Die vorliegende Arbeit behandelt die Integration von Brennstoffzellenheizsysteme in elektrische Verteilnetze. Gebäudeintegrierte Mini-KWK-Anlagen, wozu auch Brennstoffzellen zählen, haben den Vorteil einer hocheffizienten Nutzung des Brennstoffes durch die Kuppelproduktion in Kraft-Wärme-Kopplung. Zusätzlich können aufgrund der Steuerbarkeit der Heizkraftblöcke Systemdienstleistungen für das Netz generiert werden. Dies wird unter anderem unter dem Begriff des virtuellen Kraftwerks subsumiert. Unter einem virtuellem Kraftwerk (VKW) versteht man die Aggregation kleiner, dezentraler Stromerzeugungsanlagen zu einem Verbund, der disponible Kraftwerksleistung ersetzen kann.
Die Arbeit umfasst eine Beschreibung der Brennstoffzellentechnik sowie Mikro-KWK-Technologien auf Basis von Wärmekraftmaschinen. Eine Simulation von Energieflüssen in Wohngebäuden mit BZ-Heizkraftblöcken zeigt Unterschiede im wärmegeführten-, stromgeführten und netzgeführten Betrieb. Diese werden energetisch und monetär bewertet. Als Alternative zur direktem Verknüpfung per dediziertem Datenkanal wird eine selbstorganisierende Netzführung vorgeschlagen, die die Höhe der Netzspannung als Indikator der Last im Verteilnetzsegment mit in die Anlagensteuerung integriert. Abschließend wird in einem Vergleich zwischen dem Fördermechanismus von EEG und KWK-G ein möglicher Weg zur beschleunigten Markteinführung der stromerzeugenden Heizung und damit auch der stationären Brennstoffzelle in der Hausenergieversorgung als Basis für zukünftige virtuelle Kraftwerke aufgezeigt.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Lösungsweg
2 Charakterisierung der technischen und betrieblichen Rahmenbedingungen
2.1 Brennstoffzellentechnik
2.1.1 Historie
2.1.2 Gasaufbereitung
2.1.3 Polymermembran-Brennstoffzelle
2.1.4 Karbonatschmelze-Brennstoffzelle
2.1.5 Festoxid-Brennstoffzelle
2.1.6 Sonstige Brennstoffzellentypen
2.2 Kraft-Wärme-Kopplung
2.2.1 Allgemeines
2.2.2 Kleinste Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen
2.2.3 Besonderheiten der Brennstoffzelle
2.3 Speichertechnologien
2.3.1 Wärmespeicher
2.3.2 Speicher für elektrische Energie
2.3.3 Chemische Speicher
2.4 Dezentrale Energieeinspeisung
2.4.1 Technik der Netzanbindung
2.4.2 Netzstruktur der Stromversorgung
2.4.3 Kommunikation dezentraler Erzeugungsanlagen
2.4.4 Vergütung
3 Methodik zur techno-ökonomischen Analyse dezentraler Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen
3.1 Simulation
3.1.1 Abbildung von Energieflüssen
3.1.2 Erzeugung von Einzellastgängen
3.1.3 Zeitliche Variationen
3.2 Bewertung
3.2.1 Gaspreis
3.2.2 Strompreis
3.2.3 Jahresdauerlinie und Tageslastgang
3.2.4 Primärenergie
3.2.5 Externalitäten
3.3 Marktpreisziele für Brennstoffzellen-Heizsysteme
4 Modellaufbau und Datenbasis
4.1 Siedlungstopologie des versorgten Niederspannungsnetzsegments
4.1.1 Einfamilienhaussiedlung
4.1.2 Mehrfamilienhaussiedlung
4.1.3 Nahwärmesiedlung
4.2 Das Brennstoffzellen-Heizgerät
4.2.1 Brennstoffzelle
4.2.2 Zusatzbrenner
4.2.3 Wärmespeicher
4.2.4 Regelungstechnik
4.3 Verbrauchsprofile
4.3.1 Elektrisches Lastprofil
4.3.2 Warmwasser-Zapfprofil
4.3.3 Heizwärme-Lastprofil
4.4 Betriebsweisen des Heizkraftblocks
4.4.1 Wärmegeführte Betriebsweise
4.4.2 Stromgeführte Betriebsweise
4.4.3 Netzgeführte Betriebsweise
4.4.4 Kostengeführte Betriebsweise
4.5 Steuerungstechnische Vernetzung
4.5.1 Dezentrale Steuerung mit verknüpfendem Preissignal
4.5.2 Zentrale Steuerung am Siedlungstrafo
5 Simulationsergebnisse
5.1 Referenzfall ohne Kraft-Wärme-Kopplung
5.2 Tageslastgänge
5.3 Jahresdauerlinien
5.4 Primärenergetische Bewertung
5.5 Monetäre Bewertung
5.6 Jahresmatrix
6 Zusammenfassung und Ausblick
6.1 Ausblick
Zielsetzung & Themen
Das primäre Ziel dieser Arbeit ist die techno-ökonomische Analyse von Hausenergiesystemen mit Kraft-Wärme-Kopplung auf Basis der Brennstoffzellentechnologie. Dabei soll insbesondere untersucht werden, inwieweit ein Cluster solcher Anlagen als "virtuelles Kraftwerk" koordiniert agieren kann, um sowohl den Anlagenbetreibern als auch dem Stromnetz gesamtwirtschaftliche Vorteile zu bieten.
- Technologische Grundlagen der verschiedenen Brennstoffzellentypen und deren Eignung zur Kraft-Wärme-Kopplung.
- Methodische Modellierung und Simulation von gekoppelten Strom- und Wärmebedarfsprofilen in Wohnsiedlungen.
- Untersuchung verschiedener Betriebs- und Regelungsstrategien für dezentrale Energieerzeugungsanlagen.
- Bewertung der ökonomischen Effizienz und des primärenergetischen Nutzens im Vergleich zu konventionellen Referenzsystemen.
- Analyse des Potentials von virtuellem Kraftwerksverbund zur Netzstabilisierung und Spitzenlastreduzierung.
Auszug aus dem Buch
1.1 Problemstellung
Das Ziel dieser Arbeit ist es, Hausenergiesysteme mit Kraftwärmekopplungsfunktionalität am Beispiel der Brennstoffzelle zu untersuchen. Dabei steht vor allem die Möglichkeit der konzertierten Aktion vieler kleiner Einzelsysteme als virtuelles Kraftwerk im Zentrum der Betrachtung.
Als virtuelles Kraftwerk wird hierbei ein reelles Cluster von Mikro-KWK-Anlagen zur Hausenergieversorgung von Ein- und Mehrfamilienhäusern verstanden, die über einen gemeinsamen Strang im Niederspannungsnetz miteinander gekoppelt sind. Aufgrund des regionalen Zusammenschlusses werden die verteilten Anlagen nicht nur zusammen gesteuert, sondern können auch gemeinsam wirken. Es stellt sich die Frage, inwiefern sich bei einer erhöhten Dichte solcher Anlagen das Einspeiseverhalten koordinieren lässt, so dass auch gesamtwirtschaftliche Vorteile realisiert werden können. Von einer übergeordneten Steuerung durch eine virtuelle Kraftwerkswarte werden Synergieeffekte bezüglich der Generierung von Strom zu Spitzenlastzeiten erwartet. Weiterhin sind Dienstleistungen zur Netzstabilisierung (Spannungshaltung, Angebot von Regelenergie) denkbar.
Etablierte Energieversorger sehen im Konzept des virtuellen Kraftwerks noch keine ernst zu nehmende Alternative. Diese Untersuchung soll die Vorzüge eines virtuellen Kraftwerkes hervorheben, um so weitere Anreize für die dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung zu schaffen und das in Abbildung 1.2 umrissene Potenzial bei der Hausenergieversorgung zu heben.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Motivation und Zielsetzung der Arbeit, Hinführung zur Problematik des virtuellen Kraftwerks.
2 Charakterisierung der technischen und betrieblichen Rahmenbedingungen: Detaillierte Beschreibung der Brennstoffzellentechnik, der Kraft-Wärme-Kopplung sowie relevanter Speicher- und Einspeisetechnologien.
3 Methodik zur techno-ökonomischen Analyse dezentraler Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen: Darlegung der verwendeten Simulations- und Bewertungsansätze, inklusive mathematischer Grundlagen zur Kosten- und Lastmodellierung.
4 Modellaufbau und Datenbasis: Definition der Siedlungstopologien, der Anlagenspezifikationen sowie der verschiedenen Betriebsweisen und Regelungsstrategien.
5 Simulationsergebnisse: Präsentation und Diskussion der Ergebnisse der durchgeführten Simulationen, einschließlich technischer und wirtschaftlicher Kennzahlen.
6 Zusammenfassung und Ausblick: Fazit der Untersuchung und Handlungsempfehlungen zur weiteren Marktdurchdringung von Mikro-KWK-Anlagen.
Schlüsselwörter
Brennstoffzelle, Kraft-Wärme-Kopplung, Virtuelles Kraftwerk, Mikro-KWK, Niederspannungsnetz, Dezentrale Energieeinspeisung, Energiespeicher, Techno-ökonomische Analyse, Lastprofile, Wirkungsgrad, Netzstabilisierung, Regelenergie, Energiepolitik, Erneuerbare-Energien-Gesetz, Strompreis.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht den Einsatz von Brennstoffzellen als dezentrale Hausenergiesysteme und deren Potenzial, durch einen Zusammenschluss zu einem "virtuellen Kraftwerk" Synergieeffekte für den Strommarkt und die Netzstabilität zu nutzen.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Zu den Kernbereichen gehören die Brennstoffzellentechnologie, die Kraft-Wärme-Kopplung, moderne Speichertechnologien sowie die ökonomische und energetische Modellierung von virtuellen Kraftwerksclustern im Niederspannungsnetz.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist es zu analysieren, wie durch die koordinierte Steuerung vieler kleinerer Mikro-KWK-Anlagen die Effizienz der Hausenergieversorgung gesteigert und gesamtwirtschaftliche Vorteile, etwa durch Spitzenlastminderung, realisiert werden können.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird ein experimentelles Simulationsverfahren (basierend auf MATLAB/Simulink) angewandt, das auf der Modellierung und Verknüpfung von Lastprofilen mit technischen Kennlinien der Anlagen beruht.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die technische Charakterisierung der Komponenten, die methodische Herleitung der Analyse, den konkreten Aufbau der Datenbasis für verschiedene Siedlungstypen sowie die detaillierte Auswertung der Simulationsergebnisse.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zentrale Schlagworte sind Brennstoffzelle, Virtuelles Kraftwerk, Mikro-KWK, Kraft-Wärme-Kopplung, Netzstabilisierung und dezentrale Einspeisung.
Welchen Einfluss hat die Restwertmethode auf die Kostenberechnung der Kuppelproduktion?
Die Restwertmethode dient dazu, die Kosten der gemeinsam erzeugten Produkte (Strom und Wärme) aufzuteilen, wobei die Kritik darin besteht, dass die Kostenstruktur durch externe Referenzpreise beeinflusst werden kann, ohne die tatsächliche Anlagencharakteristik zu verändern.
Warum ist das "Niederspannungsnetz" für diese Untersuchung von besonderer Bedeutung?
Da etwa die Hälfte des Stromverbrauchs auf Niederspannungsebene stattfindet, bietet dieser Bereich das größte Potenzial für die Integration dezentraler Erzeuger, wobei hier ohmsche Leitungswiderstände eine zentrale Rolle bei der Spannungsregelung spielen.
Wie unterscheidet sich die "netzgeführte" von der "wärmegeführten" Betriebsweise?
Während die wärmegeführte Variante den Betrieb nach dem aktuellen Wärmebedarf ausrichtet, orientiert sich die netzgeführte Betriebsweise primär an Netzparametern (wie lokaler Spannung), um gezielt zur Spannungsstabilität oder Leistungsregelung im Netz beizutragen.
- Citar trabajo
- Gunnar Kaestle (Autor), 2005, Dezentrale Energieeinspeisung mit Brennstoffzellen als virtuelles Kraftwerk im Niederspannungsnetz, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/133899
