Die vorliegende Arbeit behandelt die Integration von Brennstoffzellenheizsysteme in elektrische Verteilnetze. Gebäudeintegrierte Mini-KWK-Anlagen, wozu auch Brennstoffzellen zählen, haben den Vorteil einer hocheffizienten Nutzung des Brennstoffes durch die Kuppelproduktion in Kraft-Wärme-Kopplung. Zusätzlich können aufgrund der Steuerbarkeit der Heizkraftblöcke Systemdienstleistungen für das Netz generiert werden. Dies wird unter anderem unter dem Begriff des virtuellen Kraftwerks subsumiert. Unter einem virtuellem Kraftwerk (VKW) versteht man die Aggregation kleiner, dezentraler Stromerzeugungsanlagen zu einem Verbund, der disponible Kraftwerksleistung ersetzen kann.
Die Arbeit umfasst eine Beschreibung der Brennstoffzellentechnik sowie Mikro-KWK-Technologien auf Basis von Wärmekraftmaschinen. Eine Simulation von Energieflüssen in Wohngebäuden mit BZ-Heizkraftblöcken zeigt Unterschiede im wärmegeführten-, stromgeführten und netzgeführten Betrieb. Diese werden energetisch und monetär bewertet. Als Alternative zur direktem Verknüpfung per dediziertem Datenkanal wird eine selbstorganisierende Netzführung vorgeschlagen, die die Höhe der Netzspannung als Indikator der Last im Verteilnetzsegment mit in die Anlagensteuerung integriert. Abschließend wird in einem Vergleich zwischen dem Fördermechanismus von EEG und KWK-G ein möglicher Weg zur beschleunigten Markteinführung der stromerzeugenden Heizung und damit auch der stationären Brennstoffzelle in der Hausenergieversorgung als Basis für zukünftige virtuelle Kraftwerke aufgezeigt.
Inhaltsverzeichnis
- Einleitung
- Problemstellung
- Lösungsweg
- Charakterisierung der technischen und betrieblichen Rahmenbedingungen
- Brennstoffzellentechnik
- Historie
- Gasaufbereitung
- Polymermembran-Brennstoffzelle
- Karbonatschmelze-Brennstoffzelle
- Festoxid-Brennstoffzelle
- Sonstige Brennstoffzellentypen
- Kraft- Wärme-Kopplung
- Allgemeines
- Kleinste Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen
- Besonderheiten der Brennstoffzelle
- Speichertechnologien
- Wärmespeicher
- Speicher für elektrische Energie
- Chemische Speicher
- Dezentrale Energieeinspeisung
- Technik der Netzanbindung
- Netzstruktur der Stromversorgung
- Kommunikation dezentraler Erzeugungsanlagen
- Vergütung
- Brennstoffzellentechnik
- Methodik zur techno-ökonomischen Analyse dezentraler Kraft—Wärme-Kopplungsanlagen
- Simulation
- Abbildung von Energieflüssen
- Erzeugung von Einzellastgängen
- Zeitliche Variationen
- Bewertung
- Gaspreis
- Strompreis
- Jahresdauerlinie und Tageslastgang
- Primärenergie
- Externalitäten
- Marktpreisziele für Brennstoffzellen-Heizsysteme
- Simulation
- Modellaufbau und Datenbasis
- Siedlungstopologie des versorgten Niederspannungsnetzsegments
- Einfamilienhaussiedlung
- Mehrfamilienhaussiedlnng
- Nahwärmesiedlung
- Das Brennstoffzellen-Heizgerät
- Brennstoffzelle
- Zusatzbrenner
- Wärmespeicher
- Regelungstechnik
- Verbrauchsprofile
- Elektrisches Lastprofil
- Warmwasser- Zapfprofil
- Heizwä,rme-Lastprofil
- Betriebsweisen des Heizkraft,blocks
- Wärmegefiihrte Betriebsweise
- Stromgefiihrte Betriebsweise
- Netzgefiihrte Betriebsweise
- Kostengefiillrte Betriebsweise
- Steuerungstechnische Vernetzung
- Dezentrale Steuerung mit verkniipfendem Preissignal
- Zentrale Steuerung am Siedlungstrafo
- Siedlungstopologie des versorgten Niederspannungsnetzsegments
- Simulationsergebnisse
- Referenzfall ohne Kraft-Wärme-Kopplung
- TagAastgänge
- J ahresd auerlin ien
- Primärenergetische Bewertung
- Monetäre Bewertung
- Jahresmatrix
- Zusammenfassung und Ausblick
- Ausblick
- Abbildungsverzeichnis
- Tabellenverzeichnis
- Abkürzungsverzeichnis
- DANKSAGUNG
- Literaturverzeichnis
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die Diplomarbeit befasst sich mit der dezentralen Energieeinspeisung mittels Brennstoffzellen im Niederspannungsnetz. Sie analysiert die techno-ökonomischen Aspekte der Brennstoffzelle als virtuelles Kraftwerk in einer Wohnsiedlung.
- Bewertung der Wirtschaftlichkeit von Brennstoffzellen-Heizgeräten im Vergleich zu konventionellen Heizsystemen
- Analyse des Einspeiseverhaltens von Brennstoffzellen im Niederspannungsnetz
- Entwicklung eines Steuerungskonzepts für ein virtuelles Kraftwerk aus Brennstoffzellen
- Bewertung der primärenergetischen und monetären Effizienz von Brennstoffzellen-Heizgeräten
- Bewertung des Einflusses von externen Kosten (z.B. C02-Emissionen) auf die Wirtschaftlichkeit der Brennstoffzelle
Zusammenfassung der Kapitel
Das zweite Kapitel befasst sich mit der Brennstoffzellentechnik und charakterisiert die verschiedenen Brennstoffzellentypen. Es werden die technischen Grundlagen und Rahmenbedingungen der dezentralen Energieeinspeisung erläutert.
Im dritten Kapitel werden die Methoden zur techno-ökonomischen Analyse dezentraler Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen vorgestellt. Es werden die Simulation des Energieflusses im Heizungssystem und die Bewertung der Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit der Brennstoffzelle beschrieben.
Kapitel vier beschreibt den Modellaufbau und die Datenbasis der Simulation. Es werden die Topologie des versorgten Niederspannungsnetzsegments, die Eigenschaften des Brennstoffzellen-Heizgeräts und die Verbrauchsprofile für Strom, Warmwasser und Raumwärme dargestellt. Außerdem werden die verschiedenen Betriebsweisen des Heizkraftblocks (Wärme-, Strom- und Netzführung) und die steuerungstechnische Vernetzung der Brennstoffzellen zu einem virtuellen Kraftwerk erläutert.
Kapitel fünf präsentiert die Simulationsergebnisse. Es werden die Kosten der Energieversorgung einer Wohnsiedlung im Referenzfall ohne Kraft-Wärme-Kopplung, die Tageslastgänge, die Jahresdauerlinien und die primärenergetische sowie monetäre Bewertung der verschiedenen Wohnsiedlungstypen und KWK-Betriebsarten dargestellt.
Das sechste Kapitel fasst die Ergebnisse der Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftige Entwicklungen. Es werden Handlungsempfehlungen für die Förderung dezentraler Energieerzeugung mittels Brennstoffzellen gegeben.
Schlüsselwörter
Die Schlüsselwörter und Schwerpunktthemen des Textes umfassen die dezentrale Energieeinspeisung, Brennstoffzellen, Kraft-Wärme-Kopplung, virtuelles Kraftwerk, Niederspannungsnetz, techno-ökonomische Analyse, Simulation, Bewertung, Primärenergie, Externalitäten, C02-Emissionen, Marktpreisziele, Steuerungstechnik, Vernetzung, Jahresdauerlinie, Tageslastgang, Jahresmatrix.
- Quote paper
- Gunnar Kaestle (Author), 2005, Dezentrale Energieeinspeisung mit Brennstoffzellen als virtuelles Kraftwerk im Niederspannungsnetz, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/133899
