Kraftvarmeenhet

Biogass kraftvarme i Güssing , Østerrike

Mini-CHP i innkapslet design

En kombinert varme og kraft ( CHP ) er en modulær bygget anlegg for produksjon av elektrisk energi og varme , som drives fortrinnsvis på stedet for varmeforbruket. Nyttig varme kan også mates inn i et lokalt oppvarmingsnett. Systemet bruker prinsippet om kombinert varme og kraft til dette .

Som driv for generatoren til forbrenningsmotorer , d. H. Diesel- , vegetabilsk olje- eller gassmotorer , men også gassturbiner , Stirling- motorer eller brenselceller kan brukes.

Jo høyere totale grad av utnyttelse sammenlignet med den konvensjonelle kombinasjon av lokale varme- og sentral kraftverks skyldes det faktum at spillvarmen fra kraftproduksjon blir brukt. Effektiviteten til kraftproduksjon med forbrenningsmotorer er mellom 25 og 44% (basert på brennverdien ) , avhengig av størrelsen på systemet . Kraftvarme på drivstoffcellebasis kan imidlertid oppnå en elektrisk virkningsgrad på 55 opptil 60%. Hvis spillvarmen brukes fullstendig og lokalt, kan en total effektivitet med hensyn til primærenergien på 80 til 90% (basert på brennverdien) oppnås. Kondenserende kjeler oppnår virkningsgrad på opptil 100% (basert på brennverdien), men kan ikke generere strøm. (Se også om effektivitet> 100% generelt og forskjellige effektivitetsdefinisjoner for kondenserende kjeler .)

Vanlige kraftvarmemoduler har elektriske utganger mellom ett kilowatt (kW) og noen få titalls megawatt (MW). Under 50 kW snakker man også om mini kombinert varme og kraft (mini-CHP), under 10 kW micro-CHP . Systemer med mindre enn 2,5 kW kalles også nano-CHP-enheter. Mini- og mikro-kraftvarmeproduksjon brukes i bolig- og forretningsstrøk, sykehus, svømmebassenger og bygårder, men også i bedrifter og i boligutbygginger. Spesielt nano-CHP-klassen er også egnet for eneboliger. Kombinert varme og kraft brukes også i termiske kraftstasjoner , der vanligvis med elektriske utganger på noen få hundre MW.

Driftsmåter

Ideelt sett er kjøpet av nettet dekket slik at overproduksjon kan mates inn i strømnettet. Varmen brukes til oppvarmingsformål og tilberedning av varmt vann.

Varmestyrt

Hvis produksjonen fra kraftvarmen er basert på det lokale varmebehovet, er det en varmestyrt kraftvarme. Ved å regulere varmeeffekten slås individuelle enheter på eller av i modulsystemer etter behov. I tilfelle en konfigurasjon med bare en enhet , reguleres enten utgangen tilsvarende eller en varmelagertank lastes i periodisk drift. Hukommelsen er ofte designet slik at motoren trenger minst en time for å lade den fullstendig. Siden vedlikeholdsintervallene er basert på systemets driftstimer, er intervalldrift vanligvis den mer økonomiske driftsmåten enn modulert drift. Elektrisiteten som genereres av slike systemer brukes så langt som mulig; overskuddet mates inn i det offentlige nettverket og utlignes deretter.

Strømstyrt

Nødkjøler (vannrette vifter i midten av bildet) på containertaket på en biogass kraftvarmeenhet

I tilfelle av en strøm- styrt CHP enhet, avhenger utgangen på strømbehovet eller evnen til enheten (max.electricity generasjon ifølge EEG, se nedenfor). Varmen som ikke kan brukes i denne perioden slippes ut i miljøet som spillvarme via en nødkjøler , selv om dette reduserer effektiviteten. På den ene siden finnes denne driftsmodusen ofte i øy-nettverk . I Tyskland drives en rekke kraftvarmeenheter av elektrisitet ved bruk av fornybare råvarer. De lovbestemte innmatingstariffene for produsert elektrisitet ( fornybar energilov , kortfattet EEG) gjorde det mulig for operatører å maksimere fortjenesten ved å produsere så mye strøm som mulig. Gjenvinning av den resulterende varmen ble ofte neglisjert. De nyere endringene i EEG har redusert denne muligheten betydelig.

Strømorientert

Når det gjelder strømorientert drift, forblir den første kontrollvariabelen varmebehovet. Når det gjelder kontrollteknologi, dekkes imidlertid belastningen så langt som mulig. Kraftkraften går når det kreves strøm, varmen brukes direkte eller er midlertidig bufret i et varmelager for senere bruk. Kraftkraften har ikke en nødkjøler. I tider med lav strømbelastning blir varmebehovet først og fremst oppfylt fra varmelageret, hvoretter kraftvarmen går i drift. Denne driftsmodusen maksimerer den elektriske selvbruken, uten tap av effektivitet og uten kondens.

Nettverksledet

Hvis ytelsesnivået er spesifisert av et sentralt punkt for flere systemer, blir det referert til som en nettverksstyrt kraftvarmeenhet. Hovedkontoret optimaliserer distribusjonsplanleggingen av de desentraliserte kraftvarmeenhetene på tvers av systemer basert på økonomiske grenseforhold, for eksempel felles gass- og restkjøpsavtaler. Nettverksadministrasjon er kjerneideen til et virtuelt kraftverk . Som med strømforsyningen, må en lagringstank være integrert for tidsfrakobling av varmeproduksjon og belastning.

tolkning

Vanligvis er produksjonen fra et varmestyrt kraftvarmesystem utformet på en slik måte at det bare dekker en del av det maksimale oppvarmingsenergibehovet til de tilkoblede forbrukerne, selv i full belastning, blir den nødvendige restvarmen levert av en topplastkjele . Dette sikrer at de dyre strømgenererende anleggene blir brukt bedre og oppnår høyere driftstimer. Målet er minst 7900 timer per år, men ofte oppnås bare rundt 3000 til 5000 timer.

Ved hjelp av bufferlagring drives mini-kraftvarmeenheter for boligbygg monovalent, dvs. uten toppkoker. En slik kraftvarme er ikke utformet - som beskrevet ovenfor som vanlig - i henhold til grunnbelastningen for varmeenergibehov, men som et konvensjonelt varmesystem i henhold til toppbelastningen. Denne typen tolkning forplantes spesielt når det gjelder mini-CHP . Med et slikt design er CHP-enheten slått på og av (såkalt "sykling"), noe som forkorter levetiden.

Når du konverterer til en mini-kraftvarme, kan en eksisterende varmeinstallasjon vanligvis fortsette å brukes med mindre endringer. På den ene siden er det muligheten for å bruke en monovalent kraftvarmeenhet med inkludering av større varmeakkumulatorer. Hvis oppvarmingen derimot ikke er tilstrekkelig i vintermånedene, kan ytterligere oppvarming utføres med den eksisterende brenneren eller en topplastkjele (toverdig bruk). Hvis det bare sjelden er behov for tilleggsvarme, kan det også være kostnadseffektivt å installere et enkelt elektrisk tilleggsovn (el-varmeprinsipp). Større kraftvarmeenheter kan også optimaliseres ved bruk av varmelagringssystemer. Disse tjener til å buffere toppbelastningen og dermed unngå behovet for tilleggsvarme fra ikke-kraftvarmeproduksjon (kjeler). Videre tillater de en midlertidig strømstyrt operasjon, dvs. H. en lagringstank som lades til tider når strømprisen er høy.

Økologiske og miljømessige aspekter

Det grunnleggende økonomiske og økologiske konseptet med varmestyrt drift er å bruke varmen som genereres i sin helhet og, hvis mulig, også bruke strømmen på stedet. Ubrukt strøm mates inn i det offentlige nettet mot et gebyr . Siden det kreves mindre konvensjonell kraftverkskapasitet for produksjon av elektrisitet på denne måten, erstatter den økte bruken av kraftvarme strømmen fra fossile kondenserende kraftverk med middels belastning (hovedsakelig kull) og muliggjør dermed lavere karbondioksidutslipp. I Tyskland bør dette også støttes av lovbestemte forskrifter som KWKG .

En kraftvarmeenhet oppnår en betydelig høyere grad av utnyttelse (nyttig energistrøm pluss nyttig energivarme delt på energiinngang) sammenlignet med den konvensjonelle blandede driften av lokal oppvarming og sentral strømforsyning. Et moderne, storstilt kraftverk basert på for eksempel kull , oppnår for eksempel en effektivitet på rundt 45%. Dette betyr: rundt halvparten av energien som genereres er spillvarme. Å bruke dem som fjernvarme vil imidlertid medføre betydelige transporttap (10–15%) og vil kreve et komplekst og kostbart ledningsnett , siden varmegeneratoren og varmeforbrukeren vanligvis er langt fra hverandre i store sentrale kraftverk. Ytterligere 2 til 5% av energien går tapt gjennom overføring av elektrisitet. Kraftvarmeenheter har en elektrisk virkningsgrad på ca. 25 til 38% (avhengig av størrelse og type); den samlede effektiviteten på ca. 90% kan bare oppnås hvis strøm og varme brukes direkte på stedet. Fordelen med å kunne bruke prosessvarmen på stedet krever passende kunder. Boligbygg trenger forskjellige mengder varme avhengig av sesong, og det er derfor prosessvarmen bare kan brukes delvis om sommeren.

Arbeidet med å vedlikeholde motorene (som oljeskift og luftfiltre, tennpluggene for gassmotorer osv.) Med tilhørende reiser av servicepersonell har en negativ innvirkning på den økonomiske balansen, da det er nødvendig for mindre og desentraliserte systemer, spesielt mikro-CHP , øker spesifikt.

Bruk av palmeolje som drivstoff er spesielt kritisk. I mange fremvoksende og utviklingsland dyrkes palmeoljeplantasjer på bekostning av regnskogen, ofte til og med gjennom ulovlig hogst, til tross for allianser som RSPO (Round Table of Sustainable Palm Oil). De siste regnskogene synker massivt på grunn av den stadig økende etterspørselen etter palmeolje til drivstoff, mat, kosmetikk, etc.

teknologi

Funksjonsskjema for et motordrevet kraftvarmesystem

Opprinnelig var kraftvarmesystemer basert på forbrenningsmotorer, hvis varme fra avgassen og kjølevannskretsen brukes til å varme opp varmevannet. I mellomtiden brukes andre systemer som Stirling-motoren og dampmotoren med relativt lavt effektivitetsnivå for å generere mekanisk energi (nødvendig for generatoren) i kraftvarmesystemer. Avhengig av typen forbrenningsmotor er bruken av termiske kraftstasjoner av blokk-typen ikke begrenset til å gi romvarme , men brukes også til å generere prosessvarme ved bruk av damp, varmluft eller termisk olje eller for klimaanlegg ved bruk av absorpsjonsvarme pumpen . Dette bruker spillvarmen fra kraftvarmesystemet til kjøling.

De viktigste drivstoffene som brukes er fossile eller regenerative hydrokarboner som fyringsolje , vegetabilsk olje (for det meste palmeolje ), biodiesel (for en dieselmotor ) eller naturgass eller biogass (for en bensinmotor ), pilotinjeksjonsmotor eller en gasturbin ( biogass) motor ) . Flis og trepiller som fornybare råvarer i Stirling- motorer , dampkraftverk og treforgassere er også mulig, sistnevnte i forbindelse med en bensinmotor (effektivitet <36%).

De fleste kraftvarmemotorer, dvs. bensin-, diesel- og Stirling-motorer, kan brukes med lett fyringsolje.

Når det gjelder kraftvarmesystemer basert på forbrenningsmotorer eller gasturbiner, oppstår spillvarme i kjølekretsen og i eksosen. Den overføres til varmekretsen til bygningens sentralvarmesystem via varmevekslere . En utnyttelsesgrad på opptil 95% kan oppnås, avhengig av den respektive bruken av motoren og motorens effektivitet. Den rene elektriske effektiviteten ved full motorbelastning er, avhengig av drivstoff, størrelse og konstruksjon (f.eks. Med eller uten turbolader) på motoren og generatoren, mellom 20% (med mini-CHP ) og 43% (med dieselmotorer med utganger over 1 MW).

Liten kraftvarme ( mikro-kraftvarmepumpe ) på opptil 10 kW elektrisk og rundt 20 kW termisk effekt er egnet for oppvarming av enkelt- og flerfamiliehus og småbedrifter. Mellomstore kraftvarmeenheter med en elektrisk effekt på flere hundre kW brukes ofte av kommunale verktøy til å varme opp boligområder eller innendørs svømmebassenger eller større kommersielle operasjoner. Store kraftvarmeenheter med bensinmotorer med en effekt på noen få MW er egnet for å levere strøm og varme til større bolig- og næringsområder samt fabrikker.

økonomi

Et stort årlig antall driftstimer i motorens høye belastningsområde (vanligvis rundt 4000 fullastetimer per år) er avgjørende for lønnsomheten til et kraftvarmesystem. Målet er å balansere investeringene i anlegget økonomisk med den økonomiske godtgjørelsen for generert elektrisitet og varme (eller en reduksjon i de tilknyttede kostnadene).

I tilfelle av varmestyrte CHP-enheter, den årlige varighet kurve av den varmebehovet (en kurve som plotter hvor mange timer per år som varmeeffekt er nødvendig for bygningen) blir brukt til å bestemme den varmeeffekt, noe som krever rundt 3000 timer per år. Toppeffekten til kraftvarmen er satt til denne utgangen; som regel er dette 25–30% av toppvarmebehovet. For å kunne levere produksjonen trinnvis er kraftvarmere vanligvis utstyrt med flere motorer på en modulær måte.

I oppholdsrommet svinger oppvarmingsenergibehovet veldig sterkt med årstidene; i midtsommer brukes det bare til oppvarming av varmtvann. For øyeblikket er det bare noen få kraftvarmemodeller som kan endre varmen som genereres og dermed også elektrisiteten som produseres på en koblet måte (“modulerende drift”). Svingninger i etterspørselen - begrenset av varmelagring - kan imidlertid kompenseres for. En vanlig drift med en vanlig brenner for termisk toppbehov og som reserve i tilfelle feil eller vedlikehold er vanlig. Hvis det ikke er noen tiltak for å kompensere for slike svingninger i varmebehovet, vil CHP-systemet slås på og av ("sykling") oftere, noe som fører til redusert effektivitet og levetid.

I en omfattende økonomisk gjennomførbarhetsstudie er alle investerings- og driftskostnader - dvs. avskrivninger , drivstoff og vedlikehold - inkludert og sammenlignet med inntektene for strøm og varme eller de lagrede beløpene. VDI-retningslinjen 2067 "Økonomisk effektivitet av tekniske bygningssystemer" danner grunnlaget for denne økonomiske mulighetsstudien.

Om sommeren kan for eksempel en absorpsjonskjøleskapsmaskin , som må investeres i tillegg, brukes til å ta av varmen når det ikke er behov for varmeenergi , som genererer kulde til klimaanlegg. Man snakker da om kombinert varme, kraft og kjøling . I fremtiden er det også planlagt bruk av kraftvarmeenheter som et virtuelt kraftverk, der et stort antall desentraliserte kraftvarmeenheter er sentralt styrt. På grunn av den økende andelen vind- og solenergi , som ikke leverer strøm etter behov, og som heller ikke kan gi grunnbelastning, kan kraftvarmeenheter med nedstrøms varmebuffere fungere enda mer lønnsomt: De gir den nødvendige elektriske kraften lokalt og varmelagringsenheter kan fylles på oppvarmingssiden .

Et grunnleggende problem i markedsføringen av kraftvarme, spesielt i eneboliger og flerfamiliehus, er den høyere kjøpesummen sammenlignet med vanlige naturgass- eller oljeoppvarmingssystemer. Kalkulatoren for sammenligning av varmesystemet fra forbrukersenteret i Nordrhein-Westfalen sammenligner de totale kostnadene for forskjellige varmesystemer (inkludert kraftvarmeenheter) for eksisterende boligbygg, fra eneboliger til ti-familiehus. Det kan være tilrådelig å bruke kraftvarme i fabrikker og selskaper. Hansestaden Hamburg tilbyr en god mulighet med CHP-sjekk av spesialrådgivere. Her blir det sjekket om det er fornuftig å bruke det i selskapet, ettersom det fortsatt er høye energi- og besparelsesmuligheter i disse områdene.

Til sammenligning har gassmotorer høyere elektrisk effektivitet med lavere spesifikke investeringskostnader, mikrogasturbiner kan også bruke gass med lavere brennverdi, har en tendens til å ha lengre levetid med lave drifts- og vedlikeholdskostnader og lavere driftsstøy.

Offentlig finansiering

Kraftkraft, operert med kaldpresset rapsolje

Siden 1. januar 2009 har kraftvarmene blitt subsidiert i Tyskland av loven for vedlikehold, modernisering og utvidelse av kraftvarme , eller lov om kraftvarme. Nettverksoperatører er forpliktet til å koble et kraftvarmeanlegg til sitt strømnett og å betale for strømmen som mates inn i det offentlige nettet. Godtgjørelsen består av gjennomsnittsprisen for baselaststrøm (basisbelastningspris) på Leipzig strømbørs EEX , et kraftuttakstillegg i henhold til kraftvarmeloven og et nettverksgebyr for desentralisert innmating. I tillegg vil kraftvarmesystemene fra 1. januar 2009 også motta strøm til B. brukes i selve forsyningseiendommen (hotell, boligbygning), mot et kraftuttak. Kraftvarmesystemer som ble eller kan kategoriseres i henhold til den (gamle) kraftvarmeloven fra 1. april 2002, har også mottatt et kraftvarmetillegg siden 1. januar 2009 for strøm brukt utenfor det offentlige nettet. 19. juli 2012 trådte den nye kraftvarmeloven i kraft. For eksempel mottar mini-kraftvarmesystemer som ble koblet til før 19. juli 2012 en betaling på 5,11 cent / kWh, systemer som ble installert i etterkant får et tilskudd på 5,41 cent / kWh i henhold til den nye betalingsmodellen.

Statlige subsidier inkluderer også skattelette. For drivstoffene naturgass, fyringsolje og flytende gass, ble energiavgiften , tidligere " mineraloljeavgift ", fullstendig tilbakebetalt til 1. april 2012 når den ble brukt i kraftvarmesystemer med en årlig effektivitet på minst 70% . På grunn av lovendring vil full lettelse kun gis med tilbakevirkende kraft fra 1. april 2012 hvis systemet ennå ikke er fullstendig avskrevet i henhold til skattelovgivningen i tillegg til en minimumsutnyttelsesgrad på 70% og er svært effektiv innen betydningen av europaparlamentsdirektiv 2004/8 / EF. I tillegg må det ikke betales strømavgift (2,05 cent / kWh) for strøm fra kraftvarmeanlegg med en elektrisk effekt på opptil 2 MW, som forbrukes av operatøren av anlegget i den "romlige sammenhengen" .

Siden 2012 har det føderale miljødepartementet fremmet bruken av svært effektive mini-kraftvarmesystemer i kraftområdet opptil 20 kilowatt elektrisk kraft som en del av National Climate Protection Initiative. 1. januar 2015 trådte den endrede retningslinjen for markedsføring av kraftvarmesystemer med en elektrisk effekt på opptil 20 kW i kraft. Som et resultat ble basistilskuddet i det lille produksjonsområdet økt, bonussubsidier ble innført for spesielt energieffektive mini-kraftvarmesystemer og tekniske krav ble forenklet.

I praksis genererte ikke KWK-loven fra 2002 den forventede dynamikken i utvidelsen av små kraftvarmesystemer (opptil to MW i henhold til avsnitt 3 (3) KWKG), som generelt inkluderer kraftvarmesystemer, selv om det her er stort potensiale som ligger brakk som kunne utvikles økonomisk.

Kraftvarmeproduksjon generert med biomasse som råmateriale, som mates inn i kraftnettet innenfor rammen av loven om fornybare energikilder (EEG), ble avlønnet med en tilleggsbonus på tre øre / kWh i henhold til reglene i EEG (CHP) bonus i henhold til vedlegg 3 EEG 2009). Denne bonusen gjelder ikke lenger med endring av EEG i begynnelsen av 2012. I tillegg til tilskudd og lån fra KfW og BAFA, gir mange føderale stater, kommunale energileverandører og kommunale verktøy også direkte finansiering for ettermontering til en kraftvarmeenhet.

litteratur

• Wolfgang Suttor: Kraftvarmeanlegg - En guide for brukeren. 8. reviderte utgave. Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 2014, ISBN 978-3-8167-9303-8 (retningslinjer for brukere i boligbransjen, bosettingsplanlegging, kommuner, energileverandører, ikke husbyggere)

weblenker

Wiktionary: Combined heat and power unit  - forklaringer på betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser

• Informasjon om BHKW (BHKW-Forum e.V.)
• EnergyAgency.NRW CHP temaside
• Dossier "kraftvarmeenhet og kraftvarme" ( co2online )
• Kraftkraft som oppvarming og 6 typer integrering av kraftkraft
• CHP-identifikasjonsdataverktøy 2015 (ASUE e.V./BHKW-Infozentrum), CHP-identifiseringsdata 2011 (PDF; 1,5 MB) og leverandøridentifikasjonsdata 2011 (XLS; 60 kB) ( Memento fra 22. februar 2014 på Internet Archives ) (ASUE eV )
• Kraftkalkulator for boligkomplekser og Kraftkalkulator for selskaper (EnergieAgentur.NRW)
• Tydelige applikasjonseksempler: " Månedens kraftvarme" (BHKW-Infozentrum GbR)
• Kraftvarmeenhet (BHKW) - strøm og varme til hjemmet (info side)
• Bedrifter er avhengige av selvforsyning med strøm (Heise Zeitschriften Verlag)

Individuelle bevis