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Co-funded by the Intelligent
Energy Europe Programme of
the European Union 1 Einführung - Theorie - Übungsaufgaben - Geschäftsfall - Zusammenfassung
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the European Union 2
Überblick
Einführung – Kraft-Wärme-Kopplung und erneuerbarer Energiequellen für intelligente Energienetze
– Erneuerbare Energie
– Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)
Theorie Sonnenenergie
Energie aus Biomasse
Windenergie
Erdwärme
Wasserkraft
Kraft-Wärme-Kopplung Technologien
Übungsaufgaben
Geschäftsfall
Zusammenfassung
Einführung - Theorie - Übungsaufgaben - Geschäftsfall - Zusammenfassung
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the European Union 3 Einführung - Theorie - Übungsaufgaben - Geschäftsfall - Zusammenfassung
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Kraft-Wärme-Kopplung und erneuerbare Energiequellen für
intelligente Energienetze
DG ist der logische Kern von intelligenten Städten
Dezentralisierte Generation (DG)
Einige erneuerbare Energiequellen sind durch große Unstetigkeiten gekennzeichnet
Speicher
Gitternetz
Energieeffizienz
Kraft-Wärme-Kopplung
Erneuerbare Quellen
Lokale Produktion von Energie
Information-und
Kommunikations-
technik
Lastausgleich
Einführung - Theorie - Übungsaufgaben - Geschäftsfall - Zusammenfassung
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Erneuerbare Energiequellen haben eine Regenerationszeit von Energie kleiner als
(oder gleich) der Nutzungsdauer.
Können daher nicht als erneuerbare fossile Brennstoffe betrachtet werden.
Sonne-
Biomasse
Wind
Geothermie
Wasser
Energieeffizienz (ist keine Quelle, aber reduziert die Verwendung der Bezugsquellen)
Erneuerbare Energie
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Definition von AEEG n. 42/02 19 März 2002
"... Integrierte Systeme, welche Energie von jeglichen
Primärenergiequellen in der gemeinsamen Produktion von Strom
und thermische Energie (Wärme), umwandeln...“
KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
Einführung - Theorie - Übungsaufgaben - Geschäftsfall - Zusammenfassung
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the European Union 7 Einführung - Theorie - Übungsaufgaben - Geschäftsfall - Zusammenfassung
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the European Union
Die Sonne ist eine Quelle=> Wärme, Kühlung, Licht und Strom
Großes Potential: In einer Stunde liefert die Sonne die notwendige
Jahres Energie für den gesamten Planeten.
Technologien:
Solarheizung
Solarkühlung
Photovoltaik
Aufbereitete Sonnenenergie
SOLARENERGIE
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Solarheizung (Geringe Temperatur, t < 100 °C)
• Produktion von hygienischem Warmwasser
SOLARENERGIE
Solarheizung (Hohe Temperatur, t > 150 °C)
• Heizung oder Vorwärme (industrielle Verwendung)
• Fernwärme
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SOLARENERGIE
Solarheizung: Merkmale
• Eine ausgereifte Technologie
• Keine lokalen CO2-Emissionen
• Lautlos
• Zufälligkeit der Produktion
• Speicherung
• Variable Umweltbelastung
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SOLARENERGIE
Solarkühlung
System des geschlossenen Kreislaufs
• Absorption
• Adsorption
System des geöffneten Kreislaufs
• DEC System (Trockenmittel & Verdunstungskühlsysteme)
Einführung - Theorie - Übungsaufgaben - Geschäftsfall - Zusammenfassung
Solarkollektor
Abdampf
Aufnahme
Zuluft
16-18 °C
Wärmerück-
gewinnungsrotor Entfeuchtungsrad
Befeuchter
Befeuchter
Rückluft
Warmluft
60-90 °C
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Solarkühlung: Merkmale
• Relativ neue Technologie
• Hohe Kosten für kleine Größen
• Keine lokalen CO2-Emissionen
• Lautlos
• Zufälligkeit der Produktion
• Speicherung
• Variable Umweltbelastung
SOLARENERGIE
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SOLARENERGIE
Photovoltaik:
Direkte Umwandlung von Sonnenenergie in Strom.
• Hohe Stromkosten
• Anreicherung
• Neue organische Materialien
anstelle von Silikon
• Energiespeicher
• Batterien
• Warmwasser durch Joule-Effekt
• Wasserstofferzeugung
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Solarmodule
Umrichter
Benutzer
Zähler
Öffentliches
Stromnetz
Schalttafel
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• Keine lokale CO2-Emission
• Lautlos
• Dezentralisiert
• Geringe Effizienz
• Nur Stromerzeugung
• Unterbrochene Produktion
• Umweltauswirkung
• Ländliche Nutzung (Agrarwirtschaftliche Nutzung)
SOLARENERGIE
Photovoltaik: Merkmale
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Konzentrierte Solarthermie (CSP)
Konzentration, durch Bündelung der Sonnenstrahlen mit Spiegel auf die
Absorber Fläche.
Typologie
• Linear parabolisch
• Turmsysteme mit zentralem Empfänger
• Parabolrinnen- und Fresneltechnik
• Parabolschüsselkollektor
SOLARENERGIE
Bild: ENEA
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SOLARENERGIE Thermodynamisch Hochtemeperatur
• Linear parabolisch
• Turmsysteme
Hohe Temperaturen werden erreicht (T bis zu
550 °C )
Verbesserung des thermodynamischen Zyklus
Die Salze müssen auf hoher Temperatur gehalten werden, auch bei Nacht.
Umweltauswirkungen (vor allem bei Turmsystemen)
Bild: ENEA
Nachteile
Aktuell, Verwendung von
Salzschmelzen als Träger von
Wärmeenergie
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• Thermochemische Verarbeitung
• Biochemische Umwandlung
Biokraftstoffe: Umwandlung von Biomasse in flüssige Kraftstoffe für Beförderungsmittel.
• Rapsöl und Sonnenblumenöl (Biodiesel),
• Zuckerrohr, Rüben, Mais (Bioethanol).
Biopower: Direkte Verbrennung von Biomasse oder Umwandlung in gasförmige oder
flüssige Brennstoffe die effizienter brennen, um Strom zu erzeuge.
Bioprodukte: Umwandlung von Biomasse in Chemikalien für die Herstellung von
Kunststoffen und andere Produkte, die typischerweise aus Erdöl hergestellt werden.
ENERGIE AUS BIOMASSE
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Vorteile
‒ Produktion auf Nachfrage
‒ Speicherung
‒ Kraft-Wärme-Kopplung Konfiguration
Nachteile
‒ Technologie befindet sich in der Entwicklungsphase,
‒ Einsatz von Unkrautvernichtungsmitteln (für Intensivkulturen)
‒ Umweltauswirkung (von sehr begrenzt bis nicht unbedeutend)
ENERGIE AUS BIOMASSE
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Biomasse
Organische Abfälle
Wald
Gemüse
Technologischer Wandel von Produkten
- Essen
- Kein Essen
landwirtschaftlich
- Tiere
- Gemüse
Energetischer Anbau
Aquatisch Land
ENERGIE AUS BIOMASSE
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Existierenden Haupttechnologien für die Verwendung von Biomasse
Biomasse
Holz
Öl Pflanzen kein Essen
Zuckerpflanzen kein Essen
Organische Abfälle
Aufbereitung
Mechanisch (Chips …)
Vergasung
Karbonisierung
Pyrolyse
Pyrolyse / Veresterung
Alkoholische Gärung
Anaerobe Faulung
Holz
Brennstoff
Gas
Kohle
Öl
Ethanol
Brennstoffzellen
Verbrennungsmotor (Otto Kreisprozess)
Verbrennungsmotor (Diesel Kreisprozess)
Gasturbine Mikrogasturbine
Heizkessel+ Dampfturbine
Technologie
ENERGIE AUS BIOMASSE
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the European Union
Wind ist eine Form der Sonnenenergie.
Winde werden von einer ungleichmäßige Erwärmung der Atmosphäre
durch die Sonne, den Unregelmäßigkeiten der Erdoberfläche und der
Erdrotation verursacht.
Technologie: Horizontal- und vertikalachsige Windturbinen
Ortsbestimmung : an Land/ vor der Küste ;
Leistung: Bis zu 8 MW
WINDENERGIE
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WINDENERGIE
Rotor
Bremssystem
Turm und Fundament
Übersetzungsgetriebe
Generator
Messinstrumente
Gondel, Gier System
Foto: ENEA
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Vorteile
Keine lokalen CO2-Emissionen
Nachteile
Umweltauswirkung (Lärmbelästigung, Biodiversität, sichtbar)
Unterbrochene Produktion
WINDENERGIE
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Geothermische Energie verwendet Erdwärme (Dampf und Warmwasser in
verschiedenen Temperaturen)
• Dampf-dominierte hydrothermale Systeme
• Wasser-dominierte hydrothermale Systeme
• Heiße Trockengesteinssysteme
• Gepresste Gesteinssysteme
Erdwärme, kann entsprechend der Fluidenergie nach klassifiziert
werde.
ERDWÄRME
Hohe Enhtalpiewärme heat 630 kcal/kg
(Trockener Dampf)
Mittlere Enthalpiewärme 100-630 kcal/kg
(Ein Gemisch aus Wasser und Dampf)
Geringe Enthalpiewärme 100 kcal/kg
(Wasser bei 100 °C)
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Hohe Enthalpie
• Elektrische Energie
• Industrieller Dampfeinsatz
Geringe und mittlere Energie
• Badewesen und Wellnessorte,
• Gewächshäuser,
• Aquakultur,
• Industrielle Nutzung,
• Trocknung von Produkten,
• Andere Verwendung.
ERDWÄRME
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Hausgebrauch
• Ausgereifte Technologie
• Großer Leistungsbereich
• Auf Anfrage
• Geringere Umweltauswirkungen oder geringfügig
• Fluidtemperatur: 12-15 °C
• Kühlung
• Heizung (mit integrierter Wärmepumpe)
ERDWÄRME
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the European Union
Verwendung der potentiellen Wasserenergie.
Verschiedene Arten von Turbinen als Funktion des Wassersprungs
sind verfügbar.
Pelton,
Francis,
Kaplan,
Kreuzstrom (Banki)
Archimedes Schnecke
WASSERKRAFT
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Anwendungsbereich
Kreuzstrom
Francis
Kaplan
Pelton
Archimedes
Schnecke
Q [m³/s]
H [m]
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the European Union Introduction - Theory - Exercises - Business Case - Summary 28
Advantages
mature technology
no local CO2 emissions
on Demand
storage
Disadvantages
high environmental impact,
ecosystem damage,
only electricity production
HYDRAULIC ENERGY
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Vorteile
ausgereifte Technologie
keine lokale CO2-Emission
auf Anfrage
Speicherung
Nachteile
große Umweltauswirkung,
Schädigung des Ökosystems,
nur Stromerzeugung
Wasserkraft
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Vorteile
Warum Kraft-Wärme-Kopplung?
• Wirtschaftlich: Dank besserer Anlageeffizienz kann der
Energieinhalt des Kraftstoffes in effizienterer Weise genutzt werden.
Zukünftige Einsparungen aufgrund der lokalen Energieproduktion.
• Umwelt: Niedriger Kraftstoffverbrauch bedeutet weniger
umweltschädliche Emissionen.
• Finanziell: Kraft-Wärme-Kopplung wird eine vergleichbare
Energiequelle neben den anderen Energiequellen (Sonne, Wind und
Erdwärme) und profitiert von den gesetzlichen Vorschriften und
Anlagen.
Kraft-Wärme-Kopplung
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GRENZEN
Warum Kraft-Wärme-Kopplung?
• Notwendig der Gegenseitigkeit zwischen Produktion und
Nachfrage für die elektrische und die thermische Energie.
• Wirtschaftliche Zweckmäßigkeit der Anlagen. Thermische und
elektrische Anwendungen müssen in der Nähe des Kraftwerks
sein
• Höhere Anlagenkosten im Vergleich zu herkömmlichen
Systemen durch die Komplexität der KWK-Anlagen.
Kraft-Wärme-Kopplung
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Die Idee der KWK ist impliziert in dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik
enthalten.
• Ein generischer thermodynamischen Zyklus um Wärme in mechanische Arbeit
umzuwandeln ist notwendig, um einen Teil der Wärme im Eingang des Zyklus
abführen
• In wirklich sinnvollen und eingesetzten Technologien ist der Teil der abgeführten
Wärme in der Regel größer als der in der mechanische Arbeit umgewandelte Teil
• Thermische Energie ist die Energieform die in industriellen und zivilen Anwendungen
am häufigsten zum Einsatz kommt
• Der KWK Prozess führt zu einer rationelleren Nutzung von Primärenergie im
Vergleich zu Prozessen welche separat zwei Arten von Energie erzeugen.
Warum KWK??
KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
Einführung - Theorie - Übungsaufgaben - Geschäftsfall - Zusammenfassung
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Anlagen produzieren getrennt elektrische und thermische Energie. Es kann
wie folgt definiert werden.
Getrennte Erzeugung von Kraft & Wärme
Ein Vergleich zwischen diesen beiden Anlagelösungen könnte dazu
beitragen, die Vorteile der kombinierten Energie-Kopplung (KWK) in Bezug
auf die Getrennt zu beurteilen.
KWK Vs. Getrennte KWK
KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
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Chemische Energie
mcHi Wärme
Q
Arbeit
L
Nützliche Arbeit
Le
Chemische
Verschmutzung Thermische
Verschmutzung
Mechanische
Verluste
Nützliche
Wärme
Elektrisch Energie
Thermische Energie
CHP Vs SHP
ηm ηt ηc
Chemische Energie
mcHi Wärme
Q
ηt ηc
Getr
en
nte
KW
K
KW
K Chemische Energie
mcHi Wärme
Q
Arbeit
L
Nützliche Arbeit
Le
Chemische
Verschmutzung
Mechanische
Verluste
Elektrische- und
thermische Energie
Nützliche
Wärme
ηm ηt ηc
KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
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A) Geteilte Produktion von Elektrizität und Wärme
(Alle Zahlen sind Energieeinheiten)
= 80/148 = 54%
50
( =80%)
30
( =35%)
Verlust = 68
Thermische
Anfrage
Elektrische
Anfrage
+ +
80
63
85
148
IN
KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
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the European Union 36 Introduction - Theory - Exercises - Business Case - Summary
B) Geteilte Produktion von Elektrizität und Wärme
(All figues are energy units)
50
30
IN
Losses = 20
THERMAL
REQUEST
ELECTRIC
REQUEST
+ COGENERATION
PLANT
80
100
= 80/100 = 80%
100
COMBINED HEAT & POWER
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B) COMBINED PRODUCTION OF ELECTRICITY AND HEAT
(Alle Zahlen sind Energieeinheiten)
50
30
IN
Verlust = 20
Thermische
Anfrage
Elektrische
Anfrage
+ KWK-Anlage
80
100
= 80/100 = 80%
100
KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
Einführung - Theorie - Übungsaufgaben - Geschäftsfall - Zusammenfassung
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Die Verwendung von KWK-Systemen ermöglicht
es den Primärenergieverbrauch von 15% auf 40%
zu reduzieren, produzierter Strom und Wärme sind
gleich.
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KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
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Die Einsparung kann mit der folgenden
mathematischen Formel ausgedrückt werden:
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KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
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HAUPTKOMPONENTEN
1. Motor
2. Generator
3. Wärmetauscher
4. Steuersystem
5. Verteilersystem
6. Elektrische Anschlüsse
7. Elektroschrank (Wenn das Unternehmen vor hat elektrische Energie
zu verkaufen)
8. …..
Einführung - Theorie - Übungsaufgaben - Geschäftsfall - Zusammenfassung
KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
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Gasturbine mit Wärmerückgewinnung (kombinierter Prozess)
Gegendruckdampfturbine
Entnahme- Kondensationsdampfturbine
Gasturbine mit Wärmerückgewinnung
Verbrennungsmotor
Mikroturbinen
Stirling- Motoren
Brennstoffzellen
Dampfmotoren
Rankine- Kreislauf mit organischem Fluidum
Jede andere Technologie oder Kombination von Technologien, für
die die Begriffsbestimmung des Artikels 3 Buchstabe a) gilt..
Anlagen die als KWK definiert werden können (*)
Quelle: ENEA Desire – Net Project
(*) Quelle: Richtlinie des Europäischen Parlaments und des Rates über die Förderung der KWK auf der Grundlage eines Nutzwärmebedarfs im Energiebinnenmarkt
Einführung - Theorie - Übungsaufgaben - Geschäftsfall - Zusammenfassung
KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
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Vergleich der Effizienz verschiedener Generatoren
MCFC
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KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
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the European Union 43 Einführung - Theorie - Übungsaufgaben - Geschäftsfall - Zusammenfassung
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Nehmen wir einen gleichen Energiebedarf von 80 kWh thermischer Energie und
90 kWh thermischer an, kalkulieren Sie bitte die Verbrauchsschwankungen mit
einem KWK statt einem getrennten KWK.
Daten:
• Effizienz des thermoelektrischen Kraftwerks gleich 45%.
• Wirkungsgrad des Wärmekraftwerks gleich 95%.
• KWK: Elektrischer Wirkungsgrad gleich 40% und thermischer Wirkungsgrad
gleich 45%.
Primärenergieeinsparung
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Gentrennt KWK
80/45=178 kWh
90/95= 95 kWh
273 kWh
Verbrauchsreduzierung von ungefähr 27%
KWK
80/40=200 kWh
90/45=200 kWh
200 kWh
Elektrische Energie
Thermische Energie
Verbrauchte Energie (PCI)
Einführung - Theorie - Übungsaufgaben - Geschäftsfall - Zusammenfassung
Primärenergieeinsparung
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HOCHLEISTUNGSMOTOREN
Welche der folgenden Lastprofile ist für
die KWK geeignet ?
Diagramm b
Diagramm a
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HOCHLEISTUNGSMOTOREN
Welche der folgenden Lastprofile ist für
die KWK geeignet ?
Diagramm b
Diagramm a
Mit der Verwendung eines Speichersystems
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the European Union 48 Einführung - Theorie - Übungsaufgaben - Geschäftsfall - Zusammenfassung
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the European Union 49
Praxisbeispiel “Hypo Alpe Adria”
Blockheizkraftwerk Fernwärme und Kühlung:
Das "Hypo Alpe Adria" Blockheizkraftwerk liegt in Tavagnacco (UD) im Nordosten Italiens.
Im nördlichen Teil des Landkreises von Udine, einem Wohnbereich mit mehreren
öffentlichen und privaten Gebäuden, darunter ein Schwimmbad, ein Hotel, Sitz einer
italienischen Bank und andere Einrichtungen im Dienst der Gemeinde, wurden entwickelt.
Die Anlage "Hypo Alpe Adria" enthält eine KWK-Kraftmaschine mit 1 MW elektrischer und
1,3 MW Wärmekapazität. Darüber hinaus sind zwei Wärmeerzeuger mit 1,2 und 2,0 MW
Wärmekapazität installiert. Die Kühlanlage umfasst zwei Kältemaschinen mit 1 MW
Kühlleistung und eine Absorptionskältemaschine mit 0,5 MW Kälteleistung.
Einführung - Theorie - Übungsaufgaben - Geschäftsfall - Zusammenfassung
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Elektrische Kapazität (gesamt) 1,06 Mwe
Wärmekapazität (gesamt) 1,27 MWth
Technologie Maschinenmotor
Nr. Der Einheit 1
Hersteller Jenbacher
Art des Kraftstoffs Erdgas
Strom (Jahreserzeugung) 2,37 GWh
Wärme (Jahreserzeugung) 2,57 GWh
Anlagebau 2006
Gesamtinvestitionskosten € 2.800.000
Finanzierung Eigenmittel
Staatliche Unterstützung Zertifikate, Steuersenkung
Ort Tavagnacco, Italien
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Einige erneuerbare Energiequellen weisen starke
Produktionsdiskontinuitäten auf
Für die Energiedistrikte wir es notwendig die produzierte
Energie zu nutzen und zu optimieren
KWK-Anlagen bieten die Möglichkeit Primärenergie effizient
zu nutzen, wenn elektrische- und thermische Energie benötigt
wird
KWK-Anlagen können auch mit erneuerbaren Energien
(Biomasse) eingespeist werden
Wiederholung
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