Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinenbasierten

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1 DLR.de Folie 1 Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinenbasierten BHKWs VDI Technische Gebäudeausrüstung Stuttgart, Dr. Andreas Huber Abteilungsleiter Gasturbine Institut für Verbrennungstechnik, DLR

2 DLR.de Folie 2 Agenda BHKW Technologien, Einsatzgebiete & Potentiale Aktueller Stand und Anforderungen an zukünftige BHKWs Mikrogasturbinen-basierte BHKWs aktuelle Entwicklungen

3 DLR.de Folie 3 Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs Motivation für die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Vergleich von KWK-Anlagen und zentraler Stromerzeugung / dezentraler Wärmeerzeugung Erhöhung der Gesamteffizienz Vermeidung von Netzwerkverlusten Reduktion von Schadstoffemissionen und Treibhausgasen Erhöhung der Versorgungssicherheit Zentrales KW Heizung KWK

4 DLR.de Folie 4 Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs Motivation für die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Primärenergieeinsparung (PEE) abhängig von: thermischem & elektrischem Nutzungsgrad der KWK-Anlage thermischem & elektrischem Nutzungsgrad der getrennten Erzeugung Korrekturfaktoren für Netzeinspeisung und Eigenverbrauch thermischer Deckung der KWK-Anlage dem Anteil des eingespeisten Stroms CO 2 Einsparung abhängig vom Referenzwert Beispiel: Erdgas-BHKW mit η el = 30%, η th = 60% PEE = ca. 21 %* CO 2 Reduktion um 33** - 46% (Strommix) * Quelle: EU [1], [2]; VDI [3]: Thermischer Deckungsgrad 80%, Referenz Heizung 90%, Referenz Strom 53% ** Stromeinspeisung 20%, Strombezug 20%

5 DLR.de Folie 5 Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs Technologien und Einsatzgebiete Motor (Gas-Ottomotor, Selbstzünder (Öl, Dieselmotor)) Dampfexpansionsmaschine Dampfmotor / Turbine Stirlingmotor Mikrogasturbine (MGT) Gasturbine (GT) Brennstoffzellen (SOFC, PEMFC, ) 1 kw 100 kw Feldtests / Markteinführung 1 MW Elektrische Leistung

6 DLR.de Folie 6 Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs Technologien und Einsatzgebiete Einsatzgebiete in Wohngebäuden, Bürogebäuden, Krankenhäusern, Schulen, Schwimmbädern, Hotels, Gaststätten, Landwirtschaft für Privatpersonen, Kommunen, GHD & Industrie Betriebsweisen Wärmegeführt Stromgeführt Virtuelle Kraftwerke Einsatzbereiche Wärmeerzeugung Kälteerzeugung Dampferzeugung Trocknung CO 2 Düngung

7 DLR.de Folie 7 Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs Technologien und Einsatzgebiete Mini-KWK [Quelle: BHKW-Consult [4]]

8 DLR.de Folie 8 Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs KWK Stromerzeugung in Deutschland Stromerzeugung (Netto) [TWh] 700,0 600,0 500,0 400,0 300,0 200,0 100,0 0,0 Stromerzeugung (Gesamt) KWK Stromerzeugung Anteil KWK 24,0 22,0 20,0 18,0 16,0 14,0 12,0 10,0 [%] [Quelle: BMWi]

9 DLR.de Folie 9 Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs Potential in Deutschland Private Haushalte und GHD [Quelle: IFAM/Prognos/IREES [6]] Objekt- und Netz-KWK bei Annahme eines 90% Anschlussgrades

10 DLR.de Folie 10 Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs Aktueller Stand / Hemmnisse Schwierige wirtschaftliche Rahmenbedingungen: KWK Index Q1/2015: 3,21 ct/kwh Durchschnittspreis (EUR/MWh) Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q [Quelle: EPEX]

11 DLR.de Folie 11 Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs Aktueller Stand / Hemmnisse EEG Umlage Investitionsintensive Technologie: Konkurrenz mit günstigeren Heizungstechnologien Mangelnde Bekanntheit hoher Akquisitionsaufwand Komplexe Förderstruktur Hoher Verwaltungsaufwand und Bürokratie Mangel an qualifizierten Handwerkern Unsicherheiten durch Gesetzesänderungen [Quelle: prognos, ifeu, BHKW-consult [5]]

12 DLR.de Folie 12 Anforderungen an zukünftige BHKWs Entwicklung der Einspeisung der erneuerbaren Energien Leistung [GW] Geothermie Holz-/Müll-HKW Wasserkraft Onshore-Wind Offshore-Wind Photovoltaik Last Import/Export Leistung [GW] Geothermie Holz-/Müll-HKW Wasserkraft Onshore-Wind Offshore-Wind Photovoltaik Last Import/Export Jahr Jahr /09 27/09 29/09 01/10 03/10 05/10 07/10 Tag/Monat 25/09 27/09 29/09 01/10 03/10 05/10 07/10 Tag/Monat [Daten aus: DLR / IWES / IFNE [7]] Große Fluktuationen von Wind / PV Leistung (inkl. Schwachwindphasen) Große zeitliche Lastgradienten

13 DLR.de Folie 13 Anforderungen an zukünftige BHKWs Bedarf zukünftiger konventioneller Kraftwerksleistung Bruttostromerzeugung / Stromerzeugungskapazitäten Bruttostromerzeugung [TWh/a] 600,0 500,0 400,0 300,0 200,0 100,0 0,0 k. KW KWK EE-Wasserstoff Import EE Photovoltaik Windenergie Laufwasser KWK Biomasse KWK Gas/Kohle/Müll Erdgas/Öl kond. Braunkohle kond. Steinkohle kond. Kernenergie Leistung [GW] konv. KW Bedarf an gesicherter Leistung Leistungsbedarf konv. Kraftwerke [Daten aus: DLR / IWES / IFNE [7]] Konventionelle Kraftwerke decken verbleibende Residuallast mit hohem Leistungsbedarf (Spitzenlast) - bei geringer Stromproduktion! starke Reduktion von Grund-/Mittellast

14 DLR.de Folie 14 Anforderungen an zukünftige BHKWs Entwicklung der Volllaststunden Häufigkeitsdichte Kernkraft (n = 6) Braunkohle (n = 22) Steinkohle (n = 40) Erdgas GuD (n = 34) Erdgas GT (n = 39) PSWTurb KWK (n = 77) BHKW Biogas Jahr 2020 Jahr 2050 Häufigkeitsdichte Braunkohle (n = 3) Steinkohle (n = 4) Erdgas GuD (n = 21) Erdgas GT (n = 41) PSWTurb KWK (n = 43) BHKW Biogas Volllaststunden [h] Volllaststunden [h] Reduktion der Volllaststunden Erhöhung der Startvorgänge (Kaltstart, Warmstart) Deutlich reduzierte Wirtschaftlichkeit, kürzere Lebensdauer [Quelle: DLR / IWES / IFNE [7] ]

15 DLR.de Folie 15 Anforderungen an zukünftige BHKWs Entwicklung der KWK Stromerzeugung KWK-Stromerzeugung (netto) [TWh/a] ,5% 25,3% 26,3% 22,8% 18,6% 30% 25% 20% 15% 10% 5% Öff. FW HKW Öff. (NW, FW) BHKW > 50 kwel Objektversorgung BHKW < 50 kwel Industrie Kohle/ Müll Erdgas, Öl, etc. Biomasse Geothermie Anteil KWK % [Quelle: DLR / IWES / IFNE [7]] Zunahme des Anteils von BHKWs in der öffentlichen Versorgung

16 DLR.de Folie 16 Anforderungen an zukünftige BHKWs Flexibilisierung der KWK-Anlagen Trennung Strom- & Wärmeerzeugung stromgeführte BHKWs mit Wärmespeicher Verringerung der Minimallast Optimierung des Teillastbetriebs Steigerung der elektrischen Effizienz Reduktion der Abgasemissionen Brennstoffflexibilität Langzeitspeicher Power to Gas/Liquids Einsatz von Brennstoff verschiedener Qualitäten / Brennstoffschwankungen Inselbetrieb bei Netzstörungen und Abschaltungen

17 DLR.de Folie 17 Anforderungen an zukünftige BHKWs Flexibilisierung der KWK-Anlagen Erhöhung der Lebensdauer, insbesondere in Bezug auf erhöhte Anzahl der Startvorgänge und Lastwechsel Wirtschaftlichkeit verringerte Betriebszeiten Erhöhung des Stromeigenverbrauchs Virtuelle Kraftwerke Bereitstellung von Regelenergie Lokale Netzentlastung

18 DLR.de Folie 18 Anforderungen an zukünftige BHKWs Wirtschaftlichkeit von KWK Anlagen 50 kwel Motor-BHKW, Wirkungsgrad: 34% elektrisch, 57% thermisch, Verzinsung 12%, mit KWK Zuschlag [Quelle: IFAM/Prognos/IREES [6]]

19 DLR.de Folie 19 Mikrogasturbinen-basierte BHKWs Aufbau und Funktionsprinzip Verdichter Rekuperator Generator Turbine Brennkammer [Quelle: Turbec]

20 DLR.de Folie 20 Mikrogasturbinen-basierte BHKWs Vor- und Nachteile + Geringe Wartungskosten + Kompakte Bauweise / geringes Gewicht + Hohe Brennstoffflexibilität + Geringe Schadstoff- / Lärmemissionen + Sehr gutes Teilastverhalten + Hohes Abwärmenutzungspotential (Abwärme im Abgas enthalten / hohe Abgastemperaturen) + Hoher Gesamtwirkungsgrad + Hohe Einsatzflexibilität: Kosten - Wirkungsgrad Erdgas Im Vergleich zum Gasmotor Erdgas und H 2 (70% vol ) - Geringerer elektrischer Wirkungsgrad - Höhere Investitionskosten (Stückzahl)

21 DLR.de Folie 21 Mikrogasturbinen-basierte BHKWs Vergleich elektrischer Wirkungsgrad Elektrischer Wirkungsgrad [%] Elektrische Leistung [MW]

22 DLR.de Folie 22 Mikrogasturbinen-basierte BHKWs Aktuelle Hersteller Capstone (USA): C30 (30 kw), C65 (65 kw), C200 (200 kw) Ansaldo Energia (Italien) (ehemals Turbec): AE-T100 (100 kw) Dürr (Deutschland): Compact Power System (100 kw) Micro Turbine Technology BV (MTT), EnerTwin 3 kw el

23 DLR.de Folie 23 Mikrogasturbinen-basierte BHKWs Aktuelle Entwicklungen am DLR ( Entwicklung von effizienten, schadstoffarmen und brennstoffflexiblen Brennersystemen für konventionelle und alternative Brennstoffe, z.b. Erdgas, Diesel, Kerosin Biogene Schwachgase (Biogas, Holzgas, etc.) Industrielle Abluft (VOCs) Optimierung konventioneller MGT-BHKW Systeme Entwicklung innovativer MGT-BHKW / APU Konzepte 1 kw el MGT-BHKW für den Einsatz im Einfamilienhaus Hybrid-Kraftwerk (Kopplung MGT & SOFC) Range Extender APU

24 DLR.de Folie 24 Mikrogasturbinen-basierte BHKWs für Erdgas Heizkraftwerk Leonberg Projektziele: Entwicklung einer last- und brennstoffflexiblen Mikrogasturbine Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades Neuentwicklung eines Rekuperators Neuentwicklung eines FLOX Brennkammersystems Analyse von Abwärmenutzungskonzepten Erprobung des FLOX -BKS am DLR Rekuperatorprototyp Demonstrationskraftwerk der EnBW (HKW-Leonberg)

25 DLR.de Folie 25 Mikrogasturbinen-basierte BHKWs für Erdgas Heizkraftwerk Leonberg Numerische Analyse des HKW-Leonberg Hydraulischer Kreislauf des HKW-Leonberg

26 DLR.de Folie 26 Nachhaltiges dezentrales Holzvergaserkraftwerk mit gekoppelter Mikrogasturbine Demonstrations-Kraftwerk: Kopplung MGT mit Holzvergaser Charakterisierung von Anlagenbetrieb und Wirtschaftlichkeit Entwicklung eines Brennkammersystems für Holzgas Optimierung der Produktgasreinigung Untersuchung des Vergasungsverhaltens verschiedener Substrate

27 DLR.de Folie 27 MGT-basiertes Holzvergaserkraftwerk Aufbau

28 DLR.de Folie 28 MGT-basiertes Holzvergaserkraftwerk FLOX Brennkammersystem Weltweit erstes Holzgas-FLOX * Brennkammersystem erfolgreich in MGT getestet Niedrige Emissionsgrenzwerte im gesamten Betriebsbereich * eingetragenes Warenzeichen der WS Wärmeprozesstechnik GmbH

29 DLR.de Folie 29 MGT-basiertes Holzvergaserkraftwerk MGT-Holzvergaserkraftwerk Weitere Infos unter: T. Zornek, T. Monz, M. Aigner, Effizient, flexibel, sauber: Flox- Brennkammersysteme für Mikrogasturbinen, BWK Bd.66 (2014) Nr.9

30 DLR.de Folie 30 Mikrogasturbinen-basierte BHKWs Hybrid-Kraftwerk: Kopplung SOFC und MGT Aufbau und Demonstration eines real-gekoppelten Kraftwerks Charakterisierung der Versuchsanlagen (MGT & SOFC) und der Gesamtanlage Entwicklung von Betriebsstrategien

31 DLR.de Folie 31 Hybrid-Kraftwerk: Kopplung SOFC und MGT Anlagenkonzept

32 DLR.de Folie 32 Hybrid-Kraftwerk: Kopplung SOFC und MGT Motivation Elektrischer Wirkungsgrad [%] SOFC Temperatur [K] Betriebsbereich Effizienz SOFC Temperatur Elektrische Leistung [kw] SOFC/MGT Kraftwerk (700 kw el ) Hochflexibles, hocheffizientes kombiniertes Grundlast- und Spitzenlastkraftwerk für die zukünftigen Anforderungen

33 DLR.de Folie 33 Hybrid-Kraftwerk: Kopplung SOFC und MGT Herausforderung Entwicklung einer gekoppelten Betriebs- und Regelungsstrategie der deutlich unterschiedlichen Systeme Thermische Trägheit der SOFC bei Start- und Stoppmanövern Druckempfindlichkeit der SOFC zwischen Anode & Kathode Erhöhtes Risiko von Verdichterinstabilitäten ( Verdichterpumpen ) der MGT Vermeidung von Bauteilschäden (SOFC Stacks, MGT Verdichter) bei dynamischen Laständerungen Ziel: Umsetzung einer Demonstrationsanlage eines Hybrid- Kraftwerks mit ca. 30 kw elektrischer Leistung bis 2017

34 DLR.de Folie 34 Hybrid-Kraftwerk: Kopplung SOFC und MGT Stand der Forschung & Entwicklung SOFC Betriebskonzept: Aufheizen der SOFC Ventilstellung [%] relativer Druckverlust [%] Temperatur [ C] Kaltgasstrang [%] Heissgasstrang [%] Bypassstrang [%] Rel. Druckverlust [%] SOFC Einlasstemperatur [ C] Zeit [s]

35 DLR.de Folie 35 Mikrogasturbinen-basierte BHKWs MGT- μbhkw für den Einsatz im Einfamilienhaus Entwicklung und Aufbau eines Mikro-BHKW Demonstrators mit 1 kw elektrischer Leistung Experimentelle Charakterisierung einer inversen Mikrogasturbine Entwicklung und Bewertung von Betriebskonzepten Abschätzung der Kosten der Komponenten und des Gesamtsystems Mittel- und langfristig erreichbare elektrische Wirkungsgrade: 20-25%

36 DLR.de Folie 36 MGT- μbhkw für den Einsatz im Einfamilienhaus Potential - Einsatzmöglichkeiten EFH Elektrische Leistung: mehr als 84 % unterhalb 1 kw (92% unterhalb 1,5 kw)* Thermische Leistung: mehr als 61% unterhalb 5 kw (98% unterhalb 10 kw)* * VDI 4656: Mittlere Werte Einfamilienhaus (17357 kwh Wärme, 5388 kwh Strom)

37 DLR.de Folie 37 MGT- μbhkw für den Einsatz im Einfamilienhaus Herausforderungen MGT μbhkw mit 1 kw el Turbokomponenten können nicht beliebig verkleinert werden, da Fertigungstoleranzen Sinkendes Druckniveau Größere Leckage-Verluste zu einer deutlich reduzierten Effizienz / Wirtschaftlichkeit führen würden Lösung: Subatmoshärische MGT nach dem Prinzip des Inverted Bryton Cycle (IBC)

38 DLR.de Folie 38 MGT- μbhkw für den Einsatz im Einfamilienhaus Invertierter Brayton Cycle (IBC) mit Spitzenlastkessel Wasser Abgas Wärmetauscher Brennkammer Brennstoff Spitzenlastkessel Wasser Generator Wärmetauscher AGR Verdichter Turbine Rekuperator Luft Abgas

39 DLR.de Folie 39 MGT- μbhkw für den Einsatz im Einfamilienhaus Vorteile der subatmosphärischen MGT Geringere Dichte (im Vergleich zum druckaufgeladenen System) führt bei baugleichen Turbokomponenten zu: einem geringeren Massenstrom und damit zu einer reduzierten Leistung bei ähnlichen Wirkungsgraden Verbrennung in der Brennkammer bei Umgebungsdruck kein Brennstoffkompressor notwendig Besonders geeignet für: Abgasrückführung und Brennwerttechnik Schwachgase (z.b. Holzgas)

40 DLR.de Folie 40 MGT- μbhkw für den Einsatz im Einfamilienhaus Einfluss der Abgasrezirkulation (EGR) Kondensation Ziel: möglichst hoher Gesamtwirkungsgrad ( stromerzeugende Heizung ) EGR für Brennwerttechnik

41 DLR.de Folie 41 Mikrogasturbinen-basierte BHKWs Zusammenfassung KWK Kraftwerke (insbesondere dezentrale BHKW) leisten einen entscheidenden Beitrag zu Effizienzsteigerung, CO 2 Reduktion und Versorgungssicherheit Zukünftige Randbedingungen erfordern eine Erhöhung der Flexibilisierung von BHKWs bei gleichzeitig reduzierten Betriebsstunden und erhöhten Startvorgängen aufgrund geringer gesicherter Leistung durch Erneuerbare Energien Mikrogasturbinen-basierte BHWKs zeigen ein hohes Potential die zukünftigen Anforderungen in Bezug auf Brennstoff-, Lastflexibilität und Emissionen in einem großen Leistungsbereich zu erfüllen

42 DLR.de Folie 42 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR) Institut für Verbrennungstechnik Pfaffenwaldring Stuttgart Dr. Andreas Huber Abteilungsleiter Gasturbine Quelle: DLR

43 DLR.de Folie 43 > Mikrogasturbinen-basiertes BHKW > A. Huber Referenzen [1] Richtlinie 2004/8/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 11. Februar 2004 [2] Durchführungsbeschluss der Kommission vom 19. Dezember 2011 zur Festlegung harmonisierter Wirkungsgrad-Referenzwerte für die getrennte Erzeugung von Strom und Wärme in Anwendung der Richtlinie 2004/8/EG [3] VDI Statusreport 2013, Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, Oktober 2013 [4] Mini-KWK 2014, Vortag Mini-BHKW Kongress, , BHKWconsult [5] Aktuelle Chance und Hemmnisse für Mini-KWK, Vortrag Mini-KWK Energie effizient nutzen, , ifeu, prognos, BHKW-consult

44 DLR.de Folie 44 Referenzen [6] Potential- und Kosten-Nutzen-Analyse zu den Einsatzmöglichkeiten von Kraft-Wärme-Kopplung sowie Evaluierung des KWKG im Jahr 2014, IFAM, Prognos, IREES, BHKW-Consult, Oktober 2014 [7] Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global, DLR, IWES, IFNE, März 2012