungsaufwand für kleine Leistungen sehr stark ansteigt. Für die Leistungsklasse >15 kWel ergibt sich ein nahezu konstanter Mittelwert von etwa 400 kWh/kWel.

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Abbildung 2: Leistungsspezifischer Herstellungsaufwand von BHKW

Neben den eigentlichen KWK-Aggregaten ist ein thermischer Speicher wesentlicher Bestandteil eines Mikro-KWK-Systems. Dieser dient unter anderem dazu, einen Teil der thermischen Leistung bereitzustellen und so die Laufzeit der KWK-Anlage zu erhöhen. Auf Basis von Herstellerangaben wurde der kumulierte Herstellungsaufwand von Warmwasser-Schichten-Speichern ermittelt. Deren Gewicht resultiert zu ca. 80 % aus Stahl für den Druckbehälter und zu 20 % aus Dämmmaterial, in der Regel Polyurethan oder Polystyrol. In Abbildung 3 ist erkennbar, dass der spezifische KEA für Speicher üblicher Baugröße von 0,5 bis bis 5 m³ Speichervolumen mit steigender Größe von etwa 5,2 MJ je Liter auf etwa 2,7 MJ je Liter absinkt.

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Abbildung 3: Energetischer Herstellungsaufwand eines Warmwasserspeichers

Die Ergebnisse des Gesamtprojektes sind nach Fertigstellung des Endberichtes auf der Internetseite der Energy Economics Group (EEG) der TU Wien verfügbar.

 

Der vollständige Endbericht ist hier zum Download verfügbar pdf_button

Zum Downloadbereich der EEG TU Wien

 

Veröffentlichungen

 

Auftraggeber:  TU Wien, Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft (EEG)