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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.
Wissen schaffen für klimafreundliche Energietechnik : das Erfolgsgeheimnis der Kraft-Wärme-Kopplung
(2017)
Als hocheffiziente Energieerzeugungstechnologie spielt die KWK eine wichtige Rolle bei der Energiewende und dem Klimaschutz. Gerade für den Gebäudebereich und Unternehmen kann die KWK eine wirtschaftliche und umweltschonende Möglichkeit sein, Strom und Wärme zu erzeugen. Für die Planung, Umsetzung und den Betrieb von KWK-Anlagen werden fachkundige Handwerke und Ingenieure gebraucht. Aus diesem Grund hat das Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft in den Jahren 2015 und 2016 zusammen mit dem Handwerkstag Baden-Württemberg ... den Qualifizierungskurs "Kraft-Wärme-Kopplung - Kompetenz für den Wärme- und Energiemarkt von heute und morgen" durchgeführt... Aufgrund des Erfolges der Seminarreihe wird diese auch 2017 ff. fortgesetzt.
Am Beispiel von zwei Unternehmen mit stark unterschiedlichen Strom- und Wärmebedarfswerten zeigt sich, dass aufgrund einer Amortisationszeit im günstigsten Fall von etwa 2 Jahren der Einsatz von Blockheizkraftwerken in jedem Fall wirtschaftlich lohnenswert ist. Dabei wird deutlich, dass die Auslegung des Blockheizkraftwerkes stark von den Strom- und Wärmebedarfswerten abhängt und dass der Pufferspeicher keinesfalls zu klein ausgelegt werden sollte. Das gute wirtschaftliche Ergebnis gilt bereits für den standardmäßig eingesetzten wärmegeführten Betrieb des Blockheizkraftwerkes, wobei eine intelligente stromoptimierte Steuerung mit Lastspitzenmanagement die Wirtschaftlichkeit weiter verbessert. Grundsätzlich ist darauf zu achten, dass Blockheizkraftwerke auf einen längerfristigen Betrieb ausgelegt sind. Bei jährlichen Betriebszeiten von 4.000 Stunden bis 8.000 Stunden ergibt sich ein Betrieb des Blockheizkraftwerkes über 6 bis 12 Jahre.
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.
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 better matching 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.
The coupling of the heat and power sector is required as supply and demand in the German electricity mix drift further and further apart with a high percentage of renewable energy. Heat pumps in combination with thermal energy storage systems can be a useful way to couple the heat and power sectors. This paper presents a hardware-in the-loop test bench for experimental investigation of optimized control strategies for heat pumps. 24-hour experiments are carried out to test whether the heat pump is able to serve optimized schedules generated by a MATLAB algorithm. The results show that the heat pump is capable of following the generated schedules, and the maximum deviation of the operational time between schedule and experiment is only 3%. Additionally, the system can serve the demand for space heating and DHW at any time.
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.
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.
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.
- Verschiebung des KWK-Betriebs in die Phasen mit hohem Stromverbrauch
- Wärme- und Stromlastprognose
- Bestimmung des Wärmeinhaltes im Pufferspeicher
- Erstellung eines optimierten Fahrplans für das KWK-Gerät
- Ergebnisse von praktischen Anlagen im Feldtest
- Simulation der Temperaturen im Pufferspeicher im praktischen Betrieb von KWK-Anlagen