Projekt EKOSTORE. 18. Fachgespräch der Reihe "Energieversorungssysteme der Zukunft" 26. Januar 2016

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1 Projekt EKOSTORE Dezentrale Energiesysteme mit hohem elektrischen Autarkiegrad durch die Systemkombination von Batteriespeichern und Mikroblockheizkraftwerk 18. Fachgespräch der Reihe "Energieversorungssysteme der Zukunft" 26. Januar 2016 Prof. Dr.-Ing. Tim Rödiger Technologiezentrum Energie Hochschule Landshut

2 Gliederung Motivation Hochschule Landshut: Technologiezentrum Energie Projekt EKOSTORE Systemmodellierung, - analyse, - optimierung Dezentrale Versuchsanlage & Ergebnisse Zusammenfassung / Ausblick 1

3 Motivation Optimierung dezentraler Systeme auf hohe lokale Eigennutzungsquote 2

4 Forschungsschwerpunkte am Technologiezentrum Energie der Hochschule Landshut Netz und Systemintegration Energiespeicher (elektrisch und chemisch) Dezentrale Energiesysteme Energieeffizienz 3

5 Projekt EKOSTORE Hybride, dezentrale Eigenenergieversorgung durch die Systemkombination von Mikroblockheizkraftwerk, elektrischem Energiespeicher und Photovoltaik 4

6 Projekt EKOSTORE Projektlaufzeit: 3 Jahre ( ); Gesamtvolumen: Technologiezentrum Energie der Hochschule Landshut Wolf Heiztechnik GmbH Saft Batterien GmbH (Nürnberg, Saft OEM Frankreich) Stadtwerke Straubing EMZ-Hanauer GmbH & Co. KG 5

7 Systemmodellierung, -analyse, und -optimierung Simulationsumgebung für dezentrale, hybride Systeme Dezentrale Versuchsanlage Optimierung Eigenstromnutzung / Wirtschaftlichkeit Modell Fragestellung / Optimierung - Optimale Dimensionierung der therm. / el. Speicher? - Speicherorientierte Betriebsweise der Erzeuger - Maximierung Autarkiegrad, Eigenstromnutzung, Wirtschaftlichkeit? 6

8 Simulationsumgebung und Systemmodellierung (1) mbhkw + thermischer Speicher Modellierung des Gesamtsystems in Matlab Simulink Simulation verschiedener Regelstrategien, Energiemanagementsysteme Exergieanalyse Mikro-Blockheizkraftwerk: Wirkungsgradmodell [1] El. Leistungsklassen : 1 bis 30 kw el Brennstoff: Erdgas Thermischer Speicher: Schichtspeichermodell [2] Volumen: 500 bis 5000 Liter Brennstoff ηel ηth Strom Wärme 7

9 Simulationsumgebung und Systemmodellierung (2) Elektrischer Energiespeicher (EES) Implementierung eigener Li-Ionen Batteriemodelle (Zell- und Systembasis) Nichtlineare Ersatzmodelle (R-C-Gieder) Elektrischer Speicher (aktuell): Elektrischer Speicher (geplant): U [V] U [V] t [s] t [s] 8

10 Simulationsergebnisse: Einfamilienhaus Parameter: mbhkw: 2 kw el Betriebsart: Wärmegeführt _ _ % Nennenergie EES [kwh] 9

11 Simulationsergebnisse: Mehrfamilienhaus (8 WE) Parameter: mbhkw: 4 kw el Betriebsart: Wärmegeführt _ _ % Nennenergie EES [kwh] 10

12 Systemmodellierung, -analyse, und -optimierung Simulationsumgebung für dezentrale, hybride Systeme Dezentrale Versuchsanlage Optimierung Eigenstromnutzung / Wirtschaftlichkeit Modell Fragestellung / Optimierung - Optimale Dimensionierung der therm. / el. Speicher? - Speicherorientierte Betriebsweise der Erzeuger - Maximierung Autarkiegrad, Eigenstromnutzung, Wirtschaftlichkeit? 11

13 Dezentrale Versuchsanlage PV-Anlage Batteriesystem (Li-Ionen- Zellen) Standby-Verbrauch El. Energieströme Wechselrichter DC/AC (PV) Wechselricher DC/AC (Batterie) Th. Energieströme Öffentliches Versorgungsnetz BHKW (Erdgas) 2-4 kw el Stromzähler Steuerung Energiemanagement Steuersignale (Versorger) Therm. Speicher Heizung Spitzenlasterzeuger Gebäude 12

14 Dezentrale Versuchsanlage PV-Anlage: Pel 15 kwpeak Elektrischer Speicher: Eel 4 & 12 kwh UNenn 52 V BHKW: Pel 4 kw Pth 12 kw ηel 25 % ηth 70 % Thermischer Speicher: V 960 L Eth 34 kwh Spitzenlast- Erzeuger: Pth 20 kw Standardund reale Lastprofile 13

15 Dezentrale Versuchsanlage Hochinstrumentierter Versuchsstand Energiemengenzähler (Minutenauflösung) Parameter: mbhkw: 4 kw e (Wärmegeführt) EES: 10 kwh PV: keine BHKW Batterie Netz Ladezustand Batterie (SOC) El. Autarkiegrad = 89 % El. Leistung [kw] SOC [-] Zeit [h] Quelle: Ummenhofer, Roediger et al.: Self-sufficiency in a MCHP system based on local demand and supply analysis, ASME PowerEnergy Konferenz, USA, 2016 (angenommen) 14

16 Dezentrale Versuchsanlage Hochinstrumentierter Versuchsstand Energiemengenzähler (Minutenauflösung) Parameter: mbhkw: 4 kw e (Wärmegeführt) EES: 10 kwh PV: keine BHKW Batterie Netz Ladezustand Batterie (SOC) El. Autarkiegrad = 48 % El. Leistung [kw] SOC [-] Zeit [h] Quelle: Ummenhofer, Roediger et al.: Self-sufficiency in a MCHP system based on local demand and supply analysis, ASME PowerEnergy Konferenz, USA, 2016 (angenommen) 15

17 Zusammenfassung Systemkombination aus mbhkw, PV-Anlage, thermischen, elektrischen Speichern ermöglicht hohen elektrische Autarkiegrad Simulationsumgebung und Versuchsanlage für dezentrale Systeme Systemoptimierung in Bezug auf mbhkw- und Speicherdimensionierung Optimierungspotenial durch speicherorientierte Betriebsweise des mbhkws und innvative Steuerungskonzepte 16

18 Ausblick: Projektziele EKOSTORE Modellierung der Wirtschaftlichkeit Systemaspekt des dezentralen Komplettsystems Transiente Prozesse und Modellentwicklung: Betrachtung von Anfahr-, Last- und Lastwechselvorgängen der Systemkomponenten Innovative Steuerungskonzepte: Modellbasierte Systemsteuerung, an Wetterprognosedaten angepasste Energiebedarfssteuerung Untersuchung der Netzentlastung durch dezentrale Eigenenergieversorgung (Siedlungsanalyse, Modellregion) 17

19 Quellen [1] BHKW-Kenndaten 2014/2015 Module, Anbieter, Kosten; ASUE e.v.; 2014 [2] DEVELOPMENT OF AN ENERGY STORAGE TANK MODEL; Buckley; 2012; The University of Tennessee at Chattanooga [3] Parameterization and Validation of an Integrated Electro-Thermal Cylindrical LFP Battery Model; Perez, Hector E.; Siegel, Jason B.; Lin, Xinfan; Stefanopoulou; 2015; University of Michigan; U.S. Army TARDEC 18

20 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

21 Technologiezentrum Energie Projekt EKOSTORE Prof. Dr. Tim Rödiger Wiesenweg 1 D Ruhstorf Tel.: +49 (0) tim.roediger@haw-landshut.de Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) info@technologiezentrum-energie.de