Hallo, im nächsten Video geht es
um Kraft-Wärme-Kopplung, und zwar
um Energieeffizienz und Primärenergiefaktor,
also um die ökologische Bewertung
der Kraft-Wärme-Kopplung.
Zunächst zum Thema Endenergieeinsparung.
Das ist sicherlich
der große Vorteil der Kraft-Wärme-Kopplung,
dass es eine sehr
energieeffiziente Technologie ist,
mit der man Energie einsparen kann.
Das ist hier in diesem Bild
für einen
charakteristischen Fall verdeutlicht.
Wenn man in einer
Kraft-Wärme-Kopplung, also bei der
gekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme
100 Joule, also 100 Energieeinheiten,
einsetzen würde und dieses
Blockheizkraftwerk einen elektrischen
Wirkungsgrad von 35 % hat
und einen thermischen Wirkungsgrad von 55 % hat,
also in Summe
90% Wirkungsgrad (d.h. 10 % Verluste),
dann würde man 35 Joule Strom
und 55 Joule Wärme produzieren.
Und wenn man das getrennt macht,
also nicht gekoppelt, sondern getrennt
erzeugen würde, (d.h.) der Strom
wird in einem großen Kraftwerk erzeugt,
das z.B. mit 40 % Wirkungsgrad arbeitet,
und dann muss der Strom
aus so einem großen zentralen Kraftwerk
danach noch verteilt werden in Deutschland
mit einem Transportwirkungsgrad im deutschen
Stromnetz von etwa 95 %.
Wenn man dann diese 35 Joule dividiert
durch 0,4 und 0,95, heißt das,
man hat einen Energieeinsatz von 92 Joule,
um diese 35 Joule Strom zu produzieren.
(Denn es fallen) 55 Joule Verluste
im Kraftwerk und
2 Joule Verluste im Stromnetz an.
Wir werfen noch einen Blick auf die Wärme.
Um 55 Joule Wärme zu produzieren
mit einem Heizgerät mit zum Beispiel
90% Wirkungsgrad,
also ein Niedertemperaturheizgerät,
braucht man dafür 61 Joule Endenergie
und macht daraus 55 Joule Wärme und
6 Joule fallen an Verlusten an.
92 Joule plus 61 Joule addiert sich zu 153 Joule
Endenergieeinsatz bei der getrennten
Erzeugung von Strom und Wärme.
Das heißt, Sie sparen 53 Joule dividiert durch 153 Joule,
(also) 35 % Energie ein.
Augenscheinlich ist natürlich diese
Energieeinsparung abhängig davon,
welche Wirkungsgrade man hier ansetzt und
ich habe Ihnen deshalb hier auch
zwei andere Beispiele dargestellt,
nämlich zum einen das Beispiel:
das BHKW ist eher schlecht (also ineffizient) und
die Getrennt-Erzeugung gut.
Das BHKW kommt relativ schlecht weg,
wenn ich ein Stirling-BHKW ansetze
mit einem geringen elektrischen Wirkungsgrad,
15 % elektrisch, 85 % thermisch.
Aber vor allem der elektrische Wirkungsgrad ist
entscheidend und ich vergleiche das mit einer
sehr guten getrennten Erzeugung, nämlich
mit einem Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerk
mit 60 % elektrischem Wirkungsgrad und
einem Brennwert-Kessel, der 100 %
Wirkungsgrad bei der Bereitstellung
der Wärme hat. Wenn man das dann in
ähnlicher Weise hier einträgt und addiert
und die Energieeinsparung berechnet, dann
habe ich immer noch 10 % Energieeinsparung
aber natürlich deutlich weniger als
in diesem (vorherigen) Beispiel.
Und wenn ich das umgekehrt mache,
d.h. das BHKW sehr gut mache,
ein großes BHKW einsetze mit
45 % elektrischem und 42 % thermischem
Wirkungsgrad und das vergleiche
mit (Stromerzeugung in) einem eher alten Kohlekraftwerk
mit dem elektrischen Wirkungsgrad von 35 %
und hier setze ich keinen neuen
Niedertemperaturkessel ein,
sondern eher ein alten altes Heizgerät
mit 80 % Wirkungsgrad, und das dann alles
wieder miteinander vergleiche, dann lande ich
bei der Endenergieeinsparung von 45 %.
Also, Fazit: mit Kraft-Wärme-Kopplung
spart man Energie ein.
Es kommt auf den Vergleich an,
was vergleicht man jetzt miteinander,
(das) haben wir gerade gesehen.
Ein weiterer Vorteil des
Blockheizkraftwerks ist,
dass die Stromerzeugung dezentral erfolgt,
verbrauchsnah im Gebäude oder im Quartier
und dass deshalb
das Stromnetz entlastet wird.
Das steht hier unten noch als letzter
Vorteilspunkt für die Kraft-Wärme-Kopplung.
Und insbesondere für
Blockheizkraftwerke mit nicht ganz so
großer Leistung, die also eher
Gebäude- oder Quartiersbezogen eingesetzt werden,
der letzte Punkt hier.
Das ist eine Facette der ökologischen Bewertung:
die Endenergieeinsparung.
(Jetzt) kommen wir noch zu einer zweiten Facette
des Vergleichs mit anderen Technologien
und das ist der Primärenergiefaktor.
Das ist auf der nächsten Folie hier erläutert.
Der Primärenergiefaktor, das Kürzel f Index p
für die Wärme, die in der
Kraft-Wärme-Kopplung produziert wird.
Ja, und auf der Seite hier
steht jetzt einiges an Formeln
und auf der nächsten Folie auch.
Aber das muss jetzt mal sein,
weil das ein kritischer Punkt ist
bei der Bewertung der Kraft-Wärme-Kopplung.
Wenn Sie zum Beispiel dieses
Formelwerk hier ansetzen, kommen Sie auf
sehr, sehr niedrige Primärenergiefaktoren
für die bereitgestellte Wärme und
der Primärenergiefaktor sagt ja
wie viel Kilowattstunden Primärenergie
muss ich einsetzen, um eine Kilowattstunde
Wärme bereitzustellen.
Ja, und schauen wir uns diesen
Berechnungsgang mal an.
Die aktuelle Berechnungsvorschrift laut
Gebäudeenergiegesetz beziehungsweise
DIN 18599 besagt,
dass es eine Stromgutschriftmethode gibt,
die angewendet werden soll.
Und die drückt sich jetzt hier in
dieser Formel aus: der Primärenergiefaktor
für die KWK-Wärme
ist gleich der eingesetzten Primärenergie,
dividiert durch die produzierte Wärme,
also hier unten Q_KWK-Wärme, das ist
die in der KWK-Anlage produzierte Wärme.
Und über dem Bruchstrich steht die Primärenergie,
die dafür eingesetzt wird.
Da wird zunächst mal bilanziert
"PE_KWK" - das ist die in der KWK-Anlage
eingesetzte Primärenergie,
z.B. für das verbrannte Erdgas,
also der Erdgasverbrauch
multipliziert mit dem Primärenergiefaktor von Erdgas.
Und der ist 1,1.
Also man muss 1,1 Kilowattstunden Primärenergie
irgendwo in Sibirien aus der Erde holen,
um eine Kilowattstunde Erdgas
am Hausanschluss oder am Anschluss des BHKWs
zur Verfügung zu stellen.
Das ist die gesamte Erdgasmenge,
die im Blockheizkraftwerk oder
in der Kraft-Wärme-Kopplung verbrannt wird.
Aber da wird ja nicht nur Wärme produziert.
Da wird ja auch Strom produziert und
das wird hier so berücksichtigt,
dass es eine Stromgutschrift gibt,
eine Primärenergiegutschrift
für den produzierten Strom.
Und die berechnet sich mit der
Stromproduktion, in der Kraft-Wärme-Kopplung
multipliziert mit dem Primärenergiefaktor von 2,8.
Der Primärenergiefaktor von 2,8
wird begründet dadurch, dass
wenn in Deutschland
eine Kraft-Wärme-Kopplung einspeist,
vor allem Kohlestrom
verdrängt wird, der dann nicht im
zentralen Kraftwerk produziert werden muss.
Und das ist so,
weil Kohlestrom in Deutschland
vor allem in der Mittel- und Spitzenlast
eingesetzt wird.
Das ist blau hier ein bisschen hervorgehoben,
weil das gleich noch eine Rolle spielt.
Wenn man das nämlich für das Beispiel
des GUD-Kraftwerks hier in Düsseldorf
berechnet, dann finden Sie im Internet
diese Daten für das GUD-Kraftwerk
hier auf der Lausward in Düsseldorf.
Das hat 600 Megawatt elektrische Leistung,
300 Megawatt thermische Leistung und
einen elektrischen Wirkungsgrad von 61 %.
Ja, und wenn man dann diese Formel ansetzt,
muss man zuerst ausrechnen,
wie viel Primärenergie denn
in das Kraftwerk hineingeht.
Wenn ich 600 Megawatt elektrisch bereitstelle,
bei einem elektrischen Wirkungsgrad von 61 %,
dann ist der Erdgasinput in das Kraftwerk
600 durch 0,61.
Das multipliziert mit dem
Primärenergiefaktor von Erdgas (von) 1,1,
sind also
600 durch 0,61 mal 1,1.
Davon ziehe ich die Stromgutschrift ab,
für die Primärenergie,
also 600 MW elektrisch mal Faktor 2,8,
und dividiere durch die
thermische Leistung von 300 MW
und da kommt dann eine -1,99 raus.
Das ist natürlich verrückt,
da produzieren Sie Primärenergie!
Ein negativer Primärenergiefaktor heißt eigentlich,
Sie produzieren Primärenergie dadurch,
dass Sie dieses Kraftwerk betreiben.
Das ist natürlich thermodynamisch
völliger Blödsinn.
Und das hat auch der Gesetzgeber
durchaus durchschaut und sagt:
negative Primärenergiefaktoren
darfst du nicht angeben, aber
du darfst einen Wert von 0 angeben.
Und wenn Sie in Düsseldorf nachsehen,
steht da, die Fernwärme in Düsseldorf hat
einen Primärenergiefaktor von 0.
Das führt dann im Übrigen dazu,
dass laut GEG an Gebäuden,
die hier neu gebaut werden
und mit Fernwärme beheizt werden,
nur das Mindest-Dämmniveau
erreicht werden muss und gebaut werden muss.
Also das Gebäude muss nicht
sonderlich gut sein, weil es ja laut
Rechenvorschrift sehr ökologisch beheizt wird.
Ja, die Krux sieht man auch jetzt schon.
Der Faktor 2,8 ist hier ja schon hervorgehoben.
Die Krux ist, dass dieser
Primärenergiefaktor für die Wärme sehr
stark von diesem Primärenergiefaktor
für die Stromgutschrift abhängt und
ich habe Ihnen das hier mal
in einer Grafik verdeutlicht.
Hier sehen Sie den Primärenergiefaktor
der Wärme aus der Kraft-Wärme-Kopplung
in Abhängigkeit dieses Primärenergiefaktors
für die Stromgutschrift.
Im Moment haben wir den Faktor 2,8,
das heißt, hier für das Beispiel
Düsseldorf, kommt diese -1,99 raus.
Wenn Sie da
andere Stromgutschriften heranziehen,
also nicht das Kohlekraftwerk, was hier
laut Norm im Moment angesetzt wird,
sondern wenn Sie da ein Erdgaskraftwerk
ansetzen würden, also BHKW-Strom
verdrängt Strom, der in einem Erdgaskraftwerk
produziert worden wäre, dann
wäre dieser Faktor für die Stromgutschrift
nicht 2,8, sondern wäre 1,7 oder 1,8.
Dann lägen wir in
Düsseldorf mit dem Kraftwerk bei
0 Primärenergiefaktor für die Wärme.
Und wenn Sie davon ausgehen würden,
dass eine Windkraftanlage abgeschaltet wird,
weil das BHKW einspeist und das Stromnetz
überlastet wird und eine Windkraftanlage
abgeregelt wird, dann läge
der Primärenergiefaktor für die
Stromgutschrift hier bei 0,1.
Und dann würde die Wärme im Düsseldorfer
Fernwärmenetz mit dem Primärenergiefaktor
von 3,2, fast 3,4 bewertet.
Also, (das ist eine) kritische Sache.
Im Moment kommt die
Fernwärme aus Kraft-Wärme-Kopplung
durch diese Stromgutschrift-Methode
sehr gut weg.
Es gibt natürlich auch
andere Vorschläge, das zu berechnen.
Ich habe Ihnen eine
solche andere Berechnungsmethodik
mitgebracht und die ist auch durchaus bei
der Gesetzgebung für die letzte
GEG-Novelle diskutiert worden.
Man hat sich allerdings darauf verständigt,
diese andere Berechnung erst
voraussichtlich im Jahr 2030 einzuführen.
Ja, und diese Berechnungsmethodik ist
hier dargestellt.
Das ist die sogenannte
Carnot-Methode oder die Exergie-Allokation
nach der hier angegebenen DIN.
Und die geht folgendermaßen vor:
die berechnet diesen Primärenergiefaktor
für die Wärme aus Kraft-Wärme-Kopplung
auch mit dem Brennstoff, der
in die Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt wird,
multipliziert mit dem Primärenergiefaktor
für diesen Brennstoff - aber nur denjenigen
Anteil des Brennstoffs, der für die
Wärmeproduktion eingesetzt wird.
Und dieser Brennstoffanteil wird
so berechnet: das ist
die Exergie der Wärme,
dividiert durch die Gesamtexergie,
die das Kraftwerk, das Blockheizkraftwerk,
(bezeihungsweise) die Kraft-Wärme-Kopplung
zur Verfügung stellt, nämlich
die Summe aus der Exergie der Wärme
und der Exergie des Stroms.
Ja, und da muss man natürlich schauen,
wie wird das berechnet?
Die Exergie der Wärme, das ist
die Wärmemenge oder die Wärmeleistung.
Gerade in dem Beispiel (von) Düsseldorfer
Kraftwerk waren das diese 300 MW thermisch,
multipliziert mit dem Carnot-Wirkungsgrad.
Den Thermodynamikern unter Ihnen
wird das etwas sagen.
Ich habe es für diejenigen,
die das noch nicht gehört haben,
hier noch mal aufgeschrieben:
der Carnot-Wirkungsgrad ist
die Differenz der Temperaturen
der Wärme und der Umgebungstemperatur,
dividiert durch die Temperatur der Wärme.
Wenn man Fernwärme mit 100 Grad Celsius
zum Beispiel bereitstellt, dann ist hier
die Temperatur der Wärme 100 Grad.
Man muss die Temperaturen
in dieser Gleichung aber in Kelvin einsetzen,
also nicht in Grad Celsius, sondern in Kelvin.
Und die Kelvin Skala liegt 273,15 Kelvin
über der Skala in Grad Celsius.
Und ganz allgemein kann man sagen, dass
die Exergie der Wärme
mit der Temperatur der Wärme ansteigt.
Und hier die Exergie des Stroms,
das ist leicht zu rechnen,
(denn) Strom ist 100% Exergie.
Aus Strom können Sie alles machen.
Exergie heißt ja, wie nutzbar ist
diese Energieform.
Aus 100-grädiger Wärme
können Sie nicht alles machen.
Aus Strom können Sie alles machen,
daraus können Sie Wärme hoher Temperatur machen,
oder mechanische Leistung, alles Mögliche.
Deshalb ist (Strom) 100 % Exergie.
Und wenn man jetzt diese Gleichungen
hier wieder auf das Kraftwerk
in Düsseldorf anwendet, dann fange ich mal
hier unten an, weil das sich sukzessive aufbaut.
Die Exergie des Stroms sind 600 MW elektrisch.
Der Carnot-Wirkungsgrad ist 373 Kelvin,
(das sind 273 Kelvin plus 100 Grad wenn man davon ausgeht,
dass die Fernwärmetemperatur 100 Grad Celsius ist)
minus (der) Umgebungstemperatur und dafür
habe ich jetzt mal
hier 273 eingesetzt, also 0 Grad Celsius,
da könnte man auch 20 Grad (Celsius) einsetzen,
dividiert durch die Temperatur der Wärme,
(also 373 Kelvin), macht
einen Carnot-Wirkungsgrad von 26,8 %.
Die Exergie der Wärme ist also
300 MW thermisch mal 26,8 % gleich 80,4 MW.
Die 80,4 hier oben eingesetzt:
80,4 MW Exergie der Wärme
dividiert durch 680,4 Gesamtexergie
macht 0,118.
Und das dann hier eingesetzt: 0,118 mal 1,1
macht einen Primärenergiefaktor
für die Wärme von 0,13.
(Das ist) immer noch ein sehr niedriger Wert,
aber nicht mehr -1,99.
Also da wird Primärenergie für die
Wärmebereitstellung verbraucht.
Das drückt dieser anders berechnete
Primärenergiefaktor (von 0,13) für die
produzierte Wärme in der Kraft-Wärme-Kopplung aus.
Fazit ist, Kraft-Wärme-Kopplung spart Energie
und ist primärenergetisch vorteilhaft.
Eine ähnliche Rechnung können Sie jetzt auch
für Treibhausgasemissionen machen.
Das funktioniert in ähnlicher Art und Weise
mit Stromgutschrift oder nach Allokationsmethode.
Dann setzen Sie hier nur
statt fp des Brennstoffs
den CO₂-Emissionsfaktor ein.
Also KWK spart Endenergie und ist ökologisch
vorteilhaft. Das ist sicherlich die
passende Bewertung für die Kraft-Wärme-Kopplung.
Ja, damit sind wir am Ende dieses Themas.