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Enhancing the undergraduate educational experience : development of a micro-gas turbine laboratory
(2014)
A Capstone C30 MicroTurbine has been installed, instrumented, and utilized in a junior-level laboratory course at Valparaiso University. The C30 MicroTurbine experiment enables Valparaiso University to educate students interested in power generation and turbine technology. The first goal of this experiment is for students to explore a gas turbine generator and witness the discrepancies between idealized models and real thermodynamic systems. Secondly, students measure and analyze data to determine where losses occur in a real gas turbine. The third educational goal is for students to recognize the true costs associated with natural gas use, i.e. the hidden costs of transporting the gas to the consumer. Overall, the gas turbine experiment has garnered positive feedback from students. The twenty-six students who performed the lab in Spring 2014 rated the quality and usefulness of the gas turbine experiment as 4.28 and 4.19, respectively, on a 1-5 Likert scale, where 1 is low and 5 is high.
Since November 2011 the standard DIN 4709 stipulates performance tests for Micro-CHP units in Germany. In contrast to steady state measurements of the CHP unit itself, the test according to DIN 4709 includes the thermal storage tank as well as the internal control unit, and it is based on a 24 h test cycle following a specified thermal load profile. Hence, heat losses from the storage tank are as well taken into account as transient losses of the CHP unit. In addition, the control strategy for loading and unloading the storage tank affects the test results.
The DIN 4709 test cycle has been applied at the test stand for Micro-CHP units at Reutlingen University, and results for the Micro-CHP unit WhisperGen and the EC Power units XRGI 15® and XRGI 20® are available. During the analysis a method has been developed to evaluate the results in case the test cycle does not end in a time slot between 24 and 24.5 h after the starting as demanded by DIN 4709. Since this method has been successfully applied to the test of various CHP units of different size and technology so far, it is suggested to incorporate it to DIN 4709 during the next revision of the standard.
The performance numbers obtained reveal the differences in efficiencies measured at steady-state on the one hand and following the DIN 4709 test cycle on the other hand. While the deviations in electrical efficiencies are small, thermal efficiencies according to DIN 4709 fall below steady state data by 3–6 percentage points. This is attributed to transient thermal losses and heat losses from the storage tank, which are not included in steady state and separate testing of the CHP unit, only.
Es ist landläufig bekannt, dass die Stromerzeugung zukünftig auf der Basis erneuerbarer Energien, und damit vornehmlich durch Solar- und Windkraftanlagen, erfolgen soll. Dieses unter dem Stichwort „Energiewende“ formulierte Ziel ist allgemein akzeptiert, und es existieren mittlerweile verschiedene Szenarien, die den Zeitplan dafür vorgeben.
Für Baden-Württemberg hat das Umweltministerium die Strategie „50-80-90“ ausgearbeitet: Danach sollen bis zum Jahr 2050 der Energieverbrauch um 50% reduziert, 80% der benötigten Energie aus erneuerbaren Energien erzeugt und 90% der Treibhausgasemissionen eingespart werden.
The paper illustrates the status quo of a research project for the development of a control system enabling CHP units for a demand-oriented electricity production by an intelligent management of the heat storage tank. Thereby the focus of the project is twofold. One is the compensation of the fluctuating power production by the renewable energies solar and wind. Secondly, a reduction of the load on the power grid is intended by a better match of local electricity demand and production. In detail, the general control strategy is outlined, the method utilized for forecasting heat and electricity demand is illustrated as well as a correlation method for the temperature distribution in the heat storage tank based on a Sigmoid function is proposed. Moreover, the simulation model for verification and optimization of the control system and the two field test sites for implementing and testing the system are introduced.
Das Thema Energiewende ist in aller Munde. Sie soll eine sichere, umweltverträgliche und wirtschaftlich erfolgreiche Zukunft ermöglichen. Ein Ansatz dafür ist die dezentrale, also verbrauchernahe Energieversorgung. Der Trend geht weg vom konventionellen Kraftwerk und hin zur Kraft-Wärme-Koppelung und erneuerbaren Energien. Für einen absehbaren Zeitraum geht es auch darum, zentrale und dezentrale Elemente sinnvoll miteinander zu verknüpfen. Mit der Frage, wie Energiesysteme angepasst und kombiniert werden müssen, um den Energiehaushalt – den nationalen wie den von Unternehmen und Privatpersonen – optimieren zu können, beschäftigt sich das Reutlinger Energiezentrum für Dezentrale Energiesysteme und Energieeffizienz in Lehre und Forschung. Es ist die Kombination aus Technik und Betriebswirtschaft, aus einzelwirtschaftlicher Optimierung und aus Gesamtsicht, die das Reutlinger Energiezentrum ausmacht. Im Folgenden werden die Schwerpunkte des Forschungsteams dargestellt.
Virtuelle Kraftwerke bieten durch große Flexibilitätspotentiale die Chance, die Integration fluktuierender, erneuerbarer Energieerzeuger zu ermöglichen und dadurch die Netzstabilität positiv zu beeinflussen. Für einen wirtschaftlichen Betrieb virtueller Kraftwerke sind jedoch neue Geschäftsmodelle notwendig. Der folgende Artikel behandelt die Anforderung an Geschäftsmodelle für virtuelle Kraftwerke sowie konkrete Ausgestaltungsmöglichkeiten eines Marktes, der auf virtuelle Kraftwerke ausgerichtet ist. Die Untersuchungen wurden im Rahmen einer Projektarbeit im Masterstudiengang SENCE an der Hochschule Reutlingen im Forschungsprojekt „Virtuelles Kraftwerk Neckar- Alb“ durchgeführt. Das „Virtuelle Kraftwerk Neckar- Alb“ wird vom BMWi als Kooperationsnetzwerkprojekt im Rahmen der Förderlinie ZIM-KN unterstützt.
Ziel eines aktuellen Forschungsprojektes an der Hochschule Reutlingen, das gemeinsam mit dem Ingenieurbüro Ganssloser und der Universität Tübingen durchgeführt wird, ist es, Flexibilitäten in Unternehmen, die im Verbund als virtuelles Kraftwerk am Strommarkt agieren, zu erkennen und nutzbar zu machen. Zu diesem Zweck soll eine Steuerbox für Industrie- und Gewerbebetriebe entwickelt werden, die einerseits mit der zentralen Leitwarte des virtuellen Kraftwerks kommuniziert und andererseits die Anlagen des Unternehmens so steuert, dass die zur Verfügung stehenden Flexibilitäten möglichst optimal genutzt werden. Die Hochschule Reutlingen beschäftigt sich innterhalb des Projekts mit der Erkennung und Beschreibung von Flexibilitäten in Unternehmen.
Nowadays CHP units are discussed for the production of electricity on demand rather than for generation of heat providing electricity as a by-product. By this means, CHP units are capable of satisfying a higher share of the electricity demand on-site and in this new role, CHP units are able to reduce the load on the power grid and to compensate for high fluctuations of solar and wind power.
Evidently, a novel control strategy for CHP units is required in order to shift the operation oriented at the heat demand to an operation led by the electricity demand. Nevertheless, the heat generated by the CHP unit needs to be utilized completely in any case, for maintaining energy as well as economic efficiency. Such a strategy has been developed at Reutlingen University, and it will be presented in the paper. Part of the strategy is an intelligent management for the thermal energy storage (TES) ensuring that the storage is at low level in terms of its heat content just before an electricity demand is calling the CHP unit into operation. Moreover, a proper forecast of both, heat and electricity demand, is incorporated and the requirements of the CHP unit in terms of maintenance and lifetime are considered by limiting the number of starts and stops per unit time and by maintaining a certain minimum length of the operation intervals.
All aspects of this novel control strategy are revealed in the paper, which has been implemented on a controller for further testing at two sites in the field. Results from these tests are given as well as results from a simulation model, which is able to evaluate the performance of the control strategy for an entire year.