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Potenzialanalyse eines Schwarms biogener Wärmekraftkoppelungsanlagen

zur Kompensation fluktuierender erneuerbarer Stromquellen

Frühstückspräsentation: Projektvorstellung und Fachgespräche

13.4.2016Projekt CHPswarm - Frühstückspräsentation 1

Autoren: Giovanni Beccuti, Konstantinos Boulouchos, René Buffat, Turhan Demiray, Gil Georges, Evangelos Panos, Kannan Ramachandran, Martin Raubal, Philipp Vögelin

Referenten: Konstantinos Boulouchos, Gil Georges

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Begrüssung

Gesamtperspektive Rolle WKK und Biomasse

Projektvorstellung

Allgemeine Fragerunde

Austausch mit Fachspezialisten

Buffet während ganzer Veranstaltung geöffnet

Folien werden am Anschluss an Veranstaltung per Mail verteilt

(wer sich nicht online angemeldet hat Liste am Eingang)

Abschlussbericht online verfügbar: http://bit.ly/1qnnMYB

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Was Sie erwartet

Konstantinos Boulouchos

Gil Georrges

Ganze Projektgruppe

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Gesamtperspektive:Rolle von WKK und Biomasse im Energiesystem

Konstantinos Boulouchos

boulouchos@lav.mavt.ethz.ch

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Überschuss (A) gespeichert und verstromt (B)

Batterien

(eff. 80%, Stunden)

Pumpspeicherkraftwerke (PSK)

(eff. 75%, Tage)

Power-To-Gas-To-Power (P2G2P)

(eff. 30-40%, Monate)

Steuerbare Erzeuger auf Abruf (C):

PSK + P2G2P (innert 1min)

Verbrennungsmotoren-WKK (bereit <3min, biogen möglich)

Gas- und Dampfkraftwerke (innert 20min)

Stromnetz mit fluktuierenden erneuerbaren Quellen

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23TWh nachhaltiges

Biomassepotential 1

~10% des CH-Strombedarfs 2

~33% des CH-Spitzenbedarfs bei

3GW Spitzenleistung @ 2000h/a 2

~10% der jährlichen Wärmebedarfs

Warmwasser/Raumheizung 2

Potential von Bioenergie und WKK in der Schweiz

1) Nach Steubing et. al., “Biogenergy Switzerland”, Renew. Energy Reviews, 2010

2) http://www.bfs.admin.ch Energiestatistik 2014 13.4.2016Projekt CHPswarm - Frühstückspräsentation 5

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WKK

WKK Strombeitrag im Winterwesentlicher Strombeitrag von biogenen WKK im Winter

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7

7

58

27

33

Sommerhalbjahr

Winterhalbjahr

Raumwärme

und

Warmwasser(TWh pro Jahr)

Elektrizität(TWh pro Jahr)

15 TWh Biomethan (im Jahr)

6 TWh

Elektrizität(im Jahr)

7.5 TWh

Wärme(im Jahr)

0.8 TWh0.6 TWh

5.4 TWh 6.8 TWh

16.3 %

davon nuklear:

13.5 TWh

90

% d

er

Pro

du

ktion

im W

inte

r

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Annahme: 2’000 h/a WKK-Betrieb

3 GW Spitzenleistung bei 9GW Schweizer Spitzenbedarf im Winter

90% Betrieb im Winter 10h/d

Biogene WKK-Anlagen im Verbund (Beispiel)Portfolio verschiedener Anlagengrössen

= 3 GWel

Wä

rme

-

sp

eic

he

r

WKK

1’000 x 1’000kWel100’000 x 10kWel

10’000 x 100kWel

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Projektvorstellung:Potenzialanalyse eines biogenen WKK-Schwarms

Gil Georges

georges@lav.mavt.ethz.ch

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Wärme-Kraft-Kopplung

Wärmeversorgung von Gebäuden / Prozessen

Verbünde von Anlagen (Schwärme)

Dezentrale Stromproduktion

Fluktuationen durch Erneuerbare

Brennstoff nur Biogas

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Verteilte, biogene WKKs Einspringen wenn Sonne nicht scheintPotenzial in konkreten Regionen der Schweiz

WKK

WKK

WKK

WKK

Potenzialanalysen:

Technisch regionale Fallstudien

Ökonomisch nationale Energieszenarien

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Finanzierung, Projektpartner und Regionen für Fallstudien

Sponsoren: Forschungspartner:

Projektleitung

Modellierung WKK-Anlagen

Wärmebedarf Gebäude und Industrie

Biomasseverfügbarkeit

Standorte Biogasanlagen

Gebäudestruktur

Stromnetzsimulation

PV-Erzeugung

Zukunftsszenarien 2050

Marktanteile

Laboratorium für Aerothermochemie

und Verbrennungssysteme ETH (LAV)

Geoinformation Engineering ETH (GIE)

Forschungsstelle Energienetze ETH (FEN)

Energy Economics Group PSI (EEG)

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Untersuchte Regionen (Partner):

Swiss Electric Research

Bundesamt für Energie

Kanton Luzern

Kanton Thurgau

Kanton Basel-Stadt

Centralschweizerische Kraftwerke (CKW)

Energie Wasser Luzern (EWL)

Wasserwerke Zug (WWZ)

Abteilung Energie des Kt. Thurgau

Industrielle Werke Basel (IWB)

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Schritt 1: Auslegung von WKK-Anlagen

Wärme- & Stromkonsumenten

Gasnetz Stromnetz

WKK

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Auslegung einer WKK-Anlage für gegebenes Haus / IndustrieAuslegungskriterium für Auslegung und Betrieb: maximale Rendite (Strom- und Wärmeverkauf)

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Wärme

Stro

m

Ohne Speicher = «Heizung»:

Betrieb durch Wärmebedarf diktiert

Flexibilisierung

ISO13790 – SIA380

Gas

Erlös am Strommarkt

hängt davon wann

produziert wird

Die Effizienz steigt allgemein mit der Leistung; für gleiche

Senke kürzere Produktionszeit grösserer Tank

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Betriebsprofil einer wirtschaftlich optimierten WKK-AnlageBeispiel: Mehrfamilienhaus, 2. Woche März

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Zusammenspiel mit PV Ausgleichen von FluktuationenBetrieb als hochdynamische Stromquelle

Wärme- & Stromkonsumenten

Gasnetz Stromnetz

WKK

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Schritt 2: Charakterisierung möglicher Installationsorte

Wärme- & Stromkonsumenten

Gasnetz Stromnetz

45’641

27’550

20’211

23

15

4

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Schritt 4: Abschätzung der BiogaspotenzialeRegionales Potenzial auf Grund der lokalen Biomasseverfügbarkeit

Wärme- & Stromkonsumenten

Gasnetz Stromnetz

landwirt.

Abfälle

Fermentierung

Bioabfälle

Katalyse

Holzabfälle

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Schätzung der Biogaspotentiale im Kanton Luzern

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Landwirtschaftliche Biomasse Hausrat, Gastroabfälle, Grünschnitt, usw.

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Schritt 5: Schwarm-Auswahlmaximale Rendite bei maximaler Nutzung des Biogaspotenzials

Wärme- & Stromkonsumenten

Gasnetz Stromnetz

landwirt.

Abfälle

Fermentierung

Bioabfälle

Katalyse

Holzabfälle

WKK WKK WKK

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Optimale Zusammensetzung der biogenen WKK-Schwärmebeste Rendite, bei maximaler Ausbeute des lokalen Biogas-Potentials (kein Biogas unverbrannt lassen)

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Stromlastgänge, exemplarisch für Region der Grösse von LuzernHinterlegt: nominelle Spitzenleistung des gesamten Schwarms

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Stromlastgänge, exemplarisch für Region der Grösse von LuzernWasser und Bedarf skaliert von der Schweiz nach Bevölkerung, mit PV und WKK Beiträgen

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Strom- und Wärmeanteil der Schwärme

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Stromgestehungskosten mit Wärmeverkaufstatische Analyse, Erlös aus Wärmeverkauf abgezogen, jährliche Überschlagsrechnung

Annahmen

Wärmepreis: äquiv.

Gasheizung

Betrieb: 2000h/a

Wärmspeich: 4h·Pth

Gaspreise:

Biogas: 0.16CHF/kWh

Erdgas: 0.08CHF/kWh

Vergütung

Hochtarif(je nach Kanton)

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Ökonomische Analyse: Perspektive in 2050

0

10

20

30

40

50

60

70

80

2010 "POM" -70% CO2Reduktion ggb.

2010

Ele

ktr

izität [T

Wh]

Nuklear

Gaskraft

Erneuerbar

Kehricht

WKK (fossil)

WKK (biogen)

Wasser

0

20

40

60

80

100

120

2010 "POM" -70% CO2Reduktion ggb.

2010

Wä

rme [T

Wh

]

Solar

Kohle/Kehricht

WKK (biogen)

WKK (fossil)

Wärmepumpen

Holz/Pellets

Gas

Heizöl

Strom

Elektrizität Wärme

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Saisonaler Beitrag im Winter 16 % CH

Gegenläufige Korrelation zu PV und Laufwasser

Hochdynamische Anpassung an Strompreisschwankungen (~Minute)

Preisspitzen zukünftig auf Grund fluktuierender PV

Limitierend für den Beitrag (in ansteigender Reihenfolge):

1. Verfügbare Biomasse (lokal)

2. Anpassungen an /am Netz und Betrieb

3. Wärmebedarf auch in Zukunft genug Wärmesenken vorhanden

Je nach Rahmenbedingungen ist Wettbewerbsfähigkeit mit konkurrierenden

Technologien unterschiedlich (Wärmepumpen, Kehricht, usw.)

Je nach Szenario: 30-60% des nachhaltigen Biomassepotentials der Schweiz kann in

biogenen WKKs ökonomisch optimal verwertet werden

Schlussfolgerungen

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Ausweitung des entwickelten Modells für regionale Anwendungen unter Nutzung

von «Big Data»:

Wärmepumpen

Lokale Speicherung: Batterie, Power to gas

Integration der zukünftigen Mobilität

Entwicklung einer Mikro-WKK Anlage in Zusammenarbeit mit 2 CH-

Industriepartnern (4 Anlagen in Erprobung)

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Ausblick

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Allgemeine Fragen ?

Im Anschluss:

Austausch mit Experten zu jeweiligen Fachbeiträgen

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Diskussionsrunde Ansprechpartner

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Philipp VögelinDoktorand am ETHZ LAV

WKK-Technologie: Modellierung, Auslegung,

Betrieb von Anlagen und Verbünden, Gebäudemodellierung

Giovanni BeccutiOberassistent am ETHZ FEN

Stromnetze: Netzfluss-Simulationen, Netztopologien,

WKK im Netzbetrieb, Regelenergie

Evangelos PanosPostDoc am PSI EEG

Energieökonomik: Energie-ökonomische Modellierung,

Technologiebewertung, Energieszenarien

René BuffatDoktorand am ETHZ GIE (Prof. M. Raubal)

Räumliche Daten: Biomasseverfügbarkeit, Biogasproduktion,

Standortbestimmung, Gebäudespezifikationen

Christian SchürchWiss. Mitarbeiter am ETHZ LAV

Experimentelle Basisdaten

Mikro-WKK Prototyp

Gil GeorgesPostDoc am ETHZ LAV

Projektleitung

Konstantinos BoulouchosProfessor und Leiter des ETHZ LAV

Projektleitung

Abschlussbericht:

http://bit.ly/1qnnMYB

beccuti@fen.ethz.ch

boulouchos@lav.mavt.ethz.ch

rbuffat@ethz.ch

voegelin@lav.mavt.ethz.ch

evangelos.panos@psi.ch

gil.georges@lav.mavt.ethz.ch

schuercc@lav.mavt.ethz.ch