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Lebenszykluskostenrechnung in der Anlagen- und Gebäudeplanungplanung
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Lebenszykluskostenrechnung in der Anlagen- und Gebäudeplanungplanung
Ich suche Informationen und Literatur zur Berücksichtigung von Lebenszykluskostenrechung in der Planung Produktionsanlagen Energieanlagen. Welche Voraussetzungen müssen für die Berücksichtigung vorhanden sein. Danke.
Gruß Eggert
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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 Hälfte unseres Nutzenergiebedarfes wird für die Niedrigtemperatur-Raumwärme verbraucht. Hier kann die Wärmepumpe heute schon die dazu nötigen Primärenergien und den Ausstoss von CO2 bedeutend reduzieren. Die grossen Fortschritte der Wärmepumpe zur effizienten Nutzung von Umweltwärme 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 Wärmepumpe muss einen Beitrag an die Ziele von Energie 2000 zur CO2-Reduktion und zur Stabilisierung der Elektrizitätsnachfrage leisten. Die Strategie zur Strombereitstellung für die neu installierten Wärmepumpen stützt sich daher auf zwei Beine:
• Sanierung: Im natürlichen Ersatzrhythmus sollen möglichst viele Elektro-Widerstandsheizungen durch Wärmepumpen ersetzt werden. Dabei werden 1/2 bis 2/3 des Stromes frei (bei den anvisierten höheren Arbeitszahlen entsprechend mehr). Die heute etwa 230 000 festen Elektro-Heizungen fressen im Jahresdurchschnitt 6% des Strom-Landesverbrauches, im Winterhalbjahr sogar 15%.
• Substitution: Durch vermehrte energetische Verwertung von Abfällen in Kehrichtverbrennungsanlagen (KVA) und vermehrten Einsatz von wärmegeführten – meist fossil betriebenen – Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen (WKK) können weitere Strommengen bereitgestellt werden. Die Entwicklung dieser flankierenden Technologien werden vom Ressort regenerierbare Energien von Energie 2000 verfolgt. Die entsprechenden jährlichen 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 2010–2015 wird wahrscheinlich das Potential des Ersatzes von Elektro-Heizungen und von vermehrter Stromproduktion in KVA ausgeschöpft sein. Dann benötigen die neu installierten Wärmepumpen neue Anlagen zur Elektrizitätserzeugung. Um eine spekulative Diskussion zu vermeiden, betrachten wir:
bis 2010–2015 den schweizerischen Winterstrom mit Importen, bestehend aus 46% Wasserkraft, 43% AKW, 12% thermisch (meist Steinkohle), ohne Transitstrom; und für die Zeit nach Ausschöpfung der während Energie 2000 eingeleiteten Massnahmen: das europäische Netz (UCPTE); WKK30/86-Wärme: Wärme-Kraft-Kopplung mit elektrischem Wirkungsgrad von 30% und gesamtem Nutzungsgrad von 86%. Der Wärme werden genau soviele Emissionen angelastet, wie wenn sie von einem modernen Gaskessel erzeugt würde. Die restlichen Emissionen gehen zu Lasten des Stromes. Die WKK wird wärmegeführt; WKK30/86-Elektr.: das gleiche mit allen Emissionen dem Strom zugerechnet, die Wärme ist also emissionsfrei; GuD58/58: Gas- und Dampf-Turbine im kombinierten Prozess, mit elektrischem Wirkungsgrad von 58%, ohne Wärmenutzung; Kohle: Steinkohlekraftwerk aus Deutschland; Wasserkraft: schweizerisches Speicherkraftwerk; AKW: Import aus französischen Atomkraftwerken. Hier muss ein zentrales Element des Betriebes von Wärmepumpen in Erinnerung gerufen werden: Praktisch jede neue Wärmepumpe wird mit unterbrechbaren Stromlieferungen betrieben. Somit tragen sie nicht zu den Tagesspitzen des Elektrizitätsverbrauches 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 stützen uns auf die Methode der Ökobilanz oder Life Cycle Analysis, welche im Ökoinventar alle Prozessschritte von der Rohstoffgewinnung, der Materialherstellung und des Anlagebaus über den Betrieb bis zur Entsorgung betrachtet. Wir fokussieren uns auf die Einsparung von Primärenergien und auf die CO2-Reduktion.
Einsparung von Primärenergien
Wir betrachten die Heizung eines Gebäudes (Heizleistungsbedarf 10,25 kW) und bestimmen die minimale JAZ (Jahresarbeitszahl als Verhältnis der jährlich produzierten Nutzenergie zur jährlich verbrauchten Elektrizität), welche erreicht werden soll, damit die Wärmepumpe bei der Bilanzierung der nicht erneuerbaren Energien besser abschneidet als eine Elektro-Heizung, eine Ölheizung oder eine Gasheizung. Die Berechnung wird für verschiedene Herkunft der Elektrizität wiederholt.
Die letzte Kolonne von Tabelle 2 gibt die minimale JAZ an, ab welcher das System Stromerzeugung plus Wärmepumpe mehr Nutzenergie erzeugt als nicht erneuerbare Energien verbraucht. Dieser «Erntefaktor» sagt aus, ob das System die Umwelt belastet (Erntefaktor <1,0) oder schont (Erntefaktor >1,0).
Wir betrachten zwei marktübliche Wärmepumpen: eine Sole/Wasser, monovalent, mit vertikaler Erdsonde ausgelegt mit 55 W/m Entzugsleistung, mit Kältemittel R407C, und eine Luft/Wasser, monovalent, mit Kältemittel R290. Da sich die Resultate höchstens um 0,1 unterscheiden, geben wir nur die Zahlen der ersten Anlage an (siehe Tabelle 2).
Herkunft der Elektrizität JAZ mini Elektro JAZ mini Öl 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-Wärme 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 Wärmepumpe über ihren ganzen Lebenszyklus Primärenergie einspart bzw. einen Erntefaktor von 1,0 erreicht, in Abhängigkeit der Herkunft der Elektrizität. Gas: Gaskessel low-Nox, kondensierend, Jahresnutzungsgrad 97%; Öl: Ölkessel low-Nox, kondensierend, Jahresnutzungsgrad 94%; Erntefaktor: Verhältnis der produzierten Nutzenergie zu allen verbrauchten nicht erneuerbaren Primärenergien, über den ganzen Lebenszyklus des Systems.
Reduktion des CO2
Wir betrachten wieder die zwei oben genannten Wärmepumpen und untersuchen die Emissionen in CO2-Äquivalenten im Vergleich mit modernen Öl- und Gaskesseln. Das CO2 ist hauptsächlich für 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 Wärmepumpen die CO2-Emissionen reduzieren, über ihren ganzen Lebenszyklus, für verschiedene Herkunft der Elektrizität. Sole/Wasser: monovalent, vertikale Erdsonde von 120 m , R407C;Luft/Wasser: monovalent, ohne Zusatzheizung, R290; Gas: Gaskessel low-Nox, kondensierend, Jahresnutzungsgrad 97%; Öl: Ölkessel low-Nox, kondensierend, Jahresnutzungsgrad 94%.
Wie ist der Stand der Technik?
Auf dem Prüfstand
Die Pionierzeiten mit Jahresarbeitszahlen (JAZ) um 2 sind definitiv vorbei: Ein Haus mit Umgebungsluft über den ganzen Winter mit einer JAZ von 3 und mehr heizen, ist heute durchaus möglich. Das Bundesamt für Energie hat den Aufbau des Wärmepumpentest- und Ausbildungszentrums in Winterthur-Töss unterstützt. Dort werden die Leistungsziffern (COP) nach europäischer Norm gemessen. Dies erlaubt dem Kunden objektive Vergleiche der Leistungsfähigkeiten (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 jährlich gemessenen Leistungszahlen (COP) im Wärmepumpentest- und Ausbildungszentrum in Winterthur-Töss gemäss europäischer Norm EN255. Dargestellt sind die Messpunkte A2/W50 (COP für Aussenluft 2° C und Heizwasser 50° C), A2/W35 (COP für Aussenluft 2° C und Heizwasser 35° C), B0/W35 (COP für Sole aus einer Erdsonde bei 0° C und Heizwasser 35° C).
Im Feldeinsatz
Für 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 ausgewählt, das Sortiment soll den Marktverhältnissen entsprechen. Sie wurden zwischen 1994 und 1997 in Betrieb genommen. Pilotanlagen, Laborgeräte oder Forschungsmaschinen wurden absichtlich ausgeschlossen. Nachfolgend sind die zur Zeit verfügbaren Teilresultate von 88 Anlagen aufgeführt (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 Wärmepumpen nicht aussagekräftig. Die Sanierungsobjekte sind mit 55% um einen Faktor überproportional repräsentiert. Eine marktentsprechenden Aussage wird im Sommer 1999 möglich sein. Sie dürfte 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: Erhöhung der Temperatur der Wärmequelle, insbesondere bei den Erdsonden, und Senkung der Temperatur der Heizverteilung; Wärmeübergang: Verdampfer und Kondenser sind thermodynamisch komplexe Wärmetauscher; Kompressoren: Wirkungsgrad und Liefergrad erhöhen; Steuerung und Regelung: schlechte transiente Zustände vermeiden, Optimierung der Integration im Gebäude. JAZ von 4,5 bis 5,5 wurden schon in Pilotanlagen mit handelsüblichen Komponenten erreicht. Die Senkung des Wärmebedarfes durch eine gute Wärmedämmung und die intensive Nutzung von passiver Sonnenenergie verbessern noch die Eigenschaften. Eine Zunahme der JAZ von 50% bis 2000 ist durchaus realisierbar. Der Bereich Umgebungswärme/WKK des Bundesamtes für Energie setzt dafür zwei Drittel seines jährlichen Budgets von 6 Millionen ein.
Gehört die Wärmepumpe der Familie der erneuerbaren Energien?
Wie jedes System, welches erneuerbare Energie nutzt, braucht die Wärmepumpe auch nicht erneuerbare Energie. Für eine gegebene Dienstleistung sieht die Energiebilanz einer Wärmepumpe grundsätzlich ähnlich aus, wie bei einer solar-thermischen Anlage:
WP = erneuerbare Energie + Antriebsenergie + eventuell Zusatzenergie. Solar-thermisch = erneuerbare Energie + Antriebsenergie + Zusatzenergie. Nur die Grössenordnungen variieren je nach gewollter Dienstleistung. Betrachten wir zwei typische Dienste: die Warmwasseraufbereitung (WW) und die Raumheizung. Die aufgeführten Prozent-Zahlen verstehen sich als optimistische Grössen, welche mit handelsüblichen Komponenten erreichbar sind (siehe Tabelle 6).
Anteil in % der Nutzenergie WW solar / WP Raumheizung übliches Gebäude solar / WP Raumheizung Pilotgebäude 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: Ähnlichkeit der Energieflüsse einer thermischen Solaranlage und einer Wärmepumpenanlage, für die Anteile erneuerbarer Energie, Antriebsenergie und Zusatzenergie. Betrachtet sind die Aufbereitung von Warmwasser (WW) und die Raumheizung. Für die Raumheizung werden ein heute übliches Gebäude nach SIA-Norm und ein Pilotgebäude mit Niedrigenergiebedarf (wie Minergie oder Öko-Bau) betrachtet.
Für 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 Raumwärme in bestehenden Gebäuden (zweite Kolonne) beansprucht die Hälfte des Nutzenergiebedarfes der Schweiz.
Schlussfolgerungen
Der Strom-Mehrbedarf von Elektrizität ist bis 2010–2015 durch die im Rahmen von Energie 2000 geförderten flankierenden Massnahmen gedeckt: Ersatz von Elektro-Heizungen, vermehrte Stromgewinnung in KVA und Einsatz von wärmegeführten Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen (WKK).
Nach den oben aufgeführten Leistungen im Feldeinsatz ist ersichtlich, dass die Wärmepumpen im Rahmen von Energie 2000 in jedem Fall eine bedeutende Reduktion des Primärenergieverbrauches und der CO2-Emissionen im Vergleich mit konventionell-fossilen Heizungen erzielen.
Die Kombination moderner Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen mit Wärmepumpen kann heute schon den CO2-Ausstoss um 20% reduzieren. Ihr Erntefaktor liegt deutlich über 1,0. Selbstverständlich ist die Kombination mit erneuerbarer Stromerzeugung die allerbeste.
Die Ausschöpfung der Verbesserungspotentiale um 2010–2015 wird die durchschnittliche JAZ der Wärmepumpen gegen 3,5 anheben. Zusammen mit dem fortlaufenden Ersatz älterer, ineffizienter, unrentabler Kraftwerke, zugunsten moderner, effizienter Systeme, sind dann die erreichbaren Werte den konventionellen Heizungen noch deutlicher überlegen. Der Erntefaktor dürfte dann über 1,5 liegen und die CO2-Reduktion etwa 50%.
Nach den vorgängigen Ausführungen gehören Wärmepumpen zweifellos zu den erneuerbaren Energien, weil ihre guten Energiebilanzen allein wegen der Nutzung der Umgebungswärme zustande kommen.
Bibliographie R. Frischknecht et al., Ökoinventare von Energiesystemen, 3e éd., EPF Zürich, 1996 E2000, Jahresbericht des Ressorts regenerierbare Energien, Liestal, 1996 R. Frischknecht, Der Einfluss des Strommodells auf die Umweltbilanz von Wärmepumpen, 1998 Feldanalyse von Wärmepumpenanlagen (FAWA), Zwischenbericht (wird im Sommer 1999 publiziert) Prognos AG, Energieperspektiven der Szenarien I bis III 1990–2030, Bern, 1996 F. Rognon, Ökobilanz von Wärmepumpen, Bern, 1996 M. Zogg, Maximale Primärenergienutzung und CO2-Reduktion mit Wärmepumpenheizsystemen, Oberburg, 1998.
Nützliche Adressen
Bundesamt für 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 über das Bundesamt für Energie und Energie 2000
http://www.infoenergie.ch: Alles über Pilot- und Demonstrationsprojekte inkl. Bestellung von Berichten
http://fws.ch: Alles über die Fördergemeinschaft Wärmepumpen Schweiz und ihre Aktivitäten
http://www.waermepumpe.ch/hpc : Informationen über die internationalen Aktivitäten des Bereiches Umgebungswärme des Bundesamtes für Energie
http://www.heatpumpcentre.org : Alles über die Aktivitäten der internationalen Energieagentur IEA über Wärmepumpen
http://www.wpz.ch: Alle Prüfresultate des Wärmepumpentest- und Ausbildungszentrums von Winterthur-Töss
Fabrice Rognon arbeitet im Bundesamt für Energie im Bereich Umgebungswärme/WKK. Diesen Artikel hat er geschrieben in Zusammenarbeit mit den Herren Prof. P. Suter, R. Frischknecht und P. Hubacher
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03 Jan 2005
23:30:26 |
Hubacher |
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30 May 2005
09:43:07 |
Res |
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