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2,3 MB - Dissertation - Verlag im Internet GmbH

1. 6 3 6 4 6 5 6 6 6 7 F Herrmann Physik II Thermodynamik Skripten zur Experimentalphysik Abteilung f r Didaktik der Physik Universit t Karlsruhe 1997 W Greiner L Neise H St cker Theoretische Physik Band 9 Thermodynamik und Statistische Mechanik Verlag Harri Deutsch Thun und Frankfurt am Main 1993 Dittmann Fischer Huhn Klinger Repetitorium der Technischen Thermodynamik B G Teubner Stuttgard 1995 K Lucas Thermodynamik Die Grundgesetze der Energie und Stoffumwandlungen Springer Verlag Berlin Heidelberg New York 1995 W Berties bungsbeispiele aus der W rmelehre Verlag Vieweg amp Sohn Braunschweig Wiesbaden 16 verbesserte Auflage 1988 F Dietzel Technische W rmelehre Vogel Buchverlag W rzburg 6 Auflage 1992 VDI W rmeatlas 7 Auflage VDI Verlag D sseldorf 1995 156 Literaturverzeichnis 6 8 Prof Dr Rudolf Thiele Energieerzeugung ohne Umweltbelastung Fallbeispiele aus der Praxis Ringvorlesung Regenerative Energien TH Darmstadt VDE Darmstadt HEAG 1994 6 9 Dr Peter Lamp Neuere Konzepte zur Kraft W rme Kopplung mit Biomasse Siebtes Symposium Biobrennstoffe und umweltfreundliche Energietechnik 11 und 12 11 98 Deggendorf 6 10 Herm Haeder Die Dampfmaschinen Schwann 1898 D sseldorf 5 Auflage 6 11 M F Gutermuth Die Dampfmaschine Bd I II Springer Berlin 1928 6 12 K W Schmitz G Koch Kraft W rme Kopplung Anlagenauswahl Di
2. Abb 7 21 Absch tzung des effektiven Batterie Wirkungsgrades Der Anteil y ist mit dem Batterie Wirkungsgrad n verkn pft dies bedeutet da vorher ein Anteil von y n erueugt werden mu te Damit ergibt sich f r 100 Energie ein effektiver Aufwand von x y n und somit ergibt sich f r den effektiven Batterie Wirkungsgrad Ng S 7 38 Ng x y Ng effektiv Rechnet man zum Beispiel mit einem n von 80 und x 20 sowie y 80 so erh lt man f r N ger einen Wert von etwa 95 Daraus erw chst f r die Proze f hrung die Forderung die Energie soweit wie m glich an der Batterie vorbei direkt zu verwerten und nur die Spitzenlast ber die Batterie abzudecken Dieser Umstand ist bei der Entscheidung ber die zu w hlende Stromerzeugungs Dynamik mit Hilfe der Dampfmaschine zu ber cksichtigen wobei alle auftretenden Vor und Nachteile gegeneinander abzuw gen sind Die bisher hergeleiteten und aufgedeckten Zusammenh nge bieten eine gut fundierte Grundlage um eine konkrete Dimensionierung f r die Versorgung eines privaten Haushalts vorzunehmen Dies soll im n chsten Kapitel geschehen 8 1 Photovoltaikanlage 127 8 Dimensionierung f r einen Privathaushalt Zun chst wird ein Bestimmungskriterium f r die gegenseitige Abstimmung der PV und der KWK Anlage hergeleitet so da die Korrelation beider Energiewandler eine l ckenlose Energieversorgung privater Haushalte erm glicht 8 1 Photovoltaikanlage Um e
3. Die von der Sonne kommende Strahlungsenergie kann direkt genutzt werden oder indirekt ber die nat rlichen Wandlungsprozesse wie zum Beispiel in Form von Windenergie oder Biomasse Die direkte Nutzung der Sonnenenergie erfolgt im wesentlichen sowohl thermisch als auch photovoltaisch Da hierf r in der Regel Vorrichtungen auf geneigten Ebenen eingesetzt werden ist die Einstrahlung entsprechend des Orientierungs und Neigungswinkels modifiziert Au erdem ergeben sich noch zus tzliche Strahlungsanteile die aufgrund von Reflexionsvorg ngen in der Umgebung entstehen Die direkte Bestrahlungsst rke auf einer Ebene wird maximal wenn die Sonnenstrahlen senkrecht auf die Ebene einfallen Diese Tatsache kann zur Optimierung des Energieertrags genutzt werden Im folgenden wird die Wandlung der Sonnenenergie in elektrische Energie mit Hilfe von Photovoltaikanlagen betrachtet 2 2 Photovoltaischer Effekt Eine besonders elegante Methode elektrischen Strom zu erzeugen besteht in der Nutzung des inneren lichtelektrischen Effekts welcher die direkte Wandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie erm glicht ohne die Kopplung ber mechanisch bewegte Teile Entdeckt wurde dieser sogenannte photovoltaische Effekt durch Becquerel im Jahre 1839 die technische Nutzung wurde aber erst entscheidend durch die Satellitentechnik vorangetrieben 2 7 Im Gegensatz zum u eren lichtelektrischen Effekt bei dem Elektronen aus der Oberfl che eines bestrahlten
4. und Heizkreislauf P rmetauscher F r die Auslegung des Speisewasservorw rmers ist eine Eingangstemperatur von 100 C 1 bar Kondensatordruck anzunehmen Zur Absch tzung der oberen Grenze des Massestroms mu mit einer Dampfenergie von etwa 2674 kJ kg 1 bar Sattdampf gerechnet werden Damit bedingt die Leistung von 17 KW einen Wasserdurchflu von etwa 23 kg h Soll diese Wassermenge maximal um 80 gek hlt werden so sollte die W rmetauscherleistung f r einen allgemeinen Haushalt mit z 2kW bemessen werden Richtwert f r die W rmeleistung des Speisewasservorw rmers 2 2kW 8 15 Speisewasservorw rmer Diese Wassermenge ist mit der Druckerh hungspumpe gegen den Kesseldruck zu f rdern Die elektrische Leistung f r diese Pumpe ist mit Gleichung 7 37 zu berechnen Bei einem angenommenen Pumpenwirkungsgrad von 40 Kreiselpumpe und einem Kesseldruck von 6 bar ben tigt man z 9 7W Dieser Wert zeigt da diese aufzubringende Leistung bei der Wirkungsgradberechnung des Dampfkraftprozesses mit Recht vernachl ssigbar ist Richtwert f r die elektrische Leistung der Druckerh hungspumpe P Druckerh hungspumpe el 2z 10W 8 16 Wie die hier vorgenommene Auslegung der Komponenten f r das Hybridsystem zeigt stimmen die f r den durchschnittlichen Privathaushalt ben tigten Leistungsdaten gut mit den Kenndaten des Versuchsaufbaus berein 8 4 Energiespeicher und elektrische Komponenten 139
5. und mechanische Sch den sowie Deformationen vermindern die urspr nglich vorhandene Leistungsf higkeit Diesen alten Maschinen fehlt auch meist ein Typenschild dem man Hersteller und Kenndaten wie Dampfzustand Drehzahl Leistung u entnehmen k nnte So kann man fehlende Daten nur anhand der noch verf gbaren damaligen Literatur absch tzen Dieses Problem kann hier lediglich als Anregung an den modernen Maschinenbau weitergegeben werden Dieser k nnte die Erkenntnisse des modernen Motorenbaus nutzend heutzutage sicherlich wesentlich kleinere kompaktere und leichtere Dampfmaschinen bauen als es fr her m glich war Hilfreich werden dabei ebenfalls auch die heute zur Verf gung stehenden Werkstoffe sein Zur direkten Versorgung der W rmeverbraucher unabh ngig vom Einsatz der Dampfmaschine sollte eine Bypassleitung installiert werden Diese Leitung kann von der Steuerung zur Deckung des augenblicklichen Strom W rme Verh ltnisses je nach Bedarf aktiviert werden siehe Abb 7 6 Ausgleichend kann in diesem Zusammenhang ein W rmespeicher wirken falls es zu zeitlich versetzten Anforderungen von Strom und W rme kommt Dies kann auftreten wenn bei nicht ausreichender Batterieladung eine Stromanforderung ohne eine dementsprechend ausreichende W rmeabnahme vorliegt Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit die Speicher f r W rme und Strom aufeinander abzustimmen Der Heizkreislauf und der Warmwasserkreislauf sowie die Einbindung des W rm
6. welche hierf r in der Regel mit Erdgas und Luft bei einer Betriebstemperatur von 200 C Strom mit einem Wirkungsgrad von etwa 40 erzeugt Andere Brennsoffzellen Typen und deren Anwendung in KWK Anlagen sind noch in der Entwicklungs und Erprobungsphase Ein gemeinsames Problem aller derzeitigen Brennstoffzellen ist noch ihre vergleichsweise niedrige Lebensdauer ii KWK mit externer Verbrennung Gasturbinenanlagen mit nachgeschalteten Abhitzekesseln 1 Verdichter Brennstoff Abgas 2 Vorlauf 2 Brennkammer 3 Abgasturbine elektr Strom Gasturbine 4 Generator Verbrennungsluft R cklauf 5 Abhitzekessel Abb 3 5 Prinzipschema Gasturbinen KWK F r die Verbrennung k nnen gasf rmige und fl ssige Brennstoffe in die Brennkammer der Turbine eingespritzt werden Die Schadstoffemissionen sind in der Regel insgesamt so niedrig da keine Abgasreinigung erforderlich ist Erdgas als Energietr ger weist zudem die niedrigste spezifische CO Freigabe kWh auf Aufgrund des hohen Abgastemperaturniveaus kann W rme im gesamten technisch relevanten Temperaturbereich zur Verf gung gestellt werden Derzeit erfolgt bei den Gasturbinen Projekten ein Trend weg von den gro en Anlagen bis etwa 230 MW hin zu elektrischen Aggregateleistungen im Bereich zwischen 1 5 und 10 MW 3 5 3 4 KWK Aggregate Wirkungsgrade bei Heiz lbetrieb Erdgasbetrieb Nennlast 5 elektr Wirkungsgrad 17 31 therm Wirkungsgra
7. 4 60 K 1 Stufe 2 Diese Absch tzung ist eher f r die ersten Stufen einer mehrstufigen Dampfmaschine anwendbar Generell ist es jedoch besser anhand der bekannten Eckwerte wie Temperaturen und Druck am Ein und Ausgang eines Maschinen Zylinders auf thermodynamische Tabellenwerke oder Diagramme zur ckzugreifen 6 7 6 15 In der N he der betrachteten Arbeitspunkte k nnen auch auf der Grundlage dieser Daten numerische Approximationen benutzt werden Vorteilhaft sind hier gleich zweidimensionale N herungsdarstellungen Im Rahmen der Beschreibung der Simulation des Hybridsystems wird diese Vorgehensweise aufgegriffen Das Triebwerk der Dampfmaschine wandelt die oszillierende Kolbenbewegung in eine rotierende Bewegung der Antriebswelle Hierf r wird bei Kolbenmaschinen wegen des einfachen Aufbaus und der geringen bertragungsverluste meist ein Kurbeltrieb gew hlt 6 16 Um einen gleichf rmigen Lauf zu gew hrleisten k nnen mehrere Kolben versetzt arbeiten und zum weiteren Ausgleich werden Schwungr der eingesetzt Diese Gleichf rmigkeit ist insbesondere wichtig f r die Frequenzstabilit t gekuppelter Generatoren zu Stromerzeugung 6 3 Dampfmaschine 83 Hub s 2 r OT UT oberer unterer Totpunkt Abb 6 8 Kr fte und Geometrie beim Kurbeltrieb Der Cosinussatz liefert hier den Zusammenhang zwischen dem Winkel amp und der Koordinate x des Kolbengelenks Kreuzkopf P x r 2 x r cos a Damit ergibt sich f r di
8. Hybridsystem PV Dampfmaschine mit KWK 0000000000ss2000000000000000000 86 7 1 Komponenten des Hybridsystems seeeeseeeeeeeseeesseressssrressssrresrserresssererssee 86 1 2 Vetfahrenss hema cisse enai eben 90 1 32 Mersuchsauipau a II IE EIER 91 7 4 Physikalische Modellierune une Ra 97 TY Reselunsskonzept an ae anne 102 1 6 Steuerungskonzept u uuaseaslksunissnugnndsbhnhgaehin 112 7 7 Simulation des Hybridsystems nauuas222 Hera aaa 119 8 Dimensionierung f r einen Privathaushalt ssssssssssssssssssssssssssnnnnssssnnnee 127 8 1 Photovoltaikanlage setenneushckeists ann Bun 127 8 2 Dampfmaschine sesser ninien reelle 134 8 3 Dampferzeuger und W rmeversorgung sssssseessresssssserrrrerssssssererreess 137 8 4 Energiespeicher und elektrische Komponenten seesssssseeeereesssssseersreees 139 9 Zusammenfassung und Ausblick sss 000000000000000002000000000000000 00000000000 000000000 141 ADhan een 143 Verwendete Formelzeichen und Bezeichnungen Verwendete Formelzeichen und Bezeichnungen Symbole Einheit P ieoi kWh d Fa w rme kWh d WwW V m s m kg s Cp J kgK K 2 A l s m T A A z D E 2 d u n a B rad P Po kg m O OMittel Od 5 NaAn Nwn NB NB effektiv Oa Pv 5 Nelektrisch N thermisch N gesamt z Nideal Nreal Qik QUL PMPP 1 C Okwk 3 Lm L Monat C Vaino Tna C K Zeichenerkl rung Tagesleistung Durch
9. Springer Verlag Berlin Heidelberg New York 1996 E F Schmidt Unkonventionelle Energiewandler Elitera Verlag Berlin 1975 W R Fahrner D Hackstein R Schindler Photovoltaik I Kurs 2157 FernUniversit t Hagen 1992 A Goetzenberger B Vo J Knobloch Sonnenenergie Photovoltaik Teubner Stuttgart 1994 Prof Dr Ing D Hackstein Skriptum zur Experimentalvorlesung Photovoltaik II Kurs 2158 FernUniversit t Hagen Volker Quaschning Regenerative Energiesysteme Carl Hanser M nchen Wien 1998 H H berlin Photovoltaik Strom aus Sonnenlicht f r Inselanlagen und Verbundnetz AT Verlag Aarau Schweiz 1991 Literaturverzeichnis 151 2 13 2 14 2 15 2 16 2 17 2 18 Prof Dr J Luther Photovoltaische Energieversorgung f r Inselnetze und industrielle Produkte VDI Berichte Nr 1236 VDI Verlag D sseldorf 1996 A Lindemann Konzeption und Realisierung eines Stromrichters mit IGBTs f r Photovoltaikanlagen im Inselbetrieb Fortschritt Berichte VDI Reihe 21 Elektrotechnik Nr 145 VDI Verlag D sseldorf 1993 M Jantsch Systemtechnische Untersuchung des Nutzungsgrades photovoltaischer Anlagen Analyse und Optimierung von Strukturen und Wirkungszusammenh ngen Fortschritt Berichte VDI Reihe 6 Energietechnik Nr 336 VDI Verlag D sseldorf 1996 V Quaschning Simulation der Abschattungsverluste bei solarelektrischen Systemen Dr K ster Verlag Berlin 1996 H J Lewerenz H Jungblut Photovolt
10. Verbrauch in den Wintermonaten entsprechend etwas h her Infolgedessen ist das Maximum der Verh ltniskurve in der Realit t etwas breiter Teilt man das Jahr vereinfachend in Winter Oktober bis M rz und Sommer April bis September auf so kann man f r private Haushalte grob berschl gig mit einem Strom W rme Verh ltnis von 7 17 im Winter sowie von 1 3 im Sommer rechnen wenn kein Strom zur W rmeerzeugung eingesetzt wird Dies hat sich bei der Auswertung eigener Messungen sowie Lastkurven aus der Literatur als brauchbare Annahme insbesondere f r freistehende Einfamilienh user erwiesen Nach der Kl rung des approximativen Verlaufs des Strom W rme Verh ltnisses bez glich des Jahresverlaufs ist verfeinernd die Abstimmung von Strom und W rme w hrend eines Tagesablaufs zu kl ren Zu diesem Zweck wird analog zum Tagesverlauf des Stromverbrauchs ein typischer Sommertag sowie ein typischer Wintertag dargestellt Typischer Sommertag 0 25 0 20 0 15 0 10 0 05 00 00 06 00 12 00 18 00 24 00 Abb 5 7 Strom W rme Verh ltnis eines Haushalts im Sommer Die N herungsformeln nutzend wurde dabei f r den typischen Sommertag von einem Stromverbrauch von 7 439 kWh und dem rechnerisch dazugeh rigen W rmeverbrauch von etwa 51 kWh ausgegangen Dies entspricht einem Tag von Mitte Mai bis Anfang Juni also einem heiteren Tag in der bergangszeit Typ 4 F r einen repr sentativen Wintertag sind dies ein Stromverbrauch
11. Zeit andere Alternativen bez glich der Werkstoffauswahl Sicherlich sind hier keramische Werkstoffe interessant Die Technik der Schmierung und lung der Lager und Schieber fr herer Zeiten entsprechen nicht den heutigen Ma st ben Die Aufgabe eine den heutigen Bed rfnissen und technischen Rahmenbedingungen angepa te Dampfmaschine f r kleinste Leistungen zu bauen kann nur von erfahrenen Maschinenbauern und Motorenherstellern aufgegriffen und gel st werden 80 6 Kraft W rme Kopplung mit Dampfmaschine Nat rlich wird dies nur geschehen wenn interessante Einsatzm glichkeiten mit einem entsprechend entwicklungsf higen Markt erschlossen beziehungsweise gesehen werden Vielleicht kann das in dieser Arbeit vorgeschlagene Konzept zur Nutzung in einem photovoltaischen Hybridsystem mit Kraft W rme Kopplung einen Impuls hierf r darstellen Um dennoch experimentelle Erfahrungen mit dem Aufbau eines solchen Hybridsystems machen zu k nnen wurde auf ein alte Maschine zur ckgegriffen Hierbei handelt es sich um eine stehende Tandem Maschine dies ist eine zweistufige Maschine wobei die beiden Zylinder bereinander angeordnet sind und beide Kolben ber eine gemeinsame Stange gef hrt werden Weitere Einzelheiten dazu und zum Versuchsaufbau werden im n chsten Kapitel pr sentiert F r Dampfmaschinen ob alt oder neu gelten allgemeine Grundlagen die hier im folgenden skizziert werden soweit sie f r das Hybridsystem von Bedeutung sind Die
12. das sowohl durch theoretische Analysen als auch durch gezielte Versuche oder Erfahrungen mit hnlichen verfahrenstechnischen Funktionen abgesichert sein mu In diesem Sinne wird hier ein Programmablauf und Steuerungskonzept f r dieses Hybridsystem vorgestellt wobei der Versuchsaufbau aufgrund der derzeitigen Realisierungsm glichkeiten eine Komplette Implementierung einer solchen Steuerung nicht im vollen Umfang erlaubt Zur Automatisierung des Anlagenbetriebs m ssen zun chst Programm Ablauf Schritte definiert werden Grundlage f r die Aufstellung dieser Ablaufschritte bildet dabei die Abfolge der vorher im Handbetrieb erforderlichen manuellen T tigkeiten um die Anlage in gew nschte m gliche und sinnvolle Betriebszust nde zu versetzen Damit ergibt sich die folgende Aufstellung der Verfahrensschritte 1 Dampferzeuger einschalten u o Vorbereitung nd Wereschatung Anfahren Anfahren e a 7 Dampfmaschine Ruhemodus 8 Dampfmaschine Pausenmodus 9 Wegeschaltung Tabelle 7 2 Verfahrens Ablauf Schema F r den Beginn eines automatischen Programmablaufs m ssen in der Regel gewisse Einschaltbedingungen erf llt werden die von dem Programm berpr ft werden damit sichergestellt wird da eine erfolgreiche Durchf hrung berhaupt zu erwarten ist Ansonsten erfolgt lediglich eine Fehlermeldung 7 6 Steuerungskonzept 113 Eine solche Schrittkette wird im Programm prim r entsprechend der Schrittnumm
13. massiven Fehlfunktionen die entweder die Sicherheit von Menschen oder die Zerst rungsm glichkeit der Anlage zur Folge haben k nnen Ein sofortiges Sicherheitsabschalten und die Ausgabe eines optisches und akustisches Alarmsignals sind die hierf r angemessenen Ma nahmen Ein Grund f r einen solchen Alarmfall k nnte zum Beispiel ein berschreiten der gesetzten Maschinen Grenz Drehzahl sein was auf einen gerissenen Keilriemen oder einen Kupplungsfehler hinweist Es ist sinnvoll Unterprogramme zu definieren die nach ihrem Aufruf selbst ndig unabh ngig zum Hauptprogramm so lange ablaufen bis ein Stop Befehl deren Beendigung einleitet Dies sind hier die Dampferzeugung Laderegelung und die W rmeversorgung Diese Unterprogramme betreffen in dieser Reihenfolge die Gesamtenergielieferung Stromlieferung und die W rmelieferung mit ihren dazugeh rigen Regelkreisen Die Betriebsf hrung mit Hilfe dieser Regelkreise hat sicherzustellen da bei der Stromerzeugung mit der Dampfmaschine der Energieinhalt des Abdampfes auf keinen Fall die abnehmbare W rmemenge berschreitet Dieser Zustand wird durch das berschreiten der vorgegebenen Kondensatr cklauf Grenztemperatur erkennbar denn ab 100 C schl gt der Dampf durch Falls dies geschieht ist auf einen Betrieb ohne KWK umzuschalten H lt dieser Zustand l nger an so kann dies bei unzureichender PV Leistung zur Batterieentladung bis zum gesetzten Minimum f hren und eine Abtrennu
14. t sich die Betriebsbedingung 7 7 wie folgt erweitern h h T 1 lt 1tT 1 Reh It h h qt h h gt 7 16 Daraus l t sich eine grundlegende Formel gewinnen welche das von der KWK Anlage erf llbare Strom W rme Verh ltnis wg in Abh ngigkeit vom Dampfzustand und von Maschinenparametern angibt 7 17 O kwK lt N serom i 30 X mit Ns rom Ih Dabei ber cksichtigt der Wirkungsgrad N die Verluste der einzelnen Komponenten zur Umwandlung der mechanischen Energie n in verf gbaren Verbraucher Strom Das von der KWK Anlage zu erf llende Strom W rme Verh ltnis wg ergibt sich bei dem Hybridsystem aus der ben tigten W rme und dem Stromverbrauch abz glich der Stromerzeugung durch die PV Anlage 7 4 Physikalische Modellierung 101 Zusammenfassend kann aus den obigen Bedingungen ein Diagramm zur Bestimmung von m glichen Betriebspunkten gewonnen werden Das folgende Diagramm zeigt als Beispiel ein Diagramm f r 6 bar Sattdampf und einem Kondensatordruck von 1 bar n 1 min ri 2 VAN MIA x I KINN Ber Hl ie MAN 1X280 Hy 500 SES X300 7 UOR Z 300 Dan 200 Aa 100 0 2 0 16 0 12 0 08 0 04 0 o 1 2 3 5 6 T Druck bar 0 2 0 16 0 12 0 08 0 04 0 R Oo 1 2 3 5 6 2
15. welche mit Hilfe von Generatoren in elektrische gewandelt werden kann ist bei thermischen Prozessen naturgesetzlich durch den Carnotschen Wirkungsgrand nach oben begrenzt Praktisch liegen die Wirkungsgrade noch erheblich niedriger Da Energieverbrauch Kosten verursacht liegt es im Interesse aller Abnehmer rationell mit Energie umzugehen Dies setzt aber voraus da der Anwender ber ausreichende Kenntnisse bez glich der technischen und wirtschaftlichen Zusammenh nge der von ihm benutzten energieverbrauchenden Ger te verf gt Hierf r ben tigt man Informationsdienste welche m glichst objektiv kologische technische und wirtschaftliche Faktoren gegeneinander abw gen und dementsprechend beraten Das entscheidendste Kriterium f r eine rationelle Energieverwendung ist sicherlich ein hohes Verantwortungsbewu tsein gegen ber der Umwelt und den nachfolgenden Generationen sowohl der einzelnen B rger als auch des Staates Insbesondere die wirtschaftlichen Bewertungsfaktoren sind im starken Ma e von den Entscheidungen des Staates und den von ihm geschaffenen Versorgungsstrukturen abh ngig Politik und Gesellschaft stehen gemeinsam in der Verpflichtung auf einen sparsamen Umgang mit den Energieressourcen hinzuwirken 1 7 Eine entscheidende Komponente wird hierbei neben einer allgemeinen Verbrauchsminimierung ein weitgehender Ausbau hin zu Kraft W rme Kopplungs Systemen sein m ssen um den Gesamtwirkungsgrad der Prim renergienutzung z
16. 0 6 C 5 8 Folglich ergibt sich dazu f r die Lastganglinie der Heizlast ein komplement rer Verlauf hnlich der Stromverbrauchscharakteristik Ausgehend vom Jahres Endenergieverbrauch deutscher Haushalte von 1995 lassen sich f r weitere Absch tzungen folgende Verh ltnisse festhalten Strom z 8 4 011 Strom 8 4 Heizung 76 6 RT 7 Proze w rme 15 vn Geht man auch hier von einem Jahres Stromverbrauch f r einen durchschnittlichen Haushalt von 3146 kWh a sowie etwa 8 6 kWh d aus so f hren die obigen Verh ltniszahlen zu den entsprechenden normierten W rme Verbrauchszahlen P 10 PRE 5 8 a Heizung 0 11 au z und 5 3146 _ kWh s a Proze w rme 7 0 56 Da der Proze w rme Bedarf n herungsweise als unabh ngig von der Jahreszeit betrachtet werden kann erh lt man so einen Wert von 15 4 kWh d als konstante Gr e 3146 kWh 2 Pa Proze warme 22 2er 15 4 f r alle Tage 5 10 Der Verlauf des Heizenergie Bedarfs kann auf hnliche Weise wie die Strom Ganglinie beschrieben werden Setzt man die minimale Heizleistung in die Mitte der Sommermonate Juni Juli und August so liegt das Minimum Mitte Juli etwa beim Tag 196 Dies f llt dann ungef hr auch dem Maximum der mittleren Lufttemperatur zusammen 62 5 Energieverbrauch eines Privathaushalts F r den jahreszeitlichen Verlauf der Heizlast ergibt sich somit approximativ 27 kWh l Pd Heizung 178 36 1
17. 130 8 Dimensionierung f r einen Privathaushalt Den Jahresverlauf des Energieertrags einer 1kW Anlage kann man wie folgt approximieren P p 1kW Ya d mit a 6 347505E 01 a 3 7224486E 03 u a 1 818859E 04 a 2 818560E 06 a 3 168738E 08 a 9 383729E 11 a 8 807513E 14 8 5 Mit Hilfe von 8 5 kann man nun zur Auslegung der PV Anlage wie folgt vorgehen W hle das kleinste m gliche amp R so da die Gleichheit in der Bedingung D d gt 86 L6 cof 20 4 Jv 15 4 78 36 Itoo 2d 0232 OR 365 dii 365 i 0 mit de 0 365 amp Skalierung f r ein bestimmtes V f r jeden Tag d erf llbar ist 8 6 Dieses Problem kann gut mit einem beliebigen Mathematik Computerprogramm gel st werden das in der Lage ist mehrere Kurven gleichzeitig darzustellen So ergibt sich f r PV Anlagen als untere Grenze v 02 5 08 gt 0 8 kW v 0 1 Serie 1 25 KW v 005 gt 40 gt 4 0 KW 8 7 In diesem Zusammenhang ist es sinnvoll auf die m glichen zuk nftigen nderungen bez glich des Strom W rme Verh ltnisses einzugehen die sich l ngerfristig auf der Grundlage neuerer W rmeschutzverordnungen ergeben k nnen Sollte sich zum Beispiel die ben tigte W rmemenge halbieren so ergibt sich f r die untere Grenze der PV Anlage das gleiche Ergebnis wie es einer Halbierung von entspricht Die obere Grenze der PV Anlagengr e w rde sich aus der Forderung ergeben den Strom ganzj
18. 34 ein F r den allgemeinen privaten Haushalt ergibt sich Richtwert f r die Nennleistung des Dampferzeugers P Dampferzeuger z 17kW 8 13 Diese maximal erzeugbare W rmeleistung mu ber die W rmetauscher im Heizungskreislauf und Warmwasserkreislauf abgegeben werden k nnen Den Hauptanteil bernimmt dabei im Mittel der W rmetauscher f r den Heizungsbetrieb Der Warmwasseranteil ist unabh ngig von der Jahreszeit im Mittel als konstant anzunehmen Der relative Lastgang w hrend eines Tages kann der Abb 5 5 als Typ 5 entnommen werden und zeigt ein Maximum von nahezu 10 um 18 00 Uhr Bei einer Proze w rmeleistung von etwa 15 4 kWh Tag folgt eine maximale bertragungsleistung f r den W rmetauscher von mindestens 1 6 kW Die handels blichen Warmwasserspeicher sind jedoch f r gr ere W rmeleistungen ausgelegt wie zum Beispiel im Versuchsaufbau mit 22 kW Damit ist eine wesentlich k rzere Aufladezeit des Speichers m glich Aus diesem Grund sollte der W rmetauscher f r die Warmwasserversorgung ebenso gro ausgelegt werden wie derjenige f r den Heizungskreislauf Somit sollten beide W rmetauscher in der Lage sein die gesamte vom Dampferzeuger lieferbare W rmeleistung von 17 kW abzuf hren 138 8 Dimensionierung f r einen Privathaushalt Zusammenfassend gilt also f r allgemeine private Haushalte Richtwert f r die jeweilige W rmeleistung der W rmetauscher f r denWarmwasser z 17kW 8 14
19. 60 bis 120 2400 bis 4800 Tabelle 5 11 Warmwasserbedarf f r Wohnungen VDI82 F r einen durchschnittlichen Haushalt mit 2 2 Personen w rde dies einen Energiebedarf f r Warmwasser bei mittlerem bis hohem Bedarf von sch tzungsweise 5 28 kWh d bis 10 56 kWh d bedeuten Damit liegt der Energiebedarf etwa auf etwa gleichem Niveau wie der Stromverbrauch Den Energieverbrauch f r Warmwasser kann man mit guter N herung als unabh ngig von der Jahreszeit betrachten Die durchschnittliche Verteilung des Energieverbrauchs auf die Sektoren Strom Warmwasser und Heizung f r die meisten heute vorhanden Geb ude in Deutschland zeigt die folgende Tabelle 5 6 250 kWh m a 25 kWh m a 30 kWh m a Tabelle 5 12 Derzeitiger Energieaufwand deutscher Wohnh user Nach VDI 2067 Blatt 1 ist die Heizgrenztemperatur das Tagesmittel Vrm 15 C der Lufttemperatur Liegt w hrend eines Tages die mittlere Lufttemperatur darunter so spricht man von einem Heiztag 5 2 W rmeverbrauch 61 Die Heizperiode liegt innerhalb der Heizzeit die vom 1 September bis zum 31 Mai des Folgejahres dauert Somit gelten die Monate Juni Juli und August als Sommermonate 5 7 Den Jahresgang der Lufttemperatur im Monatsmittel kann man f r das mitteldeutsche Flachland mit guter N herung mit der folgenden Formel beschreiben 2 Monat ss 9 3 of 2 m 2 166 C mit m Monat 5 6 mit einem Maximum im Juli von 17 8 C und einem Minimum im Januar von
20. 8 4 Energiespeicher und elektrische Komponenten Wie bereits ausgef hrt kann bei der in dieser Arbeit vorgestellten Betriebsf hrung auf einen W rmespeicher verzichtet werden unter der Voraussetzung da die Komponenten den obigen Dimensionierungs Kriterien entsprechen Im Gegensatz dazu hat der Batteriespeicher eine entscheidende Bedeutung f r das Hybridsystem Zum einen bilden sie das Schnittstellen Element zwischen der PV Anlage und der KWK Anlage und zum anderen haben die Akkumulatoren eine Puffer Funktion f r die Stromversorgung Sowohl kurzfristig auftretende Leistungsspitzen welche die Nennleistung des Generators berschreiten als auch zeitliche Verz gerungen aufgrund einer zu tr gen Lastanpassung k nnen damit abgefangen werden Das erarbeitete Steuerungskonzept benutzt den zu messenden Ladezustand Ah um das Hybridsystem in den jeweils erforderlichen Betriebszustand zu versetzen F r die Absch tzung der erforderlichen Speicherkapazit t ist der Sommerbetrieb ausschlaggebend da der Generator im Winter wie gezeigt in der Lage ist die geforderte Leistung zu bringen Abb 8 3 Von Mitte April bis fast Ende August besteht die M glichkeit die Stromversorgung ber die PV Anlage zu erreichen F r einen durchschnittlichen privaten Haushalt stehen dem t glichen Stromverbrauch einer typischen Sommerwoche von 7 439 kWh im Mittel 9 206 KWh Mai gegen ber so da bei einem tats chlichen repr sentativen Tag ein berschu
21. Betreiber um im Fehlerfall Einflu nehmen zu k nnen oder zu Testzwecken Eine weitere m gliche Aufgabe der Betriebssteuerung kann ein sogenanntes Lastmanagement sein Dies besteht zum Beispiel darin mit Hilfe einer Priorit tenliste den gleichzeitigen Betrieb von leistungsstarken Ger ten zu vermeiden wenn dies vertretbar ist wie etwa bei Elektroherd und Waschmaschine Durch diese Ma nahme kann die f r das Hybridsystem anzusetzende maximale Leistung begrenzt werden 4 3 48 4 Photovoltaische Hybridsysteme 4 4 Hybridsystem Modelle Prinzipiell denkbare photovoltaische Hybridsystem Modelle allgemeinster Art ergeben sich aus der sinnvollen kombinatorischen Ver stelung der folgenden Systemeigenschaften und m glichen Bestandteile wie beispielhaft vorgef hrt Zusatzerzeuger isch sowohl als auch N steuerbar sowohl als auch nicht regenerativ sowohl als auch elektr Speicher ohne therm Speicher chem Speicher Zusatzkessel Abb 4 2 Systematisierung von Hybridsystemen mit Beispiel Auswahl Im Gegensatz zum elektrischen Zusatzerzeuger der im allgemeinen sowohl Kraft als auch W rme liefert soll hier der mit thermisch gekennzeichnete ausschlie lich W rmeenergie erzeugen Wenn man den Fall stochastische nicht regenerative Erzeugung ausschlie t ergeben sich nach diesem Muster rechnerisch 4032 grunds tzliche Realisierungsm glichkeiten f r ein Hybridsystem Dies l t ahnen welch enormes Entwick
22. Bipolar Transistor Kurzschlu strom Strom im MPP Photostrom S ttigungsstrom Tr gheitsmoment Joule Kilojoule Pentajoule Boltzmann Konstante W rme bergangskoeffizient viii M Mo Max Min ML MOSFET MPP Mz n no N n p ORC OT UT P P P Po PAFC Pb PbO PbSO Par PEna Pi P aea Preal PK Pm Pnech Pmech o Pmin Pumper ppm PR Pstufe Verwendete Formelzeichen und Bezeichnungen k bzw k Wert f r Ventile Kraft W rme Kopplung Leistung einer Referenz PV Anlage L nge Strahlungsleistung Index f r linear bzw gleichprozentig Anpassungsfaktor Monat Index f r mechanisch Index f r mittel Drehmoment Maximum Minimum Lastmoment Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Maximum Power Point St rmoment Drehzahlen Dotierungskennzeichnungen Organic Rankine Process oberer bzw unterer Totpunkt Leistung Impuls Druck Ausgangsdruck Phosphoric Acid Fuel Cell chemisches Element Blei Bleidioxid Bleisulfat elektrische Leistung Stufen Enddruck indizierte Leistung PV Leistung kritischer Druck mittlerer Druck mechanische Leistung Kondensatordruck Leistung im MPP parts per million Peformance Ratio mechanische Stufen Leistung Verwendete Formelzeichen und Bezeichnungen PV pv Q Q Qau Qab qzu qab r r R rev Rs Rp S S S Sn STC T t tzu tab Tx TRD U U Up UL Uupr Ur V v V kV Vi
23. Damit ergibt sich eine einfache mathematische Beschreibung durch Zuordnung konstanter Verbrauchsdaten zu den entsprechenden Zeitintervallen Diese Charakterisierung l t sich in tabellarischer Form darstellen Die Umrechnung vom durchschnittlichen Haushalt auf einen beliebigen Haushalt kann hier ebenfalls n herungsweise durch Anwendung des Skalierungsfaktors z erfolgen 5 1 Stromverbrauch 57 Die folgende Tabelle f r einen Sommertag zeigt sowohl die mittlere Leistung als auch die gesamte verbrauchte Energie f r jedes Intervall Die letzte Zeile stellt zusammenfassend eine Mittelung ber den gesamten Tag dar Tabelle 5 6 Tagesgang eines durchschnittlichen Haushalts im Sommer Die gleiche Prozedur auf die Winterzeit angewandt ergibt die nachfolgenden Ergebnisse Typischer Winterta kW YXP g 00 00 06 00 12 00 18 00 24 00 Abb 5 3 Tagesganglinie eines durchschnittlichen Haushalts im Winter 58 5 Energieverbrauch eines Privathaushalts F r den Winter erh lt man dann in der gleichen Form Tabelle 5 7 Tagesgang eines durchschnittlichen Haushalts im Winter Aufgrund der Tatsache da sich diese Ergebnisse sich auf gleichzeitige Messungen vieler Haushalte mit einer 15 Minuten Mittelung st tzen 5 2 erscheinen die auftretenden Leistungswerte nicht allzu hoch Da jedoch viele Haushaltsger te die nur kurzfristig eingeschaltet werden erheblich h here Leistungen in Anspruch nehmen treten zeitweise Spitzenwerte auf die wei
24. Einsatz sowie deren technische Bewertung und Verst ndnis von Solarzellen gebr uchlich und sinnvoll sind 2 2 2 11 Bei Kurzschlu der Solarzelle ist die Klemmenspannung Null und es flie t der Kurzschlu strom der n herungsweise recht gut dem Photostrom entspricht I Q E 2 9 Dieser Kurzschlu strom wird blicherweise bei Normaltemperatur 25 C angegeben Die Temperaturabh ngigkeit des Kurzschlu stroms kann ber den Temperaturkoeffizienten amp angegeben werden zu 1 8 1 8 1 0 8 2 10 Der Temperaturkoeffizient O liegt bei Silizium in der Regel zwischen 10 C und 10 PC Im Leerlauf flie t kein Strom und an den Klemmen liegt die Leerlaufspannung U an Zur qualitativen Beschreibung kann hier die Gleichung der vereinfachten Ersatzschaltung herangezogen werden und mit 0 nach U aufgel st werden S Ik U m Ur m 1 2 11 Aufgrund der Abh ngigkeit des Kurzschlu stroms von der Bestrahlungsst rke gilt f r die Leerlaufspannung bei diesen Vereinfachungen n herungsweise U n E 2 12 Mit der Simulation durch das Eindiodenmodell kann eine sehr gute bereinstimmung mit Me werten erreicht werden Die Differenzen liegen berwiegend im Bereich der erzielbaren Me genauigkeit Selbst mit dem vereinfachten Ersatzschaltbild sind maximale relative Abweichungen von 4 und durchschnittliche relative Abweichungen von 1 2 erreichbar 2 16 2 3 Die Komponente
25. Gasung in gewissen Zeitabst nden erforderlich sein kann da dadurch eine regelm ige Durchmischung des Elektrolyten erm glicht wird Aufgrund der Knallgasbildung ist der Batterieraum gut zu durchl ften 2 3 Die Komponenten eines PV Systems und Stand der Technik 25 Mit der Knallgasbildung ist ein Wasserverlust verkn pft der durch regelm iges Nachf llen mit destilliertem Wasser kompensiert werden mu Bei gr eren Systemen kann auch eine Elektrolytumw lzung mit einer Pumpe sinnvoll sein 2 15 Laderegler Die gebr uchlichsten Lademethoden sind in DIN 41772 genormt So kann zum Beispiel mit konstantem Strom oder mit gleichbleibender Spannung geladen werden Kombinierte Ladeverfahren lassen sich mit Hilfe sogenannter I und U Lader realisieren Bei manchen Anwendungen wird der Ladestrom auch pulsf rmig zugef hrt 2 2 F r den Einsatz in photovoltaischen Systemen und dem damit verbundenen st ndig schwankenden Leistungsangebot ist ein Verfahren vorzuziehen das den Ladevorgang in m glichst kurzer Zeit durchf hrt und eine m glichst vollst ndige Ladung erm glicht Deshalb eignet sich hier das kombinierte Verfahren nach der iu Kennlinie Dabei wird zun chst mit einer Strombegrenzung bis zum Erreichen der Ladegrenzspannung aufgeladen und die weitere Ladung erfolgt dann mit Spannungsbegrenzung d h zun chst konstanter Strom dann konstante Spannung Strombegrenzung i u Spannungsbegrenzung Abb 2 11 Ladevorgang mit I
26. Hauptenergiestr me berechnen lassen Wird Sattdampf von 6 bar mit einer spezifischen Enthalpie h 2755 2kJ kg eingedrosselt so erh lt man 6 167555 0 3155 158 84 Tabelle 7 3 Drosselung 6 bar Sattdampf Wie man feststellen kann handelt es sich bei 4 bar um berhitzten Dampf da die Temperatur von 151 17 C ber der 5 bar Sattdampftemperatur von 143 63 C liegt Energieerhaltung Sei das F llvolumen der Dampfmaschine Vr 0 145 Liter die Drehzahl der Maschine n 500 1 min und der Kondensatordruck betrage Pin 0 1 bar Drosselt man nun entsprechend der obigen Tabelle ein so kann die Enthalpie h berechnet werden und mit deren Hilfe die mechanische Leistung und Wirkungsgrad der Maschine sowie die Abdampfw rme n 6 Ja7 2402 149 Tabelle 7 4 Ergebnisse bei Drosselung von 6 bar Sattdampf M chte man zum Beispiel eine mechanische Leistung von 3 kW erhalten so ist auf 4 15 bar einzudrosseln dabei wird bei einem Wirkungsgrad von 22 eine Abw rme von 10 6 kW erzeugt Die Dampfzufuhr ergibt sich dabei zu 19 1 kg h Dabei entwickelt die Maschine ein Drehmoment von 57 3 Nm Bei einem gesamten W rmebedarf von beispielsweise 20 kW sind ber den Bypass noch zus tzlich noch 9 4 kW beizusteuern dem entsprechen etwa 13 2 kg h Zusatzdampf Das Pnech W rme Verh ltnis betr gt in diesem Fall t 0 15 bei einer Dampfmenge von insgesamt 31 1 kg h Sind die Energiestr me errechnet so m ssen diese auf nachge
27. K rpers herausl sen bewirkt der innere lichtelektrische Effekt ein energetisches Anheben der Elektronen aus dem WValenzband ins Leitungsband Dieser Effekt ist in bestimmten Festk rpern den Halbleitern zur Stromerzeugung nutzbar Dies geschieht in sogenannten Solarzellen Damit eine elektrische Spannung entsteht und dadurch ein elektrischer Strom induziert werden kann sind einige Bedingungen erforderlich der Festk rper mu Strahlung absorbieren durch die Absorption entstehen freie Ladungstr ger ein inneres elektrisches Feld im Halbleiter trennt die Ladungstr ger an der Ober und Unterseite der Zelle m ssen elektrische Kontakte zur Stromabnahme angebracht sein Eine der Grundvoraussetzungen der Solarzelle ist also das Vorhandensein eines inneren elektrischen Feldes welches durch eine Sperrschicht erzeugt wird Diese Sperrschicht sollte sich unmittelbar unterhalb der Oberfl che der Solarzelle befinden ber die Sperrschicht und dem damit verkn pften inneren elektrischen Feld werden die Ladungstr ger nach ihrer Entstehung durch die Absorption eines Photons getrennt 2 8 2 3 Die Komponenten eines PV Systems und Stand der Technik 15 n Gebiet Feldzone p Gebiet Energie Leitungsband Fermi Energie z Valenzband Abb 2 3 Energieb ndermodell des PN bergangs von Solarzellen Grenzschichten Auf eine tiefergehende Beschreibung der komplexen physikalischen Grundlagen des photovoltaische
28. Konzepte zur Kraft W rme Kopplung mit Biomasse Siebtes Symposium Biobrennstoffe und umweltfreundliche Energietechnik 11 und 12 11 98 Deggendorf P G ricke Nutzung von Umweltw rme mit Elektrow rmepumpen VDI Berichte 1019 Blockheizkraftwerke und W rmepumpen VDI Verlag D sseldorf 1993 H Darrelmann Alternative Speichermedien VDI GET Jahrbuch 97 VDI Verlag D sseldorf 1997 H H berlin Photovoltaik Strom aus Sonnenlicht f r Inselanlagen und Verbundnetz AT Verlag Aarau Schweiz 1991 H K K the Stromversorgung mit Solarzellen Franzis Verlag M nchen 1988 W Kleinkauf F Raptis Elektrifizierung mit erneuerbaren Energien Hybridanlagentechnik zur dezentralen netzkompatiblen Stromversorgung Forschungsverbund Sonnenenergie Themen 96 97 DLR K ln 154 4 11 4 12 4 13 Literaturverzeichnis R Buck D Laing W Schiel Solarthermie f r Dezentrale Stromerzeugung Forschungsverbund Sonnenenergie Themen 96 97 DLR K ln Prof Dr Ing J rgen Schmid Rationelle Energiewandlung project AREP Internetadresse http www re e technik uni kassel de re projekte AREP htm Stand 1998 Dr Hans Hartmann Energie aus Biomasse Landtechnik Bericht Heft 18 Landtechnik Weihenstephan TU M nchen 1996 Literatur zu Kapitel 5 Energieverbrauch eines Privathaushalts 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 5 6 5 7 B Geiger H He Energiewirtschaftliche Daten Energieverbrauch in der Bu
29. Schaltkombinationen alternative Wegeschaltungen sowohl f r die Versorgung entweder von WT1 oder WT2 oder von WTI1 WT 2 als auch f r eine Dampff hrung an beiden W rmetauschern vorbei Die Vorgabe der Sollwerte f r die Vorlauftemperatur und Warmwassertemperatur erfolgt durch die Steuerung Die eigentliche Regelung dieser Temperaturen erfolgt mit Hilfe einer Kaskadenregelung 7 11 ber die Kondensattemperatur Gibt der direkt mit dem Temperatur Sollwert verkn pfte innere Regler seinen Ausgang als sekund ren Sollwert auf den u eren Regler f r die Kondensatr cklauftemperatur so wird die Dampfmenge im Bypass solange ver ndert bis ein Abgleich stattgefunden hat Weitere Einzelheiten dazu werden bei der Beschreibung des Steuerungskonzepts erl utert 112 7 Hybridsystem PV Dampfmaschine mit KWK 7 6 Steuerungskonzept Der erste Schritt zur Implementierung einer Steuerung besteht in der Bestandsaufnahme aller Me aufnehmer und geplanten Regelkreise wie sie vorausschauend aufgrund vorhandener Erfahrungen und Vorversuche in dem vorgestellten Flie schema aufgef hrt sind Die dort gew hlte Leitungsf hrung die f r n tig befundenen Me aufnehmer und eingezeichneten Wirklinien nehmen bereits implizit eine Grundvorstellung von dem Verfahrensablauf vorweg F r die Definition der erforderlichen Verfahrensschritte ist dann allerdings ein detaillierteres Wissen ber das Systemverhalten und die Aufgabenstellung des Systems erforderlich
30. VDI 3985 Grunds tze f r Planung Ausf hrung und Abnahme von Kraft W rme Kopplungsanlagen mit Verbrennungsmaschinen Beuth Verlag Berlin 1997 H Wendt Wasserstoffverstromung in Brennstoffzellen Ringvorlesung Regenerative Energien TH Darmstadt VDE Darmstadt HEAG 1994 K Heinloth Energie Physikalische Grundlagen ihrer Gewinnung Umwandlung und Nutzung Teubner Stuttgart 1983 Martin Werdich Stirling Maschinen Grundlagen Technik Anwendungen kobuch Verlag Staufen bei Freiburg 1991 H D Sauer Heizkraftwerk mit Stirlingmotor Stromthemen 7 98 IZE Frankfurt R Buck D Laing W Schiel Solarthermie f r Dezentrale Stromerzeugung Forschungsverbund Sonnenenergie Themen 96 97 DLR K ln 1997 Literaturverzeichnis 153 Literatur zu Kapitel 4 Photovoltaische Hybridsysteme 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 4 8 4 9 4 10 A Zahedi Solar Photovoltaik Energy Systems Design and Use The New World Publishing Melbourne Australia 1998 Prof Dr Ing D Hackstein Skriptum zur Experimentalvorlesung Photovoltaik II Kurs 2158 FernUniversit t Hagen Prof Dr J Luther Photovoltaische Energieversorgung f r Inselnetze und industrielle Produkte VDI Berichte Nr 1236 VDI Verlag D sseldorf 1996 A Marko Integrierte Konzepte zum Einsatz der Solarenergie in der Kraftwerkstechnik Fortschritt Berichte VDI Reihe 6 Energietechnik Nr 318 VDI Verlag D sseldorf 1995 Dr Peter Lamp Neuere
31. Va V1 V2 V3 V4 VDE VDEW VDI Vr V Hub Vs w h W kW MW W W W Wh kWh J kg J Nm Photovoltaik Druckverluste W rmemenge Ladung zu bzw abgef hrte spezifische W rme Verdampfungsw rme Radius Menge der reellen Zahlen Index f r reversibel Serien bzw Parallelwiderstand Entropie Hub Index f r Schwungrad spezifische Entropie von Na dampf Standardtestbedingungen Temperatur Zeit kritische Temperatur Technische Regeln f r Dampfkessel elektrische Spannung Innere Energie Diodenspannung Leerlaufspannung Spannung im MPP Temperaturspannung Volumen spezifisches Volumen Volt Kilovolt Ventile Verband der Elektrotechnik Verband Deutscher Elektrizit tswerke Verein Deutscher Ingenieure F llvolumen Hubvolumen sch dlicher Raum spezifische Arbeit bzw Enthalpie Watt Kilowatt Megawatt Arbeit Raum nderungsarbeit technische Arbeit Wattstunden Kilowattstunden Wp kWp WT WT1 WT2 X X y X100 X200 Xn zu ab Verwendete Formelzeichen und Bezeichnungen Watt Peak Kilowatt Peak W rmetauscher z Dampfanteil Koordinate reelle Variable Verteilungskoeffizienten kJ min m normierte mechanische Leistung bei Drehzahl n Haushaltstyp Umrechnungsfaktor St rgr e Index f r zu bzw abflie end 1 1 Hintergrund 1 1 Einleitung und Zielsetzung 1 1 Hintergrund Unsere heutige Energieversorgung basiert berwiegend auf fossil
32. W rme qa h h 6 14 abgef hrte W rme 4al h h 6 15 Kreisproze arbeit w h h 6 16 Damit kann der Wirkungsgrad wie folgt bestimmt werden ee 6 17 1 Dampfkessel mit berhitzer 2 Dampf maschine turbine 3 Kondensator 4 Speisewasserbeh lter 5 Druckerh hungspumpe Abb 6 3 Dampfkraftproze Bei diesem Proze durchl uft das Wasser verschiedene thermodynamische Zustandsbereiche Diese sind hei es Wasser Druck Hei wasser Na dampf Sattdampf und Hei dampf 6 5 Diese Zust nde sollen im folgenden erkl rt werden Thermodynamische Gr en die sich auf siedendes Wasser beziehen sind mit dem Zeiger gekennzeichnet und f r Sattdampf wird der Zeiger benutzt Zun chst wird das Wasser nin bzw T in mit einer Druckerh hungspumpe auf das Druckniveau des Dampfkessels gebracht Bei diesem Druck wird das Wasser zum Sieden gebracht mit der Energiezufuhr n amp h Onan C pnl o zO C mittlere W rmekapazit t 6 18 6 2 Dampfkraftproze 73 Die Siedetemperatur ist dabei eine Funktion des Drucks Den Zusammenhang zwischen Dampfdruck und Temperatur gibt die Clausius Clapeyron Gleichung wieder 6 3 dp r n 5 Pa mit r h h Verdampfungsw rme und v v spez Volumenzunahme 6 19 Durch weitere W rmezufuhr setzt Verdampfung ein und es entsteht ein Wasser Dampf Gemisch Na dampf dessen Wasseranteil mit x 0 1 angeg
33. Zusammensetzung der Strahlung 2 1 Sonneneinstrahlung auf der Erdoberfl che 13 F r die Bewertung von Photovoltaikanlagen hat man sich auf einen Standard bez glich AMI 5 global geeinigt 2 2 Die Bezeichnung global kennzeichnet die Summe aus direkter und indirekter Strahlung Die mittlere Jahressumme der Globalstrahlung betr gt in Deutschland n herungsweise 1 000 kWh m a Auf die gesamte Fl che bezogen entspricht dies in der Summe etwa dem Hundertfachen des heutigen Prim renergiebedarfs von Deutschland ei a a Ar a 60 en a FIN III SINN SINN 45 90 135 180 225 315 Sonnenh he in Abh ngigkeit vom Sonnenazimut Abb 2 2 Sonnenstandsdiagramm Hagen 51 5 Nord 7 5 Ost SUNDI 1 2 Die St rke von diffuser und direkter Strahlung sowie globaler Strahlung ndern sich im sowohl im Tages als auch im Jahresverlauf Momentane Schwankungen ergeben sich dann zus tzlich noch aufgrund der stochastisch gegebenen Wetterbedingungen Somit ergibt sich die augenblickliche lokale Sonneneinstrahlung aus der ber lagerung des einerseits physikalisch deterministisch 2 4 vorgegebenen Sonnenstands und den andererseits chaotischen meteorologischen Gegebenheiten 2 5 nasaan aaaea m d direkt 0 17 0 40 1 03 142 213 2 58 220 205 138 losa 02 0 10 120 044 207 161 Tabelle 2 1 mittlere t gl direkte diffuse und globale Strahlung 1966 75 Berlin 2 6 14 2 Photovoltaik
34. a Der Faktor PR erreicht bei sehr guten Anlagen einen Wert von 0 8 oder mehr und bei schlechten Anlagen sind auch Werte unter 0 6 m glich 2 11 2 4 Einsatzweise von Photovoltaikanlagen 29 2 4 Einsatzweise von Photovoltaikanlagen F r den Wohnbereich Firmengeb ude oder ffentliche Einrichtungen werden heutzutage meist netzgekoppelte Photovoltaikanlagen im Leistungsbereich von 0 75 kWp bis 5 KWp betrieben F r den Autonombetrieb findet man derzeit Inselsysteme von 10 Wp bis 4 kWp im Einsatz Der Aufbau des Modulfeldes kann dabei auf vielf ltige Art und Weise erfolgen Eine Integration in Geb ude kann durch eine Dach oder Fassadenmontage erfolgen Besteht diese M glichkeit nicht so ist der Aufbau auf Freifl chen oder Tragmasten eine Alternative Daraus ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an die Montagetechnik Zu ber cksichtigen sind hierbei insbesondere die statischen Verh ltnisse die Windlast und m gliche Abschattungen 2 16 In Mitteleuropa ist eine Neigung des PV Generators von etwa 30 bei S dausrichtung optimal im Hinblick auf einen maximalen Jahresenergieertrag Bei Abweichungen bis 50 nach Ost oder West beziehungsweise bis 20 Neigung ergeben sich Energieverluste von unter 5 Dies verdeutlicht ein unkritisches Verhalten bez glich der Ausrichtung Legt man allerdings besonderen Wert auf einen bestimmten Energieertrag im Winter wie es f r autonome Systeme der Fall sein kann so ist ein Neigungswinkel vo
35. derzeitigen Stand der Technik der Stromverbraucher privater Haushalte stellt die Inselanlage im Hinblick auf die erforderlichen Komponenten eine Obermenge zur netzgekoppelten Variante dar Somit ist die Netzanbindung im Prinzip eine Systemvereinfachung Deshalb sollen im folgenden die Komponenten eines Inselsystems beschrieben werden 2 3 Die Komponenten eines PV Systems und Stand der Technik 23 Die hierf r erforderlichen Komponenten sind im wesentlichen der aus den Solarmodulen zusammengesetzte Solargenerator ein Laderegler m glicherweise Gleichspannungswandler MPP Tracker ein Akkumulator und ein Wechselrichter Die wesentlichen Eigenschaften dieser Systemkomponenten 2 10 werden im folgenden kurz beschrieben _Solargenerator Ein Solargenerator ist eine Zusammenschaltung von Solarmodulen Dabei werden die Module in Reihe zu einem Strang geschaltet um die gew nschte Gleichspannung zu erreichen Je nach gew nschter Leistung k nnen mehrere dieser Str nge parallel geschaltet werden Im Prinzip gilt f r den Solargenerator das gleiche wie bei der Verschaltung von Solarzellen zu einem Modul e m Modul M V M verschaltet mit l Bypassdioden BAT MET een l ee Abb 2 10 Solargenerator Akkumulator Begriffe und Bestimmungen f r den Umgang mit Akkumulatoren elektrochemis
36. im W rmekreislauf Diese abgesch tzten Proportionalbereiche stellen entsprechende Anforderungen an das einzusetzende Regelventil wobei hier auf den dazugeh rigen Volumenstrom umzurechnen ist Diese Absch tzung soll ein Gef hl f r die gegenseitigen Empfindlichkeiten vermitteln Eine Temperaturerh hung im Kondensator erh ht gleichzeitig den Kondensatordruck der einen starken Einflu auf den Wirkungsgrad hat Somit kommt es zu einer iterativen R ckkopplungskette Aber die Unsicherheiten dieser Absch tzung werden umso kleiner je geringer die Schwankungen gehalten werden Aus diesem Grund scheint es von Vorteil zu sein das System ber die Kondensatr cklauf Temperatur zu Kontrollieren und diese in gewissen Grenzen zu regeln Dieser Temperatur kommt sozusagen sowohl thermodynamisch als auch verfahrenstechnisch eine Schl sselrolle zu weshalb der Hauptregelkreis f r die konzipierte W rmebedarfs Regelung sich auf diese F hrungsgr e st tzt W rme tauscher Regel Ventil Ei a ia ii la i G e de D ai aaob aa pi a aa e En HE ee Strecke Temperatur messung Abb 7 13 Strukturbild der Kondensat Temperaturregelung Im Versuchsaufbau erfolgen die Temperaturmessungen ber PT100 Module die ein entsprechendes 4 20 mA Signal zur Verf gung stellen 7 12 Dieser Istwert x wird mit dem Sollwert w verglichen und der Differenz e eine Stellgr e y als Ausgang zugeordnet 110 7 Hybridsystem PV Dampfmasch
37. konzipiert ist Dieser Speicher ist mit einem Kaltwasserzulauf und einem Hei wasserabflu versehen Selbverst ndlich sind die Kreisl ufe mit F ll und Entleer Stutzen versehen Das in den W rmetauschern auf der Dampfseite anfallende Kondensat wird mit Hilfe einer 1 2 Leitung und ber eine wahlweise einschaltbare Kondensat Pumpe der Speisewasser Vorw rmung zugef hrt Hierbei wurde die gleiche Pumpe eingesetzt wie f r den Warmwasserkreislauf Damit l t sich der Gegendruck der Dampfmaschine beeinflussen und verhindern da die Dampfmaschine mit Hilfe des Abdampfes die Leitungswiderst nde und H hendifferenzen berwinden mu was zu Lasten des Wirkungsgrades geht Der Einbau dieser Pumpe erfolgte an einer tiefer gelegenen Stelle so da sie nicht trocken laufen kann was zur Zerst rung der Stopfbuchsen f hren w rde Die W rmetauscher Warmwasserrohre und insbesondere die Dampfleitungen sind mit W rmeisolierungen umh llt Wichtig ist dabei auch der sich daraus ergebende Ber hrungsschutz gegen hei e Leitungen Beide Dampfmaschinen treiben ber Riemen sowie Keilriemen Asynchron generatoren an Die selbstanlaufende Twin Victoria treibt mit einem bersetzungsverh ltnis von 1 8 1 einen 3 Phasen Generator mit Permanentmagnet Rotor an Die Nennleistung dieses Generators betr gt 160 Watt F r die Tandemmaschine besteht die Notwendigkeit einer Anlaufhilfe die nach M glichkeit automatisch erfolgen sollte Hierf r wurde auf e
38. like e EE uspejab pira anaye g ynej auyosewjdwe g smeg ayane gia A ayas nyaya N ETTEN er 0 oooz ooo Jaya s 2s422M anayeg A DESL sayyauyaae JoelausE 476g b Ah PeZL r Er 28L N 89F Ioelausblejog SHE EIER FATA DIEBE FESE FERE ASSE JESE SEEE O ZEEE ABER FEAE 1a5aiape7 EDER FESS ESRS 2 yaujasys3 A pesun A a c Hemeng yen wer L R Miwa Sl z yasay pei5s5unyu y Nemsny yye c JASSEMUJIE AA Fs Ain Ye A WAYO 00L Pe ER Marz 002 BunziaH 4 nooe f7 4 By g Am Doch r pz Age 0000 2 18 fu 02L auyssewjdweg UN GEE 0 yleyoAoyoyg pun Bunjddoysunemyery 005 WS S SPUG H UO EMNWIS 000L Abb 7 20 Gesamtbild der Simulation 126 7 Hybridsystem PV Dampfmaschine mit KWK Zur Eingabe m glicher Wirkungsgrade f r die Batterie mu die Stromf hrungsbilanz n her betrachtet werden Da nicht s mtliche elektrische Energie durch die Batterie hindurchflie t ist nicht der direkte Batteriewirkungsgrad anzusetzen Die Verbraucher k nnen sowohl ber die Batterie als auch direkt von der PV Anlage oder dem Generator mit wechselndem Anteil mit Strom beliefert werden entsprechend den momentanen Bedingungen Dieser Sachverhalt wird dargestellt mit Hilfe eines Bruchteils y ber die Batterie und eines Teils x direkt mit x y 100 Damit kann ein neuer effektiver Wirkungsgrad ermittelt werden PV Anlage elektrische Generator Verbraucher
39. nderung bestimmt die es auszugleichen gilt Mit dem Energiesatz kann f r die geforderte Laufruhe dann das hierf r notwendige Tr gheitsmoment bestimmt werden Als Ma f r die Gr e der Abweichung der Extremwerte der Geschwindigkeit wird der Ungleichf rmigkeitsgrad definiert Omax Ei nin Omax E Omin Dee wo Hs Mittelwert 6 39 2 m Damit l t sich das erforderliche Schwungrad berechnen 6 16 Da das Schwungrad die bersch ssige Energie abwechselnd abgeben sowie aufnehmen soll gilt J E E 7 e 0 0 8 gt Vs s m Tr gheitsmoment 6 40 Zus tzlich zur Vergleichm igung der Rotationsbewegung ist der Einflu der ungleich verteilten Massen des Triebwerks zu beachten Aufgrund der Bewegung aller Massenteile der Maschine kommt es zu einer st ndigen Schwerpunktsverschiebung der Maschine Dieser Umstand erzeugt Ersch tterungen die auf das Fundament und die Befestigung bertragen werden Soll dies vermieden werden so mu man f r einen Massenausgleich sorgen bei dem der Massenschwerpunkt in Ruhe bleibt Dies erfolgt vorteilhafterweise direkt bei der Auslegung und Konstruktion des Triebwerks Da dies insbesondere f r Einzylinder Maschinen nur ann hernd erreichbar ist ist f r eine entsprechend federnde Verankerung der Maschine zu sorgen Abschlie end ist noch festzustellen da eine Dampfmaschine mit nur einem Kolben einen selbst ndigen Anlauf nicht garantieren kann da hier bei Stillstand ein
40. rmema dar und ist damit eine mengenartige Gr e wie die Energie Mengenartige Gr en beziehen sich auf einen Raumbereich und sind damit extensive Gr en Normiert man hingegen auf diesen Raumbereich so ergibt sich eine zugeh rige intensive Gr e Die au erordentliche Bedeutung dieser Begriffe wird durch die folgende Formulierung der Haupts tze der Thermodynamik deutlich Erster Hauptsatz Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden Zweiter Hauptsatz Entropie kann zwar erzeugt aber nicht vernichtet werden Im Gegensatz zur Energie verf gt die Entropie ber ein Bezugsniveau das durch einen weiteren Hauptsatz festgelegt wird Dritter Hauptsatz T 0 genau dann wenn S gt 0 Die abstrakte Struktur der mathematischen Formulierung der physikalischen Gesetze ergibt sich aus der Existenz zahlreicher Analogien in den verschiedensten Abl ufen der Natur 68 6 Kraft W rme Kopplung mit Dampfmaschine Durch diese bergeordnete Systematisierung ist es m glich sich die Bedeutung einer speziellen Gr e leichter zug nglich zu machen Die folgende Tabelle 6 1 zeigt die wesentlichen Zuordnungen 6 1 Extensive Intensive Gr e Stromst rke Leistung Gr e Impuls Geschwindigkeit y Elektrizit ts elektrische elektrisches elektrische P U lehre Ladung Q Potential Stromst rke I Thermodynamik Entropie S Temperatur T Entropie P T I stromst rke Z Tabelle 6 1 Zuordnung physika
41. rmeverluste ber die Zylinderwandungen Bei dem Betrieb mit berhitztem Dampf ist aufgrund der im Vergleich zum Sattdampf schlechteren W rmeleitf higkeit die W rmeabgabe an die Zylinderwand geringer Dies gilt nat rlich auch f r die Zuleitungen Wollte man hingegen eine teilweise Kondensation w hrend der F llung verhindern so mu te durch die berhitzung eine mittlere Wandtemperatur erreicht werden die h her als die S ttigungstemperatur des Frischdampfes lag Hierzu war eine verh ltnism ig hohe berhitzung erforderlich Es wurden auch Zylindermantelheizungen mit Dampf realisiert 6 11 Weiterhin wurde nach den verschiedenen M glichkeiten zur mechanischen Steuerung des Dampf Ein und Auslasses unterschieden die mit dem Auftreten des sogenannten sch dlichen Raumes verkn pft sind Dieser wird in Prozent vom Hubvolumen angegeben und stellt Dampff llungen dar die nicht direkt zur Arbeiterzeugung beitragen Die Gr e der sch dlichen R ume betrugen etwa 5 bis 10 des Kolbenhubvolumens Au erdem traten h ufig nicht zu vernachl ssigende Dampfleckagen bei diesen Steuerungen auf Eine wesentliche Kennziffer zur Charakterisierung von Dampfmaschinen ist das Verh ltnis von Kolbenhub zum Kolbendurchmesser s D So kann man grob kurzh bige und langh bige Maschinen unterscheiden je nachdem ob das Verh ltnis kleiner oder gr er als eins ist Eng damit verkn pft ist auch die Drehzahl n 1 min Liefen die Watt schen Maschinen noch mi
42. rmige Brennstoffe Hz Biogas Kl rgas u Je nach Lastdynamik k nnen auch Kombinationen von Speichern eingesetzt werden so zum Beispiel Massenspeicher 4 7 f r kurzzeitige Spitzenanforderungen mit einem Akkumulator f r die Grundlast Besteht die M glichkeit einer zus tzlichen Netzanbindung so Kann zumindest auf den Speicher f r elektrische Energie verzichtet werden Die M glichkeit ins Netz einzuspeisen setzt allerdings voraus da eine ausreichende Netzkapazit t zur Verf gung steht 4 8 Mit dieser Problematik wird man sich mit fortschreitendem Einsatz dezentraler regenerativer Anlagen in zunehmendem Ma e besch ftigen m ssen Damit verkn pft sind die Netz und Kraftwerksregelstrategien worauf im Abschnitt 4 4 etwas ausf hrlicher eingegangen wird Nicht minder wichtig als die bisher aufgef hrten Komponenten ist die Betriebssteuerung Von ihr h ngt wesentlich das effektive Zusammenspiel aller Systembestandteile ab Da die Energiespeicher die Nahtstelle zwischen Erzeuger und Verbraucher darstellen ist das Energiespeichermanagement eine Schl sselfunktion der Betriebsf hrung So h ngt die Lebensdauer von Akkumulatoren sehr stark von einer gut abgestimmten Laderegelung ab 4 9 Die Betriebssteuerung beinhaltet ebenfalls die Erfassung und Anzeige der Betriebszust nde und der Energieflu bilanzen sowie die Funktions berwachung mit Fehlermeldungen Ebenso wichtig ist die Bereitstellung von Eingriffsm glichkeiten f r den
43. sind Parallelschaltungen f r einzelne Solarzellen bedingt durch die damit ebenfalls verbundenen hohen Str me und Leitungsverluste f r die meisten technischen Anwendungen nicht sinnvoll Sinnvoll ist es h ufig in Solargeneratoren einige Reihenschaltungen von Solarmodulen parallel zu schalten Auch hier sind die Reihen in der Regel mit Bypassdioden versehen Die Modulreihen selbst k nnen auch durch in Reihe geschaltete Strangdioden gesch tzt werden Nachteilig dabei sind allerdings die dabei auftretenden Verluste bei relativ geringem Schutzeffekt weshalb h ufig darauf verzichtet wird Der von Herstellern angegebene Wirkungsgrad von Solarmodulen ist niedriger als der Zellenwirkungsgrad da bei einem Modul ein zus tzlicher Fl chenbedarf zwischen den Zellen und f r den Rand besteht der inaktiv ist Daraus ergibt sich ein Modulwirkungsgrad der um etwa 1 2 Punkte niedriger liegt als bei den Zellen Amorphe Polykristalline Monokristalline SI D nnschichtzelle SI Solarzelle SI Solarzelle 8 11 5 10 13 5 Abb 2 2 Modulwirkungsgrade Stand 1998 Um die Solarmodule nun als Lieferanten elektrischer Energie zu nutzen mu eine Last damit betrieben werden Dies geschieht meist in der Art da viele Solarmodule zu einem sogenannten Solargenerator zusammengeschaltet werden Hierbei ergibt sich durch die Anzahl der in Reihe geschalteten Module je Strang die Ausgangsspannung die zur Speisung der angeschlossenen Last dient Die entnehmb
44. sowohl Hybridsysteme deren Dieselaggregat nur eine Photovoltaikanlage unterst tzt als auch Systeme mit zus tzliche Erg nzung durch eine Windkraftanlage Mit einer Windkraftanlage bietet sich eine sinnvolle M glichkeit die Verf gbarkeit des Inselsystems zu erh hen da das Angebot von Windenergie und die solare Energieeinstrahlung sich h ufig komplement r zueinander verhalten Au erdem erh ht sich damit der Gesamtanteil an regenerativer Stromerzeugung 4 2 4 3 Regenerative Hybridsysteme Vor dem Hintergrund der Klima und Ressourcen Problematik stellt sich nun die Frage welche M glichkeiten es gibt photovoltaische Hybridsysteme aufzubauen die sowohl ausreichende Verf gbarkeit versprechen als auch mit rein regenerativen Prim renergietr gern auskommen Ohne den Anspruch auf Vollst ndigkeit stellen zu K nnen seien hier einige der prinzipiell denkbaren Komponenten eines Hybridsystems aufgezeigt Unter Ber cksichtigung m glicher W rmeverbraucher wird das folgende gemeinsame Aufbauprinzip f r ein PV Hybridsystem zugrundegelegt Erzeuger Speicher Verbraucher elektr Strom elektrischer Strom therm W rmestrom Energie nern Stoff Strom Steuerleitung Abb 4 1 Aufbauprinzip photovoltaischer Hybridsysteme 4 3 Regenerative Hybridsysteme 45 Bei den Zusatzerzeugern wird hier zwischen stochastischen und steuerbaren unterschieden Ein stochastischer Erzeuger sei hier definiert als ein Erzeu
45. um berm ig lange Leitungsf hrungen zu vermeiden Bei diesen dezentralen Einheiten handelt es sich um sogenannte Blockheizkraftwerke BHKW oder Heizkraftanlagen HKA Blockheizkraftwerke werden vorwiegend mit Otto oder Dieselmotoren betrieben 36 3 Kraft W rme Kopplung Dezentrales BHKW 31 Strom 56 Nahw rme Abb 3 3 Dezentrales BHKW Prim renergie In der Regel sind BHKW modular aufgebaut und werden stromgef hrt betrieben Aufgrund der W rmetransport Verluste treten hierbei aber immer noch Einbu en in der Effektivit t der W rmenutzung auf Vorteilhafter sind in dieser Hinsicht kleine kompakte Heizkraft Anlagen HKA welche direkt in einer Vielzahl von H usern eingesetzt und von Handwerksbetrieben installiert werden k nnen In diesem Fall entf llt der Aufbau eines separaten W rmeverteilsystems KWK Anlagen sind in einem Leistungsbereich von einigen KW bis zu einigen hundert MW elektrischer Grundleistung verf gbar wobei der Haupteinsatzbereich bisher zwischen etwa 100 kW und 30 MW elektrischer Leistung liegt Seit der Einf hrung der BHKW Technik in den 70er Jahren ist die Anzahl der installierten Anlagen stetig gestiegen So waren im Jahr 1996 rund 2200 Anlagen mit einer Gesamtleistung von 1260 MW in Betrieb Davon waren etwa 23 der Anlagen mit insgesamt 200 MW in der Hand von Kommunen Privaten oder Betreibergesellschaften 3 7 Neuere Entwicklungen besch ftigen sich mit dem Einsatz von H
46. und gek hlt wird 3 13 Dieser Motor ist hier aufgef hrt weil er prinzipiell eine Alternativm glichkeit zum Einsatz einer Dampfmaschine darstellt da er ebenso wie die Dampfmaschine einen Kolbenmotor mit externer Verbrennung darstellt Im Gegensatz zur Dampfmaschine hat dieser Motor jedoch nie eine gr ere Verbreitung erfahren Die Gr nde daf r sind sicher vielschichtig insbesondere zeichnet sich das Prinzip der Dampfmaschine durch eine einfachere Bauweise aus Der reale Wirkungsgrad des Stirlingmotors liegt n her am Carnot schen als es bei der Dampfmaschine der Fall ist da der ideale Wirkungsgrad des Stirlingprozesses dem Carnot schen entspricht 3 12 Ebenso wie bei der Dampfmaschine ist der Wirkungsgrad dieser Maschine ber einen gro en Lastbereich nahezu unabh ngig von der Leistungsabgabe 3 4 KWK Aggregate 41 Die M glichkeit Biomasse als Brennstoff einzusetzen hat jedoch zu neuen Entwicklungen von Stirling Motoren gef hrt welche auch schon in Heizkraft werken eingesetzt werden sollen 3 14 Der Stirlingmotor hat bereits Eingang gefunden in der Solartechnik in den sogenannten Dish Stirling Systemen Dort wird die direkte Sonneneinstrahlung fokussiert um ber W rmetauscher hohe Temperaturen f r das Arbeitsgas zu erzielen 3 15 In diesen Motoren findet Helium oder Wasserstoff als Arbeitsgas Verwendung bei Temperaturen von 600 bis 800 C F r eine tiefergehende Beschreibung des Stirlingmotors und seiner M glichkeiten
47. verf gbaren Brennstoffe abgestimmt sein Insbesondere der Einsatz von Biomasse jeglicher Form ist vorzugsweise zu erm glichen Dabei stellen die festen Biomassen 7 1 einen hohen Anteil des verf gbaren Potentials Es ist auch denkbar da sich mehrere nahe beieinander liegende Haushalte einen gemeinsamen Dampferzeuger teilen und ber Stichleitungen mit Dampf versorgt werden Die Energieumwandlung kann dann jeder in Abstimmung mit der PV Anlage nach seinen eigenen Bed rfnissen regeln Der individuelle Leistungsbezug kann ber den Kondensatr cklauf ermittelt werden um eine gerechte Lastenverteilung zu erm glichen Nat rlich ist auch ein gemeinsames Gesamt Hybridsystem gr erer Leistung eine m gliche Variante Hier sind etliche Modelle vorstellbar Selbstverst ndlich sind bei der Konstruktion und Auswahl des Brenners die gesetzlich vorgeschriebenen Emissionsgrenzwerte einzuhalten Das dem Dampferzeuger zugef hrte Wasser ist den Herstellerangaben folgend bis zu einem bestimmten Grad zu enth rten und aufzubereiten 7 2 um eine Verkalkung und Korrosionen zu vermeiden Hierf r gibt es auf dem Markt eine gro e Auswahl an Ger ten auch f r kleine Wassermengen Da fortgesetztes Verdampfen und auftretende Wasserverluste trotzt vorheriger Aufbereitung zu einer Aufkonzentration der verbliebenen Ionen f hrt ist der Kesselsumpf in regelm igen Abst nden automatisch zu entschl mmen Es ist sinnvoll einen W rmetauscher zur Speisewasserv
48. von 10 123 KWh und ein W rmebedarf von 172 kWh 66 5 Energieverbrauch eines Privathaushalts Typischer Wintertag 0 10 0 08 0 06 0 04 0 02 00 00 06 00 12 00 18 00 24 00 Abb 5 8 Strom W rme Verh ltnis eines Haushalts im Winter Zur Auslegung des Hybridsystems sind diese Strom W rme Verh ltnisse mit der Einstellbarkeit des elektrischen Wirkungsgrades der Kraft W rme Kopplung in Einklang zu bringen Au erdem ist dem zeitlichen Verlauf des Strom und W rmebedarfs eine repr sentative Ausbeute Funktion der Photovoltaikanlage gegen berzustellen Diese Zusammenh nge werden im Rahmen der Dimensionierung des Hybridsystems eingehend dargestellt Vorab sind jedoch noch die physikalischen Eigenschaften des Dampfmaschinen Prozesses aufzuzeigen sowie das Aufbauprinzip des Gesamtsystems mit seinen funktionalen Zusammenh ngen zu kl ren Die W rmeschutzverordnung vom 1 1 1995 mit Zustimmung der EU schreibt einen W rmeverbrauch abh ngig vom Verh ltnis der u eren Hausoberfl che zum umbauten Raum vor F r gro e Familienh user ergibt sich danach maximal ein Wert von 54 kWh m2a und f r Ein und Zweifamilienh user maximal 100 kWh m a Wird ein niedrigerer Wert erreicht so handelt es sich um Niedrigenergiehaus 5 6 Au erdem haben die Nutzer eines Geb udes einen entscheidenden Einflu auf die Energieverbr uche Felduntersuchungen haben zum Beispiel gezeigt da auch in baugleichen und vergleichbar ausgestatteten
49. wert betr gt 18 KW Diese Apparatur besteht im wesentlichen aus einem 70 Liter gro en Speisewasser Voratsbeh lter einer Druckerh hungspumpe einem integrierten W rmetauscher zur Vorw rmung dem isolierten Erhitzer zur Dampferzeugung mit 8 Liter Volumen und einer Regelung mittels Druckschalter Die Funktionsweise dieses Dampferzeugers ist in etwa mit der eines Durchlauferhitzers vergleichbar Mit R cksicht auf die Dichtungen der Druckerh hungspumpe sollte die Gleichgewichts Temperatur des Speisewassers 70 C nicht berschreiten 7 6 Da der Speisewasserbeh lter ein offenes Gef darstellt arbeitet das Gesamtsystem gegen den Atmosph rendruck Der Einlauf des Kondensatr cklaufs befindet sich ber dem Wasserspiegel dieses Beh lters F r den Fall da der Dampfzustand bis dorthin vordringen sollte wurde ein Im langes 3 4 Kupferrohr als K hlturm senkrecht auf dem Beh lter angebracht um den Dampf zu kondensieren Dampfeinlab gt e Hochdruck Zylinder D 80 mm SESSERERSEEEN Abdampf Niederdruck Zylinder D2 160 mm Gesamth he Hub seism 1300 mm Schwungrad 500 mm Kurbeltrieb Fundament Sockel 1000 mm x 800 mm Abb 7 3 Stehende Tandem Dampfmaschine des Versuchsaufbaus 7 3 Versuchsaufbau 93 Die Dampferzeugung mit Strom ist hier die einfachste und sicherste L sung f r einen Laborbetrieb zumal die aufgebrachte Leistung me technisch gut erfa bar ist Die Auswahl bzw Entwicklung eine
50. zu vermeiden 6 11 Die Umsetzung der Dampfenergie in mechanische Arbeit an der Welle der Kolbendampfmaschine erfolgt durch polytrope oder unter idealen Bedingungen adiabate Expansion Die adiabate Expansion entsprechend des idealen Clausius Rankine Prozesses ist ein isentroper also reversibler Prozess Beim realen Proze bewirken Reibungsprozesse und thermische Verluste eine Erh hung der Entropie Diesem Umstand tr gt man durch die begriffliche Unterscheidung von indizierter und effektiver Leistung Rechnung deren Verh ltnis den G tegrad darstellt Mit indizierter Leistung bezeichnet man Arbeitsleistung des Dampfes wohingegen die effektive Leistung an der Antriebswelle der Maschine zur Kupplung zur Verf gung steht Dieser sich daraus ergebende G tegrad ist relativ unabh ngig von der Maschinenauslastung Die indizierte Leistung P l t sich bei n Umdrehungen pro Minute mit je zwei F llungen wie folgt absch tzen 6 10 T D n P 2 4 Pe So mit p mittlerer Druck 6 31 Der mittlere Druck kann mit Hilfe des Indikatordiagramms ermittelt werden oder man sch tzt diesen Wert ab indem man die Expansion n herungsweise als Hyperbelfunktion ideales Gas ansetzt und die F llung sowie die Entleerung als isobare Vorg nge betrachtet Diese Wahl erm glicht eine N herungsformel die ausschlie lich mit normierten Maschinenparametern auskommt und somit als Masterfunktion dienen kann Schlie t man das sch dliche Volumen mit ein
51. 0 12 14 16 18 20 22 Abb 2 8 U I Kennlinien bei Serienschaltung mit 36 gleichen Zellen Bei der Reihenschaltung erh lt man dementsprechend f r den Strom und die Spannung die folgenden Beziehungen I 1 1 L 1 wmd U 9 U bzw U n U 2 17 i 1 falls alle Zellen identisch sind Die Strom Spannungs Kennlinie der Reihenschaltung l t sich demnach wie oben dargestellt f r die Reihenschaltung von Solarzellen relativ einfach zusammensetzen insbesondere bei identischen Zellen 2 3 Die Komponenten eines PV Systems und Stand der Technik 21 Bypassdioden parallel zu einer Solarzellenreihe Abb 2 8 sch tzen vor der thermischen Zerst rung oder vor sogenannten Hotspots dies sind kleine hei e Bereiche in denen das Zellmaterial oder die Zelleinkapselung wegschmelzen kann Ursache hierf r sind Abschattungen auf einem Modul die ohne Bypass aufgrund der Serienschaltung der Zellen zu einer negativen Spannung an einzelnen Solarzellen f hren und damit Verlustleistung erzeugen w rden In diesem Fall bernimmt dann die Diode den Stromflu Aus wirtschaftlichen Gr nden werden allerdings nur Bypassdioden ber Str nge von 18 bis 24 Zellen geschaltet so da kein hundertprozentiger Schutz gegeben ist Die Diode schaltet bei einer kleinen negativ anliegenden Spannung von etwa 0 7V durch je nach Diodentyp In diesem Fall f llt die Energieproduktion der gesamten berbr ckten Gruppe aus Aufgrund der niedrigen Betriebsspannung einer Solarzelle
52. 1996 8 3 H H berlin Photovoltaik Strom aus Sonnenlicht f r Inselanlagen und Verbundnetz AT Verlag Aarau Schweiz 1991 Literatur zu Kapitel 9 Zusammenfassung und Ausblick 9 1 Dr Hans Hartmann Energie aus Biomasse Landtechnik Bericht Heft 18 Landtechnik Weihenstephan TU M nchen 1996 Lebenslauf Lebenslauf Pers nliche Daten 159 Name Klaus Brinkmann Geburtsdatum 16 Dezember 1957 Geburtsort Rheinkamp Moers Familienstand verheiratet vier Kinder Ausbildungsdaten 1964 1969 Grundschule in Homberg Duisburg 1969 1975 Geschwister Scholl Realschule in Moers 1975 1978 K the Kollwitz Gymnasium in Ruhrort Duisburg Oktober 1979 September 1987 April 1982 Oktober 1984 September 1987 Berufliche T tigkeit Juli 1978 September 1979 April 1984 September 1987 Dezember 1987 Juni 1988 Juli 1988 Juni 1996 seit Juli 1996 Universit t D sseldorf Studienf cher Physik und Chemie Diplom Vorpr fung Chemie Diplom Vorpr fung Physik Diplompr fung Physik Grundwehrdienst bei der Marine studentische Hilfskraft Physik Gewerbereferendar in D sseldorf Entwicklungsingenieur und Projektleiter bei Unternehmen der Kl ckner Werke AG wissenschaftlicher Mitarbeiter im Lehrgebiet Elektrische Energietechnik an der FernUniversit t Hagen
53. Bedarfsarten aufschl sseln mit dem folgenden Ergebnis Proze w rme Mechanische Raumheiz Information amp Beleuchtung Energie w rme Kommunikation 76 6 Tabelle 5 10 Endenergieverbrauch eines privaten Haushalts Der Anteil Proze w rme kann weiter unterteilt werden in etwa 12 Warmwasser und 3 sonstige W rme Somit werden fast 92 der Energie f r die W rmeerzeugung eingesetzt 60 5 Energieverbrauch eines Privathaushalts Daraus ergibt sich im Mittel f r Haushalte ein Energie Verh ltnis von Strom zu W rme von nahezu eins zu zehn Es gilt also f r private Haushalte im Jahresmittel Stromverbrauch 1 o 5 5 Mittel T qay me W rmeverbrauch 10 V llig analog wie bei der Erfassung der Stromverbauch Ganglinien ist der W rmeverbrauch zu analysieren Dabei existiert allerdings zus tzlich das Problem da sich der Verbrauch hier auf zwei Bereiche verteilt Dies ist zum einen der Warmwasserbedarf und zum anderen die Raumheizung Die Versorgung beider Verbraucher erfolgt in der Regel durch den gleichen Kessel und kann somit nicht ohne weiteres separat erfa t werden Der Warmwasserbedarf l t sich nach VDI82 f r Wohnungen mit Hilfe der folgenden Werte absch tzen 5 5 Warmwasserbedarf spezifische Nutzw rme in Liter Tag und Person in Wh Tag und Person OwO dm 45 C niedriger Bedarf 10 bis 20 15 bis 30 600 bis 1200 mittlerer Bedarf 20 bis 40 30 bis 60 1200 bis 2400 hoher Bedarf 40 bis 60
54. Dabei werden elektrische Gesamtwirkungsgrade von 16 erreicht 9 1 Dies zeigt auch da die berlegung das Hybridsystem auf die Verfeuerung von fester Biomasse abzustimmen sich auf bereits eingeschlagene Wege st tzt Auch aus diesem Grunde ist die M glichkeit des Einsatzes eines derartigen photovoltaischen Hybridsystems in Zukunft durchaus aussichtsreich Anhang 143 Anhang A Liste der Ver ffentlichungen zu dieser Arbeit 1 PV Generator linked to a Piston Type Steam Engine with Combined Heat and Power as a Hybridsystem for a completely self sufficient Energy Supply K Brinkmann amp D Hackstein 2nd World Conference and Exhibition on Photovoltaic Solar Energy Conversion Vienna Austria 6 10 July 1998 2 Physical Analysis of a Hybridsystem consisting of a PV Generator linked to a Piston Type Steam Engine with Combined Heat and Power for a completely self sufficient Energy Supply K Brinkmann amp D Hackstein 11 Internationales Sonnenforum 1998 26 30 Juli 98 K ln 3 Kombinierte Nutzung von Biomasse und Sonnenenergie zum Betrieb eines Hybridsystems bestehend aus Kraftw rmekopplung mit Dampfmaschine und Photovoltaikanlage K Brinkmann amp D Hackstein Siebtes Symposium Biobrennstoffe und umweltfreundliche Energietechnik 11 und 12 11 98 Deggendorf 4 Simulation eines Hybridsystems bestehend aus Kraftw rmekopplung mit Dampfmaschine und Photovoltaikanlage K Brinkmann R Taubner amp D Hackstein 14 S
55. Geb uden der Heizw rmeverbrauch um den Faktor zwei schwanken kann 5 10 Daraus ergibt sich die Notwendigkeit die hier erarbeiteten Auslegungsgrundlagen individuell anzupassen Diese Perspektiven werden abschlie end mit dem Auslegungsspielraum des Hybridsystems verglichen um zu zeigen in welchen Grenzen das System noch sinnvoll eingesetzt werden kann Mit R cksicht auf den entscheidenden Parameter Strom W rme Verh ltnis ist dabei ebenfalls das Einsparungspotential des Stromverbrauchs mit einzubeziehen 6 1 Thermodynamische Grundlagen 67 6 Kraft W rme Kopplung mit Dampfmaschine Nach der Darstellung der wesentlichen thermodynamischen Grundlagen zum Verst ndnis der Ausf hrungen zum Dampfkraftproze wird der Clausius Rankine Proze erl utert Daran schlie t sich eine technische Beschreibung der klassischen Dampfmaschine an gefolgt von Ausf hrungen zur Nutzung dieser Maschine zur Kraft W rme Kopplung Dabei wurde Wert darauf gelegt die Gesetzm igkeiten und Zusammenh nge so herauszuarbeiten da sie auch als Grundlage f r moderne Konstruktionen g ltig sind 6 1 Thermodynamische Grundlagen Neben der Energie ist die Entropie eine der fundamentalsten Gr en der Thermodynamik Die meisten umgangssprachlich formulierten Aussagen erhalten ihre physikalisch korrekte Form wenn man darin vorkommende W rter wie W rme oder W rmemenge durch das Wort Entropie ersetzt Denn die Zustandsfunktion Entropie stellt ein W
56. Hybridsystem PV Dampfmaschine mit KWK Im folgenden sollen noch einige physikalische Zusammenh nge dargestellt werden wie sie das Simulationsprogramm ber cksichtigt Zun chst folgen einige Ausf hrungen zu den W rmetauschern die eine entscheidende Rolle bei der W rmeversorgung spielen Grunds tzlich sind W rmetauscher mit Gleichstrom oder Gegenstrom Austausch zu unterscheiden Diese Begriffe beziehen sich auf die Str mungsrichtung der durch die Austauscherfl che getrennten Kreisl ufe Im allgemeinen wird der Gegenstrom bevorzugt Die dabei bertragene W rmeleistung l t sich wie folgt formulieren Vorlauftemperaturen dd R cklauftemperaturen 0 Mittlere Austauschtemperatur AB ur n 0 7 34 ii 1 5 a l n lt i T 129 F r Dampf gilt bei Phasen bergang Kondensat Wasser Abb 7 19 W rmetauscher Gegenstromprinzip F r die ausgetauschte W rme gilt einerseits 7 17 k A A 7 35 und andererseits m c 8 1 36 mit k bergangskoeffizient W kgK A Austauschfl che m m Massenstrom kg s c 4 19 kJ kgK W rmekapazit t Wasser Befindet sich eine Kreislaufpumpe im Wasserkreislauf so gilt f r die aufzuwendende elektrische Leistung 7 18 m Ap P 7 37 el Pumpe 1000 N pumpe Dabei ist Ap N m der zu berwindende Widerstand und N der Wirkungsgrad 125 7 7 Simulation des Hybridsystems U frs Sa
57. Implementierung der physikalischen Gesetzm igkeiten insbesondere der thermodynamischen Zustandfunktionen sind etliche in der Regel zweidimensionale numerische Approximationen erforderlich 7 16 120 7 Hybridsystem PV Dampfmaschine mit KWK Exemplarisch sei hier in der folgenden Abbildung die Entropie von Hei dampf in Abh ngigkeit von Druck und Enthalpie dargestellt s p h 0 0o 5m zer cr Abb 7 15 Hei dampf Entropie p h Die approximierte Funktion lautet s 7 06839066E 1 2 36050449E 4 1 h 4 26113307E 2 h 6 30676959E 6 h 8 20048141E 1 1 p 4 19007759E 1 p 6 24180603E 0 p 2 81207472E 1 p 5 42070078E 4 1 p h 2 60729180E 4 p h 4 03425513E 3 p h 1 80026596E 2 p h 3 63407433E 2 h p 1 93445776E 2 h p 2 82364152E 3 h p 1 27672203E 4 h p 5 02244666E 6 h p 2 72239117E 6 h p 3 93356800E 7 h p 1 78261779E 8 h p 7 33 Die Notwendigkeit f r diese Approximation ergibt sich aus der Tatsache da bei der Drosselung des Dampfes mit Hilfe der Regelventile ein Druckabbau bei Enthalpie Erhaltung stattfindet 7 17 bei gleichzeitiger Entropieerh hung Diese sich ergebende Entropie wird wie bereits gezeigt f r die Berechnung des Clausius Rankine Prozesses ben tigt Die Enthalpie entspricht derjenigen des Sattdampfes wie der Dampferzeuger ihn liefert 7 7 Simulation des Hybridsystems 121 Im folgenden wird anhand eines Beispiels gezeigt wie sich die
58. KA im Heizungskeller privater Haushalte 3 8 So werden zum Beispiel mit einem Verbrennungsmotor f r Erdgas oder Erd lbetrieb ausgestattete Anlagen mit einer elektrischen Leistung von 5 KW und einer thermischen Leistung von 12 KW getestet und angeboten 3 9 Diese HKA gestatten im Rahmen der W rmeerzeugung eine zus tzliche Stromerzeugung und somit eine bessere Ausnutzung der Prim renergie 3 4 KWK Asggregate Im folgenden werden einige Aggregate zur Realisierung von Kraft W rme Kopplungs Anlagen vorgestellt 3 5 ohne dabei einen Anspruch auf Vollst ndigkeit zu erheben Die ebenfalls zu diesem Themenkomplex geh renden W rmepumpen werden nicht behandelt 3 4 KWK Aggregate 37 Bei der KWK kann man prinzipiell nach Anlagen mit interner 3 10 oder externer Verbrennung unterscheiden i KWK mit interner Verbrennung Dieselmotor Verfahren Ottomotor Verfahren Vorlauf 1 Otto Dieselmotor 2 Generator elektr Strom 3 Abgas W rmetauscher 4 K hlwasser W rmetauscher 6 5 Schmier l W rmetauscher R cklauf 6 Umw lzpumpe zur W rmeversorgung Abb 3 4 Prinzipschema Otto Dieselmotorenanlage Beim Otto Verfahren wird ein Gas Luft Gemisch verdichtet und zur Z ndung gebracht w hrend beim Diesel Verfahren Dieselkraftstoff Heiz l EL zur Z ndung eingespritzt wird In BHKW mit Dieselmotoren wird heute das sogenannte Gas Diesel Verfahren genutzt bei dem das Anlassen und Abschalten des Motors im rei
59. Maschine bertragen werden Einen erheblichen Aufwand stellte das aufgebaute Rohrleitungssystem dar Abgesehen von den Rohren f r die W rmetauscher wurden verzinkte 1 2 3 4 und 1 handels bliche Wasserrohre verwendet Damit ist eine verschraubbare Verlegung m glich die im Vergleich zu Schwei verbindungen wesentlich praktikabler in Bezug auf Korrekturen ist Au erdem kann die Verrohrung flexibel an die gew hlte Aufstellung angepa t werden Da Verbindungen im Laufe der Aufbauphase fter gel st werden mu ten wurde zur Abdichtung Teflonband statt Hanf benutzt Die 1 2 Frischdampfzuleitung beginnt am Absperrventil des Dampferzeugers Abb 7 2 dem dann zun chst ein Magnetventil folgt teilt sich in zwei Hauptwege auf in einen zur Dampfmaschine und einen ber ein weiteres Magnetventil direkt zu den W rmetauschern als Bypass siehe auch Abb 7 6 Beide Wege sind mit Regelventilen versehen um den Dampfstrom gezielt eindrosseln zu k nnen Ein f r diese Maschinen blicher Fliehkraftregler war nicht mehr vorhanden So kann zum einen die Drehzahl der Dampfmaschine und zum andern der W rmeflu geregelt werden Die mit einem Stellantrieb versehenen Regelventile 7 8 haben eine gleichprozentige Kennlinie und ben tigen f r den Hub von 20 mm eine Zeit von 45 s 94 7 Hybridsystem PV Dampfmaschine mit KWK Gleichprozentige Kennlinien sind f r eine Regelung im unteren Durchflu bereich flacher als lineare und erm glichen deshalb ei
60. Rolle in diesen Hybridsystemen spielt die Energiespeicherung da aufgrund der Vergleichm igung in der Energieverf gbarkeit hierdurch die steuerbaren Erzeuger entlastet werden Dies betrifft sowohl die elektrischen thermischen als auch die chemischen Energiespeicher Es ist dabei grunds tzlich noch zu unterscheiden zwischen Speichern die innerhalb des Systems wiederbef llbar sind und Speichern die nur durch einen Eingriff von au en bef llt werden k nnen Letztere sind vornehmlich Speicher f r chemische Energie in Form von Brennstoff f r die steuerbaren Zusatzerzeuger Ausnahmen bilden chemische Brennstoffe die innerhalb des Systems durch elektrische Energiewandlung sinnvollerweise mit stochastischem Erzeuger gebildet werden K nnen Betrachtet man die Energiespeicher so ergibt sich nach dem obigen Muster die folgende sicher nicht vollst ndige Aufstellung m glicher Speicherelemente a Durch das System wiederaufladbare Speicher i elektrische Energie Massenspeicher Kurzzeit Kondensator Kurzzeit Akkumulatoren Wasserstoff Brennstoffzelle mit Hz Speicher ii thermische Energie sensible W rme i a Wasser latente W rme Paraffine u iii chemische Energie Wasserstoff ber Elektrolyse 4 3 Regenerative Hybridsysteme 47 b Durch externen Eingriff wiederaufladbare Speicher feste Brennstoffe Holz Biomasse Pellets u fl ssige Brennstoffe Pflanzen le Alkohole u gasf
61. Signalflu plan der Drehzahlregelung Etwas komplexer als die Drehzahlregelung stellt sich Aufgabe der Regelung der W rmemengen dar die ber die W rmetauscher zu den Verbrauchern gelangen sollen Hierbei handelt es sich um Kaskadenregelungen Die einzustellende W rmeleistung richtet sich nach den Verbraucheranforderungen sowohl bez glich der W rme als auch des Stromes da die erzeugte mechanische Leistung den Abw rmestrom aus der Maschine bestimmt Diesen Zusammenhang kann man recht gut ber eine Betrachtung bei Wirkungsgrad nderung verdeutlichen Betrachtet man die Energiebilanz O Q O bei konstanter W rmeabnahme aber bei unterschiedlichen Wirkungsgraden kann eine Beziehung zwischen der relativen Wirkungsgrad nderung und der W rmeleistungs nderung durch den Bypass gewonnen werden Die Bypassleistung wird dabei auf die mechanische Leistung bezogen 106 7 Hybridsystem PV Dampfmaschine mit KWK Somit erh lt man folgende Formel AC 1 1 An 1 1 Di E nl aa mech n Mo No No 1 An Mo und weiter mit t gt Qy AQ An 1 1 Owr JAN 1 24 Oe wii ga N Damit ist ein Ausdruck gewonnen der einen direkten Zusammenhang zwischen der Zielgr e 1 und der erforderlichen Regelung der Zusatzw rmeleistung O und der Wirkungsgrad nderung aufzeigt Die Wirkungsgrad nderung ergibt sich durch die Drehzahlregelung Dies verdeutlicht noch einmal die Verquickung dieser Regelstrecken AQwr Pmecn Sa
62. Systemtechnische Untersuchung eines Hybridsystems bestehend aus Photovoltaikanlage und Dampfmaschine mit Kraft W rme Kopplung DISSERTATION zur Erlangung des akademischen Grades DOKTOR INGENIEUR des Fachbereiches Elektrotechnik der W FernUniversit t von Dipl Phys Klaus Brinkmann aus Rheinkamp Moers Hagen 1999 dissertation de Verlag im Intemet dissertation de Verlag im Intemet Fritschestr 68 D 10585 Berlin E Mail dissertation de snafu de URL http www dissertation de Eingereicht 10 Februar 1999 M ndliche Pr fung 14 Juni 1999 1 Berichterstatter Univ Prof Dr Ing Detlev Hackstein 2 Berichterstatter Univ Prof Dr Ing J rgen Schmid Meinen aufrichtigen Dank f r die F rderung und Unterst tzung dieser Arbeit schulde ich Herrn Prof Dr Ing Detlev Hackstein Herrn Prof Dr Ing J rgen Schmid bin ich sehr dankbar f r die bernahme des Korreferats Meinen Kollegen sowie dem gesamten Team des Lehrgebiets f r Elektrische Energietechnik danke ich f r die anregenden Diskussionen Ein herzlicher Dank gilt insbesondere Herrn Wolfgang K hler f r die praktische und organisatorische Unterst tzung Einen nicht minder wichtigen Beitrag zum Gelingen dieser Arbeit haben Studenten mit ihrer Diplomarbeit geleistet Auch bei ihnen m chte ich mich bedanken Mein ganz privater Dank gilt meiner Familie die mit viel Geduld und Toleranz diese Arbeit begleitet hat auch wenn ich nicht versp
63. U Kennlinien Verlauf Der Laderegler dient nun zur F hrung des Ladevorgangs entlang der vorgegebenen iu Kennlinie Dabei wird die Kennlinie als Sollwertvorgabe in geeigneter Form dem Regler zur Verf gung gestellt Wichtig ist wie bereits erw hnt der Schutz vor berladung und Tiefentladung Zu diesem Zweck mu durch den Laderegler entweder der Ladevorgang gestoppt werden oder die Verbraucher sind teilweise oder komplett von der Batterie zu trennen Bei kleineren Systemen gen gt es in der Regel den Laderegler als einfachen Serien oder Parallelregler auszuf hren wobei der Parallelregler am weitesten verbreitet ist 2 12 Der Parallelregler schlie t den Solargenerator bei voll geladenem Akkumulator kurz der Serienregler hingegen trennt in diesem Falle die Verbindung zur Batterie und beendet somit den Ladevorgang Zum Schutz vor einer Tiefentladung werden in beiden F llen die Verbraucher vom Akkumulator getrennt Die Ladespannung von Bleiakkumulatoren f llt mit steigender Temperatur 26 2 Photovoltaik Das Aufladen ist in einem Temperaturbereich von etwa 30 C bis 50 C m glich Entladen werden kann dagegen die Batterie oberhalb von etwa 45 C Gleichspannungswandler Im Gegensatz zu kleinen Anlagen ist bei gr eren Anlagen f r Inselversorgungen eine Spannungsanpassung von Batterie und Solargenerator im MPP mit Hilfe eines Gleichstromstellers sinnvoll Hierbei wird der Steller vom MPP Regler angesteuert MPP Regle
64. W Vorgabe Warmwasser bgabe l h Vorgabe Kesseldruck bar Wirkungsgrad Wechselrichter Wirkungsgrad Solarzelle G Wirkungsgrad Laderegler s sn A Grafik Auswahl 2 EN nana j E z nsl allor Sr Wirkungsgrad Generator Wirkungsgrad Wechselrichter IE soy 2c 4 Wirkungsgrad thermisch J 5 2 Solargenerator 0w 0 Win 50 C Dampfmaschine mi im 2078 W izg w 1697 W I 3 4 bar N Ei 15 hl en 46 C 0 1 bar G t Gleichrichter i enerator 1673W Batterie Wechsel richter 1000 m g m 100 w Heizung 1000 2000 3000 1567 W 0 elektrische Verbraucher Status Dampfmaschine l uft Batterie wird geladen 200 m g e 12m Warmwasser Abb 7 16 Selektion der grafischen Ausgabe W rmetauscher Warmwasser W rmetauscher Konfiguration Warmwasser k Vorlauftemperatur C 4500 00 530 00 A m Massenstrom kg h aj aj 10 00 150 00 Ende Abb 7 17 Konfiguration eines W rmetauschers 7 7 Simulation des Hybridsystems 123 Die Vorlauftemperatur hat hier die Funktion des Sollwertes f r den dazugeh rigen Regelkreis und ist deshalb hier vorgebbar Bei der Batterie k nnen ebenfalls ber den Anfangsladezustand und die Kapazit t die Zust nde Min und Max definiert werden Die gegenseitige Abstimmung der Komponenten kann aufgrund der Komplexit t der Anlage nicht automatisc
65. Wasser nach der W rmeabfuhr im Kondensator nur gering unterk hlt ist Damit ergibt sich f r die Wirkungsgradberechnung h h Pan 6 26 hya h Puin Tain 554 8 Pain 6 27 dal Tain 8 Pain 6 28 gt mit 6 17 Toni ss s Pa ee h h Prin l en Der Gesamtwirkungsgrad f r den realen irreversiblen Proze ergibt sich aus der Betrachtung der Wirkungsgradkette der beteiligten Komponenten wie Dampferzeuger Npr Dampfmaschine oder Turbine n Generator Ng sowie der mechanischen Verluste n Insgesamt kann man den Wirkungsgrad dann wie folgt angeben m P u T o Npr N Nom N Ne 6 30 Die wesentlichen Einflu parameter f r den idealen Wirkungsgrad n sind der Druck und die Temperatur des Arbeitsdampfes sowie der Druck im Kondensator In Anbetracht des Einsatzes einer klassischen Dampfmaschine wird f r die folgenden Darstellungen der Abh ngigkeiten des idealen Wirkungsgrades von diesen Parametern ein Dampfdruckbereich bis 10 bar gew hlt F r Sattdampf und Hei dampf sind in den folgenden Abbildungen Kurven f r verschiedene Kondensatordr cke Temperaturen von 0 1 bar 45 84 C 0 4 bar 75 89 C 0 8 bar 93 51 C und 1 0 bar 99 63 C eingezeichnet Interessant ist es dabei festzustellen da die Kondensationstemperatur Tmin bzw Druck Pmin auf den Wirkungsgrad in diesem Arbeitsbereich einen st rkeren Einflu hat als die berhitzung oder ein h herer Da
66. a a 20 000 v Chr 10 000 v Chr 0 2 000 n Chr Abb 1 1 Zunahme der CO Konzentration 1 3 Als Abhilfe f r die genannten Probleme scheint auch die Kernenergie nicht in Frage zu kommen Zwar wird hierdurch die CO Emmision reduziert aber die Endlichkeit der Uranvorkommen macht sie in dieser Hinsicht vergleichbar mit den fossilen Energietr gern abgesehen von den bekannten speziellen Problemen und Risiken der Kernenergie Der derzeitige Entwicklungsstand zur Kernfusion zeigt in absehbarer Zeit keine realisierbaren Nutzungsm glichkeiten es bestehen sogar grunds tzliche Zweifel an den augenblicklichen Konzepten 1 4 Der vern nftigste Ausweg aus dieser Energieproblematik im Hinblick auf unsere kurz und mittelfristig verf gbaren Technologien liegt wohl in der konsequenten Anwendung und im Ausbau der bereits jetzt verf gbaren Anlagen und Techniken zur Nutzung regenerativer Energietr ger in Kombination mit rationeller Energieverwendung Weiterhin erforderliche technische Entwicklungsarbeiten hierf r sollten daher mit R cksicht auf die zeitliche Abnahme der fossilen Brennstoffe und Zunahme der COs Konzentration weitestgehend parallel zu praktischen Realisierungen durchgef hrt werden 1 2 Energieversorgung privater Haushalte 3 1 2 Energieversorgung privater Haushalte Der g ngigste Weg zur Erzeugung elektrischer Energie erfolgt ber die Umwandlung der chemischen Energie in den fossilen Brennstoffen in W rme die mit Hilfe
67. aben dabei folgende Bedeutung I S ttigungsstrom in Diodensperrichtung m Diodenfaktor U I Solarzellenklemmspannung bzw Strom U I Diodenspannung bzw strom U Temperaturspannung U kT e U 25 7mV bei 25 C Die Stromquelle erzeugt einen Photostrom der in erster Linie von der Bestrahlungsst rke abh ngig ist In o E 2 7 m Co Koeffizient des Photostroms II V W E Bestrahlungsst rke der Zelle lEl 7 m Da es sich bei der obigen Gleichung um eine implizite Funktion handelt Kann sie nicht direkt nach I oder U aufgel st werden sondern nur mit Hilfe numerischer Methoden Zur vereinfachten Betrachtung kann man den Widerstand Rs gleich Null setzten und den Parallelwiderstand Rp als unendlich gro betrachten 18 2 Photovoltaik Damit ergibt sich dann f r das vereinfachte Ersatzschaltbild U nen le 2 8 T I 1I Diese Gleichung gestattet eine einfachere Berechnung liefert aber keine optimale Darstellung der elektrischen und physikalischen Verh ltnisse der Solarzelle Sollte das Eindiodenmodell f r spezielle Betrachtungen in seiner Genauigkeit noch nicht ausreichen so l t sich durch Einf hrung einer zweiten Diode parallel zur ersten eine weitere Verbesserung erzielen schon allein deshalb weil sich dadurch die Anzahl der variierbaren Parameter erh ht 2 9 Neben dem erl uterten Zusammenhang zwischen Strom und Spannung einer Solarzelle gibt es noch andere Parameter welche f r den praktischen
68. aik Grundlagen und Anwendungen Springer Verlag Berlin Heidelberg New York 1995 W Palz J Greif European Solar Radiation Atlas Springer Verlag Berlin Heidelberg New York 1996 Literatur zu Kapitel 3 Kraft W rme Kopplung 3 1 3 2 3 3 3 4 Liviu Constantinescu Simon Hrsg Handbuch Elektrische Energietechnik Grundlagen Anwendungen Vieweg Verlag Braunschweig Wiesbaden 1996 D Nelles Ch Tuttas Elektrische Energietechnik B G Teubner Stuttgart 1998 P Heymann H Sauerwein Hrsg Elektrotechnik Ernst Klett Verlag Stuttgart Dresden 1993 IDEE Informationsdienst Erneuerbare Energien Nr 17 14 Sept 1998 H 45851 Verlag SunMedia Hannover 152 3 5 3 6 3 7 3 8 3 9 3 10 3 11 3 12 3 13 3 14 3 15 Literaturverzeichnis K W Schmitz G Koch Kraft W rme Kopplung Anlagenauswahl Dimensionierung Wirtschaftlichkeit Emissionsbilanz 2 berarbeitete Auflage VDI Verlag D sseldorf 1996 W Krause Blockheizkraftwerke in der Region Technik Finanzierung Hemmnisse Wege in die Solargesellschaft V Projektgruppe Solarenergie FH Darmstadt 1993 VDEW Strom Zahlen Kraft W rme Kopplung Internetadresse http www vdew de zf_sz_52 htm 1998 R Gottschalk Kompakte Heiz Kraft Anlagen Physik in unserer Zeit 23 Jahrg 1992 Nr 2 VCH Verlagsgesellschaft Weinheim VDI nachrischten Kraft W rme Kopplung im Heizungskeller 31 Oktober 1997 Nr 44
69. ampfmaschine mit KWK Nach einer Aufstellung und Erl uterung der wesentlichen Komponenten wird ein Verfahrensschema zur Realisierung des Hybridsystems vorgestellt Auf dessen Grundlage wird der experimentelle Aufbau erl utert Danach folgt eine Analyse der physikalischen Zusammenh nge sowie ein Konzept zur Fahrweise der Anlage Anschlie end wird das zur Abrundung der praktischen Erfahrungen erstellte Simulationsprogramm erl utert 7 1 Komponenten des Hybridsystems Hybridsystem PV KWK Teuerung _ Steuerun g Dampferzeuger Dampfmaschine Solargenerator Speisewasseraufbereitung Dampfleitungen Solarmodule Speisewasserbeh lter Kurzschlu leitung Montagevorrichtung Notk hlung Bypassleitung Bypassdioden Speisewasservorw rmung Drehzahlregelung R ckstromdioden Druckerh hungspumpe Schmierung berspannungsableiter Brennkessel Trennstelle Dampfkessel Verkabelung W rmekreislauf Sicherheitsarmaturen Gleichstromsteller W rmetauscher Heizung Magnetventile Laderegler W rmetauscher Hei wasser berdruckventile MPP Regelung W rmespeicher optional Thermometer Schutzschaltung Warmwasserspeicher Manometer Verkabelun Kondensatr cklauf Absperrventile j amp A Sicherungen Kondensatpumpe optional Entl ftung Erding Regelung Me technik Blitzschutz Drosselventile Druckaufnehmer Magnetventile Temperaturaufnehmer Me technik Verkabelung U I Messungen Elektrische Me Btechnik Generator Verkabel
70. ann man f r den Wirkungsgrad des obigen Systems ableiten Q Q _4_ Q Q T 0 AS etz 6 10 gt N vo T T Q Q Q T Dieser Wirkungsgrad stellt die obere Grenze f r thermische Prozesse dar und gilt auch f r den sogenannten Carnot Proze Deshalb spricht man hierbei auch von dem Carnot schen Wirkungsgrad der als Vergleichsgr e zur Beurteilung von Prozessen herangezogen wird T Nc 1 2 RE TN prozess lt ne 6 1 1 2 Die Aufnahmef higkeit von W rme ist eine stoffabh ngige Eigenschaft die sich durch die W rmekapazit ten beschreiben l t 22 3 o RP er c mit C ga T ar 6 12 Diese Zusammenh nge gelten allerdings nur solange keine Phasen berg nge auftreten die sich als Singularit ten dieser Kapazit ten u ern da bei Zuf hrung der sogenannten latenten W rme keine Temperaturerh hung erfolgt 6 1 Dieser Umstand ist insbesondere bei Dampfkraftprozessen von Bedeutung Die W rmekapazit ten sind in der Regel temperaturabh ngige Funktionen N herungsweise approximiert man die W rmekapazit ten h ufig ber einem Temperaturintervall mit einem konstanten Wert oder einer Polynomapproximation um die aufgenommene W rme als Integral ber die Temperatur einfach bestimmen zu k nnen 6 2 Dampfkraftproze 71 6 2 Dampfkraftproze Ein Kreisproze zeichnet sich dadurch aus da sich ein System anfangs und nach dem Ablauf des Prozesses im selben Gleichgewichtszustand befi
71. ar F r ein derartiges dezentrales System spricht sowohl die Effektivit t bei ortsnaher Kraft W rme Kopplung als auch die Energiebilanz bei der Verwendung und Versorgung mit vorzugsweise fester Biomasse Feststoff Biomasse hat in der Regel einen vergleichsweise geringeren Aufbereitungs Energiebedarf als andere Formen 4 13 Dieses Hybridsystem Konzept kann dann nicht nur f r netzferne Wohnbereiche angewandt werden sondern auch f r netzverbundene Haushalte im Sinne einer modularen komplexen Hybridsystem Vernetzung Aufgrund der bereits erw hnten Konkurrenzsituation zum bestehenden Netzverbund ist der Einsatz in netzfernen Bereichen zun chst jedoch wahrscheinlicher Deshalb wurde das beschriebene PV Dampfmaschinen Hybridsystem f r eine autarke Versorgung konzipiert zumal diese Variante sicherlich einen h heren Anspruch an die Betriebsf hrung stellt 52 5 Energieverbrauch eines Privathaushalts 5 Energieverbrauch eines Privathaushalts Wie bereits dargestellt erfordert die Installation einer Kraft W rme Kopplung die Erfassung der Verbrauchsdaten und deren zeitliche Ver nderlichkeit Das hier untersuchte Hybridsystem stellt im Prinzip eine spezielle komplexe KWK mit unterschiedlicher Betriebsf hrung bei Sommer und Winter Verh ltnissen dar F r dessen Auslegung m ssen deshalb die Haushaltsverbr uche mit den entsprechenden Lastganglinien erfa t werden und mit dem verf gbaren Energieangebot der Photovoltaikanlage korreliert we
72. are Leistung des Solargenerators wird dann durch die Anzahl der parallelen Str nge festgelegt 22 2 Photovoltaik 2 3 3 PV Anlage Man kann Photovoltaikanlagen grob in zwei Klassen einteilen Dies sind zum einen Inselanlagen und zum anderen netzgekoppelte Anlagen Des weiteren k nnen Anlagen mit und ohne Energiespeicher unterschieden werden Von gr erer praktischer Bedeutung sind jedoch haupts chlich Inselanlagen mit Speicher und netzgekoppelte Anlagen ohne Speicher 2 12 Eine Inselanlage ist eine Stromversorgungsanlage die einen oder mehrere Verbraucher unabh ngig von einem Stromnetz mit Energie versorgt Als Speicher finden dabei heute noch fast ausschlie lich Bleiakkumulatoren Verwendung Bei netzgekoppelten Anlagen bernimmt das Stromnetz den Momentanausgleich zwischen Energieangebot und nachfrage Bei den folgenden Systembeschreibungen sollen Anlagen betrachtet werden die ausschlie lich auf die Versorgung privater Haushalte abzielen Meist mu der photovoltaisch erzeugte Strom in geeigneter Form aufbereitet werden um ihn einem Verbraucher oder Speicher zuf hren zu k nnen Die folgenden schematischen Darstellungen zeigen die Systemkomponenten und deren Einbindung f r Inselanlagen sowie f r eine Netzankopplung 2 13 Wechselrichter Hausnetz Gleichstrom Verbraucher Abb 2 9 PV Anlagen Schema mit Komponenten f r a a c oder b a ohne b mit Speicher c mit Netzanbindung Mit R cksicht auf den
73. berwachung Bin r Signal Weiterschaltbedingung bergang zum permanenten Unterprogramm Dampferzeugung Ohne KWK permanentes Unterprogramm W rmeversorgung mit W rme Regelung aktiv Schritt 10 2 Wegeschaltung Freischaltung der Hauptdampfleitung Drosselventil zur Maschine in definierten Hub Weiterschaltbedingung Zeitintervall abgelaufen 114 7 Hybridsystem PV Dampfmaschine mit KWK Vorbereitung Kurzschlu leitung freischalten freiblasen und Vorheizen der Dampfleitungen zur Maschine Weiterschaltbedingung Zeitintervall abgelaufen Wegeschaltung Kurzschlu leitung schlie en Leitung zur Maschine freischalten Anfahren Generator ber Wechselrichter in Motorbetrieb bei kleiner definierter Drehzahl n als Anlaufhilfe Entw sserung der Maschine Drehzahlregelung f r Dampfmaschine aktivieren mit Arbeitsdrehzahl n4rveit Dampfmaschine bernimmt Antrieb und berschreitet na Wechselrichter in Rekuperationsmodus d h Generatorbetrieb mit Gleichrichtung Batterie laden permanentes Unterprogramm W rmeversorgung mit W rme Regelung aktiv Dampfmaschine Arbeitsmodus Stromerzeugung mit Drehzahl n eit Volle Leistung Batterie laden bis definiertes Niveau Minl Dampfmaschine Ruhemodus Stromerzeugung mit Drehzahl nrune lt Nasbei Minderleistung Batterie laden bis definiertes Niveau Max Voll Schritt 8 Batterie Ldezustand Min Schritt 6 Dampfmaschine Pau
74. bh ngige tats chliche statistische Werte Mit Hilfe dieser Daten und den in Kapitel 2 3 3 beschriebenen Grundlagen zur PV Anlage ist es m glich den realen Ertrag einer IkW Referenz Anlage abzusch tzen Diese Referenzanlage sei im folgenden mit 1 kW et bezeichnet Eine 1 kW r Anlage sei definiert indem sie die Gleichung 2 20 wie folgt erf llt P 1000 W PR A n 1000 W 8 1 Mit einer Performance Ratio von PR 0 75 und einem PV Wirkungsgrad von N 10 als Standardwerte wird eine Fl che von Ap 13 33 m ben tigt Damit wird der Betrag des Produkts PR A N gleich eins so da die Energieertr ge dieser Referenz IkW Anlage je Tag Wh und Monat kWh mit den Zahlenwerten der Tabelle 8 1 bereinstimmen Damit gilt n herungsweise im zeitlichen Mittel die folgende Anlagen Zuordnung 1kW 1kWp 8 2 p 8 2 bernimmt nun die PV Anlage einen Teil der Stromversorgung eines Haushalts so ergibt sich f r den Betrieb der KWK Anlage ein verbleibendes Strom W rme Verh ltnis von 6 py 2T 8 6 16 00 a P p kWhld 8 3 O4 Py 2T l 15 4 7 1 d 0 232 5 4 78 36 roda d 0 23 Dieses verbleibende Verh ltnis ergibt sich also als Differenz des Verbrauch bedingten Strom W rme Verh ltnisses und dem Verh ltnis des Stromanteils von der PV Anlage zum W rmebedarf Mit R cksicht auf den m glichen Wirkungsgrad der Dampfmaschine mu dieses verbleibende Verh ltnis unterhalb ein
75. ch 1 4 sich wenig ndert und besser ist als der von Dampfturbinen gleicher Leistungsklasse 6 12 Eine intensive internationale Suche nach einem Hersteller f r Dampfmaschinen moderner Bauart in einem Leistungsbereich kleiner 20 kW f hrte zu keinem positiven Ergebnis Die Spilling Werke in Hamburg scheinen heute die einzigen Hersteller und Lieferanten f r neue Dampfmaschinen zu sein allerdings derzeit nur ab 20 kW Ein Schwerpunkt dieser Firma liegt bei Schiffsantrieben Aber es gibt auch Eins tze f r Spilling Maschinen als Gasentspannungsmaschinen f r Erdgasentnahmestationen oder zur Verwertung von Biomasse mit und ohne Kraft W rme Kopplung 6 13 In j ngster Zeit gibt es auch Anwendungen bei Deponieentgasungen wenn eine direkte Verbrennung einem Gasmotor ohne vorherige Brennstoffaufbereitung nicht m glich ist Hier ist es wirtschaftlicher das Deponiegas umweltvertr glich zu verbrennen und mit dem Abgas in einem Abhitzekessel Dampf zu erzeugen 25 bar 350 C und diesen in einer Dampfmaschine zur Stromerzeugung umzusetzen 6 12 Offen bleibt also die Frage wie moderne Dampfmaschinen f r einen Leitungsbereich um 5 kW zu konstruieren sind Der heutige Maschinenbau verf gt ber weit mehr M glichkeiten die fr her schwer vermeidbaren Energieverluste auszuschlie en Dies betrifft sowohl die Reibungsverluste aufgrund der Lager und Schmierungen als auch die W rmeverluste Steuerungsverluste und dergleichen Ebenso bietet die heutige
76. ch Sonnenenergie in gespeicherter Form die Versorgungsgrundlage Steuerbare Erzeuger seien zum Beispiel Brennstoffzelle H Reforming von Biogas u Pflanzen l Motoren Biogas Motoren Stirling Motor externe Verbrennung von Biomasse Dampfmaschine externe Verbrennung von Biomasse Thermoelektrische Wandler Biobrennstoffe Geothermie Wandler Diese Erzeuger sind prinzipiell auch f r Kraft W rme Kopplung einsetzbar 4 5 46 4 Photovoltaische Hybridsysteme Die freie Verf gbarkeit ber die Mehrzahl dieser Erzeuger kann aber nur gew hrleistet werden wenn ein ausreichend gro es Brennstofflager besteht und oder eine schnelle dem Verbrauch angepa te Nachlieferung erfolgt Dies gilt insbesondere wenn der Brennstoff mit Hilfe der bersch sse an stochastisch erzeugter elektrischer Energie erzeugt wird um somit als chemische Energie gespeichert zu werden Ein Beispiel daf r ist ein Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff Dieser Brennstoff k nnte dann wiederum in steuerbaren Erzeugern wie zum Beispiel einer Brennstoffzelle oder einem Gasmotor mit KWK sowie auch einem Heizkessel zugef hrt werden Ist der W rmebedarf anteilm ig nicht sehr hoch so kann hierf r nat rlich auch elektrischer Strom eingesetzt werden wenn die stochastische Erzeugung f r den Gesamtenergiebedarf ausreichend dimensioniert ist Hier ist sicherlich auch der Einsatz von W rmepumpen sinnvoll 4 6 Eine nicht unwesentliche
77. ch Wechselstromverbraucher versorgt werden sollen mu der vom Solargenerator gelieferte Gleichstrom in Wechselstrom oder Drehstrom gewandelt werden 2 14 Bei Netzanbindung erm glicht dieses Element ebenfalls die Einspeisung von bersch ssiger Energie ins ffentliche Netz Man unterscheidet hier netzgef hrte und selbstgef hrte Wechselrichter Erstere ben tigen einen Blindleistungsbezug aus dem Netz aufgrund des Schaltverhaltens der eingesetzten Thyristoren Selbstgef hrte Wechselrichter hingegen k nnen aufgrund des Einsatzes abschaltbarer Leistungshalbleiter ein eigenst ndiges Inselnetz speisen Als Bauelemente im Leistungsteil der selbstgef hrten Wechselrichter kommen Leistungshalbleiter wie MOSFET Bipolartransistor IGBT oder GTO zum Einsatz Auf schaltungstechnische Details kann hier nicht eingegangen werden Hierf r sei auf die vielf ltige Spezialliteratur verwiesen Wird ein Wechselrichter dieses Typs an ein vorhandenes Energieversorgungsnetz angeschlossen ist eine Synchronisation mit dem Netz mittels einer Synchronisationsschaltung erforderlich Aufgrund des wechselnden Strahlungsangebots der Sonne wird der Wechselrichter oft im Teillastbereich gefahren Daher ist es wichtig da der Wirkungsgrad auch dabei hohe Werte erreicht Der Wechselrichter sollte nicht zu gro dimensioniert sein bezogen auf die Solargenerator Leistung etwa 85 Ein minimaler Eigenverbrauch ist anzustreben was durch eine Nachtabschaltung unterst tzt we
78. che Sekund relemente finden sich in VDE 0510 DIN 57510 sowie in DIN 40729 Um gr ere Mengen elektrischer Energie zu speichern werden heutzutage bevorzugt Bleiakkumulatoren eingesetzt In diesen l uft folgende chemische Bruttoreaktion ab PbO Pb 2 HSO 0 2PbSO 2 H O Beim Entladen verl uft die Reaktion von links nach rechts und beim Ladevorgang entsprechend umgekehrt Die Nennspannung einer Zelle betr gt 2 V Meist werden 6 Zellen in Reihe geschaltet um eine Betriebsspannung von 12 V zu erreichen Da das Verhalten des Akkumulators durch die ablaufenden chemischen Reaktionen gepr gt ist sind die Kennwerte eines Bleiakkumulators sind von der Temperatur abh ngig Zum Aufladen der Batterie mu mehr Energie aufgewandt werden als bei der Entladung erhalten werden kann 24 2 Photovoltaik Bei dem sich daraus ergebende Ladewirkungsgrad wird zwischen dem Ah Wirkungsgrad n und dem Wh Wirkungsgrad Np unterschieden nr v r a A l 2 18 Q U T v r a 0 Ne en i Da die Ladespannung h her ist als die Entladespannung ist der Wh Wirkungsgrad stets um etwa 10 niedriger als der Ah Wirkungsgrad der je nach Batterietyp bei einem Bleiakkumulator zwischen 80 und 95 betr gt Zus tzliche Verluste entstehen durch Selbstentladung die den Systemwirkungsgrad weiter verschlechtern und mit der Temperatur steigen Die entnehmbare Kapazit t ist vom Entladestrom abh ngig Je h her dieser ist desto geringer ist di
79. cos 365 d 0 232 Ca mit d Tag 5 11 Der gesamte W rme Energiebedarf kann durch hinzuf gen der additiven Gr e f r die Proze w rme dann ebenfalls formuliert werden 27 kWh Pa w rme 115 4 78 36 1 cos 365 70232 PE mit d Tag 5 12 Ausgleichskurve der Jahresganglinie f r den durchschnittlichen Haushalt Bildlich dargestellt kann man dann folgenden Lastgang f r die W rme erkennen kWhd Jahresw rmebedarf 200 160 E a SCH 16210 E S E E E S S E E E E 92 A enden 80 40 REE Proze w rme 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Monat Abb 5 4 T glicher W rmeverbrauch eines Durchschnittshaushaltes Aufgrund der Normierung des W rmeverbrauchs auf den durchschnittlichen Strombedarf ergibt sich die Umrechnung auf einen beliebigen Haushalt in der gleichen Weise wie bei dem elektrischen Strom P Be 7 _ Jahres Stromverbrauch 5 13 d W rme T Z d W rme mi LS 3146 kWh 7 A Ausgleichskurve der Jahresganglinie f r einen allgemeinen Haushalt 5 2 W rmeverbrauch 63 Im Gegensatz zum Stromverbrauch h ngt der w chentliche und t gliche Verlauf der Lastgangkurve weniger vom menschlichen Verhalten als vielmehr vom Gang der Au entemperatur 5 7 Nat rlich sorgen auch die verst rkten Aktivit ten der Hausbewohner die f r die Extremwerte des Stromverbrauchs verantwortlich sind im Zuge der Umsetzung in W rmeenergie f r eine gewisse Entlastung des Heizbedarfs Betrachtet man den Tagesgang
80. d 39 Gesamtwirkungsgrad 76 79 Tabelle 3 2 Gasturbinen Wirkungsgrade VDI 2067 Gas und Dampfturbinenanlagen GuD Anlagen Dampfturbine Gasturbine Verbrennungsluft Abb 3 6 Prinzipschema GUD KWK Anlage Gasturbinen die f r den GuD Proze eingesetzt Verdichter Brennkammer Abgasturbine Generator Dampf Abhitze Kessel u A U N e Dampfturbine Vorlauf gi Heizkreislauf l amp 7 Kondensator R cklauf werden arbeiten mit Abgastemperaturen bis 1100 C 3 5 Diese Abgase werden direkt in einen Abhitzekessel geleitet der den Dampf f r eine nachgeschaltete Dampfturbine erzeugt Dadurch werden elektrische Wirkungsgrade von bis zu 60 m glich und der Gesamtwirkungsgrad l t sich auf bis zu 90 steigern Heizkraftwerke mit Dampfkesseln und Dampfturbinen Heizkraftwerke mit Dampfkesseln und Dampfmotoren 2 Dampfturbine Maschine 2 3 Vorlauf 4 Heizkreislauf 5 R cklauf 6 Abb 3 7 Prinzipschema Dampfkraft KWK Anlage Jis Dampfkessel Dampf Maschine turbine Generator W rmetauscher Speisewasserbeh lter Speisewasserpumpe 3 Kraft W rme Kopplung F r Dampfmotoren gelten die gleichen thermodynamischen Grundlagen wie f r Dampfturbinen Allerdings liegt der bliche Leistungsbereich bei Motoren zwischen 40 kW und 2500 kW und damit niedriger als bei Turbinen 3 5 Dampfturbinen haben historisch die Dampfmaschinen im Zuge der Ent
81. den Mittelwerte P Sommer z 7 439 kWh d 5 3 P Winter z 10 123 kWhl d 5 4 56 5 Energieverbrauch eines Privathaushalts Nachdem der Jahres und Wochenverlauf ausreichend genau einer quantitativen Beschreibung zug nglich gemacht ist soll nun der Stromverbrauch w hrend des Tagesablaufs analysiert werden wie er sich aufgrund des menschlichen Lebens rhythmus ergibt Daraus wird wiederum versucht einen repr sentativen Tagesverlauf f r einen typischen Sommer und Wintertag darzustellen Sowohl im Sommer als auch im Winter zeichnet sich der Tagesverlauf f r den Stromverbrauch durch drei Maxima aus die je nach Wochentag unterschiedlich stark ausgepr gt sind Die Scheitelwerte der Maxima der 15 Minuten Tageslastkurven liegen sowohl im Sommer als auch im Winter jeweils etwa zwischen 7 00 und 8 00 Uhr 12 00 und 13 00 Uhr sowie zwischen 19 00 bis 20 00 Uhr Diese Zeiten korrelieren im wesentlichen mit den t glichen Mahlzeiten Allerdings liegen die Niveaus im Winter generell h her als im Sommer und der erh hte Verbrauch am Abend ist besonders ausgepr gt Es ist sinnvoll den Tagesverlauf in zusammenh ngende Verbrauchs intervalle aufzuteilen und den dar ber gemittelten Stromverbrauch darzustellen Dabei ergeben sich sieben Intervalle aus der Abgrenzung der Mahlzeiten und den Zwischenzeiten Typischer Sommertag kW 00 00 06 00 12 00 18 00 24 00 Abb 5 2 Tagesganglinie eines durchschnittlichen Haushalts im Sommer
82. der Lufttemperatur so erkennt man einen klaren Zusammenhang mit dem zeitlichen Verlauf der Sonneneinstrahlung Leicht verz gert zum Mittagsstand der Sonne erreichen die Tagestemperaturen ihre H chstwerte zwischen 12 00 und 18 00 Uhr Demzufolge ergibt sich f r die auf die Au entemperatur abgestimmte Heizleistung ein Minimum w hrend dieser Zeit Der zeitliche Verlauf einer Heizkurve kann grob in 4 Phasen eingeteilt werden 1 Nachtbetrieb mit niedrigster Leistung von 00 00 bis 06 00 Uhr 2 ausgepr gtes Vormittags Maximum von 06 00 bis 12 00 Uhr 3 flaches Mittags Minimum von 12 00 bis 18 00 Uhr 4 kleineres Nachmittags Maximum 18 00 bis 24 00 Uhr Der Warmwasserverbrauch jedoch zeigt auch zur Mittagszeit ein Maximum da dieser genauso wie elektrischer Strom vom menschlichen Nutzerverhalten gepr gt wird Die folgende Abbildung zeigt Verbrauchskurve typischer Tage 5 9 relative W rmelast Tagessumme 100 10 oo do MEHR CORE e a l ee aa DER e aaa ee f Typ 1 6 7 N t 2 i Typ2 h aX N ar Typ 3 Typ4 e Typ5 2 zx E N aa A 0 00 00 04 00 08 00 12 00 16 00 18 00 24 00 Typ 1 tr ber Wintertag Typ 2 heiterer Wintertag Typ 3 tr ber Tag bergangszeit Typ 4 heiterer Tag bergangszeit Typ 5 Sommertag Abb 5 5 Tagesverl ufe der W rmelast f r Wohngeb ude 64 5 Energieverbrauch eines Privathaushalts 5 3 Korrelation des Strom W rme Verbrauchs Entscheidend f r die A
83. des Schwungrades ber einen Riemen auf den Generator bertragen Dort befindet sich ein Tachogenerator zur Aufnahme des Istwertes Dieser wird im Regler mit dem Sollwert w verglichen und daraufhin wird die Stellgr e y der sich ergebenden Regelabweichung e w x angepasst Diese Stellgr e hier in der Form eines 4 20 mA Signals wird dem Stellmotor des Drosselventils bermittelt der die dazugeh rige Hub nderung vornimmt 7 5 Regelungskonzept 105 Das Lastmoment Verbraucher wirkt dem Antriebsmoment entgegen und bewirkt da sich die Last wie ein proportionales bertragungsglied mit Verz gerung erster Ordnung PT1 VZ1 verh lt Alle St rmomente die von au en auf das System einwirken seien zu dem St rmoment Mz zusammengefa t F r die Drehzahlregelung k nnen Regler mit P PI oder PID Verhalten verwendet werden Welcher davon der geeignetste ist h ngt von der Systemdynamik ab Die experimentell realisierte Anlage ist aufgrund der Massentr gheit der verf gbaren Maschine und der daf r erforderlichen Rohrleitungsl ngen relativ tr ge so da ein D Anteil sicherlich Vorteile bringt Das Regelverhalten dieses speziellen Aufbaus ist aber sicher nicht allzu repr sentativ f r andere Aufbauten zudem ist dabei eine ausreichende Reproduzierbarkeit nur schwer erreichbar Prinzipiell gibt der folgende Signalflu plan die Verh ltnisse n herungsweise wieder in allgemeiner Anlehnung an Motoren Drehzahl messer Abb 7 10
84. die ihren Heizbedarf ebenfalls mit elektrischem Strom erzeugen Der W rmebedarf eines Haushalts setzt sich zusammen aus dem Bedarf f r die Raumheizung und f r das Warmwasser Dabei stellt die Heizung in der Regel den gr ten Verbraucher dar Ein zus tzlicher Unterschied zum Stromverbrauch besteht in dem dynamischen Verhalten der W rmeverbraucher Aufgrund der W rme bergangskoeffizienten und Tr gheit der Wassermassen ergeben sich wesentlich gr ere System Zeitkonstanten f r die W rmeversorgung Hinzu kommt da viele Haushalte ihre W rme ber hauseigene Brenner erzeugen deren Brennstoffeinspeisung nicht elektronisch erfa t wird Die Registrierung des Verbrauchs erfolgt in der Regel ber mechanische Z hlwerke Der Einbau einer elektronischen Registrierung ist im Nachhinein ohne Eingriffe in die Rohrleitungen meist nicht m glich zumal diese Ma nahmen ein Sicherheitsrisiko darstellen k nnen Es existieren jedoch etliche Berechnungsprogramme mit deren Hilfe der W rmebedarf eines Geb udes ermittelt werden kann Die Bestimmung des Energieverbrauchs ber gr ere Zeitr ume ist aber auch mit den eingebauten Z hlern m glich In Deutschland teilte sich der Energieendverbrauch von 9197 PJ im Jahre 1995 wie folgt auf die einzelnen Verbrauchersektoren auf 5 1 Kleinverbraucher 26 9 28 0 17 0 28 1 Tabelle 5 9 Endenergieverbrauch Deutschland 1995 Der Energieverbrauch des Haushaltssektors l t sich weiter nach den
85. durch wird der effiziente Einsatz billigerer einstufiger Turbinen m glich Die elektrischen Leistungen solcher Systeme liegen derzeit etwa zwischen 100 kW und 1 MW 6 9 Interessant in diesem Zusammenhang ist die Frage inwieweit sich diese Erfahrungen auch auf kleine Dampfmaschinen moderner Bauart bertragen lassen f r den hier behandelten Einsatz im Leistungsbereich privater Haushalte Hier besteht eventuell eine Verbesserungsm glichkeit in Kombination mit der Modernisierung von Dampfmaschinen Die Einsatz Rahmenbedingungen in photovoltaischen Hybridsystemen sind dabei aber die gleichen Deshalb bleiben die in dieser Arbeit dargestellten Zusammenh nge auch f r diese Zukunfts Option g ltig Aus diesem Grund beschr nkt sich die folgende Beschreibung auf die allgemeing ltigen maschinenbaulichen Gegebenheiten f r Dampfmaschinen 6 3 Dampfmaschine Die Erkenntnis da Dampfkraft zur Bewegungserzeugung genutzt werden kann ist schon sehr alt Aber erst im Jahre 1695 hat Dionys Papin ein Modell einer Dampfmaschine ausgef hrt wobei er ein Dampfvolumen unter Zugabe von kaltem Wasser kondensierte 1699 wurde dieses Prinzip zur Hebung von Wasser durch Savery genutzt Die erste eigentliche Dampfmaschine wurde 1705 von Newcomen konstruiert James Watt f hrte viele Verbesserungen in der Dampfmaschinentechnik ein Unter anderem automatisierte er das bisher von Hand vorgenommene ffnen und Schlie en der H hne auf mechanischem Wege Weiterhin ba
86. e Abb 7 6 In diesem Fall besteht also die M glichkeit mehr Strom produzieren als f r den Haushalt erforderlich ist um die Batterien zu versorgen Rechnet man sicherheitshalber auch im Oktober mit einem Maximum f r den Haushalt von 0 85 kW so w rde eine Reserve von 34 einer Leistung von etwa 1 2 KW entsprechen Entscheidet man sich f r diese Leistung f r die Dampfmaschine so w rde sie im Mittel mit 0 52 KW zu etwa 50 ausgelastet sein Der regelbare Arbeitsbereich ohne Wirkungsgradeinbu e w rde also zwischen 0 3 und 1 2 kW liegen W hrend der Nachtstunden von 00 00 bis 06 00 Uhr mit einer Anforderung von 0 15 kW betr gt das Strom W rme Verh ltnis etwa 0 05 so da hier ein elektrischer Wirkungsgrad von etwa 4 8 ausreicht Aus diesen Betrachtungen heraus folgt f r allgemeine private Haushalte Richtwert f r die elektrische Leistung des Generators des Hybridsystems P siertrisen Z 12KW 8 11 mit z als Umrechnungsfaktor nach Gleichung 5 13 Der erforderliche mechanische Wirkungsgrad der Dampfmaschine richtet sich nach der Wirkungsgradkette die durch die Verkn pfung mit dem Generator der Batterie und den eingesetzten elektrischen Umrichtern wie Wechselrichter oder Gleichstromsteller Sch tzt man f r den Generator dieser Nennleistung einen Wirkungsgrad von etwa 80 und f r die elektrische Anbindung in der Summe effektiv mit 90 w rde sich f r die mechanische Leistung der folgende Richtwert ergeben Richt
87. e Totpunktposition des Kolbens m glich ist 6 3 Dampfmaschine mit Heizkreislauf 85 In diesem Fall kann kein Drehmoment am Kurbeltrieb wirken F r einen selbst ndigen Anlauf der Maschine sind also mindestens zwei um 90 versetzt arbeitende Kolben erforderlich 6 4 Dampfmaschine mit Heizkreislauf Aus der Notwendigkeit die Abw rme der Dampfmaschine in einem Kondensator abzuf hren ergibt sich die berlegung diesen mit Heizungsanlagen zu verkn pfen Damit m ssen die Erkenntnisse und Strategien die zur Minimierung des Dampfverbrauchs bei der effektive Erzeugung mechanischer Energie f hren auf eine nunmehr kombinierte Energieversrorgung erweitert werden Abgesehen von Heizungsversorgungen bestehen in Industriebetrieben auch andere Einsatzm glichkeiten sowohl f r Dampf als auch f r hei es Wasser Dies gilt zum Beispiel f r chemische und pharmazeutische Betriebe Lebensmittelhersteller Papier und Textilproduktion Die Kraft W rme Kopplung mit Hilfe einer Dampfmaschine hat je nach W rmeauskopplung ber Dampf oder Wasser einen Einflu auf den Druck des Abdampfes und somit auf den Anteil an erzeugter mechanischer Energie Je h her das Temperaturniveau der W rmeauskopplung gew hlt wird desto h her wird der Abnahme Dampfdruck p sein wodurch der mittlere Kolbendruck p reduziert wird Dieser Umstand ist bei der Planung von KWK Anlagen zu ber cksichtigen 86 7 Hybridsystem PV Dampfmaschine mit KWK 7 Hybridsystem PV D
88. e Lagekoordinate x x r cosla LE r sin a 6 36 Mit 7 und dem Prinzip der virtuellen Verr ckung nach D Alembert folgt f r die Beziehung zwischen der Kolbenkraft und der Tangentialkraft an der Kurbel 6 37 F Ra 15 Lee 1 sin a Damit erh lt man f r das Drehmoment M F r und damit f r die momentane mechanische Leistung P mech da M mit T in Abh ngigkeit von amp Die Kolbenkraft ihrerseits ist abh ngig von der momentanen Stellung x und damit auch von amp Es gilt somit 2 F p p n ae B5 Kolbendruck als Funktion von x 6 38 84 6 Kraft W rme Kopplung mit Dampfmaschine Das Drehmoment ist folglich eine Funktion des Drehwinkels amp und ndert sich somit periodisch mit der Stellung des Kolbens Dies gilt ebenfalls f r die Kolbengeschwindigkeit und dessen Beschleunigung Das Drehmoment einer Dampfmaschine schwankt also infolgedessen beim Umlauf der Kurbelwelle um einen Mittelwert den gekuppelte Maschinen im station ren Betrieb aufnehmen Diese Schwankungen rufen nderungen der Winkelgeschwindigkeit und des Energieflusses hervor Die Laufruhe der Maschinen ist durch die Differenz der Extremwerte der Winkelgeschwindigkeiten bestimmt Sie kann durch Vergr erung der Schwungmassen der Maschinen oder durch ndern der Kurbelfolge erh ht werden Zur Berechnung des Schwungrades wird das Drehmoment als Funktion des Kurbelwinkels und daraus die gr te Energie
89. e entnehmbare Ladung Photovoltaik Batterien werden normalerweise zyklisch geladen bei Sonnenschein und entladen bei Nacht und Schlechtwetter Die Zyklenlebensdauer ist definiert als die Anzahl der m glichen stattfindenden Zyklen bis die nutzbare Kapazit t auf 80 der Nennkapazit t abgesunken ist Diese Zyklenlebensdauer h ngt stark von der Zyklentiefe ab Die Zyklentiefe gibt an zu wieviel Prozent der Nennkapazit t der Akkumulator entladen wird Anhand der Spannung bei Standardbedingungen kann der Ladezustand eines Akkumulators gem den folgenden Tabellenwerten bestimmt werden Spannungsbereich gr er als 15 V Ladung unterbrechen Batterie voll 13 5 V 14 1 V normaler Spannungsbereich bei Ladung ohne Verbraucherlast 12 0 V 14 1 V normaler Spannungsbereich bei Ladung mit Verbraucherlast 11 5 V 12 7 V normaler Spannungsbereich bei Entladung 11 0 V Abschalten der Verbraucher Ladung veranlassen Tabelle 2 3 Betriebszust nde eines 12 V Blei Akkus Es ist wichtig die Batterie vor berladung und Tiefentladung zu sch tzen Insbesondere f hrt die Tiefentladung zur Bildung von kristallinem Bleisulfat das die Wiederaufladung stark behindert da es sich nur schlecht und unvollst ndig umwandelt Dadurch nimmt der Akkumulator dauerhaft Schaden Ein berschreiten der Ladegrenzspannung f hrt zur Zersetzung des Elektrolyten wobei Knallgas entsteht Fortgesetztes starkes Gasen kann dem Akkumulator schaden wohingegen eine
90. e h chsten Anforderungen an den Wirkungsgrad der Dampfmaschine stellen sich im Herbst in der bergangszeit vom Sommer zum Winter In dieser Zeit sinkt der Ertrag der PV Anlage bei steigendem Strombedarf aber vergleichsweise langsamer einsetzender Steigerung des W rmebedarfs dessen Maximum im Januar liegt Die Dimensionierung der Dampfmaschine sollte sich nach dem Strombedarf im Winter richten wobei die Auslegungs Leistung nicht gleich einem Tages oder Wochenmittelwert sein sollte Im Interesse eines m glichst hohen Gesamtwirkunggrades ist es sinnvoll die Maschine so gro zu w hlen da sie der Anforderungsdynamik weitestgehend folgen kann Auf diese Weise werden nur die kurzzeitigen Lastspitzen ber die Batterie abgedeckt w hrend der berwiegende Stromanteil direkt zum Wechselrichter oder zur Gleichstrom Schiene weitergeleitet werden kann In diesem Zusammenhang erweist sich das Regelverhalten einer Dampfmaschine als besonderer Vorteil Es ist m glich durch nderungen von Vr die abgegebenen Leistung bis zu einem Viertel der Nennleistung zu variieren ohne da der Wirkungsgrad dadurch nennenswert beeinflu t wird 8 2 Bleibt also das zu erf llende Strom W rme Verh ltnis mit dem Wirkungsgrad vertr glich so sind die erlaubten Betriebsbereiche nach Abb 7 8 jederzeit erf llbar Bei den in dieser Arbeit festgestellten Bedingungen f r einen durchschnittlichen privaten Haushalt k nnen diese Kriterien eingehalten werden Dies bede
91. e mit einem Wirkungsgrad von ungef hr 30 elektrische Energie liefern Dies bedeutet da ca 70 der Prim renergie in Form von W rme in der Regel ungenutzt in die Natur entlassen wird 1 1 Abgesehen von vereinzelten Versorgungen mit Hilfe von Blockheizkraftwerken die verbrauchernah sowohl den Strom als auch die notwendige Heizw rme zur Verf gung stellen erfolgt die W rmeversorgung haupts chlich ber Heizkessel die sich innerhalb der betreffenden Geb ude befinden Eine fl chendeckende Energieversorgung mit kologisch sinnvoller Kraft W rme Kopplung setzt aufgrund der damit verbundenen Rohrleitungssysteme eine dezentrale Versorgungsstruktur voraus im Gegensatz zur gegenw rtigen Systemtechnik Bei der kombinierten Strom und W rmeerzeugung sind dann Wirkungsgrade von fast 90 erreichbar wodurch sich dementsprechend Prim renergie einsparen l t Allerdings stehen den kologischen Aspekten die hohen Investitionskosten f r das W rmenetz entgegen 1 6 4 1 Einleitung und Zielsetzung 1 3 Rationelle Energieverwendung Die ersch pflichen Energiequellen stellen zur Zeit aber wie bereits ausgef hrt nicht mehr lange die wichtigste Versorgungsgrundlage der Menschen dar Man geht mit dieser Energie nicht nur insofern verschwenderisch um als man die nat rlichen Energiespeicher r cksichtslos entleert sondern auch indem man die Energie im allgemeinen mit einem sehr schlechten Wirkungsgrad nutzt Die Erzeugung mechanischer Energie
92. e pa a L ni 1 bar X100 F llvolumen Normierte Leistung bei 6 bar und 100 l min Abb 7 8 Diagramm zur Bestimmung von Arbeitspunkten bei 6 bar Sattdampf Dabei wurde X als Parameter benutzt So bedeutet X200 die normierte mechanische Leistung bei 6 bar Sattdampf f r eine Drehzahl von 200 l min Bei der Drosselung wird dann dieser Wert als konstanter Parameter beibehalten also die Leistung nicht ge ndert Soll die gleiche Leistung bei eingedrosselten 4 bar beibehalten werden so mu die Drehzahl 382 l min betragen bei einem Wirkungsgrad von etwa 10 f r zul ssige Tt lt 0 11 F r die Praxis k nnen diese theoretischen Werte als Anhaltspunkte dienen die sowohl f r die Konstruktion als auch f r eine Inbetriebnahme eine wertvolle Hilfe darstellen 102 7 Hybridsystem PV Dampfmaschine mit KWK Eine detailliertere Zerlegung des Hybridsystems in seine Komponeten und dessen physikalisch mathematische Beschreibung erfolgt im Rahmen der Erl uterungen zum entwickelten Simulationsprogramm 7 5 Regelungskonzept Die Hauptregelstrecken des Hybridsystems bilden die Drehzahlregelung der Dampfmaschine und die Regelung der W rmezufuhr zum Kondensator sowie die Laderegelung der Batterie So wie die Regelung der Drehzahl und der W rmezufuhr systemtechnisch miteinander verkn pft sind ist die Laderegelung sowohl auf die PV Anlage als auch auf die Stromerzeugung durch den Generator abzustimmen Sowohl die Strategie der Laderege
93. e und Vorschriften eingehalten werden Au erdem gelten grunds tzlich die Regeln der Heizungstechnik die entsprechenden DIN Normen VDI Richtlinien die Dampfkessel Verordnung die Technischen Regeln f r Dampfkessel TRD Die VDI 2035 die DIN 4751 Blatt 1 4 und DIN 4752 sind besonders zu beachten 3 5 4 1 Back Up Systeme 43 4 Photovoltaische Hybridsysteme Es werden sowohl die Gr nde f r den Einsatz photovoltaischer Hybridsysteme als auch deren verschiedene Realisierungsm glichkeiten aufgezeigt um das Umfeld darzustellen in dem das untersuchte Hybridsystem bestehend aus PV Anlage und Dampfmaschine mit Kraft W rme Kopplung eingebettet werden kann 4 1 Back Up Systeme Netzunabh ngige Photovoltaikanlagen bestehen in der Regel aus einem Solargenerator der mit einem Energiespeicher gekoppelt is um eine Vergleichm igung der Energieverf gbarkeit zu erreichen Um eine Stromversorgung unabh ngiger vom stochastischen Verhalten des Strahlungsangebots zu erm glichen und die Gr e der PV Anlage sowie die Speicherkapazit t in Grenzen zu halten ist es vorteilhafter die Photovoltaikanlage durch ein zus tzliches Aggregat zur Stromerzeugung ein sogenanntes Back Up System 4 1 zur Unterst tzung zu erg nzen Diese Kombination einer PV Anlage mit einem Back Up System zu einer aufeinander abgestimmten Gesamtanlage bezeichnet man dann als Hybridsystem 4 2 Back Up Systeme k nnen zum Beispiel sowohl Diesel oder Fl ssiggasmotor
94. eben wird W hrend der Verdampfung zwischen x 0 und x 1 bleibt die Temperatur des Gemisches konstant gleich der Siedetemperatur Die dazugeh rige jeweilige Enthalpie ist dann h h x r feuchter oder nasser Dampf 6 20 Die Verdampfungsw rme nimmt mit steigendem Druck ab und verschwindet am kritischen Punkt mit p 221 29bar 375 15 C Wird nach Erreichen des Sattdampfzustands weiter erhitzt so steigt die Temperatur wie es den allgemeinen Gasgesetzen entspricht Die Enthalpie w chst dann n herungsweise mit 6 0 0 h h c 7 P P mittlere W rmekapazit t 6 21 In analoger Weise seien hier N herungsformeln f r die Entropien zusammengestellt T 2 Entropiezunahme zum Sieden 6 22 vd min s Ta Entropie des Sattdampfes 6 23 S S S xX Entropie des Na dampfs 6 24 N T S S C pn IN 2 Entropie des Hei dampfs 6 25 N N Zur praktischen Berechnung sind die Formeln die sich auf gemittelte W rme kapazit ten beziehen wenig geeignet 6 6 74 6 Kraft W rme Kopplung mit Dampfmaschine Die W rmekapazit ten sind stark druck und temperaturabh ngig und die Mittelung ist sehr umst ndlich Besser ist es die verf gbaren umfangreichen Tabellenwerke und T s oder h s Diagramme zu benutzen 6 7 Im allgemeinen kann man davon ausgehen da die Entspannung in der Dampfmaschine oder Turbine entsprechend Abb 6 2 im Zweiphasengebiet endet und das
95. efinitionen i Elektrischer Wirkungsgrad elektrische Wirkleistung elektrisc j nn Netekrisch Brennstoffw rmeleistung i Thermischer Wirkungsgrad thermische Leistung u 3 2 TN ihermisch Brennstoffw rmeleistung F r die Bewertung des gesamten Prozesses fa t man diese zum Gesamtwirkungsgrad zusammen iii Gesamtwirkungsgrad elektrische Wirkleistung thermische Leistung n gesamt Brennstoffw rmeleistung Netektrisch TNihermisch 3 3 n gesamt Eine weitere wichtige und n tzliche Kenngr e ist die sogenannte Stromkennzahl Diese ist wie folgt definiert iv Stromkennzahl E elektrische Wirkleistung 3 4 thermische Leistung Die KWK Anlage sollte nun so betrieben werden k nnen da eine Variation und Anpassung der Stromkennzahl bei m glichst hohem Gesamtwirkungsgrad erfolgen kann um allen wechselnden Belastungsf llen und Anforderungen der Verbraucher gerecht zu werden Da auf diese Art und Weise der Brennstoff optimal genutzt wird sind Gesamtwirkungsgrade um 90 m glich 3 3 Blockheizkraftwerke und Heiz Kraft Anlagen 35 3 3 Blockheizkraftwerke und Heiz Kraft Anlagen Die naheliegendste M glichkeit die anfallende W rme von Kraftwerken zu nutzen besteht darin sie ber entsprechende Rohrleitungen als Fernw rme zum Verbraucher zu transportieren Dieses Prinzip hat jedoch einige systembedingte Nachteile Dazu geh ren zum einen die W rmeverluste in den Leitungen sowie d
96. einen berblick ber Energieverbr uche einzelner Verbraucher wie sie von einer Durchschnittsfamilie verursacht werden 5 3 Ger t Energieverbrauch Jahr kWh a Beleuchtung Trockner Waschmaschine TV Video Radio 450 Tabelle 5 3 Stromverbrauch einiger Haushaltsger te Der Stromverbrauch und Lastverlauf der Haushalte h ngt von verschiedenen Faktoren ab Da ist vor allem der meteorologische Einflu aber auch die Hell Dunkel Stunden der Wochentag Feiertage und Urlaubsreisen sind von Bedeutung Auch k nnen die Tagesverl ufe durch zuf llige einmalige Ereignisse wie K lteeinbruch Verfinsterung oder zum Beispiel Fernsehsendungen atypisch ver ndert werden 5 4 Mn VE BE u A Da Ze er er Er ZA NN TE E ga l ae LE E E N E E E N p 1 a a a E PLR p a g a o a e a a a O er n Damme ame E O O E E OKT NOV DEZ JAN FEB MRE APR MAI JUN JUL AUG SEP Abb 5 1 T glicher Stromverbrauch eines Durchschnittshaushaltes 5 2 54 5 Energieverbrauch eines Privathaushalts Der saisonale Stromverbrauch zeigt h here Verbrauchswerte in der kalten Jahreszeit als im Sommer Dieser jahreszeitlichen Schwankung wird noch ein Wochentag Einflu berlagert Hierbei zeigen sich wiederkehrend h here Werte an den Samstagen wobei dieser Mehrverbrauch ebenfalls im Winter st rker ausgepr gt ist Diese Jahresganglinie f r den durchschnittlichen Haushalt kann im Hinblick auf die Zielsetzung dieser Arbeit
97. eines Dampfprozesses ber Turbinen mechanische Arbeit an Generatoren verrichtet Bei l und Gas k nnen auch direkt Gasturbinen eingesetzt werden Neuere Konzepte favorisieren GuD Kraftwerke mit kombiniertem Gas und Dampfturbinenproze aufgrund des vergleichsweise besseren energetischen Nutzungsgrades In Deutschland werden derzeit dabei haupts chlich heimische Energietr ger eingesetzt wobei 50 ungef hr je zur H lfte auf Stein und Braunkohle entf llt Die Kernenergie hat einen Anteil von ca 35 den Rest erbringen der Rangfolge entsprechend im wesentlichen Gas eingef hrte Energie Wasserkraft und l 1 5 Knapp 99 der ffentlichen Stromversorgung wird von ca 1000 Energie versorgungsunternehmen EVU gew hrleistet die sowohl f r die Erzeugung den Transport als auch f r die Verteilung sorgen Diese Unternehmen geh ren zu ungef hr 2 3 dem Verband Deutscher Elektrizit tswerke VDEW an Die fl chen deckende Versorgung Deutschlands erfolgt durch neun berregionale Unternehmen die in der Deutschen Verbundgesellschaft zusammengeschlossen sind In anderen Industriestaaten ist die Stromversorgung st rker zentralisiert wie zum Beispiel in Frankreich durch das staatliche Unternehmen EDF In England existiert nur eine Gesellschaft f r das Versorgungsnetz welche die Verbindung zwischen Kraftwerksgesellschaften und den Verbrauchern bernimmt Zur reinen Stromerzeugung werden haupts chlich gro e zentrale Kraftwerke errichtet di
98. emperatur des Kondensat R cklaufs Der Sollwert dieser Temperatur wird entweder vom Heizregelkreis oder vom Hei wasser Regelkreis nachgef hrt bis ausreichend W rme zur Verf gung steht Dies geschieht also mit Hilfe einer sogenannten Kaskaden oder Folgeregelung 7 11 Wird zum Beispiel eine Hei wassertemperatur von X C erw nscht so liegt die Kondensatr cklauf Temperatur mit Sicherheit dar ber Geht man bei dem Hei wasser von einer Zweipunktregelung 7 11 aus so wird bei einem Absinken der Temperatur auf X AT C der W rmetauscher hierf r freigeschaltet Der Sollwert f r den Kondensatr cklauf mu dann auf X 2AT C gesetzt werden und solange gehalten bis das Hei wasser X AT C erreicht hat Bei dem Heizkreislauf hingegen kann stetig mit einer hinreichend langsamen nach oben begrenzten Sollwertnachf hrung im Kondensatr cklauf die erforderliche variable Vorlauftemperatur erreicht werden Diese Vorlauftemperatur wird in der Regel mit Hilfe hinterlegter Kennlinien der Au en Lufttemperatur angepa t Somit ergibt sich ein kontinuierlicher Regelproze F r den Fall da beide W rmekreise also Heizung und Hei wasser gleichzeitig aktiv sein m ssen ist f r den Sollwert des Kondensatr cklauf das Maximum von Hei wasser Temperatur Heizung Vorlauftemperatur anzusetzen Diese Proze f hrung erlaubt w hrend der Phasen mit m glicher niedriger Kondensatr cklauf Temperatur also weniger W rmebedarf einen Betrieb der Da
99. en Energietr gern wie Erdgas Erd l Stein oder Braunkohle Diese sind gespeicherte Biomasse welche vor Jahrmillionen durch die Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie entstanden sind Die Vorr te dieser Energietr ger sind begrenzt da es keine nat rlichen Vorg nge gibt die diese auch nur ann hernd im zeitlichen Rahmen des Verbrauchs wieder erzeugen k nnten Sparma nahmen sind deshalb unerl lich k nnen aber den Zeitpunkt bis zur Ersch pfung lediglich hinausz gern Aktuelle Sch tzungen zeigen da die Reichweiten der fossilen Energieressourcen etwa ein bis zwei Menschenleben betragen Diese Erkenntnis zwingt uns unsere Energie versorgung gravierend umzugestalten 1 1 Da die derzeitige Versorgungsstruktur ber einen langen Zeitraum organisch gewachsen ist haben sich dementsprechend komplexe Verflechtungen sowohl technisch als auch wirtschaftlich und politisch herausgebildet Dies hat zur Folge da nicht durch einfache Entscheidungen und Ma nahmen rasche Ver nderungen erzielt werden k nnen In Anbetracht dieser Rahmenbedingungen ist es unerl lich sofort mit intensiven nderungsbem hungen auf jeder Ebene zu beginnen und aufrechtzuerhalten um nicht in ein zeitliches Energieversorgungsloch zu geraten was sicherlich zu erheblich mehr Schwierigkeiten und Risiken f r die Menschheit f hrt als die jetzt auszutragenden Interessenkonflikte um unsere Energieversorgung nachhaltig umzugestalten Einen weiteren nicht mi
100. en als auch Wind oder Wasserkraftanlagen oder auch Kombinationen davon sein F r das sinnvolle Zusammenspiel dieser Teilsysteme sind diese Hybridsysteme mit einer bergeordneten Steuerung auszustatten Diese sollte zum einen die gew nschte Stromversorgung effizient erm glichen und zum anderen au er der PV Anlage auch den eventuell zus tzlich genutzten Energietr gern Wind oder und Wasser Priorit t einr umen insbesondere wenn ein Back Up System mit kohlenstoffhaltigen Brennstoffen betrieben wird Dadurch wird nicht nur ein m glichst rationeller Einsatz der Brennstoffe erzielt sondern auch die CO Emmisionen minimiert Der Einsatz fossiler Brennstoff sollte nach M glichkeit ganz vermieden werden Insbesondere bei dem Einsatz von Back Up Systemen mit thermischen Prozessen empfiehlt sich die Einbindung des Kraft W rme Kopplungs Prinzips falls W rme verbraucher vorhanden sind 4 2 Aktuelle Systeme Das derzeit gr te Marktpotential f r derartige Hybridsysteme liegt in den Entwicklungs und Schwellenl ndern Bei der Weltjahresproduktion von Photovoltaikmodulen nimmt dieser Markt seit einigen Jahren einen Anteil von mehr als 85 ein In Deutschland hingegen spielen Inselsysteme im gr eren Leistungsbereich bisher eine untergeordnete Rolle da aufgrund der weitgehenden Netzerschlie ung netzferne Verbraucher wie zum Beispiel Bergh tten vereinzelte Ausnahmen darstellen 4 3 44 4 Photovoltaische Hybridsysteme Dabei findet man
101. en in Gebieten mit ausreichender Direkteinstrahlung in diese Strukturen ist denkbar 4 11 4 5 Einsatzbereiche f r Hybridsysteme Der Einsatz von Hybridsystemen kann aus unterschiedlichen berlegungen heraus vorgenommen und motiviert werden So kann man zum Beispiel die Photovoltaik anlage als Erg nzung zu einem Diesel Aggregat betrachten um damit den Verbrauch an fossilem Brennstoff zu reduzieren Solche Inselanlagen zur Stromversorgung lassen sich auch in Container Bauweise als mobile Systeme konzipieren 4 12 und sind somit besonders geeignet f r Entwicklungshilfeprojekte Heute haben in etwa zwei Milliarden Menschen ein Drittel der Erdbev lkerung keinen Anschlu an eine elektrische Energieversorgung Hier besteht die M glichkeit ohne die hiesigen Umstrukturierungsschwierigkeiten von vornherein ein weitestgehend regeneratives Versorgungssystem aufzubauen 4 10 4 5 Einsatzbereiche f r Hybridsysteme 51 W hrend dieser Aufbauphase wird man im Zuge des wirtschaftlichen Wachstums der betroffenen L nder in absehbarer Zeit wahrscheinlich noch nicht ganz auf fossile Energietr ger verzichten k nnen Aus diesem Grund sollte ein der Aufbau von Versorgungen mit regenerativer Energie so rasch wie m glich vorangetrieben werden Bei dem Aufbau von Hybridsystemen in diesen Schwellen und Entwicklungs l ndern kann nicht nur wertvolle Erfahrung gewonnen werden sondern auch aufgrund des dortigen Marktpotentials und des damit verbundenen Ab
102. enden relativen nderungen gewonnen werden Mi a m ho Po Xi 0 h h P Xo und mit An n n sowie AX X X ergibt sich 1 n An hen chen 7 19 Xo h P N p h h P 104 7 Hybridsystem PV Dampfmaschine mit KWK Man erh lt also eine Geradengleichung der Form y ax b bez glich der relativen Drehzahl nderung in Abh ngigkeit von der relativen Leistungs nderung F r AX 0 also bei konstanter Leistung gilt An n h hy Jo Po aj 7 20 Mo h h i P Der Zustand 1 ergibt sich hier aus Zustand O durch Bet tigen des Drosselventils ET t Pe 2 ee peje a e Tabelle 7 1 Relative Drehzahl nderung X const und 1 bar Kondensatordruck L uft die Maschine hingegen bei konstantem Dampfzustand so vereinfacht sich die Beziehung zwischen der relativen Drehzahl nderung und der relativen Leistungs nderung zur quivalenz und damit An AX AP X P mech mech O 7 21 Soll dabei die Drehzahl konstant bleiben so ist mit Hilfe der Drosselung eine Korrektur ber den Dampfzustand erforderlich Mit der Beziehung P M und P mpy s h kann in analoger Weise eine Gleichung zur relativen Drehmoment nderung hergeleitet werden p hi P AM h o h h M 7 22 0 Bei einer Drosselung von 6 auf 5 bar bei Ibar Kondensatordruck w rde sich das Drehmoment um 24 8 reduzieren In der Praxis wird die Drehbewegung
103. enerator Steller Laderegelung Batterie Stromverbraucher PV T Dampfmaschine Generator Gleichrichter Wechselrichter Dampferzeuger W rmetauscher W rmeverbraucher Abb 1 2 Vereinfachtes Verfahrensschema des Hybridsystems Nat rlich m ssen die Gr nde f r die Entscheidung zugunsten einer bestimmten Technik in erster Linie auch wissenschaftlich abgesichert werden So ist ein durchschnittliches j hrliches Verh ltnis des Strom zu W rmeverbrauchs von ungef hr eins zu zehn f r private Haushalte ein wesentliches Kriterium f r den Einsatz der Dampfmaschine mit R cksicht auf deren Wirkungsgrad von etwa 10 15 Der Einsatz der Dampfmaschine ist dabei haupts chlich im Winter erforderlich wohingegen die Photovoltaik im wesentlichen die Sommermonate nutzen soll Prim r l t sich mit diesem System aufgrund der Kombination von Photovoltaik mit der Kraft W rme Kopplung in erheblichem Umfang Brennstoff einsparen In Zukunft jedoch ist der vermehrte Einsatz von COz3 neutraler Biomasse anzustreben welche aus Effizienzgr nden m glichst in fester Form eingesetzt werden sollte und dies ber m glichst kurze Transportwege 1 3 Damit empfiehlt sich sowohl der Einsatz von dezentralen Kraft W rme Kopplungssystemen als auch die externe Verbrennung Beiden Forderungen kann die Dampfmaschine gerecht werden 1 11 1 7 Gliederung der Arbeit 9 Zur Erarbeitung der Dimensionierungsgrundlagen des Hybridsystems wird das Verbrauchsverhalten ei
104. er abgearbeitet wobei der bergang zum n chsten Schritt meist mit einer R ckmeldung als Best tigung f r die Erf llung einer gesetzten Bedingung eingeleitet wird Wenn ein eigentlicher station rer Arbeitszustand erreicht wird werden mehrere innere Schritte in einer bedingten Schleife permanent ablaufen Weiterschaltbedingungen k nnen sowohl interne Signale aufgrund erreichter Zust nde sein als auch externe wie zum Beispiel manuell ber ein Display gesetzte Die Verarbeitung der Me signale und Eingaben sowie die Realisierung des Programmablaufs kann mit Hilfe einer entwickelten u Controller gest tzten Steuerungseinheit mit Display erfolgen Die Darstellung der wesentlichen stattfindenden Vorg nge bei den einzelnen Verfahrensschritten erfolgt in einer in der Verfahrenstechnik h ufig gew hlten Form f r Programmvorgaben wie im folgenden Programmablauf beschrieben Manuelle Vorbereitungen Sichtkontrolle Brennstoffzufuhr erm glichen Wasseranschlu ffnen vorhandene Absperrventile ffnen 0 Hybridsystem Programm starten manuell Steuerung Hochlauf mit Selbsttest Vorwahl Heizung ja nein manuell Eingabe permanent m glich Vorwahl KWK ja nein manuell Eingabe permanent m glich Eingabe frei w hlbarer Sollwerte manuell Eingabe permanent m glich Laderegelung als permanentes Unterprogramm aktivieren 1 Dampferzeuger einschalten Druckerh hungspumpe f rdert Verdampfung l uft Druck
105. erend So betr gt die maximale Abweichung vom Mittelwert im Sommer 5 7 und im Winter 8 7 F r durchschnittliche Haushalte betr gt der Mittelwert f r den t glichen Stromverbrauch einer typischen Sommerwoche 7 439 kWh und f r eine typische Winterwoche 10 123 kWh Die Werte f r allgemeine Haushalte k nnen auch hier durch Multiplikation mit dem Skalierungsfaktor z erhalten werden Die folgenden tabellarischen Aufstellungen schl sseln den Stromverbrauch einer Woche auf Dabei wurde ein repr sentativer Wochenverlauf sowohl f r den Sommer als auch f r den Winter herausgearbeitet 5 1 Stromverbrauch 55 Die ermittelten Werte wurden auf der Grundlage einer 15 Minuten Mittelung f r einen durchschnittlichen deutschen Haushalt festgestellt 5 2 Do osso ms mue Tabelle 5 4 Typischer Wochenverbrauch eines Haushalts im Sommer gt Mittelwert Sommer 7 439 kWh Tag Max Min 0 75 kWh Max Wert Uhrzeit Verbrauch kWh Mo 0 700 19 15 10 354 Di 0 790 19 15 9 993 9 708 Co form wo f om om was m Tabelle 5 5 Typischer Wochenverbrauch eines Haushalts im Winter gt Mittelwert Winter 10 123 kWh Tag Max Min 1 3 kWh Aufgrund der relativ geringen Schwankungen um diese Mittelwerte im Laufe der Woche wird die alleinige Charakterisierung des Wochenverbrauchs durch den mittleren Wert hier als ausreichend betrachtet F r allgemeine Haushalte ergeben sich somit f r repr sentative Sommer und Winter Wochen die folgen
106. erf llender mechanischer Leistung ist bei eingedrosselten Dampfzust nden die Drehzahl zu erh hen da zum einen die Dichte des Dampfes in etwa proportional zum Druck abnimmt und zum anderen die Differenz h _ h kleiner wird Somit sinkt einerseits die Arbeitsf higkeit des Dampfes und gleichzeitig wird je Hub weniger Masse in das F llvolumen eingelassen Da die Regelung der W rmekreisl ufe mit dem Kondensatr cklauf verkn pft ist wird die Kondensatortemperatur je nach den gew nschten Vorlauftemperaturen schwanken 7 5 Regelungskonzept 103 Diese Temperaturschankungen erzeugen eine Drehzahl nderung aufgrund der damit verbundenen Wirkungsgrad nderung Soll die Anlage bei konstanter Drehzahl betrieben werden so kann hier das Korrekturverhalten mit Hilfe der Drosselung abgesch tzt werden n 1 min Drehzahl Drosselung 6 bar 1000 900 800 Kondensator 700 Druck 600 a par 0 8 bar 500 0 6 bar 400 0 4 bar 300 0 1 bar 200 100 0 0 1 2 3 4 5 6 Druck hinter dem Drosselventil bar Abb 7 9 Einflu der Drosselung auf die Drehzahl bei X100 Um die relative Drehzahl nderung bei Drosselung zu bestimmen zum Beispiel von einer Drehzahl n bei 6bar auf n lt n betrachte 30 X 30 X See N a h h Po i h h Pi N n h h o Po X mn h hh Pi Xo 7 18 Daraus kann eine Aussage ber die sich ergeb
107. erf r wird zun chst eine repr sentative Energieverbrauchs Charakteristik eines durchschnittlichen Haushalts herausgearbeitet sowohl f r Strom als auch f r W rme Damit l t sich jeweils ein typischer auslegungsrelevanter Sommer und Wintertag darstellen Daraus resultiert die erforderliche Kenntnis ber den Verlauf des zu erf llenden Strom W rme Verh ltnisses Nach diesen f r den Einsatz von Kraft W rme Kopplungen erforderlichen Lastganganalysen wird nach einem kurzen berblick ber die thermodynamischen Grundlagen der Dampfkraftproze beschrieben gefolgt von einer Abhandlung ber die Funktionsweise einer Dampfmaschine Daran schlie en sich die mehr ergebnisorientierten Ausf hrungen an Zun chst werden die f r das Hybridsystem erforderlichen Komponenten aufgelistet erl utert und zu einem Verfahrensschema zusammengef gt Danach wird der in gegenseitiger Abstimmung dazu errichtete Versuchsaufbau dargelegt Die grundlegende Funktionsweise der KWK Anlage wird physikalisch modelliert und somit einer mathematischen Beschreibung zug nglich gemacht Insbesondere die wechselseitigen Beziehungen zwischen den ausschlaggebenden Parametern werden im Hinblick auf das erzielbare Strom W rme Verh ltnis aufgedeckt Die ausgearbeiteten Regelungs und Steuerungs Vorschl ge werden dargelegt und begr ndet Hierf r wird die Verhaltensweise des Systems bei gezielten nderungen der m glichen Einflu gr en eingehend analysiert und dargele
108. ertvolle Erkenntnisse f r weitergehende Entwicklungen bis zum tats chlichen praktischen Einsatz eines solchen Hybridsystems Mit Hilfe der Systemanalyse konnten die Bedingungen f r einen energetisch ausgeglichenen Betrieb der Kraft W rme Kopplung hergeleitet werden Dieser sich daraus ergebende erlaubte Arbeitsbereich l t sich in einem Diagramm zusammenfassend darstellen Auf der Grundlage der experimentellen Erfahrungen mit einem Versuchsaufbau und der physikalischen Analyse wurden die erforderlichen Komponenten f r das Hybridsystem zusammengestellt und ein Verfahrensschema erstellt F r den praktischen Betrieb eines solchen Hybridsystems wurde aufbauend auf die gesammelten Erfahrungen mit dem Versuchsaufbau und der Simulation ein Regelungs und Steuerungskonzept entwickelt Nachteilig f r die Untersuchen war der Umstand da derzeit auf dem Markt keine moderne Dampfmaschine der in Frage kommenden Leistungsklasse verf gbar ist Deshalb mu te auf ein historisches Modell zur ckgegriffen werden 142 9 Zusammenfassung und Ausblick Die eingesetzte alte Maschine ist von der Zeit gezeichnet und Konnte daher vorerst im wesentlichen nur qualitativen prinzipiellen Versuchen dienen Diese Tatsache beeintr chtigte aber die gesteckte Zielsetzung nicht denn die grundlegenden Eigenschaften von Dampfmaschinen sind hinl nglich bekannt Aus diesem Grund st tzt sich das Konzept f r die Betriebsweise eines solchen Hybridsystems w
109. es Grenzwertes in der Gr enordnung von 1 10 bleiben Allgemein formuliert bedeutet das f r den im Mittel t glich mindestens aufzubringenden Energieertrag der PV Anlage f r einen durchschnittlichen privaten Haushalt in kWh d 2T 2T gt d dv d 8 4 P py 2 8 6 1 6 of 3 a V jisaH 30 E d 0232 8 4 Diese Bedingung stellt sozusagen die untere Grenze f r die Gr e der PV Anlage dar in Abh ngigkeit von d und somit auch vom Gesamtwirkungsgrad der KWK Anlage 8 1 Photovoltaikanlage 129 Zur Bestimmung der erforderlichen PV Anlagenleistung kann mit Hilfe der Gleichung 8 4 eine Kurvenschar f r den rechten Term bez glich des Parameters V gezeichnet werden dem die Ertragskurven f r Vielfache einer IKW Anlage gegen bergestellt werden k nnen Greift man in dieser Darstellung eine bestimmte Grenzkurve f r ein beliebiges v heraus so ist die Ertragskurve der 1KW PV Anlage mit einem Faktor zu skalieren bis die Grenzkurve gerade noch davon eingeschlossen wird Nur dann ist sichergestellt da die KWK Anlage mit einem erf llbaren Strom W rme Verh ltnis von V soviel Strom erzeugen kann da in der Summe der Tagesbedarf an Energie gedeckt werden kann kWh d Ermittlung der PV Leistung 10 Abb 8 1 Bestimmung der PV Anlage f r durchschnittlichen Privathaushalt Die Grenzkurve mit dem Parameter v 0 0 entspricht der Jahresganglinie des Stromverbrauchs f r durchschnittlichen privaten Haushalt
110. eschwindigkeit gilt dann _ Mom T 7 10 V Pom Die mechanische Leistung der Dampfmaschine Abb 6 2 erh lt man mit Pai Mpu h h 7 11 Bei der Ventildrosselung bleibt die Enthalpie h erhalten Energieerhaltung so da h po 7 h pT 7 12 Durch die Drosselung und die damit verbundenen Druck und Temperatur nderungen erh lt man eine Entropiezunahme also einen neuen Wert f r die Entropie s die beim idealen Dampfkraftproze w hrend der Expansion konstant bleibt Dadurch ndert sich auch h und somit auch der Wirkungsgrad h h 2 h h Drosselung 6 bar Sattdampf 25 n 56 Kondensator Fi Druck 60 1 bar 15 7 a 0 4 bar x 0 6 bar 0 8 bar E ZH Eoi 0 1 2 3 4 5 6 Druck hinter dem Drosselventil bar Abb 7 7 Einflu der Drosselung auf den idealen Wirkungsgrad n mit Ah lp t Tan 5 5 013 100 7 Hybridsystem PV Dampfmaschine mit KWK Eliminiert man mpy aus den obigen Gleichungen so erh lt man letztlich f r die Drehzahl folgenden Zusammenhang 30 P mech 30 P ecn 7 14 Vz Pom h Da ee s z s Pan Vr Pom h zu h l l n min Um eine von der Maschinenbauart unabh ngige Gleichung zur Verf gung zu haben ist es sinnvoll die mechanische Leistung auf das F llvolumen zu beziehen 30 X n min 7 15 Pom h h Mit Hilfe des Wirkungsgrades l
111. esentlich auf die Simulation mit dem Rechner und der damit verbundenen physikalischen Beschreibung Somit versteht sich diese Arbeit im wesentlichen als grundlegende systemtechnische Untersuchung im Sinne einer Machbarkeitsanalyse die als aufbauf hige Basis f r weitergehende Entwicklungsarbeiten dienen kann Auf der Basis von Erfahrungswerten eines durchschnittlichen privaten Haushalts f r den W rme und Stromverbrauch konnten die daf r erforderlichen Komponenten f r das Hybridsystem dimensioniert werden Bis zu einem tats chlichen realen Einsatz eines derartigen Hybridsystems in privaten Haushalten sind noch etliche Entwicklungsarbeiten erforderlich Prim r ist die Konstruktion einer modernen Dampfmaschine Dampfkolbenmotor f r eine Leistung bis 5 kW zu nennen Hierbei m ssen die F higkeiten und Erkenntnisse des heutigen Maschinenbaus genutzt werden um eine Maschine zu erhalten die im Vergleich zur historischen Maschine klein und kompakt ist Damit zusammenh ngend bildet die Entwicklung eines mit vornehmlich mit fester Biomasse betriebenen Dampferzeugers der ber eine f r das Hybridsystem ausreichende Teillastf higkeit verf gt eine weitere zu l sende Aufgabe F r die Erreichung dieser Zielsetzungen kann auf bereits vorhandene Erfahrungen mit gr eren Dampfmotoren zur ckgegriffen werden denn derzeit werden in Bayern immerhin 40 aller Kraft W rme Kopplungen f r Holzbrennstoffe mit Dampfkolbenmotoren betrieben
112. esigen oder vergleichbaren klimatischen Verh ltnissen mit Hilfe eines Hybridsystems bestehend aus PV Anlage und Dampfmaschine mit Kraft W rme Kopplung ganzj hrig autark mit Energie zu versorgen Da das Arbeitsmittel Dampf dabei mit Hilfe einer externen Verbrennung erzeugt wird besteht eine gr tm gliche individuelle Freiheit bez glich der Wahl des Brennstoffes Somit kann durch den Einsatz von Biomasse vornehmlich in fester Form eine vollst ndig regenerative Energieversorgung erm glicht werden Im Rahmen der durchgef hrten systemtechnischen Untersuchung wurde das Energieverbrauchsverhalten eines durchschnittlichen privaten Haushalts in Deutschland aufgezeigt und mit dem Strahlungsangebot der Sonne korreliert Die Lastganglinien privater Haushalte sowohl f r Strom als auch f r W rme sowie die zeitlichen nderungen der Sonneneinstrahlung wurden analysiert und einer mathematischen Darstellung zug nglich gemacht Daraus ergibt sich ein berechenbares Anforderungsprofil f r die Energieerzeugung mit Hilfe einer Dampfmaschine mit Kraft W rme Kopplung Ausgehend von einem maximalen elektrischen Wirkungsgrad von etwa 10 f r die Kraft W rme Kopplung wurde das Gesamtsystem f r private Haushalte dimensioniert Ein experimenteller Versuchsaufbau mit einer historischen Dampfmaschine erg nzt durch ein erstelltes Simulations Computerprogramm sowie durch eine eingehende physikalische Analyse der technischen Zusammenh nge liefern w
113. espeichers k nnen nach dem Stand der Technik realisiert werden Im Unterschied zu Heizkesseln mit l oder Gas werden hier die Kreisl ufe ber Dampf W rmetauscher versorgt die vom Brenner r umlich getrennt sind W hrend die Temperatur des Warmwasserspeichers als konstanter Sollwert meist selbst gew hlt werden kann ergibt sich die Vorlauftemperatur f r den Heizkreislauf in der Regel aufgrund von definierten Heizkurven nach der Au entemperatur 7 3 7 1 Komponenten des Hybridsystems 89 Eine m gliche Umschaltung der Heizung auf einen Nachtbetrieb um Energie zu sparen bewirkt wiederum ein anderes Temperaturniveau Im Unterschied zu den blichen Heizkesseln empfiehlt sich bei der KWK mit Dampfmaschine der Einsatz von zwei getrennten W rmetauschern f r Heizung und Warmwasser Diese W rmetauscher stellen aus der Sicht der Maschine Kondensatoren dar deren Kondensationstemperatur mit dem dazugeh rigen Druck den Wirkungsgrad deutlich beeinflu t siehe Abb 6 6 Um den Kondensatordruck vom Gegendruck oder Atmosph rendruck zu entkoppeln sind im Kondensatr cklauf Pumpen einzusetzen Eine Kurzschlu leitung sollte vorgesehen werden um die Leitung zur Maschine freizublasen und aufheizen damit beim Anfahrvorgang nicht Wasser in den Kolbenzylinder gedr ckt wird und die Bewegung behindert Die Wahl des Generators h ngt von mehreren Faktoren ab Dazu geh rt die erreichbare Drehzahl der Dampfmaschine und deren Stabilit t sowie die Fra
114. ezielt W rme in der richtigen Gr enordnung zu entziehen wohingegen die Versorgung des Heizk rpers nur des Prinzips wegen und aus Demonstrationsgr nden erfolgt Somit besteht der Warmwasser W rmetauscher aus 5 parallel geschalteten Elementen und derjenige f r die Heizung nur aus einem Diese Austauschfl chen haben sich als ausreichend erwiesen die vom Dampferzeuger lieferbare W rme abzuf hren Der Warmwasserkreislauf besteht aus 3 4 Rohren w hrend f r die Heizung 1 2 Rohre benutzt wurden Beide Kreisl ufe sind mit Entl ftungen und berdruckabsicherungen versehen 96 7 Hybridsystem PV Dampfmaschine mit KWK Letztere sind wichtig da im Falle eines Stopps die Restw rme in den Austauschern noch nachwirkt so da sich der Druck in geschlossenen Leitungen aufgrund der Inkompressibilit t des Wassers drastisch erh ht und zu Zerst rungen f hren kann Dies gilt insbesondere deshalb weil hier auf den Einsatz von Ausdehnungsgef en wie sie f r reale Heizungsmontagen blich sind verzichtet wurde Da f r den Heizkreislauf die Konvektionsvorg nge ausreichen um einen Betrieb zu demonstrieren wurde im Gegensatz zum Warmwasserkreislauf hier auf eine Kreislaufpumpe verzichtet Die im Warmwasserkreislauf eingesetzte Pumpe ist eine handels bliche Heizungspumpe und f rdert in der dritten einstellbaren Stufe etwa 1600 l h Dieser Kreislauf versorgt einen 50 1 Warmwasserspeicher der f r eine Warmwasser Dauerleistung von 22 kW
115. ft W rme Kopplung betrachtet n PosT P mech h Pmin Abb 7 6 Prinzipdarstellung der Hauptfunktionen der KWK Anlage Der Frischdampf Energieflu O der vom Dampferzeuger geliefert wird teilt sich ber die Drosselventile V und V zwei Teilstr me auf zur Dampfmaschine O sowie zum direkt zum W rmetauscher Oy Als Bezugsniveau gilt die Enthalpie des Kondensats h p so da bei idealer Proze f hrung von der im folgenden ausgegangen werden soll der Wert von die eingangs aufzubringende Gesamtleistung darstellt Den realen Bedingungen kann im Nachhinein durch G tefaktoren Rechnung getragen werden 98 7 Hybridsystem PV Dampfmaschine mit KWK Auf diese Weise bleiben die Vorg nge transparent und die einzelnen realen Verlust Effekte k nnen leichter separat zugeordnet werden da diese meist auch auf praktischen Erfahrungswerten basieren Unter diesen Voraussetzungen kann eine einfache Energiebilanz aufgestellt werden Es gilt daher 3 Oon Or Zen On 7 3 Nachdem ein Teil des Energieflusses zur Dampfmaschine in mechanische Energie umgesetzt wurde verl t ein Abw rmestrom O die Maschine und vereinigt sich mit zur Abgabe der W rmeleistung O Oyr zu s 1 4 F r den Wirkungsgrad nn und die Kennziffer der mechanischen Energie 7 gilt P E ec Eiz n mech mech T Zmech 7 5 Opm Porh Q Qy Um einen sinnvollen Betrieb der KWK Anlage zu garantieren sollte be
116. g mit W rmeenergie Abgesehen von Wasserkraftwerken wird derzeit der elektrische Strom in der Regel mit Hilfe des Wasserdampf Kreislaufs ber den Antrieb von Turbinen erzeugt welche ihrerseits die damit erzeugte mechanische Energie an Generatoren zur Strom erzeugung weitergeben Die bei diesem Proze anfallende Kondensationsw rme wird dabei im allgemeinen ungenutzt in die Umwelt entlassen 3 1 Der aktuelle Beitrag den die Nutzung von Wind und Sonnenenergie in der Summe leistet ist im Vergleich zu den oben genannten Prozessen noch sehr bescheiden und deshalb noch vernachl ssigbar 3 2 Bei der Energieversorgung hat die elektrische Energie einen besonderen Stellenwert da sie leicht zu transportieren ist einfach zu verteilen und problemlos und sauber genutzt werden kann Da der Energiebedarf in den Sommermonaten geringer ist als im Winter und ebenfalls tageszeitlichen Schwankungen unterliegt mu die Stromerzeugung dem augenblicklichen Bedarf st ndig angepa t werden Da die elektrische Energie in gro en Mengen nicht direkt speicherbar ist setzt dies eine ausreichende Kraftwerksreserve voraus Kond Kraftwerk 32 BET Abb 3 1 Stromversorgung mit Kondensationskraftwerk Prim renergie el Die hierf r erforderliche Voraussch tzung der Belastung und Aufstellung eines darauf beruhenden Einsatzplans f r die Kraftwerke bernehmen die Lastverteiler der EVUs 32 3 Kraft W rme Kopplung Hierbei sind s
117. ge ob der Generator auch direkt mit den Verbrauchern verbunden werden soll oder gar Netzeinspeisung stattfinden soll Bei einer Kolbenmaschine ist mit periodischen nderungen des Drehmoments zu rechnen die sich auch auf den Generator bertragen k nnen Es kann notwendig sein den Generator kurzzeitig auch als Motor zu betreiben um der Dampfmaschine Anlaufunterst tzung zu geben Bei einer Einkolben Maschine ist dies unumg nglich Aus diesen Gr nden empfiehlt sich ein Asynchrongenerator mit bidirektionalem Wechselrichter zur Gleichrichtung im Generatorbetrieb und R ckspeisung mit Wechselrichterfunktion f r den Motorbetrieb Ein weiterer sich daraus ergebender Vorteil ist eine netzfrequenz ungebundene Wahl der Drehzahl ber die Gleichrichtung werden die Batterien aufgeladen die sowohl Gleichstromverbraucher als auch ber einen Wechselrichter die Wechselstrom Verbraucher versorgen k nnen Dieser Wechselrichter k nnte auch zur Netzeinspeisung dienen Zur ladezustandsgerechten Batterieaufladung ist das System mit einer Laderegelung zu versehen Der Batterieanschlu stellt das Bindeglied zwischen der Photovoltaikanlage und der KWK dar ber einen Laderegler mit MPP Tracker erfolgt die Stromlieferung der PV Anlage Dieser Laderegelung ist durch die Betriebsablaufsteuerung Priorit t einzur umen damit die Dampfmaschine nicht voreilig die Batterie f llt und damit mehr Brennstoff als n tig eingesetzt wird Eine effektive Abstimmung der St
118. ger der auf eine Energiequelle angewiesen ist dessen momentane Verf gbarkeit weitestgehend durch den Zufall bestimmt wird Diese Zufallsabh ngigkeit ist eine Folge der meteorologischen Gegebenheiten die lokal den Gesetzm igkeiten der Chaos Theorie gehorchen Im Gegensatz dazu ist ein steuerbarer Erzeuger bei ausreichender Versorgung mit Prim renergie in Bezug auf seine Verf gbarkeit determinierbar In diesem Fall hat der Mensch die M glichkeit ber eine Steuerung die Verf gbarkeit selbst festzulegen Innerhalb jeder Gruppe k nnen auch mehrere verschiedene Erzeuger kombiniert werden Dabei ist hier die Einbeziehung dieser Zusatzerzeuger Gruppen jeweils als Option zu verstehen d h entweder stochastisch oder steuerbar oder beides Unter einem stochastischen Erzeuger sei hier eine von nat rlichen Prozessen abh ngige Energiewandlung gemeint Zu den stochastischen Erzeugern z hlen abgesehen vom Basiselement Photovoltaik folgende Erzeuger Windkraftanlage Kleinst Wasserkraftanlage Solarkollektoren nur W rme Solarkollektoren k nnen zur teilweisen Deckung des W rmebedarfs eingesetzt werden stehen aber in der Regel in Fl chenkonkurrenz zur Photovoltaik falls die verf gbare Fl che begrenzt ist Ausnahmen bilden sogenannte Hybridkollektoren 4 4 die sowohl photovoltaisch als auch w rmeliefernd arbeiten k nnen Entwicklungen dazu sind jedoch noch nicht ausgereift F r die steuerbaren Erzeuger bildet in der Regel au
119. gt Das Steuerungskonzept beinhaltet die Beschreibung eines m glichen Programmablaufs zum automatischen Betrieb des Hybridsystems Das entwickelte Simulationsprogramm rundet die gewonnenen Erkenntnisse soweit ab da ein konkrete Dimensionierung eines Hybridsystems f r private Haushalte vorgenommen werden kann Dabei werden die Ganglinien der Haushalts anforderungen mit dem Energielieferverhalten der Kraft W rme Kopplung und der PV Anlage korreliert um eine ausreichende Abdeckung zu gew hrleisten Abschlie end gibt eine Zusammenfassung einen berblick ber die wesentlichen Erkenntnisse M glichkeiten und Einsatzgrenzen der Hybridsystems gefolgt von einem Ausblick mit einigen Bemerkungen zu m glichen zuk nftigen Entwicklungen 2 1 Sonneneinstrahlung auf der Erdoberfl che 11 2 Photovoltaik In dem folgenden Kapitel werden die wesentlichen physikalischen und technischen Grundlagen der photovoltaischen Stromerzeugung dargestellt wie sie f r das Verst ndnis und den Aufbau von Photovoltaikanlagen nach dem heutigen Stand der Technik von Bedeutung sind Die Photovoltaikanlage stellt eine wesentliche Komponente des untersuchten Hybridsystems dar Abgesehen von einigen grundlegenden Darstellungen sind die hier aufgef hrten Zusammenh nge und Fakten mit R cksicht auf die hierf r im Vordergrund stehende Systemtechnik ausgew hlt worden da sie wichtige Dimensionierungsgrundlagen f r den Aufbau eines solchen Systems bilden 2 1 Sonnenei
120. h geschehen sondern mu sukzessive dem Energieflu folgend mit Hilfe der sich bei der Simulationsrechnung ergebenden bergabewerte vorgenommen werden Die sich ver ndernde Situation bei Parameter nderung wird sofort sichtbar so da diese Vorgehensweise durchaus recht z gig zum Ziel f hrt Zus tzlich k nnen f r die elektrischen Komponenten und den Solargenerator Wirkungsgradkennlinien in Abh ngigkeit von der Auslastung hinterlegt werden Wechselrichter Wechselrichter Konfiguration Wirkungsgrad bgabeleistung Nennleistung w 107 3000 Wirkungsgrad File JEN PaT 8 Ende a ni ale 0 0 o2 o4 os os 10 Pfad C simulationY wirkungsgrad Wirkungsgrad Wechselrichter txt Abb 7 18 Kennlinie Wechselrichter Die Energieverbr uche wie auch die augenblickliche Sonneneinstrahlung k nnen einfach ber Zeiger an den Sinnbildern mit Hilfe der PC Maus verstellt werden Im Gesamtbild er Anlage Abb 7 19 werden die Verl ufe der Auswirkungen die sich bei vorgenommenen Parameter nderungen f r die Komponenten ergeben im unteren Abschnitt ber eine Grafik Auswahl ber einer sich selbst ndig skalierenden Zeitachse dargestellt Auf diese Weise kann man einen Gesamt berblick ber den gesamten betrachteten zeitlichen Verlauf erhalten und kann das Verhalten der einzelnen Bestandteile der Anlage vergleichend gegen berstellen um ein besseres Verst ndnis f r die gegenseitigen Wechselwirkungen zu bekommen 124 7
121. hkeit zeitgleich Strom und W rme in der gew nschten Gr enordnung halbwegs kontinuierlich zur Verf gung stellen zu k nnen Dies w rde auch eine geringere Notwendigkeit f r einen W rmespeicher zur Folge haben Diese Fragestellungen werden im n chsten Kapitel zur Dimensionierung der Anlage genauer betrachtet 7 7 Simulation des Hybridsystems Um eine verfeinerte Auslegung bez glich der Komponenten in gegenseitiger Abstimmung vornehmen zu k nnen wurde ein Simulationsprogramm entwickelt das die Funktionsweise nach Vorgabe von Dimensionierungsgr en in Bezug auf Massen und Energiestr men aufzeigen kann Somit ergibt sich ein wertvolles Hilfsmittel zur Auslegung einzelner Komponenten bei gleichzeitiger Bilanz berpr fung In Kombination mit den praktischen verfahrenstechnischen Versuchsaufbauten und den daraus gewonnen Erfahrungen steht eine recht solide Basis zur Dimensionierung solcher Hybridsysteme zur Verf gung Au erdem kann dieses Programm als Grundlage f r ein ausbauf higes Expertensystem dienen das im Rahmen denkbarer zuk nftiger Entwicklungen und Pilotprojekte zu einem schlagkr ftigen Instrument ausreifen kann Dieses Simulationsprogramm wurde mit dem Softwarepaket LabView der Fa National Instruments erstellt Die Programmiersprache G ist graphisch im Gegensatz zu den blichen textorientierten und arbeitet mit bildlichen Struktogrammen die direkt compiliert werden ohne den Umweg ber eine Textkonvertierung Zur
122. hrig mit Photovoltaik zu erzeugen In diesem Fall ist das von der KWK Anlage zu erf llende Strom W rme Verh ltnis v 0 so da nur noch W rmeerzeugung stattfinden mu In diesem Extremfall ist also keine KWK mehr erforderlich und es ergibt sich f r die PV Anlage v 00 gt 8 20 20 kWier 8 8 Dies ist sicherlich keine sinnvolle Variante da der damit im Sommer erreichbare Energieertrag mehr als das zehnfache der ben tigten Menge betragen w rde ganz abgesehen von dem Fl chenbedarf und den sonstigen damit verbundenen Aufwendungen 8 1 Photovoltaikanlage 131 Man erkennt aber auf diese Weise recht gut da es hier keine eindeutig zu bevorzugende L sung gibt Richtet sich zum Beispiel die Dimensionierung der PV Anlage nach der unteren Grenze so entspricht dies einer maximalen Auslastung der Dampfmaschine Verschiebt man andererseits den gew nschten Energieertrag ber die Photovoltaik nach oben in Richtung oberer Grenze so wird die Maschine in zunehmendem Ma e entlastet Es ist also m glich hier in einem gewissen Spielraum eine Abw gung zwischen den Stromerzeugern vorzunehmen die unter Ber cksichtigung aller sonstigen auch individuellen Rahmenbedingungen und Aufwendungen ein gewisses Optimum in Bezug auf die Versorgungssicherheit darstellt Um einen Richtwert f r dieses Optimum zu erhalten sei f r das von der Dampfmaschine lieferbare Strom W rme Verh ltnis ein Wert von v 0 1 angenommen Dieser Wert ist wie berei
123. i der Auslegung und Betriebsf hrung darauf geachtet werden da keine bersch ssige W rme erzeugt wird Dies setzt voraus da der Abw rmestrom aus der Dampfmaschine nicht gr er ist als der vom Verbraucher angeforderte W rmestrom werden kann Maximal d rften beide W rmestr me den gleichen Wert besitzen Dann w re der durch den Bypass zugef hrte W rmestrom gleich Null Damit ergibt sich f r den erlaubten Betriebsbereich die mathematische Bedingung l1 Or z0 e Qy s Pen zO 7 6 Damit kann die folgende Bedingung aufgestellt werden 7 7 Diese rein thermodynamische Bedingung soll nun mit Maschinen Parametern korreliert werden Hierf r m ssen zun chst die Zusammenh nge zwischen den thermodynamischen Gr en und der Drehzahl der Maschine aufgezeigt werden F r den W rmestrom zur Dampfmaschine gilt nach der Drosselung durch das Ventil V er mp h Er ls i Vou P 7 8 mit oul pT Vom Pi T Volumenstrom m h 7 4 Physikalische 99 Bei jeder Umdrehung des Kurbeltriebs der Dampfmaschine wird der Zylinder zwei V gef llt Abb 6 7 Dies ist das durch die Schieberventile mechanisch festgelegte Einla volumen das in Folge expandieren kann Damit erh lt Q O V a a 7 9 Von Idealisierend wird hier und im folgenden angenommen da das Volumen V unabh ngig von Druck und Drehzahl voll genutzt wird und somit der tats chlich erfolgenden F llung entspricht F r die Winkelg
124. ibendes Strom W rme Verh ltnis das von der Dampfmaschine erf llbar sein sollte 8 6 1 6 2a 2Fa d gt 0 gt COS 365 Zi 2T 15 4 78 36 1 d 0 232 co 8 10 O4 py Damit ergibt sich die zu erf llende Jahresganglinie Jahresganglinie Strom W rme Verh ltnis mit 2kW y PV Anlage Oa Pv 0 1 0 08 ER ne a D D T E E S D NE A A E E BENANNTEN PEET INN CI EEEE CTER EAEE ZINN S ATO 0 06 I PER En VONE NN MEN Pan Ve EEE SEE SEEEEEENER eh ee N 00 En EHER 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1l 12 Abb 8 3 Verbleibendes Strom W rme Verh ltnis mit 2kW er PV Anlage Auch hier spiegelt sich die Unsymmetrie der W rmelastkurve in Bezug auf die Jahresmitte in verst rkter Form wieder Wie man deutlich erkennt ist das von der Dampfmaschine zu erf llende Strom W rme Verh ltnis im Mittel jederzeit kleiner als 0 1 so da der Einsatz dieser Maschine mit R cksicht auf den Wirkungsgrad unproblematisch ist Der erforderliche maximale mittlere elektrische Wirkungsgrad der Dampfmaschine liegt hier bei etwa 0 066 Dieser Wert ist im guten Einklang mit dem in der Abb 5 8 erkennbaren Mittelwert f r den Tagesgang des Strom W rme Verh ltnisses f r einen typischen Wintertag 8 2 Dampfmaschine 135 Ausnahmen die durch kurze Stromspitzen auftreten k nnen werden ber die Speicherbatterie abgefangen Wie Tabelle 5 8 zeigt betrifft dies einen relativ kleinen Prozentsatz der Gesamtenergie Di
125. ie Energieverluste zur berwindung der Str mungs Druckverluste als auch die durch den baulichen Aufwand entstehenden Kosten Zudem reicht die Abnahme der W rmemenge auf diese Art wie bereits oben erw hnt meist im Sommer nicht aus um die f r den Kraftwerksbetrieb erforderliche K hlleistung zu gew hrleisten Aus diesen Gr nden ist diese L sung nur in Spezialf llen wirtschaftlich und kologisch sinnvoll einsetzbar Dazu geh rt zum Beispiel die Bereitstellung industrieller Proze w rme an nahegelegene Betriebe mit einer entsprechend hohen und relativ kontinuierlichen Abnahme KWK Anlagen die mit Turbinen betrieben werden erzeugen elektrische Energie berwiegend im Megawatt Leistungsbereich und werden daher zur zentralen W rmeversorgung eingesetzt Diese Kraftwerke werden auch als Heizkraftwerke HKW bezeichnet und versorgen h ufig gr ere Geb udekomplexe wie ffentliche und kommunale Einrichtungen mit W rme 3 6 Ebenso k nnen gro e Industrieanlagen sowohl mit Strom als auch mit W rme gleichzeitig versorgt werden Eine derartige Kraft W rme Kopplung hat zwar eine Reduktion des elektrischen Wirkungsgrades zur Folge daf r ergibt sich aber ein hoher Gesamtnutzungsgrad Zentrales HKW 55 Fernw rme Abb 3 2 Zentrales HKW mit Fernw rme Prim renergie Um Kraftw rmekopplung fl chendeckender einsetzen zu k nnen bieten sich kleinere dezentrale Einheiten an die verbrauchernah stationiert werden
126. ie erneuerbaren Energien problemlos den gesamten Weltenergiebedarf decken 1 2 Abgesehen von den Fragestellungen zum Aufbau einer darauf abgestimmten zuk nftigen Energiewirtschaft ist zu kl ren welchen Anteil die unterschiedlichen erneuerbaren Energien erhalten werden um eine zur fossilen Versorgung vergleichbare Verf gbarkeit von Energie erreichen zu k nnen 6 1 Einleitung und Zielsetzung 1 5 Photovoltaische Hybridsysteme Die Sonnenstrahlung als die mit Abstand gr te regenerative Energiequelle kann direkt ber photovoltaische Systeme zur Stromerzeugung genutzt werden Die Photovoltaik zeichnet sich durch vielseitige Einsatzm glichkeiten aus und hat vor allem den Vorteil eines modularen Aufbaus Das Strahlungsangebot f r eine Photovoltaikanlage wird zum einen durch den gesetzm ig determinierten zeitlichen Verlauf des Sonnenstands und zum anderen durch die stochastischen meteorologischen Standortbedingungen beeinflu t Dies bedeutet da die Auslegung einer solchen Anlage sich auf statistische Einstrahlungsdaten st tzen mu um die sehr starken tageszeitlichen und jahres zeitlichen Schwankungen zu ber cksichtigen Dies gilt insbesondere wenn eine netzunabh ngige Versorgung gew hrleistet werden soll in diesem Fall spricht man dann von Inselanlagen Solche Inselanlagen sind in der Regel mit einem ausgleichenden Batteriespeicher ausgestattet um ein gleichm iges Energieangebot zur Verf gung stellen zu k nnen Mit z
127. iertem Betrieb Dieser Betriebsweise wird nur in Ausnahmef llen realisiert und ist in der Regel durch gravierende nderungen im Verbraucherverhalten bedingt Diese Art der Anpassung an die den beiden umschaltbaren Betriebs zust nden entsprechenden Lastanforderungen stellt erh hte Anforderungen an die Me und Regeleinrichtungen sowie die berwachung F r die Versorgung privater Haushalte mit Hilfe photovoltaischer Hybridsysteme mit KWK sind diese Unterscheidungen bei deren Auslegung und Betriebsweise von Bedeutung Denn der jahreszeitliche Wechsel zwischen Sommer Winter und bergangszeiten bedingt starke nderungen im Verbraucherverhalten 34 3 Kraft W rme Kopplung Die Betriebsf hrung der Kraftmaschine hier Dampfmaschine mu diesen Verh ltnissen gerecht werden Diese Hybridsysteme lassen sich somit eher der Betriebsart c zuordnen Der jeweils erforderliche Betriebszustand mu durch die System Steuerung erkannt und ausgel st werden Das in dieser Arbeit vorgestellte Steuerungskonzept f r ein PV Hybridsystem mit Dampfmaschine zur Kraft W rme Kopplung verdeutlicht diese erforderlichen Betriebszustands Umschaltungen wobei eine klare Differenzierung nach jeweils einer der beiden Betriebszust nde nicht m glich ist In Anlehnung an die drei grunds tzlich unterscheidbaren Betriebszust nde k nnen Wirkungsgrade definiert werden die eine Bewertung der Arbeitsweise erm glichen Also ergeben sich die folgenden Wirkungsgradd
128. in elektrische Temperaturdifferenz Jahresleistung Durchschnitt Tagesleistung Durchschnitt Tagesleistung Energiestr me Wellenl nge Frequenz Strahlungskonstante Temperatur Fl che Jahr Proportionalit tsfaktoren Grundfl che Amperestunden Koeffizienten Air Mass PV Fl che Blockheizkraftwerk Vacuum Lichtgeschwindigkeit W rmekapazit t Koeffizient Proportionalit tsfaktor Akkumulator Kapazit t Kohlendioxid W rmekapazit ten Diode Tag Durchmesser Durchflu Index f r Dampf Index f r Dampferzeuger Deutsche Industrie Norm Verwendete Formelzeichen und Bezeichnungen vii DM e Ey gt En Eo E Esolar EDF E Es EU EVU F F FF Fn Fs Fr Fk G G GTO uD IGBT Ik Iupp Irn Is J J kJ PJ k k AS J m W m W m P gt gt J K W R K Index f r Dampfmaschine elektrische Elementarladung spektrale Strahlungsintensit t fl chenbezogene Strahlungsleistung Electricit de France Energiedifferenz Schwungrad Energie Europ ische Union Energieversorgungsunternehmen Kraft Freie Energie F llfaktor Kr fte Freie Enthalpie Generator Gate Turn Off Thyristor Gas und Dampfturbinenanlage Planck sche Konstante Stunde spezifische Enthalpie Enthalpie Ventilhub Wasser Schwefels ure Heizkraftanlage Heizkraftwerk spezifische Enthalpie von Na dampf Herz Frequenz Einheit elektrische Stromst rke Z hlindizes Diodenstrom Isolated Gate
129. in erheblichem Umfang auch Kraft W rme Kopplung eingesetzt wird 1 10 Dies verschafft einen Zeitaufschub der dann intensiv f r den Ausbau einer vollst ndig regenerativen Energieversorgung genutzt werden mu 1 6 Zielsetzung der Arbeit 7 Konsequenterweise sollten letztlich dann auch die Kraft W rme Kopplungen mit nachwachsenden Rohstoffen arbeiten Wenn diese nicht schon von vornherein so konzipiert werden so sollten sie hierf r ohne gr eren Aufwand umr stbar sein Ber cksichtigt man weiterhin da Kraft W rme Kopplung weitgehend dezentrale Versorgungsstrukturen impliziert scheinen photovoltaische Hybridsysteme mit Kraft W rme Kopplung im besonderen Ma e geeignet die gesteckten Ziele zu erreichen oder zumindest einen erheblichen Beitrag zu leisten Derartige Systeme k nnten in Zukunft im Verbund mit den anderen oben genannten regenerativen Quellen wie zum Beispiel der Windkraft in einem vielf ltigen Energie Mix das bisherige fossile Versorungssystem ersetzen 1 6 Zielsetzung der Arbeit Diese Arbeit zeigt die M glichkeit auf Privathaushalte mit einem Hybridsystem bestehend aus einer Photovoltaikanlage mit einer Dampfmaschine f r die Kraft W rme Kopplung autark sowohl mit Strom als auch mit W rme zu versorgen Dabei wird von den hiesigen klimatischen Verh ltnissen ausgegangen Eine autarke Versorgung stellt eine h here systemtechnische Herausforderung dar als eine netzgekoppelte Version Gelingt jedoch das autar
130. ine Berechnungsgrundlage der erforderlichen Kenndaten f r die PV Anlage des Hybridsystems zu erhalten ist zun chst die jahreszeitliche Korrelation zwischen der beschriebenen Verbrauchscharakteristik eines durchschnittlichen privaten Haushalts und dem Stromerzeugungs Verlauf einer PV Anlage aufzuzeigen Die zu erwartenden Ertragswerte einer PV Anlage k nnen mit Hilfe der mittleren Globalstrahlungswerte wie sie in der DIN 4710 Meteorologische Daten zur Berechnung des Energieverbrauchs von heiz und raumlufttechnischen Anlagen auf der Grundlage gemessener Werte verf gbar sind abgesch tzt werden Diese Werte basieren auf Messungen die sich ber einen Zeitraum von bis zu 10 Jahren und mehr erstrecken Man findet dort die Ergebnisse f r Berlin Braunschweig Hamburg M nchen und Trier F r die folgenden Absch tzungen ist es sinnvoll daraus einen repr sentativen Schnitt f r die Jahres und Tages Ganglinien herauszuarbeiten und diese auf die mittlere Jahressumme der Globalstrahlung von 1000 KWh m Jahr zu normieren Damit ergibt sich eine Absch tzungsgrundlage f r hiesige sowie vergleichbare klimatische Verh ltnisse 20 3 Miz ss onoo o o 4603 142 7 5197 155 9 154 0 Summe 1000 kWh m a Tabelle 8 1 Gemittelte und genormte Globalstrahlung in Deutschland 128 8 Dimensionierung f r einen Privathaushalt Diese Art der Normierung erlaubt ein einfaches Umrechnen der im folgenden hergeleiteten Zusammenh nge auf ortsa
131. ine bew hrte Technik zur ckgegriffen wie sie f r den Antrieb von Elektrofahrzeugen eingesetzt wird Dieses Prinzip bietet sich geradezu in idealer Weise auch f r den Einsatz in dem Hybridsystem an Kernst ck dabei ist ein Bidirektionaler Wechselrichter 7 10 3 Phasen Dieser wandelt zum einen die 48 Volt Gleichsspannung der Batterien in Wechselspannung f r den Motorbetrieb und zum anderen den im Generatorbetrieb erzeugten Wechselstrom in Gleichstrom Das bersetzungs verh ltnis f r den Keilriemen Antrieb des 1 3 kW Generators betr gt f r die gro e Maschine 3 1 7 4 Physikalische Modellierung 97 Auf n here Einzelheiten des Funktionsprinzips wird im Rahmen der Beschreibung des Steuerungskonzepts eingegangen Auf den Einsatz eines Wechselrichters zur Versorgung elektrischer Verbraucher kann hier im Rahmen der Zielsetzung verzichtet werden da sich der Verbrauch von elektrischer Energie auch mit Hilfe ohmscher Widerst nde direkt mit Gleichstrom realisieren l t Die Me technik der Anlage ist entsprechend des Verfahrensschemas ausgef hrt und wird im Rahmen des Regelungs und Steuerungskonzepts eingehender behandelt Bei der Verkabelung wurden wie es in verfahrenstechnischen Anlagen blich ist aus Sicherheitsgr nden Kabelschutzrohre eingesetzt 7 4 Physikalische Modellierung Der bersichtlichkeit halber wird f r die folgende Analyse der physikalisch mathematischen Gesetzm igkeiten des Systems nur das Kernst ck der Kra
132. ine mit KWK Standardm ig sind im praktischen Aufbau fast alle Me signale als 4 20 mA Stromsignale ausgef hrt Bei der Kondensatr cklauf Temperatur Regelung wird das Stellventil im Bypass angesteuert V2 in Abb 7 6 um eine korrigierende Ventil Hub nderung einzuleiten F r Temperaturregelungen sind in der Regel PI Regler ausreichend H ufig gibt man sich auch mit 2 Punkt Regelungen zufrieden wobei zwischen definierten Grenzwerten einer Temperaturhysterese ein Heizvorgang bei T max aktiv ist und bei T min wieder ausgeschaltet wird gt ber den Bypass Von der Dampfmaschine e v2 vi I TIC WT 1 Warmwasser Me es er E E Speicher v3 aa ER me ei ZH v4 2 Heizung TIC Steuerung u Controller zer zur Speisewasservorlage Abb 7 14 Prinzip der Warmwasser Heizungsregelung Die obige Darstellung zeigt das Prinzip zur Regelung des W rmebedarfs 7 5 Regelungskonzept 111 Die Warmwasserversorgung und Heizung wurden ber verschiedene W rmetauscher realisiert Abweichend zum experimentellen Aufbau ist dieses Schema ausf hrlicher ausgef hrt da im Gegensatz zum Versuch die Heizung im Mittel den dominierenden W rmeverbraucher darstellt F r experimentelle Untersuchungen zum Steuerungskonzept kann der Warmwassserspeicher alternativ auch einen Heizungsbetrieb darstellen Ein hie
133. itspunkt einstellt auch bei Variation der Einstrahlung In diesem Fall reicht eine einfache Laderegelung aus 2 2 2 3 Die Komponenten eines PV Systems und Stand der Technik 27 MPP Tracker Die zuvor erl uterten Spannungswandler erm glichen es am Solargenerator eine andere Spannung einzustellen als an dem Verbraucher Dadurch gelangt man unabh ngig von der momentanen Belastung in die N he des MPP wenn man idealen Betrieb voraussetzt Abgesehen von starken Einfl ssen durch Abschattungen die mehrere relative Leistungsmaxima zur Folge haben k nnen hat die Temperatur den gr ten Einflu auf den optimalen Arbeitspunkt Aus diesem Grund ist es sinnvoll den momentanen MPP automatisch zu erfassen und die Spannungsverh ltnisse darauf einzuregeln Dies kann der sogenannte MPP Tracker leisten Hierbei kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz wie sensorgesteuerte Regelung Regelung mit Hilfe einer Referenzzelle Suchschwingverfahren Nulldurchgangsverfahren Methode der differenziellen nderung oder das Kennlinienverfahren Sind mehrere lokale Leistungsmaxima m glich ist es sinnvoll die U I Kennlinie spannungsgesteuert linear innerhalb eines Spannungsintervalls durchzufahren und die gemessenen Leistungen zu speichern Dann wird der Arbeitspunkt auf das absolute Leistungsmaximum eingestellt Zus tzlich k nnen dann noch Schwankungen um diesen gefundenen Punkt ausgeregelt werden Wechselrichter Wenn durch das Inselsystem au
134. ke Prinzip so garantiert ein Verbund vieler solcher Systeme mit einer h heren Wahrscheinlichkeit ein statistisch ausgeglichenes Energieangebot f r alle Teilnehmer Die Entscheidung die Kraft W rme Kopplung mit Hilfe einer Dampfmaschine zu realisieren mag zun chst etwas provokant anmuten fehlt dieser Technik doch die psychologische Verkn pfung mit dem Qualit tsmerkmal High Tech wie man es bei modernen Entwicklungsaufgaben zu suchen pflegt Aber gerade Entwicklungen die sich mit einer der Natur besser angepa ten Energieversorgungstechnik befassen d rfen nicht ausschlie lich nach rein technischen Bewertungskriterien begutachtet werden wie man es von der heutigen industriellen Produktentwicklung kennt Dort bildet ein hoher High Tech Standard auch ein wichtiges Marketingelement Dies soll aber nicht bedeuten da der Stand der Technik aus der Anfangsphase der industriellen Revolution bernommen werden soll Selbstverst ndlich ist davon auszugehen da ein solches Hybridsystem letztlich mit einer modernen Dampfmaschine auszustatten ist welche dem heutigen Entwicklungsstand des Maschinenbaus gerecht wird Ein beeindruckendes Beispiel einer derartigen Entwicklungsgeschichte welches dazu ermutigt ltere Technologien aufzugreifen ist der Aufbau der modernen Windkraftanlagen an deren Anfang ebenfalls der R ckgriff auf historische Modelle stand 8 1 Einleitung und Zielsetzung Energieversorgung f r Sommer und Winter PV G
135. keit erforderlicher Wirkunggrad und Regelbarkeit von Strom und W rme haben zu der Entscheidung beigetragen ein PV Hybridsystem mit Dampfmaschine zur Versorgung privater Haushalte in Betracht zu ziehen 42 3 Kraft W rme Kopplung 3 5 Einsatzvoraussetzungen f r KWK Vor der Entscheidung eine KWK Anlage einzusetzen und dessen Auswahl sowie Auslegung mu im allgemeinen eine komplexe Systemanalyse der zu versorgenden Verbrauchers vorgenommen werden 3 5 Hierf r existieren etliche Fachvorschriften und Richtlinien wobei insbesondere die VDI Richtlinie 2067 zu nennen ist Zun chst einmal sind die Bedarfswerte sowohl f r Strom als auch f r W rme zu erfassen wie Leistungen Bedarfsgr en z B Jahresarbeit Tages Wochen Monats Jahresganglinien Nutzerparameter Temperatur Druck elektrische Leistungsgr en u Die Messungen sind ber repr sentative Zeitr ume durchzuf hren um daraus typische Ganglinien zu ermitteln Einen entscheidenden Einflu hat auch die Frage ob ein Netz Parallelbetrieb oder Inselbetrieb realisiert werden soll Aus den aufgenommenen Ganglinien sind die Gleichzeitigkeiten von Strom und W rme Bezug herauszuarbeiten Ein weiterer wichtiger Faktor ist der verf gbare Brennstoff Im Fall externer Verbrennung betrifft dies die Auswahl und Auslegung des Brenners F r Aufstellung und den Betrieb einer KWK Anlage m ssen selbstverst ndlich die energierechtlichen und umweltrelevanten Gesetz
136. l 7 7 noch einmal n her eingegangen Abb 7 21 Es ist also zu empfehlen die Stromerzeugung kontinuierlich zu gestalten also m glichst nicht viel h her als der mittlere Bedarf aber auch nicht so wenig mehr da ein Versorgungsdefizit auftreten Kann Mit anderen Worten der Anteil an direkt genutztem Strom sollte so hoch wie m glich liegen Nicht minder wichtig in diesem Zusammenhang sind die Eigenschaften von einsetzbaren Dampferzeugern Wird der Brenner eines Verdampfers wie wohl anzustreben ist mit fester Biomasse betrieben so ist dessen Regelbarkeit und Teillastf higkeit in diese berlegungen mit einzubeziehen Denn im Gegensatz zu Gasen oder Fl ssigkeiten sind feste Brennstoffe in der Regel nicht vergleichbar gut zu dosieren zumal Holz st ckgut bei der Biomasse einen nicht unerheblichen Anteil hat 7 1 Deshalb spricht auch dieser Gesichtspunkt f r eine dezente stetige Betriebsweise der Dampfmaschine Dies stellt einen wesentlichen Unterschied zu der blichen Betriebsweise von derzeitigen Hybridsystemen mit Verbrennungsmotoren Dieselmotor Gasmotor dar deren Eins tze bei kurzfristigen Ladevorg ngen effektiver sind 7 15 7 7 Simulation des Hybridsystems 119 Betrachtet man die herausgearbeiteten Lastganglinien eines durchschnittlichen privaten Haushalts f r einen typischen Sommer und Wintertag so erkennt man hier unschwer ein gutes Ma an Gleichzeitigkeit von Strom und W rme Somit besteht hier eine gute M glic
137. lfe eines Magnetventils ge ffnet werden kann Abb 7 2 Diese Leitung dient zum einen dazu beim Anfahrproze die Rohrleitungen aufzuheizen um das sich in kalten Rohren bildende Kondensat nicht in die Maschine zu schieben was den Anlauf behindern w rde Zum anderen kann im Fehlerfall bei Absperrung des Dampferzeugers sofort der Druck in den Leitungen abgebaut werden Der Abdampf der Dampfmaschine kann ber eine absperrbare Leitung direkt zum Dampferzeuger zur ckgef hrt werden damit kurzzeitige Testfahrten und Kontrollen durchgef hrt werden k nnen unabh ngig von den anderen Komponenten F r solche Zwecke ist alternativ auch ein Luftdruckanschlu eingebaut worden um auch ohne Dampf arbeiten zu k nnen oder um die Maschine und die Leitungen ausblasen zu k nnen Die regul re 1 Abdampfleitung wird von der Maschine zu den parallel geschalteten W rmetauschern f r Hei wasser und die Heizung gef hrt Vor dem Eintritt in die beiden W rmetauscher befindet sich noch die Eintrittsstelle f r den bereits beschriebenen 1 2 Bypass Die W rmetauscher sind selbstgebaut und bestehen aus konzentrisch gef hrten Kupferrohren 15 mm und 22 mm Ein Rohrw rmetauscherelement ist etwa 1 20 m lang i J r l Abb 7 5 R hren W rmetauscher Element Die effektive Austauschl nge betr gt lm Der Hauptw rmetauscher des Versuchsaufbaus versorgt den Warmwasserbeh lter weil hier die M glichkeit besteht ber den Warmwasser Anschlu g
138. lischer Gr en quivalent zu den ersten beiden Haupts tzen folgt dU Q W 6 1 und Q T dS f r reversible Vorg nge 6 2 sowie Q lt T dS f r irreversible Vorg nge 6 3 Dies besagt da eine nderung der Inneren Energie U im allgemeinen sowohl mit einem Entropieflu Q genannt W rme als auch mit der Verrichtung von Arbeit W verbunden ist Wesentlich dabei ist auch die Erkenntnis da damit auch die M glichkeit W rme und Arbeit gegenseitig ineinander umzuwandeln gegeben ist F r technische Anwendungen ist es wichtig sich in diesem Zusammenhang zu verdeutlichen was hier unter Arbeit zu verstehen ist Arbeit kann sowohl im System verbleiben als auch nach au en abgegeben werden Arbeit u ert sich in der Regel als Raum nderungsarbeit W und als Technische Arbeit W W pdv Nm und W V ap Nm 6 4 vi pl Bei der Nutzung technischer Arbeit macht man sich eine krafterzeugende Druck nderung dp zunutze wobei in Folge durch Bewegung Kinetische Energie auch eine Volumen nderung dV im System erfolgt Dies zeigt die enge Verkn pfung dieser Energien F r technische Anwendungen ist insbesondere die Bilanz zwischen zugef hrter W rme und geleisteter technischer Arbeit von Bedeutung 6 1 Thermodynamische Grundlagen 69 Thermodynamische Prozesse zur Erzeugung mechanischer Arbeit nutzen dazu fluide Medien Der thermodynamische Zustand solcher Medien ist durch die Angabe zweier Gr en eindeutig bestimmt Die da
139. llung des Verfahrensschemas ist ein Hybridsystem realisiert worden In diesem Abschnitt sollen die verwendeten Ger te und Aufbauten beschrieben werden Der experimentelle Aufwand zur Photovoltaik Komponente hat im Hinblick auf die gesetzten Ziele eine eher sekund re Bedeutung da hierf r der Stand der Technik als Ausgangsbasis betrachtet wird Somit liegt das Hauptaugenmerk auf dem Aufbau der Kraft W rme Kopplung mit der Dampfmaschine F r die Einbindung der Photovoltaik bestehen im Prinzip zwei M glichkeiten entweder die Einbindung der realen PV Anlage der FernUniverisit t oder der Einsatz eines PV Generator Simulators Aufgrund der r umlichen Trennung der PV Anlage vom Versuchsaufbau wurde auf eine direkte Einbindung dieser Anlage verzichtet Au erdem w rde sich daraus eine Abh ngigkeit von der augenblicklichen Wetterlage ergeben die sich bei dem Einsatzes eines Simulators umgehen l t Somit wird der Einsatz eines Solargenerator Simulators 7 5 mit einer maximalen Ausgangsleistung von 2 5 KW bevorzugt der einen wetterunabh ngigen zeitgerafften Testdurchlauf erm glicht 92 7 Hybridsystem PV Dampfmaschine mit KWK F r die Speicherung der elektrischen Energie sind 4 Panzerplatten Batterien mit einer Kapazit t von je 120 Ah in Reihe geschaltet so da die Anschlu spannung 48 V betr gt Der Dampferzeuger wird mit elektrischem Strom betrieben und liefert bis zu 24 kg h Sattdampf von 6 bar bei 159 C Der elektrische Anschlu
140. lung als auch die der MPP Regelung wurden bereits im Kapitel Photovoltaik ausreichend behandelt zumal hier auf den Stand der Technik zur ckgegriffen werden kann Die Abstimmung der einzelnen zum Teil verschachtelten Regelkreise erfolgt durch die Steuerung Darauf wird im Abschnitt Steuerungskonzept eingegangen Die folgenden Ausf hrungen zeigen eine Analyse der physikalischen Zusammenh nge der KWK Anlage in Bezug auf die Realisierung des erarbeiteten Regelungskonzepts Um erfolgreich eine Regelstrecke implementieren zu k nnen ist es wichtig das Verhalten des betroffenen Teilsystems in bezug auf sein Verhalten bei nderung der verantwortlichen Parameter zu kennen 7 11 F r die Einflu nahme auf die KWK sind im wesentlichen die beiden Regelventile zur Drosselung des Dampfstroms zur Maschine und im Bypass zum Kondensator die entscheidenden Elemente Durch Ver nderung des Ventilhubs wird der Dampfzustand und der Durchflu ver ndert was zu entsprechenden Reaktionen im System f hrt Es gilt also zu zeigen wie diese Reaktionen aussehen und wie stark die sich ergebenden nderungen sind Zun chst wird das Drehzahlverhalten in Abh ngigkeit von der Drosselung und der mechanischen Leistung untersucht Die folgende Abbildung 7 9 zeigt das Verhalten der Drehzahl bei variablem Kondensatordruck und die erforderliche Drosselung um die normierte Leistung X100 zu halten Bei einem Sattdampf von 6 bar gilt X100 3227 5 kJ m min Bei konstant zu
141. lungs und Einsatzpotential solche Hybridsysteme bieten Nat rlich sind aufgrund der Komponenten Auswahlm glichkeiten weitergehende Differenzierungen m glich so da f r praktische Aufbauten eine weitaus gr ere Vielfalt denkbar ist 4 4 Hybridsystem Modelle 49 Auch k nnten zum Beispiel bei einer Gleichstromversorgung unterschiedliche Spannungsniveaus ber cksichtigt werden 4 8 F r das ausgew hlte Modell l t sich zum Beispiel das folgende stark vereinfachte Aufbauschema aufstellen Laderegler Wechselrichter Hausnetz Batterie T Ui Gleichstrom Steller Verbraucher Wasser elektrischer Strom Rohrleitung Steuerleitung Abb 4 3 Blockschema eines Hybridsystems mit KWK Diese Zusammenstellungen verdeutlichen da hier eine Vielzahl komplexer Systeme entwickelt werden k nnen wobei abgesehen vom jeweiligen Gesamtsystem selbst die einzelnen Komponenten noch einigen Forschungs und Entwicklungsaufwand erfordern um in der Zukunft ber ausgereifte und optimierte PV Hybridsysteme verf gen zu k nnen 50 4 Photovoltaische Hybridsysteme Au er den bisher betrachteten dezentralen Hybridanlagen kleinerer Leistung f r den h uslichen Bedarf gibt es nat rlich auch die M glichkeit gro e zentrale Photovoltaik Kraftwerke bis hin zum MW Bereich zu erstellen und diese mit Windkraftgeneratoren und weiteren Zusatzgeneratoren zu einem gr eren Verbundsystem zu verkn pfen Dadurch sind Versorgungen mit Inselnetzen u
142. m Anteil von 99 9 den dominierenden Einflu 1 8 Die auf die Erde eingestrahlte Sonnenenergie kann demzufolge sowohl direkt als auch indirekt in Form von Windenergie Wasserkraft und Biomasse genutzt werden Meereswellen und Meeresw rme sind ebenfalls dem Einflu der Sonne zuzurechnen Die geothermische Energie auch Erdw rme genannt ist eine Folge der Summe von drei Ursachen Diese sind die Ursprungsw rme vor der Erdentstehung der Restw rme der bei der Entstehung freigesetzten Gravitationsenergie sowie die kumulierte W rme der radioaktiven Zerfallsprozesse im Erdinnern Die abgesch tzte Erdw rme entspricht vergleichsweise einer von der Sonne ber viele Millionen Jahre auf die Erde eingestrahlten Energiemenge Die Gezeitenenergie oder Planetenenergie ergibt sich aus gravitationsbedingten Deformationsvorg ngen aufgrund der Kreisbewegung von Erde und Mond um den gemeinsamen Schwerpunkt Aufgrund der Beweglichkeit der Wassermassen resultiert daraus die regelm ige Abfolge von Ebbe und Flut Die aus den erneuerbaren Energiequellen resultierenden Energiestr me unterscheiden sich erheblich hinsichtlich der Energiedichte und der r umlichen und zeitlichen Verf gbarkeit Dies ist im Hinblick auf die Nutzungstechnologien ein wesentlicher Unterschied zu den fossilen Energietr gern die solange deren Verf gbarkeit noch ausreicht zu jedem Zeitpunkt steuerbar genutzt werden k nnen wenn es die Verbraucher w nschen Theoretisch k nnen d
143. mensionierung Wirtschaftlichkeit Emissionsbilanz 2 berarbeitete Auflage VDI Verlag D sseldorf 1996 6 13 Technische Beschreibung Spilling Dampfmotor Firmenschrift 1996 Spillingwerk GmbH Hamburg 6 14 E Schmidt Thermodynamik 9 verbesserte Auflage Springer Verlag Berlin G ttingen Heidelberg 1962 6 15 Energietechnische Arbeitsmappe 14 Auflage VDI Verlag 1995 6 16 W Kalide Energieumwandlungen in Kraft und Arbeitsmaschinen Carl Hanser Verlag M nchen Wien 7 Auflage 1989 Literatur zu Kapitel 7 Hybridsystem PV Dampfmaschine mit KWK 7 1 Dr Hans Hartmann Energie aus Biomasse Landtechnik Bericht Heft 18 Landtechnik Weihenstephan TU M nchen 1996 7 2 J Mutschmann F Stimmelmayr Taschenbuch der Wasserversorgung 7 Auflage Franckh sche Verlagshandlung Stuttgart 1975 Literaturverzeichnis 157 7 3 7 4 7 5 7 6 7 7 7 8 7 9 7 10 7 11 7 12 7 13 7 14 F Hell Rationelle Heiztechnik VDI Verlag D sseldorf 1989 Energietechnische Arbeitsmappe 14 Auflage VDI Verlag 1995 Sun Power Solartechnik GmbH Manual Solargenerator Simulator undatiert Sun Power Frankfurt DINO Anlage und Maschinenbau GmbH Elektro Dampferzeuger CD9 bis 63 DINO Bremen 1996 Stuart Models 1995 96 Braye Road Industrial Estate Vale Guernsey C I British Isles GY3 5XA Hubantriebe M80 M80Y M83 M83Y HORA GmbH Schlo Holte Stukenbrock 1997 SAMSON APPARATE BAU AG undatier
144. meter f r die Kraft W rme Kopplung ist zum Beispiel die momentan erforderliche Vorlauftemperatur f r den Heizkreislauf Dies hat aufgrund des im W rmetauscher erforderlichen Temperaturgef lles r ckwirkend Einflu auf die Dampf Seite und damit auf den Wirkungsgrad Alternativ zum konventionellen Dampfkraftproze k nnte auch der sogenannte ORC Proze Organic Rankine Cycle eingesetzt werden Hier handelt es sich ebenfalls um einen Clausius Rankine Proze allerdings wird an Stelle von Wasser ein organisches Arbeitsmittel im Kreislauf eingesetzt ORC Anlagen werden derzeit vornehmlich im Bereich Geothermie eingesetzt da hierbei auch Quellen mit niedrigerem Temperaturniveau lt 200 C zur Stromerzeugung herangezogen werden k nnen 6 8 6 3 Dampfmaschine 77 Dies sind robuste kompakte in sich geschlossene Anlagen wobei aufgrund der thermodynamischen Eigenschaften des Arbeitsmittels die eingesetzten Turbinen mit einem h heren Wirkungsgrad arbeiten Es sind auch bereits ORC Anlagen f r den Einsatz an Biomassefeuerungen kommerziell erh ltlich Bei einer typischen Auslegung mit einer Antriebstemperatur von 300 C k nnen ORC Anlagen einen elektrischen Wirkungsgrad von 15 erreichen Ein Grund f r das Verhalten dieser Arbeitsmittel sind geringere Enthalpiedifferenzen bei gleichen Temperaturverh ltnissen wie bei Wasserdampf Ebenso ist wegen der h heren Molek lmasse das spezifische Volumen bei gleichem Druck wesentlich geringer Hier
145. mit hinreichender Genauigkeit durch eine Ausgleichskurve charakterisiert werden in der Form Re a Le 5 1 d Strom gt 9 cos 365 d mi ag Ausgleichskurve der Jahresganglinie f r den durchschnittlichen Haushalt Vergleichende eigene Messungen zugrundelegend l t sich mit Hilfe dieser Master Kurve ein vom Durchschnitt abweichender Haushalt ebenfalls recht gut approximieren Dies ist durch eine einfache Skalierung m glich Jahresverbrauch Haushalt P trom it 2 Fa son 2 Pas m 3146 kWhla en Ausgleichskurve der Jahresganglinie f r einen allgemeinen Haushalt Der Skalierungsfaktor f r einen ausgew hlten Haushalt ergibt sich aus dem Verh ltnis des Gesamtenergieverbrauchs eines Jahres zum Durchschnittswert Eigene Messungen an einem freistehenden Einfamilienhaus mit einer sechsk pfigen Familie in Iserlohn ergaben beispielsweise einen Skalierungsfaktor von etwa 1 75 entsprechend eines Jahresbedarfs von ungef hr 5500 kWh Der monatliche Verbrauch kann aus der Jahresganglinie mit Hilfe einer Integration ber das entsprechende Tagesintervall berechnet werden Eine weitere Differenzierung der Stromverbrauchsanalyse ergibt sich aus dem w chentlichen Verlauf Dabei zeigt sich nur ein geringer Unterschied von Montag bis Freitag Am Wochenende insbesondere am Samstag sind die Verbrauchswerte aufgrund der ganzt gigen Anwesenheit der Hausbewohner etwas h her Die Schwankungen innerhalb der Woche sind jedoch nicht gravi
146. mpfdruck 6 2 Dampfkraftproze Wirkungsgrad Wirkungsgrad 75 Sattdampf bis 10 bar 30 2 nf j Kondensator Druck 20 oA 1 bar Pi et 0 8 bar 15 4 0 4 bar a o 0 1 bar 10 5 f 0 N 0 2 4 6 8 10 Druck bar Abb 6 4 Idealer Wirkungsgrad einer Dampfmaschine in Abh ngigkeit vom Druck bei Sattdampf Hei dampf bei 6 bar 28 26 DE e BE ea a Kondensator 55 Druck ee 4 1 bar 20 0 8 bar ee a 0 4 bar 18 A ooo 0 1 bar 16 14 e ee ee eo 12 10 150 200 250 300 350 400 Abb 6 5 Idealer Wirkungsgrad einer Dampfmaschine in Abh ngigkeit T C von der Temperatur 76 6 Kraft W rme Kopplung mit Dampfmaschine Die folgende Graphik zeigt die Verh ltnisse von Dampf bei 6 bar sowohl f r Sattdampf als auch f r berhitzte Zust nde wenn der Kondensatordruck variiert wird Dampf bei 6 bar 4 300 C 400 O Sattdampf 200 wirkungsgrad D oO 18 gt s gt gt 12 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 Pmin bar Abb 6 6 Wirkungsgrad Vergleich in Abh ngigkeit vom Kondensatordruck Dieser Umstand hat besondere Bedeutung f r die gezielte Auskopplung der W rme zur Versorgung von W rmeverbrauchern im KWK Betrieb Ein wichtiger Para
147. mpfmaschine mit maximaler Ausnutzung bez glich des Wirkungsgrades Dieser ist wie bereits gezeigt vergleichsweise empfindlich abh ngig vom Kondensatordruck der in diesem Sinne auf diese Weise so niedrig wie m glich einzustellen ist Dieser Effekt kann sich nat rlich nur auswirken wenn eine Kondensat R cklaufpumpe eine Druckdifferenz zum offenen Speisewasserbeh lter bis zu 1 bar aufrechterh lt damit nicht konstant gegen Atmosph rendruck gearbeitet werden mu Ist diese Pumpe nicht vorhanden so ist der Ausgangsdruck der Dampfmaschine nahezu konstant der Wirkungsgrad ist an der unteren Grenze und somit kann die Kondensatr cklauf Temperatur nahezu konstant bei 100 C 1 bar gehalten werden Man kann sich dann auf eine Temperatur Grenzwert berwachung im Kondensatr cklauf beschr nken Dies vereinfacht nat rlich die Regelstruktur nutzt aber die verf gbare Exergie nicht optimal Die endg ltige Entscheidung f r die vorzuziehende Betriebsweise kann letztlich nur aufgrund praktischer Erfahrungen mit real eingesetzten Pilotanlagen getroffen werden Im Winter wird ein st ndiger Wechsel zwischen den m glichen W rmetauscher Kombinationen stattfinden w hrend im Sommer die Hei wassererzeugung dominiert 118 7 Hybridsystem PV Dampfmaschine mit KWK Insbesondere in den Monaten Juni Juli und August ruht in der Regel der Heizungsbetrieb 7 3 Die verschiedenen vorgeschlagenen Betriebszust nde der Dampfmaschine sollen einerseit
148. n 50 90 vorteilhaft Befindet sich der Wechselrichter direkt zwischen dem PV Generator und dem Verbraucher oder Netzanbindung so ist f r das Nennleistungsverh ltnis des Wechselrichters zum PV Generator ist ein Wert von 0 8 0 9 zu empfehlen 2 15 Wird der Wechselrichter ber eine Batterie versorgt ist f r die Auslegung des Wechselrichters die maximale Leistungsanforderung der Verbraucher entscheidend Bei autarken Systemen kann bei optimaler Ankopplung der Batterie je nach Betriebsf hrung eine Energieausbeute von 95 und mehr erreicht werden Zur weiteren Steigerung des Energieertrages ist eine Nachf hrung des PV Generators entsprechend des momentanen Sonnenstands denkbar wenn dies die gegebenen Montagem glichkeiten erlauben Allerdings sind hierbei der zus tzliche konstruktive Aufwand sowie der Eigenenergieverbrauch und die erh hte St ranf lligkeit dagegen abzuw gen Der dadurch m gliche Mehrertrag ist auch abh ngig von dem rtlichen Anteil an Direkteinstrahlung 2 12 Zu einer differenzierteren Absch tzung des Energieertrages k nnen die DIN Normen oder verf gbare meteorologische Daten 2 18 herangezogen werden So liefert DIN 5034 Teil 2 Tageslicht in Innenr umen die Grundlagen zur Sonnenstandsberechnung und Beleuchtungsst rke sowie Begriffsdefinitionen 30 2 Photovoltaik F r die Aufstellung von PV Anlagen in Deutschland ist DIN 4710 Meteorologische Daten zu empfehlen Darin sind Daten zum Bestrahlung
149. n Effekts kann hier nicht eingegangen werden da hier die damit verbundene Systemtechnik im Vordergrund steht Hierf r sei auf das vielf ltige Angebot entsprechender Spezialliteratur verwiesen 2 3 Die Komponenten eines PV Systems und Stand der Technik Solarzellen k nnen aus verschiedenen Halbleiterwerkstoffen aufgebaut werden Dabei wird bisher Silizium Si am h ufigsten verwendet Mit diesem Werkstoff lassen sich monokristalline polykristalline Zellen und amorphe D nnschichtzellen herstellen Die aktuelle Solarzellen Forschung befa t sich zur Zeit unter anderem mit der Erh hung des Wirkungsgrades und der Langzeitstabilit t sowie mit alternativen Halbleitermaterialien der Minimierung des Materialeinsatzes und mit effektiveren Produktionsmethoden 2 8 2 9 2 17 2 3 1 Solarzelle Im unbeleuchteten Zustand hat die Solarzelle die elektrischen Eigenschaften einer gro fl chigen Diode wie die Darstellung mit Hilfe der Strom Spannungskennlinie zeigt Im beleuchteten Zustand liefert die Solarzelle einen Strom der in entgegengesetzter Richtung zum Diodendunkelstrom flie t 2 10 16 2 Photovoltaik Die Darstellung dieser Kennlinien erfolgt hier im Erzeugerz hlpfeilsystem I oH qG q U Abb 2 4 Schaltsymbol der Solarzelle und Z hlpfeile Aufgrund des Erzeugerz hlpfeilsystems erscheint die vom Verbraucherz hlpfeilsystem gewohnte Diodenkennlinie gespiegelt an der U Achse UL U Abb 2 5 Typische U I Kennlinie eine
150. n eines PV Systems und Stand der Technik 19 Die Temperaturabh ngigkeit der Leerlaufspannung kann analog zum Kurzschlu strom allerdings mit negativem Koeffizienten dargestellt werden Bei Silizium Solarzellen liegt der Koeffizient amp zwischen 5 10 C und 3 10 C so da die Leerlaufspannung schneller mit der Temperatur sinkt als der Kurzschlu strom ansteigt Ein weiterer wichtiger Parameter ist der sogenannte Maximum Power Point MPP der Betriebspunkt mit der maximalen Leistungsabnahme Dort hat die Leistungs Spannungskennlinie sein Maximum Die dazugeh rige Spannung sei U pp und der Strom I pp Dabei gilt sowohl U pp lt U als auch pp lt I x F r die Temperaturabh ngigkeiten dieser Werte gilt das gleiche wie f r die Leerlaufspannung und den Kurzschlu strom Die Leistung P pp im MPP berechnet sich zu Pupe U mre Lure lt UL Ik 2 13 Da f r die Temperaturabh ngigkeit das Produkt der Koeffizienten f r Strom und Spannung zum Tragen kommt ergibt sich f r die Leistung ein negativer Koeffizient pupp Welcher f r Silizium zwischen 6 10 C und 3 10 C liegt So sinkt zum Beispiel die Leistung bei einer Temperaturerh hung von 25 C um ca 10 Als weiteres Qualit tsmerkmal gilt der F llfaktor FF der im Prinzip die Abweichung der U I Kennlinienform von einem Rechteck darstellt welches durch die Leerlaufspannung und den Kurzschlu strom definiert wird Damit steht der F llfakt
151. nder wichtigen Grund zu handeln liefert der Treibhauseffekt Dieser ist an sich nichts negatives weil der nat rliche Treibhauseffekt erst das Leben in der uns bekannten Form auf der Erde erlaubt da sich dadurch eine mittlere Temperatur von etwa 15 C einstellt Ohne den Schutz der Atmosph re w rden auf der Erde Temperaturen von etwa 18 C herrschen 1 2 Den Hauptanteil am Treibhauseffekt hat dabei das Kohlendioxid CO welches durch Atmungs und Verbrennungsprozesse aus organischen Verbindungen freigesetzt wird Bei der Entwicklung des Lebens hat sich ber Jahrtausende hinweg ein Gleichgewicht in der Atmosph re herausgebildet welches unsere Umwelt in der uns vertrauten Form ben tigt Um dieses Gleichgewicht zu wahren mu die Erzeugung und die Bindung von CO in der Natur ausbalanciert sein Das derzeitige Ausma der Verbrennung von fossilen Energietr gern erh ht hingegen permanent die CO Konzentration in der Atmosph re und f hrt zu einer Verschiebung der W rmebilanz und damit zu einer Erh hung der mittleren Temperatur Die Folgen dieser Entwicklung sind unabsehbar und bergen ungeheure Risiken bez glich unserer Lebensbedingungen 1 3 2 1 Einleitung und Zielsetzung Klima Katastrophe 400 Entwicklungsziel net rennen gt CO DEE EO O O E EEE Were heute ppm AT 3 C in 50 Jahren N X fossile 300 W ait Brennstoffe AT 5 C NS in 10 000 Jahren Entwicklung des 200 CO Gehaltes in der Luft Eiszeit
152. ndesrepublik Deutschland VDI GET Jahrbuch 97 VDI Verlag D sseldorf 1997 VDEW Kurzfassung Ermittlung der Lastganglinien bei der Benutzung elektrischer Energie durch die bundesdeutschen Haushalte w hrend eines Jahres VWEW Frankfurt 1985 Impuls Programm Hessen Hessisches Ministerium f r Umwelt Energie Jugend Familie und Gesundheit Institut Wohnen und Umwelt IWU Darmstadt Internet Seiten IMPULS Programm Energiefragen Stromvrbrauch Internetadresse http www impulsprogramm de html Strom e_strom1 hlml P Heymann H Sauerwein Hrsg Elektrotechnik Ernst Klett Verlag Stuttgart Dresden 1993 Volker Quaschning Regenerative Energiesysteme Carl Hanser M nchen Wien 1998 Prof Dr Ing Erich Hahne Heizen mit Sonnenw rme wird das wirtschaftlich Ringvorlesung Regenerative Energien TH Darmstadt VDE Darmstadt HEAG 1994 F Hell Rationelle Heiztechnik VDI Verlag D sseldorf 1989 Literaturverzeichnis 155 5 8 5 9 5 10 Prof Dr Ing G Kraft Heizungstechnik Verlag Technik Berlin 1991 F Steinborn BHKW Plan Benutzerhandbuch Wirtschaftliche Auslegung und Planung von Blockheizkraftwerken Zentrum f r Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung ZSW 1998 H Vogelsang Energie Management System zur optimalen Auslegung von Heizkraftwerken Fortschrittberichte VDI Reihe 6 Energietechnik Nr 371 VDI Verlag D sseldorf 1997 Literatur zu Kapitel 6 Kraft W rme Kopplung mit Dampfmaschine 6 1 6 2
153. ndet Da U und S eindeutige Zustandsfunktionen sind gilt fau fas 0 6 13 Gleiches gilt nicht f r Arbeit und W rme da 8A und 60 keine totalen Differentiale sind Dies gilt auch f r den Clausius Rankine Proze der bei Dampfkraftmaschinen wie Kolbendampfmaschinen und Dampfturbinen durchlaufen wird um W rmeenergie in mechanische Energie umzuwandeln 6 4 Hierbei wird im allgemeinen Wasser verdampft bis zu einem definierten Arbeitsdruck um dann in der Arbeitsmaschine entspannt zu werden Anschlie end wird der Abdampf dann in einem W rmetauscher kondensiert und dem Proze erneut zugef hrt Abb 6 2 Schematisierte Darstellung des Clausius Rankine Prozesses 2 isentrope Druckerh hung durch eine Fl ssigkeitspumpe 2 isobare W rmezufuhr bis zur Siedetemperatur 3 isobare W rmezufuhr im Damperzeuger ohne berhitzung isobare W rmezufuhr im Dampferzeuger zur berhitzung 4 bzw 3 4 isentrope Entspannung RVODWXND I U 1 bzw 4 1 isobare W rmeabfuhr im Kondensator Abfolge 1 2 2 3 4 1 oder 1 2 2 3 3 4 1 Der Clausius Rankine Proze ist also ein Isobaren Isentropen Vergleichsproze 72 6 Kraft W rme Kopplung mit Dampfmaschine F r berschl gige Wirkungsgradberechnungen l t sich im allgemeinen auf Grund der Inkompressibilit t von Wasser die Differenz der spezifischen Enthalpien h h vernachl ssigen F r die auf die Masse bezogenen spezifischen Gr en erh lt man zugef hrte
154. ne bessere Dosierung in diesem Bereich Im oberen Durchflu bereich dagegen ist die Kennlinie steiler als die lineare so da dort der Durchflu st rker auf eine Hub nderung reagiert Dieser Umstand ist sowohl g nstig f r die Bypassleitung im unteren Bereich als auch f r die Drehzahlregleung im oberen Bereich Die Dampfdosage ber den Bypass sollte feinf hlig erfolgen um eine ruhige Temperaturregelung zu erm glichen Im Gegensatz dazu erfolgt die Drehzahlregelung eher im oberen Bereich und sollte rascher reagieren Dies verdeutlicht die Entscheidung f r gleichprozentige Ventilkennlinien 7 9 A D k AP Po Apo P mit D Durchflu m h k k Wert m h linear gleichprozentig k in Ap 1bar k in Ap 1bar 100 Ap Druckverlust bar Apo 1 bar Bezugswert 50 p Dichte des Durchflu mediums Po 1000 kg m Bezugswert gleichprozentig i E E Gub Abb 7 4 Ventil Grundkennlinien F r die durch den Hub des Ventilkegels freigegebene Fl che gilt A lin a H linerare Kennlinie 7 1 H y Ac Ay epf En gleichprozentige Kennlinie 7 2 100 a b Kennlinien Neigungsfaktoren Der k Wert der eingesetzten Ventile betr gt etwa 0 36 m h Wobei Der k Wert den k Wert einer Bauserie bei Nennhub angibt Ein geliefertes Ventil darf maximal um 10 vom k abweichen 7 3 Versuchsaufbau 95 Kurz vor dem Dampfeinla in die Dampfmaschine befindet sich eine Kurzschlu leitung die mit Hi
155. ne gute Wahl Der Dezember ist der Monat mit der geringsten Sonneneinstrahlung und der Mai ist repr sentativ f r die hiesige unbestimmte Wetterlage im Sommer 8 1 Photovoltaikanlage 133 So besteht eine h here Wahrscheinlichkeit mit Schlu folgerungen f r die Auslegung auf der sicheren Seite zu sein Damit werden die Energieertr ge der Referenz 1KW Anlage je Stunde W mit den Zahlenwerten der Tabelle 8 2 bereinstimmen Ber cksichtigt man nun den Energieertrag einer installierten 2KW PV Anlage f r einen durchschnittlichen Haushalt so f hrt die Gegen berstellung mit dem Stromverbrauch zu den folgenden Darstellungen kW Typischer Sommertag mit einer 2kW PV Anlage 1 0 00 00 06 00 12 00 18 00 24 00 Abb 8 2 Haushalt mit 2kW PV Anlage Verbrauch und Ertrag im Sommer Typischer Wintertag mit einer 2kW y PV Anlage kW 00 00 06 00 12 00 18 00 24 00 Abb 8 2 Haushalt mit 2KW PV Anlage Verbrauch und Ertrag im Winter 134 8 Dimensionierung f r einen Privathaushalt W hrend die Darstellung f r den Sommer die Notwendigkeit einer Batteriespeicherung verdeutlicht zeigen die Winterverh ltnisse da hier kein nennenswerter Beitrag von der PV Anlage zu erwarten ist und deshalb f r die Auslegung der Dampfmaschine vernachl ssigt werden sollte 8 2 Dampfmaschine Vernachl ssigt man zun chst den Einflu der Speicherbatterien auf den Stromflu so ergibt sich abz glich des PV Ertrages rechnerisch ein verble
156. nen Dieselbetrieb erfolgt Der laufende Betrieb erfolgt hingegen dann mit einem Brenngas Luftgemisch z B Erdgas und Luft Dies nennt man einen Zweibrennstoffbetrieb Als Brennstoff werden f r diese beiden Verfahren vornehmlich Erdgas Fl ssiggas Deponiegas Kl rgas und Diesel Heiz l eingesetzt Wirkungsgrade bei Gas Otto Motor Gas Diesel Motor Diesel Motor Nennlast Der si ss Fr elektr elektr Wirkungsgrad re 36 rn 38 34 40 40 therm Wirkungsgrad 55 53 48 46 Gesamtwirkungsgrad 85 89 80 84 78 82 Tabelle 3 1 bersicht Motorenanlagen Wirkungsgrade VDI 2067 Der typische Leistungsbereich dieser Motoren liegt bei 50 2000 kW Die Vorlauftemperatur f r die W rmeverbraucher betr gt etwa 90 95 C Die Wirkungsgrade sind in der Regel g nstiger als bei Gasturbinen 38 3 Kraft W rme Kopplung Einen Sonderfall der internen Verbrennung als nicht thermisches Verfahren stellt die Kraft W rme Kopplung mit Hilfe der Brennstoffzelle dar Diese Technologie ist allerdings noch nicht ganz der Test und Versuchsphase entwachsen Brennstoffzellen sind galvanische Elemente die mit Hilfe von Wasserstoff und Sauerstoff Strom erzeugen 3 11 Dies ist im Grunde die Umkehrung einer Elektrolyse Hierbei wird der Wasserstoff h ufig ber einen vorgeschalteten Gasreforming Proze erzeugt Die einzige derzeit auf dem Markt erh ltliche f r BHKW geeignete Brennstoffzelle ist die Phosphorsaure Brennstoffzelle PAFC
157. nes privaten Haushalts aufgezeigt und mit den tages und jahreszeitlichen Schwankungen der Sonneneinstrahlung korreliert Daraus werden die statistisch ableitbaren Einsatzzeiten f r die Dampfmaschine bestimmt Alle f r solch ein System erforderlich erachteten Komponenten wurden zu einem Anlagenkonzept zusammengef gt und dazu ein Verfahrenschema erarbeitet Zur Auslegung der Komponenten des Hybridsystems wie Photovoltaikanlage Dampfmaschine W rmetauscher und Energiespeicher ist ebenfalls ein Simulationsprogramm erstellt worden um sowohl das komplexe Zusammenspiel der Einzelteile als auch die energetisch ausbilanzierte Gesamtfunktion zu berpr fen Das hier vorgestellte System wurde sowohl theoretisch als auch mit Hilfe eines Versuchsaufbaus experimentell eingehend untersucht um das f r eine praktische Realisierung erforderliche Know How zu systematisieren und zug nglich zu machen Prim res Ziel dieser Arbeit ist es im Rahmen einer Machbarkeitsanalyse die prinzipielle Einsatzm glichkeit eines solchen Hybridsystems f r private Haushalte aufzuzeigen und die technischen Rahmenbedingungen hierf r herauszuarbeiten Die vorgenommenen experimentellen Aufbauten mit einer historischen Dampfmaschine dienen vorrangig zur Unterst tzung dieses Zieles Damit konnten die mathematisch physikalischen Modellbildungen und Simulationen durch praktische Erfahrungen auf eine solidere Basis gestellt werden Als wesentliches Ergebnis dieser Untersuchungen
158. ng der Stromverbraucher ist die Folge Diese prinzipiell denkbare Situation sollte durch eine Auslegungstoleranz vorbeugend bei der Dimensionierung ber cksichtigt werden um die Wahrscheinlichkeit so gering wie m glich zu halten Hier kann auch ein sogenanntes Verbraucher Management sinnvoll sein das generell oder abh ngig vom Batterief llstand eine Gleichzeitigkeit starker Strom verbraucher ausschlie t 7 13 So kann zum Beispiel die Waschmaschine oder der Geschirrsp ler eine Pause einlegen wenn der Ofen zum Kochen eingeschaltet wird Diese Ma nahme sollte bei der jeweiligen Anlagenauslegung den vorbeugend zu w hlenden berkapazit ten gegen bergestellt werden um den apparativen Aufwand sinnvoll begrenzen zu k nnen Die Regelung des Dampferzeugers sollte direkt in diesem untergebracht werden da die individuelle Freiheit der Brennstoffwahl ja nur m glich ist wenn der Dampferzeuger unabh ngig vom Rest der Anlage ausw hlbar ist Anzuregen w re in diesem Fall eine Signalaustausch Schnittstelle die der Steuerung die Betriebsdaten des Verdampfers zur Verf gung stellen kann und auch dar ber das Ein und Ausschalten erm glicht So w rde diese R ckkopplung auch die Sicherheit erh hen 7 6 Steuerungskonzept 117 Selbstverst ndlich kann diese Regelung im Zuge einer Standardisierung auch vom bergeordneten Steuerungsrechner des Gesamtsystems bernommen werden Die Regelung der W rmeversorgung erfolgt ber die Erfassung der T
159. ng von der Wasseraufbereitung da ein ausreichender Wasserstand vorhanden ist Wichtig f r einen sicheren Betrieb der Anlage ist eine Absicherung der Betriebszust nde gegen ein Fehlverhalten das zum Schaden f hren kann oder gar die Sicherheit gef hrdet Hierf r ist eine entsprechende Ausstattung mit Sensoren zur Erfassung von Me werten vorzusehen wie zum Beispiel Temperatur und Druckaufnehmer So d rfen sich die Me gr en w hrend der Verfahrensschritte nur innerhalb gewisser Grenzen bewegen Im Fall einer unzul ssigen oder unlogischen berschreitung ist im Programm eine dem Fehlerfall angemessene Reaktion zuzuordnen die von einem einfachen Hinweis bis zur Fehlermeldung und Alarmmeldung mit Stillsetzung der Anlage f hren kann Ein Hinweis w re zum Beispiel eine Meldung da die Kapazit t eines Ionenaustauschers der Wasseraufbereitung bald zur Neige geht und regeneriert oder ersetzt werden mu Es ist auch sinnvoll in regelm igen definierten Abst nden automatisch auf Wartungserfordernisse hinzuweisen wie etwa die Aufforderung Batteriewasser zu kontrollieren und nachzuf llen Eine Fehlermeldung k nnte auf ein zu tr ges Regelverhalten hinweisen das sich durch zu lange Einstellzeiten bei Sollwertwechseln bemerkbar macht 116 7 Hybridsystem PV Dampfmaschine mit KWK Fehlermeldungen sind als Warnsignale f r m glicherweise bevorstehende Alarmzust nde ein sinnvolles berwachungselement Alarmzust nde ergeben sich aus
160. nstrahlung auf der Erdoberfl che Die gr te Quelle regenerativer Energie ist bei weitem die Sonne Diese besteht zu etwa 80 aus Wasserstoff und zu 20 aus Helium Nur 0 1 besteht aus anderen Elementen Die Strahlung der Sonne ist Folge von Fusionsprozessen die Wasserstoff in Helium berf hren 2 1 Au erhalb der Erdatmosph re zeigt das Sonnenspektrum die Charakteristik eines schwarzen Strahlers mit einer Temperatur von T 5762 K Die spektrale Intensit tsverteilung eines derartigen Strahlers wird durch das Plancksche Strahlungsgesetz beschrieben a dv bzw Ed 2 ZW i A explhc AkT 1 E dv R d 2 1 i c exp hv kT 1 ai Durch differenzieren nach der Wellenl nge A kann daraus das Wiensche Verschiebungsgesetz gewonnen werden welches den Zusammenhang zwischen der Oberfl chentemperatur und der Wellenl nge im Intensit tsmaximum aufzeigt hc 4 965k A const 2 89 10 mK 2 2 Damit ergibt sich der Oberfl chentemperatur entsprechend beim Intensit tsmaximum eine Wellenl nge von rund 0 5 um welche im sichtbaren Bereich liegt Die fl chenbezogene Strahlungsleistung eines schwarzen Strahlers ergibt sich durch Integration des Strahlungsgesetzes und zeigt eine Proportionalit t zur 4 Potenz der Temperatur T L w Tw ToT z mit o 567 10 zz 2 3 m m Dies ist das Stefan Boltzmann Strahlungsgesetz mit der Strahlungskonstante 12 2 Photovoltaik F r die Sonne bedeute
161. nterschiedlichster Leistungsklasse denkbar die wiederum gekoppelt werden k nnen um sie falls vorhanden an ein allgemeines Verbundnetz anzuschlie en Bez glich der reinen Stromversorgung l t sich auf diese Weise ein Modell eines modularen funktionsgegliederten Systemaufbaus aufstellen Dies ist dann eine modulare Hybridtechnik zur Stromversorgung welches ein nach Funktionen geordnetes Baukastenprinzip darstellt 4 10 Ziel dieser Modellbildungen ist es eine fl chendeckende regenerative Hybridtechnik aufzubauen welche sowohl dezentral die Versorgungsanforderungen erf llt als auch bergeordnet einen Netzverbund zum Ausgleich erm glicht Dies setzt nat rlich eine wesentlich differenziertere Art der Koordination und Regelstrategie voraus als es die bisherige Netzf hrung bietet Voraussetzung f r eine derartige erfolgreiche Vernetzung sind nat rlich auch festzulegende Standardisierungen f r die Gew hrleistung der Kompatibilit ten Im Hinblick auf den wachstumsbedingt erforderlichen sparsamen Umgang mit den Biobrennstoffen f r Verbrennungsmotoren sollte man dem Prinzip der Kraft W rme Kopplung im Hinblick auf solche Konzepte eine geb hrende Aufmerksamkeit schenken Mit einem Strom berschu erzeugter Wasserstoff kann hier zus tzlich die Versorgung mit Brennstoffen unterst tzen Daf r ist im Vergleich zum Einsatz von Biomasse eine andere Logistik und Systemtechnik erforderlich Auch die Einbindung von solarthermischen Kraftwerk
162. or in einem engen Zusammenhang zum Wirkungsgrad n der Solarzelle FF Pupp 2 U urr Lurr 2 14 U dk U Ik a Pupp _ FF U k EA EA 2 15 bei einer Beleuchtungsst rke E und der Solarzellenfl che A 1000 W m 05 U V 05 U V Abb 2 7 U I Kennlinien von kristallinen Si Solarzellen 20 2 Photovoltaik Der Wirkungsgrad wird meist bei Standardtestbedingungen STC angegeben Diese lauten W E 1000 25 C und AM1 5 bei senkrechtem Strahlungseinfall 2 16 m Die unter diesen Bedingungen zu erwartende Leistung ist meist h her als die unter nat rlichen Bedingungen und wird deshalb mit der Einheit Wp f r Watt peak als Spitzenleistung gekennzeichnet Mit realen c Silizium Solarzellen aus der Produktion erreicht man derzeit bei diesen Bedingungen einen Wirkungsgrad von 13 15 2 3 2 PV Module Um die verf gbare Ausgangsspannung auf ein brauchbares Niveau zu heben werden die Solarzellen vor allem in Serienschaltung miteinander verschaltet zu einem Modul Da zahlreiche Anwendungen f r den Betrieb mit 12V Bleiakkumulatoren konzipiert werden hat sich die hierf r optimale Zahl von 36 bis 40 als eine der gebr uchlichen Standardzahlen durchgesetzt Es k nnen aber je nach Zielsetzung weniger oder deutlich mehr sein 2 10 I A 1 4 1 2 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 HD peee Einzelzelle 35 Zellen Li 3 Zellen Ei Ea Modulkennlinie U V 0 2 4 6 8 1
163. orderungen der Wechselstromverbraucher zu minimieren entweder durch eine entsprechende Ger teauswahl und oder durch ein Lastmanagement 8 3 Die im Haushalt vorhandenen Ger te sollten nach M glichkeit weitestgehend in einer Gleichstromversion ausgef hrt werden so da der Wechselrichter mit gutem Wirkungsgrad nur noch einige leistungsst rkere Wechselstromverbraucher versorgen mu Dadurch lassen sich die mit der Stromwandlung verkn pften Verluste minimieren F r einen verbreiteteren Einsatz w re eine Normung der Gleichstromschiene erforderlich der eine Anpassung des Marktes auf diese Bed rfnisse folgen m te Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Auslegung der Stromschienen ist bei autarker Betriebsweise der Eigenverbrauch des Hybridsystems der einen Betrieb ja erst erm glicht Dies bedeutet zun chst da die Batterien beim Start der Anlage ber einen ausreichenden Ladezustand verf gen m ssen Deshalb sollte immer mit einer gewissen Restreserve f r die Batterieladung gerechnet werden Bei der Auswahl der Komponenten f r die Me und Regeltechnik und der Steuerung ist auf einen sparsamen Eigenverbrauch zu achten Diese Komponenten sollten ausschlie lich mit Gleichstrom betrieben werden Dies gilt auch f r die Druckerh hungspumpe sowie die eventuell vorhandene Kondensatr cklaufpumpe Zusammenfassung und Ausblick 141 9 Zusammenfassung und Ausblick Diese Arbeit zeigt da es m glich ist private Haushalte bei den hi
164. orwW rmung in den Dampferzeuger zu integrieren um bersch ssige W rme aus dem Kondensatr cklauf direkt wieder dem Dampfkessel zuzuf hren Um W rmeverluste zu vermeiden sind s mtliche Dampfleitungen und Beh lter hinreichend zu isolieren Bei gut gef hrtem Proze stellt sich dann im Speisewasserbeh lter eine Gleichgewichtstemperatur ein 88 7 Hybridsystem PV Dampfmaschine mit KWK Zur Sicherheit sollte ein W rmetauscherrohr gegen Luft K hlturm ber dem Speisewasserkessel angebracht sein welches im Notfall aufgrund von Fehlfunktionen gegebenenfalls durchschlagenden Dampf kondensieren kann Dabei steigt dann die Speisewassertemperatur ber den Gleichgewichtswert an Bei berschreiten eines definierten Grenzwertes ist dann die Anlage abzuschalten und eine entsprechende Fehlermeldung auszugeben Wie bereits berichtet ist derzeit eine Auswahl von Dampfmaschinen in dem f r dieses Hybridsystem angenommenen Leistungsbereich bis 5 kW nicht m glich da es weltweit keinen Hersteller f r solche Dampfmaschinen zu geben scheint Bevor man also daran denken kann das hier vorgestellte Hybridsystem f r den praktischen Einsatz aufzubauen ist es zun chst voraussetzend erforderlich eine moderne Dampfmaschine zu entwickeln Die Ausf hrungen der damaligen Maschinen sind f r heutige Anwendungen nur bedingt einsetzbar zumal die heute noch verf gbaren Sammler Maschinen in der Regel schon durch ihre Geschichte gezeichnet sind Verschlei
165. owohl die Vorhersagen des Wetterdienstes als auch die Verhaltens gewohnheiten der Bev lkerung zu ber cksichtigen 3 3 Eine sich daraus ergebende Tagesbelastungskurve l t sich in drei Bereiche Grundlast Mittellast und Spitzenlast aufteilen Die Ausnutzungszeit betr gt in etwa bei Grundlastkraftwerken 5000 7000 h a bei Mittellastkraftwerken 4000 h a und bei Spitzenlastkraftwerken 1000 h a Aufgrund der Tatsache da die Elektrizit tserzeugung ohne KWK in Gro kraftwerken wirtschaftlich und kologisch besser ist als in Kleinkraftwerken werden zur reinen Stromerzeugung derzeit meist gro e Einheiten im Bereich von 600 bis 1300 MW eingesetzt die zur besseren Erf llung der Lastganglinien im Verbundbetrieb arbeiten Dieser Verbund wird durch ein zusammenh ngendes Versorgungsnetz gew hrleistet Dieses elektrische Energieversorgungsnetz bernimmt sowohl den Ausgleich der Kraftwerke untereinander als auch den Transport der Energie zum Verbraucher 3 2 Es besteht aus einer komplexen Zusammenschaltung von Betriebsmitteln wie Leitungen und Transformatoren sowie Schaltanlagen zur Kopplung unterschiedlicher Spannungsebenen Hierbei unterscheidet man je nach Funktion zwischen bertragungs und Verteilernetzen Die bertragungsnetze mit den in Deutschland blichen Nennspannungen von 110 kV 220 kV und 380 kV leiten den Strom vom Erzeuger zu den Verbraucherzentren Die Nennspannungen der f r die Versorgung der Hausanschl sse zust ndigen Ve
166. r Abb 2 12 Gleichstromsteller f r eine Inselanlage Mit R cksicht auf die Ladegrenzspannung der Batterie kann die Ausgangsspannung des Stellers begrenzt werden Eine m gliche bergeordnete System Regelung k nnte dem Gleichstromsteller einen Arbeitspunkt vorgeben der durch einen MPP und Laderegler bestimmt wird 2 14 Dies k nnte insbesondere bei Hybridsystemen mit zus tzlichem Stromerzeuger zur gegenseitigen Abstimmung sinnvoll sein 2 10 Je nach den jeweils auf den aneinander anzupassenden Spannungsniveaus des Solargenerators Eingangsspannung und der Batteriespannung Ausgangsspannung werden Drosselwandlerschaltungen nach dem Tiefsetz oder Hochsetzstellerprinzip eingesetzt Die Spannung des Solargenerators mu nat rlich auf die gew hlte Systemspannung abgestimmt werden Sie mu mindestens ausreichen um die Batterie voll aufladen zu k nnen Die blichen Wirkungsgrade der Steller liegen bei 90 bis zu 98 Die besten Wirkungsgrade erzielt man bez glich des Verh ltnisses von Ausgangs zu Eingangs spannung f r Tiefsetzsteller bei 0 5 bis 1 und f r Hochsetzsteller bei 1 bis 2 Die damit verbundenen Verluste m ssen den auftretenden Verlusten bei fehlender Anpassung an den MPP gegen bergestellt werden Aus diesem Grund verzichtet man bei kleineren Anlagen auf den Gleichstromsteller und der damit verbundenen MPP Regelung zumal sich bei der direkten Kopplung des PV Generators mit dem Akkumulator in der Regel ein guter Arbe
167. r Solarzelle Leistungsabgabe der Solarzelle erfolgt nur beim Betrieb im 1 Quadranten Betriebszust nde im 2 und 4 Quadranten sind energieverbrauchend und k nnen infolge der damit verbundenen W rmeentwicklung zur Zerst rung der Solarzelle f hren Diese Zust nde sind bei ung nstigen Umst nden in Reihen oder Parallelschaltungen von Solarzellen m glich Um Zerst rungen zu verhindern ist durch Schaltungsma nahmen daf r Sorge zu tragen da der Betriebspunkt innerhalb des thermisch zul ssigen Bereichs bleibt Insbesondere darf bei negativ anliegender Spannung die Durchbruchsspannung nicht erreicht werden Diese ist verglichen mit der Sperrf higkeit von Leistungshalbleiterdioden sehr gering und liegt bei Solarzellen aus kristallinem Silizium im Bereich von ca 15 V Eine ausreichend gute Beschreibung f r ein grundlegendes Verst ndnis der Solarzelle erlaubt das sogenannte Eindiodenmodell Hierbei werden in einem erweiterten Ersatzschaltbild der Spannungsabfall vom Halbleiter zu den externen Kontakten durch den Serienwiderstand Rs und die Leckstr me l ngs der Kanten der Solarzelle durch einen Parallelwiderstand Rp eingef hrt 2 7 2 3 Die Komponenten eines PV Systems und Stand der Technik 17 Abb 2 6 Ersatzschaltbild Eindiodenmodell Daraus l t sich die folgende Gleichung f r die I U Kennlinie einer Solarzelle herleiten Bus ca U I R i U I R 2 6 I h exp A elle ph s EXP m U R Die beteiligten Parameter h
168. r nicht aufgef hrter W rmespeicher zur Pufferung von W rmespitzen kann parallel in den Heizungskreislauf in der blichen Form eingebunden werden Wenn es sich vermeiden l t sollte aber darauf verzichtet werden um den Vorteil eines zeitweise niedrigeren Temperaturniveaus f r den Heizungsvorlauf nutzen zu k nnen Denn wie die Ausf hrungen der theoretischen Zusammenh nge gezeigt haben ist eine niedrige Temperatur im Kondensator W rmetauscher besonders vorteilhaft f r den Wirkungsgrad zur Stromerzeugung Abb 6 6 Im Gegensatz zu der blicherweise stetig durch die Au entemperatur gef hrte Heizungsregelung erfolgt die Temperaturreglung des isolierten Warmwasserspeichers diskret ber eine Min und Max Schaltung Die Solltemperatur f r den Warmwasserspeicher sollte aus hygienischen Gr nden nicht zu niedrig gew hlt werden um die Legionellenbildung zu vermeiden Dies bedeutet mindestens 67 C f r das Warmwasser Die Werkseinstellung f r die Regelung betr gt in Deutschland aus Energiespargr nden 60 C 7 3 Der Hauptgrund f r den Vorschlag einer getrennten W rmetauschertechnik ist die M glichkeit in Zeiten schw cherer Heizungsanforderungen die niedrigeren Vorlauftemperaturen f r eine effektivere Stromerzeugung ausnutzen zu k nnen Dies betrifft insbesondere die bergangsphasen zu Beginn und Ende der Heizperiode die auch entscheidend f r die Dimensionierung der PV Anlage sind Die Magnetventile V1 bis V4 erm glichen durch
169. rden Hier werden zun chst die Energieverbr uche eines durchschnittlichen privaten deutschen Haushalts dargestellt wobei hierf r in der Literatur verf gbare Daten durch eigene Messungen erg nzt wurden Die dynamischen Lastkurven werden im Sinne einer besseren Verkn pfung approximativ durch mathematische Formeln zug nglich gemacht Dies ist insbesondere f r Simulationen ein wertvolles Hilfsmittel 5 1 Stromverbrauch In Deutschland teilte sich der Stromverbrauch von 1574 PJ im Jahre 1995 wie folgt auf die einzelnen Verbrauchersektoren auf 5 1 Kleinverbraucher Verkehr 43 2 29 3 23 9 Tabelle 5 1 Stromverbrauch Deutschland 1995 Der Sektor Haushalt l t sich weiter nach den Bedarfsarten aufschl sseln mit dem folgenden Ergebnis Proze w rme Mechanische Raumheiz Information amp Beleuchtung Energie w rme Kommunikation 32 5 28 0 20 4 10 8 Tabelle 5 2 Stromverbrauch eines privaten Haushalts Man erkennt da hier rund ein f nftel des Stromverbrauchs der Haushalte auch f r Raumheizung aufgewandt wird Ebenso f llt ein recht gro er Anteil auf die Erzeugung von Proze w rme F r den durchschnittlichen deutschen Privathaushalt mit 2 2 Personen und 80 m Wohnfl che l t sich ein Jahresstromverbrauch von rund 3000 kWh a Rechengr e 3146 kWh a feststellen wobei etwa zwei Drittel davon also 2000 kWh als Grundbedarf angesehen werden 5 2 5 1 Stromverbrauch 53 Die folgende Tabelle gibt
170. rden kann 28 2 Photovoltaik Zum Vergleich von Wechselrichtern mit R cksicht auf die durchschnittlichen Strahlungsverh ltnisse in Mitteleuropa kann der sogenannte Euro Wirkungsgrad herangezogen werden 2 11 der wie folgt definiert ist n 0 03 Nsa 0 06 Nio 0 13 Nao 0 1 No 0 48 Nso 0 2 Nioo 3 2 19 Der Euro Wirkungsgrad eines speziell f r PV Randbedingungen entwickelten Wechselrichters betr gt etwa 90 Der reale Energieertrag einer Photovoltaikanlage kann wie folgt ermittelt werden Peai PR i Prieat PR Apy Npv E solar 2 20 mit den Parametern P idealer Energieertrag Ap Photovoltaik Fl che N Photovoltaikwirkungsgrad E Bestrahlungsst rke und PR als Performance Ratio Der Photovoltaikwirkungsgrad ergibt sich aus der Wirkungsgradkette und kann f r Solar monokristalline Si Solarzellen absch tzungsweise in etwa mit 10 angesetzt werden Der Zusammenhang zwischen realem und idealem Energieertrag kann mit Hilfe der sogenannten Performance Ratio PR beschrieben werden Damit werden auch alle sonstigen Verluste ber cksichtigt Ein guter Rechnungswert f r die Auslegung von netzgekoppelten Anlagen ist eine Performance Ratio von 0 75 Bei einer 30 nach S den geneigten 10 m gro en Fl che einem Photovoltaik wirkungsgrad von 10 und einer Bestrahlungsst rke von 1100 kWh m a ergibt sich ein idealer Energieertrag von 1100 kWh a F r den realen Energieertrag erh lt man dann 825 kWh
171. rechen kann da das Chaos auf meinen Schreibtischen in Zukunft eine abnehmende Entropie erfahren wird Inhaltsverzeichnis in Inhaltsverzeichnis Verwendete Formelzeichen und Bezeichnungen ssssssssssssssssssssssssssssssssssssnse v 1 Einleitung und Zielsetzung sssccccssessssssoccccsesssssoococccesessosooccccesesssooooccessssseso 1 1P Hinterorund ee it 1 1 2 Energieversorgung privater Haushalte seeeeeeeeeseeeeeereessssrersrsrrersssrrrsrserees 3 1 3 Rationelle Energieverwendung sssseeseessersssssersssrresrssrersrserersssrrersssrresrssrre 4 1 4 Regenerative Enerzien nadasnaigraa E OEA E a ER S 5 1 5 Photovoltaische Hybridsysteme nneseseeeeeeeeeesssssseeeeeesssssserrreeessssssererreessso 6 1 6 Zielsetzung der Arbeit auseinander aap aaa aL EEn 7 1 7 Gliederung der Arbeit 9 2 Photovoltaik ea aan laneiuelenegereahee 11 2 1 Sonneneinstrahlung auf der Erdoberfl che 224440rs ss nnner es nnnnnenen 11 2 2 Photovoltaischer Effekt u su s0us 800ssa000600 sich san 14 2 3 Die Komponenten eines PV Systems und Stand der Technik 15 23 1 Solarzelle essen ein eisen er ERE SEAS iiS 15 23 2 PY Meodules ante eisen ee 20 2 33 PV Anlage ee ee ad 22 2 4 Einsatzweise von Photovoltaikanlagen 0000022222044nnneenessssennnnnn 29 3 Kraft W rme Kopplung escssssssssssococcssessssooocecsesesssoooocesessssoooocecsesessssooccess
172. romerzeuger und der W rmeproduktion erfolgt mit Hilfe einer bergeordneten Steuerung die das augenblicklich geforderte Strom W rme Verh ltnis und die PV Leistung erfa t um die Anlage dementsprechend zu kontrollieren Voraussetzung hierf r ist eine ausreichende Me und Regeltechnik Das folgende entwickelte Flie schema zeigt die Verkn pfung der Komponenten uumuyuug y sydg idia yuyaq 2495141 adumdiossem stodg iasau f 7 Hybridsystem PV Dampfmaschine mit KWK 90 7 2 Verfahrensschema ayos nyayq IMPUI M au yeg JSwueyuus g i Joypiedg Isssemune M q Zunynpug una je 4ajouoy n X 3unzoH D Fi E RE Ge NN BEJA si G 5 a A X En 19ssemastadg ne ossemastadg _ 5 Zumypmpug Asyosnryswrz Mm adumg wkuapuoy g 1 z AN N z De JayonemqiaA u Josus os i Lamm 4 gt ag zu ab 1 1119 ges ininedinngg aunpsmafhung ma Bunmddoy aumy piy ymnoaojoyg woss spugdH Abb 7 2 Verfahrensschema des Hybridsystems PV Dampfmaschine mit KWK 7 2 Verfahrensschema 91 Das obige Verfahrensschema zeigt die funk
173. rt und zum anderen kann in den Sommermonaten nicht auf die volle K hlleistung im Kraftwerk verzichtet werden 3 2 Prinzip der Kraft W rme Kopplung Unter Kraft W rme Kopplung KWK versteht man die gleichzeitige Gewinnung von mechanischer und thermischer Nutzenergie aus anderen Energieformen mittels eines thermodynamischen Prozesses in einer technischen Anlage 3 5 Die hierbei freigesetzte mechanische Arbeit wird in der Regel unmittelbar in elektrische Energie umgewandelt Somit ergibt sich dann ein sinnvoller der Einsatz von KWK Anlagen wenn eine berwiegend gleichzeitige Nachfrage sowohl f r Strom als auch f r W rme zur Verf gung steht Bei der Betriebsf hrung von KWK Anlagen unterscheidet man folgende Betriebsarten a Stromorientierter Betrieb Die elektrischen Bedarfswerte sind hierbei sowohl f r die Auswahl als auch f r die Auslegung und den Betrieb ausschlaggebendes Kriterium Dies bedingt dann m glicherweise ein Minderangebot an W rme die im Bedarfsfall separat zur Verf gung gestellt werden mu b W rmeorientierter Betrieb Hierbei sind die thermischen Bedarfswerte sowohl f r die Auswahl als auch f r die Auslegung und den Betrieb ausschlaggebend Folglich ist dabei mit einer Fehlanpassung bei der Versorgung mit elektrischem Strom zu rechnen welche im Bedarfsfall mit Hilfe eines Netzanschlusses oder durch den Einsatz von Akkumulatoren ausgeglichen werden mu c Wechsel zwischen strom und w rmeorient
174. rteilernetze betragen 0 4 KV 10 kV 20 kV und 110 kV In einem Netzverbund ist es sinnvoll galvanisch zusammenh ngende Einheiten als Netz zu definieren die dann durch Transformatoren miteinander gekoppelt sind Die Netze sind grunds tzlich als 3 Phasen Drehstrom Systeme ausgef hrt In Europa liegt die Netzfrequenz blicherweise bei 50 Hz in anderen L ndern sind auch 60 Hz im Einsatz Um im Niederspannungsnetz die weltweit genormte Wechselspannung von 400 V3 230V bereitzustellen ben tigt man noch den Neutralleiter als vierten Leiter In einigen L ndern u a den USA sind auch 110 V festgelegt Die durch diese Art des Energietransports auftretenden Verluste betrugen 1997 in Deutschland 4 4 3 4 Diese Ausf hrungen lassen erahnen welcher Problematik man sich in diesem Zusammenhang beim Aufbau eines zuk nftigen rein regenerativen Strom versorgungsystems stellen mu welches ja naturgem mehr auf dezentrale Erzeugungs Strukturen angewiesen ist Die W rmeerzeugung f r private Haushalte geschieht meist mit individuellen Brennern ohne KWK Als Brennstoff findet dabei vorrangig Erdgas und Erd l Verwendung 3 2 Prinzip der Kraft W rme Kopplung 33 Es besteht somit in der Regel keine M glichkeit die bei der Stromerzeugung in den Kraftwerken anfallende W rme f r Heizzwecke zu verwenden Dies liegt zum einen an der r umlichen Trennung von Erzeuger und Verbraucher und dem damit verbundenen Aufwand zum verlustarmen W rmetranspo
175. s betrifft insbesondere den Zusammenhang zwischen den thermodynamischen Bedingungen und den geometrischen maschinenbaulichen Parametern weil sich daraus Auslegungskriterien ergeben Aus der Sicht eines Maschinenbauers stellt die Dampfmaschine eine Kolbenmaschine dar die dadurch gekennzeichnet ist da potentielle Energie in mechanische Arbeit umgewandelt wird Dies geschieht in der Regel mit Hilfe eines Hubkolbens der bei Dampfmaschinen h ufig beidseitig im Wechsel mit Dampf beaufschlagt werden kann und sich in einem druckfesten Zylinder periodisch hin und her bewegt Dadurch ergeben sich zwei F llungen bei jeder Periode Vs V Hub eoq OIl p Beginn der i B zen Expansion Pads PLLELETTTT i Vr i i i i i i i i i i i i i i i 2 A 5 E Pad Kompression Vorausstr mung V Abb 6 7 Indikator bzw p V Diagramm einer Dampfmaschine 6 3 Dampfmaschine 81 Beim Kolbenhingang findet das Einstr men und nach Schlie en des Einla ventils die Expansion des Dampfes unter Arbeitsabgabe und der Vorausla des Arbeitsmediums statt Beim R ckgang des Kolbens erfolgt das Ausschieben sowie das Verdichten und Voreinstr men des Dampfes nach Schlie en des Ausla ventils Durch den Vorausla wird ein Aufstauen des Mediums beim Ausschieben vermieden und die Ausschubarbeit sowie die Drosselverluste vermindert Verdichten und Voreinstr men sind notwendig um schlagartige Druckst e in den Totpunkten
176. s der PV Anlage ausreichend Zeit geben die Batterien aufzuladen und andererseits soll ein schnelles Hochfahren m glich sein So soll ein Betrieb der Maschine mit voller Leistung nur bei Erreichen eines definierten Tiefstandes einsetzen und einen Ladestrom bis zu einem Ladezustand noch unterhalb des Maximums liefern Danach k nnte die Maschine mit einer Minderleistung weiterlaufen bis entweder die PV Anlage oder die Maschine die Batterie bis zum Maximum geladen hat Wenn der Verbauch h her liegt wird sich der Arbeitsmodus mit voller Drehzahl wiederholen m ssen Ist die Batterie voll so ist es sinnvoll den Generator von der Last zu trennen und im Leerlauf zu betreiben bis halbwegs sichergestellt ist da ein Wiederanlaufen kurzfristig nicht zu erwarten ist Dann kann die Maschine gestoppt werden Dies hat nat rlich Kondensationsvorg nge in der Maschine und in den Frischdampfleitungen zur Folge so da bei erneutem Anlauf zun chst ein R cksprung in den Vorbereitungsschritt n tig ist Die Tatsache da eine Dampfmaschine bis zu einem Viertel der Nennleistung heruntergefahren werden kann ohne nennenswerte Effektivit tseinbu en 7 14 spricht zumindest von dieser Seite nicht gegen eine Drehzahlumschaltung Ein weiteres Argument f r diese Vorgehensweise ist der sich einstellende effektive Wirkungsgrad der Batterie denn je weniger Strom ber einen Ladezustand gef hrt wird desto h her ist die Energieausnutzung Darauf wird im Kapite
177. s vorzugsweise mit Biomasse betriebenen Dampferzeugers der f r den zuk nftigen realen Einsatz in diesem Hybridsystem geeignet ist stellt eine noch zu l sende Aufgabe dar Einen wichtigen Aspekt bei dieser Entwicklungsaufgabe bildet die Teillastf higkeit welche eine optimale Anpassung an die Betriebsf hrung erm glichen soll um einen maximalen Gesamtwirkungsgrad anzustreben Zur Krafterzeugung sind zwei Dampfmaschinen zum alternativen Betrieb in quivalenter Weise eingebaut worden Dies sind eine kleine Modellmaschine eine Stuart Model Twin Victoria 7 7 und eine gro e original Tandem Dampfmaschine die etwa Anfang des Jahrhunderts gebaut wurde deren Hersteller nicht bekannt ist wie auch sonst keine Daten mehr dar ber verf gbar sind Laut Auskunft des vorherigen Besitzers wurde die Tandem Maschine wahrscheinlich auf einem Schiff zum Antrieb eines 2 5 KW Gleichstromgenerators f r die Elektrifizierung eingesetzt Die Twin Victoria ist eine mit 90 versetzt arbeitenden Kolben versehene Zweizylinder Zwillingsmaschine Damit hat die Maschine die F higkeit selbst anzulaufen allerdings nur wenn sich dabei nicht zu viel Kondenswasser in den Zylindern befindet Diese Maschine eignet sich gut f r Vorversuche und f r Versuche die sich auf maschinenbauliche Manipulationen beziehen und dergleichen da hierbei der handwerkliche Aufwand wesentlich geringer ist als bei der gro en Maschine Erfolgreiche Ergebnisse konnten dann auf die Tandem
178. satzes die Wirtschaftlichkeit erh ht werden Diese Effekte k nnen die derzeitigen Probleme bei der Umstrukturierung unseres eigenen Versorgungssystems aufgrund des herrschenden Verdr ngungswettbewerbs erheblich mindern Bei der Konzipierung von Hybridsystemen m ssen sowohl die klimatisch meteorologischen Bedingungen als auch die lokale Verf gbarkeit von Prim renergie ber cksichtigt werden Es ist sicherlich von Bedeutung ob der Einsatzort in der quatorzone oder etwa im n rdlichen Sibirien liegt Dies betrifft insbesondere die berlegungen zur Integration einer Kraft W rme Kopplung So ist in quatorialen Gegenden die PV Anlage eher durch Windkraft als durch Zusatzerzeuger mit KWK zu unterst tzen denn der W rmebedarf kann sicher durch Kollektor Anlagen gedeckt werden Hier bietet sich auch der Einsatz solarer Wasserstoff Technik an Im Gegensatz dazu ist in den k lteren Regionen der Erde eher der Einsatz von KWK Anlagen vorzusehen Das in dieser Arbeit vorgestellte photovoltaische Hybridsystem mit einer Dampfmaschine zur Kraft W rme Kopplung ist vornehmlich geeignet f r Energieverbraucher deren Strom zu W rme Energieverbrauch Verh ltnis einen Wert von etwa ein Zehntel oder kleiner aufweist Ausgehend von der Vorstellung da unsere zuk nftige Energieversorgung einen minimierten Brennstoffeinsatz anstrebt und dies mit nachwachsenden Rohstoffen so w re ein derartiges System auch f r die Versorgung privater Haushalte denkb
179. schaltete Komponenten bertragen werden Hierf r werden Berechnungsformeln mit den entsprechenden Auslegungsparametern ben tigt 122 7 Hybridsystem PV Dampfmaschine mit KWK Au erdem sind die analog des obigen Beispiels berechneten idealen Energiewerte mit den anzunehmenden Wirkungsgraden der beteiligten Ger te wie zum Beispiel Dampferzeuger und Dampfmaschine zu korrigieren Dies gilt generell f r jede bertragungskomponente Diese Wirkungsgrade k nnen zusammen mit den anderen Auslegungsparametern ber anklickbare Komponenten Menues im Programm eingegeben werden wie hier am Beispiel eines W rmetauschers demonstriert Druck Dampferzeuger bar F Laderegler Druck Dampfmaschine Eingang bar Druck Dampfmaschine Ausgang bar Temperatur Dampferzeuger C Temperatur Dampfmaschine Eingang C Temperatur Dampfmaschine Ausgang C Temperatur Warmwasser Tank C 10 Enthalpie Dampferzeuger kJ kg Enthalpie Dampfmaschine Eingang kJ kg p Enthalpie Dampfmaschine Ausgang kJ kg Leistung Dampferzeuger w Leistung Wechselrichter w Leistung Solargenerator w Leistung Laderegler w Leistung Generator w Massenstrom Dampferzeuger kg h Massenstrom Dampfmaschine kg h Massenstrom Bypass kg h Massenstrom W rmetauscher Heizung kg h Massenstrom W rmetauscher Warmwasser kg h Vorgabe elektrische Verbraucher w Vorgabe Sonneneinstrahlung w rm Vorgabe Heizung
180. schnitt Tagesleistung zugef hrte W rmeleistung Volumenstrom Massenstrom gemittelte W rmekapazit t Zeichen f r die Einheit Zoll Zeiger f r Wasser bzw Dampfzust nde relativer Schadraum Adiabatenexponent Winkelgeschwindigkeit Durchmesser Verh ltnis mechanischer Leistung zur W rmeleistung nderung Steigungskoeffizient Strom W rme Verh ltnis Faktor Skalierungsfaktor F llgrad Wirkungsgrad Winkel Dichte Stromkennzahl Ah bzw Wh Wirkungsgrad Batterie Wirkungsgrad Strom W rme Verh ltnis f r KWK mit PV Anlage elektrischer bzw thermischer Wirkungsgrad Gesamtwirkungsgrad idealer bzw realer Wirkungsgrad Temperaturkoeffizienten Strom W rme Verh ltnis f r die KWK Anlage mittlere Lufttemperatur Kondensattemperatur vi Ap NPumpe Nev Nrev gt NC NProzess Ys s s Ts n Strom AT Pasing Pa oze w rme P Heizung P d w rme Pa strom P P d Strom WwW 050 5 O On Oas Oy gt b 0 h A 2A lt a AM AM AMI AMI1 5 Apv BHKW c c Co CBatterie CO Cy 5 Co gt Cpm D d D D DE DIN Verwendete Formelzeichen und Bezeichnungen bar rad C K kWh a kWh d kWh d nm 1 s W m2K J kgK Ah kWh J kgK kg s Druckdifferenz Pumpenwirkungsgrad PV Wirkungsgrad thermodynamische Wirkungsgrade Sonnenh he Winkel Ungleichf rmigkeitsgrad Siedetemperatur Wirkungsgrad zur Wandlung von mechanischer Leistung
181. se 31 3 1 Energieversorgung privater Haushalte eeeeeeeeeeeseeessrersssrressserererserersssere 31 3 2 Prinzip der Kraft W rme Kopplung sssssseeesseesssssssesereessssssserrreessssssserreee 33 3 3 Blockheizkraftwerke und Heiz Kraft Anlagen u0 een 35 3 4 KWR Apgsresale ee eier RER REITEN 36 3 5 Einsatzvoraussetzungen f r KWK 222ssssssssssssssnnnnnnnnennnssnennn nn 42 4 Photovoltaische Hybridsysteme 000s000000000000000ssssssnnnnnnsssnnnnsssssnnnnnsssssnnnnnne 43 IE TRACK UBS Ve needs denen 43 4 2 Aktuelle Systeme uusaa46a000hsssaknushassauucheanukhiienshhle 43 4 3 Regenerative Hybridsysteme ns skenslaksknikeh iekstekeitk 44 4 4 Hybridsystem Modelle nassen taken eh ecke 48 4 5 Einsatzbereiche f r Hybridsysteme u0002222224sssnnnensssssennnnnnnnnnnnnnnen 50 5 Energieverbrauch eines Privathaushalts 00000000000000000000000000000000000 52 9 1 Stromverbrauehee eur fee ae el 52 32 Warnmeyerbrauch as aa ara 59 iv Inhaltsverzeichnis 5 3 Korrelation des Strom W rme Verbrauchs ssssseeseseeesssssseesereessssssesrreee 64 6 Kraft W rme Kopplung mit Dampfmaschine css00sssssssoossssensonssnsensenee 67 6 1 Thermodynamische Grundlagen 2 u 822 222 67 6 2 Dampikraftprozch ea Nil 71 6 2 2 Dampkmaschine u a Re 77 6 4 Dampfmaschine mit Heizkreislauf 22440ssneeenssssennnnnnnnnenennnen 85 7
182. sei hier auf Spezialliteratur verwiesen Betrachtet man die hier aufgef hrten KWK Aggregate unter dem Gesichtspunkt des Einsatzes nachwachsender Rohstoffe so ergeben sich etliche m gliche Vor und Nachteil Aufstellungen Der Versuch einer umfassenden vergleichenden Bewertung in dieser Hinsicht kann hier nicht vorgenommen werden Betrachtet man die obige Zusammenstellung jedoch unter dem Gesichtspunkt eines dezentralen Einsatzes in einem privaten Haushalt so k nnen Turbinensysteme ausgenommen werden Dieselmotoren Ottomotoren und Brennstoffzellen ben tigen f r den Betrieb mit nachwachsenden Rohstoffen eine vorherige Brennstoffaufbereitung und ein ausgebautes Distributionssystem um die Verf gbarkeit der damit erzeugten Brennstoffe f r diesen Einsatz zu gew hrleisten Diese vorbereitenden Ma nahmen sind mit einem Energieaufwand verbunden der die Effektivit t der Prim renergienutzung mindert Diese Nachteile lassen sich durch die Verwendung der externen Verbrennungen zum Betrieb eines Stirlingmotors oder einer Dampfmaschine mindern Es besteht hier die M glichkeit einen Brenner zu verwenden der auf die im n heren Umfeld erh ltlichen Biobrennstoffe zugeschnitten ist Dies er brigt eine grundlegende Rohstoffaufbereitung schafft individuelle Freiheit und reduziert den Transportaufwand Zus tzliche berlegungen hinsichtlich weiterer wichtiger Eigenschaften wie zum Beispiel Langlebigkeit einfache Konstruktion geringe St ranf llig
183. senmodus Drehzahl npause lt Nruhe bei abgekoppelter Last keine elektr Leistung Wartezustand Batterie Ladezustand Min2 Schritt 6 Weiterschaltbedingung Warte Zeitintervall abgelaufen Wegeschaltung Dampfleitung zur Dampfmaschine sperren Drosselventil auf definierten Hub Weiterschaltbedingung Zeitintervall abgelaufen 7 6 Steuerungskonzept 115 10 Maschine Stop PV Modus Maschine au er Betrieb PV Anlage liefert Strom bzw Batterie voll Batterie Ldezustand Min2 Schritt 3 falls mit KWK Alarm falls ohne KWK gt KWK aktivieren auch als automatische Option m glich Schritt 3 nur in diesem Fall Batterie Ladezustand Min abs Laderegler trennt Last Fehlermeldung Der gew hlte Zustand mit KWK wird automatisch zur ckgenommen wenn keine W rmeabnahme mehr erfolgen kann und wieder freigegeben wenn eine W rmeanforderung auftritt In der Regel wird das Programm immer aktiv sein Die Laderegelung der Batterien ber die PV Anlage sollte immer unabh ngig arbeiten k nnen Au er der Stromversorgung wird Warmwasser ebenfalls meist ganzj hrig ben tigt Wird die Anlage ausgeschaltet sollte im Falle eines vorherigen KWK Betriebes ein separater Programmschritt zum Herunterfahren der Anlage f r eine gewisse W rmetauscher Nachlaufzeit zum Abbau der Dampf Restw rme sorgen bevor die Ventile in den Grundzustand versetzt werden Eine der m glichen Einschaltbedingungen ist zum Beispiel eine R ckmeldu
184. so erh lt man 6 10 Pran k p p p 6 32 p Eingangsdruck p Ausgangsdruck p Druckverluste mit l e k v ld 6 33 V E Vs V und v F llgrad relativer Schadraum Hub Vrup 82 6 Kraft W rme Kopplung mit Dampfmaschine Der Ausdruck p kennzeichnet dabei die Summe aller auftretender Verluste wie zum Beispiel durch Drosselung des Eintrittsdampfes verfr hter Austritt Druckverlust des abziehenden Dampfes Kompression und Druckabf lle bei mehrstufigen Maschinen F r die Auslegung einer Maschine ist es wichtig den Eingangsdruck so gut wie m glich zur Arbeitserzeugung auszunutzen Ist der Frischdampfdruck vorgegeben so h ngt die effektive Arbeitsweise der Maschine wesentlich vom Enddruck P a Vor dem Ausstr men des Abdampfess gegen p ab Diese Werte stehen im Zusammenhang mit dem F llgrad vor der Expansion N herungsweise kann man mit der folgenden Beziehung arbeiten 6 10 l e v e p V Pra E bzw Pin ee 6 34 Die effektive Leistung lag bei den fr heren Dampfmaschinen zu Anfang des Jahrhunderts etwa 10 20 niedriger als die indizierte Leitung Geht man von einem idealen adiabatischen Expansionsvorgang aus der in der Praxis meist nur ann hernd erreicht werden kann wenn der Endzustand nach der Entspannung von V immer noch im Hei dampfbereich liegt 6 11 6 14 so kann die Leistung wie folgt abgesch tzt werden K l Das ne nt 2 gt 1 x 1 30 6 35 T P Be
185. sst rken Verlauf sowohl in Abh ngigkeit vom Monat als auch stundenweise im Verlauf eines Tages aufgef hrt Hierf r wurden die Mittelwerte ber mindestens 5 Jahre f r verschiedene repr sentative deutsche St dte herangezogen Auf diese Norm st tzt sich auch die Dimensionierung der PV Anlage f r das in dieser Arbeit vorgestellte Hybridsystem Als Beispiel f r den Ertragsverlauf einer PV Anlage seien hier die Ergebnisse der 4 8 KWp Photovoltaikanlage der FernUniversit t in Hagen w hrend des Jahres 1997 dargestellt Der Gesamtertrag des Jahres betrug etwa 4000 kWh Zur besseren bertragbarkeit auf andere Anlagengr en ist es sinnvoll die Ertr ge auf ein kWp zu normieren wie in Abb 2 13 dargestellt KWh kWp 125 100 75 50 25 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Abb 2 13 Energieproduktion der 4 8 kWp Anlage der FernUniversit t in Hagen 3 1 Energieversorgung privater Haushalte 31 3 Kraft W rme Kopplung Dieses Kapitel soll einen berblick ber die Energieversorgung privater Haushalte sowie ber die Grundlagen und M glichkeiten der Kraft W rme Kopplung KWK zur Verf gung stellen 3 1 Energieversorgung privater Haushalte Der Energiebedarf privater Haushalte wird sowohl durch die genutzten elektrischen Ger te als auch durch den Warmwasserverbrauch und dem insbesondere im Winter erforderlichen Heizungsbetrieb bestimmt Hierbei erfolgt in der Regel die Lieferung von elektrischer Energie unabh ngig von der Versorgun
186. t ber diesen gemittelten Werten liegen Dies betrifft den Elektroherd in besonderer Weise so da kurzfristig Spitzen bis 10 kW auftreten k nnen Wenn diese Spitzen im Stromverbrauch gemessen werden sollen so ist eine Intervall nge von 5 Minuten oder kleiner zu w hlen Messungen mit einer 5 Minuten Aufl sung an einem freistehenden Einfamilienhaus mit einer f nfk pfigen Familie in der Eifel z 1 82 haben zum Beispiel in einer Dezemberwoche folgende Ergebnisse erbracht a REIN EOS se TE SE EZ Ze HBIE ES TEN 1 84 109 3 28 1 98 0 54 lt 0 15 lt 005 lt oos Tabelle 5 8 Klassenaufteilung des Leistungsbedarfs eines Haushalts Das Auftreten dieser Verbrauchsspitzen darf nicht vernachl ssigt werden denn der Ausgleich ber diese tempor r auftretenden extremen Schwankungen kann im allgemeinen bei einem Hybridsystem nur ber die Speicherbatterien oder einen Netzanschlu erfolgen Ebenso sind die Schwankungen im Verbrauch innerhalb der Woche zu ber cksichtigen Diese Umst nde werden noch einmal bei der Dimensionierung des Hybridsystems speziell betrachtet In Verbindung mit dem Umrechnungsfaktor z f r allgemeine Haushalte sind die Darstellungen mit Hilfe der Intervall Mittelung als Auslegungsgrundlage f r das Hybridsystem eine gute Basis 5 2 W rmeverbrauch 59 5 2 W rmeverbrauch Der W rmeverbrauch ist im Vergleich zum Stromverbrauch me technisch schwerer zug nglich Ausnahmen bilden Haushalte
187. t Regelungstechnische Information Str mung und Ventilkennlinien BRUSA Elektronik Drehstrom Antrieb Firmenschrift undatiert Brusa Elektronik Gams Schweiz O F llinger Regelungstechnik 6 Auflage Einf hrung in die Methoden und ihre Anwendungen H thig Buch Verlag Heidelberg 1990 D Weber M Nau Elektrische Temperaturmessung Mit Thermoelementen und Widerstandsthermometern Firmenschrift JUMO Fulda 2 Auflage 1991 H H berlin Photovoltaik Strom aus Sonnenlicht f r Inselanlagen und Verbundnetz AT Verlag Aarau Schweiz 1991 K W Schmitz G Koch Kraft W rme Kopplung Anlagenauswahl Dimensionierung Wirtschaftlichkeit Emissionsbilanz 2 berarbeitete Auflage VDI Verlag D sseldorf 1996 158 Literaturverzeichnis 7 15 A Zahedi Solar Photovoltaik Energy Systems Design and Use The New World Publishing Melbourne Australia 1998 7 16 G Engeln M lleges F Reutter Numerische Mathematik f r Ingenieure BI Mannheim Wien Z rich 1987 7 17 F Dietzel Technische W rmelehre Vogel Buchverlag W rzburg 6 Auflage 1992 7 18 W Hemming Verfahrenstechnik Vogel Buchverlag W rzburg 5 Auflage 1989 Literatur zu Kapitel 8 Dimensionierung f r einen Privathaushalt 8 1 DIN 4710 Meteorologische Daten Beuth Verlag Berlin 1982 8 2 K W Schmitz G Koch Kraft W rme Kopplung Anlagenauswahl Dimensionierung Wirtschaftlichkeit Emissionsbilanz 2 berarbeitete Auflage VDI Verlag D sseldorf
188. t dies eine Leistung von etwa 64 MW m Insgesamt ergibt sich eine abgestrahlte Leistung von 3 9 10 W la Schwarzer K rper 5900K 1 ib Extraterrestrische Sonne AMO j f Ds 15 WS 20 N Abb 2 1 Strahlungsspektrum der Sonne 2 2 Da der Strahlungsflu sich auf eine Kugelschale verteilt nimmt dieser mit dem Abstand zum Quadrat ab und betr gt nach dem mittleren Abstand der Erde von der Sonne von 149 5 10 m au erhalb der Lufth lle bei senkrechtem Einfall auf eine Ebene E 1 37 kW m 2 4 Diese Leistung wird durch Absorption und Streuung beim Durchgang durch die Atmosph re zum Teil geschw cht Zus tzlich kommt es auch noch zu einer spektralen Verschiebung So ist die Rayleigh Streuung mit ihrem X Verhalten f r die blaue Himmelsfarbe und f r das Morgen und Abendrot verantwortlich All diese Effekte h ngen in ihrem Ausma ebenfalls von dem in der Atmosph re zur ckgelegten Weg ab wie das Lambert Beer sche Gesetz es beschreibt 2 3 Diesen kennzeichnet man mit dem sogenannten AM Wert welcher von der Sonnenh he y relativ zur Horizontalen wie folgt abh ngt 1 M 2 siny s 2 So unterscheidet man grob AMO die extraterrestrische Strahlung E AMI senkrechter Einfall des Sonnenlichts am quator auf Meeresh he AMI 5 bedeutet eine 1 5 fach gr ere Luftmasse bei Yy 41 8 Ansonsten haben sowohl die lokalen Wetter wie Standortbedingungen einen gro en Einflu auf die
189. t eine Drehzahl von 10 bis 30 so erh hte sich diese im Laufe der Zeit auf 120 bis 150 bei normalen Maschinen Ausnahmen bildeten die sogenannten Schnell ufer mit mehreren hundert Umdrehungen pro Minute welche f r die Kupplung an elektrische Maschinen oder f r rasch laufende Pumpen konzipiert waren 6 3 Dampfmaschine 79 Hierbei spielten auch berlegungen zur Raum und Gewichtsminderung eine Rolle So wurden f r den Schiffsbau Maschinen mit Drehzahlen von 500 bis 800 1 min realisiert Eine Erh hung der Drehzahl bewirkt einerseits eine Reduzierung der Kontaktzeit von Dampf und Wandungen und damit der W rmeverluste Andererseits steigen allgemein die Reibungsverluste auch durch Drosselung des Dampfes in den Steuerungskan len Au erdem stiegen die Anforderungen an die ausgewogene Massenverteilung zur Vermeidung von Unwuchten Auf den Dampfverbrauch hat die Drehzahl bei gleicher Leistung wenig Einflu Heutzutage gibt es Dampfmotoranlagen f r Frischdampf bis zu 500 C bei Dr cken von 6 bis 60 bar Der bliche Leistungsbereich liegt zwischen 40 KW und 2500 kW und dies sowohl f r Direktantrieb als auch zur Stromerzeugung Dabei liegt der Drehzahlbereich zwischen 750 und 1500 1 min wodurch eine direkte Kupplung zum Antrieb ohne Getriebe erm glicht wird Der innere Wirkungsgrad der Maschinen G tegrad betr gt je nach Frischdampfzustand und Leistungsgr e zwischen 65 und 85 Hierbei ist festzustellen da dieser in einem Regelberei
190. tionale Verbindung der aufgef hrten Komponenten des Hybridsystems Dabei sind Erfahrungen die sich bei dem experimentellen Aufbau ergeben haben ber cksichtigt worden In der obersten Zeile des Schemas ist die Photovoltaikanlage mit der Laderegelung dargestellt sowie der Batterieanschlu Darunter kann man drei Bereiche erkennen Dies ist auf der linken Seite der Dampferzeuger rechts daneben in der Mitte die Dampfmaschine mit den Heizkreisl ufen zur Kraft W rme Kopplung und abschlie end rechts unten die elektrischen Komponenten zur Versorgung der Stromverbraucher sowie die Steuerung Hierf r empfiehlt sich der Einsatz eines Mikrocontrollers Dieses Schema gibt abgesehen von der sich au erhalb des Geb udes befindlichen Photovoltaikanlage den realisierten Laboraufbau wieder Die Eigenschaften der Photovoltaikanlage k nnen mit Hilfe eines Solargenerator Simulators auch nachgebildet werden F r die Darstellung der KWK sind Sinnbilder nach DIN 2481 240 und Kennbuchstaben f r Messen Steuern und Regeln in der Verfahrenstechnik nach DIN 19227 verwendet worden 7 4 Eine entsprechende Legende findet sich im Anhang Abgesehen von einigen Details bei den W rmekreisl ufen kann dieses Schema als Grundlage f r eine Pilotanlage dienen Zun chst geht es aber nur um die Kl rung prinzipieller Eigenschaften und Grundlagen Der darauf beruhende Versuchsaufbau wurde insbesondere hierf r Konzipiert 7 3 Versuchsaufbau Entsprechend der Darste
191. ts gezeigt gut erreichbar und d rfte f r zuk nftige moderne f r diesen Einsatz konzipierte Dampfmaschinen eine untere Grenze darstellen Der Energieertrag der PV Anlage sollte so hoch sein da w hrend der Sommermonate ein Betrieb der Dampfmaschine nur in Ausnahmef llen erforderlich ist Den m glichen Versorgungszeitraum f r den Sommer kann man durch die Bestimmung der Schnittpunkte der PV Ertragslinie mit der Grenzkurve f r v 0 0 erhalten wie dies in der Abb 8 1 f r die 2kW Linie gut zu erkennen ist F r dieses Beispiel ergibt sich ein Zeitraum von Mai bis August in dem die PV Anlage allein f r die Stromversorgung ausreichen kann Das erzielbare Leistungsmaximum erreicht dabei gerade die obere Grenze der gemittelten Lastganglinie entsprechend Gleichung 5 1 Somit erstreckt sich der Energieertrag einer 2KW Anlage ber eine sinnvolle Bandbreite Dieses Zeitintervall schlie t auch den als typisch klassifizierten Sommertag Ende Mai Anfang Juni Abb 5 7 mit einem Stromverbrauch von 7 439 kWh ein F r diesen Tagestyp liegt das maximal zu erf llende Strom W rme Verh ltnis knapp unter 0 2 Dies w rde f r den Sommer einem Auslegungswert von dv 0 05 entsprechen Wie man der Abb 8 1 entnehmen kann wird diese Grenzlinie und damit erst recht diejenige f r v 0 1 in den Sommermonaten von der 2kWef Kurve ausreichend eingeh llt so da die Dampfmaschine hier nicht zum Einsatz zu kommen braucht Im Vergleich zur unteren Gren
192. ttdampf 6bar 5 y T Poa s 4 1 bar k aN 0 8 bar es A 04bar amp 0 1 bar lt 2 1 0 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 Abb 7 11 Einflu der Wirkungsgrad nderung auf die Bypassregelung 7 5 Regelungskonzept 107 Im folgenden soll der Einflu der Bypass Regelung auf die Kondensat R cklauf Temperatur herausgearbeitet werden Der Gesamtmassestrom teilt sich in den Massestrom zur Dampfmaschine und in den zum W rmetauscher auf Tipy 7 25 Die Gesamtenergie berechnet sich aus O m h h Die Enthalpie h wird durch die R cklauftemperatur festgelegt Tin R h W nscht man eine bestimmte tempor re Leistungs Pen const und W rmeanforderung Q const und geht von einer Abweichung des Ist Wertes vom Soll Wert aus ergibt sich m Ist m Soll Am m Soll m Ist gt Arm gt Ah h Soll h Ist 7 26 Als Energiebilanz erh lt man mph mp h y P n Oy gt Pish T y er h _ Ds y 7 27 Mm Mpu Myr h Soll h Weicht der Ist Zustand geringf gig vom Soll Zustand ab so gilt Myr gt Myr Ayr Damit ergibt sich f r den Ist Zustand P C h dst h 1 Qy 7 28 Mp AMyr Die Differenz zwischen Soll und Ist Zustand berechnet sich zu 1 1 h Soll h Ist Pi F Qy E Ayr z Pur O l Soll h Ist 1 l i h oll A st m pg Aia l 108 7 H
193. u Heizung WT 1 2 x 0 6 x 0 75 13x045x 10 WW 05x09x 1 9 Abzug Bat DM 108 1 0 x 0 8 x 1 3 1 0 x 0 7 Abflu x 1 5 G 0 5 x 0 25 x 0 4 Wasser anschlu DV H 1 0 x 0 6 x 1 3 Ma e in m Arbeitstisch PV SIM 1 6 x 0 8 Erl uterungen FI Durchflu messungen WT Z W innetauscher Bat Speicherbatterien WW Warmwasser Speicher Generator DM Dampfmaschine E Elektronik Steuerung DE Dampferzeuger PV SIM BE Generator Simulator DV Dampfventile PC Computer 147 Anhang D Experimenteller Aufbau 1 Dampfmaschine Anhang 148 JydIsu yuo g 7 Literaturverzeichnis 149 Literaturverzeichnis Literatur zu Kapitel 1 Einleitung und Zielsetzung 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 1 10 D Nelles Ch Tuttas Elektrische Energietechnik B G Teubner Stuttgart 1998 Volker Quaschning Regenerative Energiesysteme Carl Hanser M nchen Wien 1998 Vorlesungsbl tter Landtechnik Weihenstephan 1997 98 Nachwachsende Rohstoffe und erneuerbare Energieformen Zusammenstellung B Widmann Bild der Wissenschaft August 1998 Konfusion um Kernfusion VDEW Energietr ger bei der Stromerzeugung 1997 Stromquellen Internetadresse http www vdew de zf_sz211 htm 1998 Leonhard M ller Handbuch der Elektrizit tswirtschaft Technische wirtschaftliche und rechtliche Grundlagen Springer Verlag Berlin Heidelberg Ne
194. u maximieren Diese Ma nahmen allein w rden aber jedoch nur den Zeitpunkt bis zum endg ltigen Verbrauch der Ressourcen hinausz gern Diese Verz gerung ist aber unverzichtbar um in Kombination mit einer rationellen Energieverwendung unser Energieversorgungssystem in zunehmendem Ma e durch regenerative Energiequellen zu erg nzen damit wir uns letztlich ganz auf erneuerbare Energien st tzen k nnen welche nach menschlichen Ma st ben unersch pflich sind Dies f hrt dann in Folge ebenfalls zu einer unbedingt anzustrebenden CO neutralen Energieversorgung 1 4 Regenerative Energien 5 1 4 Regenerative Energien Grob kann man die erneuerbaren Energien in die drei Bereiche geothermische Energie Gezeitenenergie und Sonnenenergie einteilen Diese Energiequellen sind f r menschliche Zeitma st be unersch pflich Es ist anzumerken da der in diesen Zusammenh ngen verwendete Energiebegriff sich immer auf die technisch nutzbare Energie bezieht denn nach den Naturgesetzen wie sie uns die Physik erschlossen hat ist Energie weder erzeugbar noch kann sie vernichtet werden sie kann lediglich ihre Tr ger wechseln Die j hrlich angebotene Energiemenge durch erneuerbare Quellen ist um Gr enordnungen h her als der weltweite Energiebedarf Durch verschiedene nat rliche Umwandlungsprozesse innerhalb der Erdatmosph re werden aus diesen Quellen unterschiedliche weitere Energiestr me hervorgerufen Dabei hat die Sonnen energie mit eine
195. unehmender gew nschter verf gbarer Leistung ist jedoch meist eine zus tzliche Energieversorgungseinheit zur Unterst tzung vorzusehen Insbesondere die Ber cksichtigung des gravierenden Unterschieds zwischen Sommer und Winter verh ltnissen k nnte dazu f hren da sowohl die Photovoltaikanlage als auch der Batteriespeicher in unvern nftiger Weise berdimensioniert werden m te Bei netzgekoppelten Systemen kann auf den Energiespeicher verzichtet werden Hier besteht die M glichkeit sowohl Defizite auszugleichen als auch Energie in das elektrische Netz einzuspeisen Photovoltaische Systeme die ber einen weiteren elektrischen Energieerzeuger verf gen stellen ein Hybridsystem dar Dieser zus tzliche Energieerzeuger kann zum Beispiel ein Windkraftgenerator ein Dieselgenerator oder ein Gasmotor sein 1 9 Wird au er einer Stromversorgung ebenfalls eine Deckung des W rmebedarfs gew nscht so bietet sich eine Kraft W rme Kopplung als sinnvolle Erg nzung an wenn die Versorgung sich am W rmebedarf ausrichten l t Auf diese Weise lassen sich insbesondere die thermische und elektrische Versorgung von netzfernen Anwesen sicherstellen Verdeutlichen wir uns jedoch noch einmal die bereits ausgef hrte Notwendigkeit fossile Brennstoffe einzusparen und erneuerbare Energien einzusetzen so zeigen aktuelle Absch tzungen da die politisch gesetzten Ziele zur zeitlich gestaffelten Reduktion der CO Emisionen nur erreichbar sind wenn
196. ung Bidirektionaler Wechselrichter Sicherheitstechnik Akkumulatoren Laderegler Not Aus Gleichstromwandler Generatorbetrieb bei Anlauf p T U berwachung i Wechselrichter Abb 7 1 Systemkomponenten f r das Hybridsystem 7 1 Komponenten des Hybridsystems 87 Die erforderlichen Komponenten zum Aufbau des photovoltaischen Hybridsystems mit Dampfmaschine zur Kraft W rme Kopplung k nnen grob in zwei Gruppen aufgeteilt werden deren gemeinsames Bindeglied die Akkumulatoren darstellen Dies ist zum einen die Photovoltaikanlage und zum anderen die KWK Anlage mit der Dampfmaschine Der prinzipielle Aufbau von Photovoltaikanlagen Kraft W rme Kopplungen und photovoltaischen Hybridsystemen wurde bereits in vorangehenden Kapiteln erl utert Die obige Aufstellung in Abb 7 1 gibt eine bersicht ber die wesentlichen Komponenten des autarken Hybridsystems Eine Sonderstellung unter den aufgef hrten Bestandteilen des Systems kommt dem Dampferzeuger mit dem dazugeh rigen Brenner zu Diese Komponente stellt die Schnittstelle zum prim ren Energietr ger Brennstoff dar und bildet die Grundlage f r ein hohes Ma an Flexibilit t f r das Hybridsystem Nimmt man die Dampferzeugung aus so besteht die M glichkeit eine Standardisierung f r eine derartige Anlagen vorzunehmen wobei der Dampfanschlu die Schnittstelle darstellt Mehrere Leistungsabstufungen sind hierbei sicherlich sinnvoll Die Ausf hrung des Brenners mu auf die individuell
197. uslegung und Betriebsf hrung einer Kraft W rme Kopplung ist der Gleichzeitigkeits Verlauf des Strom und W rme Bedarfs Je gr er die Wahrscheinlichkeit f r die gleichzeitige Anforderung von Strom und W rme ist und zudem das Verh ltnis von Strom zu W rme dem Wirkungsgrad entgegenkommt desto besser l t sich eine effektive KWK realisieren Der jahreszeitliche Verlauf des Strom W rme Verh ltnisses kann mit Hilfe der vorgestellten N herungsformeln f r einen allgemeinen Haushalt approximativ angegeben werden 8 6 16 Za 3 O COS 365 g P Strom 5 14 Z Pd W rme 2T 15 4 7 1 d 0 232 5 4 836 1 0 25a 02 2 Ausgleichskurve der Jahresganglinie f r das Strom W rme Verh ltnis Aufgrund der Normierung auf den Stromverbrauch k rzt sich hierbei der Umrechnungsfaktor z f r einen allgemeinen Haushalt heraus so da die obige Formel unter den gemachten Annahmen allgemein g ltig ist Daraus ergibt sich n herungsweise der folgende Verlauf f r die Jahresganglinie Jahresganglinie Strom W rme Verh ltnis 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Monat Abb 5 6 T gliches Strom W rme Verh ltnis eines Haushalts 5 3 Korrelation des Strom W rme Verbrauchs 65 In der Regel ist in der Realit t das Minimum des W rmeverbrauchs flacher und erstreckt sich ber die Monate Juni Juli und August 5 10 So f llt der Verbrauch im Sommer etwas niedriger aus als es die N herungsformel angibt Daf r ist der
198. ute er einen besonderen Kondensator und erzeugte den Druck auf den Kolben nicht mehr durch atmosph rische Luft sondern durch den Dampfdruck So baute Watt 1768 die erste f r verschiedene Zwecke geeignete Dampfmaschine Diese Maschine arbeitete als sogenannte Balanciermaschine mit 1 3 bar Um 1802 wurden dann Maschinen gebaut die mit einem Dampfdruck von 3 bis 4 bar arbeiteten Danach wurde ein Bereich von 4 bis 6 bar bevorzugt Diese Entwicklung war eng mit dem Fortschritt beim Kesselbau verkn pft um die erforderlichen Druckbeh lter bauen zu k nnen 6 10 78 6 Kraft W rme Kopplung mit Dampfmaschine Weitere Drucksteigerungen gingen mit der Entwicklung mehrstufiger Maschinen einher 9 bis 12 bar Man erreichte damit um das Jahr 1900 mechanische Wirkungsgrade von etwa 15 Ab 1866 entstand eine erhebliche zus tzliche Nachfrage nach Dampfmaschinen denn Werner von Siemens hatte den Generator zur Stromerzeugung erfunden Um 1930 konnte man die Dampfmaschinen entsprechend ihres absoluten Eintritts und Austrittsdrucks grob wie folgt klassifizieren Druck Eintrittsdruck Austrittsdruck Austrittsdruck bar absolut Auspuffbetrieb Kondensation Einfachexpansion 80 12 0 0 25 1 0 Zweifachexpansion 10 0 15 0 0 25 1 0 Dreifachexpansion 12 0 18 0 0 25 1 0 Tabelle 6 2 Klassifizierung von Dampfmaschinen um 1930 In der Regel wurde dabei berhitzter Dampf genutzt Der wesentliche Grund hierf r waren die auftretenden W
199. utet auch da im Regelfall auf einen W rmespeicher verzichtet werden kann Betrachtet man die Tabelle 5 5 f r den typischen Wochenverbrauch eines Haushalts im Winter so liegt dort das 15 Minuten Maximum bei 0 85 kW Der minimale Wert w hrend eines Tages liegt zwischen 00 00 und 06 00 Uhr und betr gt dabei im Mittel 0 15 kW In diesem Tages Drittel werden aber nur knapp 9 des t glichen Strombedarfs verbraucht F r den Rest des Tages liegt das Leistungsniveau wie Abbildung 5 3 zeigt im Mittel bei etwa 0 52 kW Zus tzlich ist die vorhandene Speicherbatterie als Verbraucher zu ber cksichtigen dessen zus tzliche Aufladung nur innerhalb der genannten erlaubten Betriebsbereiche erfolgen kann insbesondere wenn kein W rmespeicher vorhanden sein sollte Das H chstma der momentanen Stromerzeugung ist durch die abnehmbare W rmemenge Qw begrenzt Abb 7 6 Je kleiner das augenblicklich zu erf llende Strom W rme Verh ltnis des Haushalts ist desto mehr Reserve bleibt f r die Batterieaufladung 136 8 Dimensionierung f r einen Privathaushalt Arbeitet zum Beispiel die Maschine mit einem elektrischen Wirkungsgrad von 10 so ist die verf gbare Reserve im kritischen Monat Oktober minimal und betr gt etwa 34 Die Reserve ergibt sich bei diesem Wirkungsgrad aus dem Quotienten des momentanen Strom W rme Verh ltnisses zu dem Wert 0 11 denn wenn das Strom W rme Verh ltnis unter 0 11 f llt mu der W rme Bypass ge ffnet werden sieh
200. von mindestens 1 8 kWh besteht der einem Akkumulator zugef hrt werden K nnte Dieser statistische berschu steigt im Juni maximal auf etwa 3 kWh Innerhalb einer Woche als periodische Zeiteinheit w rden sich so etwa 12 6 bis 21 KWh speichern lassen Dies entspricht in diesem Fall dem Energiebedarf f r 1 8 bis 2 8 Tagen F r den Speicherinhalt eines Wochen Energiebedarfs im Sommer ben tigt man etwa 52 KWh Dieser Speicherkapazit t entsprechen zum Beispiel 36 St ck 12 Volt Batterien mit je 120Ah Geht man also sicherheitshalber von dem Wochen Energiebedarf aus so ergibt sich f r den allgemeinen privaten Haushalt Richtwert f r die Akkumulator Kapazit t z 52kWh 8 17 des Hybridsystems C Batterie Die Nennleistung des Bidirektionalen Wechselrichters ist gleich der maximalen elektrischen Leistung des Generators nach 8 11 zu w hlen Die Dimensionierung des Wechselrichters zur Versorgung der Wechselstrom verbraucher hingegen mu sich nach der maximal m glichen Verbraucheranforderung richten Hier sind bei Haushalten mit kurzfristigen Spitzenanforderungen um ca 10 kW und mehr zu rechnen 140 8 Dimensionierung f r einen Privathaushalt Eine Ausrichtung des Wechselrichters nach diesen Werten h tte allerdings einen permanent stark ausgepr gten Teillastbetrieb mit einem entsprechend schlechten Wirkungsgrad zur Folge Es empfiehlt sich daher in einem autark versorgten Haushalt die maximal m glichen Spitzenanf
201. w York 1998 Agenda 21 Konferenz f r Umwelt und Entwicklung der Vereinten Nationen UNCED Juni 1992 Bundesministerium f r Umwelt Naturschutz und Reaktorsicherheit Martin Kaltschmitt Andreas Wiese Erneuerbare Energien Springer Verlag Berlin Heidelberg New York 1997 2 Auflage Prof Dr Ing D Hackstein Skriptum zur Experimentalvorlesung Photovoltaik II Kurs 2158 FernUniversit t Hagen Prof Dr Peter Hennicke Wuppertaler Institut f r Klima Umwelt Energie Erneuerbare Energien 6 1998 150 1 11 Literaturverzeichnis K Brinkmann amp D Hackstein Kombinierte Nutzung von Biomasse und Sonnenenergie zum Betrieb eines Hybridsystems bestehend aus Kraftw rmekopplung mit Dampfmaschine und Photovoltaikanlage Siebtes Symposium Biobrennstoffe und umweltfreundliche Energietechnik 11 und 12 11 98 Deggendorf Literatur zu Kapitel 2 Photovoltaik 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 2 10 2 11 2 12 Gerthsen Kneser Vogel Physik Springer Verlag Berlin Heidelberg New York 1986 15 Auflage H K K the Stromversorgung mit Solarzellen Franzis Verlag M nchen 1988 N Pucker Physikalische Grundlagen der Energietechnik Springer Verlag Berlin Heidelberg New York 1986 DIN 5034 Teil 2 Tageslicht in Innenr umen Grundlagen Beuth Verlag Berlin 1985 DIN 4710 Meteorologische Daten Beuth Verlag Berlin 1982 W Palz J Greif European Solar Radiation Atlas
202. wert f r die mechanische Leistung der Dampfmaschine P y mechanisch Z 17KW 8 12 Mit der Festlegung der Dampfmaschinenleistung kann mit R cksicht auf den maximalen W rmebedarf der Verdampfer sowie die W rmeversorgung dimensioniert werden 8 3 Dampferzeuger und W rmeversorgung 137 8 3 Dampferzeuger und W rmeversorgung Der Verdampfer mu die Summe der vom Haushalt geforderten Leistungen einschlie lich der auftretenden Umwandlungsverluste zur Verf gung stellen Ausschlaggebend f r die erforderliche Nennleistung ist das zu erwartende Maximum w hrend des Winters Die maximale elektrische Leistung eines durchschnittlichen Haushalts ist durch die Festlegung der mechanischen Leistung der Dampfmaschine mit 1 7 KW vorgegeben Bei einem mittleren mechanischen Wirkungsgrad von 0 1 werden in diesem Fall f r die Stromerzeugung mindestens 17 kW Dampfleistung ben tigt Der maximale W rmebedarf betr gt im Januar etwa 175 kWh Tag Betrachtet man den Verlauf der relativen W rmelast in Abb 5 5 f r einen Wintertag so findet zeigt sich ein maximaler Anteil von 6 5 um 18 00 Uhr Daraus ergibt sich eine W rmelast von etwa 11 4 kW Zusammen mit der erforderlichen mechanischen Leistung ohne Reserve sind etwa 12 6 kW in Form von Dampf aufzubringen Dieser Wert ist mit einer Festlegung der Nennleistung des Dampferzeugers auf mindestens 17 kW erf llbar Dieser Wert schlie t analog zur elektrischen Leistung einen Sicherheitszuschlag von etwa
203. wicklung hin zu immer h heren Leistungen abgel st da die Kolbenmaschinen aufgund ihrer Schwerf lligkeit hierbei nicht Schritt halten konnten Bei der Kraft W rme Kopplung sind hier im wesentlichen zwei Betriebsarten zu unterscheiden dies sind der Gegendruckbetrieb und der Kondensationsbetrieb Beim Gegendruckprinzip wird die W rme auf Nutztemperaturnieveau zum Beispiel durch Einspeisen des Abdampfes in ein Fernw rmenetz ausgekoppelt Diese Betriebsart geht leicht zu Lasten des elektrischen Wirkungsgrades Beim Kondensationsbetrieb wird das Temperaturgef lle des Dampfes soweit wie m glich zur Stromerzeugung ausgenutzt Die im Abdampf verbleibende Abw rme wird im Kondensator an Luft oder Wasser abgef hrt und zu Heizzwecken genutzt Hierbei ist die Anpassung an wechselnden Strom W rmebedarf wesentlich besser m glich Es k nnen Brennstoffnutzungsgrade f r die Kraft W rme Kopplung mit Dampfkraftanlagen erreicht werden die bis zu 90 betragen Gasmotor Beispiel Stirling Motor Die Grundform des Stirlingmotors wurde bereits 1816 von dem schottischen Pfarrer Robert Stirling erfunden Eine m gliche Bauart dieser Maschine besteht im Prinzip aus einem Zylinder der auf einer Seite geheizt wird und auf der anderen Seite gek hlt wird 3 12 Innerhalb des Zylinders laufen dann mit 90 Phasenverschiebung ein Verdr nger Kolben und ein Arbeitskolben Dadurch wird das Arbeitsmittel hin und her transportiert wobei es alternierend erw rmt
204. wird ein Verfahrensschema und dessen Funktionsprinzip pr sentiert welches als Grundlage f r weitergehende Entwicklungen dienen kann sowie die Dimensionierung eines solchen Hybridsystems aufgezeigt Der Aufbau einer auf den Markt abgestimmten Pilotanlage eines derartigen Hybridsystems erfordert zun chst die Entwicklung einer modernen Dampfmaschine und ben tigt hierf r die Unterst tzung durch heutige Maschinenbauer M glicherweise kann diese Arbeit eine Anregung hierf r bieten 1 7 Gliederung der Arbeit Nachdem einleitend die Motivation f r die Untersuchung eines photovoltaischen Hybridsystems mit einer Dampfmaschine zur Kraft W rme Kopplung dargelegt wurde folgt zun chst eine Zusammenstellung von Grundlagen und Fakten zum Aufbau von Photovoltaikanlagen Anschlie end wird die Struktur der derzeitigen Energieversorgung privater Haushalte erl utert und dem Prinzip der Kraft W rme Kopplung gegen bergestellt Es werden KWK Modelle und Aggregate vorgestellt und die Einsatzvoraussetzungen erl utert 10 1 Einleitung und Zielsetzung Den Erkl rungen zum photovoltaischen Hybridsystem insbesondere von regenerativen schlie t sich ein Versuch zur Systematisierung solcher Systeme an gefolgt von Ausf hrungen zu Einsatzbereichen Auf diese mehr vorbereitenden Ausf hrungen st tzen sich die nachfolgenden Kapitel zur systematischen Darlegung der Einsatzm glichkeit eines Hybridsystems mit Dampfmaschine f r private Haushalte Hi
205. ybridsystem PV Dampfmaschine mit KWK 1 Mit der N herung T l1Fx f r x lt lt 1 kann man vereinfachend absch tzen tx Mp Mp my Mp Kann diese Energie nderung in einem Dampfw rmetauscher nicht den geforderten W rmebedarf erf llen so f hrt diese Differenz zu einer nderung der Kondensat R cklauf Temperatur F r diese kann ber die spezifische W rmekapazit t bei n herungsweise konstantem Druck ein Zusammenhang mit der Gesamtenergie sowie der W rmeanforderung des Verbrauchers aufgestellt werden p Ah m c AT AQ gt Erech Qp An my Ah m CAT F gt D Dr _ 4 Eu AT FE Ariy FA Aip mit anato 7 31 m c m c D P D P Sattdampf 6 bar 60 50 40 Ze 1 bar x m 0 4 bar Er a 0 1 bar 20 10 A 0 2 4 6 8 10 Amw m Abb 7 12 Einflu auf die Kondensat R cklauf Temperatur Man erkennt da der Einflu des Kondensator Drucks relativ gering ist da der Unterschied hier auf die Variation von h zur ckzuf hren ist die relativ gering ist Einer Temperatur nderung von AT 1K entspricht einer Durchflu nderung im Bypass von Arnyr I rp 0 18 7 5 Regelungskonzept 109 Qy My h h und damit gilt letztendlich F r die Gesamtenergie gilt P mech 7 32 Als Resultat ergibt sich ein Zusammenhang zwischen der Ver nderung des zu regelnden Massenstrom im Bypass und der Temperatur nderung
206. ymposium Photovoltaische Solarenergie 10 12 03 99 Staffelstein 144 Anhang B Bildzeichen und Kennbuchstaben f r Messen Steuern Regeln in der Verfahrenstechnik DIN 19227 PI LI TI FI PIS TIC PIC TICS SICSA Druckmessung Anzeige rtlich F llstandsmessung Anzeige rtlich Temperaturmessung Anzeige rtlich Durchflu messung Anzeige rtlich Druckmessung Anzeige rtlich mit berwachung Temperaturregelung Anzeige der Regel und F hrungsgr e Druckregelung Anzeige der Regel und F hrungsgr e Temperaturregelung Anzeige der Regel und F hrungsgr e mit berwachung Drehzahlregelung Anzeige der Regel und F hrungsgr e mit berwachung und Alarm bei Erreichen des oberen bzw unteren Grenzwertes Auszug aus Sinnbilder nach DIN 2481 240 1 Stoffe und Leitungen Dampfleitung Kreislaufwasser bzw Kondensat PADAANIN AE Steuerleitung Signalleitung Kreuzungen ohne Verbindungsstelle Abzweigstelle 2 W rme bertrager W rmetauscher K hlturm Anhang 145 3 Armaturen BD Su u De Absperrarmatur Magnetventil Durchgangs R ckschlag mit Handbetrieb regelventil ventil Druckminder Dreiwegeventil Federbelastetes durchgangsventil berdruckventil 4 Sonstige a B F o Dampfkessel Brennkammer Kolbendampf Generator maschine Y 1 Kreiselpumpe Abflu Anschlu Entl ftung 146 Anhang C Versuchsaufbau Aufstellungsplan nicht ma stabsgetre
207. ze von 1 25kW er f r die 0 1 ist stellt ein Richtwert von 2kW keine berm ige Erh hung dar Damit kann man f r einen allgemeinen Haushalt folgende Dimensionierung begr nden Richtwert f r die PV Anlage des Hybridsystems 5 P 2 2kW a kWp 8 9 mit z als Umrechnungsfaktor nach Gleichung 5 13 132 8 Dimensionierung f r einen Privathaushalt Je nach den individuellen Aufstellungs und Witterungsbedingungen PR mit dem sich daraus ergebenden Stahlungsangebot sind hier Sicherheitszuschl ge vorzusehen Hier zeigt sich auch der Vorteil des modularen Charakters von PV Anlagen so da eventuelle Fehlanpassungen im Nachhinein korrigierbar sind F r die praktische Proze f hrung des Hybridsystems ist das verbleibende momentan zu erf llende Strom W rme Verh ltnis f r die Dampfmaschine ma gebend Hierf r ist au er dem bereits ermittelten Jahresverlauf des zu erwartenden Energieertrags der PV Anlage der Tagesverlauf f r die repr sentativen Sommer und Wintertage aufzuzeigen Analog zur Jahresganglinie zeigt die folgende Tabelle die auf 1000 KWh m Jahr normierten Strahlungswerte auf der Grundlage von DIN 4710 8 1 sa ea Ce s6 si O Gro o O 8 9 093 85328 a7 18 ooo ooa O as 19 ooo o 0 0 o oa 2 2 l _ Jona Tabelle 8 2 Mittlerer normierter Tagesgang der Globalstrahlung in Deutschland F r den Winter ist ein Tag im Dezember und f r den Sommer ein Tag des bergangsmonats Mai ei
208. zugeh rigen einander quivalenten Zustandsfunktionen nennt man Thermodynamische Potentiale Diese k nnen durch eine Legendre Transformation ineinander umgewandelt werden 6 2 Die folgende Aufstellung zeigt die wichtigsten Funktionen in einer bersicht sowie den Zugang zu den me baren Gr en Temperatur Volumen und Druck Thermodynamische Potentiale f r fluide Medien Innere Energie U S V FRE Sup 6 5 6 6 Enthalpie H S p 6 7 Freie Enthalpie G T p 6 8 Um eine f r technische Anwendungen zur Erzeugung mechanischer Arbeit relevante Bilanz von zugef hrter W rme und geleisteter Arbeit zu erhalten ist es n tig einen sogenannten Kreisproze zu betrachten Dies ist ein Proze bei dem das System durch welches W rme in Arbeit umgewandelt wird wieder in seinen Anfangszustand zur ckkehrt 6 3 Vereinfachend kann man sich diesen Proze mit Hilfe zweier hinreichend gro er unver nderlicher W rmereservoirs unterschiedlicher Temperaturen mit W rmeflu und Arbeitsabgabe vorstellen 70 6 Kraft W rme Kopplung mit Dampfmaschine T gt T gt W rmekraftmaschine W t uin 6 9 Q n T lt T gt Kraftw rmemaschine Abb 6 1 Vereinfachte Kreisproze Darstellung Der Wirkungsgrad gibt f r eine W rmekraftmaschine das Verh ltnis der geleisteten Arbeit zur zugef hrten W rme an F r reversible Prozesse ist die Entropie nderung des Systems gleich Null Folglich k

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