Behandelte Punkte. Zusammenhang und Problematik Technologie der mkwk Modellierung einer mkwk-anlage Integrierung in Gebäude : Erste Ergebnisse

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1 Integrierung der Mikro-Kraft-Wärme- Kopplung (mkwk) in Gebäude Prof. Bernard FLAMENT Studiengangsleiter Energie-, Klima- und Kältetechnik INSA de Strasbourg In Partnerschaft mit : 1 Behandelte Punkte Zusammenhang und Problematik Technologie der mkwk Modellierung einer mkwk-anlage Integrierung in Gebäude : Erste Ergebnisse 2 2

2 I. Zusammenhang - Problematik 1.1 : mkwk 1.11: Begriffserklärung Begriff zur Bezeichnung jeder Anlage, die gleichzeitig und gekoppelt thermische Energie (Wärme und/oder Kälte) und mechanische Energie erzeugt. Die Anlage muss in eine Umgebung integriert sein, in der tatsächlich jede der beiden Energieformen genutzt wird. Strom Primärenergie KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG Wärme : Spezifizität der mkwk Micro-Kraft-Wärme-Kopplung => elektr. Leistung < 36 kw Anwendungen : Wohngebäude Tertiärgebäude Ziele : Die Wärmebedürfnisse decken (Heizung, Warmwasser) Selbstverbrauchte oder wiederverkaufte Stromenergie erzeugen 4 4

3 1.2 : Plusenergiehäuser 1.21 : Begriffserklärung : Plusenergiehäuser 1.22 : Beispiel Energiebilanz eines Passivhauses (Grössenordnung) : Voraussetzung : Fläche 100 m 2 / 4 Personen Endenergie (alle elektr. Benutzungen) 17 kwh m -2 an -1 Nutzenergie kwh Warmwasser (Zusatz) Wärmepumpe 10 kwh m -2 an -1 Heizung (Zusatz) 15 kwh m -2 an -1 Endenergie (Strom) (15+10)/3 = 8,5 kwh m -2 an -1 Ein Plusnergiehaus braucht mehr als 2500 kwh pro Jahr. 6 6

4 1.2 : Plusenergiehaus 1.23 : Wie jann die Energie erzeugt werden? a) Solarsensore: 1 m 2 -> jährliche Erzeugung in der Grössenordnung von 100 kwh : Plusenergiehaus 1.23 : Wie kann die Energie erzeugt werden? b) mkwk-modul: Beispiel : Hybris Power (DE DIETRICH / REMEHA) Chaudière Brennwertkessel à Therm. Leistung: 21 condensation kw Ptherm : 21 kw Moteur STIRLING Wärmepumpe Therm. Leistung Ptherm : 5 kw Elektr. Leistung Pélec : 1 kw 8 8

5 1.3 : Vorteil der dezentralisierten Stromenergieerzeugung? 1.31 : Beweisaufnahme : Entwicklung der Spitzen des Stromenergieverbrauches in Frankreich seit 10 Jahren (source RTE) 102 GW Wärmeempfindlicher Teil : 40 % 8. Februar : Vorteile der mkwk? TWh Franz. Stromenergieerzeugung kwh Herstellung der mkwk 10 10

6 1.32 : Vorteile der mkwk? Vorteil : Übereinstimmung zwischen der Energieerzeugung und dem wärmeempfindlichen Teil des Stromverbrauches Nachteil : Stromerzeugung hängt von den Wärmebedürfnissen ab Daher die Problematik: den «besten» Zusammenschluss Gebäude / mkwk => Die Werkzeuge zur Unterstützung zur Verschreibung werden benötigt II. Unterschiedliche mkwk-technologien 2.1) Motoren mit innerer Verbrennung Schornstein Abgaswär merekuper ator Mini-Kraft- Wärme- Kopplung mkwk Ecopower Elektr. Leistung : 5 kw Therm. Leistung : 13 kw Elektrogene rator Stromnetz 12 12

7 2.2) Motoren mit externer Verbrennung: STIRLING-Motor Kessel (Gas) regenerativer Wärmetauscher Arbeitskolben Schema eines Stirling-Motors Verdrängungskolben Micro-Kraft-Wärme-Kopplung Whispergen Elektr. Leistung: 0,7 kw Therm. Leistung: 7 KW Thermische Energie Wärmetauscher zur Kühlung Expansionsvolumen Kompressionsvolumen Elektrische Energie Verwendbare Brennstoffe: Erdgas, Biogas, Pellets, Flüssiggas, Heizöl ) Brennstoffzelle 14 14

8 2.4) Technologie am INSA de Strasbourg: Energieerzeugungheizkessel «HYBRIS POWER» REMEHA- DE DIETRICH. Thermische Leistung: 20 kw Thermische Leistung: 3 à 5 kw Elektrische Leistung: 1 kw Masse 120 kg Platzbedarf: 490 x 910 x 422 mm III. Modellierung einer mkwk (PhD B. Andlauer) 3.1) Warum ein neues Modell? Brennwertkessel STIRLING- MOTORE Entwicklungsfähigkeit Energiequelle Genauigkeit mkwk-modell Schnelligkeit EINGANG Gebrauchte Leistung Einfachheitder Parametrierung ABGANG Thermische Leistung Elektrische Leistung Brennstoffleistung 16 16

9 3.2) Einbeziehung der verschiedenen Betriebsphasen Combustion Puissance thermique Puissance électrique Arrêt Préchauffage Fonctionnement normal Refroidissement Arrêt Temps ) Betrachtung der Modellierung Blockheitzkraftwerk Thermische Leistung [MC] int Hindurchtretender Fluss Output => 37-Parameter-Modell 18 18

10 3.4) Versuchscharakterisierung ) Validierung des Modells durch Versuche 7000 Entwicklung der thermischen Leistung 6000 Puissance thermique (W) Modell Messe Temps (s) Q_HX expérimental Q_HX 20 20

11 3.6) Integrierung des Modells in einem Simulierungsumfeld (TRNSYS) mkwk Gebäude Speicherung IV. Kopplung Gebäude/ mkwk Ergebnisse von Simulierungen 4.1) Daten und Voraussetzungen Eigentumswohnung/ 5-köpfige-Familie Heizbedarf: Ort : Strasbourg Leistungsniveau: neue und alte Warwasserbedarf: nach NF EN Strombedarf: nach dem «high»-profil des Anhanges 42 von der AIE (Internationale Agentur für Energi 22 22

12 4.2) Darstellung des Systemes mkwk Zusatzheiz -kessel P = kw kw Heizung Speicherung Warmwasser Kaltwasser V = 250 Ll Strom Gas mkwk: STIRLING-Motor : Thermische Leistung = 5 kw / Elektrische Leistung = 1 kw ) Ergebnisse Energy Need Micro-cogeneration Boiler Heating Electricity Gaz Auxiliary Heating DHW Electricity production production delivered gaz [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] delivered New house Old house Jährliche Ergiebigkeit des Motors : 86 % Elektrische Leistung: Neu : 20 % der Bedürfnisse Alt : 40 % der Bedürfnisse Selbstverbrauch / Wiederverkauf?? 24 24

13 Elektrische Leistung: Selbstverbrauch / Wiederverkauf?? Im franz. Zusammenhang (Übernahmetarif: 8,56 c /kwh elec) Export von mehr als 1600 kwhe pro Jahr (die Anschluss- und Anmeldungskosten ) Electricity produc on [ kwh] Erzeugung Teil vom Selbstverbrauch Export 1600 kwh Hea ng and DHW need [kwh/year] V. Schlussfolgerung / Perspektiven 4.1) Schlussfolgerung Vorteil der mkwk Vorteil eines dynamischen Modells Anwendung zu einer Eigentumswohnung 26 26

14 4.2) Perspektiven Simulierungen mit anderen Gebäudetypologien Andere mkwk-technologie : Rankine Brennstoff : Holzpellets Elektrische Leistung : 0,3 à 1,6 kw Thermische Leistung : 3 à 16 kw Erzeugung: -Heizung -Warmwasser -Strom Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 28