Optimierung von Mikro KWK Systemen

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1 Technische Universität München Optimierung von Mikro KWK Systemen Verbundtreffen EnEff: Wärme Thermische/elektrische KWK-Vernetzung Jülich Peter Tzscheutschler, Wessam El-Baz

2 Arbeitsgebiete des Lehrstuhls Electricity Generation in TWh Excess Must-run Solar Wind - Offshore Wind - Onshore Water CHP Geothermal Biomass Oil Gas Turbine CCGT Hard Coal Hard Coal 700 C Year Energy Storage Renewable Energies 61186B11 existing infrastructure Power Transmission Network optimising build-up optimising operation Conventional Power Plants Lignite Lignite 700 C Nuclear 61201B11 Wärmespeichermanagement Energiesystemmodellierung Demandside- Management KW- Einsatzplanung Elektromobilität Mikro- KWK h TS P residual t 0 t 1 t 0 -Q TB t 1 T HS,Set T CHP,Supply T TS Energy Content Storage Capacity 2

3 Vision 1.0 Kommuniktion 3

4 Vision 2.0 4

5 Inhalt Technische Universität München Feldmessungen Prüfstandsuntersuchungen Modellierung und Simulation von Systemen Optimierung des Betriebs mit Fokus Wärmespeicher Einbindung in IEA/EBC Annex 54 5

6 Inhalt Technische Universität München Feldmessungen Prüfstandsuntersuchungen Modellierung und Simulation von Systemen Optimierung des Betriebs mit Fokus Wärmespeicher Einbindung in IEA/EBC Annex 54 6

7 Feldmessung Beispiel Miesbach Quelle: Diss. Josef Lipp 7

8 Feldmessung Beispiel Miesbach Quelle: Diss. Josef Lipp 8

9 Feldmessung Beispiel Miesbach Quelle: Diss. Josef Lipp 9

10 Feldmessung Beispiel Miesbach 9% 87% 4% 20% 9% 58% 10% Quelle: Diss. Josef Lipp 10

11 Inhalt Technische Universität München Feldmessungen Prüfstandsuntersuchungen Modellierung und Simulation von Systemen Optimierung des Betriebs mit Fokus Wärmespeicher Einbindung in IEA/EBC Annex 54 11

12 Prüfstand Mikro-KWK Systeme 12

13 Prüfstand Mikro-KWK Systeme - Anlagenschema Legende: Zähler Elektrische Energie Durchflussmesser Erdgas Durchflussmesser Wasser T Warmwasser Zirkulationskreis Temperaturfühler T T Stromnetz T Kombispeicher T T Whispergen Mikro- BHKW Heizkreis Erdgas T T T T Frischwasser JL_040 T Quelle: Diss. Josef Lipp 13

14 Prüfstand Mikro-KWK Systeme WhsiperGen - stationär Quelle: Diss. Josef Lipp 14

15 Prüfstand Mikro-KWK Systeme WhsiperGen - dynamisch Quelle: Diss. Josef Lipp 15

16 Prüfstand Mikro-KWK Systeme Heizlastprofile Quelle: Diss. Josef Lipp 16

17 Prüfstand Mikro-KWK Systeme Typtag 0 C Quelle: Diss. Josef Lipp 17

18 Prüfstand Mikro-KWK Systeme Typtag 0 C Quelle: Diss. Josef Lipp 18

19 BlueGen SOFC - Anlagenschema 1. Phase: Experimentelle Ermittlung der Brennstoffzellenparameter

20 Elektr. Leistung und Wirkungsgrad BlueGEN Leistung [kw] 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Gas Leistung (kw) Elektrische Leistung (kw) Elektrischer Wirkungsgrad (%) 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % elektrischer Wirkungsgrad 0, Achsentitel 0 %

21 BlueGen SOFC - Anlagenschema 2. Phase: Experimentelle Ermittlung des Speicherverhaltens

22 Inhalt Technische Universität München Feldmessungen Prüfstandsuntersuchungen Modellierung und Simulation von Systemen Optimierung des Betriebs mit Fokus Wärmespeicher Einbindung in IEA/EBC Annex 54 22

23 Simulation mit TRNSYS Micro-CHP Unit Heat Buffer 23 23

24 Systemmodell in SimulationX und Green Building Package Quelle: Master Thesis El-Baz 24

25 Hardware-in-the-Loop Prüfstandsbetrieb CHP Controller CHP House Model 25

26 Hardware-in-the-Loop Prüfstandsbetrieb 26

27 Hardware-in-the-Loop Prüfstandsbetrieb Heizleistung [kw] 12,5 12,0 11,5 11,0 10,5 10,0 9,5 9,0 8,5 8,0 Prüfstandsmessung Simulation Zeit [s] 27

28 Inhalt Technische Universität München Feldmessungen Prüfstandsuntersuchungen Modellierung und Simulation von Systemen Optimierung des Betriebs mit Fokus Wärmespeicher Einbindung in IEA/EBC Annex 54 28

29 Analyse verschiedener Wärmespeicher Warmwasserspeicher: 200l 15 T A = 9,7 C -TUM-IFE B-10 Natural Gas CHP_thermal CHP_electric Pufferspeicher: l Warmwasserspeicher: 200l Power [kw] :00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 00:00 20 Space Heating DHW Circulation Power [kw] :00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 00:00 Time Pufferspeicher: l + FWM Kombispeicher: l + FWM 29

30 Speichernutzung Beispiel Feldversuch Miesbach Quelle: Diss. Josef Lipp 30

31 1350 mm 31

32 direkter Eintrag indirekter Eintrag T SP 1 T SP 2 0 h 0,5 h Ladezeit: T SP 1 Ladezeit: 0 h 1 h 2 h 3 h 4 h 5 h 6 h Speicherhöhe [cm] T SP 3 T SP 4 T SP 5 T SP 6 T SP 7 T SP 8 T SP 9 T SP 10 1 h 1,5 h 2 h 2,5 h 3 h 3,5 h Speicherhöhe [cm] T SP 2 T SP 3 T SP 4 T SP 5 T SP 6 T SP 7 T SP 8 T SP 9 T SP Speichertemperatur [ C] Speichertemperatur [ C] 32

33 Optimierungsmodell Mikro-KWK Quelle: Diss. Josef Lipp 33

34 Fahrplanerstellung BHKW Betrieb Quelle: Diss. Josef Lipp 34

35 Optimierter BHKW Betrieb Anteil der Betriebsstunden über dem EPEX Spotmarktpreis Quelle: Diss. Josef Lipp 35

36 Studie Bayerische Stromversorgung im Jahr Jahresübersicht Stromproduktion [TWh] 50 % Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Quelle: Hamacher, Ahlhaus, Kandler 36

37 Studie Bayerische Stromversorgung im Jahr Sommertag Stromproduktion [GWh] 50 % Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Quelle: Hamacher, Ahlhaus, Kandler 37

38 Studie Bayerische Stromversorgung im Jahr Wintertag Stromproduktion [GWh] 50 % Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Quelle: Hamacher, Ahlhaus, Kandler 38

39 Inhalt Technische Universität München Feldmessungen Prüfstandsuntersuchungen Modellierung und Simulation von Systemen Optimierung des Betriebs mit Fokus Wärmespeicher Einbindung in IEA/EBC Annex 54 39

40 Teilnahme am IEA/EBC Annex 54 Integration of Microgeneration and related Energy Technologies in Buildings 40

41 Struktur Annex 54 Subtask A Technical performance Subtask B Economics Environmental impact System optimization Subtask C Policies and Regulations 41

42 Ergebnisse Annex 54 Berichte verfügbar: Ergebnisse Trend, KWK in Heizsysteme zu integrieren Systemauslegung und Betrieb oft sub-optimal Einsparpotenzial an THG und PE landesabhängig zwischen 5 und 20 % Wärmespeicher als zentrale Komponente: bessere Auslastung Eigenstromoptimierung netzdienlicher Betrieb Einbindung erneuerbarer Energien In der Breite ohne Förderung noch nicht wirtschaftlich bei geeigneten Nischenanwendungen schon 42

43 Zusammenfassung Technische Universität München Annex 54 erfolgreich abgeschlossen Aus Feldversuchen ist der oft suboptimale Betrieb kleiner KWK Anlagen ersichtlich Prüfstand für Mikro KWK System aufgebaut und validiert Einbindung in eine Hardware-in-the-Loop Simulation 43

44 Vision

45 Veröffentlichungen aus dem Projekt - 1 MicroGen 2, Glasgow, 2011: Tzscheutschler P., Sasso M. Roselli C.: Efficiency of Micro CHP Systems under Transient Operation Lipp J., Jungwirth J.: Field Test with Stirling Engine Micro-CHP-Units in Residential Buildings Wehmhörner U., Lipp J., Jungwirth J: Optimization of Multifunctional Heating Systems Wieser B., Lipp J.: The Possible Relevance of Micro-CHP on Future Energy Supply REHVA Conference, Prag, 2013: Tzscheutschler P.: Experiences from Field Testing of Stirling Micro-CHP Systems BauSIM, Aachen, 2014: Tzscheutschler P., El-Baz W.: Smart Home Model Based on Interactive DSM Devices within a Micro Electricity Windeknecht M., Tzscheutschler P.: Simulation der Wärmenutzung eines Brennstoffzellen-Systems in einem EFH El-Baz W., Tzscheutschler P.: Co-Simulation of a Smart Home Model Based on a Micro Electricity Market Sänger F., Klimke K., Jungwirth J.: Toolchain zur Bewertung von Regelstrategien im Gebäudebereich 45

46 Veröffentlichungen aus dem Projekt - 2 El-Baz W., Tzscheutschler P.: Short-term smart learning electrical load prediction algorithm for home energy management systems. Applied Energy, Volume 147, 2015; Lipp J.: Flexible Stromerzeugung mit Mikro-KWK-Anlagen. Dissertation an der Technischen Universität München, 2015; mediatum.ub.tum.de/node?id= Annex 54 Berichte: Integration of Microgeneration and Related Technologies in Buildings - Final Report of Annex 54 An International Survey of Electrical and DHW Load Profiles for Use in Simulating the Performance of Residential Micro-cogeneration Systems Current Updates on the Development and Implementation of Micro-Cogeneration System Models for Building Simulation Programs Impact of Microgeneration Systems on the Low-Voltage Electricity Grid Methodologies for the Performance Assessment of Micro Hybrid Polygeneration Systems Synthesis Report on the Viability of Micro-Generation Systems in Different Operational Contexts A Comparative Review of Microgeneration Policy Instruments in OECD Countries Impact of Support Mechanisms on Microgeneration Performance in OECD Countries 46

47 Vielen Dank 47