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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.
This article presents a two-level optimisation approach for the management of controllable and distributed converters with storage systems across different energy sectors. It aims at the reduction of electrical peak load and at the economical optimisation of the electrical energy exchange with the grid, based on a dynamic external incentive, e.g. through dynamic energy price tariffs. By means of a secure, standardised and lean communication with two different internal price signals, an optimal flexibility provision shall be achieved. The two-level optimisation approach consists of a centralised and several distributed decentralised entities. At the centralised level, the distributed flexibilities are invoked for optimal scheduling on the basis of an internal price algorithm for stimulating the decentralised entities. Based on that internal incentive and on the expected demands for electricity, heating and cooling, the decentralised optimisation algorithms provide optimal generation schedules for the energy converters. The suggested interaction between the central and decentral entities is successfully tested and the principle potential for peak shaving and the adaption to dynamic energy-related market prices could be demonstrated and compared to different energy management strategies such as the standard heat-led operation. Further, variations of the system parameters such as load shifting potential, installed capacity and system diversification are evaluated against cost saving potential for the energy supply and overall system performance.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
