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Im Projekt "Heat4SmartGrid" soll untersucht werden, ob und wie mit Hilfe von Wärmepumpen der Anteil erneuerbarer Energien an der Wärmeversorgung in Baden-Württemberg (BW) gesteigert werden und gleichzeitig das Verteilnetz durch eine intelligente Steuerung der Wärmepumpensysteme entlastet werden kann. Hierzu ist im AP 1 für das Jahr 2050 ein Wärmebedarf in BW von 35 TWh errechnet worden, bei 40 TWh im Jahr 2030. Im Vergleich zum Jahr 2015 ergibt sich so ein Rückgang um 30 % zum Jahr 2030 und bis zum Jahr 2050 um 40 %. Weiterhin steigt auf Grund von energetischer Sanierung im Gebäudebestand das technische Potenzial für Wärmepumpen, ausgehend von 8 TWh im Jahr 2015, auf 20 TWh bis 2030 und auf 23 TWh bis 2040. Insgesamt könnten so 63 % aller Wohnanteile in BW durch Wärmepumpen mit thermischer Energie versorgt werden. Der Einsatz von Wärmepumpensystemen ist somit ein wichtiger Baustein für das Gelingen der Wärmewende. Zur Steuerung der Wärmepumpen sind in AP 2 Betriebsmodi in Abhängigkeit von Anwendung und Gebäudetyp entwickelt worden. Diese werden mittels Korrelationsfunktionen für die Heizleistung für Luft-Wasser- und Sole-Wasser-Wärmepumpen bestimmt. Hierauf aufbauend sind für die in AP 1 ermittelten Gebäudetypen die erreichbare Jahresarbeitszahl der beiden Wärmepumpentechnologien ermittelt worden. Zur intelligenten system- und netzdienlichen Steuerung dieser Wärmepumpensysteme werden Prognosen über die lokale Erzeugung und den lokalen Verbrauch benötigt, die in AP 5 erarbeitet werden. In Abhängigkeit der Prognose-anwendung sind sowohl univariate (elektrische Last und thermische Brauchwarmwasserlast) als auch multivariate Prognosemodelle (PV-Erzeugung und thermische Heizwarmwasserlast) implementiert worden.
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.
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.
Bis zum Jahr 2050 soll in Baden Württemberg mit dem Ziel „50-80-90“ der Energiebedarf um 50% reduziert werden, die erneuerbaren Energien sollen zu 80% an der Energieversorgung beteiligt sein und die Emissionen von Treibhausgasen um 90% sinken.Entsprechende Ziele sind für andere Regionen und Länder in ähnlicher Weise festgelegt.
Damit diese Ziele erreicht werden, muss bei der Gebäudewärmeversorgung ein konsequenter Umbau stattfinden. Hier spielt die Sektorenkopplung mit Hilfe von Wärmepumpen (WP) eine entscheidende Rolle. Zur Abschätzung des Potenzials sowie des Aufwandes für einen großflächigen Einsatz von Wärmepumpen ist es unmöglich, eine spezifische und angepasste Dimensionierung der Wärmepumpensysteme für jedes einzelne Gebäude durchzuführen. Stattdessen müssen auf Seiten der Bebauung Referenzgebäude definiert und auf Seiten der Wärmepumpensysteme mittlere Leistungsdaten der am Markt befindlichen Modelle verwendet werden. Während die Festlegung von Referenzgebäuden verschiedentlich in der Literatur zu finden ist, widmet sich der erste Teil der Veröffentlichung der Vorstellung von Korrelationsfunktionen für die thermische und elektrische Leistung sowie die Leistungszahl (COP) von Wärmepumpen, die auf Basis von Herstellerdaten in Abhängigkeit der Quellen- und Vorlauftemperatur ermittelt wurden.
Konkret wurden als Ausgangsbasis für die Korrelationsfunktionen Datenblätter verschiedener Sole- und Luft-Wasser Wärmepumpen (SWP, LWP) zusammengestellt und ausgewertet. Die Grundlage hierfür war die Liste „Wärmepumpen mit Prüfnachweis eines unabhängigen Prüfinstituts“ des Bundesamts für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA).
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.
Coupling electricity and heat sector is one of the most necessary actions for the successful energy transition. Efficient electrification for space heating and domestic hot water generation is needed for buildings, which are not connected to any district heating network, as distributed heating demand momentarily is largely met by fossil fuels. Hence, hybrid energy systems will play a pivotal role for the energy transition in buildings. Heat pumps running on PV-electricity is one of the most widely discussed combination for this purpose. In this paper, a heuristic optimization method for the optimal operation of a heat pump driven by the objective for maximum onsite PV electricity utilization is presented. In this context, the thermal flexibility of the building and a thermal energy storage (TES) for generation of domestic hot water (DHW) are activated in order to shift the operation of the heat pump to times of PV-generation. Yearly simulations for a system consisting of heat pump, PV modules, building with floor heating installation and TES for DHW generation are carried out. Variation parameters for the simulation include room temperature amplitude (0.5, 1, 1.5 and 2 K) based on mean room temperature (21 °C), PV-capacity (4, 6, 8 and 10 kW) and type of heat pump (ground source and air source type). The yearly energy balances show that buildings offer significant thermal storage capacity avoiding an additional, large TES for space heating fulfillment and improving the share of onsite PV electricity utilization. With introduction of a battery, which has been analyzed as well for different sizes (1.9, 4.8, 7.7 and 10.6 kWh), the share of onsite PVelectricity utilization can even be improved. However, thermal flexibility supplemented by the varying room temperature amplitude for a bigger battery does not improve the share of onsite PV-electricity utilization. Nevertheless, even with a battery not more than 50% of the electrical load including operation of the heat pump can be covered by PV-electricity for the specific system under investigation. This is noteworthy on the one hand, since it indicates that a hybrid heating system consisting of heat pump and PV cannot solely cover the heat demand of residential buildings. One the other hand, this emphasizes the necessity to include further renewable sources like wind power, in order to draw the complete picture. This, however, is beyond the scope of this paper, which mainly focuses on introduction and verification of the novel control method with regard to a practical building.
Im Projekt "Heat4SmartGrid" soll untersucht werden, ob und wie mit Hilfe von Wärmepumpen der Anteil erneuerbarer Energien an der Wärmeversorgung in Baden-Württemberg (BW) gesteigert werden und gleichzeitig das Verteilnetz druch eine intelligente Steuerung der Wärmepumpensysteme entlastet werden kann.
Hierzu ist im AP 1 für das Jahr 2050 ein Wärmebedarf in BW von 35 TWh errechnet worden, bei 40 TWh im Jahr 2030. Im Vergleich zum Jahr 2015 ergibt sich so ein Rückgang um 30% zum Jahr 2030 und bis zum Jahr 2050 um 40%. Weiterhin steigt auf Grund von energetischer Sanierung im Gebäudebestand das technische Potenzial für Wärmepumpen, ausgehend von 8 TWh im Jahr 2015, auf 20 TWh bis 2030 umd auf 23 TWh bis 2040. Insgesamt könnten so 63% aller Wohnanteile in BW durch Wärmepumpen mit thermischer Energie versorgt werden Der Einsatz von Wärmepumpensystemen ist somit ein wichtiger Baustein für das Gelingen der Wärmewende.
Zur Steuerung der Wärmepumpen sind in AP 2 Betriebsmodei in Abhängigkeit von Anwendung und Gebäudetyp entwickelt worden. Diese werden mittels Korrelationsfunktionen für die Heizleistung für Luft-Wasser- und Sole-Wasser-Wärmepumpen bestimmt. Hierauf aufbauend sind für die in AP 1 ermittelten Gebäudetypen die erreichbare Jahresarbeitszahl der beiden Wärmepumpentechnologien ermittelt worden.
Zur intelligenten system- und netzdienlichen Steuerung dieser Wärmepumpensysteme werden Prognosen über die lokale Erzeugung und den lokalen Verbrauch benötigt, die in AP 5 erarbeitet werden. In Abhängigkeit der Prognoseanwendung sind sowohl univariate (elektrische Last und thermische Brauchwarmwasserlast) als auch multivariate Prognosemodelle (PV-Erzeugung und thermische Heizwarmwasserlast) implementiert worden.
The main challenge when driving heat pumps by PV-electricity is balancing differing electrical and thermal demands. In this article, a heuristic method for optimal operation of a heat pump driven by a maximum share of PV-electricity is presented. For this purpose, the (DHW) are activated in order shift the operation of the heat pump to times of PV-generation. The system under consideration refers to thermal and electrical demands of a single family house. It consists of a heat pump, a thermal energy storage for DHW and of grid connected heating and generation of domestic hot water, the heat pump runs with two different supply temperatures and thereby achieving a maximum overall COP. Within the algorithm for optimization a set of heuristic rules is developed in a way that the operational characteristics of the heat pump in terms of minimum running and stopping times are met as well as the limiting constraints of upper and lower limits of room temperature and energy content of electricity generated, a varying number of heat pump schedules fulfilling the bundary conditions are created. Finally, the schedule offering the maximum on-site utilization of PV-electricity with a minimum number of starts of the heat pump, which serves as secondary condition, is selected. Yearly simulations of this combination have been carried out. Initial results of this method indicate a significant rise in on-site consumption of the PV-electricity and heating demand fulfilment by renewable electricity with no need for a massive TES for the heating system in terms of a big water tank.
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.
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.
Ein wirtschaftlicher Betrieb von KWK-Anlagen ist erreichbar, wenn Geräte mit gutem elektrischen Wirkungsgrad und geringen Anschaffungs- und Wartungskosten eingesetzt werden und der im BHKW erzeugte Strom zum größtmöglichen Anteil im Objekt verbraucht wird. Der Pufferspeicher einer KWK-Anlage sollte ausreichend groß bemessen sein (Flexibilität, Eigenstromoptimierung...). Ein größeres BHKW ist nicht automatisch unwirtschaftlicher aufgrund der geringeren Betriebszeit. Es bietet dagegen ein höheres Potenzial für eine bedarfsgerechte Stromeinspeisung in das Netz.
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.
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.
This paper examines the deployment of Power to-X technologies in the US energy system through 2040. For this analysis, Power-to-X technologies have been added to an input database representing the US energy system as a single region, which is used in conjunction with an energy system optimization model called Tools for energy model optimization and analysis (Temoa). Detailed data for each individual technology, including water electrolysis, hydrogen compression and storage, chemical processing to synthetic natural gas (SNG) and methanol was collected and entered to the input database. Under a deep decarbonization scenario, Power-to-X is deployed beginning in 2035 under the assumption of no new nuclear power plants installed and a restriction on biodiesel production based on limited area for growing crops. The major portion of the hydrogen generated by electrolysis from excess PV- and wind-generated electricity goes into the production of methanol. This result suggests that Power-to-X is used to generate transport fuels in order to reduce CO2 emissions especially in this sector.
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.