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„Vernetzte Mikro-KWK-Systeme von

der Theorie in die Praxis“

Dr.-Ing. habil. J. Seifert / Dipl.-Ing. A. Meinzenbach

VDZ Projektforum 07. Mai 2014, Berlin

2

1. Technologien für Mikro-KWK Systeme

2. Laboruntersuchungen

3. Feldtestanalysen

4. Regionales Virtuelles Kraftwerk

5. Fazit

Inhalt des Vortrages

TU Dresden Dr.-Ing. habil. J. Seifert / Dipl.-Ing. A. Meinzenbach

„Vernetzte Mikro-KWK-Systeme von der Theorie in die Praxis“

3TU Dresden Dr.-Ing. habil. J. Seifert / Dipl.-Ing. A. Meinzenbach


2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 20146

7

16

18

20

22

24

26

28

30

Ko

ste

n in

Cen

t/kW

h

Jahr

Elektroenergie

Erdgas

Verbraucherpreise für Erdgas und Elektroenergie in Deutschland (Quelle: BMWi 2014)

1. Technologien für Mikro-KWK-Systeme

Motorische BHKW Stirling-Motoren Brennstoffzellen

hel= 20 - 25%

hoher thermischer

Wirkungsgrad

hohe Dynamik

hel= 12 - 15%

hoher thermischer

Wirkungsgrad

hohe Dynamik

hel ≤ 60%

mittlerer thermischer

Wirkungsgrad

geringe Dynamik

geringe spez. Kosten

€/kWel

mittlere spez. Kosten

€/kWel

hohe spez. Kosten

€/kWel



TU Dresden - Dr.-Ing. habil. J. Seifert / Dipl.-Ing. A. Meinzenbach 5

2. Laboruntersuchungen – thermischer Versuchsstand

v

BHKW Versuchsstand

Simulation Messungen

v

Daten-austausch

Versuchsstand im Labor

„Emulation – Hardware in the Loop (HIL)“

Statische und dynamische Untersuchungen

Kommunikation aller Komponenten der Testumgebung

Numerische Modelle



Anschlussleistung: 10 kWel

1-phasiger und 3-phasiger Betrieb / Netzbetrieb und Inselnetzbetrieb realisierbar

Bedientableau, Leistungsverstärker sowie Maschinensatz des elekt. Versuchsstandes

Ankopplung an den thermischen Versuchsstand Analyse von Mikro-KWK Systemen – „RVK ready“ Anforderungen

der TU Dresden

Elektrischer Netzemulator

Kopplung : Thermisch-elektrischer Versuchsstand „Combined Energy Lab“


Ergebnisse Kirsch L 4.12

20 25 30 35 40 45 50 55 6070

75

80

85

90

95

100

105

110

115

Ges

amtw

irku

ngs

grad

(h

ges,

i,n)

in %

Rücklauftemperatur in °C

V=295 l/h

V=345 l/h

V=395 l/h

V=445 l/h

20 25 30 35 40 45 50 55 600

5

10

15

20

25

30

el. W

irku

ngs

grad

(h

el,i,

n)

in %


V=295 l/h

V=345 l/h

V=395 l/h

V=445 l/h

Gesamtwirkungsgrad Kirsch L 4.12in Abhängigkeit der Rücklauftemperatur/ Volumenstrom

Elektrischer Wirkungsgrad Kirsch L 4.12in Abhängigkeit der Rücklauftemperatur/ Volumenstrom



500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500-6000

-3000

0

3000

6000

9000

12000

15000

Le

istu

ng

in W

Zeit in s

elektrische Leistung (Pel)

thermische Leistung (Qth,n

)

aufgenomme

Anfahrtsleistung

Dynamisches Anfahrverhalten Kirsch L 4.12 bei einer Rücklauftemperatur von 30°C



Ergebnisse Viessmann Vitotwin 300-W

20 25 30 35 40 45 50 55 6070

75

80

85

90

95

100

105

110

115

Ges

amtw

irku

ngs

grad

(h

ges,

i,n)

in %


V=345 l/h

V=395 l/h

V=445 l/h

V=495 l/h

V=545 l/h

Gesamtwirkungsgrad Vitotwin 300-Win Abhängigkeit der Rücklauftemperatur/ Volumenstrom

20 25 30 35 40 45 50 55 600

5

10

15

20

25

30

el. W

irku

ngs

grad

(h

el,i,

n)

in %


V=345 l/h

V=395 l/h

V=445 l/h

V=495 l/h

V=545 l/hElektrischer Wirkungsgrad Vitotwin 300-Win Abhängigkeit der Rücklauftemperatur/ Volumenstrom



0 200 400 600 800 1000 1200-3000

0

3000

6000

9000

12000

15000

Regelungsvorgang des

Versuchsstandes

Leis

tun

g in

W

Zeit in s

elektrische Leistung (Pel,i,n

)

thermische Leistung (Qth,i,n

)

Dynamisches Anfahrverhalten Vitotwin 300-W bei einer Rücklauftemperatur von 30°C



3. Feldtestanalysen

3

35

30

6103

25

3

32

10

3

Feldtestanlagen

Kirsch L 4.12

RVK Berlin- Feldtest von ca. 120 Mikro-KWKSystemen

- Eingesetzte Geräte Kirsch L 4.12

- Gebäude Einfamilienhäuser

- Baualter der Gebäude bis 1995

- keine Neubauten

Verteilung der Feldtestgeräte über die Bundesrepublik Deutschland



Anlagentechnik – Beispiele



Jan. 2

011

Feb. 2

011

Mar.

2011

Apr. 2011

Mai 2

011

Jun. 2

011

Jul.

2011

Aug. 2

011

Sep. 2

011

Okt. 2

011

Nov. 2

011

Dez. 2011

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Ener

giee

rzeu

gun

g/-v

erb

rau

ch in

kW

h

Monat

Elektroenergie Heizung + Trinkwarmwasser Erdgas

Jan. 2

011

Feb. 2011

Mar.

2011

Apr. 2011

Mai 2

011

Jun. 2

011

Jul. 2

011

Aug. 2011

Sep. 2011

Okt. 2

011

Nov. 2011

Dez. 2011

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

Nut

zung

sgra

d in

%

Monat

el,i,n

th,i,n

ges,i,n

Beispielgebäude 1:

Energieerzeugung / -verbrauchBeispielgebäude 1

Nutzungsgrade (thermisch, elektrisch,gesamt) Beispielgebäude 1



0100

200300

400500

600700

800900

10001100

12001300

14001500

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

Tem

per

atu

r in

°C

in min

Außentemperatur Speichertemperatur

0

1

2

Sch

altz

ust

and

Dynamischer Verlauf der Speichertemperatur / Schaltspiele (Übergangstag)(Beispielgebäude 1)



0100

200300

400500

600700

800900

10001100

12001300

14001500

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

Tem

per

atu

r in

°C

in min

Außentemperatur Speichertemperatur

0

1

2

Sch

altz

ust

and

Dynamischer Verlauf der Speichertemperatur / Schaltspiele (Wintertag)(Beispielgebäude 1)



Beispielgebäude 2:

Energieerzeugung / -verbrauchBeispielgebäude 2

Nutzungsgrade (thermisch, elektrisch,gesamt) Beispielgebäude 2

Jan. 2

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011

Mar.

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Apr. 2011

Mai 2

011

Jun. 2

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Jul.

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Aug. 2

011

Sep. 2

011

Okt. 2

011

Nov. 2

011

Dez. 2011

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Ener

giee

rzeu

gun

g/-v

erb

rau

ch in

kW

h

Monat

Elektroenergie Heizung + Trinkwarmwasser Erdgas

Jan. 2

011

Feb. 2

011

Mar.

2011

Apr. 2011

Mai 2

011

Jun. 2

011

Jul.

2011

Aug. 2

011

Sep. 2

011

Okt. 2

011

Nov. 2

011

Dez. 2011

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

Nu

tzu

ngs

grad

in %

Monat

el,i,n

th,i,n

ges,i,n



4. Regionales Virtuelles Kraftwerk

Ein virtuelles Kraftwerk ist die Verbindung von dezentralen Energieerzeugungsanlagen, thermischen Speichermöglichkeiten und steuerbaren Energieverbrauchern (passiv / aktiv) mit einer Kommunikationszentrale.


Bilanzkreis des Regionalen Virtuellen Kraftwerks (im Niederspannungsnetz)

ZentraleVirtueller

Kraftwerke(RWE, Vattenfall)

Regionale RVK Zentrale

PV-Anlagen

Konventionelle Kraftwerke

Windkraftanlagen

Großgebäude / Elektrofahrzeuge


Kommunikation

RVKZentrale

Vermarktung

Übertragungsnetz(20 – 380 kV)

Verteilnetz Stromhändler(Ortsnetz 0,4 kV)

KWK-Systeme

Wind-Solarparks

KWK-Systeme

Netzdienst-leistung

Verteilnetz Gashändler


Besonderheiten für ein Virtuelles Kraftwerk auf regionaler Ebene

Daten und Energiefluss-Schema eines Regionalen Virtuellen Kraftwerks


„Ebene 0“Gebäude

„Ebene 1“elektr. Netz

(NS/MS)

„Ebene 2“RVK

Wel,min,A ;Wel,max,A

SAnlage (0/1/Pel,ist)

Wel,min,N ; Wel,max,N

jmin; SNetz

Pel,soll,N= f()

Pel,soll,A= f()

Vermarktung(EEX,

Regelenergie,Direktvermarktung)

Pel,ist,RVK= f()

Pel,soll,RVK= f()

Algorithmuszur Aufteilung auf

die elekt. Netze

Algorithmuszur Aufteilung auf

Gebäude

Ebenen-Ansatz zur Modellierung eines Regionalen Virtuellen Kraftwerks

• RVK Modellierung



Beispiel




Stadtwerkbefragung zum Thema „Regionales Virtuelles Kraftwerk“

Studie zur Akzeptanz der Mikro-BHKW Technologie [Quelle: Oehmgen2013]

nicht wenig mittelmäßig ziemlich sehr0

2

4

6

8

10

12

14

Häu

figk

eit

Finden Sie das RVK Modell (theoretisch) interessant?

nein eher nein vielleicht eher ja ja0

2

4

6

8

10

12

14

Sehen Sie ein wirtschaftliches Potential des RVK in Ihrem Netzgebiet?

Häu

figk

eit


Hemmnisse

zu hohe spezifische Investitionskosten

keine Standards für die informationstechnische Anbindung von dezentralen Erzeugungsanlagen

geringen Kenntnisstand der beteiligten Akteure (Handwerk / Nutzer)

unklaren politischen Rahmenbedingungen sowie hoher bürokratischer Aufwand

Projekte zur Feldtesterprobung fehlen



motorische BHKW, Stirling-BHKW und zunehmend Brennstoffzellen sind am Markt verfügbar

hohe Wirkungsgrade unter Norm – und Laborbedingungen

RVK dient der weiteren Verbreitung der KWK Technologie (im Privatkundenbereich)

CO2- Einsparung

baut Hemmnisse zwischen Erneuerbaren Energien und konventionellen Erzeugungssystemen ab

großes Interesse von Stadtwerken an der Technologie eines „RVK“

Chancen

5. Fazit

Mikro-KWK Systeme bieten eine sehr gute Möglichkeit, um eine effiziente Wärmeversorgung von Gebäuden zu realisieren.

Anfahrverhalten von Mikro-KWK Systemen problematisch – hoher Netzbezug

Wirtschaftlichkeit hängt deutlich vom Anteil der Elektroenergie ab die vom KWK erzeugt wird und gleichzeitig im Gebäude verbraucht wird

Regionale Virtuelle Kraftwerke – Option für die Zukunft – Kommunikationsstruktur ???

Technologie mit Chancen – jedoch kein Selbstläufer

5. Fazit



Seifert, J.; Meinzenbach, A. ; Hartan, J.:Mikro BHKW Systeme für den Gebäudebereich, VDE VerlagISBN: 978-3-8007-3475-7, 2013

Buchveröffentlichungen:

Forschungsbericht:Seifert, J.; Meinzenbach, A.; Haupt, J.; Seidel, P.; Schinke, L.; Schegner, P.; Werner, J. Hess, T.: „Regionales Virtuelles Kraftwerk auf Basis der Mini- und Mikro-KWK-Technologie - Intelligente Vernetzung von thermischen und elektrischen Verbrauchersystemen“, Forschungsbericht, TU Dresden 2014





Themenfelder einer Projektgruppe beim VDZ:

1. Inhaltliche Begleitung der KWK Technologie:- Normungstätigkeit DIN V 18599- Begleitung der Erarbeitung von Förderrichtlinien

(KfW / Bundesamt für Ausfuhrkontrolle)

2. Informationsvernetzung- Mitarbeit an Kommunikationsschnittstellen - Datenübergabeprotokollen

3. Maßnahmenkatalog zur Geräteentwicklung- Wirkungs- und Nutzungsgradverbesserung - Unterlagen für das Installationsgewerbe (Entwicklung von hydraulischen

Standardschaltungen)

4. Öffentlichkeitsarbeit- neutrale Darstellung / Vergleich der KWK-Technologien (Vor- und Nach-

teile der Technologie für die Energiewende)

Download - „Vernetzte Mikro-KWK-Systeme von der Theorie in die Praxis · Studie zur Akzeptanz der Mikro-BHKW Technologie [Quelle: Oehmgen2013] ht g ßig h hr 0 2 4 6 8 10 12 14 eit? nein eher

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