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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.
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.
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.
Die zunehmende erneuerbare Stromerzeugung erfordert Anstrengungen, um den Angebotsschwankungen und der Verteilungsproblematik entgegen zu wirken. Eine dezentrale und am Bedarf orientierte Stromerzeugung mittels Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) kann einen wesentlichen Beitrag leisten, um diese Schwankungen auszugleichen und die Netze zu entlasten. Zu diesem Zweck ist aber ein Steuerungssystem für die KWK-Anlagen erforderlich, das sowohl für die Deckung des Wärmebedarfs im Objekt sorgt, als auch gewährleistet, dass die elektrische Energie genau zu den Zeiten erzeugt wird, zu denen sie im Objekt benötigt wird. Die Entkopplung von Stromerzeugung und Deckung des Wärmebedarfs kann dabei über den standardmäßig vorhandenen Wärmespeicher erfolgen. Dieser stellt damit das zentrale Element der Gesamtanlage dar, für die das Steuerungssystem zur Eigenstromoptimierung im Rahmen des Forschungsvorhabens entwickelt und erprobt werden soll.
Im Rahmen des vorliegenden Zwischenberichtes werden die Ergebnisse des 2. des auf insgesamt drei Jahre angelegten Forschungsprojektes vorgestellt. Im Einzelnen sind die Themen Prognose, Bestimmung des Energieinhaltes im Wärmespeicher, stromoptimiertes Steuerungssystem, Aufbau der Feldtestanlagen, Simulation und sozialwissenschaftliche Begleitforschung beschrieben.
Bei den umfangreichen Arbeiten zur Wärme- und Strombedarfsprognose hat sich gezeigt, dass die naive Prognose, die auf der Übernahme der Daten der Vortage beruht, aufgrund des starken Einflusses des individuellen Nutzerverhaltens eine nur schwer zu verbessernde Vorhersagegüte aufweist. Zur Bestimmung des Energieinhaltes im Wärmespeicher wird eine Sigmoidfunktion zur Beschreibung des Temperaturverlaufs über der Speicherhöhe verwendet. Schwierig ist dabei die Anpassung der vier Funktionsparameter mit nur drei Temperaturmesswerten, was jedoch durch geeignete Randbedingungen erreicht werden kann. Das stromoptimierte Steuerungssystem verwendet die Wärmebedarfskurven bei minimalem und maximalem Energieinhalt des Wärmespeichers als Begrenzungen des Optimierungsbereiches, um so die Deckung des Wärmebedarfs zu jeder Zeit zu gewährleisten. Die zwei im Projekt zur Verfügung stehenden Feldtestanlagen wurden mit zusätzlicher Mess- und Steuerungstechnik nachgerüstet, um das entwickelte Steuerungssystem implementieren und testen zu können. Das Simulationsmodell ist im Hinblick auf verschiedene Speicherkonfigurationen erweitert und auf Basis am BHKW-Prüfstand der Hochschule gewonnener Versuchsdaten verifiziert worden, und im Zuge der sozialwissenschaftlichen Begleitforschung werden die Ergebnisse einer im Rahmen des Projektes angefertigten Studie zu den Hemmnissen der KWK vorgestellt.
Der elektrische Wirkungsgrad stellt eines der wichtigsten Bewertungskriterien für BHKW dar, da über diese Größe ausgedrückt wird, wie viel des Wertproduktes „elektrische Energie“ bezogen auf die eingesetzte oder aufzuwendende Brennstoffenergie produziert werden kann. Ein hoher elektrischer Wirkungsgrad ist somit gleichbedeutend mit hohen Erlösen aus dem Verkauf der erzeugten elektrischen Energie und damit eine grundlegende Voraussetzung für einen wirtschaftlichen Betrieb eines BHKWs. Folglich sind die Hersteller von BHKW bestrebt, den elektrischen Wirkungsgrad ihrer Geräte kontinuierlich zu verbessern und nach oben zu treiben. Dieses Bemühen zeigt sich eindrucksvoll an der Entwicklung der mechanischen Effizienz von Gasmotoren der Firma GE Jenbacher. Während mit Motoren der Baureihe 6 im Leistungsbereich 1,8 – 4,4 MWel im Jahr 1988 eine mechanische Effizienz von 34% erreichbar war, liegt dieser Wert mittlerweile bei etwa 47,5%. Diese enorme Steigerung konnte im Wesentlichen durch eine Erhöhung des mittleren effektiven Zylinderarbeitsdrucks von etwa 10 bar im Jahr 1988 auf derzeit 24 bar erzielt werden. Dabei hilft der Magerbetrieb, der gleichzeitig ein Zurückdrängen der NOx-Emissionen bewirkt, die Klopfgrenze zu höheren Drücken hin zu verschieben. Eine sichere Zündung des Gas-Luft-Gemisches wird durch die Vorkammerzündung erreicht.
Die Wirkungsgrade ("Normnutzungsgrade") nach DIN 4709 bilden den praktischen Betrieb von Mikro-Blockheizkraftwerken besser ab. Insbesondere bei den thermischen Wirkungsgraden ergeben sich nach DIN 4709 geringere Werte im Vergleich zu stationären Messungen aufgrund der An-/Abfahrverluste und der Speicherverluste. Der Betrieb des Zusatzkessels führt zu einer Reduktion der Primärenergieeinsparung der Gesamtanlage.
Der Wärmespeicher einer KWK-Anlage kann genutzt werden, um den Betrieb des BHKWs in die Zeiten des Stromverbrauchs zu verlagern. Die Ad-hoc-Zuschaltfunktion verbessert das Ergebnis gegenüber eines auf Basis von Prognosen erstellten Fahrplans. Zu beachten sind allerdings eine erhöhte Anzahl BHKW-Starts und erhöhte Wärmeverluste am Speicher. Die deutlich besten Ergebnisse werden für BHKW mit Leistungsmodulation erzielt.
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.
Der Wärmespeicher einer KWK-Anlage kann genutzt werden, um den Betrieb des BHKWs in die Zeiten des Stromverbrauchs zu verlagern. Die Ad-hoc-Zuschaltfunktion verbessert das Ergebnis gegenüber eines auf Basis von Prognosen erstellten Fahrplans. Zu beachten sind allerdings eine erhöhte Anzahl BHKW-Starts und erhöhte Wärmeverluste am Speicher. Die deutlich besten Ergebnisse werden für BHKW mit Leistungsmodulation erzielt.
Mit dem Betrieb von KWK-Anlagen lässt sich nennenswert Primärenergie einsparen. KWK-Anlagen werden aus diesem Grund aufgrund verschiedener Gesetze und Richtlinien gefördert. Zum wirtschaftlichen Betrieb einer KWK-Anlage ist es erforderlich, den größtmöglichen Teil des erzeugten elektrischen Stroms entweder selbst zu verbrauchen oder an Dritte (Mieter, Wohnungseigentümer…) zu verkaufen. Mit dem KWKG 2016 werden größere KWK-Anlagen interessant, und Anlagen mit geringerer jährlicher Laufzeit können sich sogar wirtschaftlicher darstellen als reine Grundlastanlagen.
Die zunehmende erneuerbare Stromerzeugung erfordert Anstrengungen, um den damit verbundenen Angebotsschwankungen und der zusätzlichen Netzbelastung entgegen zu wirken. Eine dezentrale und am Bedarf orientierte Stromerzeugung mittels Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) kann hier einen wesentlichen Beitrag leisten, um eine sichere und konstante Stromversorgung zu gewährleisten und die Netze zu entlasten. Zu diesem Zweck ist jedoch ein Steuerungssystem erforderlich, das die KWK-Anlagen in die Lage versetzt, sowohl die Deckung des Wärmebedarfs im Objekt aufrecht zu erhalten, als auch die elektrische Energie genau zu den Zeiten zu erzeugen, in denen sie benötigt wird. Die Entkopplung von Stromerzeugung und Deckung des Wärmebedarfs kann dabei über den standardmäßig vorhandenen Wärmespeicher erfolgen. Dieser stellt damit das zentrale Element der Gesamtanlage dar, für die das Steuerungssystem zur Eigenstromoptimierung im Rahmen des Forschungsvorhabens entwickelt und erprobt wurde.
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.
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.
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.
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.
The objective of the project presented here is to develop an intelligent control algorithm for an energy system consisting of a biogas CHP (combined heat and power), various storage technologies, such as thermal energy storages (TES) and gas storages, and other renewable energy sources, such as photovoltaics. A corresponding algorithm based on the Monte-Carlo method has already been developed at Reutlingen University for CHP units running on natural gas and for heat pumps. The project presented here concentrates on the further development of this algorithm for application to biogas CP units. In this context, an adequate implementation of the gas storage is of primary importance, as it mainly determines the flexibility of the plant. In the course of the validation of the new optimization algorithm, simulations were carried out based on data from the Lower Lindenhof, an agricultural experimental station of the University of Hohenheim. Both an optimization with regard to onsite electricity utilization and an optimization driven by residual load were investigated. Preliminary results show that the optimization algorithm can improve the operation of the biogas CHP unit depending on the selected target function.