Vernetzte Mikro-KWK-Systeme von der Theorie in die Praxis

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Günter Hertz
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1 Vernetzte Mikro-KWK-Systeme von der Theorie in die Praxis VDZ Projektforum 7. Mai 214, Berlin

2 Inhalt des Vortrages 1. Technologien für Mikro-KWK Systeme 2. Laboruntersuchungen 3. Feldtestanalysen 4. Regionales Virtuelles Kraftwerk 5. Fazit 2

3 Elektroenergie Erdgas Kosten in Cent/kWh Jahr Verbraucherpreise für Erdgas und Elektroenergie in Deutschland (Quelle: BMWi 214) 3

211 212 213 214 Jahr Verbraucherpreise für

4 1. Technologien für Mikro-KWK-Systeme Motorische BHKW Stirling-Motoren Brennstoffzellen h el = 2-25% hoher thermischer Wirkungsgrad hohe Dynamik h el = 12-15% hoher thermischer Wirkungsgrad hohe Dynamik h el 6% mittlerer thermischer Wirkungsgrad geringe Dynamik geringe spez. Kosten /kw el mittlere spez. Kosten /kw el hohe spez. Kosten /kw el 4

12-15% hoher thermischer Wirkungsgrad hohe Dynamik h el 6% mittlerer thermischer

5 2. Laboruntersuchungen thermischer Versuchsstand Simulation Messungen v BHKW Datenaustausch v Versuchsstand Versuchsstand im Labor Kommunikation aller Komponenten der Testumgebung Emulation Hardware in the Loop (HIL) Statische und dynamische Untersuchungen Numerische Modelle - 5

Kommunikation aller Komponenten der Testumgebung Emulation Hardware

6 Elektrischer Netzemulator Anschlussleistung: 1 kw el 1-phasiger und 3-phasiger Betrieb / Netzbetrieb und Inselnetzbetrieb realisierbar Bedientableau, Leistungsverstärker sowie Maschinensatz des elekt. Versuchsstandes Ankopplung an den thermischen Versuchsstand Analyse von Mikro-KWK Systemen RVK ready Anforderungen der Kopplung : Thermisch-elektrischer Versuchsstand Combined Energy Lab - 6

7 Ergebnisse Kirsch L 4.12 Gesamtwirkungsgrad (h ges,i,n ) in % Rücklauftemperatur in C Elektrischer Wirkungsgrad Kirsch L 4.12 in Abhängigkeit der Rücklauftemperatur / Volumenstrom el. Wirkungsgrad (h el,i,n ) in % V=295 l/h V=345 l/h V=395 l/h V=445 l/h Gesamtwirkungsgrad Kirsch L 4.12 in Abhängigkeit der Rücklauftemperatur / Volumenstrom Rücklauftemperatur in C V=295 l/h V=345 l/h V=395 l/h V=445 l/h 7

Elektrischer Wirkungsgrad Kirsch L 4.12 in Abhängigkeit der Rücklauftemperatur / Volumenstrom el.

8 15 12 aufgenomme Anfahrtsleistung Leistung in W elektrische Leistung (P el ) thermische Leistung (Q th,n ) Zeit in s Dynamisches Anfahrverhalten Kirsch L 4.12 bei einer Rücklauftemperatur von 3 C 8

-6 5 75 1 125 15 175 2 225 25 Zeit in s Dynamisches

9 Ergebnisse Viessmann Vitotwin 3-W Gesamtwirkungsgrad (h ges,i,n ) in % Rücklauftemperatur in C Elektrischer Wirkungsgrad Vitotwin 3-W in Abhängigkeit der Rücklauftemperatur / Volumenstrom el. Wirkungsgrad (h el,i,n ) in % V=345 l/h V=395 l/h V=445 l/h V=495 l/h V=545 l/h Gesamtwirkungsgrad Vitotwin 3-W in Abhängigkeit der Rücklauftemperatur / Volumenstrom V=345 l/h V=395 l/h V=445 l/h V=495 l/h V=545 l/h Rücklauftemperatur in C 9

Wirkungsgrad (h el,i,n ) in % V=345 l/h V=395 l/h V=445 l/h V=495 l/h V=545 l/h 3 25 2 15 1 5 Gesamtwirkungsgrad Vitotwin 3-W in

10 15 12 elektrische Leistung (P el,i,n ) thermische Leistung (Q th,i,n ) Leistung in W Regelungsvorgang des Versuchsstandes Zeit in s Dynamisches Anfahrverhalten Vitotwin 3-W bei einer Rücklauftemperatur von 3 C 1

Versuchsstandes -3 2 4 6 8 1 12 Zeit in s Dynamisches

11 3. Feldtestanalysen - Feldtest von ca. 12 Mikro-KWK Systemen 5 3 RVK Berlin - Eingesetzte Geräte Kirsch L Gebäude Einfamilienhäuser Baualter der Gebäude bis keine Neubauten Feldtestanlagen Kirsch L 4.12 Verteilung der Feldtestgeräte über die Bundesrepublik Deutschland 11

12 3 - Gebäude Einfamilienhäuser 3 3 - Baualter der Gebäude bis 1995 - keine

12 Anlagentechnik Beispiele 12

13 Beispielgebäude 1: Elektroenergie Heizung + Trinkwarmwasser Erdgas Energieerzeugung/-verbrauch in kwh Jan. 211 Feb. 211 Mar. 211 Apr. 211 Mai 211 Jun. 211 Jul. 211 Monat Aug. 211 Sep. 211 Okt. 211 Nov. 211 Dez. 211 Nutzungsgrad in % 1,1 1,,9,8,7,6,5,4,3,2 Energieerzeugung / -verbrauch Beispielgebäude 1 el,i,n th,i,n ges,i,n Nutzungsgrade (thermisch, elektrisch, gesamt) Beispielgebäude 1,1, Jan. 211 Feb. 211 Mar. 211 Apr. 211 Mai 211 Jun. 211 Jul. 211 Monat Aug. 211 Sep. 211 Okt. 211 Nov. 211 Dez

211 Nutzungsgrad in % 1,1 1,,9,8,7,6,5,4,3,2 Energieerzeugung / -verbrauch Beispielgebäude 1 el,i,n th,i,n ges,i,n Nutzungsgrade

14 7 Außentemperatur Speichertemperatur Temperatur in C in min Dynamischer Verlauf der Speichertemperatur / Schaltspiele (Übergangstag) (Beispielgebäude 1) 1 Schaltzustand 14

15 Dynamischer Verlauf der Speichertemperatur /

15 7 Außentemperatur Speichertemperatur Temperatur in C in min Dynamischer Verlauf der Speichertemperatur / Schaltspiele (Wintertag) (Beispielgebäude 1) 1 Schaltzustand 15

16 Beispielgebäude 2: Elektroenergie Heizung + Trinkwarmwasser Erdgas Energieerzeugung/-verbrauch in kwh Jan. 211 Feb. 211 Mar. 211 Apr. 211 Mai 211 Jun. 211 Jul. 211 Monat Aug. 211 Sep. 211 Okt. 211 Nov. 211 Nutzungsgrade (thermisch, elektrisch, gesamt) Beispielgebäude 2 Dez. 211 Nutzungsgrad in % 1,1 1,,9,8,7,6,5,4,3,2,1, Jan. 211 Energieerzeugung / -verbrauch Beispielgebäude 2 Feb. 211 Mar. 211 Apr. 211 el,i,n th,i,n ges,i,n Mai 211 Jun. 211 Jul. 211 Monat Aug. 211 Sep. 211 Okt. 211 Nov. 211 Dez

211 Nutzungsgrade (thermisch, elektrisch, gesamt) Beispielgebäude 2 Dez. 211 Nutzungsgrad in % 1,1 1,,9,8,7,6,5,4,3,2,1, Jan.

17 4. Regionales Virtuelles Kraftwerk Ein virtuelles Kraftwerk ist die Verbindung von dezentralen Energieerzeugungsanlagen, thermischen Speichermöglichkeiten und steuerbaren Energieverbrauchern (passiv / aktiv) mit einer Kommunikationszentrale. Konventionelle Kraftwerke Zentrale Virtueller Kraftwerke (RWE, Vattenfall) Windkraftanlagen PV-Anlagen Regionale RVK Zentrale Großgebäude / Elektrofahrzeuge Bilanzkreis des Regionalen Virtuellen Kraftwerks (im Niederspannungsnetz) 17

18 Besonderheiten für ein Virtuelles Kraftwerk auf regionaler Ebene Verteilnetz Gashändler Netzdienstleistung Wind-Solarparks Verteilnetz Stromhändler (Ortsnetz,4 kv) KWK-Systeme Kommunikation RVK Zentrale Übertragungsnetz (2 38 kv) KWK-Systeme Vermarktung Daten und Energiefluss-Schema eines Regionalen Virtuellen Kraftwerks 18

(Ortsnetz,4 kv) KWK-Systeme Kommunikation RVK Zentrale Übertragungsnetz (2 38 kv)

19 RVK Modellierung P el,soll,n = f() Algorithmus zur Aufteilung auf die elekt. Netze Ebene 2 RVK P el,ist,rvk = f() P el,soll,rvk = f() Vermarktung (EEX, Regelenergie, Direktvermarktung) P el,soll,a = f() Algorithmus zur Aufteilung auf Gebäude Ebene 1 elektr. Netz (NS/MS) W el,min,n ; W el,max,n j min ; S Netz Ebene Gebäude W el,min,a ; W el,max,a S Anlage (/1/P el,ist ) Ebenen-Ansatz zur Modellierung eines Regionalen Virtuellen Kraftwerks 19

el,soll,a = f() Algorithmus zur Aufteilung auf Gebäude Ebene 1 elektr.

20 Beispiel 2

21 Stadtwerkbefragung zum Thema Regionales Virtuelles Kraftwerk Studie zur Akzeptanz der Mikro-BHKW Technologie [Quelle: Oehmgen213] 14 Finden Sie das RVK Modell (theoretisch) interessant? 12 1 Häufigkeit Sehen Sie ein wirtschaftliches Potential des RVK in Ihrem Netzgebiet? nicht wenig mittelmäßig ziemlich sehr Häufigkeit nein eher nein vielleicht eher ja ja - 21

22 Hemmnisse zu hohe spezifische Investitionskosten keine Standards für die informationstechnische Anbindung von dezentralen Erzeugungsanlagen geringen Kenntnisstand der beteiligten Akteure (Handwerk / Nutzer) unklaren politischen Rahmenbedingungen sowie hoher bürokratischer Aufwand Chancen motorische BHKW, Stirling-BHKW und zunehmend Brennstoffzellen sind am Markt verfügbar hohe Wirkungsgrade unter Norm und Laborbedingungen RVK dient der weiteren Verbreitung der KWK Technologie (im Privatkundenbereich) CO 2 - Einsparung baut Hemmnisse zwischen Erneuerbaren Energien und konventionellen Erzeugungssystemen ab großes Interesse von Stadtwerken an der Technologie eines RVK Projekte zur Feldtesterprobung fehlen 22

23 5. Fazit Mikro-KWK Systeme bieten eine sehr gute Möglichkeit, um eine effiziente Wärmeversorgung von Gebäuden zu realisieren. Anfahrverhalten von Mikro-KWK Systemen problematisch hoher Netzbezug Wirtschaftlichkeit hängt deutlich vom Anteil der Elektroenergie ab die vom KWK erzeugt wird und gleichzeitig im Gebäude verbraucht wird Regionale Virtuelle Kraftwerke Option für die Zukunft Kommunikationsstruktur??? Technologie mit Chancen jedoch kein Selbstläufer 23

; Meinzenbach, A.; Haupt, J.; Seidel, P.; Schinke, L.; Schegner, P.; Werner, J. Hess, T.

24 Buchveröffentlichungen: Seifert, J.; Meinzenbach, A. ; Hartan, J.: Mikro BHKW Systeme für den Gebäudebereich, VDE Verlag ISBN: , 213 Forschungsbericht: Seifert, J.; Meinzenbach, A.; Haupt, J.; Seidel, P.; Schinke, L.; Schegner, P.; Werner, J. Hess, T.: Regionales Virtuelles Kraftwerk auf Basis der Mini- und Mikro-KWK-Technologie - Intelligente Vernetzung von thermischen und elektrischen Verbrauchersystemen, Forschungsbericht,

25 Themenfelder einer Projektgruppe beim VDZ: 1. Inhaltliche Begleitung der KWK Technologie: - Normungstätigkeit DIN V Begleitung der Erarbeitung von Förderrichtlinien (KfW / Bundesamt für Ausfuhrkontrolle) 2. Informationsvernetzung - Mitarbeit an Kommunikationsschnittstellen - Datenübergabeprotokollen 3. Maßnahmenkatalog zur Geräteentwicklung - Wirkungs- und Nutzungsgradverbesserung - Unterlagen für das Installationsgewerbe (Entwicklung von hydraulischen Standardschaltungen) 4. Öffentlichkeitsarbeit - neutrale Darstellung / Vergleich der KWK-Technologien (Vor- und Nachteile der Technologie für die Energiewende) 25

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