VDI Technische Gebäudeausrüstung Stuttgart, 13.04 · PDF fileDr. Andreas Huber – Abteilungsleiter Gasturbine . Institut für Verbrennungstechnik, DLR • BHKW Technologien, Einsatzgebiete

Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs

> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber DLR.de • Folie 1

VDI Technische Gebäudeausrüstung Stuttgart, 13.04.2015 Dr. Andreas Huber – Abteilungsleiter Gasturbine Institut für Verbrennungstechnik, DLR

• BHKW Technologien, Einsatzgebiete & Potentiale

• Aktueller Stand und Anforderungen an zukünftige BHKWs

• Mikrogasturbinen-basierte BHKWs – aktuelle Entwicklungen


Agenda

Vergleich von KWK-Anlagen und zentraler Stromerzeugung / dezentraler

Wärmeerzeugung


Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs Motivation für die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

• Erhöhung der Gesamteffizienz

• Vermeidung von Netzwerkverlusten

• Reduktion von Schadstoff-

emissionen und Treibhausgasen

• Erhöhung der Versorgungs-

sicherheit

KWK Zentrales KW

Heizung

• Primärenergieeinsparung (PEE) abhängig von:

• thermischem & elektrischem Nutzungsgrad der KWK-Anlage • thermischem & elektrischem Nutzungsgrad der getrennten Erzeugung • Korrekturfaktoren für Netzeinspeisung und Eigenverbrauch • thermischer Deckung der KWK-Anlage • dem Anteil des eingespeisten Stroms

• CO2 Einsparung abhängig vom Referenzwert

Beispiel: Erdgas-BHKW mit ηel = 30%, ηth = 60%

→ PEE = ca. 21 %* → CO2 Reduktion um 33** - 46% (Strommix)


Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs Motivation für die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

* Quelle: EU [1], [2]; VDI [3]: Thermischer Deckungsgrad 80%, Referenz Heizung 90%, Referenz Strom 53% ** Stromeinspeisung 20%, Strombezug 20%


Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs Technologien und Einsatzgebiete Motor (Gas-Ottomotor, Selbstzünder (Öl, Dieselmotor))

Gasturbine (GT)

Dampfexpansionsmaschine

Stirlingmotor

Mikrogasturbine (MGT)

Elektrische Leistung

1 kW 100 kW

Brennstoffzellen (SOFC, PEMFC, …)

1 MW

Dampfmotor / Turbine

Feldtests / Markteinführung

Einsatzgebiete

• in Wohngebäuden, Bürogebäuden, Krankenhäusern, Schulen, Schwimmbädern, Hotels, Gaststätten, Landwirtschaft…

• für Privatpersonen, Kommunen, GHD & Industrie


Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs Technologien und Einsatzgebiete

Einsatzbereiche

• Wärmeerzeugung • Kälteerzeugung • Dampferzeugung • Trocknung • CO2 Düngung Betriebsweisen

• Wärmegeführt • Stromgeführt • Virtuelle Kraftwerke


Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs Technologien und Einsatzgebiete Mini-KWK

[Quelle: BHKW-Consult [4]]


Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs KWK Stromerzeugung in Deutschland

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

20,0

22,0

24,0

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

700,0

[%]

Stro

mer

zeug

ung

(Net

to) [

TWh]

Stromerzeugung (Gesamt)

KWK Stromerzeugung

Anteil KWK

[Quelle: BMWi]

• Private Haushalte und GHD

• Objekt- und Netz-KWK bei Annahme eines 90% Anschlussgrades


Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs Potential in Deutschland

[Quelle: IFAM/Prognos/IREES [6]]

• Schwierige wirtschaftliche Rahmenbedingungen: • KWK Index Q1/2015: 3,21 ct/kWh


Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs Aktueller Stand / Hemmnisse

0

10

20

30

40

50

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Q1

2005

Q3

2005

Q1

2006

Q3

2006

Q1

2007

Q3

2007

Q1

2008

Q3

2008

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2009

Q3

2009

Q1

2010

Q3

2010

Q1

2011

Q3

2011

Q1

2012

Q3

2012

Q1

2013

Q3

2013

Q1

2014

Q3

2014

Q1

2015

Durchschnittspreis (EUR/MWh)

[Quelle: EPEX]

• EEG Umlage • Investitionsintensive Technologie: Konkurrenz mit günstigeren

Heizungstechnologien

• Mangelnde Bekanntheit hoher Akquisitionsaufwand

• Komplexe Förderstruktur

• Hoher Verwaltungsaufwand und Bürokratie

• Mangel an qualifizierten Handwerkern

• Unsicherheiten durch Gesetzesänderungen


Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs Aktueller Stand / Hemmnisse

[Quelle: prognos, ifeu, BHKW-consult [5]]


Anforderungen an zukünftige BHKWs Entwicklung der Einspeisung der erneuerbaren Energien

Tag/Monat

Leis

tung

[GW

]

25/09 27/09 29/09 01/10 03/10 05/10 07/10

-10

0

10

20

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90

100GeothermieHolz-/Müll-HKWWasserkraftOnshore-WindOffshore-WindPhotovoltaikLastImport/Export

Tag/Monat

Leis

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[GW

]

25/09 27/09 29/09 01/10 03/10 05/10 07/10

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90

100GeothermieHolz-/Müll-HKWWasserkraftOnshore-WindOffshore-WindPhotovoltaikLastImport/Export

• Große Fluktuationen von Wind / PV Leistung (inkl. Schwachwindphasen) • Große zeitliche Lastgradienten

[Daten aus: DLR / IWES / IFNE [7]]

Jahr 2020 Jahr 2050

• Bruttostromerzeugung / Stromerzeugungskapazitäten

• Konventionelle Kraftwerke decken verbleibende Residuallast mit hohem Leistungsbedarf (Spitzenlast) - bei geringer Stromproduktion!

starke Reduktion von Grund-/Mittellast


Anforderungen an zukünftige BHKWs Bedarf zukünftiger konventioneller Kraftwerksleistung

0

20

40

60

80

100

120

2010 2020 2030 2050

Leis

tung

[GW

]

Bedarf an gesicherter LeistungLeistungsbedarf konv. Kraftwerke

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

2010 2020 2030 2050

Brut

tost

rom

erze

ugun

g [T

Wh/

a] EE-Wasserstoff

Import EE

Photovoltaik

Windenergie

Laufwasser

KWK Biomasse

KWK Gas/Kohle/Müll

Erdgas/Öl kond.

Braunkohle kond.

Steinkohle kond.

Kernenergie[Daten aus: DLR / IWES / IFNE [7]]

KWK

konv. KW

k. KW


Anforderungen an zukünftige BHKWs Entwicklung der Volllaststunden

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 80000

0.001

Volllaststunden [h]

Häuf

igkeit

sdich

te

Kernkraft (n = 6)Braunkohle (n = 22)Steinkohle (n = 40)Erdgas GuD (n = 34)Erdgas GT (n = 39)PSWTurbKWK (n = 77)BHKWBiogas

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

0

0.001

Volllaststunden [h]Hä

ufigk

eitsd

ichte

Braunkohle (n = 3)Steinkohle (n = 4)Erdgas GuD (n = 21)Erdgas GT (n = 41)PSWTurbKWK (n = 43)BHKWBiogas

• Reduktion der Volllaststunden • Erhöhung der Startvorgänge (Kaltstart, Warmstart) Deutlich reduzierte Wirtschaftlichkeit, kürzere Lebensdauer

[Quelle: DLR / IWES / IFNE [7] ]

Jahr 2020 Jahr 2050

15,5%

25,3% 26,3%

22,8%

18,6%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

0

20

40

60

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100

120

140

160

180

2009 2020 2030 2040 2050

KW

K-S

trom

erze

ugun

g (n

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) [TW

h/a]

Öff. FW HKW

Öff. (NW, FW)BHKW > 50 kWelObjektversorgungBHKW < 50 kWelIndustrie

Kohle/ Müll

Erdgas, Öl, etc.

Biomasse

Geothermie

Anteil KWK

• Zunahme des Anteils von BHKWs in der öffentlichen Versorgung


Anforderungen an zukünftige BHKWs Entwicklung der KWK Stromerzeugung

[Quelle: DLR / IWES / IFNE [7]]

• Trennung Strom- & Wärmeerzeugung

stromgeführte BHKWs mit Wärmespeicher

• Verringerung der Minimallast

• Optimierung des Teillastbetriebs

• Steigerung der elektrischen Effizienz

• Reduktion der Abgasemissionen

• Brennstoffflexibilität

• Langzeitspeicher „Power to Gas/Liquids“

• Einsatz von Brennstoff verschiedener Qualitäten / Brennstoffschwankungen

• Inselbetrieb bei Netzstörungen und Abschaltungen


Anforderungen an zukünftige BHKWs Flexibilisierung der KWK-Anlagen

• Erhöhung der Lebensdauer, insbesondere in Bezug auf erhöhte Anzahl der

Startvorgänge und Lastwechsel

• Wirtschaftlichkeit

• verringerte Betriebszeiten

• Erhöhung des Stromeigenverbrauchs

• Virtuelle Kraftwerke

• Bereitstellung von Regelenergie

• Lokale Netzentlastung


Anforderungen an zukünftige BHKWs Flexibilisierung der KWK-Anlagen


Anforderungen an zukünftige BHKWs Wirtschaftlichkeit von KWK Anlagen – 50 kWel

[Quelle: IFAM/Prognos/IREES [6]]

• Motor-BHKW, Wirkungsgrad: 34% elektrisch, 57% thermisch, Verzinsung 12%, mit KWK Zuschlag


Mikrogasturbinen-basierte BHKWs Aufbau und Funktionsprinzip

Rekuperator Verdichter

Generator Turbine

Brennkammer [Quelle: Turbec]


Mikrogasturbinen-basierte BHKWs Vor- und Nachteile

Erdgas Erdgas und H2 (70%vol)

+ Geringe Wartungskosten

+ Kompakte Bauweise / geringes Gewicht

+ Hohe Brennstoffflexibilität

+ Geringe Schadstoff- / Lärmemissionen

+ Sehr gutes Teilastverhalten

+ Hohes Abwärmenutzungspotential

(Abwärme im Abgas enthalten / hohe

Abgastemperaturen)

+ Hoher Gesamtwirkungsgrad

+ Hohe Einsatzflexibilität: Kosten -

Wirkungsgrad

Im Vergleich zum Gasmotor

- Geringerer elektrischer Wirkungsgrad

- Höhere Investitionskosten (Stückzahl)


Mikrogasturbinen-basierte BHKWs Vergleich elektrischer Wirkungsgrad

Elektrische Leistung [MW]

Ele

ktris

cher

Wirk

ungs

grad

[%]

• Capstone (USA): C30 (30 kW), C65 (65 kW), C200 (200 kW)

• Ansaldo Energia (Italien) (ehemals Turbec): AE-T100 (100 kW)

• Dürr (Deutschland): Compact Power System (100 kW)

• Micro Turbine Technology BV (MTT), EnerTwin 3 kWel

• …


Mikrogasturbinen-basierte BHKWs Aktuelle Hersteller

• Entwicklung von effizienten, schadstoffarmen und brennstoffflexiblen Brenner-systemen für konventionelle und alternative Brennstoffe, z.B.

• Erdgas, Diesel, Kerosin • Biogene Schwachgase (Biogas, Holzgas, etc.) • Industrielle Abluft (VOCs)

• Optimierung konventioneller MGT-BHKW Systeme • Entwicklung innovativer MGT-BHKW / APU Konzepte

• 1 kWel MGT-BHKW für den Einsatz im Einfamilienhaus • Hybrid-Kraftwerk (Kopplung MGT & SOFC) • Range Extender • APU


Mikrogasturbinen-basierte BHKWs Aktuelle Entwicklungen am DLR (www.dlr.de/vt)

Projektziele: • Entwicklung einer last- und brennstoffflexiblen Mikrogasturbine • Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades

• Neuentwicklung eines Rekuperators • Neuentwicklung eines FLOX® Brennkammersystems

• Analyse von Abwärmenutzungskonzepten


Mikrogasturbinen-basierte BHKWs für Erdgas Heizkraftwerk Leonberg

Erprobung des FLOX®-BKS am DLR Rekuperatorprototyp Demonstrationskraftwerk der EnBW (HKW-Leonberg)

Numerische Analyse des HKW-Leonberg


Mikrogasturbinen-basierte BHKWs für Erdgas Heizkraftwerk Leonberg

Hydraulischer Kreislauf des HKW-Leonberg

DLR.de • Folie 26

Nachhaltiges dezentrales Holzvergaserkraftwerk mit gekoppelter Mikrogasturbine

• Demonstrations-Kraftwerk: Kopplung MGT mit Holzvergaser

• Charakterisierung von Anlagenbetrieb und Wirtschaftlichkeit

• Entwicklung eines Brennkammersystems für Holzgas

• Optimierung der Produktgasreinigung

• Untersuchung des Vergasungsverhaltens verschiedener Substrate

> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber

DLR.de • Folie 27

MGT-basiertes Holzvergaserkraftwerk Aufbau


• Weltweit erstes Holzgas-FLOX®* Brennkammersystem erfolgreich in MGT getestet

• Niedrige Emissionsgrenzwerte im gesamten Betriebsbereich

DLR.de • Folie 28

MGT-basiertes Holzvergaserkraftwerk FLOX® Brennkammersystem


*eingetragenes Warenzeichen der WS Wärmeprozesstechnik GmbH


MGT-basiertes Holzvergaserkraftwerk MGT-Holzvergaserkraftwerk

Weitere Infos unter: T. Zornek, T. Monz, M. Aigner, „Effizient, flexibel, sauber: Flox-Brennkammersysteme für Mikrogasturbinen“, BWK Bd.66 (2014) Nr.9

• Aufbau und Demonstration eines real-gekoppelten Kraftwerks

• Charakterisierung der Versuchsanlagen (MGT & SOFC) und der

Gesamtanlage

• Entwicklung von Betriebsstrategien


Mikrogasturbinen-basierte BHKWs Hybrid-Kraftwerk: Kopplung SOFC und MGT


Hybrid-Kraftwerk: Kopplung SOFC und MGT Anlagenkonzept


Hybrid-Kraftwerk: Kopplung SOFC und MGT Motivation

Elektrische Leistung [kW]

SO

FC T

empe

ratu

r [K

]

Ele

ktris

cher

Wirk

ungs

grad

[%]

SOFC/MGT Kraftwerk (700 kWel)

Effizienz SOFC Temperatur

Betriebs-bereich

Hochflexibles, hocheffizientes kombiniertes Grundlast- und Spitzenlastkraftwerk für die zukünftigen Anforderungen

• Entwicklung einer gekoppelten Betriebs- und Regelungsstrategie der deutlich unterschiedlichen Systeme

• Thermische Trägheit der SOFC bei Start- und Stoppmanövern • Druckempfindlichkeit der SOFC zwischen Anode & Kathode • Erhöhtes Risiko von Verdichterinstabilitäten („Verdichterpumpen“) der

MGT

• Vermeidung von Bauteilschäden (SOFC Stacks, MGT Verdichter) bei dynamischen Laständerungen


Hybrid-Kraftwerk: Kopplung SOFC und MGT Herausforderung

Ziel: Umsetzung einer Demonstrationsanlage eines Hybrid-Kraftwerks mit ca. 30 kW elektrischer Leistung bis 2017

• Betriebskonzept: Aufheizen der SOFC


Hybrid-Kraftwerk: Kopplung SOFC und MGT Stand der Forschung & Entwicklung

Vent

ilste

llung

[%]

Zeit [s]

rela

tiver

Dru

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[%]

Tem

pera

tur [

°C]

SOFC Einlass-temperatur [°C]

Rel. Druckverlust [%] Bypassstrang [%] Heissgasstrang [%] Kaltgasstrang [%]

SOFC

• Entwicklung und Aufbau eines Mikro-BHKW

Demonstrators mit 1 kW elektrischer Leistung

• Experimentelle Charakterisierung einer inversen

Mikrogasturbine

• Entwicklung und Bewertung von

Betriebskonzepten

• Abschätzung der Kosten der Komponenten und

des Gesamtsystems

• Mittel- und langfristig erreichbare elektrische

Wirkungsgrade: 20-25%


Mikrogasturbinen-basierte BHKWs MGT- μBHKW für den Einsatz im Einfamilienhaus

MGT- μBHKW für den Einsatz im Einfamilienhaus Potential - Einsatzmöglichkeiten EFH

• Elektrische Leistung: mehr als 84 % unterhalb 1 kW (92% unterhalb 1,5 kW)*

• Thermische Leistung: mehr als 61% unterhalb 5 kW (98% unterhalb 10 kW)*

* VDI 4656: Mittlere Werte Einfamilienhaus (17357 kWh Wärme, 5388 kWh Strom)


MGT- μBHKW für den Einsatz im Einfamilienhaus Herausforderungen MGT μBHKW mit 1 kWel

• Turbokomponenten können nicht beliebig verkleinert werden, da

• Fertigungstoleranzen • Sinkendes Druckniveau • Größere Leckage-Verluste

zu einer deutlich reduzierten Effizienz / Wirtschaftlichkeit führen würden

Lösung: Subatmoshärische MGT nach dem Prinzip des Inverted Bryton Cycle (IBC)


MGT- μBHKW für den Einsatz im Einfamilienhaus Invertierter Brayton Cycle (IBC) mit „Spitzenlastkessel“

Luft

Abgas

Verdichter Turbine

Generator

Reku- perator

Wärmetauscher

Wasser

Brennkammer

Brenn-stoff

Abgas

AG

R

Spitzenlast-kessel

Wärmetauscher

Wasser


MGT- μBHKW für den Einsatz im Einfamilienhaus Vorteile der subatmosphärischen MGT • Geringere Dichte (im Vergleich zum druckaufgeladenen System) führt bei

baugleichen Turbokomponenten zu:

• einem geringeren Massenstrom und damit • zu einer reduzierten Leistung

• bei ähnlichen Wirkungsgraden

• Verbrennung in der Brennkammer bei Umgebungsdruck

• kein Brennstoffkompressor notwendig

• Besonders geeignet für:

• Abgasrückführung und Brennwerttechnik

• Schwachgase (z.B. Holzgas)


Ziel: möglichst hoher Gesamtwirkungsgrad („stromerzeugende Heizung“) EGR für Brennwerttechnik


MGT- μBHKW für den Einsatz im Einfamilienhaus Einfluss der Abgasrezirkulation (EGR) Kondensation

• KWK Kraftwerke (insbesondere dezentrale BHKW) leisten einen entscheidenden Beitrag zu Effizienzsteigerung, CO2 Reduktion und Versorgungssicherheit

• Zukünftige Randbedingungen erfordern • eine Erhöhung der Flexibilisierung von BHKWs • bei gleichzeitig reduzierten Betriebsstunden und erhöhten Startvorgängen aufgrund geringer gesicherter Leistung durch Erneuerbare Energien

• Mikrogasturbinen-basierte BHWKs zeigen ein hohes Potential die zukünftigen Anforderungen in Bezug auf Brennstoff-, Lastflexibilität und Emissionen in einem großen Leistungsbereich zu erfüllen


Mikrogasturbinen-basierte BHKWs Zusammenfassung

DLR.de • Folie 42 > Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! www.dlr.de/vt

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) Institut für Verbrennungstechnik | Pfaffenwaldring 38-40 | 70569 Stuttgart Dr. Andreas Huber | Abteilungsleiter Gasturbine

[email protected]

Quelle: DLR

mailto:[email protected]

• [1] Richtlinie 2004/8/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 11. Februar 2004

• [2] Durchführungsbeschluss der Kommission vom 19. Dezember 2011 zur Festlegung harmonisierter Wirkungsgrad-Referenzwerte für die getrennte Erzeugung von Strom und Wärme in Anwendung der Richtlinie 2004/8/EG

• [3] VDI Statusreport 2013, Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, Oktober 2013

• [4] Mini-KWK 2014, Vortag „Mini-BHKW Kongress“, 24.06.2014, BHKW-consult

• [5] Aktuelle Chance und Hemmnisse für Mini-KWK, Vortrag „Mini-KWK – Energie effizient nutzen, 21.11.2013, ifeu, prognos, BHKW-consult

> Mikrogasturbinen-basiertes BHKW > A. Huber DLR.de • Folie 43

Referenzen

• [6] Potential- und Kosten-Nutzen-Analyse zu den Einsatzmöglichkeiten von Kraft-Wärme-Kopplung sowie Evaluierung des KWKG im Jahr 2014, IFAM, Prognos, IREES, BHKW-Consult, Oktober 2014

• [7] Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global, DLR, IWES, IFNE, März 2012


Referenzen

Documents

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