Integrierung der Mikro-Kraft-Wärme- Kopplung (mkwk) in Gebäude Prof. Bernard FLAMENT Studiengangsleiter Energie-, Klima- und Kältetechnik INSA de Strasbourg In Partnerschaft mit : 1 Behandelte Punkte Zusammenhang und Problematik Technologie der mkwk Modellierung einer mkwk-anlage Integrierung in Gebäude : Erste Ergebnisse 2 2
I. Zusammenhang - Problematik 1.1 : mkwk 1.11: Begriffserklärung Begriff zur Bezeichnung jeder Anlage, die gleichzeitig und gekoppelt thermische Energie (Wärme und/oder Kälte) und mechanische Energie erzeugt. Die Anlage muss in eine Umgebung integriert sein, in der tatsächlich jede der beiden Energieformen genutzt wird. Strom Primärenergie KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG Wärme 3 3 1.12 : Spezifizität der mkwk Micro-Kraft-Wärme-Kopplung => elektr. Leistung < 36 kw Anwendungen : Wohngebäude Tertiärgebäude Ziele : Die Wärmebedürfnisse decken (Heizung, Warmwasser) Selbstverbrauchte oder wiederverkaufte Stromenergie erzeugen 4 4
1.2 : Plusenergiehäuser 1.21 : Begriffserklärung 5 5 1.2 : Plusenergiehäuser 1.22 : Beispiel Energiebilanz eines Passivhauses (Grössenordnung) : Voraussetzung : Fläche 100 m 2 / 4 Personen Endenergie (alle elektr. Benutzungen) 17 kwh m -2 an -1 Nutzenergie kwh Warmwasser (Zusatz) Wärmepumpe 10 kwh m -2 an -1 Heizung (Zusatz) 15 kwh m -2 an -1 Endenergie (Strom) (15+10)/3 = 8,5 kwh m -2 an -1 Ein Plusnergiehaus braucht mehr als 2500 kwh pro Jahr. 6 6
1.2 : Plusenergiehaus 1.23 : Wie jann die Energie erzeugt werden? a) Solarsensore: 1 m 2 -> jährliche Erzeugung in der Grössenordnung von 100 kwh 7 7 1.2 : Plusenergiehaus 1.23 : Wie kann die Energie erzeugt werden? b) mkwk-modul: Beispiel : Hybris Power (DE DIETRICH / REMEHA) Chaudière Brennwertkessel à Therm. Leistung: 21 condensation kw Ptherm : 21 kw Moteur STIRLING Wärmepumpe Therm. Leistung Ptherm : 5 kw Elektr. Leistung Pélec : 1 kw 8 8
1.3 : Vorteil der dezentralisierten Stromenergieerzeugung? 1.31 : Beweisaufnahme : Entwicklung der Spitzen des Stromenergieverbrauches in Frankreich seit 10 Jahren (source RTE) 102 GW Wärmeempfindlicher Teil : 40 % 8. Februar 2012 9 9 1.32 : Vorteile der mkwk? TWh Franz. Stromenergieerzeugung kwh Herstellung der mkwk 10 10
1.32 : Vorteile der mkwk? Vorteil : Übereinstimmung zwischen der Energieerzeugung und dem wärmeempfindlichen Teil des Stromverbrauches Nachteil : Stromerzeugung hängt von den Wärmebedürfnissen ab Daher die Problematik: den «besten» Zusammenschluss Gebäude / mkwk => Die Werkzeuge zur Unterstützung zur Verschreibung werden benötigt 11 11 II. Unterschiedliche mkwk-technologien 2.1) Motoren mit innerer Verbrennung Schornstein Abgaswär merekuper ator Mini-Kraft- Wärme- Kopplung mkwk Ecopower Elektr. Leistung : 5 kw Therm. Leistung : 13 kw Elektrogene rator Stromnetz 12 12
2.2) Motoren mit externer Verbrennung: STIRLING-Motor Kessel (Gas) regenerativer Wärmetauscher Arbeitskolben Schema eines Stirling-Motors Verdrängungskolben Micro-Kraft-Wärme-Kopplung Whispergen Elektr. Leistung: 0,7 kw Therm. Leistung: 7 KW Thermische Energie Wärmetauscher zur Kühlung Expansionsvolumen Kompressionsvolumen Elektrische Energie Verwendbare Brennstoffe: Erdgas, Biogas, Pellets, Flüssiggas, Heizöl 13 13 2.3) Brennstoffzelle 14 14
2.4) Technologie am INSA de Strasbourg: Energieerzeugungheizkessel «HYBRIS POWER» REMEHA- DE DIETRICH. Thermische Leistung: 20 kw Thermische Leistung: 3 à 5 kw Elektrische Leistung: 1 kw Masse 120 kg Platzbedarf: 490 x 910 x 422 mm 15 15 III. Modellierung einer mkwk (PhD B. Andlauer) 3.1) Warum ein neues Modell? Brennwertkessel STIRLING- MOTORE Entwicklungsfähigkeit Energiequelle Genauigkeit mkwk-modell Schnelligkeit EINGANG Gebrauchte Leistung Einfachheitder Parametrierung ABGANG Thermische Leistung Elektrische Leistung Brennstoffleistung 16 16
3.2) Einbeziehung der verschiedenen Betriebsphasen Combustion Puissance thermique Puissance électrique Arrêt Préchauffage Fonctionnement normal Refroidissement Arrêt Temps 17 17 3.3) Betrachtung der Modellierung Blockheitzkraftwerk Thermische Leistung [MC] int Hindurchtretender Fluss Output => 37-Parameter-Modell 18 18
3.4) Versuchscharakterisierung 19 19 3.5) Validierung des Modells durch Versuche 7000 Entwicklung der thermischen Leistung 6000 Puissance thermique (W) 5000 4000 3000 2000 Modell Messe 1000 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 Temps (s) Q_HX expérimental Q_HX 20 20
3.6) Integrierung des Modells in einem Simulierungsumfeld (TRNSYS) mkwk Gebäude Speicherung 21 21 IV. Kopplung Gebäude/ mkwk Ergebnisse von Simulierungen 4.1) Daten und Voraussetzungen Eigentumswohnung/ 5-köpfige-Familie Heizbedarf: Ort : Strasbourg Leistungsniveau: neue und alte Warwasserbedarf: nach NF EN 13203-2 Strombedarf: nach dem «high»-profil des Anhanges 42 von der AIE (Internationale Agentur für Energi 22 22
4.2) Darstellung des Systemes mkwk Zusatzheiz -kessel P = 20 20 kw kw Heizung Speicherung Warmwasser Kaltwasser V = 250 Ll Strom Gas mkwk: STIRLING-Motor : Thermische Leistung = 5 kw / Elektrische Leistung = 1 kw 23 23 4.3) Ergebnisse Energy Need Micro-cogeneration Boiler Heating Electricity Gaz Auxiliary Heating DHW Electricity production production delivered gaz [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] delivered New house 3400 4200 5900 8190 1120 10800 330 Old house 12900 4200 5900 17300 2380 22900 1080 Jährliche Ergiebigkeit des Motors : 86 % Elektrische Leistung: Neu : 20 % der Bedürfnisse Alt : 40 % der Bedürfnisse Selbstverbrauch / Wiederverkauf?? 24 24
Elektrische Leistung: Selbstverbrauch / Wiederverkauf?? Im franz. Zusammenhang (Übernahmetarif: 8,56 c /kwh elec) Export von mehr als 1600 kwhe pro Jahr (die Anschluss- und Anmeldungskosten ) Electricity produc on [ kwh] 2500 2000 1500 1000 500 Erzeugung Teil vom Selbstverbrauch Export 1600 kwh 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 Hea ng and DHW need [kwh/year] 25 25 V. Schlussfolgerung / Perspektiven 4.1) Schlussfolgerung Vorteil der mkwk Vorteil eines dynamischen Modells Anwendung zu einer Eigentumswohnung 26 26
4.2) Perspektiven Simulierungen mit anderen Gebäudetypologien Andere mkwk-technologie : Rankine Brennstoff : Holzpellets Elektrische Leistung : 0,3 à 1,6 kw Thermische Leistung : 3 à 16 kw Erzeugung: -Heizung -Warmwasser -Strom 27 27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 28