Technische Universität München Optimierung von Mikro KWK Systemen Verbundtreffen „EnEff: Wärme – Thermische/elektrische KWK-Vernetzung“ Jülich 24.04.2015 Peter Tzscheutschler, Wessam El-Baz Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner Arbeitsgebiete des Lehrstuhls 600 Excess Must-run Solar Electricity Generation in TWh 500 Wind - Offshore Wind - Onshore Water 400 CHP Geothermal 300 Biomass Oil 200 Gas Turbine CCGT 100 Hard Coal Hard Coal 700°C Lignite 0 Lignite 700°C 2025 2030 Year 2040 2050 KWEinsatzplanung Elektromobilität Presidual n tio p d-u uil gb isin ing ure ist ex truct ras inf ra pe go isin tim op Power Transmission Network Energy Storage 2045 tim op Renewable Energies 2035 Energiesystemmodellierung Wärmespeichermanagement Conventional Power Plants 6118 6B11 t0 t0 -QTB DemandsideManagement Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner MikroKWK t1 Storage Capacity 2020 t1 THS,Set 2015 TCHP,Supply 61201B11 2010 Energy Content hTS Nuclear -100 TTS 2 Vision 1.0 Kommuniktion Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 3 Vision 2.0 Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 4 Inhalt Technische Universität München • Feldmessungen • Prüfstandsuntersuchungen • Modellierung und Simulation von Systemen • Optimierung des Betriebs • mit Fokus Wärmespeicher • Einbindung in IEA/EBC Annex 54 Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 5 Inhalt Technische Universität München • Feldmessungen • Prüfstandsuntersuchungen • Modellierung und Simulation von Systemen • Optimierung des Betriebs • mit Fokus Wärmespeicher • Einbindung in IEA/EBC Annex 54 Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 6 Feldmessung – Beispiel Miesbach Quelle: Diss. Josef Lipp Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 7 Feldmessung – Beispiel Miesbach Quelle: Diss. Josef Lipp Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 8 Feldmessung – Beispiel Miesbach Quelle: Diss. Josef Lipp Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 9 Feldmessung – Beispiel Miesbach 9% 87% 4% 20% 9% 58% Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 10% Quelle: Diss. Josef Lipp 10 Inhalt Technische Universität München • Feldmessungen • Prüfstandsuntersuchungen • Modellierung und Simulation von Systemen • Optimierung des Betriebs • mit Fokus Wärmespeicher • Einbindung in IEA/EBC Annex 54 Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 11 Prüfstand Mikro-KWK Systeme Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 12 Prüfstand Mikro-KWK Systeme - Anlagenschema Legende: Zähler Elektrische Energie Warmwasser Durchflussmesser Erdgas Durchflussmesser Wasser T Zirkulationskreis T Temperaturfühler Stromnetz T T Kombispeicher T Whispergen MikroBHKW Erdgas Frischwasser Heizkreis T T JL_040 T T T T Quelle: Diss. Josef Lipp Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 13 Prüfstand Mikro-KWK Systeme – WhsiperGen - stationär Quelle: Diss. Josef Lipp Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 14 Prüfstand Mikro-KWK Systeme – WhsiperGen - dynamisch Quelle: Diss. Josef Lipp Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 15 Prüfstand Mikro-KWK Systeme – Heizlastprofile Quelle: Diss. Josef Lipp Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 16 Prüfstand Mikro-KWK Systeme – Typtag 0°C Quelle: Diss. Josef Lipp Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 17 Prüfstand Mikro-KWK Systeme – Typtag 0°C Quelle: Diss. Josef Lipp Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 18 BlueGen SOFC - Anlagenschema 1. Phase: Experimentelle Ermittlung der Brennstoffzellenparameter Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner Elektr. Leistung und Wirkungsgrad BlueGEN 90 % 3,0 80 % 70 % 60 % Leistung [kW] 2,0 50 % 1,5 40 % 1,0 0,5 0,0 23.02. Gas Leistung (kW) 30 % Elektrische Leistung (kW) 20 % Elektrischer Wirkungsgrad (%) 10 % 0% 2.03. 9.03. 16.03. 23.03. 30.03. Achsentitel Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 6.04. 13.04. 20.04. elektrischer Wirkungsgrad 2,5 BlueGen SOFC - Anlagenschema 2. Phase: Experimentelle Ermittlung des Speicherverhaltens Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner Inhalt Technische Universität München • Feldmessungen • Prüfstandsuntersuchungen • Modellierung und Simulation von Systemen • Optimierung des Betriebs • mit Fokus Wärmespeicher • Einbindung in IEA/EBC Annex 54 Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 22 Simulation mit TRNSYS Micro-CHP Unit Heat Buffer Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 2323 Systemmodell in SimulationX und Green Building Package Quelle: Master Thesis El-Baz Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 24 Hardware-in-the-Loop Prüfstandsbetrieb CHP Controller CHP Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner House Model 25 Hardware-in-the-Loop Prüfstandsbetrieb Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 26 Hardware-in-the-Loop Prüfstandsbetrieb 12,5 Heizleistung [kW] 12,0 11,5 11,0 10,5 10,0 9,5 Prüfstandsmessung Simulation 9,0 8,5 8,0 0 2.000 4.000 Zeit [s] Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 6.000 27 Inhalt Technische Universität München • Feldmessungen • Prüfstandsuntersuchungen • Modellierung und Simulation von Systemen • Optimierung des Betriebs • mit Fokus Wärmespeicher • Einbindung in IEA/EBC Annex 54 Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 28 Analyse verschiedener Wärmespeicher Warmwasserspeicher: 200l ©-TUM-IFE 60-036B-10 15 Power [kW] TA = 9,7°C Natural Gas CHP_thermal CHP_electric 10 5 0 00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20 Power [kW] Pufferspeicher: 500 – 800l Warmwasserspeicher: 200l 20:00 00:00 Space Heating DHW Circulation 10 0 00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 00:00 Time Pufferspeicher: 300 – 800l + FWM Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner Kombispeicher: 500 – 1000l + FWM 29 Speichernutzung – Beispiel Feldversuch Miesbach Quelle: Diss. Josef Lipp Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 30 1350 mm Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 31 direkter Eintrag T‐SP‐1 150 150 T‐SP‐4 125 1,5 h T‐SP‐5 2 h T‐SP‐6 75 50 2,5 h T‐SP‐7 3 h T‐SP‐8 4 h 5 h 35 45 55 Speichertemperatur [°C] 65 6 h T‐SP‐1 T‐SP‐3 T‐SP‐4 100 75 T‐SP‐5 T‐SP‐6 T‐SP‐7 50 T‐SP‐8 3,5 h T‐SP‐9 25 1 h Ladezeit: 2 h 3 h T‐SP‐2 1 h 125 Speicherhöhe [cm] 0 h 0,5 h T‐SP‐2 T‐SP‐3 100 175 Ladezeit: 0 h Speicherhöhe [cm] 175 indirekter Eintrag T‐SP‐9 25 T‐SP‐10 T‐SP‐10 0 0 15 25 35 45 55 Speichertemperatur [°C] 65 75 Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 15 25 75 32 Optimierungsmodell Mikro-KWK Quelle: Diss. Josef Lipp Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 33 Fahrplanerstellung BHKW Betrieb Quelle: Diss. Josef Lipp Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 34 Optimierter BHKW Betrieb Anteil der Betriebsstunden über dem EPEX Spotmarktpreis Quelle: Diss. Josef Lipp Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 35 Stromproduktion [TWh] Studie „Bayerische Stromversorgung im Jahr 2022“ - Jahresübersicht 50 % Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Quelle: Hamacher, Ahlhaus, Kandler Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 36 Stromproduktion [GWh] Studie „Bayerische Stromversorgung im Jahr 2022“ - Sommertag 50 % Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Quelle: Hamacher, Ahlhaus, Kandler Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 37 Stromproduktion [GWh] Studie „Bayerische Stromversorgung im Jahr 2022“ - Wintertag 50 % Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Quelle: Hamacher, Ahlhaus, Kandler Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 38 Inhalt Technische Universität München • Feldmessungen • Prüfstandsuntersuchungen • Modellierung und Simulation von Systemen • Optimierung des Betriebs • mit Fokus Wärmespeicher • Einbindung in IEA/EBC Annex 54 Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 39 Teilnahme am IEA/EBC Annex 54 Integration of Microgeneration and related Energy Technologies in Buildings Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 40 Struktur Annex 54 Subtask A Technical performance Subtask B Economics Environmental impact System optimization Subtask C Policies and Regulations Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 41 Ergebnisse Annex 54 • Berichte verfügbar: www.iea-ebc.org Ergebnisse • Trend, KWK in Heizsysteme zu integrieren • Systemauslegung und Betrieb oft sub-optimal • Einsparpotenzial an THG und PE landesabhängig zwischen 5 und 20 % • Wärmespeicher als zentrale Komponente: • • • • bessere Auslastung Eigenstromoptimierung netzdienlicher Betrieb Einbindung erneuerbarer Energien • In der Breite ohne Förderung noch nicht wirtschaftlich • bei geeigneten Nischenanwendungen schon Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 42 Zusammenfassung Technische Universität München • Annex 54 erfolgreich abgeschlossen • Aus Feldversuchen ist der oft suboptimale Betrieb kleiner KWK Anlagen ersichtlich • Prüfstand für Mikro KWK System aufgebaut und validiert • Einbindung in eine Hardware-in-the-Loop Simulation Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 43 Vision 2.0 Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 44 Veröffentlichungen aus dem Projekt - 1 MicroGen 2, Glasgow, 2011: • Tzscheutschler P., Sasso M. Roselli C.: Efficiency of Micro CHP Systems under Transient Operation • Lipp J., Jungwirth J.: • Field Test with Stirling Engine Micro-CHP-Units in Residential Buildings • Wehmhörner U., Lipp J., Jungwirth J: Optimization of Multifunctional Heating Systems • Wieser B., Lipp J.: The Possible Relevance of Micro-CHP on Future Energy Supply REHVA Conference, Prag, 2013: • Tzscheutschler P.: Experiences from Field Testing of Stirling Micro-CHP Systems BauSIM, Aachen, 2014: • Tzscheutschler P., El-Baz W.: Smart Home Model Based on Interactive DSM Devices within a Micro Electricity • Windeknecht M., Tzscheutschler P.: Simulation der Wärmenutzung eines Brennstoffzellen-Systems in einem EFH • El-Baz W., Tzscheutschler P.: Co-Simulation of a Smart Home Model Based on a Micro Electricity Market • Sänger F., Klimke K., Jungwirth J.: Toolchain zur Bewertung von Regelstrategien im Gebäudebereich Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 45 Veröffentlichungen aus dem Projekt - 2 • El-Baz W., Tzscheutschler P.: Short-term smart learning electrical load prediction algorithm for home energy management systems. Applied Energy, Volume 147, 2015; http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261915001592 • Lipp J.: Flexible Stromerzeugung mit Mikro-KWK-Anlagen. Dissertation an der Technischen Universität München, 2015; mediatum.ub.tum.de/node?id=1192271 Annex 54 Berichte: • Integration of Microgeneration and Related Technologies in Buildings - Final Report of Annex 54 • An International Survey of Electrical and DHW Load Profiles for Use in Simulating the Performance of Residential Micro-cogeneration Systems • Current Updates on the Development and Implementation of Micro-Cogeneration System Models for Building Simulation Programs • Impact of Microgeneration Systems on the Low-Voltage Electricity Grid • Methodologies for the Performance Assessment of Micro Hybrid Polygeneration Systems • Synthesis Report on the Viability of Micro-Generation Systems in Different Operational Contexts • A Comparative Review of Microgeneration Policy Instruments in OECD Countries • Impact of Support Mechanisms on Microgeneration Performance in OECD Countries http://www.iea-ebc.org/projects/completed-projects/ebc-annex-54 Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 46 Vielen Dank Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner 47
© Copyright 2025 ExpyDoc
