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Jahrestagung DBFZ, Leipzig, Oktober 2014Side-Event BMWi-Förderprogramm energetische Biomassenutzung
FlexHKW – Flexibilisierung des Betriebs von Heizkraftwerken
© Fraunhofer IWES
Inhalt
� Projektmotivation /-zielsetzung
� Heizkraftwerke in Deutschland
� Techniken zur Flexibilisierung
© Fraunhofer IWES
� Techniken zur Flexibilisierung
� Vermarktungsmöglichkeiten
� Lösungsansatz an der Pilotanlage Wächtersbach
Motivation und Projektziele
Hauptziel :
� Zusätzliche Kapazität in flexibler Stromerzeugung a us der Verbrennung von Biomasse gewinnen
Weitere Ziele :
� Theoretische Grundlagen für HKWs
� Verschiedene Anlagenarten
� Flexibilitätspotential
� Einschränkungen
� Technische Einschränkungen
© Fraunhofer IWES
� Technische Einschränkungen
� Einschränkungen durch Lieferverträgeund Produktstruktur
� Technische und wirtschaftliche Machbarkeit
� Demonstration der Machbarkeit an einergroßtechnischen Pilotanlage
� Vorschlag Maßnahmen
� Umsetzung
� Erfahrungen auswerten und verbreiten
3
Motivation und Projektziele
-20
0
20
40
60Residuallast ohne E-Mobilität, Wärmepumpen und Klimatisierung (Meteo-Jahr 2007)
Res
idua
llast
(G
W)
Bioenergie Deutschland: 4,5 GW / 30 TWhBiogas (2012): 3,2 GW / 22 TWh
© Fraunhofer IWES
4
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec-120
-100
-80
-60
-40
Monat
Res
idua
llast
(G
W)
Überschüsse: -187.7 TWh Defizite: 43.5 TWh Minimale Residuallast: -109.9 GW Maximale Residuallast 48.2 GW Defizite (Last > EE-Einspeisung)
Überschüsse (EE-Einspeisung > Last)
© Fraunhofer IWES 2010
Heizkraftwerke in Deutschland
� Konversionstechniken für feste Biomasse in Deutschland (DBFZ 2013)
Energiekonverter Anzahl Leistungsklasse
Dampfturbine 159 0,5 bis 20 MW
ORC-Turbine 89 0,2 bis 3,1 MW
Holzvergaser mit 252
bis 0,15 MW,
© Fraunhofer IWES
Holzvergaser mit
Gasmotor 252
bis 0,15 MW,
seit 2011 auch 0,5 bis 5 MW
Heizkraftwerke in Deutschland
� Zu betrachtende Eigenschaften hinsichtlich Flexibilisierung
� Wärmebedarfsprofil
� Brennstoff
� Leistungsklasse
© Fraunhofer IWES
� Feuerungstyp
� Kesseltyp
� Turbinentyp
Techniken zur Flexibilisierung
� Regelung der Feuerung
� Dampfseitige Energiespeicher
© Fraunhofer IWES
� Turbinen-Bypass-Betrieb
� Variation der Dampfentnahme
� Wärmelieferseitige Energiespeicher
Techniken zur Flexibilisierung
� Derzeitige Recherche
Techniken Kosten Flexibilität (Leistungsgradient, Dauer)
Marktdurchdringung
Regelung der Feuerung
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Dampfseitige Energiespeicher
Turbinen-Bypass-Betrieb ORC-Bypass nutzen Ca. 10.000 € (IT + zus. Silikonöl)
100 %/min, 30 min, 60h/a (Regelleistung)
Variation der Dampfentnahme
Wärmelieferseitige Energiespeicher
Wärmeträger Wassera. Behälterb. Erdbeckenc. Aquiferd. Erdwärmesondee. Druckbehälter
s. Folgefolie Projekte Solites (2012):a. 0,1-12.000 m³b. 700 -75.000 m³c. 5.000-35.000 m³d. 4.500-16.000 m³Bekannte Kostenangabe nach IUTA (2002):e. 0,1-20 m³
a. Hoch (V klein V), niedrig (V groß)
b.-e. Niedrig
Techniken zur Flexibilisierung
� Spezifische Investitionskosten Wärmespeicher 1.000 m³ - 10.000 m³ (Wasser)
500
600 IFAM 2013
Datenabfrage FFE 2013
Behälter Solites 2012
Erdbecken Solites 2012
Erdwärmesonde Solites 2012
Aquifer Solites 2012
Sievers 2010
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0
100
200
300
400
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
[€/m³]
[m³]
Techniken zur Flexibilisierung
� Spezifische Investitionskosten Wärmespeicher bis 1.000 m³ (Wasser)
1000
1200
1400IFAM 2013
Angebote
Datenabfrage FFE 2013
Angebot mit Eigenleistung
Preisliste Lorenz GmbH
Preisatlas IUTA 2012
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0
200
400
600
800
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
[€/m³]
[m³]
Heizkraftwerke in Deutschland
� Stellvertreter für Analyse des Erlöspotenzials
Wärmebedarfsprofil • Fernwärme• industrielle Prozesswärme
Brennstoff naturbelassenes Holz
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Leistungsklasse 1 MW, 5 MW oder 20 MW
Feuerungstyp Schräg-Vorschubrost
Kesseltyp Wasserrohrkessel bzw. Thermoölkessel (ORC)
Turbinentyp • ORC-Turbine• Gegendruckturbine• Heizturbine• Gegendruckturbine in Kombination mit Kondensationsturbine• Entnahme-Kondensationsturbine
Bioenergie Wächtersbach
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Pilotanlage
� Fernwärmenetz Wächtersbach
� Wärmeabnahme bei Kunden (links) und Wärmeerzeugung (rechts)
5
6
6
7
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Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec0
6
12
18
24
0
1
2
3
4
5
MW
TageszeitJan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec0
6
12
18
24
0
1
2
3
4
5
MW
Tageszeit
Vermarktungsmöglichkeiten
� Simulation Betrieb der ORC-Anlage, Ölkessel und verschiedenen Speichergrößen (∆T = 50 K) in Einsatzoptimierung
� Wärmeerzeugung aus Anlageneinsatz gleich Wärmeerzeugung aus Messwerten
� Dauerlinien des Anlageneinsatzes:1.4
kein Speicher
70 m3
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0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 90000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Stunden
el.
Leis
tung
[M
W]
70 m3
210 m3
410 m3
830 m3
Trotz starker Wirkungsgradverlustehohe Anzahl Betriebstsunden inTeillast, wegen hoher Kaltstartkosten
Vermarktungsmöglichkeiten
� Gewinn aus Einsatz von Wärmespeicher (Differenz zu ohne Speicher)
� Speicherkosten nach IFAM 2013, 7% Zins, 15 Jahre Abschreibung
60000
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0 100 200 300 400 500 600 700 800 9000
10000
20000
30000
40000
50000
Speichervolumen [m³]
Pro
fit [
Eur
o]
Lösungsansatz an der Pilotanlage Wächtersbach
Alternative 1:Thermoöl über Wärmetauscher
Alternative 2:Regelung über Bypassventil der ORC-Turbine
Vorteil Schnelle, präzise Regelung zur
� Bypass-Betrieb der ORC-Turbine
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Vorteil Schnelle, präzise Regelung zur Leistungsreduktion
Nachteil Wärmetauscher nur für NotbetriebUmbau der Ansteuerung
Herstellerempfehlung: 10 Mal pro Monat à ≤ 30 min
Lösungsansatz an der Pilotanlage Wächtersbach
� Regelung über Bypassventil der ORC-Turbine
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Lösungsansatz an der Pilotanlage Wächtersbach
� Erster Testlauf: 2 Minuten für Leistungsreduktion, 11 Minuten bzw. 4 Minuten für Leistungserhöhung
� Weitere Optimierung der Regelung um Anforderungen der Sekundärregelleistung bei Leistungserhöhung zu erreichen
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Zusammenfassung
� Biomasseheizkraftwerke haben das Potenzial für einen flexiblen Betrieb
� Ausgewählte, repräsentative Anlagenkonzepte werden für flexible Anwendung im Strom- und Regelleistungsmarkt simuliert.
� Wärmespeicher spielen eine zentrale Rolle, derzeitige Randbedingungen sind für
© Fraunhofer IWES
� Wärmespeicher spielen eine zentrale Rolle, derzeitige Randbedingungen sind für Investitionsentscheidung nicht förderlich
� Regelleistung voraussichtlich einziger Markt für die Flexibilität der Biomasse-Heizkraftwerke. Kurzfristige Regelungsmöglichkeiten, insbesondere zur Leistungsreduktion.
� Erste erfolgsversprechende Versuche mit Doppelhöckerkurve bei Pilotanlage. Weitere Maßnahmen müssen noch eingehend geprüft werden.
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit
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Dr. Bernd KrautkremerFraunhofer [email protected]
Förderkennziffer 03KB092A
