Diplomarbeit
Dezentrale Energieeinspeisung
mit Brennstoffzellen
als virtuelles Kraftwerk
im Niederspannungsnetz
Eine techno-¨okonomische Analyse
Institut f¨ur Industriebetriebslehre und Industrielle Produktion
der Universit¨at Karlsruhe (TH)
Oktober 2005
Gunnar Kaestle
Inhaltsverzeichnis
1
Einleitung
1
1.1 Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.2 L¨osungsweg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2
Charakterisierung der technischen und betrieblichen Rah-
menbedingungen
5
2.1 Brennstoffzellentechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.1.1
Historie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.1.2
Gasaufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2.1.3
Polymermembran-Brennstoffzelle . . . . . . . . . . . . 10
2.1.4
Karbonatschmelze-Brennstoffzelle . . . . . . . . . . . . 11
2.1.5
Festoxid-Brennstoffzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.6
Sonstige Brennstoffzellentypen . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2 Kraft-W¨arme-Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1
Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2
Kleinste Kraft-W¨arme-Kopplungsanlagen . . . . . . . . 17
2.2.3
Besonderheiten der Brennstoffzelle . . . . . . . . . . . 20
2.3 Speichertechnologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.1
W¨armespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.2
Speicher f¨ur elektrische Energie . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.3
Chemische Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
I
INHALTSVERZEICHNIS
II
2.4 Dezentrale Energieeinspeisung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4.1
Technik der Netzanbindung . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4.2
Netzstruktur der Stromversorgung . . . . . . . . . . . . 26
2.4.3
Kommunikation dezentraler Erzeugungsanlagen . . . . 27
2.4.4
Verg¨utung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3
Methodik zur techno-¨
okonomischen Analyse dezentraler Kraft-
W¨
arme-Kopplungsanlagen
33
3.1 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.1
Abbildung von Energiefl¨ussen . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1.2
Erzeugung von Einzellastg¨angen . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.3
Zeitliche Variationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2 Bewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.1
Gaspreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.2
Strompreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.3
Jahresdauerlinie und Tageslastgang . . . . . . . . . . . 42
3.2.4
Prim¨arenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.5
Externalit¨aten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3 Marktpreisziele f¨ur Brennstoffzellen-Heizsysteme . . . . . . . . 46
4
Modellaufbau und Datenbasis
49
4.1 Siedlungstopologie des versorgten Niederspannungsnetzsegments 49
4.1.1
Einfamilienhaussiedlung . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.1.2
Mehrfamilienhaussiedlung . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.1.3
Nahw¨armesiedlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2 Das Brennstoffzellen-Heizger¨at . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2.1
Brennstoffzelle
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2.2
Zusatzbrenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
INHALTSVERZEICHNIS
III
4.2.3
W¨armespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.4
Regelungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3 Verbrauchsprofile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3.1
Elektrisches Lastprofil . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3.2
Warmwasser-Zapfprofil . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3.3
Heizw¨arme-Lastprofil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.4 Betriebsweisen des Heizkraftblocks . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.4.1
W¨armegef¨uhrte Betriebsweise . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4.2
Stromgef¨uhrte Betriebsweise . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4.3
Netzgef¨uhrte Betriebsweise . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.4.4
Kostengef¨uhrte Betriebsweise . . . . . . . . . . . . . . 62
4.5 Steuerungstechnische Vernetzung . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.5.1
Dezentrale Steuerung mit verkn¨upfendem Preissignal . 69
4.5.2
Zentrale Steuerung am Siedlungstrafo . . . . . . . . . . 69
5
Simulationsergebnisse
70
5.1 Referenzfall ohne Kraft-W¨arme-Kopplung . . . . . . . . . . . 71
5.2 Tageslastg¨ange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.3 Jahresdauerlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.4 Prim¨arenergetische Bewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.5 Monet¨are Bewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.6 Jahresmatrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6
Zusammenfassung und Ausblick
81
6.1 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Abbildungsverzeichnis
1.1 Prim¨arenergieverbrauch 2002 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2 Energieverbrauch in Haushalten 2002 . . . . . . . . . . . . . .
2
2.1 Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.2 Funktionsschema einer H
2
/O
2
-Brennstoffzelle . . . . . . . . . .
6
2.3 PEFC-System von Vaillant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4 Hot-Module von MTU (MCFC) . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.5 SOFC-Zellenstapel von Sulzer Hexis . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.6
¨
Ubersicht Brennstoffzellentypen . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.1 Energieflußschema mit BZH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2 Berechnung der Minutenwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3 Dreistufige Stromtarifierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4 Preisprofil der EEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.5 Jahresdauerlinie eines EFH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.6 Lorenzkurve der Jahresdauerlinie . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.7 Preise von CO
2
-Emissionszertifikaten . . . . . . . . . . . . . . 46
4.1 Wirkungsgradkurven der Brennstoffzelle . . . . . . . . . . . . 51
4.2 Lastprofil Strom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3 Zapfprofil Warmwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.4 Lastprofil Raumw¨arme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
IV
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
V
4.5 Modell einer Stromleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.6 Sternf¨ormiges Netzmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.7 Kostenkalkulation nach der Restwertmethode . . . . . . . . . 63
4.8 Schaltfunktion des Speicherschalters . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.1 Referenz-Stromlastgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.2 Tageslastg¨ange des Strombezugs der Wohnsiedlung . . . . . . 73
5.3 Jahresdauerlinien des Strombezugs der Wohnsiedlung . . . . . 74
5.4 Lorenzkurve des Strombezugs der Wohnsiedlung . . . . . . . . 75
5.5 Jahresmatrix des Stromlastgangs . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Tabellenverzeichnis
2.1 Speichertechnologien f¨ur elektrische Energie . . . . . . . . . . 23
2.2 Inlandstromverbrauch 2001 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3 Verg¨utung nach EEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4 KWK-Zuschl¨age . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1 Preise f¨ur Regelenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.1 Zapfprofil Warmwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2 Außentemperaturen und jahrzeitliche Heizenergieverteilung . . 56
4.3 Impedanzen von Stromleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.1 Kostenstruktur des Referenzfalles . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.2 Gini-Koeffizienten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.3 Prim¨arenergiebedarf der Wohnsiedlung . . . . . . . . . . . . . 76
5.4 Kostenstruktur der Einfamilienhaussiedlung . . . . . . . . . . 77
5.5 Kostenstruktur der Mehrfamilienhaussiedlung . . . . . . . . . 78
5.6 Kostenstruktur der Nahw¨armesiedlung . . . . . . . . . . . . . 79
VI
ABK ¨
URZUNGSVERZEICHNIS
VIII
Abk¨
urzungsverzeichnis
AC Alternating Current (engl. f¨ur Wechselstrom)
AFC Alkaline Fuel Cell (alkalische Brennstoffzelle)
BHKW Blockheizkraftwerk
BZ Brennstoffzelle
BZH Brennstoffzellen-Heizger¨at
Btu British Thermal Unit (1 kWh = 3412 Btu)
BoP Balance of Plant (engl. f¨ur Peripherieger¨ate)
BEMI Bidirektionales Energiemanagement Interface
CHP Combined Heat and Power (engl. f¨ur KWK)
DC Direct Current (engl. f¨ur Gleichstrom)
DMFC Direct Methanol Fuel Cell (Direktmethanol-BZ)
DSK Doppelschichtkondensator
EEG Erneuerbare-Energien-Gesetz
EEX European Energy Exchange (Leipziger Stromb¨orse)
EFH Einfamilienhaus
ENS Einrichtung zur Netz¨uberwachung mit Schaltorgan in Reihe
EUR Euro
EVU Energieversorgungsunternehmen
F&E Forschung und Entwicklung
G Gini-Koeffizient
GSM Groupe Sp´eciale Mobile
GuD Gas und Dampf
GFK Glasfaserverst¨arkter Kunststoff
HF Hochfrequenz
H¨oS H¨ochstspannung
HS Hochspannung
HT Hochtarif
jdl Jahresdauerlinie
kWh Kilowattstunde
KWK Kraft-W¨arme-Kopplung
KWKG Kraft-W¨arme-Kopplungsgesetz
KWKK Kraft-W¨arme-K¨alte-Kopplung
lk Lorenzkurve
ABK ¨
URZUNGSVERZEICHNIS
IX
MCFC Molten Carbonate Fuel Cell (Schmelzkarbonat-BZ)
MCP Market Clearing Price (b¨orslicher Gleichgewichtspreis)
MEA Membrane Electrode Assembly
MFH Mehrfamilienhaus
MS Mittelspannung
MT Mitteltarif
NaWaRo nachwachsende Rohstoffe
NS Niederspannung
NT Niedertarif
NW Nahw¨arme
p. a. per annum
PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell (phosphorsaure BZ)
PEFC Polymer Electrolyte Fuel Cell (Polymermembran-BZ)
Phelix Physical Electricity Index (Strompreisindex der EEX)
PJ Petajoule
PLC PowerLine Communication
ppm parts per million
PUR Polyurethan
SA Samstag
So Sommer
SO Sonntag
SOFC Solid Oxide Fuel Cell (Festoxid-BZ)
ST Siedlungstrafo
SZ Speicherzeit
RW Raumw¨arme
T tausend
tlg Tageslastgang
UMTS Universal Mobile Telecommunications System
USV Unterbrechungsfreie Stromversorgung
¨
UBN
¨
Ubertragungsnetzbetreiber
¨
Ub
¨
Ubergang (zwischen Sommer und Winter)
WE Wochenende
Wi Winter
WT Werktag
WW Warmwasser
ZZ Zykluszeit
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