Projekt EKOSTORE Dezentrale Energiesysteme mit hohem

Projekt EKOSTORE
Dezentrale Energiesysteme mit
hohem elektrischen Autarkiegrad
durch die Systemkombination von
Batteriespeichern und
Mikroblockheizkraftwerk
18. Fachgespräch der Reihe
"Energieversorungssysteme der Zukunft"
26. Januar 2016
Prof. Dr.-Ing. Tim Rödiger
Technologiezentrum Energie
Hochschule Landshut
Gliederung
• Motivation
• Hochschule Landshut: Technologiezentrum Energie
• Projekt EKOSTORE
• Systemmodellierung, - analyse, - optimierung
• Dezentrale Versuchsanlage & Ergebnisse
• Zusammenfassung / Ausblick
1
Motivation
• Optimierung dezentraler Systeme auf hohe lokale Eigennutzungsquote
2
Forschungsschwerpunkte am Technologiezentrum
Energie der Hochschule Landshut
Netz‐ und Systemintegration
Energiespeicher
(elektrisch und chemisch)
Dezentrale
Energiesysteme
Energieeffizienz
3
Projekt EKOSTORE
Hybride, dezentrale Eigenenergieversorgung durch die Systemkombination von
Mikroblockheizkraftwerk, elektrischem Energiespeicher und Photovoltaik
4
Projekt EKOSTORE
Projektlaufzeit:
Gesamtvolumen:
3 Jahre (01.03. – 28.02.2018);
1.565.400 €
Technologiezentrum Energie der Hochschule
Landshut
Wolf Heiztechnik GmbH
Saft Batterien GmbH (Nürnberg, Saft OEM
Frankreich)
Stadtwerke Straubing
EMZ-Hanauer GmbH & Co. KG
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Systemmodellierung, -analyse, und -optimierung
Simulationsumgebung für
dezentrale, hybride
Systeme
Dezentrale
Versuchsanlage
Optimierung Eigenstromnutzung / Wirtschaftlichkeit
Fragestellung / Optimierung
Modell
-
Optimale Dimensionierung der
therm. / el. Speicher?
-
Speicherorientierte
Betriebsweise der Erzeuger
-
Maximierung Autarkiegrad,
Eigenstromnutzung,
Wirtschaftlichkeit?
6
Simulationsumgebung und Systemmodellierung (1)
mBHKW + thermischer Speicher
•
•
•
Modellierung des Gesamtsystems in Matlab® Simulink ®
Simulation verschiedener Regelstrategien, Energiemanagementsysteme
Exergieanalyse
Mikro-Blockheizkraftwerk:
Wirkungsgradmodell [1]
El. Leistungsklassen : 1 bis 30 kWel
Brennstoff: Erdgas
Brennstoff
ηel
Strom
ηth
Wärme
Thermischer Speicher:
Schichtspeichermodell [2]
Volumen: 500 bis 5000 Liter
7
Simulationsumgebung und Systemmodellierung (2)
Elektrischer Energiespeicher (EES)
•
•
Implementierung eigener Li-Ionen Batteriemodelle (Zell- und Systembasis)
Nichtlineare Ersatzmodelle (R-C-Gieder)
Elektrischer Speicher (aktuell):
Elektrischer Speicher (geplant):
U [V]
U [V]
t [s]
t [s]
8
Simulationsergebnisse: Einfamilienhaus
Parameter:
mBHKW:
2 kWel
Betriebsart: Wärmegeführt
_
%
_
Nennenergie EES [kWh]
9
Simulationsergebnisse: Mehrfamilienhaus (8 WE)
Parameter:
mBHKW:
4 kWel
Betriebsart: Wärmegeführt
_
%
_
Nennenergie EES [kWh]
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Systemmodellierung, -analyse, und -optimierung
Simulationsumgebung für
dezentrale, hybride
Systeme
Dezentrale
Versuchsanlage
Optimierung Eigenstromnutzung / Wirtschaftlichkeit
Fragestellung / Optimierung
Modell
-
Optimale Dimensionierung der
therm. / el. Speicher?
-
Speicherorientierte
Betriebsweise der Erzeuger
-
Maximierung Autarkiegrad,
Eigenstromnutzung,
Wirtschaftlichkeit?
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PV-Anlage
Dezentrale
Versuchsanlage
Batteriesystem
(Li-IonenZellen)
Standby-Verbrauch
El. Energieströme
Th. Energieströme
Wechselricher
DC/AC
(Batterie)
Öffentliches
Versorgungsnetz
Wechselrichter
DC/AC
(PV)
Steuerung
Stromzähler
BHKW
(Erdgas) 2-4
kWel
Steuersignale
(Versorger)
Energiemanagement
Heizung
Therm.
Speicher
Spitzenlasterzeuger
Gebäude
12
Dezentrale
Versuchsanlage
PV-Anlage:
Pel 15 kWpeak
Elektrischer
Speicher:
Eel 4 & 12 kWh
UNenn 52 V
BHKW:
Pel 4 kW
Pth 12 kW
ηel 25 %
ηth 70 %
Thermischer
Speicher:
V 960 L
Eth 34 kWh
SpitzenlastErzeuger:
Pth 20 kW
Standardund reale
Lastprofile
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Dezentrale Versuchsanlage
• Hochinstrumentierter Versuchsstand
• Energiemengenzähler (Minutenauflösung)
Parameter:
mBHKW:
EES:
PV:
4 kWe (Wärmegeführt)
10 kWh
keine
El. Autarkiegrad = 89 %
SOC [-]
El. Leistung [kW]
BHKW
Batterie
Netz
Ladezustand Batterie (SOC)
Zeit [h]
Quelle: Ummenhofer, Roediger et al.: Self-sufficiency in a MCHP system based on local demand and supply analysis,
ASME PowerEnergy Konferenz, USA, 2016 (angenommen)
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Dezentrale Versuchsanlage
• Hochinstrumentierter Versuchsstand
• Energiemengenzähler (Minutenauflösung)
Parameter:
mBHKW:
EES:
PV:
4 kWe (Wärmegeführt)
10 kWh
keine
El. Autarkiegrad = 48 %
SOC [-]
El. Leistung [kW]
BHKW
Batterie
Netz
Ladezustand Batterie (SOC)
Zeit [h]
Quelle: Ummenhofer, Roediger et al.: Self-sufficiency in a MCHP system based on local demand and supply analysis,
ASME PowerEnergy Konferenz, USA, 2016 (angenommen)
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Zusammenfassung
• Systemkombination aus mBHKW, PV-Anlage, thermischen,
elektrischen Speichern ermöglicht hohen elektrische Autarkiegrad
• Simulationsumgebung und Versuchsanlage für dezentrale Systeme
• Systemoptimierung in Bezug auf mBHKW- und
Speicherdimensionierung
• Optimierungspotenial durch speicherorientierte Betriebsweise des
mBHKWs und innvative Steuerungskonzepte
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Ausblick: Projektziele EKOSTORE
• Modellierung der Wirtschaftlichkeit
• Systemaspekt des dezentralen Komplettsystems
• Transiente Prozesse und Modellentwicklung: Betrachtung von
Anfahr-, Last- und Lastwechselvorgängen der Systemkomponenten
• Innovative Steuerungskonzepte: Modellbasierte Systemsteuerung,
an Wetterprognosedaten angepasste Energiebedarfssteuerung
• Untersuchung der Netzentlastung durch dezentrale
Eigenenergieversorgung (Siedlungsanalyse, Modellregion)
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Quellen
 [1] BHKW-Kenndaten 2014/2015 Module, Anbieter, Kosten; ASUE e.V.; 2014
 [2] DEVELOPMENT OF AN ENERGY STORAGE TANK MODEL; Buckley;
2012; The University of Tennessee at Chattanooga
• [3] Parameterization and Validation of an Integrated Electro-Thermal Cylindrical
LFP Battery Model; Perez, Hector E.; Siegel, Jason B.; Lin, Xinfan;
Stefanopoulou; 2015; University of Michigan; U.S. Army TARDEC
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Vielen Dank für
Ihre
Aufmerksamkeit!
Technologiezentrum Energie
Projekt EKOSTORE
Prof. Dr. Tim Rödiger
Wiesenweg 1 · D-94099 Ruhstorf
Tel.: +49 (0)871 506 - 269
[email protected]
Tel.: +49 (0)8531 914044-0
Fax: +49 (0)8531 914044-90
[email protected]
www.technologiezentrum-energie.de

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