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Lebenszykluskostenrechnung in der Anlagen- und Gebäudeplanungplanung

Text Datum Benutzer
Lebenszykluskostenrechnung in der Anlagen- und Gebäudeplanungplanung
Ich suche Informationen und Literatur zur Ber√ľcksichtigung von Lebenszykluskostenrechung in der Planung Produktionsanlagen Energieanlagen. Welche Voraussetzungen m√ľssen f√ľr die Ber√ľcksichtigung vorhanden sein. Danke.
Gruß Eggert
13 Dec 2004
23:14:11
Eggert
Lebenszyklus kostenrechnung in der Anlagenplanung Wärmepumpe
Im Anhang Infos zum Thema! Gruss P.Hubacher


http://www.sses.ch/de/zse/rognon_598.html

Die Wärmepumpe Sonnenenergie 5/98

50% weniger CO2 durch Nutzung erneuerbarer Energien mit Wärmepumpen

Rund die H√§lfte unseres Nutzenergiebedarfes wird f√ľr die Niedrigtemperatur-Raumw√§rme verbraucht. Hier kann die W√§rmepumpe heute schon die dazu n√∂tigen Prim√§renergien und den Ausstoss von CO2 bedeutend reduzieren. Die grossen Fortschritte der W√§rmepumpe zur effizienten Nutzung von Umweltw√§rme sind noch zu wenig bekannt. Von Fabrice Rognon




(Dieser Artikel gehört zur Sondernummer "Wärmepumpen" der Zeitschrift Sonnenenergie und äussert die freie Meinung des Autors. Lesen Sie auch die Stellungnahme der SSES zu diesem Thema.) Woher kommt der Strom? Auf diese Frage lassen sich alle Diskussionen um die Wärmepumpe reduzieren. Bei deren Beantwortung sind zwei Phasen zu unterscheiden:

Entwicklung gemäss Energie 2000

Die W√§rmepumpe muss einen Beitrag an die Ziele von Energie 2000 zur CO2-Reduktion und zur Stabilisierung der Elektrizit√§tsnachfrage leisten. Die Strategie zur Strombereitstellung f√ľr die neu installierten W√§rmepumpen st√ľtzt sich daher auf zwei Beine:

‚ÄĘ Sanierung: Im nat√ľrlichen Ersatzrhythmus sollen m√∂glichst viele Elektro-Widerstandsheizungen durch W√§rmepumpen ersetzt werden. Dabei werden 1/2 bis 2/3 des Stromes frei (bei den anvisierten h√∂heren Arbeitszahlen entsprechend mehr). Die heute etwa 230 000 festen Elektro-Heizungen fressen im Jahresdurchschnitt 6% des Strom-Landesverbrauches, im Winterhalbjahr sogar 15%.

‚ÄĘ Substitution: Durch vermehrte energetische Verwertung von Abf√§llen in Kehrichtverbrennungsanlagen (KVA) und vermehrten Einsatz von w√§rmegef√ľhrten ‚Äď meist fossil betriebenen ‚Äď W√§rme-Kraft-Kopplungsanlagen (WKK) k√∂nnen weitere Strommengen bereitgestellt werden. Die Entwicklung dieser flankierenden Technologien werden vom Ressort regenerierbare Energien von Energie 2000 verfolgt. Die entsprechenden j√§hrlichen Zahlen (in GWh/a, siehe Tabelle 1):


Erzeugung durch: 1990 1995 2000 2010 KVA 326 422 626 626 WKK 548 884 998 1598 Ersatz Elektroheizungen 0 2 300 1300 Total 874 1308 1924 3524 Bedarf WP 369 553 1139 2439

Tabelle 1: Bilanz der Stromproduktion durch die flankierenden Massnahmen und Entwicklung des Bedarfes der neuen Wärmepumpen, gemäss Energie 2000, in Gigawatt-Stunden pro Jahr (GWh/a). KVA: Produktion in Kehrichtverbrennungsanlagen, Winterhalbjahr; WKK: Produktion durch Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen; Ersatz Elektroheizungen: Ersatz von festen Elektro-Widerstandsheizungen durch Wärmepumpen; Bedarf WP: Stromverbrauch durch die Wärmepumpen


Die Elektizitätsnachfrage von Wärmepumpen ist also bis ins Jahr 2010 problemlos gedeckt. Und nach Energie 2000?

Um 2010‚Äď2015 wird wahrscheinlich das Potential des Ersatzes von Elektro-Heizungen und von vermehrter Stromproduktion in KVA ausgesch√∂pft sein. Dann ben√∂tigen die neu installierten W√§rmepumpen neue Anlagen zur Elektrizit√§tserzeugung. Um eine spekulative Diskussion zu vermeiden, betrachten wir:

bis 2010‚Äď2015 den schweizerischen Winterstrom mit Importen, bestehend aus 46% Wasserkraft, 43% AKW, 12% thermisch (meist Steinkohle), ohne Transitstrom; und f√ľr die Zeit nach Aussch√∂pfung der w√§hrend Energie 2000 eingeleiteten Massnahmen: das europ√§ische Netz (UCPTE); WKK30/86-W√§rme: W√§rme-Kraft-Kopplung mit elektrischem Wirkungsgrad von 30% und gesamtem Nutzungsgrad von 86%. Der W√§rme werden genau soviele Emissionen angelastet, wie wenn sie von einem modernen Gaskessel erzeugt w√ľrde. Die restlichen Emissionen gehen zu Lasten des Stromes. Die WKK wird w√§rmegef√ľhrt; WKK30/86-Elektr.: das gleiche mit allen Emissionen dem Strom zugerechnet, die W√§rme ist also emissionsfrei; GuD58/58: Gas- und Dampf-Turbine im kombinierten Prozess, mit elektrischem Wirkungsgrad von 58%, ohne W√§rmenutzung; Kohle: Steinkohlekraftwerk aus Deutschland; Wasserkraft: schweizerisches Speicherkraftwerk; AKW: Import aus franz√∂sischen Atomkraftwerken. Hier muss ein zentrales Element des Betriebes von W√§rmepumpen in Erinnerung gerufen werden: Praktisch jede neue W√§rmepumpe wird mit unterbrechbaren Stromlieferungen betrieben. Somit tragen sie nicht zu den Tagesspitzen des Elektrizit√§tsverbrauches bei. Falls importiert werden muss, werden sie also nicht durch eine einzelne (Spitzen-)Stromerzeugung gespiesen, sondern durch ein Gemisch aus den 5 oben genannten Quellen.

Unter welchen Bedingungen leisten die Wärmepumpen einen Beitrag an die Reduktion des Primärenergiebedarfes und des CO2?

Wir st√ľtzen uns auf die Methode der √Ėkobilanz oder Life Cycle Analysis, welche im √Ėkoinventar alle Prozessschritte von der Rohstoffgewinnung, der Materialherstellung und des Anlagebaus √ľber den Betrieb bis zur Entsorgung betrachtet. Wir fokussieren uns auf die Einsparung von Prim√§renergien und auf die CO2-Reduktion.

Einsparung von Primärenergien

Wir betrachten die Heizung eines Geb√§udes (Heizleistungsbedarf 10,25 kW) und bestimmen die minimale JAZ (Jahresarbeitszahl als Verh√§ltnis der j√§hrlich produzierten Nutzenergie zur j√§hrlich verbrauchten Elektrizit√§t), welche erreicht werden soll, damit die W√§rmepumpe bei der Bilanzierung der nicht erneuerbaren Energien besser abschneidet als eine Elektro-Heizung, eine √Ėlheizung oder eine Gasheizung. Die Berechnung wird f√ľr verschiedene Herkunft der Elektrizit√§t wiederholt.

Die letzte Kolonne von Tabelle 2 gibt die minimale JAZ an, ab welcher das System Stromerzeugung plus W√§rmepumpe mehr Nutzenergie erzeugt als nicht erneuerbare Energien verbraucht. Dieser ¬ęErntefaktor¬Ľ sagt aus, ob das System die Umwelt belastet (Erntefaktor <1,0) oder schont (Erntefaktor >1,0).

Wir betrachten zwei markt√ľbliche W√§rmepumpen: eine Sole/Wasser, monovalent, mit vertikaler Erdsonde ausgelegt mit 55 W/m Entzugsleistung, mit K√§ltemittel R407C, und eine Luft/Wasser, monovalent, mit K√§ltemittel R290. Da sich die Resultate h√∂chstens um 0,1 unterscheiden, geben wir nur die Zahlen der ersten Anlage an (siehe Tabelle 2).

Herkunft der Elektrizit√§t JAZ mini Elektro JAZ mini √Ėl JAZ mini Gas JAZ mini Erntefaktor = 1 CH Winter mit Importen 1,0 1,9 1,9 2,7 UCPTE 1,0 2,6 2,7 3,8 WKK 30/86-W√§rme 1,0 1,1 1,2 1,7 WKK 30/86-Elektr. 1,0 3,5 3,7 5,1 TAG58/58 1,0 1,8 1,9 2,6 Steinkohle 1,0 3,1 3,3 4,5 Wasserkraft 3,6 0,1 0,1 0,1 AKW 1,0 3,1 3,3 4,5

Tabelle 2: minimale JAZ, damit die W√§rmepumpe √ľber ihren ganzen Lebenszyklus Prim√§renergie einspart bzw. einen Erntefaktor von 1,0 erreicht, in Abh√§ngigkeit der Herkunft der Elektrizit√§t. Gas: Gaskessel low-Nox, kondensierend, Jahresnutzungsgrad 97%; √Ėl: √Ėlkessel low-Nox, kondensierend, Jahresnutzungsgrad 94%; Erntefaktor: Verh√§ltnis der produzierten Nutzenergie zu allen verbrauchten nicht erneuerbaren Prim√§renergien, √ľber den ganzen Lebenszyklus des Systems.

Reduktion des CO2

Wir betrachten wieder die zwei oben genannten W√§rmepumpen und untersuchen die Emissionen in CO2-√Ąquivalenten im Vergleich mit modernen √Ėl- und Gaskesseln. Das CO2 ist haupts√§chlich f√ľr den Treibhauseffekt verantwortlich (siehe Tabelle 3).


Sole/Wasser JAZ mini Sole/Wasser JAZ mini Luft/Wasser JAZ mini Luft/Wasser JAZ mini Herkunft der Elektrizität mazout gaz mazout gaz CH Winter mit Importen 0,5 0,6 0,5 0,6 UCPTE 1,8 2,4 1,8 2,3 WKK 30/86-Wärme 1,0 1,3 1,0 1,3 WKK 30/86-Elektr. 3,0 3,8 2,9 3,7 TAG58/58 1,5 1,9 1,5 1,9 Steinkohle 3,9 5,0 3,8 4,8 Wasserkraft 0,1 0,1 0,1 0,1 AKW 0,1 0,1 0,1 0,1

Tabelle 3: minimale JAZ, damit die W√§rmepumpen die CO2-Emissionen reduzieren, √ľber ihren ganzen Lebenszyklus, f√ľr verschiedene Herkunft der Elektrizit√§t. Sole/Wasser: monovalent, vertikale Erdsonde von 120 m , R407C;Luft/Wasser: monovalent, ohne Zusatzheizung, R290; Gas: Gaskessel low-Nox, kondensierend, Jahresnutzungsgrad 97%; √Ėl: √Ėlkessel low-Nox, kondensierend, Jahresnutzungsgrad 94%.




Wie ist der Stand der Technik?

Auf dem Pr√ľfstand

Die Pionierzeiten mit Jahresarbeitszahlen (JAZ) um 2 sind definitiv vorbei: Ein Haus mit Umgebungsluft √ľber den ganzen Winter mit einer JAZ von 3 und mehr heizen, ist heute durchaus m√∂glich. Das Bundesamt f√ľr Energie hat den Aufbau des W√§rmepumpentest- und Ausbildungszentrums in Winterthur-T√∂ss unterst√ľtzt. Dort werden die Leistungsziffern (COP) nach europ√§ischer Norm gemessen. Dies erlaubt dem Kunden objektive Vergleiche der Leistungsf√§higkeiten (siehe Tabelle 4).

Messpunkte 1994 1995 1996 1997 A2/W50 2,21 2,35 2,48 2,50 A2/W35 2,77 3,14 3,27 3,43 BO/W35 3,61 3,99 4,40 4,44

Tabelle 4: Durchschnitte der j√§hrlich gemessenen Leistungszahlen (COP) im W√§rmepumpentest- und Ausbildungszentrum in Winterthur-T√∂ss gem√§ss europ√§ischer Norm EN255. Dargestellt sind die Messpunkte A2/W50 (COP f√ľr Aussenluft 2¬į C und Heizwasser 50¬į C), A2/W35 (COP f√ľr Aussenluft 2¬į C und Heizwasser 35¬į C), B0/W35 (COP f√ľr Sole aus einer Erdsonde bei 0¬į C und Heizwasser 35¬į C).



Im Feldeinsatz

F√ľr die Analyse und die Optimierung der Leistungen im Feldeinsatz haben wir 1994 eine breite Messkampagne gestartet: 120 Anlagen werden laufend unter realen Betriebsbedingungen ausgemessen und analysiert. Die Anlagen wurden nach strengen Kriterien ausgew√§hlt, das Sortiment soll den Marktverh√§ltnissen entsprechen. Sie wurden zwischen 1994 und 1997 in Betrieb genommen. Pilotanlagen, Laborger√§te oder Forschungsmaschinen wurden absichtlich ausgeschlossen. Nachfolgend sind die zur Zeit verf√ľgbaren Teilresultate von 88 Anlagen aufgef√ľhrt (siehe Tabelle 5).

JAZ gemessen JAZ, gewichteter Durchschnitt, Heizen und Warmwasser JAZ, gewichteter Durchschnitt, nur Heizen Neubauten 2,0 - 4,2 2,8 3,1 Renovationen (Sanierungen) 1,9 - 4,0 2,5 2,7

Tabelle 5: gemessene JAZ (Jahresarbeitszahl) und Durchschnitt der JAZ gewichtet nach jeweils produzierter Energiemenge. Die 88 Anlagen sind nach Wärmequellen (46 Aussenluft, 38 Erdsonden und 4 Grundwasser) und Bauart aufgeteilt.



Zur Zeit ist die nach produzierter Energiemenge durchschnittliche JAZ aller W√§rmepumpen nicht aussagekr√§ftig. Die Sanierungsobjekte sind mit 55% um einen Faktor √ľberproportional repr√§sentiert. Eine marktentsprechenden Aussage wird im Sommer 1999 m√∂glich sein. Sie d√ľrfte um die 3,0 liegen.

Perspektive

Die obigen Zahlen entsprechen 45% der Leistungen einer idealen Maschine. Vor 10 Jahren waren es 35%. Kurz seien die wichtigsten Elemente mit grösstem Verbesserungspotential genannt:

T-Quelle und T-Heizung: Erh√∂hung der Temperatur der W√§rmequelle, insbesondere bei den Erdsonden, und Senkung der Temperatur der Heizverteilung; W√§rme√ľbergang: Verdampfer und Kondenser sind thermodynamisch komplexe W√§rmetauscher; Kompressoren: Wirkungsgrad und Liefergrad erh√∂hen; Steuerung und Regelung: schlechte transiente Zust√§nde vermeiden, Optimierung der Integration im Geb√§ude. JAZ von 4,5 bis 5,5 wurden schon in Pilotanlagen mit handels√ľblichen Komponenten erreicht. Die Senkung des W√§rmebedarfes durch eine gute W√§rmed√§mmung und die intensive Nutzung von passiver Sonnenenergie verbessern noch die Eigenschaften. Eine Zunahme der JAZ von 50% bis 2000 ist durchaus realisierbar. Der Bereich Umgebungsw√§rme/WKK des Bundesamtes f√ľr Energie setzt daf√ľr zwei Drittel seines j√§hrlichen Budgets von 6 Millionen ein.

Gehört die Wärmepumpe der Familie der erneuerbaren Energien?

Wie jedes System, welches erneuerbare Energie nutzt, braucht die W√§rmepumpe auch nicht erneuerbare Energie. F√ľr eine gegebene Dienstleistung sieht die Energiebilanz einer W√§rmepumpe grunds√§tzlich √§hnlich aus, wie bei einer solar-thermischen Anlage:

WP = erneuerbare Energie + Antriebsenergie + eventuell Zusatzenergie. Solar-thermisch = erneuerbare Energie + Antriebsenergie + Zusatzenergie. Nur die Gr√∂ssenordnungen variieren je nach gewollter Dienstleistung. Betrachten wir zwei typische Dienste: die Warmwasseraufbereitung (WW) und die Raumheizung. Die aufgef√ľhrten Prozent-Zahlen verstehen sich als optimistische Gr√∂ssen, welche mit handels√ľblichen Komponenten erreichbar sind (siehe Tabelle 6).

Anteil in % der Nutzenergie WW solar / WP Raumheizung √ľbliches Geb√§ude solar / WP Raumheizung Pilotgeb√§ude solar / WP

Erneuerbare Energie 60..80 / 50 30 / 65 80..90 / 80

Antriebsenergie Mrz 50 Mrz 35 Mrz 20

Zusatzenergie 37..17 / 0 67 / 0 17..7 / 0

Total 100/100 100/100 100/100


Tabelle 6: √Ąhnlichkeit der Energiefl√ľsse einer thermischen Solaranlage und einer W√§rmepumpenanlage, f√ľr die Anteile erneuerbarer Energie, Antriebsenergie und Zusatzenergie. Betrachtet sind die Aufbereitung von Warmwasser (WW) und die Raumheizung. F√ľr die Raumheizung werden ein heute √ľbliches Geb√§ude nach SIA-Norm und ein Pilotgeb√§ude mit Niedrigenergiebedarf (wie Minergie oder √Ėko-Bau) betrachtet.



F√ľr die gleiche Dienstleistung braucht jedes System zur Nutzung erneuerbarer Energie auch nicht erneuerbare Antriebs- und Zusatzenergie. Ihre Herkunft spielt in jedem Fall eine zentrale Rolle, insbesondere bei der Bestimmung des Erntefaktors. Zur Erinnerung: die Erzeugung von Raumw√§rme in bestehenden Geb√§uden (zweite Kolonne) beansprucht die H√§lfte des Nutzenergiebedarfes der Schweiz.

Schlussfolgerungen

Der Strom-Mehrbedarf von Elektrizit√§t ist bis 2010‚Äď2015 durch die im Rahmen von Energie 2000 gef√∂rderten flankierenden Massnahmen gedeckt: Ersatz von Elektro-Heizungen, vermehrte Stromgewinnung in KVA und Einsatz von w√§rmegef√ľhrten W√§rme-Kraft-Kopplungsanlagen (WKK).

Nach den oben aufgef√ľhrten Leistungen im Feldeinsatz ist ersichtlich, dass die W√§rmepumpen im Rahmen von Energie 2000 in jedem Fall eine bedeutende Reduktion des Prim√§renergieverbrauches und der CO2-Emissionen im Vergleich mit konventionell-fossilen Heizungen erzielen.

Die Kombination moderner W√§rme-Kraft-Kopplungsanlagen mit W√§rmepumpen kann heute schon den CO2-Ausstoss um 20% reduzieren. Ihr Erntefaktor liegt deutlich √ľber 1,0. Selbstverst√§ndlich ist die Kombination mit erneuerbarer Stromerzeugung die allerbeste.

Die Aussch√∂pfung der Verbesserungspotentiale um 2010‚Äď2015 wird die durchschnittliche JAZ der W√§rmepumpen gegen 3,5 anheben. Zusammen mit dem fortlaufenden Ersatz √§lterer, ineffizienter, unrentabler Kraftwerke, zugunsten moderner, effizienter Systeme, sind dann die erreichbaren Werte den konventionellen Heizungen noch deutlicher √ľberlegen. Der Erntefaktor d√ľrfte dann √ľber 1,5 liegen und die CO2-Reduktion etwa 50%.

Nach den vorg√§ngigen Ausf√ľhrungen geh√∂ren W√§rmepumpen zweifellos zu den erneuerbaren Energien, weil ihre guten Energiebilanzen allein wegen der Nutzung der Umgebungsw√§rme zustande kommen.






Bibliographie R. Frischknecht et al., √Ėkoinventare von Energiesystemen, 3e √©d., EPF Z√ľrich, 1996 E2000, Jahresbericht des Ressorts regenerierbare Energien, Liestal, 1996 R. Frischknecht, Der Einfluss des Strommodells auf die Umweltbilanz von W√§rmepumpen, 1998 Feldanalyse von W√§rmepumpenanlagen (FAWA), Zwischenbericht (wird im Sommer 1999 publiziert) Prognos AG, Energieperspektiven der Szenarien I bis III 1990‚Äď2030, Bern, 1996 F. Rognon, √Ėkobilanz von W√§rmepumpen, Bern, 1996 M. Zogg, Maximale Prim√§renergienutzung und CO2-Reduktion mit W√§rmepumpenheizsystemen, Oberburg, 1998.


N√ľtzliche Adressen

Bundesamt f√ľr Energie, F. Rognon, 3003 Bern, Fax 031/323 25 00, E-Mail: fabrice.rognon@bfe.admin.ch

Fördergemeinschaft Wärmepumpen Schweiz FWS Informationsstelle, Postfach 298, 3000 Bern 16 Tel. 031/352 41 13, Fax 031/352 42 06

http://www.admin.ch/bfe: Alles √ľber das Bundesamt f√ľr Energie und Energie 2000

http://www.infoenergie.ch: Alles √ľber Pilot- und Demonstrationsprojekte inkl. Bestellung von Berichten

http://fws.ch: Alles √ľber die F√∂rdergemeinschaft W√§rmepumpen Schweiz und ihre Aktivit√§ten

http://www.waermepumpe.ch/hpc : Informationen √ľber die internationalen Aktivit√§ten des Bereiches Umgebungsw√§rme des Bundesamtes f√ľr Energie

http://www.heatpumpcentre.org : Alles √ľber die Aktivit√§ten der internationalen Energieagentur IEA √ľber W√§rmepumpen

http://www.wpz.ch: Alle Pr√ľfresultate des W√§rmepumpentest- und Ausbildungszentrums von Winterthur-T√∂ss



Fabrice Rognon arbeitet im Bundesamt f√ľr Energie im Bereich Umgebungsw√§rme/WKK. Diesen Artikel hat er geschrieben in Zusammenarbeit mit den Herren Prof. P. Suter, R. Frischknecht und P. Hubacher

03 Jan 2005
23:30:26
Hubacher
Vergleich Erdgas/√Ėl/Holz
Suche Unterlagen √ľber den Vergelich von den Brennstoffen Erdgas/√Ėl/Holz
30 May 2005
09:43:07
Res

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