Mikro-KWK Systeme als ein Baustein für die dezentrale Energieversorgung Eine Bestandsanalyse

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1 Mikro-KWK Systeme als ein Baustein für die dezentrale Energieversorgung Eine Bestandsanalyse Dr.-Ing. habil. J. Seifert / Dipl.-Ing. A. Meinzenbach / Dipl.-Ing. J. Haupt Graz, den

2 Inhalt des Vortrages Inhalt des Vortrages: 1. Einleitung / Bilanzierung 2. Messtechnische Analyse 2.1 statische Analysen 2.2 dynamische Analysen 2.3 Thermographieaufnahmen 3. Numerische Analysen 4. Wirtschaftlichkeit 5. Fazit Graz, den Seifert / Meinzenbach / Haupt Folie 2

3 1. Einleitung / Bilanzierung Stirling-Motoren Motorische BHKW Brennstoffzellen 10% < h el <15% 20% < h el < 30% 30% < h el 80% < h th <90% 60% < h th < 70% 25% < h th < 70% geringe Anzahl am Markt verfügbarer Geräte Brennstoffzellen für den Gebrauch in EFH- und MFH nicht einsetzbar (Flexibilität) Kostensituation stark unterschiedlich / Problem: Wirtschaftlichkeit?? Messtechnische / numerische Untersuchungen zwingend notwendig Graz, den Seifert / Meinzenbach / Haupt Folie 3

4 1. Einleitung / Bilanzierung Bilanzierung von Mini- und Mikro BHKW Systemen Thermische Bilanz: Q Q 1 Q 2 Brutto- und Nettowirkungsgrade: h N P m el B Q H i h B P el P H Q Q m H B i AG Q V Prinzipieller Aufbau eines motorischen BHKW I in ma P in W Gasventil 80 18,4 Hauptschütz 25 5,75 Kondensatorschütz 90 20,7 Schaltschrank ,05 Lambda - Regelung ,15 Gesamt ,05 Hilfsenergieaufwand eines Mikro-BHKW Graz, den Seifert / Meinzenbach / Haupt Folie 4

5 hydraulische Weiche 2. Messtechnische Analyse 2. Messtechnische Analyse - Aufbau des Versuchsstandes T T V. Brennstoffzufuhr Abgasabfuhr Mini- oder Mikro-KWK Speicher Rückkühlung Kondensat Gerät Elektroenergie P V. T T V. Versuchsstandaufbau mit allen signifikanten Messgrößen zur Erfassung des Betriebsverhaltens und der energetischen Effizienz [Quelle: Seifert, J; Meinzenbach, A., et al.: Smart-Energy-Management ] Graz, den Seifert / Meinzenbach / Haupt Folie 5

6 2. Messtechnische Analyse mircrobhkw L 4.12 ecopower 1.0 Vitotwin WhisperGen Motorische Blockheizkraftwerke Kombigeräte (Stirling) Messtechnische statische / dynamische Analyse am Beispiel des L-BHKW s der Firma Kirsch (L-BHKW luftgekühltes Motorenkonzept) Graz, den Seifert / Meinzenbach / Haupt Folie 6

7 Gesamtwirkungsgrad (h ges,i,n ) in % 2. Messtechnische Analyse - stationär 2.1 Statische Untersuchungen - Analysen bei verschiedenen Rücklauftemperaturen und elektrischen Leistungen =25 C =30 C 100 =35 C =40 C =45 C Volumenstrom in l/h Gesamtwirkungsgrad in Abhängigkeit des Volumenstromes sowie der Rücklauftemperatur, Einstellwert P el =2 kw [Quelle: Seifert, J. Meinzenbach, A., et al.: VNG Bericht, 2011] Graz, den Seifert / Meinzenbach / Haupt Folie 7

8 Elektrischer Wirkungsgrad (h el,i,n ) in % 2. Messtechnische Analyse - stationär =25 C =30 C =35 C =40 C =45 C Volumenstrom in l/h Elektrischer Wirkungsgrad in Abhängigkeit des Volumenstromes sowie der Rücklauftemperatur, Einstellwert P el =2 kw [Quelle: Seifert, J. Meinzenbach, A., et al.: VNG Bericht, 2011] Graz, den Seifert / Meinzenbach / Haupt Folie 8

9 Elektrischer Wirkungsgrad (h el,i,n ) in % 2. Messtechnische Analyse - stationär =25 C =30 C =35 C =40 C =45 C Volumenstrom in l/h Elektrischer Wirkungsgrad in Abhängigkeit des Volumenstromes sowie der Rücklauftemperatur, Einstellwert P el =4 kw [Quelle: Seifert, J. Meinzenbach, A., et al.: VNG Bericht, 2011] Graz, den Seifert / Meinzenbach / Haupt Folie 9

10 Leistung in W Temperatur in C 2. Messtechnische Analyse - dynamisch 2.1 Dynamische Untersuchungen - Analysen bei konstanten Rücklauftemperaturen und konstantem Volumenstrom Vorlauftemperatur Rücklauftemperatur Vor- Rücklauftemperatur während der Startphase (P el =2kW) [Quelle: Seifert, J. Meinzenbach, A., et al.: VNG Bericht, 2011] Zeit in s elektrische Leistung (P el ) thermische Leistung (Q th,n ) Elektrische und thermische Leistung während der Startphase (P el =2kW) [Quelle: Seifert, J. Meinzenbach, A., et al.: VNG Bericht, 2011] aufgenomme Anfahrtsleistung Zeit in s Graz, den Seifert / Meinzenbach / Haupt Folie 10

11 Leistung in W Temperatur in C Volumenstrom in l/h 2. Messtechnische Analyse - dynamisch - Analysen bei konstanten Rücklauftemperaturen und Volumenstrom nach Gerät Vor- Rücklauftemperatur und Volumenstrom während der Startphase (P el =2kW) [Quelle: Seifert, J. Meinzenbach, A., et al.: VNG Bericht, 2011] 20 Vorlauftemperatur Rücklauftemperatur 60 Volumenstrom Zeit in s elektrische Leistung (P el ) thermische Leistung (Q th,n ) Elektrische und thermische Leistung während der Startphase (P el =2kW) [Quelle: Seifert, J. Meinzenbach, A., et al.: VNG Bericht, 2011] aufgenomme Anfahrtsleistung Zeit in s Graz, den Seifert / Meinzenbach / Haupt Folie 11

12 Angaben in % Konzentrationsangaben in ppm - Analysen des Abgases während der Startphase 2. Messtechnische Analyse - dynamisch CO NO NO 2 CO-, NO und NO 2 während der Startphase [Quelle: Seifert, J. Meinzenbach, A., et al.: VNG Bericht, 2011] Zeit in s O 2 CO O 2 sowie CO 2 während der Startphase [Quelle: Seifert, J. Meinzenbach, A., et al.: VNG Bericht, 2011] Graz, den Seifert / Meinzenbach / Haupt Folie Zeit in s

13 2. Messtechnische Analyse - Thermographie 2.3 Thermographie Aufnahmen (qualitative Aussagen) Frontbereich Seitenbereich Abgasstrecke Qualitative Thermographie Aufnahmen zum LBHKW im Dauerbetrieb [Quelle: Seifert, J. Meinzenbach, A., et al.: VNG Bericht, 2011] Thermische Schwachstellen werden überarbeitet - Seriengerät Graz, den Seifert / Meinzenbach / Haupt Folie 13

14 3. Numerische Analyse 2. Numerische Analyse statistisches Einfamilienhaus (mittlere deutsche Verhältnisse, A N =160m² ) Gebäude: WSVO82 (10,5 kw th ) WSVO77 (13,6 kw th ) Heizsystem: freie Heizflächen Innere Randbedingungen: Äußere Randbedingungen: Elektrischer Lastgang: zeitabhängige Gewinne zeitabhängiger Luftwechsel Wetter TRY-04 (Potsdam) typischer 4P Haushalt Schematische Darstellung des statistischen Einfamilienhauses Graz, den Seifert / Meinzenbach / Haupt Folie 14

15 Einstellwert der elektrischen Leistung in kw Einstellwert der elektrischen Leistung in kw 3. Numerische Analyse Einstellwert: P el =f(t) Einstellwert: P el =f( a ) 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Zeit in h 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Außentemperatur in C Energetische Kennwerte: P e l In kw Q f in kwh W el,n in kwh/a Elektroenergie W ein in kwh/a W bez in kwh/a W ev in kwh/a Q th in kwh Q h,s,hz in kwh Q h,s,twe in kwh P el =f(t) P el =f( a ) Graz, den Seifert / Meinzenbach / Haupt Folie 15

16 4. Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 4. Wirtschaftlichkeitsbetrachtung - Vollkostenanalyse unter Berücksichtigung des Stromverbrauches des Gebäudes (EFH, A=160m² ) Gas-BW Gas-BW + Solar Öl-BW Gas- BW + Stirling L-BHKW WE + Reg + Sp VT+ WÜ Schornstein sonst. Baukosten e Hausanschluss Lagerung Gas- / E- Installation Schornsteinfeger Wartung Grundpreis Strom Miete Stromzähler (Rückspeisung) Investitionskosten / Betriebs- und Wartungskosten für unterschiedliche Anlagentechnik [Quelle: Seifert 2012 Manuskript Mikro-BHKW Buch] Graz, den Seifert / Meinzenbach / Haupt Folie 16

17 Kosten in /a 4. Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Betriebskosten Kapitalkosten Verbrauchskosten Gas-BW + ind. beh. Speicher Gas-BW + ind. beh. Speicher (sol. HZ + TWE) Öl-BW + ind. beh. Speicher Gas-BW-Stir. + ind. beh. Speicher mit 40% EN Gas-BW-Stir. + ind. beh. Speicher mit 80% EN Gas-BW-Stir. + ind. beh. Speicher mit 60% EN L-BHKW + dir. beh. Speicher mit 32% EN L-BHKW + dir. beh. Speicher mit 16% EN Gesamtkosten für unterschiedliche Anlagentechnik [Quelle: Seifert 2012 Manuskript Mikro-BHKW Buch] Graz, den Seifert / Meinzenbach / Haupt Folie 17

18 5. Fazit 5. Fazit Gesamtwirkungsgrade > 100% sind bei modernen Mikro-BHKW Systemen möglich Nutzungsgrade der Systeme sind jedoch deutlich niedriger ( 90%) Gesamtkosten von Mikro-BHKW sind heute noch nicht für alle Varianten wirtschaftlich darstellbar Starke Abhängigkeit von der Betriebsweise bzw. dem eigenverbrauchten Strom Optimierungsaufgaben im Gebäude (thermisch), elektrische Optimierung, Verbundbetrieb vieler Miniund Mikro BHKW Systeme Regionales, Virtuelles Kraftwerk Graz, den Seifert / Meinzenbach / Haupt Folie 18

19 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Graz, den Seifert / Meinzenbach / Haupt Folie 19

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