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Forschungsstelle
BFE
Projektnummer
SI/501810-T3.5
Projekttitel
Eco-IFES – Erforschung von Blockheizkraftwerkkonzepten für eine bessere Integration in ein künftiges Energiesystem
Projekttitel Englisch
Eco-IFES – Evaluation of Combined Heat and Power (CHP) Concepts for better Integration into the Future Energy System

Texte zu diesem Projekt

 DeutschFranzösischItalienischEnglisch
Kurzbeschreibung
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Schlussbericht
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Erfasste Texte


KategorieText
Kurzbeschreibung
(Deutsch)
Im Zentrum der vorliegenden Untersuchungen stehen alternative, exergetisch sinnvolle Betriebsarten eines BHKW’s, welche sich auch für künftige Netzstabilisierungsaufgaben besser eignen als der wärmegeführte Betrieb. Es werden Kombinationen eines BHKW’s mit einem Wärmespeicher und Wärmepumpe sowie mit einem Abgasreformerprozess zur Wasserstofferzeugung mit Hilfe von thermodynamischen Modellen und Machbarkeitsstudien untersucht. Die vielversprechendste Option wird physisch um-gesetzt und unter realen / emulierten Bedingungen im Zusammenspiel mit anderen Energiewandlern und –speichern auf der ReMaP Platform getestet.

Eco-IFES (Task T3.5) ist eines von 10 Forschungsprojekten, die im Rahmen des BFE-Projekts "ReMaP" durchgeführt werden. Die Kurzbeschreibungen und Projektberichte von ReMaP und seinen Forschungsprojekten (Tasks T3.1 bis T3.10) sind in der Rubrik "Zugehörige Projekte" ersichtlich.
Kurzbeschreibung
(Englisch)
The present investigations focus on alternative, exergetically meaningful operating modes of a CHP plant, which are able to cope with future grid stabilization tasks better than conventional heat driven operation concepts. Combinations of a CHP plant with heat pumps and –storages as well as such with an exhaust gas reformer process for Hydrogen production will be investigated using thermodynamic models and feasibility studies. The most promising option will be physically implemented und tested together with other energy converters and -storages under real / emulated conditions on the ReMaP platform.

Eco-IFES (Task T3.5) is one of 10 research projects carried out as part of the SFOE project "ReMaP". The brief descriptions and project reports of ReMaP and its research projects (Tasks T3.1 to T3.10) can be found under the heading "Associated projects".
Schlussbericht
(Deutsch)

In ReMaP Task 3.5 werden zwei Optionen zur Flexibilitätssteigerung und Erhöhung der Exergieeffizienz eines konventionellen Blockheizkraftwerkes mithilfe von Simulationen untersucht. Das vielversprechendere Konzept wird in der Folge mit Hardware in the Loop Simulationen und dem Bau eines Prototyps vertieft erforscht. Erste Untersuchungen zeigen, dass ein integriertes Dampfreformer-Konzept gegenüber einer Kombination von BHKW mit Erdspeicher und Wärmepumpe zu bevorzugen ist. Obwohl letzteres die Flexibilität des BHKWs beinahe unbegrenzt erhöhen kann, leidet die Effizienz zu stark unter Wärmeverlusten durch Diffusion im Untergrund. Das Dampfreformer-BHKW Konzept kann den elektrischen Eigendeckungsgrad und die Exergieeffizienz in einer einjährigen Simulation im Vergleich zur konventionellen BHKW Anlage um 30.7%, respektive 8.6% (relativ zum Anfangswert) steigern.

Eine einfache wärmegeführte Betriebsstrategie wird mithilfe von linearisierten Modellen der untersuchten Systeme erweitert und optimiert, wobei das neue Betriebskonzept auch Betriebskosten und den lokalen Strombedarf berücksichtigt. Sowohl für das konventionelle BHKW als auch für das Dampfreformer-Konzept können so die Betriebskosten (um 1.9% / 2.1%) gesenkt und der Eigendeckungsgrad (um 3.8 / 1.7 Prozentpunkte) erhöht werden. Als Kompromiss muss dafür eine Senkung der Exergieeffizienz um 0.23 respektive 0.5 Prozentpunkte in Kauf genommen werden.

Sowohl Hardware- wie auch Softwarekomponenten können erfolgreich in die ReMaP Plattform (Simulation Framework) integriert werden. Die dadurch ermöglichten Hardware in the Loop Experimente mit realen Bedarfsdaten vom NEST Gebäude der Empa zeigen unteranderem, dass das optimierte Betriebskonzept mit der konventionellen sowie mit der Dampfreformer-Ausführung des BHKWs auch in Praxis funktionieren, wenn ein passender Gleitender-Mittelwert-Filter angewendet wird.

Ein Dampfreformer-BHKW Prototyp wird auf Basis des Aladin II BHKWs (siehe [1]) entwickelt und gebaut. Erste Experimente ergeben, dass die gewählten Dampfreformerkomponenten der Kombination von hohen Temperaturen, von bis zu 750°C, und starken Druckpulsationen der Abgase nicht standhalten können. In den Experimenten und der anschliessenden Fehleranalyse werden drei konstruktive und operationelle Verbesserungen des Systems identifiziert.

Schlussbericht
(Englisch)

Within ReMaP Task 3.5, two options to improve the flexibility and exergy efficiency of a conventional combined heat and power (CHP) system are investigated with simulations. The more promising option is further tested with hardware-in-the-loop (HIL) experiments on the ReMaP platform. Preliminary simulations show that a steam methane reformer (SMR) CHP concept is to be favoured against the concept of combining the CHP with a ground thermal storage system and a heat pump. Even though the latter has an infinite potential for flexibility, its efficiency suffers massively from thermal losses through diffusion in the ground. Simulations show that over the course of a year, the SMR-CHP concept increases the degree of self-sufficiency in electricity demand by 30.7% and the exergy efficiency by 8.6% relative to the conventional CHP system.

A standard heat-led control concept for conventional CHP systems is improved by also considering economic aspects and using linearized models of the investigated systems to optimize control parameters. For the conventional and the SMR-CHP system, the operating costs are reduced by 1.9% and 2.1% while the degree of electrical self-sufficiency is increased by 3.8 and 1.7 percentage points at the cost of reducing the exergy efficiency by 0.23 and 0.5 percentage points respectively. Both hardware and software components are integrated into the ReMaP platform successfully. Subsequent HIL experiments with real demand data from the NEST building at Empa prove that the optimized control concepts for both the conventional and the SMR-CHP system are working in practice when applying a moving average filter to the electricity demand.

A prototype SMR-CHP plant is sized, designed and built on the basis of the Aladin II mCHP plant (see [1]). First experiments show that the chosen SMR components are not able to withstand the pulsations of the exhaust gases in combination with the very high temperatures of up to 750°C. Three constructive and operational improvements of the system are identified during the experiments.

Zugehörige Dokumente
Schlussbericht
(Französisch)

Dans ReMaP Task 3.5, deux options pour augmenter la flexibilité et l'efficacité éxergétique d'une centrale de cogénération classique sont étudiées à l'aide de simulations. Le concept le plus prometteur sera ensuite approfondi grâce à des simulations "hardware-in-the-loop" et à la construction d'un prototype. Les premières investigations montrent qu'un concept de reformeur à vapeur intégré est préférable à une combinaison de la cogénération avec le stockage thermique du sol et la pompe à chaleur. Bien que ce dernier puisse accroître la flexibilité de la cogénération presque indéfiniment, son efficacité souffre massivement des pertes thermiques par diffusion dans le sol. Le concept de la cogénération par reformage à la vapeur peut augmenter l'autosuffisance électrique et l'efficacité éxergétique de 30,7 % et 8,6 %, respectivement, en un an de simulation par rapport au système de cogénération classique.

Une simple stratégie d'exploitation basée sur la chaleur est étendue et optimisée à l'aide de modèles linéaires des systèmes étudiés, et le nouveau concept d'exploitation tient également compte des coûts d'exploitation et de la demande locale d'électricité. Tant pour la cogénération classique que pour le concept de reformeur à la vapeur, les coûts d'exploitation peuvent être réduits (de 1.9 % / 2.1 %) et l'autosuffisance accrue (de 3.8 / 1.7 points de pourcentage). En guise de compromis, une réduction de l'efficacité éxergétique de 0.23 et 0.5 points de pourcentage respectivement doit être acceptée.

Les composants matériels et logiciels sont intégrés avec succès dans la plateforme ReMaP (Simulation Framework). Les expériences "hardware-in-the-loop" avec des données de demande réelle du bâtiment NEST de l'Empa montrent que le concept d'exploitation optimisé avec la version conventionnelle ainsi qu'avec la version du reformeur à vapeur du système de cogénération fonctionne également dans la pratique, si un filtre à moyenne mobile approprié est appliqué à la demande d'électricité.

Un prototype de reformeur à vapeur est développé et construit sur la base de la cogénération d'Aladin II (voir [1]). Les premières expériences montrent que les composants du reformeur à vapeur choisis ne peuvent pas résister à la combinaison de températures élevées, jusqu'à 750°C, et de fortes pulsations de pression des gaz d'échappement. Les expériences et l'analyse des défaillances qui s'ensuit permettent d'identifier trois améliorations constructives et opérationnelles du système.