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Analyse der Einsatzpotenziale von Wärmeerzeugungstechniken in industriellen Anwendungen
(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2016) Ohl, Michael; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)
Open Access
Ganzheitliche Bewertung innovativer mobiler thermischer Energiespeicherkonzepte für Baden-Württemberg auf Basis branchen- und betriebsspezifischer Wärmebedarfsstrukturen : Endbericht
(2011) Blesl, Markus; Ohl, Michael; Fahl, Ulrich
Im Zusammenhang mit der Energiepreis- u. Klimaschutzdiskussion werden vielfältige Anstrengungen zu technischen, wirtschaftlichen u. ökologischen Verbesserungen innerhalb des Energiesystems in Baden-Württemberg unternommen. Ein Aspekt umfasst die Nutzung industrieller Abwärmemengen. Dabei kann die Nutzung innerhalb des Quellenstandorts erfolgen (interne Abwärmenutzung) oder durch externe Nutzer. Für die Speicherung u. den möglichen Transport der Abwärme zu externen Nutzern stehen neben den leitungsgebu.enen verschiedene leitungsungebu.ene Systeme mit zur Verfügung, die unter dem Begriff „Mobile Wärme“ zusammengefasst werden. Die Ziele des Vorhabens umfassen die ganzheitliche Bewertung dieser verschiedenen Wärmespeicherkonzepte, bei denen es sich um das Thermoölverfahren, die Gruppe der Latentwärmespeichermedien u. die Zeolithspeichertechnik handelt. In einem ersten Schritt werden die physikalischen u. technischen Rahmendaten der jeweiligen Technik ermittelt u. die entsprechenden Anlagenkonzepte erläutert. Nachfolgend wird der bestehende Wärmebedarf in Baden-Württemberg nach Verbrauchssektoren (Industrie, GHD, Haushalte), Temperatursegment sowie der räumlichen Verteilung auf Kreisebene bestimmt. Es zeigt sich, dass in Baden-Württemberg der kreisweit höchste Wärmebedarf im Ortenaukreis, im Rhein-Neckar-Kreis, dem Ostalbkreis u. dem Landkreis Heidenheim vorliegt. Gleichzeitig erfolgt, ebenfalls aufgelöst nach Temperaturbereich u. räumlicher Verteilung, die Abschätzung des zur Verfügung stehenden industriellen Abwärmeaufkommens der einzelnen Branchen. Die Daten des Wärmebedarfs u. des Abwärmeangebots in Baden- Württemberg werden in einem Grafischen Informationssystem (GIS) erfasst u. editiert. Den nächsten Schritt bildet die Schaffung eines Bewertungstools für die ökologische Bilanzierung von Speicheranwendungen über die Lebenszyklusphasen Bau, Betrieb u. Entsorgung der Anlagen. Die parametrisierte Ausgestaltung des Tools speziell auf die Bedürfnisse der Wärmespeicherung bietet gegenüber gängigen Programmen dieser Art eine wesentlich einfachere Handhabbarkeit, die sowohl bei der Ermittlung von Emissionswerten als auch bei der Optimierung von Anlagen u. Konzepten in ökologischer Hinsicht zum Tragen kommen kann. Die praktische Anwendung der Lebenszyklusanalyse erfolgt anhand konkreter Beispielen für mögliche Pilotprojekte der Mobilen Wärme in Baden-Württemberg. Anschließend erfolgt die Ermittlung der wirtschaftlichen Rahmendaten, die sich über die gesamte Prozesskette von der Abwärmeauskopplung über den Transport bis zur Nutzung im Wärmeversorgungssystem des Anwenderstandorts erstreckt. Zur einfachen Abschätzung der wirtschaftlichen Kennwerte potenzieller Anwendungsfälle werden die ermittelten Wirtschaftlichkeitsdaten in ein parametrisiertes Modell der Kostenrechnung für alle betrachteten Speicherkonzepte integriert. Die Anwendung des Kostenmodells wird ebenfalls anhand der bereits in der ökologischen Bilanzierung betrachteten konkreten Fallbeispiele veranschaulicht. Neben der wirtschaftlichen u. ökologischen Bilanzierung dieser möglichen Projekte erlauben die erhaltenen Kennwerte auch die Bestimmung der jeweiligen CO2-Vermeidungskosten. Dabei zeigt sich, dass mobile Speichersysteme bezüglich des CO2-Ausstoßes konventionellen, auf dem Einsatz von Erdgas basierenden Wärmeversorgungssystemen deutlich überlegen sind. Die aus ökologischer Sicht vorteilhaften Aktionsradien der einzelnen Systeme liegen dabei sehr deutlich oberhalb des unter den derzeitigen Rahmenbedingungen in wirtschaftlicher Hinsicht darstellbaren Spektrums. Da die zur Verfügung stehenden Techniken der Wärmespeicherung in der Praxis mit anderen Nutzungsmöglichkeiten, wie etwa der Stromerzeugung, konkurrieren, werden die entsprechenden Techniken in einem eigenen Abschnitt beschrieben u. ebenfalls bezüglich ihrer wirtschaftlichen u. ökologischen Kenndaten analysiert. Für die betrachteten Fallbeispiele der Wärmespeicherung werden ausgewählte Nutzungsalternativen in ökologischer u. ökonomischer Hinsicht bilanziert. Es zeigt sich, dass die Techniken der Wärmespeicherung, insbesondere auch das auf hohe Leistungen u. Nutzungsdauern angewiesene Thermoölverfahren, diesbezüglich auf harte Konkurrenz trifft, die bei mittel- bis langfristig steigenden Strompreisen noch weiter profitiert. Dennoch bieten die Systeme der Mobilen Wärme ein bereites Einsatzpotenzial u. einen möglichen kostengünstigen Beitrag zur Reduktion der CO2-Emissionen in Baden-Württemberg. Um dieses Potenzial heben zu können, bedarf es der Umsetzung von Demonstrationsprojekten, um die bislang noch bestehenden Hemmnisse überwinden zu können. Hierzu bieten sich als Wärmequellen Stahlwerke, Gießereien, Glasfabriken oder Zement- u. Ziegelwerke für das Thermoölverfahren sowie Biomasse- u. Biogasanlagen für die Latentwärmespeicherkonzepte an. Geeignete Wärmenutzer kommen insbesondere aus dem Bereich der öffentlichen Einrichtungen oder liegen in der Einbindung in bereits bestehende Wärmenetze.
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Systemintegration von Brennstoffzellen auf Kläranlagen - Potenzialabschätzung für Baden-Württemberg
(2004) Keicher, Klaus; Krampe, Jörg; Rott, Ulrich; Ohl, Michael; Blesl, Markus; Fahl, Ulrich
Die Ziele des Vorhabens umfassen die Potenzialabschätzung der Nutzung von Klärgas in Brennstoffzellen sowie die Ermittlung eines Anforderungs- und Einsatzprofils für den Brennstoffzelleneinsatz auf Kläranlagen. Des weiteren sollen die Integration verbesserter Anlagentechnik sowie zusätzlicher Komponenten und Verfahrensschritte in den Kläranlagenbetrieb untersucht werden. Die Klärgasgewinnung in Baden-Württemberg beträgt aktuell 587,4 GWh/a, überwiegend aus Kläranlagen der Größenklasse 5 (über 100000 Einwohnerwerte (EW)). Kleinere Anlagen unter 10000 EW (Klassen 1-3) erzeugen keine nennenswerten Klärgasmengen. Zur Klärgasverstromung geeignete Brennstoffzellen sind wegen der CO2-Toleranz und den hohen erreichbaren elektrischen Wirkungsgraden die Hochtemperatursysteme MCFC und SOFC. Für deren Betrieb ist eine Aufbereitung des Klärgases erforderlich, welche eine Gastrocknung sowie die Abtrennung von Schwefel-, Halogen- und Siloxanverbindungen umfasst. Zur Untersuchung der Energieversorgung durch Brennstoffzellen und Vergleichstechnologien wird eine Modellkläranlage für 100.000 Ausbau-EW definiert, die in Aufbau und Energieverbrauch einer typischen größeren Kläranlage in Baden-Württemberg entspricht. Für die Modellanlage ergibt sich ein Stromverbrauch von 2,69 GWhel/a und ein Wärmeverbrauch von 1,83 GWhth/a bei einer Klärgasproduktion von 4,23 GWh/a. Für MCFC und SOFC wird die Energieversorgung der Modellkläranlage mit einer Lebenszyklusanalyse energetisch und ökologisch analysiert. Dabei weisen Brennstoffzellen Optimalwerte des Primärenergiebedarfs von 6,23 GWh/a (MCFC) bzw. 6,09 GWh/a (SOFC) und der kumulierten CO2-Emissionen von 531 tCO2/a (MCFC) bzw. 487 tCO2/a (SOFC) auf. Es ergeben sich für den Primärenergiebedarf und die kumulierten CO2-Emissionen optimale Anlagengrößen von 280 kWel für MCFC bzw. 290 kWel für SOFC. Zum Vergleich werden die Energieversorgung mit Gasmotor-BHKW und die getrennte Erzeugung von Strom und Wärme untersucht. Die wirtschaftliche Analyse des Versorgungsfalls Modellkläranlage weist MCFC und SOFC gegenüber dem BHKW höhere Vollkosten der Energieversorgung zu. Auch die getrennte Erzeugung von Strom und Wärme schneidet günstiger ab, da die Investitionskosten der Brennstoffzellen zu hoch sind. Um mit den Kosten der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme konkurrieren zu können, müssen diese Investitionskosten gegenüber dem heutigen Niveau um je 50 %, für Konkurrenzfähigkeit zum BHKW um 80% sinken. Derzeit lassen sich CO2-Vermeidungskosten von 74 €/tCO2 (MCFC) bzw. 138 €/tCO2 (SOFC) gegenüber der getrennten Erzeugung und 680 €/tCO2 (MCFC) bzw. 851 €/tCO2 (SOFC) gegenüber BHKW erreichen. Bei Ersatz der Anlagentechnik der Modellkläranlage durch Komponenten mit geringerem Energiebedarf reduziert sich der Jahresstrombedarf auf 2,00 GWhel/a. Die Einsparungen beim Primärenergiebedarf betragen für die jeweils optimalen Anlagengrößen 27,4 % (MCFC) bzw. 28 % (SOFC), die kumulierten CO2-Emissionen gehen um 87 % (MCFC) bzw. 95 % (SOFC) zurück. Für das BHKW ergeben sich Reduktionen des Primärenergiebedarfs um 24 % und der kumulierten CO2-Emisionen von 57 %, bei der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme ergeben sich 19 % Einsparung beim Primärenergiebedarf und 25 % bei den kumulierten CO2-Emissionen. Die technischen Potenziale der Klärgasnutzung in Baden-Württemberg für Brennstoffzellen betragen bei Modulgrößen von 50 kWel 29,5 MWel (MCFC) bzw. 30,5 MWel (SOFC), womit sich Jahresstrommengen von 221 GWhel (MCFC) bzw. 229 GWhel (SOFC) erzeugen lassen. Der Anteil der in Brennstoffzellen nutzbaren Klärgasproduktion beträgt 79 % (MCFC) bzw. 78 % (SOFC). Handlungsempfehlung an Kläranlagenbetreiber: Um Einsparpotenziale beim Energieverbrauch jeder Kläranlage definieren und nutzen zu können, bedarf es der Ermittlung und Auswertung des exakten Strom- und Wärmebedarfs nach Baugruppen in hoher zeitlicher Auflösung. Mit der Installation stromsparender Anlagentechnik lassen sich Energiebedarf, Betriebskosten und CO2-Emissionen senken. Des Weiteren empfiehlt sich eine Überprüfung der Leistungsgröße bestehender BHKW und deren Umstellung auf klärgasgeführten Betrieb. Für Kläranlagen ohne bisherige eigene Stromerzeugung empfiehlt sich die Installation von KWK-Anlagen. Der Einsatz von Anlagen zur thermischen Klärschlammtrocknung, Elektrolyse und Co-Fermentation organischer Reststoffe auf Kläranlagen kann nach den Untersuchungen des Projekts aus wirtschaftlichen bzw. rechtlichen Gründen derzeit nicht empfohlen werden. Handlungsempfehlung an Brennstoffzellenhersteller: Bei den Investitionskosten sind Kostensenkungen um 80 % gegenüber heutigem Stand erforderlich. Zur optimalen Abdeckung des Marktsegments Klärgasverstromung empfiehlt sich die Einführung kleinerer Leistungsgrößen von Brennstoffzellen im Bereich von 50 kWel. Für SOFC steht die Zulassung nach DVGW G 262 noch aus.
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Wärmeatlas Baden-Württemberg - Erstellung eines Leitfadens und Umsetzung für Modellregionen
(2009) Blesl, Markus; Kempe, Stephan; Ohl, Michael; Fahl, Ulrich; König, Andreas; Jenssen, Till; Eltrop, Ludger
Ziel des Vorhabens ist die Erstellung eines Wärmeatlanten für Baden-Württemberg zur Darstellung der räumlichen und zeitlichen Verteilung des Wärmebedarfs auf lokaler Ebene. Zur Visualisierung des räumlichen Wärmebedarfs als auch der Bereitstellungspotenziale unterschiedlicher Energieträger, insbesondere der leitungsgebundenen Energieträger (Fernwärme, Gas), dient ein Geographisches Informationssystem (GIS). In einem ersten Schritt der Forschungsarbeit wird zunächst ein Leitfaden erarbeitet, der die notwendigen Datengrundlagen, die prinzipielle Vorgehensweise bei der Erstellung, die Aufbereitung der Daten in Geographischen Informationssystemen und die Nutzungsmöglichkeiten eines Wärmeatlas darstellt. Neben den Wärmepotenzialen im Siedlungsbereich werden auch die entsprechenden Bedarfswerte der industriellen und kommunalen Objektversorgung erfasst. Zudem werden auch Informationen zum Angebot an Energieträgern, z. B. Biomasse, Geothermie oder Solarthermie, bereitgestellt, so dass auch energieträgerbezogene Potenziale ermittelt werden können. Außerdem wird die Vorgehensweise zur Beurteilung der Wirtschaftlichkeit von konkurrierenden Wärmeerzeugungsanlagen erläutert. Damit wird den Entscheidungsträgern eine Basis für die Beurteilung lokaler Versorgungskonzepte zur Verfügung gestellt. Im zweiten Arbeitsschritt wird auf der Basis des erarbeiteten Leitfadens für Modellregionen in Baden-Württemberg ein Wärmeatlas erstellt. Basierend auf diesen Ergebnissen werden notwendige Parameter für einen Ausbau oder Neubau der Nah-/Fernwärmeversorgung festgelegt und in den GIS-Karten kenntlich gemacht. Dadurch sollen die Voraussetzungen geschaffen werden, Versorgungsgebiete zu identifizieren, für die eine leitungsgebundene Wärmeversorgung, möglichst auf KWK-Basis, sinnvoll erscheint. Die Ergebnisse für die Modellregionen dienen als Grundlage für die näherungsweise Hochskalierung des Wärmebedarfs und der Potenziale auf Baden-Württemberg insgesamt. Auch hier werden GIS-Darstellungen genutzt, um die räumliche Verteilung über die Landesfläche anschaulich präsentieren zu können.