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

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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

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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

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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

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Abbildungsverzeichnis

1.1 Prim¨arenergieverbrauch 2002 .

1

1.2 Energieverbrauch in Haushalten 2002 .

2

2.1 Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle .

6

2.2 Funktionsschema einer H2/O2-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 CO2-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

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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

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VII

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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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