dezentrale netzwerke der energieversorgung & kwk...
TRANSCRIPT
UMWELTRINGVORLESUNG
Linked – Netzwerke in unserer Umwelt
Dezentrale Netzwerke in der Energieversorgung
unter besonderer Berücksichtigung der
Kraft-Wärme-Kopplung
Dipl.-Ing. Steffen Robbi
Technische Universität Dresden, Institut für Energietechnik
27.06.2007 1UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
ÜBERSICHT
Energiebedarf
Dezentrale Stromerzeugung durch Regenerative Energien
Überregionale Energieversorgungsstrukturen
Regionale, dezentrale Energieversorgungsstrukturen
Koppelproduktion von Strom- und Wärme/ Kälte
Erneuerbare Energiequellen für thermische Umwandlungsprozesse
27.06.2007 2UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
VERBRAUCH AN PRIMÄRENERGIE &ELEKTRIZITÄT (2004)
0 2 4 6 8 10
Germany
Argentina
Armenia
JordanChina
Syria
Mauritius
Mongolia
GeorgiaIndonesia
Philippines
India
VietnamZambia
Yemen
Nigeria
Togo
BangladesLesotho
Tanzania
Uganda
World
Total Primary Energy Consumption
Total Net Electricity Consumption
10 20 30 40 50
energy comsumption per capita [MWh]
5 Lampen(40 W)brennen5.000 h
Energie-gehalt
von ≈ 100 lBenzin
Quelle: www.eia.doe.gov
27.06.2007 3UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
PRIMÄRENERGIEVERBRAUCH IN DEUTSCHLAND
Quelle : BMWi, Energiebericht 2001
StromerzeugungUnd Fernwärme(35,6%)
Gebäudeheitzung und andere(28,5%)
Verkehr(19,2%)
IndustrielleProzesse(16,7%)
Primärenergieverbrauch nach Energieträger und Nutzung (2000)
27.06.2007 4UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
21.8%
1.8%
11.2%
3.1%
32.8%
1.7%
28%
STROMERZEUGUNG NACH ENERGIETRÄGERN(DEUTSCHLAND, 2006)
Quelle: BMWT, 2006
Steinkohle
Braunkohle
MineralÖl
AndereFestbrennstoffe
Erdgas
Wasser /Wind
Kernkraft
Ersatz bis 2025 ?
27.06.2007 5UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
ZUKÜNFTIGER TREND DERSTROMERZEUGUNGSKAPAZITÄTEN
0,0
100,0
200,0
300,0
400,0
500,0
600,0
700,0
2000 2010 2020 2030
gro
ss p
ow
er
gen
era
tio
n [
TM
h]
AndereWasser
WindKernkraft
Braunkohle
Steinkohle
Erdgas
Quelle: BMWA, 2005
27.06.2007 6UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
ÜBERSICHT
Energiebedarf
Dezentrale Stromerzeugung durch Regenerative Energien
Überregionale Energieversorgungsstrukturen
Regionale, dezentrale Energieversorgungsstrukturen
Koppelproduktion von Strom- und Wärme/ Kälte
Erneuerbare Energiequellen für thermische Umwandlungsprozesse
27.06.2007 7UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
BEISPIEL: WIND TURBINEN(NORDEX N-SERIE: 0.6 .. 2.5 MWel)
Bildquelle: VGB,Stromerzeugung, 2003
27.06.2007 8UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
POTENTIALE ERNEUERBARER ENERGIEN:WIND TURBINEN – INLAND
Erreichbare Vollaststunden regelbarer Windturbinen – Inland(Turmhöhe: 80 m)
Quelle: ISET e.V., Universität Kassel, Dipl.-Phys. G. Czisch
27.06.2007 9UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
POTENTIALE ERNEUERBARER ENERGIEN:WIND TURBINEN – KÜSTENNAH
Erreichbare Vollaststunden regelbarer Windturbinen – Offshore(Turmhöhe: 80 m)
Quelle: ISET e.V., Universität Kassel, Dipl.-Phys. G. Czisch
27.06.2007 10UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
ZUKUNFTSENERGIESZENARIO„100% ERNEUERBARE ENERGIE“
These:
Die nutzbare
erneuerbare Energieauf der Erde übersteigt
den weltweitenEnergieverbrauch um
ein Vielfaches
Quelle: Bund der Energieverbraucher
27.06.2007 11UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
POTENTIALE ERNEUERBARER ENERGIEN:GEOTHERMIE
27.06.2007 12UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
Bohrungstiefe für DT = 170 K relativ zur Erdoberfläche(ohne Gebiete tiefer als 8.000 m und mit Entfernungen > 300 km bis zurnächsten Messstelle)
POTENTIALE ERNEUERBARER ENERGIEN:GEOTHERMIE
Quelle: ISET e.V., Universität Kassel, Dipl.-Phys. G. Czisch
27.06.2007 13UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
BEISPIEL: PHOTOVOLTAIK SYSTEME("SOLAR-STADT" FREIBURG & PV-PPLT ESPENHAIN)
27.06.2007 14UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
POTENTIALE ERNEUERBARER ENERGIEN:PHOTOVOLTAIK
Durchschnittliche jährliche Energiemenge ungeführter PV-Module,hel,max = 14% (Messdaten von: 1983-1992)
Quelle: ISET e.V., Universität Kassel, Dipl.-Phys. G. Czisch
27.06.2007 15UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
POTENTIALE ERNEUERBARER ENERGIEN:SOLARTHERMIE
27.06.2007 16UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
Wärmemenge eines Solarfeldes für SEGS (Solar Thermal Power Plants)
POTENTIALE ERNEUERBARER ENERGIEN:SOLARTHERMIE
Quelle: ISET e.V., Universität Kassel, Dipl.-Phys. G. Czisch
27.06.2007 17UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
Probleme:
Energietransport
• Örtliches Vorkommen entspricht nicht dem Bedarf
Energiespeicherung
• Zeitlicher Anfall entspricht nicht dem Bedarf
ZUKUNFTSENERGIESZENARIO„100% ERNEUERBARE ENERGIE“
27.06.2007 18UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
STROMERZEUGUNGSKAPAZITÄTEN UNDVERTEILUNGSNETZWERK DEUTSCHLAND
Stromverteilung zur Maximallast [GW] in 2002:
Bildquelle: VDN, Jahresbericht 2002
Das deutscheHochspannungsnetz:
Bildquelle : VDN, Jahresbericht 2003
27.06.2007 19UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
UNGLEICHGEWICHT DER WINDLAST
15.12.2005
Bildquelle: VDN-Jahresbericht 2003
Gesicherte Leistung installierter Kapazitäten
2003 1094 MW - 7,5% (14,5 GW Ges.)
2007 1421 MW – 6,3% (22,4 GW Ges.)
2010 1837 MW – 6,1% (29,8 GW Ges.)
2015 2061 MW – 5,7% (36,0 GW Ges.)
27.06.2007 20UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
Theoretische Lösungen:
Interkontinentales Stromverteilungsnetz
Die „Wasserstoff-Wirtschaft"
ZUKUNFTSENERGIESZENARIO„100% ERNEUERBARE ENERGIE“
27.06.2007 21UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
AUSGLEICHSEFFEKTE BEI WEITFLÄCHIGERNUTZUNG, Bsp. WIND-ENERGIE
Quelle: ISET e.V., Universität Kassel, Dipl.-Phys. G. Czisch
27.06.2007 22UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
Wind power
Solar thermal electricity
PV
With St. No St. With St. _ FK
EC ECK L DK EC ECK EC ECK EC ECK EK EC ECK L EK
[!ct/kWh] [%] [km]
[!ct/kWh]
[km] [!ct/kWh] [%] [km]
Algeria &
Morocco
42 49 8.6 3100
Iberian Penins ula
13.9 14.2 9.3 3000
Kazakhstan 3.9 5.6 10 4300
Mauritania 3.3 5.0 10.5 4900 7.2 9.4 9.1 11.2 4.8 6.5 5300 37 46 14 5600
N-Russia &
NW-Siberia
3.2 4.6 10.5 4200
S-Morocco 2.9 4.4 10.5 4400 7.5 9.4 9.3 11.1 5.0 6.5 4400
STROMENTSTEHUNGS- UND TRANSPORTKOSTEN
Tab. 3 Anticipated local average costs of electricity (EC) and at arbitrary delivery point Kassel (ECK)for electricity generation from: a) land-based wind turbines, b) solar thermal electricity productionwith heat storage for 14 FLH (With St.), c) as b), but at half the current costs for the solar mirrorfield (With St. ½ FC), d) as b), but without storage (No St.) and e) PV. The transmission losses (L)include consideration of grid load variations with time due to changing infeed and the transmissiondistance to Kassel (DK) together with converter losses for the conversion from AC to HVDC.
Quelle: ISET e.V., Universität Kassel, Dipl.-Phys. G. Czisch
27.06.2007 23UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
WASSERSTOFF WIRTSCHAFT
Warum Wasserstoff ?
Erneuerbar
Minimaler Einfluss auf die Umwelt
Guter Energieträger ?
Schlüsselglied zwischen Elektroenergie aus erneuerbaren
Quellen und chemischer Energie (Transport und Speicherung)
27.06.2007 24UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
ENERGIEUMWANDLUNGSSCHRITTE &TRANSPORTKETTEN
„H2-Wirtschaft“:
„e--Wirtschaft “:
DC H2 DC
H2-Storage
ACElektrolyse FC
Direkte Verbrennung von H2
DC e- DC ACHVDC
PEreg AC
Euse
konventionelle Stromverteilung
PEreg AC
Euse
konventionelle Stromverteilung
conv. E-Storage
27.06.2007 25UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
UMWANDLUNGS- & TRANSPORT VERLUSTE
Bildquelle: Bossel, U.: The Hydrogen Illusion, In: Cogeneration & Onsite Power Production, Ausg. März-April 2004
70%
90%85% Reformation 90%
Stacks 50%
27.06.2007 26UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
SCHLUSSFOLGERUNG ÜBERREGIONALEENERGIEVERTEILUNG
Die technischen Möglichkeiten zur Erzeugung und Verteilung erneuerbarerEnergien sind weitestgehend vorhanden und nutzbar.
Die abschätzbaren Mehrkosten für eine regenerative Versorgung sindtragbar und vertretbar gegenüber den Konsequenzen einer klimatischenVeränderung.
Das Problem ein weltweites Energiewandlungs- und verteilungssystem zuschaffen, ist kaum technischer noch finanzieller Natur, sondernhauptsächlich bedingt durch geopolitische Interessen und Prioritäten.
27.06.2007 27UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
ÜBERSICHT
Energiebedarf
Dezentrale Stromerzeugung durch Regenerative Energien
Überregionale Energieversorgungsstrukturen
Regionale, dezentrale Energieversorgungsstrukturen
Koppelproduktion von Strom- und Wärme/ Kälte
Erneuerbare Energiequellen für thermische Umwandlungsprozesse
27.06.2007 28UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
DEZENTRALE ENERGIEVERSORGUNG
Allgemeine Definition als Energieerzeugung am Ort des Bedarfs.
Jedoch noch keine abgestimmten Definitionen.
CIGRE (International Council on Large Electric Systems) definiert:
• Nicht zentral vom Versorger geplant
• Keine zentrale Verteilung
• Normalerweise kleiner als 50..100 MWel
• Gewöhnlich verbunden mit einem Verteilungssystem
27.06.2007 29UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
STRUKTUR KONVENTIONELLERENERGIEVERSORGUNG
ELEKTRIZITÄT HEIZUNG KÜHLUNG
Kraftwerk
BRENNSTOFF
AbwärmeVerteilungs-
netzVerluste
Kraftwerk
BRENNSTOFF
AbwärmeVerteilungs-
netzVerluste
Kompres-sionskälte
Abwärme
Verteil.netz;Transport
BRENNSTOFF
Verluste
Brenner
(Verluste)
ζ ≈ 0,36 ζ ≈ 0,7..0,9 ζ ≈ 0,65..0,9
NutzenergiePrimärenergie
ζ =⌠⌡t
dt
27.06.2007 30UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
VORTEILE DEZENTRALER ENERGIEVERSORGUNG
Kürzere Transportwege
Reduzierter Energieverlust
Reduzierte Materialkosten
Höherer Anteil an erneuerbaren Energien
Bedarfsgerechte Ausdehnung des el. Stromnetzes
Hohe Flexibilität der genutzten Technologien
Bei Stromverkauf des Betreibers, hohe Rentabilität
27.06.2007 31UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
TECHNOLOGIEN DEZENTRALE VERSORGUNG
Nicht verfügbar
5.000 .. 7.000 €
800 .. 1.000 €2.000 € (off shore)
Nicht verfügbar
4.500 .. 20.000 €
1.500 .. 2.000 €
1.000 .. 1.250 €
1.500 .. 2.500 €
SPEZIFISCHEINVEST.KOSTEN
PRO kWel
(90 %)50 kWel .. 5 MWel
Wasserkraft undandereErneuerbare.
(15 %)< 1 kWel .. 5 MWel Photovoltaik
Solarenergie
(Geothermie)
(Gravitationskraft)
(35 %)0,2 kWel .. 5 MWel Windturbinen
(Ab-) wärme Solarenergie
15% .. 30%0,5 .. 75 kWel Stirlingmotor
Erdgas Methanol
25% .. 55%1 kWel .. 1 MWel Stationäre
Brennstoffzellen
25% .. 30%(< 1) .. 30 .. 200kWel
Mikro Turbinen
21% .. 40%1 .. 20 MWel Gasturbinen
1) Diesel,Schwerbenzin, Bio-diesel
2) Gas (Erdgas,Biogas, Minengas)
SysthetischeBerennstoffe oderVergasungsprodukte
36% .. 43% 1
28% .. 42% 220 kWel .. > 10 MWel1
5 kWel .. > 5 MWel 2
InterneVerbrennungs-motoren
BRENNSTOFF,ENERGIEBEDARF
ELEKTRICHERWIRKUNGSGRAD
ANWENDUNGSBEREICH
27.06.2007 32UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
BEISPIELE DV: INTERNE VERBRENNUNGSMASCHINE(MTU "VIRTUS" DIESEL GENSET: 0.6 .. 2.5 MWel)
27.06.2007 33UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
BEISPIELE DV: GAS TURBINEN(ROLLS ROYCE "STATIONARY TRENT": 58 MWel)
27.06.2007 34UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
BEISPIELE DV: WASSERKRAFT(ENERGIE AG, AUSTRIA: 420 SMALL HYDRO-PPLT)
27.06.2007 35UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
Gasturbine
GUD
Kohle
Kernkraft
Gasturbine
MikroGasTurb.
Verbr.Motoren
BZ
DEZENTRALE ENERGIEVERSORGUNGPROBLEME & NACHTEILE
Höhere spezifische Kosten resultierend aus sinkender ökonomischer
Effizienz.
Spezi
fisc
he I
nvest
itio
nsk
ost
en [€/K
W]
27.06.2007 36UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
DEZENTRALE ENERGIEVERSORGUNGPROBLEME & NACHTEILE
Niedrigere el. Wirkungsgrade
verglichen mit zentralen Energieerzeugern
Bildquelle: AGFW-study, Pluralistische Wärmeversorgung 2005
27.06.2007 37UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
DEZENTRALE ENERGIEVERSORGUNGPROBLEME & NACHTEILE
Kleine Netze zeigen ungeeignete Lastprofile
Bildquelle: energy & meteo systems
Virtuelles Kraftwerk = Verbund dezentraler Kraftwerke
27.06.2007 38UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
DEZENTRALE ENERGIEVERSORGUNGPROBLEME & NACHTEILE
Kleine Netze zeigen ungeeignete Lastprofile
Virtuelles Kraftwerk = Verbund dezentraler Kraftwerke
zentraler Steuerungsmechanismus
ausreichender Mess-, Informations-, Kommunikationstechniken
Keine unbegrenzte Integration von Erzeugern, wegen:• Beachtung wärmegeführter Betriebsweise und Witterung• Genaue Auslegung konv. Kraftwerke kann wirtschaftlicher sein (DENA)
Sinnvolle Implementierung in leichtbesiedelten Gebieten
27.06.2007 39UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
DEZENTRALE ENERGIEVERSORGUNGPROBLEME & NACHTEILE
Qualität des erzeugten Stromes (Frequenz und Spannungsniveau)
Einspeiseprobleme:
• Spannungsrückfluss (Wartungsarbeiten)
Schutzausrüstung notwendig
• Blindleistungskompensation (Asynchrongeneratoren)
27.06.2007 40UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
Energiebedarf
Dezentrale Stromerzeugung durch Regenerative Energien
Überregionale Energieversorgungsstrukturen
Regionale, dezentrale Energieversorgungsstrukturen
Koppelproduktion von Strom- und Wärme/ Kälte
Erneuerbare Energiequellen für thermische Umwandlungsprozesse
ÜBERSICHT
27.06.2007 41UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
STRUKTUR KONVENTIONELLERENERGIEVERSORGUNG
ELEKTRIZITÄT HEIZUNG KÜHLUNG
Kraftwerk
BRENNSTOFF
AbwärmeVerteilungs-
netzVerluste
Kraftwerk
BRENNSTOFF
AbwärmeVerteilungs-
netzVerluste
Kompres-sionskälte
Abwärme
Verteil.netz;Transport
BRENNSTOFF
Verluste
Brenner
(Verluste)
ζ ≈ 0,36 ζ ≈ 0,7..0,9 ζ ≈ 0,65..0,9
NutzenergiePrimärenergie
ζ =⌠⌡t
dt
27.06.2007 42UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
STRUKTUREN DER KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
Elektrizität35,3 kW
Wärme64,7 kW
KWKηel = 0,30ηth = 0,55
Brennstoff117,6 kW
17,6 kW
Kraftwerkηel = 0,36
Brennstoff98,0 kW
62,7 kW
Kesselηth = 0,90
Brennstoff71,9 kW
7,2 kW
Rechenbeispiel:
Konventionelle (getrennte) Erzeugung vs. Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)
Gesamt100,0 kW
Brennstoff169,9 kW
Brennstoff117,6 kW
ηges = 58% ηges = 85%
PE Einsparung: 1 – 117,6 kW / 169,9 kW = 30,8 %
27.06.2007 43UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
Elektrizität42,1 kW
Kälte57,9 kW
Rechenbeispiel:
Konventionelle (getrennte) Erzeugung vs. Kraft-Kälte-Erzeugung
STRUKTUREN DER KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
KWKηel = 0,30ηth = 0,55
Brennstoff140,4 kW
Kraftwerkηel = 0,36
Brennstoff
117,0 kW
112,8 kW
Gesamt100,0 kW
Brennstoff
191,8 kW
Brennstoff140,4 kW
ηges = 52% ηges = 71%
PE Einsparung : 1 – 140,4 kW / 191,8 kW = 26,8 %
21,1 kW
Absorberσ = 0,75
77,2 kWth
135,1 kWKälte-
Kompressorε = 2,15
84,8 kW
26,9 kWel
+ 74,8 kW
27.06.2007 44UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
TECHNOLOGIEN DEZENTRALE VERSORGUNG (GEEIGNET FÜR KWK: JA NEIN)
Nicht verfügbar
5.000 .. 7.000 €
800 .. 1.000 €2.000 € (off
shore)
Nicht verfügbar
4.500 .. 20.000 €
1.500 .. 2.000 €
1.000 .. 1.250 €
1.500 .. 2.500 €
SPEZIFISCHEINVEST.KOSTEN
PRO kWel
(90 %)50 kWel .. 5 MWel
Wasserkraft undandereErneuerbare.
(15 %)< 1 kWel .. 5 MWel Photovoltaik
Solarenergie
(Geothermie)
(Gravitationskraft)
(35 %)0,2 kWel .. 5 MWel Windturbinen
(Ab-) wärme Solarenergie
15% .. 30%0,5 .. 75 kWel Stirlingmotor
Erdgas Methanol
25% .. 55%1 kWel .. 1 MWel Stationäre
Brennstoffzellen
25% .. 30%(< 1) .. 30 .. 200
kWel Mikro Turbinen
21% .. 40%1 .. 20 MWel Gasturbinen
1) Diesel,Schwerbenzin, Bio-diesel
2) Gas (Erdgas,Biogas, Minengas)
SysthetischeBerennstoffe oderVergasungsprodukte
36% .. 43% 1
28% .. 42% 2
20 kWel .. > 10MWel 1
5 kWel .. > 5 MWel 2
InterneVerbrennungs-motoren
BRENNSTOFF,ENERGIEBEDARF
ELEKTRICHERWIRKUNGS-
GRAD
ANWENDUNGS-BEREICH
27.06.2007 45UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
BEISPIEL FÜR KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
DREWAG Gas- & Dampfkraftwerk (GuD)
(Dresden, Nossener Brücke):
• 3 x 70 MWel Gas Turbine, 1 x 72 MWel Dampf Turbine
• 455 MWth Fernwärme, 25 MWth Dampferzeugung
• Gesamtwirkungsgrad: 90%
27.06.2007 46UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
SCHLUSSFOLGERUNG KWK
Wo immer möglich, sollten verbrennungsbasierteEnergieerzeugungsprozesse als KWK-Anlagen ausgelegt werden.
Gekoppelte Erzeugung verursacht geringere elektrische Effizienzaber führt zu höheren primärenergetischen Ausnutzungsgraden.
Gekoppelte Erzeugung benötigt geeignete Versorgungsgebietemit ganzjährigem Wärme- oder Kältebedarf.
Wachsende Investitionskosten zur Wärmeauskopplung
27.06.2007 47UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
ÜBERSICHT
Energiebedarf
Dezentrale Stromerzeugung durch Regenerative Energien
Überregionale Energieversorgungsstrukturen
Regionale, dezentrale Energieversorgungsstrukturen
Koppelproduktion von Strom- und Wärme/ Kälte
Erneuerbare Energiequellen für thermische Umwandlungsprozesse
27.06.2007 48UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
UNTERSCHIEDE ERNEUERBARERENERGIEQUELLEN
Solar (photovoltaik) Module,
Solar-Turm Kraftwerke,
Solar (thermische) Kollektoren,Solare Einstrahlung SOLARENERGIE
WindturbinenWind
WasserkraftwerkeHydrologischerKreislauf
Geothermische Kraftwerke, WärmepumpenDT = 20 .. 40 K/km GEOTHERMIE
Direkte (thermische) Umsetzung,
Anaerobe Vergärung zu Biogas,
Vergasung & Synthetische Brennstoffe
Biomasse ausPhotosynthese
GezeitenkraftwerkeGezeiten GRAVITATIONSKRAFT
KONVERTIERUNG ZU
SEKUNDÄRENERGIE
ERSCHEINUNGERNEUERBARE ENERGIE
(GEEIGNET FÜR KWK: JA NEIN)
27.06.2007 49UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
REGENERATIVE TECHNOLOGIES FOR CHP
Firm Biomass
CombustionSteamturbine
Stirlingmotor
Gasturbine
Gas Motor
Fuell Cell
Gasification
Bio GasGas Motor
Fuell Cell
Disposal Gas
Mine/ Pit Gas
Steam
Exhaust
Fuel-Gas
Fuel-Gas
Fuel-Gas
Fuel-Gas
27.06.2007 50UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
DIRECT THERMAL CONVERSION OF BIOMASS
Example: Biomass-Powerplant at Wicker (NRW), 15 MWel
annual fuel consumption: 90.000 t matured timber,
assorted, dried and chopped at nearby preparation plant
27.06.2007 51UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
PRODUCTION AND USE OF BIOGAS
Schematic of a Biogas-Powerplantwith Anaerobic Digester & power generation by IC-Engine-CHP
27.06.2007 52UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
ENERGY CONTENT OF BIOMASS
Heating value (LHV) and water content of biomass
compared to fossil fuels:
5 .. 14 % 8 .. 20 MJ/kg BROWN COAL
30 MJ/kg HARD COAL
40 MJ/kg CRUDE OIL
10 .. 20 %dry13 ..15 MJ/kg GRASS /
STRAW
15 .. 60 %dry 6 .. 18 MJ/kg TIMBER
30 .. 40 MJ/m³ NATURAL GAS
14 .. 16 MJ/kg CORN
10 .. 15 %dry15 .. 20 MJ/kg RAPE GRIST
WATER CONTENTHEATING VALUE FUEL
27.06.2007 53UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
BIOGAS-YIELD FROM DIFFERENT RAWMATERIALS
Wheat
Bread
Grease (used)
Corn-Cob Mix
Corn Silage
Gras Silage
Food-Waste
Municipal Bio-Waste
Potatoes
Fodder Beet
Gras (fresh)
Potato Peelings
Manure (pigs)
Manure (cattle)
Biogas yield [standard dm³ per kg raw material]
Source: Fraunhofer IUSE (UMSICHT), Oberhausen
27.06.2007 54UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
CULTIVATION OF RAW MATERIALFOR BIOGAS PRODUCTION & POWER GENERATION
Source: Fraunhofer IUSE (UMSICHT), Oberhausen
21,1410.25020550 CORN SILAGE
10.000
7.600
7.200
6450
5.280
4.950
YIELD
m³ / ha
100
95
180
430
660
110
BIOGAS
m³ / t
15,6880 GRAS SILAGE
20,63100 FODDER BEET
1) Hu = 6.25 kWh/m³; hel = 33%
10,898 WHEAT
10,2145 POTATOES
14,8540 RYE SILAGE
13,3015 CORN-COB
MIX
ELECTRICITYYIELD1
MWh / ha
CROP YIELD
t / ha
RAWMATERIAL
27.06.2007 55UMWELTRINGV O RLESUNGLinked – Netzwerke in unserer Umwelt
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit…
Dipl.-Ing. Steffen Robbi
Technische Universität DresdenInstitut für Energietechnik
Professur für Energiesystemtechnik und Wärmewirtschaft
+49 – 351 – 4633 4709