Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen

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DLR.de • Folie 1
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber
Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinenbasierten BHKWs
VDI Technische Gebäudeausrüstung
Stuttgart, 13.04.2015
Dr. Andreas Huber – Abteilungsleiter Gasturbine
Institut für Verbrennungstechnik, DLR
DLR.de • Folie 2
Agenda
• BHKW Technologien, Einsatzgebiete & Potentiale
• Aktueller Stand und Anforderungen an zukünftige BHKWs
• Mikrogasturbinen-basierte BHKWs – aktuelle Entwicklungen
DLR.de • Folie 3
Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs
Motivation für die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)
Vergleich von KWK-Anlagen und zentraler Stromerzeugung / dezentraler
Wärmeerzeugung
• Erhöhung der Gesamteffizienz
• Vermeidung von Netzwerkverlusten
• Reduktion von Schadstoff-
Zentrales KW
emissionen und Treibhausgasen
• Erhöhung der Versorgungssicherheit
Heizung
KWK
DLR.de • Folie 4
Motivation für die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)
• 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)
* Quelle: EU [1], [2]; VDI [3]: Thermischer Deckungsgrad 80%, Referenz Heizung 90%, Referenz Strom 53%
** Stromeinspeisung 20%, Strombezug 20%
DLR.de • Folie 5
Technologien und Einsatzgebiete
Motor (Gas-Ottomotor, Selbstzünder (Öl, Dieselmotor))
Dampfmotor / Turbine
Dampfexpansionsmaschine
Stirlingmotor
Mikrogasturbine (MGT)
Gasturbine (GT)
Brennstoffzellen (SOFC, PEMFC, …)
1 kW
100 kW
1 MW
Elektrische Leistung
Feldtests / Markteinführung
DLR.de • Folie 6
Technologien und Einsatzgebiete
Einsatzgebiete
• in Wohngebäuden, Bürogebäuden,
Krankenhäusern, Schulen,
Schwimmbädern, Hotels, Gaststätten,
Landwirtschaft…
• für Privatpersonen, Kommunen, GHD &
Industrie
Betriebsweisen
• Wärmegeführt
• Stromgeführt
• Virtuelle Kraftwerke
Einsatzbereiche
•
•
•
•
•
Wärmeerzeugung
Kälteerzeugung
Dampferzeugung
Trocknung
CO2 Düngung
DLR.de • Folie 7
Technologien und Einsatzgebiete Mini-KWK
[Quelle: BHKW-Consult [4]]
DLR.de • Folie 8
KWK Stromerzeugung in Deutschland
700,0
600,0
500,0
400,0
300,0
22,0
Stromerzeugung (Gesamt)
KWK Stromerzeugung
Anteil KWK
20,0
18,0
16,0
200,0
14,0
100,0
12,0
0,0
10,0
[Quelle: BMWi]
[%]
Stromerzeugung (Netto) [TWh]
24,0
DLR.de • Folie 9
Potential in Deutschland
• Private Haushalte und GHD
[Quelle: IFAM/Prognos/IREES [6]]
• Objekt- und Netz-KWK bei Annahme eines 90% Anschlussgrades
DLR.de • Folie 10
Aktueller Stand / Hemmnisse
• Schwierige wirtschaftliche Rahmenbedingungen:
• KWK Index Q1/2015: 3,21 ct/kWh
Durchschnittspreis (EUR/MWh)
80
70
60
50
40
30
20
10
Q1 2005
Q3 2005
Q1 2006
Q3 2006
Q1 2007
Q3 2007
Q1 2008
Q3 2008
Q1 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
0
[Quelle: EPEX]
DLR.de • Folie 11
Aktueller Stand / Hemmnisse
• 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
[Quelle: prognos, ifeu, BHKW-consult [5]]
DLR.de • Folie 12
Anforderungen an zukünftige BHKWs
Entwicklung der Einspeisung der erneuerbaren Energien
Geothermie
Holz-/Müll-HKW
Wasserkraft
Onshore-Wind
Offshore-Wind
Photovoltaik
Last
Import/Export
90
80
Leistung [GW]
70
60
50
40
30
100
90
80
70
Leistung [GW]
100
60
50
40
30
20
20
10
10
0
Geothermie
Holz-/Müll-HKW
Wasserkraft
Onshore-Wind
Offshore-Wind
Photovoltaik
Last
Import/Export
0
Jahr 2020
-10
Jahr 2050
-10
25/09
27/09
29/09
01/10
Tag/Monat
03/10
05/10
07/10
25/09
27/09
29/09
01/10
03/10
05/10
07/10
Tag/Monat
[Daten aus: DLR / IWES / IFNE [7]]
• Große Fluktuationen von Wind / PV Leistung (inkl. Schwachwindphasen)
• Große zeitliche Lastgradienten
DLR.de • Folie 13
Bedarf zukünftiger konventioneller Kraftwerksleistung
600,0
EE-Wasserstoff
120
Import EE
500,0
100
Photovoltaik
Windenergie
400,0
Laufwasser
300,0
KWK Biomasse
KWK Gas/Kohle/Müll
200,0
Erdgas/Öl kond.
100,0
k. KW KWK
0,0
2010
2020
2030
2050
Braunkohle kond.
Steinkohle kond.
Kernenergie
Leistung [GW]
Bruttostromerzeugung [TWh/a]
• Bruttostromerzeugung / Stromerzeugungskapazitäten
80
60
40
konv. KW
20
0
2010
2020
2030
2050
Bedarf an gesicherter Leistung
Leistungsbedarf konv. Kraftwerke
[Daten aus: DLR / IWES / IFNE [7]]
• Konventionelle Kraftwerke decken verbleibende Residuallast mit hohem
Leistungsbedarf (Spitzenlast) - bei geringer Stromproduktion!
 starke Reduktion von Grund-/Mittellast
DLR.de • Folie 14
Entwicklung der Volllaststunden
0.001
0.001
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
Jahr 2020
Braunkohle (n = 3)
Steinkohle (n = 4)
Erdgas GuD (n = 21)
Erdgas GT (n = 41)
PSW Turb
KW K (n = 43)
BHKW
Biogas
Jahr 2050
Häufigkeitsdichte
Häufigkeitsdichte
Kernkraft (n = 6)
Braunkohle (n = 22)
Steinkohle (n = 40)
Erdgas GuD (n = 34)
Erdgas GT (n = 39)
PSW Turb
KW K (n = 77)
BHKW
Biogas
6000
Volllaststunden [h]
7000
8000
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Volllaststunden [h]
[Quelle: DLR / IWES / IFNE [7] ]
• Reduktion der Volllaststunden
• Erhöhung der Startvorgänge (Kaltstart, Warmstart)
 Deutlich reduzierte Wirtschaftlichkeit, kürzere Lebensdauer
DLR.de • Folie 15
Entwicklung der KWK Stromerzeugung
KWK-Stromerzeugung (netto) [TWh/a]
180
30%
25,3%
160
Öff. FW HKW
26,3%
Öff. (NW, FW)
BHKW > 50 kWel
Objektversorgung
BHKW < 50 kWel
Industrie
25%
22,8%
140
18,6%
120
100
20%
15,5%
Kohle/ Müll
15%
80
Erdgas, Öl, etc.
60
10%
Biomasse
40
Geothermie
5%
20
Anteil KWK
0%
0
2009
2020
2030
2040
2050
[Quelle: DLR / IWES / IFNE [7]]
• Zunahme des Anteils von BHKWs in der öffentlichen Versorgung
DLR.de • Folie 16
Flexibilisierung der KWK-Anlagen
• 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
DLR.de • Folie 17
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
DLR.de • Folie 18
Wirtschaftlichkeit von KWK Anlagen – 50 kWel
• Motor-BHKW, Wirkungsgrad: 34% elektrisch, 57% thermisch, Verzinsung 12%,
mit KWK Zuschlag
[Quelle: IFAM/Prognos/IREES [6]]
DLR.de • Folie 19
Mikrogasturbinen-basierte BHKWs
Aufbau und Funktionsprinzip
Rekuperator
Verdichter
Generator
Turbine
Brennkammer
[Quelle: Turbec]
DLR.de • Folie 20
Vor- und Nachteile
Erdgas
+ Geringe Wartungskosten
+ Kompakte Bauweise / geringes Gewicht
Erdgas und
H2 (70%vol)
+ 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)
DLR.de • Folie 21
Elektrischer Wirkungsgrad [%]
Vergleich elektrischer Wirkungsgrad
Elektrische Leistung [MW]
DLR.de • Folie 22
Aktuelle Hersteller
• 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
• …
DLR.de • Folie 23
Aktuelle Entwicklungen am DLR (www.dlr.de/vt)
• Entwicklung von effizienten, schadstoffarmen und brennstoffflexiblen Brennersystemen 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
DLR.de • Folie 24
Mikrogasturbinen-basierte BHKWs für Erdgas
Heizkraftwerk Leonberg
Projektziele:
• Entwicklung einer last- und brennstoffflexiblen Mikrogasturbine
• Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades
• Neuentwicklung eines Rekuperators
• Neuentwicklung eines FLOX® Brennkammersystems
• Analyse von Abwärmenutzungskonzepten
Erprobung des FLOX®-BKS am DLR
Rekuperatorprototyp
Demonstrationskraftwerk der
EnBW (HKW-Leonberg)
DLR.de • Folie 25
Mikrogasturbinen-basierte BHKWs für Erdgas
Heizkraftwerk Leonberg
Numerische Analyse des HKW-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
DLR.de • Folie 27
MGT-basiertes Holzvergaserkraftwerk
Aufbau
DLR.de • Folie 28
FLOX® Brennkammersystem
• Weltweit erstes Holzgas-FLOX®* Brennkammersystem erfolgreich in MGT
getestet
• Niedrige Emissionsgrenzwerte im gesamten Betriebsbereich
*eingetragenes Warenzeichen der WS Wärmeprozesstechnik GmbH
DLR.de • Folie 29
MGT-Holzvergaserkraftwerk
Weitere Infos unter: T. Zornek, T. Monz, M. Aigner, „Effizient, flexibel, sauber: FloxBrennkammersysteme für Mikrogasturbinen“, BWK Bd.66 (2014) Nr.9
DLR.de • Folie 30
Hybrid-Kraftwerk: Kopplung SOFC und MGT
• Aufbau und Demonstration eines real-gekoppelten Kraftwerks
• Charakterisierung der Versuchsanlagen (MGT & SOFC) und der
Gesamtanlage
• Entwicklung von Betriebsstrategien
DLR.de • Folie 31
Anlagenkonzept
DLR.de • Folie 32
SOFC Temperatur [K]
Elektrischer Wirkungsgrad [%]
Motivation
Effizienz
SOFC Temperatur
Elektrische Leistung [kW]
SOFC/MGT Kraftwerk (700 kWel)
Hochflexibles, hocheffizientes kombiniertes Grundlast- und
Spitzenlastkraftwerk für die zukünftigen Anforderungen
Betriebsbereich
DLR.de • Folie 33
Herausforderung
• 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
Ziel: Umsetzung einer Demonstrationsanlage eines HybridKraftwerks mit ca. 30 kW elektrischer Leistung bis 2017
DLR.de • Folie 34
Stand der Forschung & Entwicklung
SOFC
Zeit [s]
Temperatur [°C]
Ventilstellung [%]
relativer Druckverlust [%]
• Betriebskonzept: Aufheizen der SOFC
Kaltgasstrang [%]
Heissgasstrang [%]
Bypassstrang [%]
Rel. Druckverlust [%]
SOFC Einlasstemperatur [°C]
DLR.de • Folie 35
MGT- μBHKW für den Einsatz im Einfamilienhaus
• 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%
DLR.de • Folie 36
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)
DLR.de • Folie 37
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)
DLR.de • Folie 38
Invertierter Brayton Cycle (IBC) mit „Spitzenlastkessel“
Abgas
Wärmetauscher
Wasser
Brennkammer
Spitzenlastkessel
Brennstoff
Wasser
Wärmetauscher
AGR
Generator
Verdichter
Rekuperator
Turbine
Luft
Abgas
DLR.de • Folie 39
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)
DLR.de • Folie 40
Einfluss der Abgasrezirkulation (EGR)
Kondensation
Ziel: möglichst hoher Gesamtwirkungsgrad („stromerzeugende Heizung“)
 EGR für Brennwerttechnik
DLR.de • Folie 41
Zusammenfassung
• 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
DLR.de • Folie 42
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
DLR.de • Folie 43
> Mikrogasturbinen-basiertes BHKW > A. Huber
Referenzen
• [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, BHKWconsult
• [5] Aktuelle Chance und Hemmnisse für Mini-KWK, Vortrag „Mini-KWK –
Energie effizient nutzen, 21.11.2013, ifeu, prognos, BHKW-consult
DLR.de • Folie 44
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

Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen

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