Warmwasserspeicher unter wissenschaftlichen Aspekten und in der

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung
Warmwasserspeicher unter
wissenschaftlichen Aspekten und in der
praktischen Anwendung
Karin Rühling, Andreas Herwig et. al.
[email protected], [email protected]
Mit Ergebnissen aus:
LowEx-Fernwärme: Erhaltung der Markfähigkeit hocheffizienter KWKAnlagen mittels Einbindung von Umweltenergie
Forschungsvorhaben gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft
und Energie auf Grund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages
FKZ: 0327831B
3. Bautzener Energieforum| 07. April 2016
Altbekannt:
Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung und Erneuerbare immer + SPEICHER!
Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung
200 kW
Strom
Erdgas
von 400 kW
PAFC 25C
Brennstoffzelle
Erdgas
Gaskessel
Wärmespeicher
270 kW
Wärme
von 1800 kW
Sonne
Solare Technik
Strom
KKM
220 kW
Kälte
ADR-30
von 220 kW
Adsorptions-KM
Eisspeicher
Kühldecken
Folie 2
Beispiel: Idee aus 1996 - Realisiert im Jahr 2000
Innovative Anlagentechnik Malteser-Krankenhaus Kamenz
Bautzen, 07. April 2016
Rühling | Warmwasserspeicher
Folie 2
Druckspeicher oder atmosphärische Speicher
Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung
Polster
wenige mbar:
 Dampf
 Stickstoff
Stat. Druck
durch
Flüssigkeitssäule u. U.
Druckhaltung
im System.
↑ Investkosten Speicher
versus
↑ Invest+ Betriebskosten
Peripherie
Bautzen, 07. April 2016
Rühling | Warmwasserspeicher
Folie 3
Beispiel: Malteser Krankenhaus Kamenz
Druckspeicher mit Schichtenladerohren Solarthermie
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Temperaturen in °C
90
60
80
50
70
60
50
40
t Speicher oben
30
t Speicher mitte
40
t Speicher unten
t Solar ein
Volumenstrom Verbraucher
20
Volumenstrom Solar
20
10
10
0
20.10.2002 06:00
Bautzen, 07. April 2016
20.10.2002 12:00
Volumenströme in m³/h
30
0
20.10.2002 18:00
Rühling | Warmwasserspeicher
Folie 4
Große atmosphärische Warmwasserspeicher
Hedbäck-Design
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8.000 m³-Tagesspeicher Stadtwerke
Halle GmbH - Quelle: EVH
Bautzen, 07. April 2016
43.000 m³ - Großspeicher Foto vom Bau
GKM Mannheim / MVV
Rühling | Warmwasserspeicher
18.000 m³- 2-Zonen-Speicher
Vimmerby energy miljö ab
Folie 5
Der neue Speicher in Bautzen
Hauptmaße
Höhe Mantel:
Durchmesser:
Volumen
Mantelraum:
34 m
12 m
ca. 3.800 m³
Quelle: CAM Chemieanlagenbau GmbH; Berlin
Bautzen, 07. April 2016
Folie 6
Aufbau des Speichers in Bautzen
Dampfpolster
Obere Düse - schwimmend  5 m
Beispiel Beladung
Vorlauf
Rücklauf
Untere Düse - starr
Quelle: CAM Chemieanlagenbau GmbH; Berlin
Bautzen, 07. April 2016
Folie 7
Temperaturverteilung Warmwasserspeicher
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Einflussfaktoren auf
die Mischzone
 Wärmeleitung im Medium
 Konvektive Mischung
 Inversionen
 Verluste nach außen
Forschungsziele
 Erfassung des
instationären
Temperaturfelds in einem
Ausschnitt des Speichers
 Modellierung der
Einflussfaktoren auf die
Mischzonenentwicklung für
die Simulation
Bautzen, 07. April 2016
Rühling | Warmwasserspeicher
Folie 8
DTS (Distributed Temperature Sensing)
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 Raman-Effekt: Frequenzverschiebung bei Rückstreuung eines
Laserpulses in einer Glasfaser
 Intensitätsverhältnis von StokesBand IS und Antistokes-Band IA
temperaturabhängig
Laser-Impuls
Glasfaserkabel
Rückstreusignal
eines Sampling-Intervalls
Detektor
Intensität
Faseroptische Temperaturmessung (engl. DTS)
T
IA
IS
Wellenlänge
 OTDR zur Ortszuordnung
 Auflösung
 Temperatur: ±0,24 K (500 m
Kabel; 10s Messzeit; 0,126 m
Sampling)
 Ort: 0,3 m (Breite, auf die ein
Temperatursprung abgebildet
wird).
Bautzen, 07. April 2016
Rühling | Warmwasserspeicher
Folie 9
Aufgaben 6 m³- Versuchsspeicher Zentrum für
Energietechnik ZET der TU Dresden
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Ortsaufgelöste
Speichermessung im
ZET
 Eignungsnachweis
Temperaturmesskabel
 Erprobung Einbau und
Handhabung
Temperaturmesskabel
 Erfahrungsgewinn mit
Messsystem
 Messungen zur
Validierung
Strömungssimulation
Bautzen, 07. April 2016
Rühling | Warmwasserspeicher
Folie 10
Messaufbau Versuchsspeicher
Zentrum für Energietechnik (ZET)
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 Messaufbau im Speicher mittels Glasfaser in Edelstahlkabel
 0,85 km Sensorkabel; 1.100 Messpunkte
Auflösung im
Raster 10x10x10cm
Rühling | Warmwasserspeicher
Bautzen, 07. April 2016
Folie 11
Visualisierung Messwerte
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3D-Modell für die Messdatenvisualisierung mit ParaView
Bautzen, 07. April 2016
Rühling | Warmwasserspeicher
Folie 12
Ergebnis Extremversuch im ZET
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Ausströmvorgänge sehr gut detektierbar
Bsp.: Auflösung von Asymmetrien bei extrem hohen Volumenströmen
Position Schnittebene E1, E2 180s, Vertikalschnitt E1
Bautzen, 07. April 2016
Rühling | Warmwasserspeicher
180s, Vertikalschnitt E2
Folie 13
Der untersuchte Wärmespeicher - Messaufbau
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Sicherheitsklappen
(Foto: GKM AG)
43.000 m³ - GKM Mannheim / MVV links: nach der Isolierung; rechts: vor der Isolierung
Video von der Spiralmethode unter: https://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=Wq77KaePWbM
Bautzen, 07. April 2016
Rühling | Warmwasserspeicher
Folie 14
Impressionen Einbau Glasfaserkabel Wärmespeicher GKM
Mannheim 12.-14.08.2013
Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung
Montageteam
Die Entscheidung zum Einbau am 06.08.2013
Erste Daten auf Messgerätemonitor
Bautzen, 07. April 2016
Hilfskonstruktion zum Ablassen des Kabels
Rühling | Warmwasserspeicher
Glasfaserkabel auf Trommel
Folie 15
1D-Messaufbau Wärmespeicher GKM Mannheim
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Draufsicht
Bautzen, 07. April 2016
Seitenansicht
Rühling | Warmwasserspeicher
Folie 16
Vergleich DTS-Messung mit Standard-PT100
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Beispiel:
25. Mai 2014
15:00
Bautzen, 07. April 2016
Rühling | Warmwasserspeicher
Folie 17
Mischzonenbreite: 10%-90%-Methode
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Obere ReferenzTemperatur
DTS-Messung
30
25
20
15
10
5
Untere ReferenzTemperatur
Höhe über Speicherboden in m
35
0% - 100% Temperaturdifferenz
10% - 90% Temperaturdifferenz
Höhe der
Mischzone
0
60
Bautzen, 07. April 2016
65
70
75
80
Temperatur in °C
85
Rühling | Warmwasserspeicher
Beispiel:
25. Mai 2014
15:00
90
Folie 18
Höhe über Speicherboden [m]
30
60 65 70 75 80 85 90 °C
25
20
15
10
5
0
24.05.14 24.05.14 24.05.14 24.05.14 25.05.14 25.05.14 25.05.14 25.05.14
03:00
09:00
15:00
21:00
03:00
09:00
15:00
21:00
2
Mischzonengröße [m]
1,8
1,6
1,4
1,2
2000
1000
24.05.14 24.05.14 24.05.14 24.05.14 25.05.14 25.05.14 25.05.14 25.05.14
03:00
09:00
15:00
21:00
03:00
09:00
15:00
21:00
Volumenstrom
Eintrittstemperatur
0
Bautzen, 07. April 2016
67,5
65
-1000
-2000
70
62,5
24.05.14 24.05.14 24.05.14 24.05.14 25.05.14 25.05.14 25.05.14 25.05.14
03:00
09:00
15:00
21:00
03:00
09:00
15:00
21:00
Temperatur [°C]
Volumenstrom [m3/h]
Beispiel für Auswertung DTS-Messung
- Grafik -
35
60
Folie 19
Beispiel für Auswertung DTS-Messung
- Video -
Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung
Video ab Juni 2016 verfügbar unter
https://tu-dresden.de/die_tu_dresden/fakultaeten/fakultaet_maschinenwesen/iet/ew/forschung_und_projekte/projekte/spice
Bautzen, 07. April 2016
Rühling | Warmwasserspeicher
Folie 20
KWK-Optimierung Stadtwerk in Mitteldeutschland
Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung
Bilanzgrenze bestehende Anlagen
Bilanzgrenze Umweltenergie
Bilanzgrenze bestehende Anlagen
ϑ VL,NETZ
ϑVL,MISCH
P8
P2
Tagesspeicher
ϑVL,TSP
Netz
ϑ VL,GUD
Wärmeübertrager
ϑ VL,WÜ,UKL
P5
Netz
GUD 1
Q BS
ϑ RL,GUD
P9
GUD 2
ϑRL,WÜ,UKL
ϑRL,WÜ,FWN
ϑ RL,TSP
P3
ϑ VL,WÜ,FWN
ϑVL,WSP
P6
QBS
Wochenspeicher
ϑ RL,MISCH
ϑ RL,WSP
P1
P7
ϑ VL,ST
ϑ RL,ST
Pumpengruppen
P1 Umwälzpumpen FWN
P2 Entladepumpen Tagesspeicher
P3 Ladepumpen Tagesspeicher
P4 Pumpe Wärmequelle WP
P5 Entladepumpen Wochenspeicher
P6 Ladepumpen Wochenspeicher
P7 Ladepumpen Wochenspeicher
P8 Entladepumpen Umweltkreislauf
P9 Ladepumpen Umweltkreislauf
ϑRL,WP,UKL
ϑRL,WP,FWN
P4
Netz
Solarthermie
Wärme-
ϑVL,WP,UKL
pumpe
ϑVL,WP,FWN
ϑRL,NETZ
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Rühling | Warmwasserspeicher
Folie 21
Optimierungsmodell
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An- u. Abfahrvorgänge
Betriebsverh. WP/ST
Modellierung Speicher
Gas- u. Stromverträge, EEX
Betriebsverhalten
GuD 1 u. 2
Durchschnittswoche 2010
140
120
Leistung (in MW) | Preis (€/MWh)
50
Auslegungsbedingungen
ϑVL,GUD =91 °C
ϑRL,GUD =65 °C
45
40
elektrische Leistung (in MW)
V
VI
35
FWOptH:ϑ_a = 0°C
30
IV
FWOptH:ϑ_a = 10°C
III
100
80
60
40
20
FWOptH:ϑ_a = 20°C
FWOptH:ϑ_a = 30°C
25
II
0
EBSILON:ϑ_a = 0°C
0
96
192
EBSILON:ϑ_a = 10°C
20
I
EBSILON:ϑ_a = 30°C
15
15
20
25
30
35
40
45
50
288
384
480
576
672
Zeit (in 1/4h)
EBSILON:ϑ_a = 20°C
55
thermische Leistung (in MW)
FWOptH
Thermische Leistung
Elektrische Leistung
Strompreis
Gaspreis
Optimierung
Gemischt-ganzzahliges Optimierungsproblem
Modellierungssprache: GAMS 23.7
Solver: CPLEX 12.4
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Ergebnis:
optimierter Einsatzplan
Folie 22
Zielfunktion, Randbedingungen
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MAXIMIERUNG Gesamtbetriebserlöse Eges
Gesamtbetriebserlös Eges =
+ Erlöse Stromhandel Spotmarkt EEX
– Kosten Gashandel Spotmarkt EEX
– Kosten Anfahren
– Kosten CO2-Zertifikate
+ Erlöse vermiedene Netznutzung
 Absicherungsmengen Gas und Strom als Randparameter fest
vorgegeben (die entsprechenden Preise werden nicht betrachtet)
 Erlöse Strom- und Wärmeverkauf in Gesamtbilanzierung nicht
berücksichtigt
Ergebnisse Optimierung Durchschnittswoche Mai – Sept. 2010!
Bautzen, 07. April 2016
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Folie 23
Ergebnis Ist-Zustand mit Tagesspeicher
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Gesamterlös Eges = 40 T€/Woche
Bautzen, 07. April 2016
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Folie 24
Ergebnis Erweiterung um Großwärmespeicher etc.
Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung
Gesamterlös Eges = 56 T€/Woche  16 T€/Woche Mehrerlös
Bautzen, 07. April 2016
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Folie 25
Speicherförderung im Rahmen KWKG
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Grundsatz
 Ab 1 m³ Wasseräquivalent
 Gesamtanlage - Wärme zu mindestens 60 % in KWK
bereitgestellt
Forderung
 Wärmeverlust /~eintrag über Oberfläche < 15 W/m²
Förderung
 250 EUR/m³ Wasseräquivalent
 Ab 50 m³ höchstens 30 % der Investkosten
 Deckelung der max. Förderung
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Folie 26
Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung
Professur für Gebäudeenergietechnik
und Wärmeversorgung
Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
T.: +49 (0)351 463-32145; [email protected]
Bautzen, 07. April 2016
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Folie 27