Zusammenfassung: 8 KWK- Anlagen I

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1 Zusammenfassung: 8 KWK- Anlagen I Was verstehen Sie unter einer KWK-Anlage? Quelle: ASUE In einem BHKW wird Strom und Wärme erzeugt. Die Anlage besteht i.d.r. aus einem Motor, einem Generator und einer Wärmeauskopplung. Der Wirkungsgrad solcher Anlagen liegt zwischenη th =75-95%. Welche Vorteile hat eine KWK-Anlage gegenüber einem Brennwertkessel? Der Gesamtwirkungsgrad einer KWK-Anlage ist größer als bei einer getrennten Erzeugung Seite 1

2 Zusammenfassung: 8 KWK- Anlagen I Merkmal Gasturbine* Kolbenmaschine* Stirlingmotor* Brennstoffzelle* Elektrische Leistung in kw Gesamtwirkungsgrad in % bis 90 bis90 bis 85 bis 90 Elektrische Wirkungsgrad in % Stromkennzahl 0,4 1,1 0,3 0,6 0,4 0,5 0,3 0,7 Teillastverhalten gut weniger gut sehr gut Stand der Technik bewährt bewährt Kleinserie Pilotanlage Üblicher Brennstoff Gas Gas Gas, Holz Gas Seite 2

3 Aufbau eines BHKW -- Package 1. IN: Brennstoff und Luft; OUT: thermische & mechanische Energie, Abwärme und Abgas 2. Temperaturen von therm : Kühlwasser ca. 80 C, Öl ca. 95 C, Abgas ca C 3. Notwendige Anlagenkomponenten innerhalb der Maschine: Generator, Grundrahmen, Wärmeübertrager, 4. Schnittstellen zur Heizungstechnik: Wärmeübertragung Quelle: MTU 5. Schnittstellen zur Stromeinspeisung: Generator und Schaltanlage 6. Schnittstellen zum Bau: Kraftstoffversorgung, Grundrahmen, Schornstein, Luftversorgung, Schallschutz 7. Notwendige Anlagenkomponenten außerhalb der Maschine: Schaltanlage, Hydraulische Einbindung, ggfs. Seite 3

4 Aufbau eines Gasturbinen - Package 1. IN: Brennstoff und Luft; OUT: thermische & mechanische Energie, Abwärme und Abgas 2. Temperaturen von therm : Abgas ca. 600 C 3. Notwendige Anlagenkomponenten innerhalb der Maschine: Generator, Grundrahmen, Explosionsschutz, Anlasser Quelle: Kawasaki 4. Schnittstellen zur Heizungstechnik: Wärmeübertragung im Abgas (Kesselanlage) 5. Schnittstellen zur Stromeinspeisung: Generator und Schaltanlage 6. Schnittstellen zum Bau: Kraftstoffversorgung, Grundrahmen, Schornstein, Luftversorgung, Schallschutz 7. Notwendige Anlagenkomponenten außerhalb der Maschine: Schaltanlage, Kesselanlage im Abgassystem, Schalldämpfer Seite 4

5 Heizungstechnik und KWK-Anlagen Thema: 09 KWK-Anlagen II Quelle: ASUE

6 Inhalt und Lernziele im Kapitel 9 Betriebsweise (Regelparameter) einer KWK-Anlage Auslegung einer KWK-Anlage Jahresdauerlinie Pufferspeicher und Hydraulische Einbindung in eine PWW-Anlage Bezug zu den Vorlesungen Grundlagen der Thermodynamik und Regelungstechnik Seite 6

7 Betriebsweise einer KWK-Anlage Erzeuger: Der Betrieb einer KWK bedeutet, dass gleichzeitig Wärme und Strom erzeugt wird. Problemstellung: a) Der Energieverbrauch an Strom und Wärme entspricht nicht immer der installierten Leistung. b) Das Verhältnis Strom zu Wärme des Verbrauchers entspricht nicht der KWK-Anlage Lösung: a) Die KWK-Anlage wird entweder strom- oder wärmegeführt betrieben. b) Auslegung beachten: Stromgeführt: Die Wärme kann jederzeit genutzt werden. Wärmgeführt: Der Strom kann jederzeit genutzt werden. (z.b. Stromnetz) Seite 7

8 Strom- und wärmegeführter Betrieb Stromgeführt Stromerzeugung nachbedarf des Verbrauchers (BHKW bis auf 30%, GT bis auf 50% der max. Leistung) Wärmegeführt Erzeugter Strom muss jederzeit abgenommen. Eigennutzung oder Netzeinspeisung Erzeugte Wärme muss jederzeit abgenommen werden. Eigennutzung Wärme nachbedarf des Verbrauchers (BHKW bis auf 30%, GT bis auf 50% der max. Leistung) Stromverwendung Wärmeverwendung Anwendungsbeispiel Stromeigenbedarf bzw. Stromversorger Wärmeeigenbedarf bzw. Fernwärmesystem Seite 8

9 Auslegung der KWK-Anlage Für die Auslegung einer KWK-Anlage sind folgende Parameter entscheidend: 1. Optimale Leistung (elektrische oder thermische Leistung) 2. Optimale Laufzeit der KWK-Anlage 3. Optimale Schaltzyklen zwischen Ein/Aus jedoch Minimum eine Betriebsstunde 4. Maximales wirtschaftliches Ergebnis Bewertung der Parameter: A) Maximales wirtschaftliches Ergebnis erhält die PrioA. Ansonsten Forschung oder Philanthrop B) Optimierungsgröße für die Leistung und die Laufzeit sind gemeinsame Parameter für A C) Optimale Schaltzyklen werden durch Leistung und Puffer abgedeckt Seite 9

10 Beispiel: Auslegung einer KWK-Anlage für Molkereien Rohmilchmenge in Mio kg/a Strombedarf rd. in MWh/a Wärmebedarf rd. in MWh/a * * durchschnittliche statistische Jahresmenge Seite 10 Seite 10

11 Ungeordnete und geordnete Jahresdauerlinie Seite 11

12 Technische Auslegung: Modell-Molkerei 104 Schnittpunkt bei thermische JDL BHKW 600 kw BHKW 1200 kw elektrische JDL Seite 12 Seite 12

13 Technische Auslegung: Modell-Molkerei 104 Wärmegeführter Betrieb: Theoretische Laufzeit des BHKW bis h. Überschüssiger Strom wird ins Netz eingespeist. Stromgeführter Betrieb: Theoretische Laufzeit des BHKW ca h mit Teillastanteil. Überschüssiger muss entweder gepuffert oder über ein Kühlturm abgefahren werden. Zusätzliche Investition: Notkühlturm Seite 13

14 Forderung der optimalen Schaltzyklen Einhaltung der Mindestlaufzeiten einer BHKW-Anlage (i.d.r. eine Stunde), da sonst mit erheblichen Verschleiß zu rechnen ist. Lösungsvorschlag: Thermischer Pufferspeicher Hydraulische Einbindung: Zwischen Erzeuger und Verbraucher Seite 14

15 KWK-Anlage der HsH Seite 15

16 Regelung der BHKW-Anlage Kessel ein bei t < 70 C Kessel aus bei t > 90 C BHKW ein bei t < 70 C BHKW aus bei t > 90 C Seite 16

17 Hydraulische Einbindung Die bestehenden BHKW-Anlagen (Fa. Senertec Typ Dachs) sollen analysiert werden. Ist die hydraulische Einbindung optimal? Welche Änderungen schlagen Sie vor? Begründen Sie Ihre Antwort. I. BHKW-Anlage Dützen Typ Dachs Fab P el = 5,5 kw, th = 20,5 kw Betriebsstunden: h (Volllast) Anzahl der Starts: Inbetriebnahme: Herbst 2012 Begehung: Frühjahr 2017 II. BHKW-Anlage Meinsen Typ Dachs Fab Pel= 5,5 kw, th = 20,5 kw Betriebsstunden: h (Volllast) Anzahl der Starts: 687 Inbetriebnahme: Herbst 2015 Begehung: Frühjahr 2017 Seite 17

18 BHKW Anlage Dützen -- Mehrfamilienhaus Kessel = 47 kw Heizstab =21 kw Speicher I V= 800 l Speicher II VL 1 VL 2 V= 750 l RL 1 RL 2 BHKW (Dachs) P=5,5 kw = 14,8 kw = 20,3 kw MAG und Handventile nicht eingezeichnet Anschlüsse am Speicher entsprechen den örtlichen Gegebenheiten Seite 18

19 BHKW Anlage Dützen Mehrfamilienhaus - Ausarbeitung Kessel = 47 kw Heizstab =21 kw Speicher I V= 800 l Speicher II V= 750 l T VL 1 VL 2 Muss oben sein, da sonst BHKW zu früh anspringt Ungenutztes Volumen Ungenutztes Volumen RL 1 BHKW (Dachs) P=5,5 kw = 14,8 kw = 20,3 kw Das BHKW hat doppelt so viele Starts pro Jahr wie die BHKW-Anlage in Meinsen. RL 2 Unterlagen vom Hersteller beziehen und zweite Begehung: 1. Elektrostab im BHKW -- Einspeisung ins Netz möglich? 2. Einbauten im Speicher vorhanden? 3. Einbindung RL-Kessel am 2. Speicher unten möglich? Seite 19

20 V-2 BHKW Anlage Meinsen -- Mehrfamilienhaus BHKW (Dachs) P=5,5 kw = 14,8 kw = 20,3 kw Speicher I V= 750 l Speicher II V= 800 l VL 1 VL 2 RL 1 RL 2 Kessel =?? kw MAG und Handventile nicht eingezeichnet Anschlüsse am Speicher entsprechen den örtlichen Gegebenheiten Seite 20

21 V-2 BHKW Anlage Meinsen Mehrfamilienhaus- Ausarbeitung BHKW (Dachs) P=5,5 kw = 14,8 kw = 20,3 kw Speicher I V= 750 l Speicher II V= 800 l VL 1 VL 2 RL 1 RL 2 Kessel Betriebsweise: I. Puffer leer Puffer 1 bis kurz vor Rücklauf füllen Danach Ventil auf Puffer 2 bis Unterkante füllen II. Puffer voll =?? kw Puffer 1 leeren (Ventil auf) Puffer 2 bis VL leeren (Ventil zu) Unterlagen vom Hersteller beziehen und zweite Begehung: 1. Elektrostab im BHKW -- Einspeisung ins Netz möglich? 2. Einbauten im Speicher vorhanden? 3. Verzicht auf Pumpe und Ventil zwischen den Speichern möglich? 4. Einbindung RL-BHKW und Kessel am 2. Speicher 2 unten möglich? Dann VL 1&2 am Speicher I Seite 21

22 BHKW Anlage Doppelspeicher in Reihe Kessel Speicher I Speicher II Verbraucher M BHKW Bevorzugte Variante bei zwei Speichern: 1. Die Speicher sind parallel zwischen Erzeuger und Verbraucher angeordnet. 2. Der Vorlauf von Erzeuger und Verbraucher sind am Speicher I oben. 3. Der Rücklauf von Erzeuger und Verbraucher sind am Speicher II unten. (Hinweis Speicher ohne Einbauten, Nullpunkt im Speicher I unten) 4. Die Verbindung zwischen den Speichern ist unten bei Speicher I bzw. oben SPII 5. Am Speicher sind Temperaturfühler zum Ein/Aus der Erzeuger (Siehe Seite 16) Seite 22

23 Lernziele im Kapitel 9 erreicht? Regelparameter einer KWK-Anlage Auslegung einer KWK-Anlage Jahresdauerlinie Hydraulische Einbindung in eine PWW-Anlage Bezug zu den Vorlesungen Grundlagen der Thermodynamik und Regelungstechnik Seite 23