Wirtschaftliche und energetische Auslegung von Mikro-KWK Technologien für den Einsatz in Wohngebäuden und Gewerbebetrieben

Abstract

Die Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung, also die kombinierte Bereitstellung von Strom (=Kraft) und Wärme bis zu einer elektrischen Nennleistung von 50 kWel, stellt eine relativ junge Disziplin in der Raumwärmebereitstellung dar. Unterschiedliche Technologien mit sehr spezifischen technischen Eigenschaften bilden die Basis für diese Geräte. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Frage nach dem Potential von Mikro-KWK Technologien in Haushalten und Gewerbe in Österreich. Weiters werden wirtschaftliche und energetische Auslegungen von Mikro-KWK Anlagen für durchschnittliche österreichische Haushalte ermittelt und deren Wärmegestehungskosten bzw. Energieeinsatz mit jenen eines modernen Gasheizkessels mit einer Wirkungsgrad von 96 % verglichen. Als "Potential für Mikro-KWK" sind Kunden gemeint, die über ein zentrales Raumwärmebereitungssystem, jedoch nicht über eine Fernwärmeanbindung verfügen. Die Entwicklung von Gebäudebestand und Jahresheizenergiebedarf konnte anhand eines betriebswirtschaftlichen Optimierungsalgorithmus "ERNSTL" für Haushalte abgeschätzt werden. Die Abschätzung für die gewerblichen Kunden erfolgte aufgrund von Internetrecherche, basierend auf Daten der Statistik Austria. Für die Betriebsanalyse einer Mikro-KWK Anlage wurde ein MATLAB-Tool entwickelt, anhand dessen Ergebnissen (elektrische und thermische. Deckungsgrade, Volllastbetriebsstunden und Erzeugungsganglinien) die wirtschaftliche und energetische optimale Auslegung ermittelt wird. Ausgegangen wird von einem "dualen" System, d.h. eine Mikro-KWK Anlage gekoppelt mit einem Warmwasser-Pufferspeicher wird mit einem Spitzenlastkessel kombiniert, wobei die thermische Nennleistung der Mikro-KWK Anlage mindestens 15% des Spitzenwärmebedarfs betragen muss. Diese 15% bedeuten eine Abdeckung der thermischen Grundlast des Gebäudes und gewährleisten hohe Vollastbetriebsstunden. Das größte Potential im Haushaltsektor liegt bei den Einfamilienwohnhäusern (1FH) und bei Sechzehnfamilienwohnhäusern (16FH). Die Wärmegestehungskosten sinken, je größer das zu versorgende Gebäude ist. Die niedrigsten Wärmegestehungskosten weisen große Hochhäuser mit mehr als 20 Wohneinheiten auf (30FH Kategorie). Die Entwicklung der Wärmegestehungskosten für ein 30FH in einem CO2-Reduktionsszenario bis zum Jahr 2050 zeigt, dass bei einer im Basisjahr 2010 für optimal befundenen Auslegung bei gleichem Wärmeenergiebedarf und sich ändernden Brennstoff- bzw. Strompreisen die Wärmegestehungskosten für bestimmte Bauperioden jenen des Referenzsystems gleichen können. Das liegt an der Bewertung der Erlöse durch die Stromproduktion. Die Abweichung vom Referenzsystem (Wärmeversorgung nur mittels eines Kessels) beträgt jedoch nur wenige Prozent. Die Frage ob Mikro-KWK Anlagen jetzt und in Zukunft Wärme günstiger produzieren können, als gewöhnliche Brennwert-Heizkessel muss im Rahmen eines BAU-Szenarios mit Nein beantwortet werden. Dort, wo Kunden Wert auf Unabhängigkeit von Energieversorgern legen, und ihren Eigenbedarf mit Mikro-KWK zumindest teilweise decken, bilden Mikro-KWK Anlagen aber durchaus ein interessantes Anwendungsfeld.

Micro-CHP, which stands for the combined generation of electricity and heat up to a nominal power of 50 kWel is a relative young discipline in space heating. Different technologies each with its specific characteristics build the base for this kind of distributed generators. This work investigates the potential of micro-CHP plants in households and small businesses in case of Austria. Furthermore economic and energetic optimal dimensioning are being calculated for average Austrian households and the heat generation costs and energy input are being compared to a reference system (a common peak load boiler with an efficiency factor of 96%). The heat costumers with an appropriate central heating system that is not supplied through a district heating system are a part of the potential fpr micro-CHPs. The development of the number of buildings and energy demand in residential area are being simulated by a microeconomic optimization algorithm called "ERNSTL". The mentioned development in case of small businesses have been estimated due to searching internet, based on the statistic data from "Statistik Austria". For the simulation of the heat led operation of micro-CHP plants, a MATLAB-tool was developed, and the results (electrical and thermal cover ratio, full load hours and generation load curves) give us the economic and energetic dimensioning. The "dual system" consists of a micro-CHP plant, thermal water storage and an additional boiler. The thermal nominal power of the micro-CHP has to be at least 15% (performance factor) of the thermal peak load (demand). The mentioned performance factor ensures coverage of the base load high full load hours. The highest potential for micro-CHP in households is within single dwellings and apartments with about 16 flats.The heat generation costs decrease with an increasing heat demand. The lowest heat generation costs are resulted for apartments with more than 20 flats. The development of heat generation costs for an apartment (more than 20 flats) within a CO2- reduction scenario until 2050 shows that an optimal dimensioning in base year 2010 at constant heat demand and variable fuel prices and electricity rates of certain building phases reach the heat generation costs of the reference system. This is because of the revenues due to electricity generation. The deviation is only a few percent points. The question if micro-CHP plants can now and in future achieve lower heat generation costs than the reference system in a BAU-scenario (business-as-usual) must be answered with no. The increasing of covering rates, particulary in terms of electricity demand, will have a positive effect on the marginal incomes of the dual system.