Ökonomische Bewertung der Kraft-Wärme-Kopplung

Inhaltsverzeichnis

INHALTSVERZEICHNIS

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS

SYMBOLVERZEICHNIS

ABBILDUNGSVERZEICHNIS

1 EINLEITUNG
1.1 EINFÜHRUNG IN DIE PROBLEMSTELLUNG
1.2 AUFBAU DER SEMINARARBEIT

2 GRUNDLAGEN ZUR BETRACHTUNG DER KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
2.1 GRUNDSÄTZLICHES2
2.2 BEGRIFFE UND KENNZAHLEN DER KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
2.3 KWK-KRAFTWERKSTYPEN5

3 ENERGIETECHNISCHE BEWERTUNG DER KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG

4 ÖKOLOGISCHE BEWERTUNG DER KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG

5 ÖKONOMISCHE ASPEKTE DER KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
5.1 RECHTLICHE RAHMENBEDINGUNGEN
5.2 MÖGLICHKEITEN DER VERRECHNUNG VON KOSTEN BEI KUPPELPRODUKTEN
5.3 KOSTEN DER STROMERZEUGUNG
5.4 KOSTEN DER WÄRMEERZEUGUNG

6 GANZHEITLICHE BEWERTUNG DER KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG

7 ZUSAMMENFASSUNG

LITERATURVERZEICHNIS

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

ABBILDUNG 1: DER CARNOTSCHE KREISPROZEß IM DRUCK-TEMPERATUR-DIAGRAMM (P-VDIAGRAMM)

ABBILDUNG 2: VOR- UND NACHTEILE VERSCHIEDENER KWK-SYSTEME

ABBILDUNG 3: ANWENDUNGSFELDER FÜR DIE KWK

ABBILDUNG 4: BEISPIEL ZUR JAHRESKOSTENBERECHNUNG - VERGLEICH ZWEIER KWKANLAGEN

1 Einleitung

1.1 Einführung in die Problemstellung

Energie kann als die Antriebsfeder der industriellen Entwicklung und als der Grundstein des menschlichen Wohlstandes angesehen werden. Im Verlaufe der Jahre hat Energie in der Form von Strom eine besondere Rolle eingenommen Die Nachfrage unterliegt dem ständigem Wachstum. In den westlichen Industrieländern war die Stromversorgung durch monopolistische Angebotsstrukturen gekennzeichnet. In Deutschland existierten neben den großen Energieversorgungsunternehmen (EVU) eine Vielzahl regionaler, gebietsmonopolistischer Anbieter. Der Strompreis unterlag zwar der staatlichen Kontrolle, jedoch verharrte er im europäischen Vergleich auf einem hohen Niveau.

Mit der weltweiten Liberalisierung der leitungsgebundenen Energiemärkte, die 1990 in England ihren Anfang fand, veränderten sich die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für die EVU. In Europa regelt seit 1998 die Binnenmarkt-Richtlinie Elektrizität, die in Deutschland durch das Gesetz zur Neuregelung des Energiewirtschaftsrechtes und in Form von Verbändevereinbarungen umgesetzt wurde, den Markt für Gas und Strom.¹ Die Liberalisierung führte in Deutschland zur Verschärfung des Wettbewerbes sowie zu spürbaren Strompreissenkungen. Der Kostendruck zwingt die EVU zu ökonomischer Effektivität und Effizienz. Dies führte zur Neugestaltung der Versorgerlandschaft. Es sanken die Neuinvestitionen und es kam zu einer Vielzahl von Fusionen regionaler Anbieter.²

Eine zweite Einflußgröße auf die Kraftwerksbetreibung ist energiepolitischer Natur. Im Rahmen des Kyoto-Protokolls ist die Verpflichtung zur Senkung der Treibhausgasemissionen eingegangen worden. In der Europäischen Union (EU) wurde das Burden-Sharing beschlossen. Hier verpflichtet sich Deutschland zu einer Emissionssenkung von 21% bis zum Jahre 2012 gegenüber dem Jahr 1990.³

Die ökologischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen der Kraftwerksbetreibung haben sich also verschärft. In dieser Seminararbeit erfolgt eine Betrachtung der Energieversorgung durch KraftWärme-Kopplung (KWK) im veränderten Umfeld.

1.2 Aufbau der Seminararbeit

Der Aufbau dieser Seminararbeit orientiert sich an den energiepolitischen Zielen

- Versorgungssicherheit,
- Ressourcenschonung,
- Umweltverträglichkeit und
- Wirtschaftlichkeit.⁴

Des weiteren erfolgt auch die Auslegung von Anlagen zuerst auf der Basis von technisch sinnvollen Alternativen, um im zweiten Schritt die wirtschaftlichste Variante auszuwählen.⁵

Nach der Betrachtung der Grundlagen zu der KWK im zweiten Kapitel, wird in Kapitel 3 eine energietechnische Bewertung vorgenommen, die sich mit der technischen Effektivität und Effizienz im Rahmen der Kraftwerksauslegung auseinandersetzt. Das vierte Kapitel befaßt sich mit ökologischen Aspekten der KWK. Insbesondere wird auf die Möglichkeit, Emissionen und Immissionen durch die gekoppelte Erzeugung von Wärme und Strom zu vermeiden, eingegangen.

Der Schwerpunkt der Ausführungen liegt auf der Analyse der Wirtschaftlichkeit der KWK. Dazu werden in Kapitel 5 die rechtlichen Rahmenbedingungen, denen die KWK unterliegt, vorgestellt, sowie die Kostenzusammensetzung der Strom- und Wärmeerzeugung betrachtet. Eine abschließende Bewertung der KWK mit einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung über die Lebensdauer der Anlage ist Gegenstand von Kapitel 6.

In Kapitel 7 werden die Kernaussagen der Seminararbeit noch einmal zusammengefaßt.

2 Grundlagen zur Betrachtung der Kraft-Wärme-Kopplung

2.1 Grundsätzliches

Bevor energietechnische Betrachtungen vorgenommen werden, sollen zunächst einige Begriffe der Energietechnik eingeführt werden. Mit Energie wird im physikalischen Sinne die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, bezeichnet.⁶ Energie kann dabei in verschiedenen Erscheinungsformen auftreten. Folgende Formen sind zu nennen:⁷

- mechanische, elektrische und chemische Energie,
- elektromagnetische Strahlungsenergie,
- Kernenergie und
- Wärme.

Die Umwandlung und Nutzung der Energie wird dabei durch die Gesetze der Thermodynamik bestimmt.⁸ Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik gilt, daß die Änderung der inneren Energie eines geschlossenen Systems gleich der Summe aus zu- oder abgeführter Wärme und Arbeit ist. Demzufolge kann Energie nicht aus dem Nichts entstehen. Der erste Hauptsatz ist folglich eine Verallgemeinerung des Energieerhaltungssatzes

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik nimmt eine Unterscheidung der Energie in

- nicht nutzbare Energie - Anergie und
- nutzbare Energie - Exergie

vor. Er besagt, daß keine dauerhaft oder zyklisch arbeitende Maschine existiert, die aus einem Reservoir Wärme entnimmt und diese in Arbeit umwandelt. Demzufolge kann Wärme nicht vollständig als Arbeit genutzt werden. Als Maß für den Verlust des nutzbaren Energieanteils wird in der Thermodynamik die Entropie⁹ verwendet. Prozesse, in denen Verluste auftreten, werden als irreversibel bezeichnet. Reversible Prozesse, bei denen der Exergieanteil konstant bleibt, kommen in der Natur nicht vor. Diese dienen nur als Vergleichsprozesse, die ein Maß für die maximal mögliche Effizienz bei der Energieumwandlung sind. Der ideale Vergleichsprozeß für die Arbeit einer Wärmekraftmaschine zwischen zwei Temperaturniveaus Tmax > Tmin ist der in Abbildung 1 dargestellte Carnotsche Kreisprozeß.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Der Carnotsche Kreisprozeß im Druck-Temperatur-Diagramm (p-V-Diagramm)¹⁰

Dieser rechtsgängige Kreisprozeß besteht zum einen aus zwei isothermen Schritten, bei denen das jeweilige Temperaturniveau T gleich bleibt. Zum anderen werden zwei adiabate Prozesschritte durchlaufen, bei denen keine Wärme Q mit der Umgebung ausgetauscht wird. Die gewonnene Nutzarbeit WN hat den Betrag der eingefärbten Fläche in Abbildung 1. Der Wirkungsgrad des Carnotschen Kreisprozesses ergibt sich zu:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dieser Wirkungsgrad stellt die Obergrenze für alle Prozesse dar, die Wärme in Nutzarbeit überführen, wie es für viele Kraftwerkstypen der Fall ist.

Eine weitere Unterteilung von Energie unterscheidet zwischen

- Primärenergie,
- Sekundärenergie,
- Endenergie.¹¹

Die Primärenergie umfaßt dabei den Energieinhalt von Energieträgern, die in der Natur vorkommen und keine technische Umwandlung durchlaufen haben. Beispiele sind Kohle, Uran oder Biomasse. Die Sekundärenergie wird durch Umwandlung aus der Primärenergie gewonnen. Als Beispiele sind hier der Strom, also die elektrische Energie, und Wärme zu nennen. Mit Endenergie werden die Energieträgern bezeichnet, die zur Erzeugung von Nutzenergie dienen und folglich dem Markt endgültig entzogen worden sind.

Ein von vielen Vorteilen geprägte Energieform ist der Strom. Dieser besteht nahezu aus 100% Exergie.¹² Neben der Vielzahl von Vorteilen besteht jedoch der Nachteil, daß Strom nicht gespeichert werden kann. Diesem Umstand muß die Versorgung mit Strom Rechnung tragen. Es wird sich dabei an dem Tagesbedarf in Abhängigkeit von der Tageszeit, auch Tagesbelastungskurve genannt, orientiert. Dieser Tagesbedarf wird in eine Grundlast, eine Mittellast und eine Spitzenlast unterteilt. Je nach Regelfähigkeit sind bestimmte Kraftwerkstypen den einzelnen Lastarten zu zuordnen. Z.B. übernehmen Kraftwerke mit relativ billigen Brennstoffen (z.B. Kernkraft, Braunkohle) oder solche, die aus technischen Gründen unter Vollast fahren (z.B. Wasserkraftwerke) die Grundlast.¹³

2.2 Begriffe und Kennzahlen der Kraft-Wärme-Kopplung

Im vorangegangenen Abschnitt wurden die Grundlagen der Energietechnik zusammenfassend dargestellt. Im folgenden liegt der Fokus der Betrachtungen auf der KWK. Mit der KWK ist „die gleichzeitige Gewinnung von mechanischer und thermischer Nutzernergie aus anderen Energieformen mittels eines thermodynamischen Prozesses in einer Anlage“ zu verstehen.¹⁴ Die mechanische Energie wird dabei in über 90% der Anwendungsfälle direkt in elektrische Energie gewandelt. Die Gleichungen (2)-(4) stellen Kennzahlen dar, die KWK-Anlagen charakterisieren.¹⁵

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Legende zu den Gleichungen (2)-(4):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im einzelnen ist die Gleichung (2) die Energiebilanz, Gleichung der Gesamtwirkungsgrad sowie Gleichung (4) die Stromkennziffer (SKZ) der Anlage, die das Verhältnis zwischen abgegebenen Strom und zur Verfügung gestellter Wärme, also das Verhältnis der Koppelprodukte zueinander angibt. Anhand dieser Kennzahlen kann die Auslegung der Anlage erfolgen.

2.3 KWK-Kraftwerkstypen

KWK-Kraftwerkstypen können nach den zur Verfügung stehenden Freiheitsgraden, mit denen die SKZ eingestellt werden kann, unterschieden werden.¹⁶ Anlagen mit nur einem Freiheitsgrad können Strom und Wärme nur gekoppelt erzeugen. Die SKZ ergibt sich dann aus dem Betriebspunkt des Kraftwerkes. Als Beispiel für derartige Anlagen sind

- Gasturbinenkraftwerke,
- Motorheizkraftwerke mit Otto- oder Dieselmotor und
- Dampfturbinenkraftwerke mit Gegendruckturbine

zu nennen. Stehen zwei Freiheitsgrade zur Verfügung, so ist eine ausschließliche Stromerzeugung möglich. Folgende Kraftwerke bieten diese Möglichkeit:

- Entnahme-Kondensationskraftwerke,
- Anzapf-Kondensationskraftwerke und
- Kombikraftwerke mit Anzapf- oder Entnahmekondensationsturbine.

Abbildung 2 zeigt eine von Schmitz und Koch vorgenommene Aufzählung von Vor- und Nachteilen verschiedener Kraftwerkstypen.¹⁷ Anhand dieser Auflistung kann eine erste Auswahl erfolgen. Es ist zu erkennen, daß eine kombinierte Gas- und Dampfturbinenprozeßanlage (GuD) wegen des hohen elektrischen Wirkungsgrades für einen Betrieb mit hoher SKZ geeignet ist. Motorenanlagen haben den Vorteil der kompakten Bauweise sowie der schnellen Reaktionsfähigkeit auf Laständerungen. Die letztendliche Entscheidung für eine Kraftwerkstyp erfolgt anhand energietechnischer, ökologischer sowie ökonomischer Aspekte, die Gegenstand der folgenden Kapiteln ist.

[...]

¹ Vgl. Grawe, J. (1998), S. 7 ff.

² Vgl. Meller, E. / Bömer, T. (2001), S. 7 ff. sowie Hüttl, A. J. (1997), S. 50 ff.

³ Vgl. Prognos AG [Hrsg.] (2000), S. 148 ff.

⁴ Vgl. Prognos AG [Hrsg.] (2000), S. 5.

⁵ Vgl. Schmitz, K. W. / Koch, G. (1997), S. 20.

⁶ Vgl. Schuberth, R. (1997), S. 10.

⁷ Vgl. Schuberth, R. (1997), S. 3 f.

⁸ Die Ausführungen zu den Hauptsätzen der Thermodynamik basieren auf Schuberth, R. (1997), S. 65 ff.

⁹ Auf eine genaue Definition der Entropie wird in dieser Seminararbeit verzichtet. Statt dessen wird auf vertiefende Literatur der Thermodynamik verwiesen.

¹⁰ Vgl. Schuberth, R. (1997), S. 76.

¹¹ Vgl. Schaefer, H. (2000), S. 285.

¹² Vgl. Schuberth, R. (1997), S. 70 sowie Hüttl, A.J. (1997), S. 36 f.

¹³ Vgl. Nelles, D. / Tuttas, C. (1998), S. 277 f.

¹⁴ Schmitz, K. W: / Koch, G. (1996), S. 5.

¹⁵ Vgl. Starrmann, F. (2001), S. 17 ff.

¹⁶ Vgl. Starrmann, F. (2001), S. 19 f.

¹⁷ Vgl. Schmitz, K. W. / Koch, G. (1996), S. 21.