DIE STROMERZEUGENDE HEIZUNG KWK-TECHNOLOGIEN IM ÜBERBLICK
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- Alfred Meissner
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1 DIE STROMERZEUGENDE HEIZUNG KWK-TECHNOLOGIEN IM ÜBERBLICK Dipl.-Ing. Frank Erler DBI - Gastechnologisches Institut ggmbh Freiberg An-Institut der TU Bergakademie Freiberg Energiekonferenz Borsdorf, 15. November 2012
2 Standorte Standort Leipzig DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH Karl-Heine-Straße 109/111 D Leipzig Leipzig Freiberg Standort Freiberg DBI - Gastechnologisches Institut ggmbh Freiberg (100 % Tochter der GUT) Halsbrücker Straße 34 D Freiberg Energiekonferenz der HWK zu Leipzig 2
3 Fachgebiete Grundlagenforschung und Entwicklung Gutachten und Beratung Aus- und Weiterbildung Prüfung und Zertifizierung Energiekonferenz der HWK zu Leipzig 3
4 Fachgebiete Öl-/Gasförderung/ Gasspeicherung - Exploration und Bewertung von Gas- und Öllagerstätten - Planung und Entwicklung von Untergrundgasspeichern - Modellierung von geologischen Gasspeicherstrukturen - CCS-Technologie Standortbewertungen Gasnetze/Gasanlagen - Planung von Erdgastransport und -verteilnetzen - Technisch-wirtschaftliche Zustandsanalyse von Gasnetzen und Zustandsorientierte Instandhaltung von Druckreglersystemen - Planung von Übertageanlagen an UGS (Verdichtung, Gasaufbereitung) Gasanwendung - Entwicklung und Monitoring von Geräten und Komponenten der dezentralen Energieversorgung - Optimale Technologien zur Kombination von Erdgas und Erneuerbaren Energien - Steigerung Energieeffizienz in industriellen Thermoprozessanlagen (OPTISOS) Energiekonferenz der HWK zu Leipzig 4
5 Fachgebiete Gaschemie /Gasmesstechnik - Entwicklung von Technologien zur Aufbereitung von Gasen (Trocknung, Entschwefelung) - Planung und Engineering von Verfahren zur Aufbereitung von Gasen und Flüssigkeiten - Gasqualitätsmessungen Freiberger DVGW-Trainingszentrum Erdgas - Aus- und Weiterbildung von Mitarbeitern in Rohrleitungsund Tiefbauunternehmen sowie von Rettungsdiensten - Schulungen für Betreiber von Gasanlagen - Baggerschadendemonstrationsanlage zum Havarietraining an beschädigten Gasleitungen DVGW-Prüflaboratorium Energie - Akkreditiertes Prüflabor für Geräte und Armaturen nach Gasgeräterichtlinie - Prüflabor für Verbrauchseinrichtungen von festen und flüssigen Brennstoffen - Prüflabor für Druckgeräte und Armaturen Energiekonferenz der HWK zu Leipzig 5
6 Gliederung Was ist Kraft-Wärme-Kopplung? Warum Kraft-Wärme-Kopplung? Schematischer Aufbau Überblick Technologien der Mini- und Mikro-KWK Betriebsverhalten von Mikro-KWK-Anlagen Aktuelle Anlagensysteme DVGW-Demonstrationszentrum Gastechnologien am DBI Freiberg Energiekonferenz der HWK zu Leipzig 6
7 Was ist Kraft-Wärme-Kopplung? Gleichzeitige Erzeugung und Nutzung von Wärme und Elektroenergie aus einem Primärenergieträger Dezentrale Erzeugung - möglichst in der Nähe der Verbraucher beider Energiearten Mikro-KWK-Anlage im Einfamilienhaus [Quelle: ASUE] Energiekonferenz der HWK zu Leipzig 7
8 Warum Kraft-Wärme-Kopplung? [Quelle: ASUE] Energiekonferenz der HWK zu Leipzig 8
9 Schematischer Aufbau Unterschiedliches Temperaturniveau der Abwärme bei KWK- Technologien C bei vielen innovativen Technologien < C bei motorischen BHKW C bei Mikro- Gasturbinen Schematischer Aufbau einer BHKW-Anlage [Quelle: ASUE] Energiekonferenz der HWK zu Leipzig 9
![Mikro-Gasturbinen [Quelle: ASUE] Brennstoffzellen](/docs-images/71/65347568/images/10-3.jpg "SOFC-Brennstoffzelle PEM-Brennstoffzelle inhouse5000 [Quelle: RBZ]")
10 Überblick Technologien der Mini- und Mikro-KWK Wärme-Kraft-Maschinen Verbrennungsmotoren (interne Verbrennung) Gas-Otto-Motoren Diesel-Motoren Stirlingmotoren (externe Verbrennung) Dampfexpansionsmaschinen (externe Verbrennung) Mikro-Gasturbinen [Quelle: ASUE] Brennstoffzellen SOFC-Brennstoffzelle PEM-Brennstoffzelle inhouse5000 [Quelle: RBZ] BlueGen [Quelle: CFC] Energiekonferenz der HWK zu Leipzig 10
11 Betriebsverhalten von Mikro-KWK-Anlagen Prinzipbedingte Unterschiede Betriebsverhalten Typische Kennziffern Betriebsverhalten Beurteilung einer gesamten Betriebsphase Verläufe von Energiebezug und einspeisung 4 Teilphasen - Vorwärmen - Anlauf - Regelbetrieb - Nachlauf Energiekonferenz der HWK zu Leipzig 11
12 Betriebsverhalten von Mikro-KWK-Anlagen Betriebsphasen einer Mikro-KWK-Anlage (Stirlingmotor) [Quelle: Messungen DBI-GTI] Energiekonferenz der HWK zu Leipzig 12
13 Betriebsverhalten von Mikro-KWK-Anlagen Typische Kennziffern und Betriebsverhalten [Quelle: Messungen DBI-GTI] Energiekonferenz der HWK zu Leipzig 13
14 Betriebsverhalten von Mikro-KWK-Anlagen Regelbetrieb einer Mikro-KWK-Anlage [Quelle: Messungen DBI-GTI] Energiekonferenz der HWK zu Leipzig 14
15 Betriebsverhalten von Mikro-KWK-Anlagen Jahresgang Wärme- und Stromerzeugung [Quelle: Messungen DBI-GTI] Energiekonferenz der HWK zu Leipzig 15
16 Aktuelle Anlagensysteme Geräteübersicht der ASUE (Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.v.) Auflistung von 30 Mikro-KWK-Anlagen (elektr. Leistung 0,2 20 kw) Markteinstiegsphase bzw. Markteinstieg absolviert: 13 Geräte In Entwicklung / Testphase: Unterteilung nach Antriebstechnologien 12 Verbrennungsmotoren 11 Stirlingmotoren 5 Brennstoffzellen 1 Freikolben-Dampfmaschine 1 Mikrogasturbine 17 Geräte Quelle: November 2011 Energiekonferenz der HWK zu Leipzig 16
17 Aktuelle Anlagensysteme Auszug aus der Geräteübersicht Quelle: ASUE Energiekonferenz der HWK zu Leipzig 17
18 Aktuelle Anlagensysteme Liste der förderfähigen KWK-Anlagen bis einschließlich 20 kw el (BAFA - Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle) Förderung von KWK-Anlagen, die in der Auflistung enthalten sind Serienmäßig hergestellte Geräte (keine Eigenbauanlagen und Prototypen) Voraussetzungen: Einhaltung der Anforderungen der jeweils gültigen TA-Luft. Übertreffen der Anforderungen der EU-Richtlinie für Kleinstanlagen: - Primärenergieeinsparung (gemäß EU-Richtlinie) von mindestens 15 % für Anlagen kleiner 10 kwel. - Primärenergieeinsparung (gemäß EU-Richtlinie) von mindestens 20 % für Anlagen von 10 bis einschließlich 20 kwel. - ein Gesamtnutzungsgrad von mindestens 85 %. Energiekonferenz der HWK zu Leipzig 18
19 Aktuelle Anlagensysteme Auszug aus der Geräteliste Quelle: BAFA Energiekonferenz der HWK zu Leipzig 19
20 Aktuelle Anlagensysteme Oben v.l.: WhisperGen - Efficient Home Energy (Stirling- Motor); Evita De Dietrich Remeha GmbH (Stirling-Motor mit Brennwertkessel); ecopower 1.0 Vaillant GmbH (Otto-Motor) Unten v.l.: Dachs G5.5 - SenerTec GmbH (Otto-Motor), ecopower 4.7 Vaillant GmbH (Otto-Motor); lion-powerblock - lion energy GmbH & Co. KG (Freikolben- Dampfmaschine) [Quellen: Hersteller] Energiekonferenz der HWK zu Leipzig 20
21 Einbindung der Geräte in die Hausinstallation Zielgruppe für den gegenwärtigen Einsatz Ein- und Mehrfamilienhäuser Wärmebedarf (Heizung und Warmwasser): Strombedarf kwh/a > kwh/a Einordnung in die Hausinstallation Spitzenlastkessel nicht zwingend erforderlich, der Bedarf ist abhängig vom Nutzerverhalten und Größe der beheizten Fläche (bestehende Geräte können ggf. in Betrieb bleiben) Kombination mit Spitzenlastkessel im Parallelbetrieb oder als Rücklaufanhebung (bei Brennwertnutzung ineffizient) Vorsehen eines Kombispeichers für Heizung und Warmwasser (Speichervolumen von Gerät und Objekt abhängig) Energiekonferenz der HWK zu Leipzig 21
22 Einbindung der Geräte in die Hausinstallation Regelungstechnische Einbindung Strom- oder wärmegeführte Betriebsweise: Stromgeführt: Leistungsabgabe richtet sich nach dem lokalen Strombedarf, z.b. Abfahren von Lastspitzen, Abgabe nicht nutzbarer Wärme an die Umwelt Wärmegeführt: KWK-Geräte arbeiten in Abhängigkeit vom Wärmebedarf als Grundlastwärmeerzeuger, erzeugte Elektroenergie wird im Objekt genutzt oder in das öffentliche Netz eingespeist Eingesetzte Regelungen: Vielfach in den Geräten integriert oder als Zubehörteil erhältlich z.t. herkömmliche Kesselregelungen oder Heizkreisregler Einbindung in übergeordnete Regelsysteme mit zentraler Heizungsreglung KWK-Gerät bei Wärmebedarf als erstes Gerät angefordert (Zuschaltung Spitzenkessel bei höherem Wärmebedarf) Abschaltung bei Überschreiten der Sollvorlauftemperatur Energiekonferenz der HWK zu Leipzig 22
23 Einbindung der Geräte in die Hausinstallation Kriterien für den optimalen Betrieb Abstimmung der Pumpenleistungen und Strömungsverhältnisse im Heizungssystem (hydraulischer Abgleich) Häufige Schaltvorgänge vermeiden, möglichst lange Laufzeiten je Schaltvorgang (Einsatz Kombispeicher) Nutzerverhalten Vermeidung von Spitzenverbräuchen Optimale Einstellung der Heizungsthermostaten Optimale Programmierung des Gerätes, angepasst an das Nutzerverhalten Energiekonferenz der HWK zu Leipzig 23
24 Einbindung der Geräte in die Hausinstallation Handhabung für den Installateur Einbaumaße sind für übliche Heizungsräume kein Hindernis. Gerätemasse ist deutlich höher als vergleichbare Gaskessel. Einbau der Geräte in vorhandene Heizungssysteme bei gewissenhafter Planung problemlos möglich. Einbau zusätzlicher Kombispeicher Geringfügig höherer Aufwand durch zusätzliche Installationsarbeiten (Rückspeisezähler, bzw. gesonderter Zweiwegezähler, zusätzlicher Gaszähler bei Installation eines zusätzlichen Spitzenlastkessels) Wartung Fernwartung über Internet, oder Telefon (Mobilfunk) ist bei vielen Geräten durch den Installateur möglich, erlaubt zielgerichtete Diagnose für den Austausch von defekten Teilen. Optimierung ist auf dem gleichen Weg möglich. Energiekonferenz der HWK zu Leipzig 24
25 Einbindung der Geräte in die Hausinstallation Paralleler Anschluss von Wärmeerzeugern und Verbrauchern bei Brennwert- und Niedertemperaturkesseln (für die meisten Anwendungen geeignet) [Quelle: ASUE] Energiekonferenz der HWK zu Leipzig 25
26 Einbindung der Geräte in die Hausinstallation Quelle: Ceramic Fuel Cells GmbH (CFC) Energiekonferenz der HWK zu Leipzig 26
27 DVGW-Demonstrationszentrum Gastechnologien am DBI Freiberg Im Rahmen der DVGW-Innovationsoffensive wurden innovative Systeme für die Wärme- und Stromerzeugung untersucht. Die Systeme sollten einer breiten Öffentlichkeit vorgestellt werden. Zielstellung: Demonstration moderner Gas-Technologien im laufenden Betrieb Vorstellung der Verfahren sowie ihrer besonderen Vorteile in Bezug auf den Anwendungsfall Zielgruppen: DVGW-Mitglieder, Mitarbeiter von Gasversorgungsunternehmen, Installateure Ausbildung von Schülern und Studenten Mitarbeitern von Behörden Energiekonferenz der HWK zu Leipzig 27
28 DVGW-Demonstrationszentrum Gastechnologien am DBI Freiberg (3) (1) (5) (2) (4) Gaswärmepumpe (1) Viessmann VITOSORP 200-F Brennstoffzelle (2) CFC BlueGen Mikro-KWK (3) Remeha Evita 25s (4) EHE WhisperGen (5) lion energy lion Powerblock Energiekonferenz der HWK zu Leipzig 28
29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ihr Ansprechpartner Dipl.-Ing. Frank Erler DBI - Gastechnologisches Institut ggmbh Freiberg Halsbrücker Straße 34 D Freiberg Projektleiter 324 Tel.: (+49) Fax: (+49) Web: frank.erler@dbi-gti.de
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