Fifth German-Austrian IBPSA Conference RWTH Aachen University

OPTIMIERTER BETRIEB VON KWKK-SYSTEMEN MIT SPEICHERN – CASE STUDY AM BEISPIEL EINER LIEGENSCHAFT 2

K. Klein1, A. Wahl , M. Huang1, M. Sonntag1, D. Kalz1 und S. Herkel1 1) Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg, Germany 2) Dekra SE, Stuttgart, Germany

KURZFASSUNG Dieser Beitrag beschäftigt sich mit dem Energieversorgungssystem einer Liegenschaft mit Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) und Erzeugungskapazitäten von 1,2 MWel (Strom), 2,8 MWth (Wärme) und 1,55 MWth (Kälte). Die Bestandsanlage wurde über einen Zeitraum von einem Jahr detailliert und in hoher zeitlicher Auflösung messtechnisch untersucht, in der dynamischen Simulationsumgebung Dymola/Modelica nachgebildet und anhand der Messdaten kalibriert. Basierend auf dem aktuellen Versorgungssystem wurden verschiedene hydraulische und regelungstechnische Maßnahmen zur Steigerung der Anlageneffizienz und zur Senkung der Betriebskosten erarbeitet. Für die bevorzugte Systemvariante wurde ein Kältespeicherkonzept zur Senkung der Betriebskosten und Steigerung des Strom-Eigenversorgungsanteiles entwickelt. Die Ergebnisse zeigen große Potentiale zur Senkung der Betriebskosten um bis zu 14% im Sommerbetrieb und um bis zu 22% im Winterbetrieb bezogen auf die aktuelle Anlagenkonfiguration durch eine deutliche Senkung des Netzstrombezuges. Gleichzeitig ist es aufgrund der hohen wechselseitigen Beeinflussung der unterschiedlichen Energieströme eine große Herausforderung, für sämtliche, saisonal stark unterschiedliche Lastanforderungen eine optimale Abstimmung des Systems zu erreichen und gleichzeitig die erforderliche Versorgungsqualität zu gewährleisten. Durch den Speicher konnte im Sommerbetrieb eine Betriebskostensenkung von 4% erreicht werden, im Winterbetrieb erwies sich die definierte Lade- und Entladestrategie jedoch als unzureichend und erzielte keine Verbesserungen im Systembetrieb.

„netzdienliche“ Regelung die Stromnetze zu entlasten. Insbesondere größere Einheiten wie Liegenschaften oder Quartiere sind dazu gut geeignet, da sie über signifikante Erzeugungsleistungen und ein leistungsfähiges Regelsystem verfügen und üblicherweise durch einen professionellen Anlagenbetreiber mit entsprechendem Know-How betreut werden. Im Rahmen des Projektes wird untersucht, wie Phasenwechselspeicher in Liegenschaften eingesetzt werden können, um den Anlagenbetrieb zu flexibilisieren und einen netzdienlichen Betrieb zu ermöglichen. Die Untersuchung erfolgt am Beispiel eines mittelständischen Firmensitzes mit vier Bürogebäuden mit einer NGF von ca. 61.000 m2, Laboren und Servereinrichtungen. In der vorliegenden Studie wird der Betrieb der KWKK-Anlage auf Basis eines Langzeitmonitorings analysiert, darauf aufbauend werden Maßnahmen zur Effizienzsteigerung identifiziert und in dynamischen Simulationen getestet. Ziele der Optimierungsmaßnahmen sind zunächst die Senkung der Betriebskosten und die Steigerung der energetischen Effizienz bei gleichzeitiger Sicherstellung der erforderlichen Versorgungsqualität. Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung und Integration eines Speicherkonzeptes für das untersuchte Anlagensystem, mit dem sich die Netzdienlichkeit der Anlage weiter steigern lässt. Detaillierte Untersuchungen zum PCM-Verhalten und die Entwicklung netzreaktiver Regelkonzepte werden in späteren Studien addressiert und sind noch nicht Bestandteil der vorliegenden Untersuchung. VORGEHENSWEISE ANALYSE DER LIEGENSCHAFT

Anlagensysteme mit Kraft-Wärme-Kältekopplung (KWKK) bieten ein hohes Potential für eine sehr effiziente Energieversorgung. Darüber hinaus sind KWKK-Systeme in ihrem Betrieb äußerst flexibel und können sowohl Strom aus dem öffentlichen Netz beziehen als auch lokal produzierten Überschussstrom ins Netz einspeisen. Somit sind KWKKSysteme grundsätzlich gut geeignet, um durch

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METHODIK

EINLEITUNG UND ZIELE

MESSDATENANALYSE

MODELLIERUNG + VALIDIERUNG

·Verbraucher- und ·GesamtenergieAnlagentopologie bilanzen

·Komponentenmodellierung

·Wirtschaftliche ·VersorgungsRandbedingungen qualität

·Kalibrierung mit Messdaten

·Langzeit·Auffälligkeiten im Monitoringsystem Betrieb

·Validierung des Systemverhaltens

OPTIMIERUNGSANSÄTZE

·Hydraulik Kälteerzeugung ·Reduktion SollNetzbezug ·Wärmenutzung in Kühlperiode ·Integration eines Kältespeichers

Abbildung 1: Methodische Vorgehensweise

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Die Untersuchung erfolgt in den in Abbildung 1 dargestellten, zeitlich und inhaltlich aufeinander aufbauenden Schritten, welche in der Gliederung dieses Beitrags aufgegriffen werden.

ANALYSE DER LIEGENSCHAFT Verbraucher und Anlagentopologie Bei dem untersuchten Objekt handelt es sich um einen mittelständischen Firmensitz. Die Liegenschaft umfasst vier Bürogebäude mit einer Nettogrundfläche von ca. 61.000 m2, welche über ein campuseigenes Wärme- und Kältenetz miteinander verbunden sind. Die hier vorgestellte Analyse bezieht sich jedoch ausschließlich auf das Hauptgebäude mit einer NGF von 31.100 m2, welches etwa zu gleichen Teilen als Bürofläche, als Tiefgarage und für sonstige Zwecke genutzt wird (Fact, 2013). Die übrigen Gebäude werden zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Beitrages saniert bzw. neu gebaut und werden im späteren Projektverlauf in die Untersuchung einbezogen. Das hier untersuchte Hauptgebäude verfügt über vier Heizkreise (statische Heizung, Lüftung, Warmwasser, Verbindungsleitung zu Gebäude 2) und drei Kältekreise (Server, Umluftkühler, Lüftung). Das betrachtete Anlagensystem verfügt über drei BHKW (je 400 kWel) und einen Gaskessel (1000 kWth) zur Wärmeerzeugung sowie eine Absorptionskältemaschine (AKM; 500 kWth) und eine Kompressionskältemaschine (KKM; 1050 kWth) zur Kälteerzeugung (Abbildung 2). Während BHKW und AKM als Grundlasterzeuger dienen, kommen Kessel und KKM zur Deckung von Spitzenlasten zum Einsatz.

STROM 3 x BHKW 3 x 400 kWel

AKM 500 kWth

KÄLTE

KKM 1050 kWth

NUTZENERGIE

WÄRME

Abgaswärme

ERDGAS

Motorwärme

ENDENERGIE

KESSEL 1000 kWth

BELEUCHGTUNG LÜFTUNG GERÄTE

·

Die BHKW verfügen über kein Rückkühlwerk bzw. keinen Kühlturm, sondern lediglich drei gering dimensionierte, hier nicht dargestellte 100 kW Luftkühler.

·

Somit stellen das Heiznetz im Hauptgebäude und die AKM die einzigen signifikanten Verbraucher für die BHKW-Wärme dar.

Wirtschaftliche Randbedingungen Der Anlagenbetreiber erhält aufgrund der geltenden Stromverträge keine Vergütung für eine Stromeinspeisung ins öffentliche Netz. Um den Gasaufwand zu minimieren, wird daher eine Stromeinspeisung regelungstechnisch verhindert. Die exakten Strom- und Gaspreise können aus Datenschutzgründen nicht genannt werden, weshalb die Darstellung der Ergebnisse relativ, d.h. bezogen auf den aktuellen Anlagenzustand erfolgt. Qualitativ lässt sich jedoch sagen, dass der Anlagenbetreiber aufgrund der hohen abgenommenen Gasmenge und der deutlich geringeren abgenommenen Strommenge einen relativ günstigen Gaspreis, aber einen relativ hohen Strompreis zahlt. Darüber hinaus ist die Mineralölsteuer auf das in den BHKW genutzte Gas rückerstattungsfähig, sofern ein monatlicher Brennstoffnutzungsgrad > 70% erreicht wird wodurch der effektive Gaspreis nochmals sinkt. Infolge dessen ist der Netzbezug von Elektrizität deutlich teurer als die Eigenstromproduktion. Das effektivste Mittel zur Betriebskostensenkung ist daher die bilanzielle Reduktion des Netzstrombezuges. Langzeitmonitoring In der realen Anlage wurde ein Monitoring-System bestehend aus 12 thermischen Messstellen und 10 elektrischen Messstellen installiert. Die zu den thermischen Messstellen gehörenden Volumenstrommessgeräte sind in Clamp-on Ultraschalltechnik ausgeführt, um die Zählerinstallation ohne Öffnung des hydraulischen Systems im laufenden Betrieb zu ermöglichen. Für die Analyse stehen die vollständigen Messdaten seit dem 08.11.2013 in der erforderlichen Qualität und einer zeitlicher Auflösung von drei Minuten zur Verfügung.

MESSDATENANALYSE

Abbildung 2: Anlagenschema mit Komponenten und den zwischen ihnen ausgetauschten Energieströmen Das System weist einige Besonderheiten auf: ·

Die BHKW haben getrennte Kreisläufe für Motorwärme und Abgaswärme. Während die Motorwärme ausschließlich ins Heiznetz eingespeist werden kann, wird die Abgaswärme mittels eines Dreiwegeventils verteilt: sie wird entweder als Antriebswärmestrom in der AKM genutzt oder fließt ebenfalls ins Heiznetz.

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Abbildung 3: Gemessene Energieströme, Zeitraum: 18. Nov.-17. Dez. 2013

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·

Die BHKW stellen zusammen ca. 60% der verbrauchten Wärme bereit. Die Stromkennzahl beträgt 0,66, etwa 57% der erzeugten Wärme entfallen auf den Motorwärmekreis.

·

Ca. 27% des verbrauchten Stroms werden aus dem öffentlichen Netz bezogen, trotz der deutlich günstigeren Kosten bei Eigenerzeugung und der geringen Auslastung der BHKW von ca. 45%. Die Kompressionskältemaschine stellt nahezu die gesamte Kälte mit einer Arbeitszahl von 2,42 kWhtherm/kWhel bereit. Die AKM erreicht aufgrund der geringen Leistung und Temperatur des Antriebswärmestroms nur ein Wärmeverhältnis von 0,23. Trotz der niedrigen Außenlufttemperaturen ist im Auswertungszeitraum ein signifikanter Kälteverbrauch (> 20% des Wärmeverbrauchs) zu verzeichnen, welcher zum überwiegenden Teil auf die Serverkühlung entfällt. Die Vorlauftemperaturen im Kältenetz werden nicht gut eingehalten. Die KKM liefert im Mittel eine Vorlauftemperatur zwischen 6 und 7 °C, die AKM liefert eine (ungeregelte) Vorlauftemperatur zwischen 10 und 12 °C. Es stellt sich eine Misch-Vorlauftemperatur von ca. 8-8.5 °C ein, die in Spitzen sogar 10 °C erreicht, obwohl das Kältesystem auf eine Vorlauftemperatur von 6 °C ausgelegt ist.

·

·

AKM

KKM

Mischung

12 10 8

i., 26 .1 1 Fr ., 29 .1 1 M o. ,2 .1 1 D o. ,5 .1 2 So ., 8. 12 M i., 11 .1 2 Sa ., 14 .1 2 D i., 17 .1 2

23 .1 1

D

Sa .,

i., 2

M

So .,

0. 11

6

17 .1 1

Vorlauftemperatur [°C]

·

Abbildung 4: Gemessene Vorlauftemperaturen im Kältenetz: AKM, KKM und Mischtemperatur

Erzeuger, die Lasten und die Regelung. Die Erzeugermodelle basieren auf Kennlinien für Leistung und Effizienz, welche mit Hilfe der Messdaten ermittelt wurden. Die Lasten basieren auf den gemessenen Leistungen in den Verbraucherkreisen. Die Anlagenregelung wurde teilweise aus Angaben des Betreibers, teilweise aus Beobachtungen im Betriebsverhalten abgeleitet. BHKW 1000

Motorwärmeleistung in kW

Abbildung 3 zeigt die gemessenen Energieströme der Energieträger Wärme, Kälte, Gas und Strom für den 30-tägigen Zeitraum vom 18. November bis 17. Dezember 2013. Mit einer durchschnittlichen Außentemperatur von 1,7°C handelt es sich um den kältesten Zeitraum in Winter 2013/14. Zentrale Ergebnisse der Messdatenanalyse sind:

y = 568,793.61ln(x) + 330,401.52 R² = 0.97

750 500 250 0

0

0.5 1 1.5 Teillastverhältnis

2

Abbildung 5: Stundenwerte der BHKW Motorwärmeleistung und abgeleitete Kennlinie Die drei identischen BHKW in der realen Anlage werden in der Simulationsumgebung zur Vereinfachung in einer einzigen Komponente modelliert, welche Teillastzustände zwischen 0 und 3 annehmen kann. Das BHKW-Modell verfügt über zwei Fluidkreisläufe: einen Motorwärme- und Abgaswärmekreis, in welche die jeweiligen Wärmeströme (Motorwärme ̇ bzw. Abgaswärme ̇ ) eingespeist werden. Die Berechnung der elektrischen und thermischen Leistungen und des Gasverbrauches erfolgt gleichungsbasiert in Abhängigkeit des Teillastverhältnisses, welches von der Regelung vorgegeben wird. Die entsprechenden Kennlinien wurden aus den gemessenen Stundenwerten ermittelt (Abbildung 5). Oberhalb einer Rücklauftemperatur im Motorkreislauf von 71°C werden die Notkühler aktiviert, welche die effektive Motorwärmeleistung ̇ reduzieren. Die Regelung der BHKW erfolgt stromgeführt, sodass ein Soll-Netzbezug von 170 kW eingehalten wird. Da die einzelnen Einheiten nur zwischen 60 und 100% von modulieren können, wird im Simulationsmodell ebenfalls die Folgeschaltung der drei Einheiten in Abhängigkeit der gemessenen elektrischen Last abgebildet. Beispielsweise wird das zweite BHKW erst aktiviert, wenn die elektrische Last 600 kW erreicht oder zwei Minuten lang über 550 kW liegt.

ANLAGENMODELLIERUNG Komponentenmodellierung und -kalibrierung Die dynamische Simulationsstudie zum ausgewählten System wird in der Simulationsumgebung Dymola 2014 durchgeführt. Die Modellierung der Anlage umfasst drei Bereiche: die

Absorptionskältemaschine Da keine Messdaten zur Kondensatortemperatur verfügbar sind, wird der aufgenommene Antriebswärmestrom als Funktion des Massenstroms und der Vorlauftemperatur am Generator modelliert. Die

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temperatur im Heiznetz geregelt: unterhalb von 71 °C Vorlauftemperatur wird die gesamte Wärme ins Heiznetz geleitet, oberhalb von 80°C vollständig in die AKM. Dazwischen öffnet und schließt das Ventil nach einer linearen Charakteristik.

erzeugte Kälteleistung wird als quadratische Funktion in Abhängigkeit des Antriebswärmestroms berechnet. Die Funktionen sind so beschränkt, dass die AKM eine maximale Kälteleistung von 500 kW th bei einem Wärmeverhältnis von 0,7 erzeugt.

Modellvalidierung

·

·

Die AKM wird in der Bestandsanlage nicht leistungsgeregelt: der Verdampfer wird konstant mit dem Nenn-Volumenstrom durchströmt. Die Kälteleistung resultiert aus dem zur Verfügung stehenden Antriebswärmestrom.

·

Die Leistung der KKM wird auf die lokale Vorlauftemperatur geregelt. Der Verdampfer wird wie bei der AKM mit einem konstanten Volumenstrom durchströmt. Die Leistung der KKM hängt somit einzig von ihrer Rücklauftemperatur ab.

·

Das Dreiwegeventil, welches die BHKWAbgaswärme zwischen AKM und Heiznetz verteilt, wird in Abhängigkeit der Vorlauf-

2000

2

12 4. ,1

i.,

11

.1

.1

2

2 ., 8 So

o.

o. ,2

,5

.1

.1

1

1

1

.1

.1 Fr .,

29

1 .1

26

23 .,

i.,

.,

i.,

.1

.1

1

1

1000

Sa .

M

D

M

D

Sa

M

So

simuliert

800

gemessen

700 600 500

,1 So .

30 .1 ., Sa

.1 2

1

1 9. 1 ., 2 Fr

1

o. ,2 8.

i., M

D

27 .1

11 26 . D

i.,

25 . o. , M

11

400 11

Die BHKW werden stromlastgeführt nach einer definierten Folgeschaltung mit An- und Abwahlgrenzen betrieben. Ein Mischventil im Motorwärmekreis zur Rücklaufanhebung wird so geregelt, dass die Vorlauftemperatur auf 73°C gehalten wird. Ab einer Rücklauftemperatur im Motorkreis von 81°C wird die thermische Leistung der BHKW durch Aktivierung der Notkühler reduziert; ab einer Rücklauftemperatur von 90°C erfolgt die Notabschaltung. Der Kessel wird mittels eines PID-Reglers auf die Verteiler-Vorlauftemperatur geregelt. Somit deckt er als Spitzenlasterzeuger die Heizlasten, welche nicht vom BHKW gedeckt werden.

3000

Elektrische Gesamtleistung BHKW [kW]: 25.11.-1.12.2013

El. Leistung BHKW [kW]

·

gemessen = 76.9 MWh simuliert = 75.6 MWh Abweichung = -1.8 %

gemessen simuliert

4000

17

Regelung und Gesamtsystem im Bestand Da alle Heiz- und Kühlkreise von einem gemeinsamen Wärmebzw. Kälteverteiler angeschlossen sind, werden die gemessenen Wärmeund Massenströme addiert und als ein Wärmeverbraucher und ein Kälteverbraucher modelliert. Die Leistungsregelung der einzelnen Komponenten erfolgt im aktuellen Modell folgendermaßen:

KKM Stromverbrauch, 17.11.-16.12.2013

20

Tagesenergiemenge [kWh]

Kompressionskältemaschine Die Kälteleistung wird als lineare Gleichung der Nennkälteleistung und des von der Regelung vorgegebenen Teillastverhältnisses modelliert. Die elektrische Leistungsaufnahme ist eine quadratische Funktion der Kälteleistung. Da die Kondensatortemperatur nicht gemessen wird, fließt diese nicht in die Leistungs- und Effizienzberechnungen ein. Dennoch zeigt sich eine gute Übereinstimmung zwischen den gemessenen und simulierten Werten, da der COP der KKM jeweils in einem kleinen Bereich um 2,5 streut.

Abbildung 6: Vergleich simulierter und gemessener Werte. Oben: Monatsenergiebilanz. Mitte: täglicher KKM Strombezug. Unten: Dynamischer Verlauf der BHKW-Stromproduktion für eine Beispielwoche Die Validierung des Simulationsmodells erfolgt mit Hilfe von Messdaten aus dem 30-tägigen Zeitraum vom 18. Nov. 2013 bis 17. Dez. 2013. Als Randbedingungen werden die gemessenen Heiz-, Kühlund Stromlasten in stündlicher Auflösung vorgegeben. Abbildung 6 (oben) zeigt die relativen Abweichungen der simulierten zu den gemessenen monatlichen Energiemengen. Bei allen Energieströmen liegen die Abweichungen zwischen den simulierten und gemessenen Werten unterhalb von 5%. Lediglich bei der AKM Kälte tritt eine hohe relative Abweichung von fast 24% auf, was auf die sehr geringe Kältemenge im Winter zurückzuführen ist. Abbildung 6 (Mitte) zeigt die täglichen Abweichungen der von der KKM bezogenen elektrischen Energie für den Validierungszeitraum. Es wird deutlich, dass die Abweichungen eine geringe Streuung zwischen den einzelnen Tagen

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aufweisen und die gute Übereinstimmung in der Monatsbilanz auch für kürzere Zeiträume erreicht wird. Der dynamische Verlauf der elektrischen Leistung der BHKW für eine ausgewählte Woche (Abbildung 6, unten) zeigt, dass nicht nur die bilanziellen Energiemengen, sondern auch die Dynamik des Systems hinreichend genau abgebildet werden. Eine Wiederholung der Validierungsrechnung für einen weiteren Zeitraum mit höheren Außentemperaturen führt zu ähnlichen relativen Abweichungen in der monatlichen Energiebilanz.

OPTIMIERUNGSANSÄTZE In dieser Studie werden vier Optimierungsansätze vorgestellt und getestet: eine Korrektur der Kältenetz-Hydraulik, die dynamische Reduktion des Soll-Netzbezuges, eine optimierte Wärmenutzung in der Kühlperiode und die Integration eines Kältespeichers. Tabelle 1 gibt einen Überblick darüber, welche Maßnahmen in welcher simulierten Systemvariante implementiert sind. Tabelle 1: Simulierte Systemvarianten und darin implementierte Optimierungsmaßnahmen MASSNAHME

REF

V1

V2

V3

Hydraulik Kälte Reduktion Netzbezug Optimale Wärmenutzung Integration Kältespeicher

-

x x -

x x x

x x x

-

x

Ergebnis: Das optimierte Konzept ermöglicht eine wirksame Vorlauftemperaturregelung und somit eine bessere Versorgungsqualität, wenngleich sich dies in der Bilanz der monatlichen Energiestöme nicht oder nur geringfügig bemerkbar macht. Desweiteren ist die Korrektur der Hydraulik Voraussetzung für das entwickelte Kältespeicherkonzept.

Hydraulik Kälteerzeugung

Bestand

VLSammler

KKM

T

T

Überströmleitung

AKM

T Sammler

Reduktion des Soll-Netzbezuges

Soll-Netzbezug [kW]

T

Kälteverbraucher

KKM

Überströmleitung

AKM

RL-

T

VLSammler

Optimiert

600 500 400 300 200 100 0

Soll-Netzbezug [kW]

Regler RLSammler

nicht geregelt. Nach Mischung der Kaltwasserströme von KKM und AKM stellt sich somit im KälteVorlaufsammler eine ungeregelte Mischtemperatur ein, die meist deutlich über der KaltwasserSolltemperatur liegt (Abbildung 4). Die Problematik wird durch die Hydraulik der Kälteerzeugung noch verstärkt: die Verbraucherkreise benötigen meist nur einen Bruchteil der konstanten erzeugten Kaltwassermenge. Das überschüssige Kaltwasser fließt über eine Überströmleitung in den Rücklauf der KKM, senkt ihre lokale Rücklauftemperatur und somit die erzeugte Kälteleistung, während die AKM ausschließlich das warme Rücklaufwasser der Verbraucher erhält. Optimierung: Im optimierten Konzept werden beide Kältemaschinen mit Dreiwegeventilen versehen, welche den effektiv ans Kältenetz gelieferten Kaltwasservolumenstrom regulieren (Abbildung 7 rechts). Im Falle der AKM wird das Ventil so geregelt, dass die Soll-Vorlauftemperatur eingehalten wird. Bei der KKM wird die Leistung weiterhin auf die Soll-Vorlauftemperatur geregelt und das Mischventil der KKM wird so geregelt, dass ein geringer Überschuss-Volumenstrom über die Überströmleitung fließt und somit die zuverlässige Versorgung der Verbraucher gewährleistet ist. Dies geschieht über die Messung der Rücklauftemperaturen vor und hinter der Überströmleitung.

70 90 TVL Heiznetz-Verteiler [°C]

Abbildung 7: Hydraulik der Kälteerzeuger (aktueller Zustand und optimiertes Konzept)

Bestand

Istzustand: Beide Kältemaschinen werden auf der Kaltwasserseite konstant mit dem Nennvolumenstrom durchströmt. Somit hängt ihre Vorlauftemperatur nur von der Rücklauftemperatur und der Kälteleistung ab. Die KKM regelt ihre Leistung nach ihrer lokalen Vorlauftemperatur (Abbildung 7 links). Da die Leistung der AKM vom verfügbaren Antriebswärmestrom abhängt, wird ihre Vorlauftemperatur

600 500 400 300 200 100 0 70 90 TVL Heiznetz-Verteiler [°C]

Optimiert

Abbildung 8: Kennlinien des Soll-Netzstrombezug (aktueller Zustand und optimiertes Konzept) Istzustand: Im aktuellen Zustand wird die Regelung so eingestellt, dass ein Soll-Netzbezug von 170 kW nicht unterschritten wird. Ziel dieser Regelung ist zum einen die Vermeidung von unabsichtlicher (unvergüteter) Stromeinspeisung ins öffentliche Netz

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bei plötzlichem Abfall der elektrischen Last und zum anderen eine Vermeidung von Überhitzung im Sommerbetrieb. Optimierung: Das Konzept sieht eine dynamische Anpassung des Soll-Netzstrombezuges in Abhängigkeit der Vorlauftemperatur im Heiznetz vor. Solange keine Überhitzung im System droht, wird der SollNetzbezug bis auf Null reduziert. Ab einer Vorlauftemperatur von 80 °C wird der Soll-Netzbezug schrittweise um 50 kW/K erhöht, bis bei 90 °C die Notabschaltung der BHKW erfolgt. Diese Maßnahmen sind in Systemvariante V1 implementiert. Ergebnis: Der Netzstrombezug wird gegenüber dem Bestandssystem im Sommer und im Winter jeweils um ca. 75% reduziert (vgl. Systeme „Ref.“ und „V1“ in Abbildung 13), wodurch die Betriebskosten für Strom und Gas um ca. 15% sinken. Gleichzeitig steht mehr BHKW-Abgaswärme für den Betrieb der AKM zur Verfügung, sodass ihre Produktion sich nahezu verdoppelt. Durch die zusätzliche Motorwärme kann die Wärmeproduktion des Kessels im Winter um 28% reduziert werden. Wärmeausnutzung in Kühlperiode

Abbildung 9: Wärmeverbrauch im betrachteten Sommer- und Wintermonat Istzustand: Abbildung 9 zeigt, dass der Heizwärmeverbrauch im wärmsten Monat des Monitoringzeitraums etwa halb so hoch ist wie im kältesten Monat. Lediglich rund ein fünftel dieser Wärme wird für Trinkwarmwasser (TWW) aufgewendet. Der übrige Verbrauch ist darauf zurückzuführen, dass die Motorwärme der BHKW in der derzeitigen hydraulischen Verschaltung nicht zum Betrieb der AKM genutzt werden kann (Abbildung 10 links). Optimierung: Im optimierten Konzept (Abbildung 10 rechts) werden Motor- und Abgaswärmetauscher parallel verschaltet. Beide Anteile fließen durch das Dreiwegeventil, welches die Wärme zwischen Heiznetz und AKM-Generator verteilt. Für den Simulationszeitraum Sommer (14.08.201312.09.2013) werden im Folgenden nur die Verbräuche für Warmwasser sowie die WärmeVerteilverluste im Modell berücksichtigt.

BHKW MWT

RLSammler

AKM Generator

AWT

Heiznetz

VLSammler

BHKW MWT

RLSammler

Bestand

AKM Generator

AWT

Heiznetz

VLSammler

Optimiert

Abbildung 10: Hydraulik der BHKW-Wärmekreisläufe. (aktueller Zustand und optimiertes Konzept) Die vermeidbaren Heizlasten (in Abbildung 9 nach den Heizkreisen „RLT“, „SHK“ und „toQ2“ bezeichnet) werden zu null gesetzt. Somit wird angenommen, dass in der Sommerperiode keine Wärme ins Heiznetz fließt. Gleichzeitig wird in Abstimmung mit dem Projektpartner angenommen, dass die vermeidbare Heizenergie keine Auswirkung auf die Kühllast hat, da die Wärme derzeit ausschließlich in unklimatisierte Zonen fließt. Somit wird für den Sommerzeitraum die Heizlast reduziert, während die Kühllast unverändert bleibt. Die beschriebenen Maßnahmen sind in Systemvariante V2 implementiert. Ergebnis: Im Sommermonat kann die gesamte Wärmeproduktion um 16% gesenkt werden (vgl. Varianten V1 und V2 in Abbildung 13). Durch die Reduktion der Heizlast kann wesentlich mehr Wärme für den Betrieb der AKM aufgewendet werden, die ihren Anteil an der Kälteerzeugung etwa verdoppelt. Durch die veränderte Hydraulik der Wärmeerzeugung steigt das Temperaturniveau im Heiznetz und die Netzbezugsregelung erhöht den Netzbezug etwas, um eine Überhitzung zu vermeiden. In der Sommerperiode werden – vor allem durch den reduzierten Gasverbrauch – Kosteneinsparungen von ca. 5% erzielt, während die Modifikation in der Winterperiode Mehrkosten von ca. 4,5% hervorruft. Hier wird deutlich, dass die Optimierung und Feinabstimmung des Systems, insbesondere der Wärmeverteilung zwischen AKM und Heiznetz, für einen bestimmten Lastfall zu einem schlechteren Verhalten führen kann, wenn sich das Verhältnis aus Wärme-, Kälte- und Strombedarf maßgeblich verändert. Integration eines Kältespeichers Hydraulik Im Rahmen des Projektes wird ein thermischer Speicher in die Anlage integriert, um eine Verschiebung zwischen Wärme-, Kälte- und Stromanforderungen zu erzielen und den Systembetrieb zu flexibilisieren.

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Speicherstrategie Bei der Analyse der Stromlast und des Netzbezuges wird folgende Charakteristik deutlich: ·

Nachts fällt die Stromlast häufig unter die Abwahlgrenze des zweiten BHKW, bleibt jedoch über der Maximalleistung eines BHKW.

·

Tagsüber liegt die Stromlast über der Maximalleistung von zwei BHKW, ist jedoch zu niedrig für die Aktivierung des dritten BHKW.

Ziel der Speicherstrategie ist es, durch gezielten Betrieb der KKM die Stromlast so zu manipulieren, dass das zweite BHKW durchgängig betrieben werden kann. Nachts wird der Kältespeicher beladen und die Stromlast erhöht. Tagsüber wird der Speicher entladen, wodurch die KKM weniger genutzt wird und Stromlast und Netzbezug sinken. Nach Analyse der Wärme-, Kälte- und Stromlastkurven wird der Zeitbereich für die Speicherbeladung

Ref.

V2

V3

V2

V3

Pel_min/max,2BHKW

300 250 200 150 100 50 0

Ref.

1000 800 600

+200 0

25 .8 . So .,

24 .8 . Sa .,

23 .8 . Fr .,

D

o. ,2 2. 8.

-200

1. 8.

Aufgrund der Anlagentopologie und der Bedingungen vor Ort wird ein hybrides Kältespeicherkonzept gewählt, bestehend aus einem 70 m3 Sprinklertank aus dem Anlagenbestand und einem neu aufzubauenden 30 m3 PCM-Speicher. Da derzeit lediglich die angestrebte Speicherkapazität von ca. 580 kWh und die Spreizung von 4 K, nicht jedoch das temperaturabhängige Verhalten des PCMAnteils bekannt sind, wird dieser als vergrößerter Wasserspeicher mit 210 m3 modelliert. Beide Speicheranteile sind drucklos und können daher nur indirekt über einen Wärmeübertrager ins hydraulische System integriert werden. Die Einbindung erfolgt in der Überströmleitung. Die Beund Entladung des Speichers erfolgt über die Differenz zwischen den Erzeugerund Verbrauchermassenströmen: im Ladefall wird mehr Kaltwasser erzeugt als von den Verbrauchern bezogen und es strömt überschüssiges Kaltwasser vom Vorlauf über den Wärmeübertrager in den Rücklauf, wodurch der Speicher herabgekühlt wird. Im Entladefall wird mehr Kaltwasser von den Verbrauchern bezogen als von den Kältemaschinen erzeugt und die Differenz wird vom Speicher geliefert. Der Speicherkreislauf wird so ausgeführt, dass der Wärmeübertrager zum Kältenetz immer im Gegenstromprinzip durchströmt wird.

i., 2

VL-Sammler

Abbildung 11: Hydraulik des Kältespeicherkonzeptes

M

T

i., 20 .8 .

RLT

D

ULK

9. 8.

EDV

T

Leistung Netzbezug [kW]

T Tank

Stromlast [kW]

KKM 1050 kWth

auf 20:00 bis 9:00 Uhr festgelegt und der Rest des Tages als Zeitbereich für die Speicherentladung. Zur Ladung des Speichers wird die SollVorlauftemperatur von 12 °C auf 7 °C abgesenkt. Der Ladevorgang wird beendet, wenn die Temperatur im oberen Teil des Speichers 8 °C unterschreitet. Die Entladung des Speichers wird beendet, wenn die Temperatur im oberen Teil des Speichers 12 °C übersteigt oder die zulässige Vorlauftemperatur um mehr als 2 K überschritten wird, d.h. die Speicherleistung nicht zur Deckung der Kühllasten ausreicht.

Kälteleistung [kW]

AKM 500 kWth

RL-Sammler

T

o. ,1

T

M

Regler

Abbildung 12: Nutzung des Speichers: Netzbezug, Stromlast und thermische Speicherleistung (7 Tage) Ergebnis: In der Sommerperiode wird das gewünschte Verhalten teilweise erzielt. Abbildung 12 zeigt, dass durch nächtliches Laden des Kältespeichers der KKM und Entladen tagsüber der Strombedarf so beeinflusst werden kann, dass er weitestgehend im Betriebsbereich von zwei BHKW bleibt (orangene Grenzen im mittleren Diagramm). Dadurch kann der Netzstrombezug in der Monatsbilanz um etwa 30% gesenkt werden. Zur Optimierung des Lade- und Entladevorgangs ist eine genauere Modellierung des Speichers und seiner internen Wärmeübergänge notwendig. Im Winter ist die definierte Betriebsstrategie nicht wirksam. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die AKM aus Mangel an Antriebswärme kaum Kälte produziert und im Entladefall die Kühllast fast vollständig durch den Speicher gedeckt werden muss. Da dessen Kälteleistung nicht ausreicht, um die erforderliche Vorlauftemperatur zu halten, wird der Entladevorgang meist schon nach kurzer Zeit wieder

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unterbrochen. Zur Lösung dieses Problems kann entweder das regelbasierte Betriebskonzept erweitert und optimiert werden oder ein völlig neues Energiefluss- und Speichermanagement auf Basis einer Echtzeitoptimierung entwickelt werden.

Das implementierte Betriebs- und Speicherkonzept ist regelbasiert und beruht auf Temperaturmessungen. Somit ist es im Vergleich zu optimalen und prädiktiven Regelkonzepten vergleichsweise anwendungsnah und leicht zu implementieren. Es wird jedoch deutlich, dass es selbst bei einer sehr guten Systemkenntnis und mit einem vollständigen Simulationsmodell der Anlage schwierig und sehr zeitaufwändig ist, ein regelbasiertes Betriebskonzept so einzustellen, dass die Anlage unter sämtlichen Betriebszuständen und Verhältnissen der Wärme-, Kälte- und Stromlasten hinreichend effizient funktioniert.

Gas

100 100 120 80

V3

V2

V1

87 6

90

78

81

Netzbezug

BHKW V3

V2

V1

V3

V2

V1

Ref.

75

Ref.

BHKW

88 10

60

86

40

86

96 6

20

91 74

25

System

System

Wärmeverbrauch Wintermonat

Wärmeverbrauch Sommermonat

60

V3

V2 KKM

80 100

100

80 AKM

100

101

73

76

DANKSAGUNG

38

Diese Arbeit entstand im Rahmen des Projektes LaNeGe, welches im Rahmen des Förderprogramms BWPLUS vom Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft des Landes Baden-Württemberg unter der Zuwendungsnummer BWE13010 gefördert wird.

62 KKM

27

24

System

Ref.

V3

V2

V1

Ref.

0

0

AKM

57

20

V3

57

100

60

43

40

99

Zeitraum: 14.08.13-12.09.13 100% = 321 MWh

20

43

Kälteverbrauch Sommermonat Kälte bez. auf Referenzsystem [%]

75

20

87

BHKW

V2

Ref.

V1

100

60

25

98

Kessel

Kälteverbrauch Wintermonat

100

95

System

Zeitraum: 18.11.13-17.12.13 100% = 209 MWh

100 13

113

V1

40 20

BHKW

95

V3

72

98

V2

72

95

V1

76

Ref.

39

80 100

38

100 5

60

28 39

Zeitraum: 14.08.13-12.09.13 113 100% = 675 MWh

40

Zeitraum: 18.11.13-17.12.13 100% = 977 MWh

In der hier dargestellten Studie wurde mit dem Simulationsmodell und dem hydraulischen Speicherkonzept die Grundlage für die Entwicklung eines netzdienlichen Betriebs- und Speicherkonzeptes gelegt und eine erste Speicherstrategie vorgestellt. Im weiteren Projektverlauf wird das Anlagensystem um die neu entstehenden Gebäude und Anlagen erweitert, die PCM-Charakteristik im Speicher modelliert und die Regelung beim Be- und Entladevorgang feinabgestimmt. Weiterhin werden in Abstimmung mit den Projektpartnern wirtschaftliche und technische Randbedingungen für die Stromeinspeisung definiert. Basierend auf diesen Fortentwicklungen wird ein Betriebskonzept definiert, das neben Kosten- und Energieeffzienz ein netzdienliches Verhalten erzielt. Eine Möglichkeit zur Quantifizierung und Bewertung der Netzdienlichkeit bietet die dimensionslose Kennzahl R (Klein et al., 2014). Die Untersuchung soll zeigen, wie und in welchem Umfang Liegenschaften zur Stützung der Stromnetze und des Energiesystems beitragen können.

Zeitraum: 14.08.13-12.09.13 100% = 551 MWh

0

95 9

El. Energie bez. auf Referenzsystem [%]

95 9

100

20

40

Strombezug Ref.

V3

V2

V1

Ref. 100 120

98 8

Wärme bez. auf Referenzsystem [%]

40 20

26

60

80

100

20 100 120

70

Stromverbrauch Sommermonat

Zeitraum: 18.11.13-17.12.13 100% = 531 MWh

Kessel

80 100

68

Stromverbrauch Wintermonat

61

40

78 9

System

Netzbezug

80

76

66

System

Kälte bez. auf Referenzsystem [%]

81 13

System

0

Wärme bez. auf Referenzsystem [%]

Gas

0

Strombezug

80

80

85 9

60

80

40

77

34

Zeitraum: 14.08.13-12.09.13

20

71

100

0

90 10

Brennstoffkosten bez. auf Referenzsystem [%]

90 10

Brennstoffkosten Sommermonat

0

100

29

86 8

60

80

100

Zeitraum: 18.11.13-17.12.13

0

El. Energie bez. auf Referenzsystem [%]

Brennstoffkosten bez. auf Referenzsystem [%]

SIMULATIONSERGEBNISSE Brennstoffkosten Wintermonat

Beeinflussung der Stromlast und führt im Sommer zu Betriebskosteneinsparungen von 7%. Für den Winterbetrieb ist jedoch ein anderes Konzept zur Speicherentladung notwendig.

System

Abbildung 13: Simulationsergebnisse der vier untersuchten Systemvarianten im Winter- und Sommerfall

LITERATUR FAZIT UND AUSBLICK Anhand des gewählten Fallbeispiels konnten die hohen Effizienzpotentiale eines KWKK-Systems aufgezeigt werden. Mit Hilfe der vorgestellten Maßnahmen konnten die Betriebskosten der untersuchten Liegenschaft um 14% (Winter) bzw. 22% (Sommer) gesenkt werden. Das entwickelte Kältespeicherkonzept basiert auf einer gezielten

Fact GmbH. 2013. Liegenschaftsenergiekonzept. Internes Planungsdokument Klein, K., Kalz, D., Herkel, S. 2014. Netzdienlicher Betrieb von Gebäuden: Analyse und Vergleich netzbasierter Referenzgrößen und Definition einer Bewertungskennzahl. Bauphysik 36 (2014), Heft 2, S. 49-58

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