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In the course of a more intensive energy generation from regenerative sources, an increased number of energy storages is required. In addition to the widespread means of storing electric energy, storing energy thermally can contribute significantly. However, limited research exists on the behaviour of thermal energy storages (TES) in practical operation. While the physical processes are well known, it is nevertheless often not possible to adequately evaluate its performance with respect to the quality of thermal stratification inside the tank, which is crucial for the thermodynamic effectiveness of the TES. The behaviour of a TES is experimentally investigated in cyclic charging and discharging operation in interaction with a cogeneration (CHP) unit at a test rig in the lab. From the measurements the quality of thermal stratification is evaluated under varying conditions using different metrics such as normalised stratification factor, modified MIX number, exergy number and exergy efficiency, which extends the state of art for CHP applications. The results show that the positioning of the temperature sensors for turning the CHP unit on and off has a significant influence on both the effective capacity of a TES and the quality of thermal stratification inside the tank. It is also revealed that the positioning of at least one of these sensors outside the storage tank, i.e. in the return line to the CHP unit, prevents deterioration of thermal stratification, thereby enhancing thermodynamic effectiveness. Furthermore, the effects of thermal load and thermal load profile on effective capacity and thermal stratification are discussed, even though these are much smaller compared to the effect of positioning the temperature sensors.
Für das Gelingen der Wärmewende und des von Klimaschutzminister Robert Habeck eingeforderten Wärmepumpenhochlaufs gilt es mannigfaltige Herausforderungen zu lösen. Welche Chancen in diesem Zusammenhang eine Kombination von Wärmepumpe und Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) eröffnet, wird im folgenden Beitrag erörtert.
The majority of people in sub-Saharan Africa (SSA) rely on so-called “paratransit” for their mobility needs. The term refers to a large informal transport sector that runs independent of government, of which 83% comprises minibus taxis (MBT). MBT technology is often old and contribute significantly to climate change with their high carbon dioxide (CO2) emissions. Issues related to sustainability and climate change are becoming more important world-wide and hardly any attention is given to MBTs. Converting the MBTs from internal combustion engines (ICEs) to electric motors could be a possible solution. The existing power grid in SSA is largely based on fossil power plants and is unstable. This can be seen by frequent local power blackouts. To avoid further strain on the existing power grid, it would therefore make sense to charge the electric minibus taxis (eMBTs) through a grid consisting of renewable energies. A mobility map is created via simulations with collected data points of the MBTs. By using this mobility map, the energy demand of the eMBTs is calculated. Furthermore, a region-specific photovoltaic (PV) and wind simulation can be realised based on existing weather data, and a tool to size the supply system to charge the eMBTs is developed after all data has been collected. With the help of this work, it can be determined to what extent renewable energies such as PV and wind power can be used to support the transition from ICEs to electric engines in the MBT sector.
Die Zielsetzung des hier vorgestellten Projekts ist es, eine intelligente Steuerungsalgorithmik für Biogas-Blockheizkraftwerke (Biogas-BHKW) zu entwickeln und zu optimieren. Daran schließt sich eine Testphase an einer realen Biogasanlage an, an der die Algorithmik zu diesem Zweck in die Anlagensteuerung implementiert wird. Um beurteilen zu können inwieweit die Steuerungsalgorithmik einen Beitrag zur Entlastung von Stromnetzen leisten kann, wird für die Versuche neben dem elektrischen Bedarf des landwirtschaftlichen Betriebs, an dem die Anlage angesiedelt ist, zusätzlich die Residuallast des benachbarten Stromnetzes betrachtet. Diese basiert auf Daten vom nächstgelegenen Umspannwerk, die so skaliert werden, dass sie eine Siedlung repräsentieren, die von dem Biogas-BHKW der Anlage mitversorgt werden kann. Die Einbindung der Steuerungsalgorithmik in die Anlagensteuerung erfolgt über eine Kommunikationsstruktur mit einer Datenbank als zentraler Schnittstelle. Eine erste Versuchsreihe, bei der das Biogas-BHKW nach den Fahrplänen der intelligenten Steuerungsalgorithmik geregelt wird, zeigt vielversprechende Ergebnisse. Über die gesamte Versuchsreihe hinweg berechnet die Steuerungsalgorithmik zuverlässig neue Fahrpläne, die vom BHKW weitestgehend auch sehr gut umgesetzt werden. Zudem kann nachgewiesen werden, dass durch den Einsatz der Algorithmik das vorgelagerte Stromnetz entlastet wird.
Die bedarfsgerechte Steuerung dezentraler thermischer Energiesysteme, wie Kraft-Wärme-Kopplungs- (KWK-) Anlagen und Wärmepumpen, kann einen entscheidenden Beitrag zur Deckung bzw. Reduktion der Residuallast leisten und so für eine Verringerung der konventionellen Reststromversorgung und den damit einhergehenden Treibhausgasemissionen sorgen. Dafür wurde an der Hochschule Reutlingen in mehrjähriger Forschungsarbeit ein prognosebasierter Steuerungsalgorithmus entwickelt. Gegenstand dieses Beitrags bilden neben der Vorstellung eben jenes Steuerungsalgorithmus auch dessen praktische Umsetzungsvarianten: Eine auf einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) rein lokal ausführbare Version sowie eine Webservice-Anwendung für den parallelen Betrieb mehrerer Anlagen – ausgehend von einem zentralen Server. Erprobungen am KWK-Prüfstand der Hochschule Reutlingen bestätigen die zuverlässige Funktionsweise des Algorithmus in den verschiedenen Umsetzungsvarianten. Gleichzeitig wird der Vorteil der bedarfsgerechten Steuerung gegenüber dem, insbesondere im Mikro-KWK-Bereich standardmäßig vorliegenden, wärmegeführten Betrieb in Form einer Steigerung der Eigenstromdeckung von bis zu 27 % aufgezeigt. Neben der bedarfsgerechten Steuerung bedient der entwickelte Algorithmus zudem noch ein weiteres Anwendungsgebiet: Den vorhersagbaren KWK-Betrieb, der beispielsweise in Form täglicher Einspeiseprognose im Rahmen des Redispatch 2.0 eingefordert wird. Die Vorhersage des KWK-Betriebs ist dabei auf zwei Weisen möglich: Als erste Option kann der wärmegeführte Betrieb direkt über den Algorithmus abgebildet und prognostiziert werden. Eine andere Möglichkeit stellt wiederum die bedarfsgerechte Steuerung der Anlage dar; der berechnete optimale Fahrplan entspricht dabei gleichzeitig der Betriebsprognose des KWK-Geräts. Damit ist der entwickelte Steuerungsalgorithmus in der Lage, auf unterschiedliche Weisen zum Gelingen der Energiewende beizutragen.
The integration of renewable energy sources in single family homes is challenging. Advance knowledge of the demand of electrical energy, heat, and domestic hot water (DHW) is useful to schedule projectable devices like heat pumps. In this work, we consider demand time series for heat and DHW from 2018 for a single family home in Germany. We compare different forecasting methods to predict such demands for the next day. While the 1-day-back forecast method led to the prediction of heat demand, the N-day-average performed best for DHW demand when Unbiased Exponentially Moving Average (UEMA) is used with a memory of 2.5 days. This is surprising as these forecasting methods are very simple and do not leverage additional information sources such as weather forecasts.
Für die erfolgreiche Umsetzung der Energiewende in Deutschland ist die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) aufgrund ihrer hohen Effizienz und Flexibilität nicht mehr wegzudenken. Um die verfügbare Flexibilität einer KWK-Anlage unter Gewährleistung ihrer hohen Effizienz optimal nutzen zu können, ist an der Hochschule Reutlingen in mehrjährigen Forschungsarbeit ein prognosebasierter Steuerungsalgorithmus für Blockheizkraftwerke (BHKW) in Verbindung mit Wärmespeichern entwickelt worden.
This paper covers test and verification of a forecast-based Monte Carlo algorithm for an optimized, demand-oriented operation of combined heat and power (CHP) units using the hardware-in-the-loop approach. For this purpose, the optimization algorithm was implemented at a test bench at Reutlingen University for controlling a CHP unit in combination with a thermal energy storage, both in real hardware. In detail, the hardware-in-the-loop tests are intended to reveal the effects of demand forecasting accuracy, the impact of thermal energy storage capacity and the influence of load profiles on demand-oriented operation of CHP units. In addition, the paper focuses on the evaluation of the content of energy in the thermal energy storage under practical conditions. It is shown that a 5-layer model allows to determine the energy stored quite accurately, which is verified by experimental results. The hardware-in-the-loop tests disclose that demand forecasting accuracies, especially electricity demand forecasting, as well as load profiles strongly impact the potential for CHP electricity utilization on-site in demand-oriented mode. Moreover, it is shown that a larger effective capacity of the thermal energy storage positively affects demand-oriented operation. In the hardware-in-the-loop tests, the fraction of electricity generated by the CHP unit utilized on-site could thus be increased by a maximum of 27% compared to heat-led operation, which is still the most common modus operandi of small-scale CHP plants. Hence, the hardware-in-the-loop tests were adequate to prove the significant impact of the proposed algorithm for optimization of demand-oriented operation of CHP units.
Flexible KWK – aber wie?
(2021)
Es ist mittlerweile unstrittig, dass Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK-Anlagen) zunehmend flexible betrieben werden müssen. Nur so kann es gelingen, die Anlagen optimal in das elektrische Energiesystem einzubinden, beispielsweise zur Deckung der Residuallast oder zur Unterstützung der Verteilnetze, und damit zur Umsetzung der Energiewende beizutragen. Auch der Gesetzgeber fordert den flexiblen Betrieb durch die Absenkung der förderfähigen Betriebsstunden im KWK-Gesetz ein. Um vor diesem Hintergrund jedoch parallel die Deckung des erforderlichen Wärmebedarfs unter Gewährleistung der hohen Effizienz der KWK sicherzustellen, ist eine intelligente Steuerung der Geräte erforderlich. Zu diesem Zweck ist an der Hochschule Reutlingen ein vorausschauender Steuerungsalgorithmus zum „stromoptimierten“ und netzdienlichen“ Betrieb von KWK-Anlagen bei voller Nutzung der KWK-Wärme als Alternative zum standardmäßig anzutreffenden wärmegeführten Betrieb entwickelt worden.
Im Projekt GalvanoFlex_BW sind verschiedene Möglichkeiten zur Verbesserung der Energieeffizienz von energieintensiven Industrieunternehmen aufgezeigt und untersucht worden. Die Einführung der KWK im stromoptimierten Betrieb stellte dabei einen besonders betrachteten Aspekt dar. Neben der technischen Untersuchung ist zudem eine sozialwissenschaftliche Betrachtung vorgenommen worden, um die Einführung und Umsetzung entsprechender Maßnahmen auch unter diesem Aspekt zu betrachten. Ein zusätzlicher wichtiger Schwerpunkt des Projektes war die Übertragung des erarbeiteten Wissens an weitere Unternehmen, Institutionen etc., die nicht direkt am Projekt beteiligt waren.
Durch die Zusammenarbeit von vier Forschungs- und drei Industriepartnern sind die Arbeiten praxisorientiert auf Basis realer Messdaten sowie im Zuge von Befragungen der handelnden Personen bei den Projektpartnern im Sinne eines Reallabors durchgeführt worden.
Die Notwendigkeit zur Einsparung von Energie und damit zur Umsetzung von Effizienzmaßnahmen ist ein wichtiger Schritt, um die von der EU geplante Reduktion von Treibhausgasen zu erreichen. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass die Energiekosten auch zukünftig weiter ansteigen. Dadurch werden Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz zu einem wichtigen Element, eine wettbewerbsfähige Produktion zu gewährleisten. Im Rahmen des Projektes sind deshalb verschiedene Energieeffizienzmaßnahmen speziell für die Galvanotechnik recherchiert, analysiert und in einen Maßnahmenkatalog überführt worden. Des Weiteren wurde eine Bewertungsmethode entwickelt, die die Unternehmen der Galvanotechnik bei der Identifikation von sinnvollen Energieeffizienzmaßnahmen unterstützen soll.
Bei den Untersuchungen zur Umsetzung von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen konnte am Beispiel von zwei Unternehmen mit stark unterschiedlichen Strom- und Wärmebedarfswerten gezeigt werden, dass der Einsatz entsprechender Anlagen wirtschaftlich lohnenswert ist. Im günstigsten Fall ergeben sich Amortisationszeiten von etwa zwei Jahren. Es hat sich weiterhin gezeigt, dass die Auslegung des Block-heizkraftwerkes stark von den Strom- und Wärmebedarfswerten abhängt und dass der Pufferspeicher keinesfalls zu klein ausgelegt werden sollte. Eine intelligente stromoptimierte Steuerung mit Lastspitzenmanagement kann die Wirtschaftlichkeit jedoch häufig nur noch wenig gegenüber dem wärmegeführten Betrieb verbessern. Ursache dafür ist, dass das derzeitige Förder- und Vergütungssystem für Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen nahezu keine Anreize für einen am Strombedarf und damit an der Deckung von Residuallast orientierten Betrieb bietet. Einzig bei Unternehmen mit ausgeprägten Spitzen im Strombezug, kann der gezielte Einsatz eines Blockheizkraftwerkes zu einer signifikanten Senkung des Leistungspreises führen.
Darüber hinaus ist die Einführung einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage generell als komplexe Energieeffizienzmaßnahme anzusehen, die deshalb neben den wirtschaftlichen Aspekten erhöhte Anforderungen an die Unternehmen und das professionelle Umfeld stellt, die im Rahmen der sozialwissenschaftlichen Begleitforschung untersucht worden sind. Dabei konnten Treiber aber auch Hemmnisse zur Umsetzung der Technologie sowohl innerhalb der Unternehmen als auch außerhalb identifiziert werden. Die internen Hemmnisse sind dabei auf unterschiedliche Ursachen zurückzuführen, wie die hohe Komplexität der KWK-Technologie, die schwierige Bewertung des Gesamtnutzens im Unternehmen, die mangelnde personelle Ausstattung und fehlende Unternehmerentscheidungen. Abhilfe schaffen, und damit als Treiber wirken, können hier ein verbessertes Beratungsangebot insbesondere seitens neutraler Stellen sowie der Anlagenbetrieb im Contracting.
Die Übertragung der im Projekt erarbeiteten Ergebnisse ist bereits während der Projektlaufzeit über die Branchenplattform im Zuge verschiedener Workshops, die speziell auf Unternehmen und Institutionen außerhalb des Projektkonsortiums ausgerichtet waren, erfolgt. Zur Verstärkung der Verbreitung des erarbeiteten Wissens ist zum Projektende eine Serie aus vier Fachartikeln in einem namhaften Branchenmagazin erschienen, und es ist eine Internetseite zum Projekt erstellt worden (www.galvanoflex_bw.de). Letztere hat dabei nicht nur die Aufgabe der Wissensverbreitung, sondern sie soll auch über das Projektende hinaus als Kontaktplattform dienen, um die Umsetzung von Effizienzmaßnahmen mit dem im Projekt generierten Wissen zu unterstützen.