Ökologisch-technische Auswirkungen dezentraler Energieversorgungsszenarien mit Blockheizkraftwerken in elektrischen Verteilungsnetzen

Smolka, Thomas Markus; Schnettler, Armin; Smolka, Thomas Markus

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-27352

Ökologisch-technische Auswirkungen dezentraler Energieversorgungsszenarien mit Blockheizkraftwerken in elektrischen Verteilungsnetzen = Ecological-technical assessment of decentralized energy supply scenarios with combined heat and power systems

Smolka, Thomas Markus (Author) ; Smolka, Thomas Markus (Author)

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Thomas Smolka

Ausgabe1. Aufl.

ImpressumAachen : Mainz 2009

Umfang147 S. : graph. Darst.

ReiheAachener Beiträge zur Hochspannungstechnik ; 8

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Zsfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Schnettler, Armin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2008-12-09

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-27352
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51296/files/Smolka_Thomas.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Hochspannungstechnik (614210)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elektrische Energietechnik (Genormte SW) ; Elektrizitätsversorgungsnetz (Genormte SW) ; Energietechnik (Genormte SW) ; Aachen / Institut für Allgemeine Elektrotechnik und Hochspannungstechnik (Genormte SW) ; Umweltbilanz (Genormte SW) ; Blockheizkraftwerk (Genormte SW) ; Mini-Blockheizkraftwerk (Genormte SW) ; Szenario (Genormte SW) ; Dezentrale Energieversorgung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Umweltbilanz (frei) ; Ökobilanz (frei) ; Ökobilanzierung (frei) ; Szenarioanalyse (frei) ; life cycle assessment (frei) ; LCA (frei) ; scenario analysis (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Energieversorgung in Deutschland erfährt insbesondere bedingt durch geänderte politische Rahmenbedingungen wie der Liberalisierung der Energiemärkte, der massiven Förderung erneuerbarer Energien (Wind, Photovoltaik, Biomasse) und dem geplanten Ausstieg aus der Kernenergie tief greifende Veränderungen. Des Weiteren erfordert die technisch bedingte planmäßige Stilllegung einer Vielzahl von Kraftwerken den Neubau von weiteren Erzeugungskapazitäten unter veränderten Allokationsbedingungen. Vor diesem Hintergrund rückt der Einsatz dezentraler Energiewandlungsanlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) in Verteilungsnetzen wegen ihrer Effizienz- und Emissionseinsparpotenziale stärker in den Vordergrund. Es bestehen allerdings noch erhebliche Unsicherheiten, unter welchen Rahmenbedingungen bzw. Einflussfaktoren eine stärker dezentrale Energieversorgung im Vergleich zu einer eher zentralen Energieversorgung ökologische Vorteile aufweist und welche technischen Auswirkungen auf Netzplanung und -betrieb eine großflächige Integration von dezentralen Erzeugern mit sich bringt. Mit der vorliegenden Arbeit wird der bisherige Kenntnisstand über die ökologischen und technischen Auswirkungen des Zubaus von Blockheiz-Kraftwerken (BHKW) erweitert. Untersucht werden insbesondere verschiedene Szenarien dezentraler Zubauvarianten (BHKW Dezentral, Nahwärme und Fernwärme) im Vergleich zu einer Stromversorgung aus Großkraftwerken mit dezentralen Wärmeerzeugungssystemen. Die Zubauvarianten werden über die ermittelten Einflussfaktoren der Kraftwerksparkzusammensetzung auf Verbundebene (Strommix), der Beheizungsstruktur (Wärmemix), der Brennstoffzusammensetzung (Brennstoffmix) sowie des Strom- und Wärmebedarfs an repräsentativen Verteilungsnetzen beschrieben und variiert. Mit Hilfe des in dieser Arbeit entwickelten Verfahrens ist es möglich, eine Vielzahl verschiedener dezentraler Energieversorgungsszenarien untereinander und mit einer Referenzentwicklung der Energieversorgung ohne Einsatz dezentraler KWK-Technologie unter ökologischen und technischen Rahmenbedingungen zu bewerten. In dicht besiedelten Gebieten sollte der KWK-Ausbau in Verbindung mit einer Fernwärme- oder Nahwärmeversorgung angestrebt werden. Die Integration von dezentralen KWK-Anlagen in Versorgungsgebieten hoher und mittlerer Bebauungsdichte weisen dabei höhere CO2-Reduktionspotenziale auf, als durch eine Verbesserung des Strommix aus Großkraftwerken zu erreichen ist. Der prognostizierte starke Rückgang des Wärmebedarfs erfordert zukünftig dezentrale Erzeugungseinheiten mit hohem elektrischem Wirkungsgrad. Eine Auslegung von dezentralen KWK Anlagen auf den lokalen Wärmebedarf – wie heute üblich – führt zu einer installierten Gesamtleistung, die deutlich über der maximalen Netzlast liegen kann. Hierbei kann es zu Schwachlastzeiten zu Rückspeisungen in die übergelagerte Netzebene kommen, die zu Betriebsmittelüberlastungen in Verteilungsnetzen führen können. In diesen Varianten muss daher die Dimensionierung der BHKW Systeme an den lokalen Strombedarf angepasst werden. Im Falle hoher elektrischer Rückspeisungen stellt die Integration zusätzlicher elektrischer Verbraucher, wie z.B. Wärmepumpen, elektrischer Klimaanlagen oder Elektrofahrzeuge eine sinnvolle Möglichkeit zur Nutzung des dezentral erzeugten Stroms und zu gleichzeitiger Reduzierung der Rückspeisungen dar. Brennstoffzellenanlagen weisen gegenüber motorischen Blockheizkraftwerken keine emissionsbedingten Vorteile auf, solange Erdgas als Brennstoff verwendet wird. Dies ändert sich erst, wenn Wasserstoff aus regenerativen Quellen zur Verfügung gestellt werden kann, die nicht direkt in die Energieversorgung integriert werden können (z.B. Überschuss von Windenergie). Die Integration von dezentralen KWK Anlagen stellt eine lokale Maßnahme zur Steigerung der Energieeffizienz und Senkung von Treibhausgasemissionen in Verteilungsnetzen dar. Zur Erreichung der formulierten Umweltschutzziele ist es erforderlich, den Endenergieverbrauch durch Sanierungs- und Effizienzsteigerungsmaßnahmen weiter zu senken, die spezifischen Emissionen des Strommix weiter zu senken und die geplanten Maßnahmen des KWK Zubaus in Verteilungsnetzen umzusetzen bzw. weiter zu fördern.

Germany’s energy supply has received profound changes through revised general political conditions such as energy markets liberalisation, the promotion of renewable energy resources (wind, photo-voltaic, and biomass) and the planned back out of the nuclear energy programme. Furthermore, the close-down of multitude power plants because of technical reasons requires a construction of addi-tional generation units under modified allocation rules and conditions. Against this background, priority will be given to decentralized combined heat and power (CHP) generation units. However, it is not known which circumstances and influencing factors of high decentralized energy supply have ecological advantages compared to a centralized energy supply. Furthermore, impacts on integration of highly dispersed generation (DG) units into power grids are subject to further research. Hence, this thesis examines ecological and technical impacts of decentralized combined heat power generation units and adds further value to its assessment. Different scenarios of DG integration (decentralized, local and district heating with CHP units) will be analyzed and compared to a centralized power supply with conventional local heating systems. The integration scenarios are specified varying the identified influencing factors of the power generation mix of centralized power plants, the structure of conventional heating systems (heating mix), the fuel mix and the local heat-to-power ratio in distribution networks. Due to the evaluation method devel-oped in this thesis it is possible to evaluate and compare multitude decentralized energy supply sce-narios considering ecological and technical circumstances. These are then compared to an energy supply following the reference development without dispersed generation. In highly populated areas a CHP-integration should be realized in combination with local or district heating networks. Integration of decentralised CHP units into medium or highly populated areas shows a higher CO2- reduction potential compared to an optimization of present large power plants on the system level. Decentralized generation units with a high electrical efficiency are necessary if assessing a significant reduction in heat demand in future scenarios. Assuming a CHP unit dimension-ing on the local heat demand – as today’s customary – leads to an installed capacity which is much higher than the maximum electrical load. Here, feed in power in the overlaying system is likely to occur during light load times. This variation requires dimensioning of the CHP units according to the local power demand. Additional integration of electric consumer loads such as heat pumps, electrical air-conditioning or electric vehicles can be an opportunity to reduce generation into the overlaying system. Fuel cells do not have any ecological advantage compared to CHP units equipped with inter-nal combustion using standardized natural gas. Only using Hydrogen as one of all renewable sources that cannot be integrated into the energy supply system (e.g. surplus funds of wind energy) leads to ecological advantages. The integration of dispersed generation with CHP units is a local implemented method reducing green house gases and increasing energy efficiency in distribution networks. In addition to the promotion of CHP integration in distribution networks a national strategy has to be implemented in order to achieve the targets of the formulated environmental production by reducing the consumers’ energy demand and improving the electrical energy mix of the overlaying system.

Fulltext:
PDF