Innovative KWK-Systeme zur Hausenergieversorgung

Messtechnische Untersuchung, Wirtschaftlichkeitsbetrachtung, Systemvergleich und Optimierung

Zuletzt aktualisiert am 05.02.2017

Aufgabestellung Teil A

Im Bereich der Wohngebäude ist in Deutschland die getrennte Versorgung mit Strom und Wärme der Regelfall. Dabei wird in den meisten Fällen der Strom von einem Energieversorgungsunternehmen bezogen und die benötigte Wärme für die Raumheizung und Warmwasserbereitung mit Standard-, Niedertemperatur- bzw. Brennwertkesseln erzeugt.

Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen im hohen Leistungsbereich (MW bis GW) werden derzeit meistens in der Industrie oder zur Fernwärmeversorgung eingesetzt. Kleinere, meist verbrennungsmotorische Anlagen kommen in öffentlichen und Verwaltungsgebäuden, Schwimmbädern, Hotels und großen Wohngebäuden aber auch auf Deponien und in Kläranlagen zur Anwendung.

Durch die Marktreife neuer Techniken und die Entwicklung von Anlagen mit kleinsten Leistungen ist die verstärkte Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) auch in Wohngebäuden eine denkbare Option. Jedoch sind eine energetische Bewertung und der Vergleich verschiedener KWK-Techniken aufgrund der Spannweite der Leistungsgrößen, der verschiedenen Einsatzbedingungen und der unterschiedlichen Marktreife nur schwer möglich. Zurzeit stehen zur Bewertung der KWK-Anlagen die Betriebserfahrungen von konkreten Anwendungsbeispielen und die technischen Angaben der Hersteller zur Verfügung. Diese lassen jedoch keine ausreichenden Aussagen über die Praxistauglichkeit, Wirtschaftlichkeit und die tatsächliche energetische Effizienz zu. Eine energiewirtschaftliche Betrachtung der kompletten KWK-Systeme erfolgt nicht.

Deshalb wurde das Forschungsvorhaben "Innovative KWK-Techniken zur Hausenergieversorgung" mit Förderung der Stiftung Energieforschung Baden-Württemberg und des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit initiiert. Als Projektpartner konnten die Energieversorgungsunternehmen Bayerngas (München), E.ON Energie (München), E.ON Ruhrgas (Essen) und RWE Fuel Cells (Essen) sowie die Anlagenhersteller Power-Plus Technologies (Remscheid), SenerTec (Schweinfurt), SOLO Stirling (Sindelfingen) und Vaillant (Remscheid) gewonnen werden. Die Bearbeitung erfolgt an der Forschungsstelle für Energiewirtschaft in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik (IfE) der TU München. Die Arbeiten der Forschungsstelle sind in diesem Teilbericht A, die Arbeiten des IfE im Teilbericht B beschrieben.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Durchführung von messtechnischen Untersuchungen an KWK-Systemen unter Vorgabe reproduzierbarer, praxisnaher Einsatzbedingungen aus dem Haushaltssektor. Für diesen Bereich bieten sich verbrennungsmotorische Blockheizkraftwerke, Stirling-Motoren, Brennstoffzellen und ggf. auch Mikro-Gasturbinen als technische Optionen für die Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung in Mehrfamilienhäusern an. Nach der Auswertung der Messungen steht eine belastbare Datenbasis als Ergebnis der Untersuchungen zur Verfügung, mit deren Hilfe ein Vergleich der KWK-Systeme untereinander sowie eine primärenergetische Beurteilung mit getrennter Energieversorgung möglich sind.

Des Weiteren sollen durch eine gezielte Variation relevanter Betriebs- und Anlagenparameter die Potenziale für eine Optimierung der KWK-Systeme hinsichtlich des Betriebsverhaltens und der Wirtschaftlichkeit aufgezeigt werden.

Aufgabestellung Teil B

Zur praxisnahen Untersuchung von KWK-Systemen und ihrer Einbindungsmöglichkeit in bestehende Gebäudeversorgungen sollen für systemtechnische Quervergleiche die experimentellen Vorraussetzungen geschaffen werden, um aussagekräftige, belastbare und dokumentierbare Ergebnisse vorlegen zu können. Dies setzt eine prüf- und messtechnische Konfiguration voraus, die gewährleistet:

  • ausreichend typisierbare Abbilder des Gebäudewärmebedarfs bei Raumwärme- und Warmwasserbedarf, wobei saisonale und tageszeitliche Einflüsse zu berücksichtigen sind. Dies wird durch die bereits entwickelten Wärmelastprofile und die steuerbare Wärmesenke des Wärmeerzeugerprüfstands erreicht.
  • Dokumentierbarkeit und Reproduzierbarkeit der für die Prüflinge gleichartig und typisiert zu erfolgenden Untersuchungen. Dies setzt eine entsprechende Festlegung von Messgrößen und zu erfassenden Messdaten voraus, die unabdingbar für Bilanzen, Quervergleiche und Verbesserungsvorschläge sind.
  • die Umsetzung des Messkonzepts in ein Datenerfassungssystem, das eine Auswertung gewonnener Daten ermöglicht und für Analysearbeiten unerlässlich ist.
  • eine hydraulische Verschaltbarkeit der fünf Komponenten "Wärmeerzeugerprüfstand mit dynamischer Wärmesenke", "KWK-Prüfling", "Warmwasserspeicher", "variable Möglichkeit zur Wärmepufferung" und "Stromeinspeisung ins Netz", die für alle Prüflinge herangezogen werden kann, ohne damit eine einseitige Präferenz eines oder mehrerer Prüflinge zu bewirken.
  • eine in Grenzen variabel einstellbare Versuchsanordnung, wenn Hersteller ihre Anlagensysteme anpassen, modifizieren, verändern oder neu orientieren. Diesem zum Zeitpunkt des Vorhabensbeginns nicht absehbaren Aufgabenspektrum musste man gerecht werden.
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