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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.
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.
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.
Heat pumps are a vital element for reaching the greenhouse gas (GHG) reduction targets in the heating sector, but their system integration requires smart control approaches. In this paper, we first offer a comprehensive literature review and definition of the term control for the described context. Additionally, we present a control approach, which consists of an optimal scheduling module coupled with a detailed energy system simulation module. The aim of this integrated two part control approach is to improve the performance of an energy system equipped with a heat pump, while recognizing the technical boundaries of the energy system in full detail. By applying this control to a typical family household situation, we illustrate that this integrated approach results in a more realistic heat pump operation and thus a more realistic assessment of the control performance, while still achieving lower operational costs.
Heat pumps in combination with a photovoltaic system are a very promising option for the transformation of the energy system. By using such a system for coupling the electricity and heat sectors, buildings can be heated sustainably and with low greenhouse gas emissions. This paper reveals a method for dimensioning a suitable system of heat pump and photovoltaics (PV) for residential buildings in order to achieve a high level of (photovoltaic) PV self-consumption. This is accomplished by utilizing a thermal energy storage (TES) for shifting the operation of the heat pump to times of high PV power production by an intelligent control algorithm, which yields a high portion of PV power directly utilized by the heat pump. In order to cover the existing set of building infrastructure, 4 reference buildings with different years of construction are introduced for both single- and multi-family residential buildings. By this means, older buildings with radiator heating as well as new buildings with floor heating systems are included. The simulations for evaluating the performance of a heat pump/PV system controlled by the novel algorithm for each type of building were carried out in MATLAB-Simulink® 2017a. The results show that 25.3% up to 41.0% of the buildings’ electricity consumption including the heat pump can be covered directly from the PV installation per year. Evidently, the characteristics of the heating system significantly influence the results: new buildings with floor heating and low supply temperatures yield a higher level of PV self-consumption due to a higher efficiency of the heat pump compared to buildings with radiator heating and higher supply temperatures. In addition, the effect of adding a battery to the system was studied for two building types. It will be shown that the degree of PV self-consumption increases in case a battery is present. However, due to the high investment costs of batteries, they do not pay off within a reasonable period.
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.
Das Thema Energieflexibilität und Anpassung der eigenerzeugten Energie an die Energieerzeugung aus regenerativen Energien gewinnt an Bedeutung. Regulierbare Eigenerzeugungsanlagen können zur Stabilisierung des Netzes einen enormen Beitrag leisten. Dieser Aufsatz zeigt, welchen Effekt der Einsatz von BHWK auf die Galvanikbranche hat und wie nicht nur die eigenen Energiekosten reduziert, sondern auch die Möglichkeit geschaffen wird, auf Signale der Energiewirtschaft zu reagieren, ohne die Energieversorgung zu unterbrechen.
Im Rahmen dieses Aufsatzes soll anhand eines Praxisbeispiels aufgezeigt werden, wie sich vor dem Hintergrund des aktuellen KWK-Gesetzes die Entscheidung für eine KWK-Anlage mit einer größeren Leistung bereits heute wirtschaftlich auswirkkt. Darüber hinaus wird eine Methode zur Festlegung des optimalen Pufferspeichervolumens vorgestellt.