Dieses Tutorial demonstriert verschiedene Allokationsmethoden für spezifische CO2-Emissionen von Strom und Wärme aus KWK-Anlagen. Die Kennzahlen CO2-Faktor, Primärenergiefaktor, Spezifische Gestehungskosten und Autarkiegrad werden für die Strom- und die Wärmeerzeugung getrennt betrachtet.
Allokationsmethoden
Zur Berechnung der energetischen und ökologischen Kennzahlen werden die CO2-Emissionen oder der Primärenergieeinsatz einer bestimmten Energieform, z. B. Strom- oder Wärmeproduktion, zugeordnet (siehe auch Tutorial zur Verwendung der Kennzahlen). Bei KWK-Anlagen stellt sich grundsätzlich das Problem der Aufteilung der verursachten Emissionen auf beide Koppelprodukte − elektrische Arbeit und Nutzwärme. Es gibt keine standardisierte Berechnungsvorschrift zur genauen Zuweisung (Allokation) der Emissionen zu einer Energieform, sondern unterschiedliche nebeneinander gültige Berechnungsarten. Im Folgenden werden zwei Methoden für die Berechnung von CO2-Emissionen und dem Primärenergieeinsatz von Strom und Wärme aus Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen vorgestellt.
Finnische Methode
Bei der finnischen Methode wird die Aufteilung der CO2-Emissionen von KWK-Anlagen auf die beiden produzierten Energieformen anhand von Referenzwirkungsgraden durchgeführt, sie wird daher auch Referenzwirkungsgradmethode genannt. Die Anwendung dieser Methode wird in den Varianten 1 und 2 des Tutorials demonstriert.
Variante 1: Gemeinsamer Brennstoffbezug
Die Variante 1 beinhaltet mehrere Wärme- und KWK-Anlagen, die von demselben Brennstoffversorger, Stadtwerke (Gas), versorgt werden. Auf dem Schema wurden zwei Kennzahlenkomponenten für den CO2-Faktor und zwei für den Primärenergiefaktor hinzugefügt. Jeweils eine wird für die Berechnung des strombezogenen und die andere für die Berechnung der wärmebezogenen Kennzahl verwendet.
Strom
Um die stromspezifischen Kennzahlen zu ermitteln, wählen Sie im Eingabeformular zunächst den Strombedarf als Referenzgröße. Mit einem Klick auf Importieren laden Sie dann alle Elemente. Die Gewichtungsfaktoren werden verwendet: die entsprechende Checkbox ist angehakt. Der Gewichtungsfaktor für die Stadtwerke (Strom) ist mit 1 angegeben, da die gesamten dort anfallenden CO2-Emissionen und die Primärenergie dem Strom zugeordnet werden.
Um den Gewichtungsfaktor für den Brennstoff zu bestimmen, muss hier eine komplexere Methode angewendet werden, weil der Brennstoff teilweise der Wärme- und teilweise der Stromproduktion zuzuordnen ist. In diesem Beispiel wird der Gewichtungsfaktor mit den Komponenten der Programmierbaren Steuerung berechnet. Im Formular der Kennzahlenkomponente wird der vorab berechnete Wert daher blau angezeigt.
Die Berechnung des Gewichtungsfaktors erfolgt nach folgenden Formeln:
Der gesamte aufgenommene Brennstoffanteil des BHKW \( f_{BHKW}\):
\( f_{BHKW} = \frac {Aufgenommene\ Brennstoffleistung\ (BHKW)} {Abgegebene\ Brennstoffleistung\ (Versorger)} \)Der Brennstoffanteil des BHKW für die Stromerzeugung \( f_{BHKW,el}\):
\( f_{BHKW,el} = (1-PEE) \cdot \frac {\eta_{el}} {\eta_{el,Ref}} \cdot f_{BHKW} \)Primärenergieeinsparung \( PEE \):
\( PEE = 1- \frac {1} {\frac {\eta_{el}} {\eta_{el,Ref}} + \frac {\eta_{therm}} {\eta_{therm,Ref}} } \)Spezifische CO2-Emissionen des Stroms:
\( = \frac {CO2\text{-}Emission\_Brennstoffversorger\ \cdot f_{BHKW,el}\ +\ CO2\text{-}Emission\_Stromversorger} {gesamter\ Strombedarf} \)Die Werte der Referenzwirkungsgrade werden allgemein festgelegt, können aber je nach Bundesland oder Organisation abweichen. In diesem Beispiel werden die Werte der Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen \( \eta_{el,Ref} = 40 % \) und \( \eta_{therm,Ref} = 80 % \) verwendet.
Im Schema „Brennstoffanteil elektrisch“ wird diese Berechnung mit Hilfe der Komponenten der Programmierbaren Steuerung umgesetzt. Der thermische und der elektrische Jahreswirkungsgrad der KWK-Anlage wird berechnet, indem die Integrale der jeweiligen Leistungen mit den Steuerungskomponenten Leistung_Eingang-A (Algebraisch) bezogen und durcheinander geteilt werden. Der thermische und der elektrische Referenzwirkungsgrad wird jeweils als fester Wert mit Hilfe der Komponente Fixer_Wert_Eingang-A (Fixer Wert (Algebraisch)) vorgegeben. Mit Hilfe der Komponente Leistung_Eingang-A werden die Aufgenommene Brennstoffleistung des BHKW und die Abgegebene Brennstoffleistung des Versorgers Stadtwerke Gas bezogen. Mit der Integrator-A-Komponente werden die Integrale berechnet, und mit der Maximum-A-Komponente wird nur das Maximum, der finale Integralwert, verwendet. Der Anteil, den das BHKW am Brennstoffbezug des Gasversorgers hat, wird in der Komponente Brennstoffanteil_BHKW berechnet und geht als Vorgabewert in die entsprechenden Kennzahlenkomponenten ein.
Die folgende Abbildung zeigt das Steuerungsschema Brennstoffanteil elektrisch.
Wärme
Die wärmespezifischen Kennzahlen werden genauso wie die stromspezifischen Kennzahlen ermittelt. Analog zur Berechnung der spezifischen CO2-Emissionen des Stroms werden die spezifischen CO2-Emissionen der Wärme berechnet. Dabei muss zusätzlich der Brennstoffanteil des Kessels berücksichtigt werden, da auch dieser in die Wärmeerzeugung eingeht.
Die Berechnung des Gewichtungsfaktors erfolgt nach folgenden Formeln:
Der aufgenommene Brennstoffanteil des BHKW:
\( f_{BHKW} = \frac {Aufgenommene\ Brennstoffleistung\ (BHKW)} {Abgegebene\ Brennstoffleistung\ (Versorger)} \)Der aufgenommene Brennstoffanteil des Kessels:
\( f_{Kessel} = 1- f_ {BHKW} \)Der Brennstoffanteil des BHKW für die Wärmeerzeugung \( f_{BHKW,therm}\):
\( f_{BHKW,therm} = (1-PEE) \cdot \frac {\eta_{therm}} {\eta_{therm,Ref}} \cdot f_{BHKW} \)Primärenergieeinsparung \( PEE \):
\( PEE = 1- \frac {1} {\frac {\eta_{el}} {\eta_{el,Ref}} + \frac {\eta_{therm}} {\eta_{therm,Ref}} } \)spezifische CO2-Emissionen für Wärme:
\( = \frac {CO2\text{-}Emission\_Brennstoffversorger\ \cdot\ (f_{BHKW,therm} + f_{Kessel})} {gesamter\ Wärmebedarf} \)Die folgende Abbildung zeigt das Steuerungsschema Brennstoffanteil thermisch.
Variante 2: Getrennter Brennstoffbezug
Die Variante 2 betrachtet ein Energiesystem, bei dem die Wärme- und die KWK-Anlage getrennt mit Brennstoff versorgt werden.
Wird im TOP-Energy-Schema der Brennstoffbezug des Wärmeerzeugers von dem der KWK-Anlage getrennt, kann auf die extra Berechnung des gesamten aufgenommenen Brennstoffanteils des BHKW verzichtet werden.
Strom
Zur Ermittlung der stromspezifischen Kennzahlen erfolgt die Berechnung der spezifischen CO2-Emissionen oder des Primärenergieeinsatzes zur Stromerzeugung nach folgenden Formeln.
Der Brennstoffanteil für die Stromerzeugung durch das BHKW \( f_{BHKW,el} \):
\( f_{BHKW,el} = (1-PEE) \cdot \frac {\eta_{el}} {\eta_{el,Ref}} \)Spezifische CO2-Emissionen von Strom:
\( = \frac {CO2\text{-}Emission\_Brennstoffversorger\_BHKW\ \cdot\ f_ {BHKW,el}\ +\ CO2\text{-}Emission\_Stromversorger}{gesamter\ Strombedarf} \)Die Berechnung wird im Steuerungsschema „Brennstoffanteil elektrisch“ folgendermaßen umgesetzt.
Wärme
Analog zur Berechnung der spezifischen CO2-Emissionen bzw. des Brennstoffeinsatzes des Stroms, werden die spezifischen Kennzahlen der Wärme ermittelt. Die Berechnung erfolgt anhand folgender Formeln.
Der Brennstoffanteil für die Wärmeerzeugung durch das BHKW \( f_{BHKW,therm} \):
\( f_{BHKW,therm} = (1-PEE) \cdot \frac {\eta_{therm}} {\eta_{therm,Ref}} \)Der Brennstoffanteil für die Wärmeerzeugung durch den Kessel \( f_{Kessel} \):
\( f_{Kessel} = 1 \)Spezifische CO2-Emissionen von Wärme:
\( = \frac {CO2\text{-}Emission\_Brennstoffversorger\_BHKW\ \cdot\ f_ {BHKW,el}\ +\ CO2\text{-}Emission\_Stromversorger}{gesamter\ Strombedarf} \)Die Berechnungen werden im Steuerungsschema „Brennstoffanteil thermisch“ wie folgt umgesetzt:
Variante 3: Methode der IEA
Die Variante 3 verdeutlicht, wie die Methode der Internationalen Energieagentur (IEA) angewendet wird. Die Methode der IEA ist der finnischen Methode sehr ähnlich. Im Unterschied zu der finnischen Methode berücksichtigt die IEA-Methode keine Referenzwirkungsgrade.
Strom
Im Rahmen der Ermittlung der stromspezifischen Kennzahlen werden die CO2-Emissionen des Stroms nach folgender Formel berechnet:
Der Brennstoffanteil für die Stromerzeugung durch das BHKW \( f_{BHKW,el} \):
\( f_{BHKW,el} = \frac {\eta_{el}} {\eta_{el}\ +\ \eta_{therm}} \cdot f_{BHKW} \)Spezifische CO2-Emissionen von Strom:
\( = \frac {CO2\text{-}Emission\_Brennstoffversorger\_BHKW\ \cdot\ f_ {BHKW,el}\ +\ CO2\text{-}Emission\_Stromversorger}{gesamter\ Strombedarf} \)
Wärme
Als Beispiel für die Ermittlung der wärmespezifischen Kennzahlen werden im Folgenden die Formeln zur Berechnung der CO2-Emissionen der Wärme aufgeführt.
Der Brennstoffanteil für die Wärmeerzeugung durch das BHKW \( f_{BHKW,therm} \):
\( f_{BHKW,therm} = \frac {\eta_{therm}} {\eta_{el}\ +\ \eta_{therm}} \cdot f_{BHKW} \)Der Brennstoffanteil für die Wärmeerzeugung durch den Kessel \( f_{Kessel} \):
\( f_{Kessel} = 1 \)Spezifische CO2-Emissionen von Wärme:
\( = \frac {CO2\text{-}Emission\_Brennstoffversorger\_BHKW\ \cdot\ f_ {BHKW,therm}\ +\ CO2\text{-}Emission\_Brennstoffversorger_Kessel}{gesamter\ Strombedarf} \)Die folgende Abbildung zeigt das Steuerungsschema „Brennstoffanteil thermisch“ der Variante 3.
