Erfahrungen mit bedarfsgerechter Strom- und Wärmeerzeugung Dr.-Ing. Werner Siemers Energiesystemanalyse

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1 Dialogplattform Power to Heat 5. und 6. Mai 2015, Goslar Erfahrungen mit bedarfsgerechter Strom- und Wärmeerzeugung Dr.-Ing. Werner Siemers Energiesystemanalyse

2 Inhaltsangabe Einführung Gibt es eine KWK-Zukunft? Versuche und ausgewählte Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Einführung Ansatz Power to Heat versucht, Stromüberschüsse in nutzbare Wärme zu verwandeln. Dies wird notwendig werden, wenn viel Überschuss an Strom vorhanden ist. Welche Möglichkeiten bestehen schon jetzt, das Verhältnis von Strom zu Wärme zu beeinflussen? KWK und KWKK Bedarfsgerechte KWK/KWKK Speicherung thermischer Erzeugung bei stromgeführter Fahrweise Heat to power Und anderes?? 3

4 Gibt es eine KWK-Zukunft? Möglichkeiten Übergang von einer fossilen in eine postfossile Energieversorgung Beibehaltung eines hohen Wirkungsgrades der gekoppelten Erzeugung Nutzung bestehender Infrastrukturen, z.b. Fernwärmenetze durch Ersatz der Primärenergieträger (Biomethan, Wasserstoff) Vermeidung von Investitionsruinen Umkehrung des Versorgungsprinzips Erzeugung dezentral im ländlichen Raum Verbrauch zentral in Ballungsgebieten Beibehaltung der Versorgungsinfrastruktur, nicht nur des Elektrizitätsnetzes 4

5 Gibt es eine KWK-Zukunft? Möglichkeiten Weiter KWK im 100% EE Szenario Biomethan Verstromung Rückverstromung Dezentrale KWK-Nutzung mit hohen Gesamtwirkungsgraden KWK macht nur Sinn bei stofflichen Einsatz Biomasse Biomethan Wasserstoff KWK ist notwendig im Übergang zum regenerativen strombasierten Gesamtsystem 5

6 Gibt es eine KWK-Zukunft? Einsatzbereiche 6

7 Versuche und ausgewählte Ergebnisse Übersicht KWK im Rahmen Energiepark Clausthal Wirtschaftliche Aussagen KWKK im Energiepark Clausthal Heat to power Power, heat and fuel 7

8 KWK im Rahmen Energiepark Clausthal Untersuchte Aggregate Capstone Mikrogasturbine, 30 kwe Ecopower BHKW, 4,25 kwe SOLO Stirling, 9 kwe 8

9 KWK im Rahmen Energiepark Clausthal Untersuchte Aggregate Whispergen Stirling, 1,2 kwe Erdgas BHKW Senertec, 30 kwe 9

10 KWK im Rahmen Energiepark Clausthal Ergebnisse Wirkungsgrad elektrisch netto Turbine Ecopower Whispergen Senertec SOLO 30 % Elektrische Leistung, kw 10

11 KWK im Rahmen Energiepark Clausthal Ergebnisse Wirkungsgrad thermisch Turbine Ecopower Whispergen Senertec SOLO 90 % Elektrische Leistung, kw 11

12 KWK im Rahmen Energiepark Clausthal Ergebnisse Stromkennzahlen Turbine Ecopower Whispergen Senertec SOLO 50% 45% Stromkennzahl = Elektrische Leistung / Thermische Leistung 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Normierte Leistungseinstellung, % Volllast 12

13 KWK im Rahmen Energiepark Clausthal Speicherverhalten Erhöhung Speichersolltemperatur um 10 C Speicherbeladung Spitzenstrom Speichertemperatur oben Speichertemperatur unten Stromleistung 100 C kw ,25 kwh 5,83 kwh :02 9:32 10:02 10:32 11:02 11:32 12:02 12:32 13:02 13:32 14:02 14:

14 KWK im Rahmen Energiepark Clausthal Zusatzstromerzeugung durch Speicherbeladung Speicherbeladung VK Speicher oben, C Speicher unten, C Nettostrom, kw C kw 4 3, Speichersoll + 15 C 2, , ,55 kwh 1,09 kwh 0,3 kwh 0,5 0 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:

15 KWK im Rahmen Energiepark Clausthal Zusammenfassung Vergleich verschiedener Mikro-KWK-Technologien Vor- und Nachteile der jeweiligen Technologieoption Motor-BHKW Turbine Stirling Wirkungsgrad unterschiedlich, relativ gering im Vergleich zur grosstechnischen Lösung Gesamtwirkungsgrad höher Gezielte Stromproduktion möglich durch thermische Speichernutzung, allerdings begrenzt Modulation ist Voraussetzung 15

16 Wirtschaftliche Aussagen Stromführung Ecopower Jahresdauerlinien Ecopower stromgeführt, Haushalt, 5 WE Strombedarf Wärmebedarf Stromleistung Wärmeleistung 5 kw el kw th Stunden 16

17 Wirtschaftliche Aussagen Wärmeführung Ecopower Jahresdauerlinien Ecopower wärmegeführt, Haushalt, 5 WE Strombedarf Wärmebedarf Stromleistung Wärmeleistung 7 6 kw el kw th Stunden 17

18 Wirtschaftliche Aussagen Spannbreite virtuelle Kraftwerke 18

19 Wirtschaftliche Aussagen Zusammenfassung Die Regel bleibt: Mindestens Volllaststunden für einen wirtschaftlichen Betrieb Der Speicher sollte ideal unendlich sein, dann ist er auch unendlich teuer Zusatzinstallationen rechtfertigen sich meist nicht durch den möglichen Zusatznutzen (Erlösverbesserung) Welche Mehrvergütung lässt sich am Markt oder subventioniert am Ende erzielen, wenn bedarfsgerecht gefahren wird? Es kommen eher die unwirtschaftlich betriebenen Aggregate in Betracht, die noch Produktionspotential besitzen. 19

20 KWKK im Energiepark Clausthal Prinzipschaltung 3 BHKWs 20

21 11:00 11:15 11:30 11:45 12:00 12:15 12:30 12:45 13:00 13:15 13:30 13:45 14:00 14:15 14:30 14:45 15:00 15:15 15:30 16:00 16:15 16:30 16:45 17:00 KWKK im Energiepark Clausthal Ergebnisse drei BHKWs zur Kälteerzeugung 25 22, , ,5 10 7,5 5 2,5 0 Leistung Heißwasser - 12,5 kwth Leistung Heißwasser - 58 kwth Leistung Heißwasser - 43 kwth Leistung Kaltwasser - 12,5 kwth Leistung Kaltwasser - 58 kwth Leistung Kaltwasser - 43 kwth Uhrzeit in h:min 21

22 Heat to power Hintergrund Auch die Erzeugung von Strom aus Wärme sollte betrachtet werden! Traditionell sind es Wärmekraftwerke über die Verbrennung fossiler Ressourcen Gibt es weitere Einsatzmöglichkeiten? Können wir Strom aus Abwärme gewinnen? Können wir Strom aus regenerativen bzw. CO 2 -freien Wärmeanwendungen gewinnen? Gelingt dies dezentral? Gibt es umsonst Wärmequellen? 22

23 Heat to power Prinzip HTBioStir 23

24 Heat to power HTBioStir, Ergebnisse 1312 C 1250 C 1280 C 980 C 2. Versuchsserie 1244 C 1033 C 930 C 1020 C 843 C H T W T 651 C 800 C 665 C 25 C 50 C 125 C 120 C 860 C 808 C Lu -Lu -WT 185 C 100 C 24

25 Heat to power Heißgasturbine Erzeugung von Heißgas aus Biomasseverbrennung Einsatz eines HT-Wärmetauschers Metall Keramik Nutzung des Potentials (Druck und Temperatur) in Heißgasturbine 25

26 Heat to power Craftengine 26

27 Heat to power ORC für niedrige Temperaturen, Turbine Niveau im Bereich 120 C Nachgeschaltet nach Motoren-BHKW 27

28 Power, heat and fuel Beispiel Modellsystem Energie Erdgas in Wärme, Solar in Wärme, Solar in Kälte, Solar(thermie) in Strom Erdgas in Strom, Wärme und Kälte Wärme in Speicher Strom in Speicher Strom in Stoff (Kohlenwasserstoff) Aufbau Technik Aufbau Simulationsumgebung 28

29 Power, heat and fuel Überblick Modellsystem Energie 29

30 Power, heat and fuel Beispiel Kessel, Latentwärmespeicher, Verteilung 30

31 Zusammenfassung und Ausblick Die Lösung liegt auch hier in der übergreifenden Betrachtungsweise Nutzung der jeweiligen individuellen Vorteile in einer gesamtsystemtechnischen Betrachtung Nischenanwendungen sind weiterhin möglich Nutzung industrieller Abwärmepotentiale Dezentrale Lösungen betrachten Innovative Technologien einsetzen 31

32 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Mail: Internet:

33

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