iav mikrobhkw fh ka ext - hs-karlsruhe · 2017-02-15 · bhkw sicherheitssteuerung egs vw ecoblue...
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Friedhelm Laubenstein, Karlsruhe, Juli 2015
IAV mikroBHKWEin erster Schritt zur häuslichen autarken Energieversorgung
IAV 05/2015 VS Z-RMM 1
©IAV · 07/2015 · Laubenstein 2
Inhaltsübersicht
• Vorstellung der IAV
• Marktanalyse Heizungsanlagen
• Das IAV Mikro BHKW
• Ausblick: Einsatzszenarien
Ihr starker Engineering-Partner
• Engineering-Kompetenz für das ganze Fahrzeug vom Detail bis zum Gesamtsystem
• An Ihrer Seite vom Konzept bis zum Serienstart
• Über 30 Jahre Erfahrung in der Serienentwicklung
• Exzellente Entwickler und erst-klassige technische Ausstattung
• Ganzheitlicher Ansatz aus Methodik, Technologie und Anwendung
• Stark vernetzt mit Universitäten und Forschungseinrichtungen
• Mit über 6.000 engagierten Mit-arbeitern weltweit in Ihrer Nähe
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Wir entwickeln, was bewegt.
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Kundennähe in Deutschland
GifhornBerlin
Chemnitz /Stollberg
Dresden
Rüsselsheim
Neustadt
WeissachNeckarsulm Regensburg
Ingolstadt
München
Ludwigsburg
Friedrichshafen
Rostock
Kassel
Nürnberg
IAV-Standorte
IAV-Entwicklungszentren
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Kundennähe weltweit
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Paris Seoul
London Moskau / Kaluga
ModenaPeking
Tokio
Detroit
São Paulo
Mexiko-Stadt
Palo Alto
Changchun
Schanghai
Pune
Deutschland
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Personalstruktur und Disziplinen
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Ingenieure: 68 %
Studentische MA: 5 %
Administration: 8 %
Gewerbliche MA: 8 %
Techniker: 11 %
MaschinenbauerElektrotechniker
Informatiker
Mechatroniker
Mathematiker
Physiker
Meteorologen
Chemiker
Geophysiker
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Gesellschafter
Schaeffler Technologies GmbH & Co. KG 10 %
Freudenberg SE 10 %
Volkswagen AG 50 %
Continental Automotive GmbH 20 %
SABIC Innovative Plastics B.V. 10 %
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Geschäftsfelder und Schwerpunkte
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• Schwerpunkt „Automobiltechnik“
• Antriebstrangentwicklung
• Fahrzeugentwicklung
• Schwerpunkt „Energieversorgung“
• Energieeinsparung
• Energieerzeugung
• Energiespeicherung
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Marktanalyse Heizungsanlagen Deutschland
Marktübersicht Gebäude ohne Gewerbe
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Das größte Stückzahlpotenzial findet man bei den Ein- bis Zweifamilienhäusern.
Auf Stückzahl bezogen, der größte Absatzmarkt an Wärme-erzeugern!
!
Quelle: Statistisches Bundesamt
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Bei neuinstallierten zentralen Wärmeerzeugern beträgt der Anteil an gasbefeuerten Geräten 77%.
Verteilung neu installierter Wärmeerzeuger in Deutschland (zentrale Wärmeerzeuger)
Quelle: BDH 2013
77%
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Sanierungsrate Wärmeerzeuger
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Bei 15 Mio. Ein- bis Zweifamilienhäusern entspricht das bei 2,9% in ca. 450 000 zu erneuernde Wärmeerzeuger pro Jahr!
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Mikro-BHKW Markt
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Ausgangsgröße 450 000 Wärmeerzeuger im Ein- und Zweifamilienhaus pro Jahr!
Marktvolumen bereinigt um Neubauten (100 000):450 000 – 100 000 = 350 000
Marktvolumen bereinigt auf Erdgas befeuerte Wärmeerzeuger (77%):350 000 x 0,77 ≈ 270.000
Marktvolumen bereinigt auf mindestens 3 Personen pro Haushalt (38%*):270.700 x 0,38 ≈ 100.000
Prognose zukünftiger Marktanteil Mikro-BHKWs (10%):100.000 x 0,1 = 10.000
Bei 10% Marktanteil Verkauf von 10.000 µBHKW/ Jahr möglich
*Quelle: Statistik Hessen
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Das IAV Mikro BHKW
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� IAV Anforderungen Mikro BHKW
� Konzept „Erzeugereinheit“
� Designkonzept „Steuerung“
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IAV Anforderungen Mikro-BHKW
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• Primärer Zielmarkt: Ein- bis Zweifamilienhaus in Deutschland
• Wirtschaftlichkeit für Endkunde: Vergleichbar mit dem Brennwertgerät
• Leistung: 5kWelektrisch und 12kWthermisch (mit Pufferspeicher und Heizpatrone 17kWthermisch)
• Abmessung: Vergleichbar Gefrierkombination
• Gewicht: < 200kg
• Technische Schnittstellen: Vergleichbar mit einem Brennwertgerät
• Geräuschemission: < 50db (A) in einem 1m Abstand zum Gerät
• Abgasemission: < TA-Luft
• Bedienbarkeit: Tablet, Smartphone, Laptop
• Kosten- und Bauraumersparnis bei der Steuerung
� Ziel: Ein wirtschaftliches Mikro-BHKW für ein Ein- bis Zweifamilienhaus
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Das IAV Mikro BHKW
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� IAV Anforderungen Mikro BHKW
� Konzept „Erzeugereinheit“
� Designkonzept „Steuerung“
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Ziele
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• Kostenoptimierung bei Komponenten und System
• kurze Montagezeit
• Fehlerminimierung beim Anschluss
• gute Zugänglichkeit für Wartungszwecke
• gute Transportfähigkeit
• geringes Gewicht
� Das Konzept „Erzeugereinheit“ untersucht Ansätze zur Machbarkeit. Es
stellt keine Serienentwicklung dar.
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Konstruktion Rahmen
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Ziel:
• Reduzierung von Schraubverbindung durch Schweißverbindung
• Reduzierung von Teileanzahl/-vielfalt
• kurze Fertigungszeit
• geringe Materialienkosten
Umsetzung:
• nur zwei Hauptrahmenteile
• Schraubverbindungen durch Schweißverbindungen ersetzt
• Verwendung von Halbzeugen (DIN-Teilen)
� Ausgeführte Schweißkonstruktion führt zu
Kosteneinsparungen.
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Motor
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Ziel:
• hohe Dauerhaltbarkeit
• gutes Preis-/Leistungsverhältnis
• garantierte und freie Verfügbarkeit
• gasifizierter Motor
• Gasmischer vorhanden
• geringe Rohemission
Umsetzung:
• Motorenrecherche
• BHKW-Recherche
• Konzentration auf Industriemotoren
� Unter Berücksichtigung aller Faktoren
wurde der 1KS (3-Zylinder, 1L) von Toyota
gewählt.
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Generator
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Ziel:
• niedriger Preis
• temperaturfest
• wartungsarm
• Netzparallelbetrieb für Deutschland
• garantierte Verfügbarkeit
Umsetzung:
• Regalware / Massenware
• zusätzliche Kühlung des Innenraumes über PKW-Heizungswärmetauscher (VW-COP)
� Asynchronmaschine 5,5 kW, 1430 U/min.,
400VD, B3, IP55, Iso-Klasse F (B), IE3
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Schnittstellen
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Ziel:
• eigensicher
• einfache Handhabung
• Heizungsbauer bekannt/vertraut
Umsetzung:
• Einsatz kodierter Steckverbinder zwischen Erzeugereinheit und Schaltschrank
• flachdichtende Wasseranschlüsse
� Durch die bekannten Schnittstellen soll
dem Heizungsinstallateur der Einstieg ins
Mikro-BHKW erleichtert werden.
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Gehäuse
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Ziel:
• geringes Gewicht
• kostengünstig
• selbsttragend
• wenig Teile
• von einer Person zu öffnen
• gute Zugänglichkeit
Umsetzung:
• zweiteiliges Kunststoffgehäuse
• Tiefziehverfahren
• Dämmung von innen montiert
� Kunststoff stellt eine günstige Alternative
bei Kleinserien gegenüber Blech dar
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Abgaswärmetauscher
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Ziel:
• kostengünstig
• platzsparend
• Abgastemperatur auslaßseitig <80°C
Umsetzung:
• Recherche Abgaswärmetauscher
• Plattenwärmetauscher
• Regalware
• integrierter Kondensatablauf
• Anschlüsse Abgasseite passend für DIN-Flexrohranschluß
� Abgas-WT der Fa. Airec „Compact 25“
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Riementrieb
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Ziel:
• Anordnung Motor und Generator übereinander
• kostengünstige Kraftübertragung
• Dämpfung der Drehmomentimpulse/-schläge hervorgerufen durch Zündvorgänge im Motor
• Kraftübertragung bidirektional
• einfache Montage
Umsetzung:
• Riementrieb mit Spannvorrichtung
• Übersetzung frei wählbar
� Poly-V-Riemen
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Pumpe und Ventile
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Ziel:
• Schutz vor hoher Temperatur
• gute Zugänglichkeit
• einfach zu wechseln
• Betriebsbereitschaft einfach festzustellen
Umsetzung:
• außerhalb an der Erzeugereinheit
• elektrische Verbindung über kodierte Stecker
� Bauteilschutz gegen Temperatur-
überschreitung sichergestellt
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Highlights
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Rahmen
• zweiteilige Schweißkonstruktion
• eingeschweißte Verrohrung
Peripherie
• Pumpe, Regel- und Doppelmagnetventil außerhalb des Heißraumes angebracht
• gute Zugänglichkeit
Innenraumkühlung
• gekoppelter Innenraum-WT vor der Luftansaugung der Asynchronmaschine
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Inhalt
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� IAV Anforderungen Mikro BHKW
� Konzept „Erzeugereinheit“
� Designkonzept „Steuerung“
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Materialkostenverteilung bei BHKW
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• Bei mikroBHKW´s sehr hoher Elektronik Anteil > ¼ der MK
• Elektronik und Steuerungskosten sind aber fast unabhängig von der BHKW-Größe
• Einheitliche Steuerung sinnvoll Skaleneffekte von „Großserien“ nutzen
• Mit modernen Elektronik können Entwicklungskosten für neue Anforderungen reduzieren werden
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BHKW Anlagensteuerung BHKW-CtrlVW EcoBlue 2.0
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Anwendungen
• Betriebssteuerung der KWK Anlage
• Betriebssteuerung Heizungsanlage
• Betriebssteuerung Trink-Warmwasser
• Kommunikation zur Leitzentrale
• Diagnose der gesamten Sensorik und Aktorik
• Anschluss abgesetzte Bedieneinheit
• Integration SD Karte (z.B. Datenlogger)
• CAN Kommunikation mit allen SG´s
• Sicherheitsgerichtet Softwareupdate wie im Fahrzeug möglich
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BHKW Anlagensteuerung VPSVW EcoBlue 2.0
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Anwendungen
• Galvanische Trennung von Niederspannung und Kleinspannung
• Hochauflösende Erfassung der Sensoren im BHKW
• Ansteuerung Aktuatoren (z.B. Lüfter, Pumpen, Ventile,…)
• Redundante Regelabschaltung der KWK Anlage
• Softwareupdate über BHKW-Ctrl. via CAN
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BHKW Sicherheitssteuerung EGSVW EcoBlue 2.0
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Anwendungen
• Sicherheitsüberwachung für BHKW
• Gasventilansteuerung
• Generatorschützansteuerung
• Überwachungsfunktionen
Normen
EN 298: Feuerungsautomat für Gasbrenner und Gasgeräte mit und ohne Gebläse
prEN 50465 Gasgeräte - Gerät mit Kraft-Wärme-Kopplung und einer Nennwärmebelastung kleiner oder gleich 70 kW
DIN EN 13611: Sicherheits-, Regel- und Steuereinrichtungen für Gasbrenner und Gasgeräte
DIN EN 60335: Sicherheit elektrischer Geräte für den Hausgebrauch und ähnliche Zwecke
DIN EN 60730: Automatische elektrische Regel- und Steuergeräte für den Hausgebrauch und ähnliche Anwendungen
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IAV BHKW-Plattform
IAV BHKW-SteuerungsplattformDas Prinzip
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Netzschutz-steuerung
Motor-steuerung
Heizungs-steuerung
Hauptplatine mit Energieversorgung
Gas-steuerung
Zentral-einheit
230V 12V 24V
WLAN
LAN
USB
� Synchronisierung� Frequenzumrichter� Länderspezifisch
� Zündung� Motor-Sensorik� Abgas-Sensorik� Gemischbildung
� Notaus-Funktion� Temperatur-Überwachung� Gasmagnet-Ventil
� Kesselfreigabe� Fehlerspeicherverwaltung� Diagnose� Kommunikationsschnittstellen� Fernwartung
� Pumpen, Mischer� Temperatur-Regler
ExternerFrequenz-umrichter
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IAV BHKW-SteuerungsplattformZiele
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• kostengünstig
• einfache Montage
• Montagefehlersicherheit
• Leistungsteil auf Steuerungsplatine integriert
• saldierende Nullsummenreglung am Hauseingang für die Lastregelung
• Motorsteuergerät auf Platine integriert
• Sanftstarter auf Platine integriert
• auch für fremderregter Synchrongeneratoren geeignet (Starterrelais wird vorgehalten)
• kostengünstige Visualisierung für Tablet, Smartphone, etc.
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IAV BHKW-SteuerungsplattformUmsetzung
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Ziel:
• Kostenoptimierung der Hardwarekomponenten
• Verdrahtungsaufwand reduzieren
• Sanftstarter integrieren
• Sicherungen on Board
Umsetzung
• eine Basisplatine
• eine Steuerungsplatine
• eine Sicherheitsplatine
� Designmuster
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IAV BHKW-SteuerungsplattformBeispiel Einsparpotential
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Herkömmliche Lösung
• 3 Steuerungsplatinen
• Motorsteuergerät
• Netzschutzeinrichtung
• Gassicherheitssteuergerät
• 1 Sanftstarter
• 4 Schütze / Sicherungen/ Klemmen
IAV Lösung
• 3 Steuerungsplatinen
• Schütze integriert
• Sicherungen integriert
• Sanftstarter integriert
• Netzschutz integriert
• Motorsteuergerät integriert
• Gassicherheit integriert
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IAV BHKW-SteuerungsplattformHMI
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Ziel:
• kundenspezifisches HMI integrierbar
• zusätzliche Bedienoberfläche über Tablet möglich
• Schnittstelle der Visualisierung zu BHKW-Steuerung
• Darstellung von Signalflüssen
Umsetzung:
• Mini-Linux Controller
• Tablet von ASUS
• Kopplung BHKW-Steuerung
• Kommunikation über WLAN
� Eine Darstellung und Bedienung ist über
das Tablet möglich.
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IAV BHKW-SteuerungsplattformSoftware Entwicklung
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Wärme- und Stromregelung
• der Stromverbrauch wird vom BHKW gedeckt
• Wärmeanforderung hat vorrang
• Einschaltgrenzen für Stromerzeugung
saldierende Nullsummenregelung
• die Stromproduktion des BHKWs wird am Hausanschlusspunkt auf Null-Watt-Bezug vom EVU geregelt
Servicevisualisierung
• Darstellung von Messwerten und Parametern
• Sitz der Fühler und Komponenten visualisiert
• Protokolle Online ausfüllen
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IAV BHKW-SteuerungsplattformVorteile
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Modularer Aufbau
• Fertige Komponenten für die wichtigsten Funktionen eines BHKWs: Netzschutz, Motorsteuerung, Gassteuerung, Heizungssteuerung und Bedienung
• Einzelne Komponenten auch modular aufgebaut, z.B. Motorsteuerung mit oder ohne Zündsystem
• Qualifiziertes Sicherheitskonzept über alle Komponenten im Verbund
• Alleinstellungsmerkmale durch kundenspezifische Anpassungen
Alle Komponenten aus einer Hand
• Zentrale Fehlerdiagnose für alle elektronischen Komponenten
• Einheitliche Wartung und gleiche Elektronik-Ersatzteile für aller BHKW-Typen eines Herstellers
Expertise aus dem Automotive-Umfeld
• Erfahrung hinsichtlich Verbrauch, Abgase und Langlebigkeit
• Erfahrungen im modularen Aufbau von Steuergeräten in der Automobilindustrie
• Kostenoptimiertes Systemdesign mit hohem Anspruch an Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit
©IAV · 07/2015 · Laubenstein
Einsatzszenarien
Szenario „Integration Erneuerbare Energien“
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CO2 AufbereitungUmwandlung
Methanisierung
Gasnetz
Gasspeicher
©IAV · 07/2015 · Laubenstein
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Ein Mikro BHKW ist eine ideale Komponente in einem Smart Home System
Szenario „Smart Home System“
©IAV · 07/2015 · Laubenstein
Mikro BHKW
5 kW elektrisch13 kW thermisch
Photovoltaik
Elektr. Energie
Therm. Energie
E-Fahrzeugmit Batterie als Puffer-speicher
Ele
ktr. E
ne
rgie
Steuerung
Vielen Dank
Friedhelm Laubenstein
IAV GmbH
Rockwellstraße 16, 38518 GifhornTel. +49 5371 80-51487
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