Projekt "EnEff:Fernwärme mit KWK"

EnEff:Wärme - Erhaltung der Marktfähigkeit hocheffizienter KWK-Anlagen mittels Einbindung von Umweltenergie

Projektleitung:	Dr.-Ing. Karin Rühling
Finanzierung:	BMWi, FKZ: 0327831B, Industrie
Laufzeit:	08/10 - 06/2015
	Abschlussbericht (ISBN 3-89999-057-9)

Teilprojekt:
Untersuchungen zur Verifizierung von Sicherheitsabständen zur Zone des Legionellenwachstums in der Trinkwassererwärmung
Abschlussbericht

Projektbeschreibung

Ausgangssituation:

Energieversorger I betreibt ein ausgedehntes Fernwärmenetz
maximalen Last von derzeit ca. 250 MW
Wärmeeinspeisung zu 93,4 % aus zwei KWK-Anlagen (GUD-Anlagen 1 und 2)
Primärenergiefaktor = 0,065 ➔ einer der niedrigsten der Bundesrepublik

Trotzdem

Bereits heute in Fernwärme-Schwachlastzeiten wirtschaftlich-technische Rahmenbedingungen, die die Marktfähigkeit des KWK-Betriebes in Frage stellen.
In off-peak-Zeiten extrem niedrige Stromeinspeisevergütung bei gleichzeitig hohen Erdgaskosten aufgrund des tageszeit-unabhängigen, konstanten Arbeitspreises.

➔ Grundansatz: Außerbetriebnahme des GUD 1 an den Wochenenden

Zeitraum	Mai bis September
Mittlere FW-Leistung für den Wochenendfall	27 MW
Frühester Beginn OFF-Zeit GUD 1	freitags 20:00 Uhr
Spätestes Ende OFF-Zeit GUD 1	montags 8:00 Uhr

Ersatzbetrieb über eine Kombination aus

➢   Drucklosem Großwärmespeicher
➢   Solarthermie-Großanlage
➢   Hochtemperatur-Wärmepumpen zur Rücklaufauskühlung

Abb. 1: Schaltplan Energieversorger I mit geplanter Erweiterung durch Wochenspeicher, Solarthermie-Anlage und Wärmepumpe

Mit Hilfe einer umfassenden Einsatzoptimierung (FWOptH) werden wirtschaftlich optimale Fahrweisen verschiedener, diskret variierter Anlagendimensionierungen untersucht und Empfehlungen für eine objektkonkrete erste Ausbaustufe abgeleitet.

Durchführung

Zentrales Element ist die Entwicklung und Erprobung von Simulationswerkzeugen für die Hauptkomponenten des Umweltenergiesystems sowie die Erstellung eines Betriebsführungs-Optimierungstools. Letzteres erfordert es u. a. Restriktionen auf der Strom- und Wärmenetzseite zu implementieren.

Modellierung Speicher

Abb. 11: Effekte im Wärmespeicher mit Einfluss auf die Temperaturverteilung

Der Speicher soll als eine der zentralen Komponenten des Umweltenergiesystems in einer über das Maß hinausgehenden Detailtiefe abgebildet werden. Die Detaillierung betrifft im Wesentlichen die realitätsnahe Wiedergabe der Mischzonenbreite zwischen heißer und kalter Schicht im Speicher. Dazu gilt es anhand von CFD-Simulationen und Messungen an realen Objekten die Einflussgrößen auf die Mischzonenentwicklung herauszuarbeiten.

Die CFD-Simulationen werden mit der frei verfügbaren Software OpenFOAM durchgeführt. Die messtechnische Erfassung basiert auf einer faseroptischen Temperaturmessung. Diese nutzt ein bis zu mehrere Kilometer langes Glasfaserkabel als Temperatursensor und erfasst simultan die Temperaturverteilung entlang des gesamten Kabels mit einer Ortauflösung im unteren Dezimeterbereich.

Das Messkonzept sieht vor das Glasfaserkabel in einem Speicher so anzuordnen, dass eine Ebene aus Speicherhöhe und Speicherradius, sowie aus Speicherhöhe und Speicherumfang gemessen wird. Zudem soll die bodennahe Temperatur in der ruhenden, passiven Speicherschicht unterhalb der unteren Düse genauer untersucht werden.

Zum aktuellen Projektstand konnte in einem bereits bestehenden Speicher eine reduzierte Anordnung des geplanten Messaufbaus nachgerüstet werden. Dabei wird die vertikale Temperaturverteilung im Speicher an drei über den Speicherumfang verteilt angeordneten Messstellen erfasst, wobei das Glasfaserkabel an jeder Messstelle als U-Schlaufe vom Speicherdach bis in den unteren Speicherbereich und wieder zum Speicherdach verläuft. Anhand der Messerdaten lässt sich die Entwicklung der Mischzone im Zeitverlauf nachvollziehen.

Vorbereitend auf diese Messungen in den im Projekt betrachteten großen Speichern, findet im Zentrum für Energietechnik der TU Dresden ein Erprobungseinsatz der faseroptischen Temperaturmessung in einem 6 m³-Testspeicher statt. Mit Hilfe einer gitterförmigen Anordnung des Glasfaserkabels wird die dreidimensionale Temperaturverteilung in einem Viertel des Testspeichervolumens mit gut 1100 Werten erfasst. Die am Testspeicher gewonnenen Messdaten können der Validierung eines CFD-Simulationsmodells für ähnlich aufgebaute Wärmespeicher dienen und bilden daher eine erste Grundlage für eine aussagekräftige CFD-Berechnung der im Projekt betrachteten großen Speicher.

Videos der Temperaturfeldmessungen

Ziel/Ergebnisse

Im Ergebnis stehen Aussagen zum wirtschaftlich optimierten Betrieb von KWK-Anlagen unter Einbeziehung erneuerbarer Energien zur Verfügung. Die Untersuchungen zum Einfluss von Lastverschiebungen durch Einsatz von Großwärmespeichern sind besonders vor dem Hintergrund volatiler Strompreise (fluktuierendes Dargebot Wind- und Photovoltaik-Strom) von großer Bedeutung.