BHKW des Jahres 2020

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BHKW DES JAHRES 2020
BHKW mit Wärmespeicher und Batterie zur Strom-/Wärmeversorgung sowie Lastspitzenreduktion
Dr.-Ing. Christopher Lange
BHKW 2021 –Innovative Technologien und neue Rahmenbedingungen
09./10. November 2021 in Magdeburg
1offen

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AGENDA
Motivation und Einleitung
Vorstellung des Reallabors und der KWK-Anlage
am Fraunhofer IISB
Modellierung des Systems
Betriebsstrategie zur Kombination von wärme-/
stromgeführtem Betrieb des BHKW mit einem
Lastspitzenmodus
Simulations- und Messergebnisse
Fazit
2offen

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Motivation
Typische Infrastrukturen in der Industrie bestehen aus verschiedenen Energiesektoren
Strom (AC und DC)
Wärme und Kälte
Gas (z. B. Erdgas)
Weitere (z. B. Druckluft, Vakuum, Medien)
Die Sektoren sind über verschiedene Anlagen (z. B. Blockheizkraftwerk) gekoppelt
Intelligentes Energiemanagement: Berücksichtigung aller relevanten Zusammenhänge zwischen den
Komponenten und Anwendung intelligenter Betriebsstrategien für:
Lastspitzenreduktion
Effizienzerhöhung
Eigenversorgungsoptimierung
BHKW während Lastspitzen zuschalten
BHKW möglichst dauerhaft betreiben
BHKW für lokale Strom- und Wärmeversorgung einsetzen
offen
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Einleitung
Definition von Lastspitzen
Ausgangssituation: Lastprofil (bzw. Lastgang) mit den Mittelwerten der vom Energieversorger
bezogenen Leistung
Festlegung einer Bezugsgrenze
(maximal zulässige Leistung innerhalb
einer Mittelwertperiode)
Bezugsgrenze kann konstant
oder zeitlich variabel sein
Lastspitze wird sichtbar
Höchste Lastspitze im Abrechnungs-
zeitraum ist für Stromkosten relevant
Maximaler 15 min Mittelwert soll
auf Bezugsgrenze reduziert werden
1 min Werte dürfen diese überschreiten
offen
Las tprofil
Leistung
Zeit
Lastprofil mit 15-min Mittelwerten
15 min
Las tspitze
Bezugsgrenze (15 min)
4

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Reallabor am Fraunhofer IISB als Plattform für angewandte Energieforschung
offen
Strom (DC)
Wärme Wasserstoff
Kälte
Strom (AC)
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Reallabor am Fraunhofer IISB
KWK-Anlage
Blockheizkraftwerk (BHKW)
Typ: Erdgas-BHKW
Elektrische Nennleistung: 150 kW
Wärmenennleistung: 210 kW
Wärmespeicher
Typ: Sensible Verdrängungsspeicher
Speichervolumen: 24 m³
Besonderheit: unterteilt in zwei Speicher
serieller, paralleler und einzelner Betrieb
verschiedene Ladesysteme
offen
© Kurt Fuchs / Fraunhofer IISB. KWK-Anlage am
Fraunhofer IISB Wärmespeicher (links) und BHKW (rechts)
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Weitere Infos: https://www.energy-seeds.org/

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Reallabor am Fraunhofer IISB
KWK-Anlage
Blockheizkraftwerk (BHKW)
Typ: Erdgas-BHKW
Elektrische Nennleistung: 150 kW
Wärmenennleistung: 210 kW
Wärmespeicher
Typ: Sensible Verdrängungsspeicher
Speichervolumen: 24 m³
Besonderheit: unterteilt in zwei Speicher
serieller, paralleler und einzelner Betrieb
verschiedene Ladesysteme
offen
Hydraulische Verschaltung der KWK-Anlage mit
Wärmespeichern (Animation)
Aktueller Modus
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Weitere Infos: https://www.energy-seeds.org/

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Reallabor am Fraunhofer IISB
Batteriespeicher
offen
Batteriespeicher
Modulares System mit 5 Batterieschränken á
Leistung: 100 kW
Kapazität: 20 kWh
14 Batteriemodule je Schrank mit integrierter
Überwachungselektronik
Batteriemanagementsystem (BMS) je Schrank
(foxBMS: https://foxbms.org/)
Batteriezellen: Lithiumionen-Akkumulatoren
© Kurt Fuchs / Fraunhofer IISB. Batteriespeicher und
Leistungselektronik am Fraunhofer IISB
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Weitere Infos: https://www.energy-seeds.org/

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Modellierung der Komponenten
Blockheizkraftwerk
BHKW-Modell auf Basis eines „erwarteten Zeitverlaufs“ mit verschiedenen Kenngrößen
Vorheizung (Dauer und elektrische Leistungsaufnahme)
Anfahrverhalten (z. B. PT1-Verhalten oder lineares Anfahren)
Verhalten bei Lastwechseln
Abschaltverhalten
Wirkungsgrade als Lookup-Tabellen
Automatisiertes Lernen der
BHKW-Parameter auf Basis
von Messdaten
9
t
P
Modula-
tionsbereich
0
offen

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Modellierung der Komponenten
Energiespeicher
Energiespeichermodell mit Berücksichtigung von
Nennkapazität und -leistung
Ladezustandsgrenzen (minimaler und maximaler Ladezustand)
zulässige Leistung für Be-und Entladung (abhängig von Ladezustand)
Wirkungsgrad (abhängig von Leistung)
Selbstentladung
Realisierung als Energiebilanzmodell
Umsetzung von
Batteriespeicher
Thermischer Speicher
10

 



Parameter
•Volumen
•Temperatur-
spreizung
•Min./max. Leistung
•Min./max.
Ladezustand
•Verlustfaktor
offen

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Betriebsstrategie
Hydraulisches Schema
Anforderungen
Wärme- und stromgeführten Betrieb außerhalb von Lastspitzen („Normalbetrieb“)
Außerplanmäßige Zuschaltung des BHKW bei einer ext. Anforderung („Lastspitzenmodus“)
Schematische Darstellung der hydraulischen Einbindung
offen
Blockheiz-
kraftwerk

 Wärm e-
speicher


Wärm e-
netz
M
M
M
Pu_BHKW
MK_BHKW
Pu_VertMK_Vert
MK_Speicher
Legende
Motorklappe
Pumpe
Vorlauf (warm)
Rücklauf (kalt)
M
Wärme-
verbraucher
Erzeuger,
Fernwärme
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Betriebsstrategie
Wärmespeicher
Vorgehen
Wärmespeicher wird virtuell in Ladezustandszonen unterteilt
Eine dieser Ladezustandszonen wird
exklusiv für die Lastspitzenreduktion
reserviert
Zustandsautomat zur Ablaufsteuerung
sowie zur Ansteuerung der Stellglieder
Vorteil: Auch bestehende Systeme können
mit dieser Betriebsstrategie nach-
gerüstet werden
Ladezustands-Berechnung:
offen
SOCmax
SOCLR
SOCmin
Lastspitze 0 1 0 1
BHKW an 1 1 0 0
Speicher laden entladen
Voll
Lastspitzen-
betrieb
Normal- und
Lastspitzen-
betrieb
Leer
= Startpunkte
12
 


 : engl. State of Charge (Ladezustand), LR: Lastspitzenreduktion

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Z12
10->20
Z13
10 ->30
Z21
20 ->10
Z23
20 ->30
Z61
60 ->10
Z62
60 ->20
a131
a132
a612
a611
a560
a450
a540
a340
a350
a231
a232
a121 a122
a212 a211
a621
a622
a010
a460
Z10
Standby
Z00
Fehler
Z20
Exkl. Entladung
Z30
BHKW Anlauf
Z60
BHKW Nachlauf
Z40
Normalbetrieb
Z50
Lastspitzenbetrieb
ax00
Betriebsstrategie
Zustandsautomat
Deterministischer, endlicher
Zustandsautomat zur
Herstellung des Betriebszustand
Ansteuerung der Aktoren
Ansteuerung des BHKW
Die Logik steckt in den Übergangs-
bedingungen (Transitionen)
hinter jedem Pfeil steckt eine Gleichung
Beispiel: Zuschaltung BHKW a131
offen
   


  ]
13

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Betriebsstrategie
Lastspitzenanforderung
Berechnung der Lastspitzenanforderung mittels eines PT1-Elements mit hysteresebehafteten
Schaltausgängen
offen
Herleitung der Schaltausgänge

  
  
 
 
  
 
 
: Eingangswert, : Ausgangswert, : Schaltausgang,
: Abtastung, : Zeitkonstante, : Hysterese
, : Grenzwerte
t
P
t
P

A Q
B Q
A>B
S Q
R Q
SR
A Q
B Q
A<B
PT1

 +
-
1
2
1t
P
2t
Q
1
0
1 2
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Betriebsstrategie
Batterie
Berechnung der Batterieleistung für
jeden Zeitschritt (z. B. 1 min), um die
Bezugs- und Ladegrenze in der Mittel-
wertperiode von 15 min einzuhalten
Bezugsgrenze Entladen
Ladegrenze Beladen
: Entladeleistung, : Beladeleistung, : Bezugsleistung,
: Bezugsgrenze, : Ladegrenze, : Mittelwertperiode, : aktuelle Periode, : Abtastung
offen
Leistung
Zeit
Bezugsgrenze
Bezugsleistung
vor Reduktion
15 min
Bezugsleistung
nach Reduktion
Batterie
entladen
Batterie
laden
Ladegrenze Ladeabstand



 




 

15

© Fraunhofer
Ergebnisse
Auslegung
Auslegung von BHKW, Wärmespeicher und Batterie mittels dynamischer Programmierung
offen
Obere Reihe:
Lastspitzenreduktion
ohne Batteriespeicher
Untere Reihe:
Lastspitzenreduktion
mit Batteriespeicher
„Festsetzung“ von
Freiheitsgraden
16

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Ergebnisse
Messung im Reallabor
offen
Batteriespeicher wird mit „über-
schüssiger“ Leistung beladen
Batteriespeicher überbrückt den
Anfahrvorgang des BHKW
2. Lastspitze: BHKW muss
zugeschaltet werden, reservierte
Speicherkapazität wird genutzt
1. Lastspitze: BHKW läuft
bereits (durch wärmegeführten
Betrieb), daher keine weiteren
Maßnahmen nötig
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Ergebnisse
Vergleich von Simulation und Messung
Ermittlung der Simulationsgenauigkeit durch eine nachträgliche Simulation
offen
Reduktion um 14 %
Simulation und Messungen
stimmen gut überein
MAE (Trafo 15 min)
liegt bei 3,9 kW
Max. Abweichung
liegt bei ca. 25 kW
12
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Ergebnisse
Betriebsdaten der KWK-Anlage
Zeitraum : Mitte Juli 2019 bis Dezember 2020
Laufzeit
BHKW zugeschaltet: 7552 h
betrachteter Zeitraum: 12097 h
Anteil: entspricht 62 %
Energiebilanz
elektrische Energie: 1,12 GWh
Wärmeenergie: 1,69 GWh
benötigte Erdgasenergie: 3,26 GWh
Gesamtwirkungsgrad im Betrieb: 86,2 %
Laufzeit pro Taktung: 17 h
offen
19
Visualisierung des BHKW sowie Aufzeichnung der Messwerte
und internen Größen im EMS des Fraunhofer IISB

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Zusammenfassung und Fazit
Simulation als wichtiges Werkzeug für
Entwicklung der Betriebsstrategie
Dimensionierung von BHKW, Wärmespeicher und Batterie
Simulationen und Messungen zeigen eine hohe Übereinstimmung
Batteriespeicher wird zusätzlich zum Wärmespeicher benötigt, um
Dynamik auf der elektrischen Seite zu erhöhen
Vorheiz- und Anfahrvorgänge zu überbrücken
„kleinere“ Lastspitzen eigenständig zu reduzieren
Die Kombination aus BHKW, Wärmespeicher und Batterie ermöglicht
eine flexible und gleichzeitig effiziente Strom- und Wärmeversorgung
offen
20
Urkunde für das „Blockheizkraftwerk
des Jahres 2020“
© Thomas Richter / Fraunhofer IISB.
Urkundenübergabe durch B.KWK Präsident
Hr. Stahl an Institutsleiter Prof. Schulze

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Zusammenfassung und Fazit
Was wir als Forschungspartner bieten
21 offen
Datenanalyse
Statistiken, Diagramme,
Analysen Algorithm us-Entwicklung
Betriebsstrategien
Energieflusssteuerung
Nutzung von künstl. Intelligenz
Implementierung und Optimierung
Automatisierung
Funktionsvalidierung
Monitoring
Messung und Logging
Datenverarbeitung
System Optimierung
Effizienz & Wirtschaftlichkeit
Sim ulation
Komponentenmodelle
Anlagendimensionierung
Systemsimulation in Szenarien

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Dr.-Ing. Christopher Lange
Fraunhofer-Institut für
Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB
Schottkystr. 10, 91058 Erlangen, Germany
Tel.: +49 (0) 9131 761-107
Mail: Christopher.Lange@iisb.fraunhofer.de
www.iisb.fraunhofer.de
www.energy-seeds.org
22 offen
Gefördert durch:
Infos zum Projekt:
Link zur Projektseite bei der BFS
PROENERGIE -BAYERN
Effizienz- und Flexibilitätsgewinn durch
Optimierung von Betriebsstrategien der energetischen Gebäudeinfrastruktur
basierend auf prognostizierten Energiebedarfen der Produktion