Комбинированное тепло и электроэнергия

Электростанция комбинированного цикла ( блок 3 электростанции Донауштадт ) с комбинированным производством тепла и электроэнергии с общим КПД более 86%; Ввод в эксплуатацию 2001 г.
Теплоэлектроцентраль Berlin-Mitte также используется в дополнение к производству электроэнергии для централизованного теплоснабжения в правительственном районе.

Комбинированное производство тепла и электроэнергии ( ТЭЦ ) (в Германии и Австрии) или комбинированное производство тепла и электроэнергии ( WKK ) (в Швейцарии) - это одновременное производство механической энергии и полезного тепла , возникающих в совместном термодинамическом процессе. Механическая энергия обычно преобразуется непосредственно в электрический ток. Тепло используется для отопления, в качестве местного или централизованного теплоснабжения или для производственных процессов в качестве технологического тепла , например Б. в химической промышленности, значит, это промышленная электростанция . В большинстве случаев тепло направляется на отопление общественных и частных зданий, затем это тепловая электростанция .

Таким образом, при производстве электроэнергии используется полезное тепло от топлива и обеспечивается сокращение поступления неиспользованного отработанного тепла в окружающую среду. Комбинированное производство тепла и электроэнергии обеспечивает экономию топлива до трети первичной энергии по сравнению с раздельным производством электроэнергии и тепла, но в то же время электрический КПД электростанции несколько снижается. Меньшие системы ТЭЦ с электрической мощностью около 100 кВт имеют большое значение для снабжения коммерческих предприятий, закрытых плавательных бассейнов и жилых районов или отдельных многоквартирных домов, так называемых теплоэлектроцентралей (ТЭЦ). На рынке предлагаются системы меньшего размера, но они имеют очень небольшую долю в производстве электроэнергии и тепла.

Преимущество ТЭЦ - более низкая потребность в топливе для одновременной подачи электричества и тепла, что значительно снижает выбросы загрязняющих веществ. Финансирование из Закона о комбинированном производстве тепла и электроэнергии (KWKG) и Закона о возобновляемых источниках энергии (EEG) предназначено для ускорения расширения. Поскольку системы ТЭЦ, работающие на ископаемом топливе, продолжают выделять углекислый газ , всесторонняя защита климата может быть гарантирована в долгосрочной перспективе только в том случае, если они питаются от возобновляемых источников энергии , таких как B. Биомасса и синтетический природный газ из возобновляемой избыточной электроэнергии.

вступление

Спектр электрической и тепловой мощности систем ТЭЦ составляет от нескольких киловатт до нескольких сотен мегаватт. В течение долгого времени на рынке используются так называемые мини- и микрокомбинированные теплоэлектроцентрали размером со стиральную машину для использования в частных домах, жилых домах, малых предприятиях и гостиницах. Это означает, что решения ТЭЦ теперь доступны для всего спектра потребностей в тепле.

Тепловые электростанции , которые покрывают большую часть спроса на электроэнергию в Германии, обычно вырабатывают электроэнергию только за счет тепла, выделяемого из топлива. Если отработанное тепло z. B. используется для технологического тепла или подается в тепловую сеть, они называются системами ТЭЦ; у них более высокий КПД или топливная экономичность (не «КПД»). В то время как чисто электроэнергетические системы достигают (электрического) КПД от 33% (старые системы) до 61,5% ( электростанции с комбинированным циклом ), системы ТЭЦ достигают уровня КПД до 85% и выше.

По сравнению с лучшими в настоящее время технологиями раздельного производства электроэнергии и тепла, системы ТЭЦ обеспечивают экономию первичной энергии до 30%, в зависимости от ситуации со снабжением . Тот факт, что экономия в среднем даже не выше, объясняется тем, что реальный спрос на электроэнергию и тепло подвержен сильным колебаниям. Особенно, когда домашние хозяйства не нуждаются в тепле летом, это означает, что некоторые тепловые электростанции работают в конденсационном режиме и не могут производить электроэнергию на ТЭЦ. Это устраняется установкой резервуаров для хранения тепла в системе централизованного теплоснабжения для временного хранения тепла ТЭЦ до тех пор, пока оно не будет востребовано потребителями тепла.

Высокий потенциал экономии, который еще не реализован в Германии, побудил законодательный орган продвигать ТЭЦ, чтобы преодолеть рыночные барьеры, которые существуют из-за структур централизованного снабжения в электроэнергетической отрасли, которые выросли за 100 лет.

технология

В случае комбинированного производства тепла и электроэнергии часть производимого пара отбирается на электростанции для целей отопления. В результате эффективность производства электроэнергии несколько снижается; Однако общая степень использования может увеличиться примерно до 90%, если отработанное тепло используется полностью.

Топлива

Принцип ТЭЦ можно использовать с любым топливом и любым источником тепла с температурой примерно от 200 ° C. В дополнение к ископаемым источникам энергии, таким как каменный уголь , лигнит , природный газ и топочный мазут , возобновляемые источники энергии, такие как биогаз , канализационный газ , растительное масло , древесина , пеллеты , биоэтанол , солнечная тепловая и геотермальная энергия, а также муниципальные отходы ( сжигание отходов и свалочный газ ), а также ядерную энергию .

Также возможна работа с синтетическим водородом или метаном из процесса преобразования энергии в газ , с помощью которого излишки возобновляемых источников энергии могут храниться в долгосрочной перспективе. Поскольку этот тип производства тепла является довольно затратным и, следовательно, требует значительно больше энергии в целом, чем, например, альтернативное производство тепла с помощью теплового насоса , системы ТЭЦ с тепловым управлением рассматриваются как в значительной степени неподходящая технология для будущей системы возобновляемых источников энергии с сектором связь. С другой стороны, системы ТЭЦ, управляемые электричеством, считаются важным методом поддержания низкого спроса на энергию для обратного преобразования в электричество в такой системе.

Конструкция и принцип работы

Накопители централизованного теплоснабжения в качестве компенсации тепловой нагрузки для системы ТЭЦ электростанции Тайсс , мощностью 50 000 м3, которая питает сеть централизованного теплоснабжения Кремса. Емкость накопителя 2 ГВтч на процесс зарядки

Различают проектирование систем ТЭЦ с регулированием электричества и тепла в зависимости от контрольной переменной или приоритета, присвоенного одному из двух видов энергии. Системы с контролем тока оптимизируют выработку электроэнергии, системы с регулированием температуры оптимизируют выработку тепла. Наивысшая степень использования достигается за счет конструкции с регулируемым нагревом, поскольку это приводит к минимальным потерям энергии. Однако с экономической точки зрения вождение с электроприводом часто более привлекательно, поскольку на киловатт-час электроэнергии достигается значительно более высокая отдача, чем на киловатт-час тепла. Часто оптимизированная для электричества операция с ограничением нагрева предпочтительна для оптимизации выработки электроэнергии без необходимости отводить неиспользованное тепло через аварийный охладитель. В этом случае работа ориентирована на потребность в электроэнергии, при этом ТЭЦ останавливается, если нет потребления тепла или если резервуар для хранения тепла заполнен. Накопление тепла может быть выполнено с использованием системы аккумулирования тепла .

Вырабатываемое полезное тепло используется через тепловые сети в виде теплой воды или водяного пара через изолированные трубы для отопления зданий и / или для промышленных целей ( технологическое тепло ).

В связи с высокой долей колеблющихся возобновляемых источников энергии в электроэнергетической системе, системы ТЭЦ с тепловым управлением затрудняют системную интеграцию энергии ветра и солнца , поскольку они вырабатывают электроэнергию для удовлетворения потребности в тепле, даже если уже имеется избыток энергии ветра или солнца. энергия. Такие системы называют электростанциями "обязательного запуска". Таким образом, с точки зрения энергетического перехода, работа с электрическим управлением намного более продуктивна. Для того , чтобы быть более гибкими в эксплуатации и повысить на ценовую эластичность , различные дополнительные компоненты , такие как пиковая нагрузку котлы, аккумулирование тепла , мощность и тепло системы, такие как B. Могут быть установлены электродные котлы или большие центральные тепловые насосы . Затем они могут взять на себя подачу тепла в периоды, когда требуется только тепловая энергия, но не электроэнергия, так что ТЭЦ может быть остановлена. Электрические котлы и тепловые насосы также могут использовать избыток электроэнергии для выработки тепла.

Используя большие запасы тепла, одновременное производство тепла и электроэнергии в процессе ТЭЦ может быть снова разделено с точки зрения времени, поскольку тепловая энергия может храниться дешевле, чем электрическая энергия. Таким образом, система ТЭЦ может работать на электричестве и при этом обеспечивать подачу тепла. Во время высокой потребности в электроэнергии и низкой потребности в тепле система может работать с полной нагрузкой и загружать избыточное тепло в накопительный бак. В периоды низкого спроса на электроэнергию, но все же высокого спроса на тепло, система ТЭЦ может работать с частичной нагрузкой или полностью отключена; оставшееся тепло может временно обеспечиваться системой аккумулирования тепла. Эта уравновешивающая функция накопителя тепла в системе ТЭЦ в электроэнергетическом секторе также известна как функциональное накопление электроэнергии .

Варианты растений

Блок-схема ТЭЦ. Цифры являются справочными значениями температуры в ° C.

Так называемые теплоэлектроцентрали (BHKW) становятся все более распространенным вариантом . Это малые и средние ТЭЦ на базе двигателей внутреннего сгорания или газовых турбин модульной конструкции. В то время как в этих системах подача тепла ограничена определенной собственностью или непосредственной близостью (например, жилым «кварталом»), более крупные тепловые электростанции используются для обеспечения экстенсивного централизованного теплоснабжения или выработки технологического тепла в промышленности. В крупных системах централизованного теплоснабжения сетевые потери выше, чем в комбинированных теплоэлектроцентралях, интегрированных в здания, что снижает эффективность использования энергии. С другой стороны, по мере увеличения производительности систем ключевой показатель для электроэнергии ( то есть отношение выработки электроэнергии к выработке тепла) и, таким образом, увеличивается выработка эксергии , что, в свою очередь, увеличивает эффективность.

Системы когенерации могут включать:

Различают ТЭЦ с фиксированным и регулируемым показателем мощности по жесткому и управляемому совместному производству . В системах с фиксированным значением мощности электрическая и тепловая мощность имеют фиксированное соотношение σ. Эти системы ТЭЦ, такие как B. Двигатели внутреннего сгорания, газовые турбины и турбины с противодавлением можно включать, выключать или эксплуатировать только при частичной нагрузке. Системы с переменным индексом мощности, такие как B. отборные паровые турбины более гибки в эксплуатации, так как на отношение P / Q 'можно влиять в широком диапазоне, что дает преимущества при изменении потребности в электрической и тепловой энергии. В дополнение к работе с частичной нагрузкой упор может быть сделан на производство электрической или тепловой энергии.

Принцип комбинированного производства тепла и электроэнергии с системой вытяжной конденсации

На тепловых электростанциях общего пользования, работающих с водой в качестве рабочего материала - обычно это паровые турбины с отбором тепла - выделение полезного тепла сопровождается сокращением выработки электроэнергии (снижение электрического КПД ). Пар должен быть отобран перед последними ступенями турбины, чтобы его температура была достаточно высокой для нагрева, который затем создает меньше работы в секции низкого давления. Отношение низкого электрического выхода и рекуперированного полезного тепла называется индикатором потерь мощности . На картинке справа упрощенно показан принцип удаления слева. Пар, ответвляющийся после секции среднего давления (MD) турбины , то есть перед секцией низкого давления (LP), течет в конденсатор отопления (HK), где он сжижается, выделяя тепло в контур централизованного теплоснабжения (температура уровень около 100 ° C). Оттуда конденсат подается в контур питательной воды . Оставшийся пар работает в части низкого давления, а затем сжижается в конденсаторе (Ko) примерно при 30 ° C (в зависимости от условий окружающей среды) и подается в резервуар питательной воды (здесь не показан) через конденсатный насос ( КОП) . В правой части рисунка показана соответствующая идеализированная диаграмма Ts (см. Процесс Клаузиуса-Ренкина ) для рабочего состояния, в котором половина пара используется для нагрева. Вся красная область соответствует используемому теплу, верхняя заштрихованная часть этой области - потерям мощности в ступени низкого давления.

Из тригенерации (CHPC), когда система может дополнительно обеспечить охлаждение. Полезное тепло процесса используется для работы абсорбционного чиллера . Несмотря на значительно более высокие капиталовложения по сравнению с компрессорной холодильной машиной, система когенерации может эксплуатироваться экономично, поскольку использование тепла для кондиционирования воздуха увеличивает использование процесса когенерации летом.

Меры поддержки

Финансирование в Германии

В Германии ТЭЦ обычно продвигается Законом о комбинированном производстве тепла и электроэнергии (KWKG). Системы, использующие возобновляемые источники энергии в ТЭЦ (например, биогазовые ТЭЦ с тепловыми сетями), также могут опционально получать вознаграждение в соответствии с Законом о возобновляемых источниках энергии (EEG).

Закон о ТЭЦ

В соответствии с законом о техническом обслуживании, модернизации и расширении комбинированного производства тепла и электроэнергии ( Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG)) в Федеративной Республике Германия сохранение, модернизация и расширение систем когенерации, которые используют газообразное или жидкое топливо и не являются поддерживается Законом о возобновляемых источниках энергии. Дальнейшее сокращение выбросов углекислого газа и цели по энергоэффективности должны быть достигнуты за счет более широкого использования систем когенерации .

Закон о ТЭЦ вступил в силу 1 апреля 2002 года. 1 января 2009 г. поправка к Закону о ТЭЦ привела к значительному увеличению финансирования. Дальнейшие поправки были внесены 19 июля 2012 г. и 1 января 2016 г. Цели KWKG со временем изменились: от абсолютной экономии парниковых газов к относительной доле в производстве электроэнергии в Германии к абсолютному значению чистой выработки электроэнергии ТЭЦ. Помимо прочего, это было связано с тем, что его было легче измерить.

Операторы очень малых систем ТЭЦ с электрической мощностью до 50 кВт получают фиксированную надбавку к ТЭЦ в качестве рыночной премии за 60 000 полных часов использования (Vbh); для более крупных систем CHP период финансирования составляет 30 000 Vbh. Надбавка ТЭЦ за поданную электроэнергию зависит от размера системы и составляет от 3,1 до 8,0 центов / кВтч. Собственное потребление или электроэнергия ТЭЦ, используемая в локальных сетях, не получала поддержки с момента пересмотра 2016 года, за исключением небольших систем ТЭЦ до 100 кВт. В сегменте турбин от 1 МВт до 50 МВт был объявлен тендер на 200 МВт в год для определения суммы контракта. Несмотря на то, что с момента введения модели проведения торгов в 2017 году все тендеры были немного или значительно превышены, количество заявок и наград в раунде торгов в декабре 2019 года впервые было значительно ниже заявленного количества.

Наземный трубопровод централизованного теплоснабжения через B36 в Мангейме

Поскольку сочетание когенерационных систем и систем аккумулирования тепла приводит к высокой степени гибкости с одновременным эффективным использованием топлива, законодательный орган включил продвижение систем аккумулирования тепла и холода (например, комбинированного тепла, электроэнергии и охлаждения ) в KWKG. Кроме того, новое строительство и расширение сетей отопления и охлаждения финансируется за счет 30% применимых инвестиционных затрат (или для труб малой ширины до 100 мм - 100 евро за погонный метр).

Критики возражают, что субсидия слишком мала и что условия, которые необходимо выполнить, слишком высоки, чтобы помочь ТЭЦ добиться прорыва. Другие жалуются, что правила слишком сложны во взаимодействии с другими положениями закона об энергетике, что отпугивает многие заинтересованные стороны.

Закон о возобновляемых источниках энергии (EEG)

С поправкой к Закону о возобновляемых источниках энергии ( § 27 абзац 4 EEG 2009), которая вступила в силу с 2009 года , было разрешено использовать отходящее тепло от производства электроэнергии из биомассы (например, на биогазовых установках и тепловых электростанциях , работающих на биомассе ). Бонус ТЭЦ в размере 3 цента / кВтч электроэнергии стимулировал ТЭЦ (EEG 2004: 2 цента / кВтч). Эта премия была вычтена из базового вознаграждения по ЭЭГ и выплачивалась оператором энергосистемы верхнего уровня. Бонус , способное количество тока ( когенерационной мощность ) рассчитывали как произведение полезного тепла (на самом деле, используются отходящее тепло) и текущая характеристика завода (электроэнергии / Nutzwärmestrom, здесь - отличается от указанного выше - с полезным теплом означало теоретически полезная часть; на заводе-изготовителе такой генератор и теплообменник указывается номинальная мощность системы). Таким образом, высокая степень электрического КПД и интенсивное использование отработанного тепла увеличили долю электроэнергии, подлежащей выплате надбавками. Для получения бонуса ТЭЦ необходимо было выполнить различные условия (Приложение 3 ЭЭГ 2009 г.).

Кроме того, дополнительный так называемый технологический бонус ( бонус за инновации) в размере до 2 центов / кВт · ч предоставлялся при использовании определенных технологий когенерации ( топливные элементы , газовые турбины, паровые двигатели, органические системы Ренкина, системы многотопливной смеси, в частности Системы цикла Калина , или двигатели Стирлинга ) (Приложение 1 ЭЭГ 2009 г.). Эти надбавки и премиальные выплаты косвенно перекладывались на всех конечных потребителей.

Поправка к EEG 2012 г. отменила как бонус CHP, так и бонус за технологию. Бонус ТЭЦ теперь интегрирован в базовое вознаграждение ЭЭГ и принят в качестве минимального требования для установок, работающих на биомассе, при этом требуется использование тепла не менее 25 или 60 процентов, если используется не более 60 процентов по массе фракций жидкого навоза. Вместо технологического бонуса ЭЭГ теперь предусматривает бонус за переработку газа, если можно будет продемонстрировать более низкие выбросы метана и более низкое потребление электроэнергии. При последней реформе ЭЭГ в августе 2014 г. бонус за переработку газа также был отменен, чтобы сдержать рост надбавки за ЭЭГ.

Налоговые льготы

Для топлива, природного газа , топочного мазута и сжиженного газа , налог на энергию , ранее называемый « налогом на нефть », был полностью возмещен до 1 апреля 2012 года при использовании в системах ТЭЦ с годовой эффективностью не менее 70 процентов . Из-за слишком краткосрочного заявления властей Германии в Комиссию ЕС рассмотрение заявлений о льготах по налогу на электроэнергию было временно приостановлено в 2012 году. В связи с изменением законодательства, полное освобождение будет предоставлено с обратной силой только с 1 апреля 2012 г., если система еще не была полностью списана в соответствии с налоговым законодательством в дополнение к минимальной степени использования 70 процентов и является высокой. эффективен в смысле Директивы 2004/8 / EC Европейского парламента.

Кроме того, не нужно платить налог на электроэнергию (2,05 цента / кВтч) за электроэнергию из систем с электрической мощностью до 2 МВт, которая используется в «пространственном контексте» . Это исключение распространяется не только на системы ТЭЦ, но и на любую систему с максимальной мощностью 2 МВт.

Финансирование в Австрии

В Австрии существует субсидия для электростанций, работающих на ископаемом топливе, в виде того, что налоги на энергию для первичной энергии не нужно платить, если электрический КПД превышает 30%. Это означает, что производство тепла в системах ТЭЦ де-факто освобождено от налогов или субсидируется.

Когенерация на ископаемом топливе поддерживалась в Австрии с 2004 по 2010 год на общую сумму около 500 миллионов евро в виде надбавок рыночных цен сверх цены на электроэнергию (поддерживающие тарифы); однако срок действия этой формы финансирования истек. В 2014 году был принят закон, который предусматривает стимулирование производства электроэнергии из систем на ископаемом топливе через ТЭЦ, объем которого, однако, составляет всего 38 миллионов евро в год. Кроме того, электростанции, такие как электростанция Симмеринг, получили инвестиционные субсидии в соответствии с разделом 24 ff Закона о экологически чистой электроэнергии 2012 года на работы по адаптации.

Финансирование в Швейцарии

В Швейцарии объединение тепловой энергии на заводах по переработке биомассы, очистке сточных вод и сжиганию отходов косвенно финансируется федеральным правительством.

литература

  • Мартин Альтрок и др.: Новая правовая база для комбинированного производства тепла и электроэнергии и возобновляемых источников энергии. AGFW Projektgesellschaft mbH, Франкфурт-на-Майне 2009, ISBN 3-89999-015-3 .
  • Вольфганг Зандер, Мартин Ридель (ред.): Практическое руководство по закупкам энергии. Работа с вкладными листами , ISBN 978-3-410-22628-4 .
  • Ульф Якобсхаген, Маркус Качел: Закон о комбинированном производстве тепла и электроэнергии (KWKG) 2012 г. 2013 г., ISBN 978-3-410-23468-5 .

веб ссылки

Индивидуальные доказательства

  1. ↑ Гюнтер Шауманн, Карл В. Шмитц (ред.). Комбинированное тепло и электроэнергия. 4-е издание, Берлин, Гейдельберг, 2010 г., стр. 5f.
  2. ↑ Доминик А. Ноттер, Катерина Куравелу, Теодорос Карачалиос, Мария К. Далету и Нара Тудела Хаберландад: Оценка жизненного цикла приложений PEM FC: электрическая мобильность и μ-CHP. В: энергетики и науки об окружающей среде 8 (2015), 1969-1985, DOI : 10.1039 / C5EE01082A .
  3. ↑ a b c Закон о комбинированном производстве тепла и электроэнергии - KWKG в предыдущей и текущей версиях
  4. ↑ a b c Закон о возобновляемых источниках энергии - EEG 2009 во всех версиях
  5. ↑ Фолькер Квашнинг : Возобновляемые источники энергии и защита климата. 3-е издание, Мюнхен, 2013 г., стр. 102.
  6. ↑ Пресс-релиз Siemens: Siemens достигает мировых рекордов на электростанции «Фортуна» в Дюссельдорфе , по состоянию на 21 марта 2016 г.
  7. ↑ См. Фолькер Квашнинг : Связь секторов через энергетический переход. Требования к расширению использования возобновляемых источников энергии для достижения парижских целей по защите климата с учетом взаимосвязи секторов . Берлинский университет технологии и экономики , 20 июня 2016 г. По состоянию на 8 апреля 2017 г.
  8. ↑ См. Майкл Стернер , Инго Стадлер: Хранение энергии - спрос, технологии, интеграция. Springer, Берлин, 2014 г., стр. 709f.
  9. ↑ Мартин Цапф: Хранение электроэнергии и превращение энергии в газ в энергосистеме Германии. Рамочные условия, потребности и возможные применения. Висбаден, 2017, с. 129.
  10. ↑ Филипп Пфайфрот: Функциональный накопитель энергии , исследовательский центр энергетической отрасли
  11. ↑ Lagom.Energy: Публикация текущих результатов тендеров по ТЭЦ и iKWK со стороны BNetzA. 9 февраля 2020, доступ к 30 марта 2020 .
  12. ↑ Электростанция в подвале - энергокомпании препятствуют энергосбережению  ( страница больше не доступна , поиск в веб-архивах ), рукопись для Frontal21 от 15 апреля 2008 г.@ 1@ 2Шаблон: Dead Link / www.zdf.de
  13. ↑ Модернизация ТЭЦ - залог долгосрочной экономической выгоды
  14. ↑ Исключить Раздел 27, абзац 4 № 1 и 3 ЭЭГ.
  15. ↑ Вставка § 27c ЭЭГ
  16. ↑ ЕС рекомендует льготы по налогу на электроэнергию для ТЭЦ. Проверено 22 октября 2012 года .
  17. ↑ Только частичная льгота по налогу на электроэнергию для ТЭЦ. 13 ноября 2012, доступ к 4 декабря 2012 .
  18. ↑ ТЭЦ в будущем снова получат возврат налога на энергию. 13 ноября 2012, доступ к 4 декабря 2012 .
  19. ↑ Бундестаг: Закон о налоге на электроэнергию. В кн . : Законы в Интернете. Федеральное министерство юстиции и защиты прав потребителей, 27 августа 2017, доступ к 26 февраля 2018 года .
  20. ↑ https://www.ris.bka.gv.at/GeltendeFnahm.wxe?Abfrage=Bundesnormen&Gesetzesnummer=20002168&FnahmVom=2006-11-29 Consolidated Green Electricity Act 2006
  21. ↑ Инвестиционная поддержка ТЭЦ
  22. ↑ Тепловая муфта (WKK). Раздел Продвижение WKK с помощью возобновляемых источников энергии . Федеральное ведомство по вопросам энергетики SFOE, доступ на 11 апреля 2012 года .