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Optimierung des Betriebs von Mikro-KWK-Systemen

EnEff:Wärme - Forschung für energieeffiziente Wärme- und Kältenetze

Mikro-KWK-System am Prüfstand

© TU München, LfE

Projektsteckbrief

Projektstatus Projektstatus: Phase 1Konzept
Standort TU München
Projektthemen

Projektbeschreibung

Bis zum Jahr 2020 soll der Anteil der Stromerzeugung aus KWK-Anlagen auf 25% verdoppelt werden. Bei insgesamt rückläufiger Wärmenachfrage wird dieser Anteil nur zu erreichen sein, wenn neben den großen zentralen Fernwärmesystemen auch kleine dezentrale Anlagen eingesetzt werden. Mini-KWK-Anlagen im Leistungsbereich von etwa 5 bis 10 kW elektrisch und 10 bis 25 kW thermisch sind seit einigen Jahren am Markt verfügbar. Mikro-KWK-Anlagen mit rund 1 kW elektrischer und 1 bis 5 kW thermischer Leistung sind derzeit in der Markteinführung.

Sowohl Wärme als auch Strombedarf von Gebäuden und deren Nutzern unterliegen starken zeitlichen Schwankungen. Diese sind nur teilweise korreliert, so dass bei Einsatz von KWK-Systemen eine Entkopplung der Stromerzeugung vom Wärmebedarf des Versorgungsobjekts wünschenswert ist. Die Schlüsselkomponente hierfür ist der thermische Energiespeicher. In einem abgeschlossenen Projekt wurde deshalb ein innovatives Wärmespeichermanagement entwickelt. Dieses erlaubt mit geringem Aufwand den Zustand des Wärmespeichers zu bestimmen. Dadurch ist eine bessere Planbarkeit des Anlagenbetriebs gewährleistet.

Projekt

Der Schwerpunkt dieses Projekts liegt neben der wirtschaftlichen Auslegung des Gesamtsystems vor allem in der Optimierung von Betrieb des KWK-Moduls und Bewirtschaftung des Wärmespeichers. Einer unabhängigen stromgeführten Fahrweise sind dabei Grenzen gesetzt durch die Größe des Wärmespeichers und den limitierten Wärmebedarf des Versorgungsobjekts. Ziel dieses Projekts ist es, Optimierungspotenziale zur Effizienzsteigerung von Mikro-KWK-Systemen aufzuzeigen und eine energiewirtschaftliche Bewertung durchzuführen.

Im Rahmen von Prüfstandsuntersuchungen und Feldmessungen wurden zahlreiche Messdaten gewonnen, mit denen das Betriebsverhalten und die Effizienz von Mikro-KWK-Systemen analysiert und bewertete werden können. Darauf aufbauend wird nun ein Simulationsmodell erstellt und parametriert, das alle relevanten Komponenten enthält und mit dem die in der Praxis auftretenden Betriebszustände realitätsnah dargestellt werden können. Ziel ist es den Analgenbetrieb so zu optimieren, dass eine bedarfsgerechte Bereitstellung von Wärme und Strom erreicht wird. Der Wärmebedarf des zu versorgenden Objekts soll möglichst vom KWK-Modul bereitgestellt werden und nur bei thermischen Lastspitzen durch einen Zusatzkessel. Stromseitig ist, aufgrund der derzeitigen Fördersituation, ein hoher Eigenverbrauch des erzeugten Stroms wirtschaftlich, nur Überschüsse werden in das Stromnetz eingespeist. Sollen Mikro-KWK-Systeme zukünftig aktiv am Smart Grid teilnehmen, werden auch äußere Faktoren für den Anlagenbetrieb ausschlaggebend sein. Dies könnten z.B. Preissignale sein, die ein hohes bzw. geringes Angebot von Strom aus erneuerbaren Energien reflektieren. Damit auch Mikro-KWK-Anlagen an den Strommärkten teilnehmen können, werden sie informationstechnisch vernetzt und zu sogenannten virtuellen Kraftwerken zusammengefasst.

Neben der effizienten Bereitstellung von thermischer und elektrischer Energie ist zukünftig auch der Einsatz von Mikro-KWK-Anlagen zur kurzfristigen Lieferung von elektrischer Regeleistung wünschenswert. In einem Versorgungssystem mit hohen Anteilen an Stromerzeugung aus fluktuierenden, nur bedingt planbaren erneuerbaren Energien, kann Regelleistung aus virtuellen Kraftwerken einen Beitrag zur Netzstabilität und somit zur Versorgungssicherheit leisten.

Es werden entsprechende Regelalgorithmen entwickelt und in der Simulation analysiert. Dabei sollen robuste Regelmechanismen eingesetzt werden, die auch bei Abweichungen von Prognoseabweichungen, z.B. durch geändertes Nutzerverhalten, zu guten Ergebnissen führen.

Aufbauend auf der Simulation wird die Umsetzbarkeit anhand von Prüfstandsversuchen untersucht. Durch einen Gebäudesimulator werden verbrauchseitig realitätsnahe und reproduzierbare Bedingungen geschaffen. Alle relevanten Parameter von KWK-Anlage, Spitzenlastkessel und Wärmespeicher werden mit hoher zeitlicher Auflösung messtechnisch erfasst. Ebenso können verschiedene Regelschemata implementiert werden.

Abschließend ist die praktische Umsetzung des optimierten Regelsystems in einem Feldversuch geplant. Bereits im Vorfeld wurden Mikro-KWK-Systeme mit ihrer Standardregelung im Praxisbetrieb vermessen. Die gewonnenen Daten werden ausgewertet und für Simulation und Prüfstandsuntersuchungen genutzt. Die optimierte Regelung zum Betrieb der KWK-Anlage und Bewirtschaftung des Wärmespeichers wird in die Anlagen implementiert und neue Messreihen aufgenommen. Es wird ermittelt, wie weit sich das KWK-System stromgeführt betreiben lässt und sich die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems verbessert hat.

Werden zukünftig Mikro-KWK-System in großer Anzahl in Deutschland eingesetzt, so wird dies Auswirkungen auf die Energiewirtschaft haben. Dies wird anhand von Szenarienrechnungen analysiert. Dazu verfügt der Lehrstuhl über ein Energiesystemmodell, das unter gegebenen Randbedingungen, wie Lastverlauf des Strombedarfs, Ausbaugrad erneuerbarer Energien und Kostenparametern, die volkswirtschaftlich günstigste Entwicklung des Kraftwerksparks und dessen Einsatz zur Stromerzeugung bestimmt. Daraus sollen wirtschaftliche Potenziale zum Einsatz von Mikro-KWK-Systemen abgeleitet werden.

Die Bearbeitung dieses EnEff:Wärme-Forschungsprojekts erfolgt auch im Rahmen des Annex 54, „Analysis of Micro-Generation & Related Energy Technologies in Buildings“ des ECBCS Programms der IEA.

Laufzeit des Projekts: November 2011 bis März 2015.