1. Einleitung
1.3 Bewertungsgrößen
Die der vorliegenden Arbeit zugrunde liegenden Bewertungsgro ßen werden so gewa hlt, dass sie dem Ziel der Arbeit, der Ableitung eines technisch/wirt-schaftlich optimierten Braunkohlekraftwerks, dienlich sind. Entsprechend der in Kapitel 1.2 dargestellten Methodik ist das finale Bewertungskriterium jedes Iterationsschritts der Optimierung dessen Wirtschaftlichkeit. Folglich sind die entsprechend Kapitel 3.3 ermittelten Stromgestehungskosten zu minimieren und folgende, fu r die Bestimmung der Stromgestehungskosten maßgebliche Gro ßen zu beru cksichtigen:
- Wirkungsgrad
Da es sich bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung um eine in die Zukunft ge-richtete Aussage handelt, sind Annahmen zu treffen, die einer nur schwer quantifizierbaren Unsicherheit unterliegen. Aus diesem Grund wird fu r die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ein Detaillierungsgrad gewa hlt, der in einem angemessenen Verha ltnis zu den Unsicherheiten steht. Dies hat zur Folge, dass einige Gro ßen mit Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit keinen Eingang in die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung finden. Aufgrund dieses Zielkonflikts wird festgelegt, dass jede untersuchte Anlagenkonfiguration fu r derartige Gro ßen entweder einen festgelegten Mindestwert erreichen (vgl. Kapitel 3.1) oder mindestens gleichwertig zur jeweiligen Referenzkonfiguration sein muss. Ver-besserungen werden angestrebt, jedoch nicht quantitativ bewertet. Somit wird von zwei aus Sicht der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung a quivalenten Lo sungs-varianten diejenige gewa hlt, die im Hinblick auf die nicht bewerteten Gro ßen als besser einzustufen ist. Diese Festlegung gilt insbesondere fu r folgende Gro -ßen:
- Gro ßen mit Einfluss auf die Anlagendisponibilita t (z. B.: maxi-male und minimaxi-male Dauerlast, Lastgradienten, An- und Abfahr-zeiten)
- Teillastwirkungsgrade (z. B. in Abha ngigkeit vom Frischdampf-massenstrom und von der Brennstoffqualita t)
- Brennstoffflexibilita t (z. B.: Kohleband, Ersatzbrennstoffe, Bio-masse)
- Netzdienstleistungen (z. B.: Prima r-, Sekunda rregelreserve) Wirkungsgrad
Im Allgemeinen ist ein Wirkungsgrad eine dimensionslose Kennzahl, die das Verha ltnis von Nutzen zu Aufwand darstellt. Wie u blich, wird fu r die Bewer-tung von Kraftwerksprozessen ohne Kraft-Wa rme-Kopplung der auf den unte-ren Heizwert bezogene Nettowirkungsgrad zur Bewertung der Prozessgu te herangezogen.
𝜂𝑛𝑒 = 𝑃𝑒𝑙,𝑛𝑒
𝑚̇𝐵𝑟 ∙ 𝐻𝑢 = 𝑃𝑒𝑙,𝑏𝑟− 𝑃𝑒𝑙,𝐸𝐵
𝑚̇𝐵𝑟 ∙ 𝐻𝑢 = 𝜂𝑏𝑟𝑃𝑒𝑙,𝑛𝑒
𝑃𝑒𝑙,𝑏𝑟 (1.1)
Generell ist zu beachten, dass ein Vergleich verschiedener Prozesse auf Basis von nach Gleichung (1.1) definierten Nettowirkungsgraden nur sinnvoll ist,
1.3 Bewertungsgro ßen wenn die Wirkungsgrade der Prozesse in Bezug auf den gleichen Brennstoff und unter den gleichen Umgebungsbedingungen ermittelt wurden.
Brennstoffverbrauch und CO2-Emissionen
Sowohl der spezifische Brennstoffverbrauch als auch die spezifischen CO2 -Emissionen sind Kennzahlen, in denen die jeweilige Gro ße auf die erzeugte Energiemenge bezogen wird. U blicherweise werden beide Kennzahlen in der Einheit [g/kWh] angegeben.
Der durch Gleichung (1.2) definierte spezifische Brennstoffverbrauch 𝜉𝐵𝑟 ist eine dem Kehrwert des Wirkungsgrads a hnliche Prozesskenngro ße. Da der spezifische Brennstoffverbrauch aber fu r die Ermittlung der Stromgeste-hungskosten einen ho heren Nutzen bietet, wird er zusa tzlich ausgewiesen.
𝜉𝐵𝑟 = 3,6 ∙ 103 𝑚̇𝐵𝑟
𝑃𝑒𝑙,𝑛𝑒 (1.2)
Die durch Gleichung (1.3) definierten spezifischen CO2-Emissionen 𝜉𝐶𝑂2 korre-lieren bei gegebener Brennstoffzusammensetzung direkt mit dem spezifischen Brennstoffverbrauch. Sie sind jedoch von Interesse, da sie herangezogen wer-den ko nnen, um die aus der Stromerzeugung resultierende Umweltbelastung von Kraftwerksprozessen, die auf unterschiedlichen Brennstoffen beruhen, zu vergleichen. Die spezifischen CO2-Emissionen werden als das Produkt des spe-zifischen Brennstoffverbrauchs und des CO2-Emissionsfaktors 𝑦𝐶𝑂2 des einge-setzten Brennstoffs ermittelt. Der CO2-Emissionsfaktor ist eine dimensions-lose, rein brennstoffcharakteristische Gro ße, welche die Masse der CO2 -Emissionen auf die Brennstoffmasse bezieht. Fu r die in Kapitel 3.1 definierte Referenzkohle liegt der Emissionsfaktor bei 0,993.
𝜉𝐶𝑂2 = 𝜉𝐵𝑟∙ 𝑦𝐶𝑂2 (1.3)
Verfügbarkeit
Die Verfu gbarkeit eines Kraftwerks ist kein einheitlich definierter Begriff. All-gemein ist darunter das Komplement zum Verha ltnis zwischen Ausfallzeit und zugrunde liegendem Betrachtungszeitraum zu verstehen. In der Literatur wird zwischen Arbeits- und Zeitverfu gbarkeit, sowie zwischen technischer und kommerzieller Verfu gbarkeit unterschieden. Daru ber hinaus wird die
Nicht-verfu gbarkeit u blicherweise in planma ßige und außerplanma ßige Nichtver-fu gbarkeit unterteilt, da diese einen unterschiedlichen Einfluss auf die Wirt-schaftlichkeit der Anlage haben. Da in der hier angewendeten Methodik zur Wirtschaftlichkeitsbetrachtung all diese Unterscheidungen nicht beru cksich-tigt werden, wird die Verfu gbarkeit dem Verha ltnis von Volllastbenutzungs-stunden pro Jahr zur GesamtVolllastbenutzungs-stundenanzahl eines Jahres gleichgesetzt. Diese Vereinfachung ist fu r ein Kraftwerk, dessen Einsatz u ber den Spotmarkt durch die viertelstu ndlich erfolgende make-or-buy Entscheidung bestimmt wird, zu-la ssig, wenn davon ausgegangen werden kann, dass das Kraftwerk immer ein-gesetzt wird, wenn es verfu gbar ist. Da Braunkohlekraftwerke bisher in der Grundlast eingesetzt wurden und davon auszugehen ist, dass das hier unter-suchte Kraftwerk nach Inbetriebnahme im Vergleich zu anderen konventionel-len Kraftwerken sehr geringe variable Stromgestehungskosten hat, ist die An-nahme zuna chst zula ssig, dass die Volllastbenutzungsstunden nahe dem durch das Produkt von Gesamtstundenanzahl eines Jahres und Verfu gbarkeit vorge-gebenen Maximalwert liegen werden. Um dem zu erwartenden Zubau erneu-erbarer Erzeugungseinheiten und dem daraus resultierenden Ru ckgang der Volllastbenutzungsstunden Rechnung zu tragen, wird in der Wirtschaftlich-keitsbetrachtung eine Sensitivita tsanalyse fu r die Volllastbenutzungsstunden durchgefu hrt.
Eine belastbare Quantifizierung der Verfu gbarkeit der im Folgenden unter-suchten Anlagenkonfigurationen ist nur eingeschra nkt mo glich. Weiterhin steht dem dafu r erforderlichen Aufwand ein begrenzter Nutzen gegenu ber. Um trotzdem eine Vergleichbarkeit der untersuchten Anlagenvarianten im Hin-blick auf die Verfu gbarkeit zu ermo glichen, wird sichergestellt, dass die fu r die Realisierung der jeweiligen Variante erforderlichen Komponenten so ausge-legt werden ko nnen, dass nicht von einer Verschlechterung der Verfu gbarkeit auszugehen ist. Ist dies fu r eine Komponente nicht mo glich, werden entspre-chende Redundanzen bei der Ermittlung der Investitionskosten beru cksich-tigt.
Teillastwirkungsgrade
Der tatsa chlich erreichte Wirkungsgrad eines Kraftwerks ha ngt von zahlrei-chen Einflussgro ßen ab (z. B.: Lastpunkt, Brennstoffqualita t, Umgebungsbe-dingungen, Reisezeit, Alterung) und schwankt mitunter deutlich. Mit Aus-nahme der Kohlezusammensetzung und des Lastpunkts wird fu r all diese
1.3 Bewertungsgro ßen Einflussgro ßen davon ausgegangen, dass die Wirkungsgrade der in der vorlie-genden Arbeit untersuchten Varianten eine a hnliche Abha ngigkeit aufweisen, sodass auf eine Untersuchung der Abha ngigkeit von diesen Einflussgro ßen verzichtet werden kann.
Fu r unterschiedliche Lastpunkte und Kohlezusammensetzungen wird im Fol-genden situativ entschieden, ob diese Einflussgro ßen fu r die Bewertung einer Variante relevant sind, da von einer abweichenden Wirkungsgradcharakteris-tik auszugehen ist. Um den Einfluss der Anlagenlast auf den Wirkungsgrad zu untersuchen, wird der Frischdampfmassenstrom zwischen der Dampferzeu-germindestlast und der maximal zula ssigen Dampferzeugerdauerlast variiert, wobei eine Schrittweite von 5 % des bei Nennlast erforderlichen Frischdampf-massenstroms gewa hlt wird. Fu r die Bewertung des Einflusses unterschiedli-cher Kohlezusammensetzungen auf den Wirkungsgrad wird der u ber das Koh-leband gemittelte Wirkungsgrad definiert. Er entspricht dem arithmetischen Mittel der fu r alle Kohlequalita ten des Kohlebandes ermittelten Wirkungs-grade eines gegebenen Lastpunkts (in der Regel die Nennlast des Kraftwerks).
Um den Berechnungsaufwand auf ein vertretbares Maß zu reduzieren, werden der Wassergehalt und der Aschegehalt des in Kapitel 3.1 definierten Kohleban-des in 1 % Schritten variiert. Der korrespondierende Heizwert wird entspre-chend Gleichung (3.1) ermittelt. Liegen alle drei Gro ßen Wassergehalt, Asche-gehalt und Heizwert innerhalb des Kohlebandes, wird der fu r diese Kohlequalita t ermittelte Wirkungsgrad in die Mittelung einbezogen, sodass der Mittelwert aus 89 Einzelwerten gebildet wird. Um sicherzustellen, dass die gewa hlte Schrittweite ausreicht, um die zu untersuchende Charakteristik ab-zubilden, erfolgt eine U berpru fung mit Hilfe von Konturdiagrammen (vgl. z. B.
Abbildung A.28).
Da in der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung lediglich der Wirkungsgrad im Aus-legungspunkt beru cksichtigt wird, wird mit den untersuchten Teillastwir-kungsgraden analog zu anderen nicht wirtschaftlich bewerteten Gro ßen ver-fahren. Eine Optimierung wird angestrebt und umgesetzt, wenn die in der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung beru cksichtigten Gro ßen nicht oder nur unwe-sentlich beeinflusst werden.