Design and assessment of grid-driven distributed cogeneration

  • Auslegung und Bewertung netzgeführter dezentraler Kraft-Wärme-Kopplung

Schumacher, Markus; Müller, Dirk (Thesis advisor); Linke, Gerald (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University (2021)
Buch, Doktorarbeit

In: E.ON Energy Research Center ; EBC, Energy efficient buildings and indoor climate 93
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Der Ausbau der Erneuerbaren Energien führt zukünftig zu vermehrten Fluktuationen in der Stromerzeugung. Diese Fluktuationen werden bisher durch Pumpspeicher und konventionelle fossile Großkraftwerke ausgeglichen. Zusätzlich müssen mit der Elektrifizierung von Mobilität und Gebäudebeheizung neue elektrische Lasten in Verteilnetzen integriert werden. Dadurch drohen, neben einer zeitweisen Überproduktion von Strom, auch Überlastungen durch elektrische Lasten, z.B. in kalten Winternächten. Neben den genannten elektrischen Bedarfen besteht auf Verteilnetzebene gleichzeitig ein signifikanter Wärmebedarf, der möglichst effizient gedeckt werden muss. Eine Lösung zur effizienten Bereitstellung könnte die Anwendung der Kraftwärmekopplung (KWK) darstellen. Darüber hinaus könnte die KWK die Rolle von flexibel einsetzbaren, verteilten Kraftwerken übernehmen und auf lokaler Ebene lastinduzierte Netzengpässe vermindern. Um diese Funktion zu ermöglichen, müssen zeitaufgelöste Zustände des elektrischen Energiesystems bestimmt und an netzgeführte KWK-Systeme übermittelt werden. Hierzu werden ein dynamischer CO2-Faktor des nationalen Stromerzeugungsparks und die Engpassleistung des lokalen Verteilnetzes, in dem das KWK-System installiert ist, betrachtet. Auf Grundlage dieser Zustandssignale können dynamische Betriebs- und Regelstrategien im KWK-System umgesetzt werden. Regelungsstrategie und Dimensionierung bestimmen die KWK-Performance und sind voneinander abhängig. Beide Aspekte werden kombiniert betrachtet und die Bewertung der Performancegeschieht anhand von CO2-Vermeidungskosten und Engpassvermeidungspotenzial im lokalen elektrischen Verteilnetz. Zur Bewertung und Optimierung der Auslegung von KWK-Systemen werden dynamische Simulationsmodelle in Verbindung mit einem genetischen Algorithmus eingesetzt. Die Optimierung wird für diverse Gebäudeenergiesysteme und Randbedingungendurchgeführt. Die Randbedingungen sind durch Ausbauszenarien von Erneuerbaren Energien, die Netztopologie im elektrischen Verteilsystem und die Anteile unterschiedlicher Heizungstechnologien sowie Elektroautos gekennzeichnet. Als Ergebnis erhält man eine optimale Dimensionierung für ausgewählte Randbedingungen. Der Einfluss verschiedener Faktoren wie Gebäudeanwendung, Struktur des Elektrizitätsnetzes und Regelungsstrategie auf Auslegung und Performance eines KWK-Systems wird untersucht. Grundsätzliche Auslegungsempfehlungen werden identifiziert. Abschließend erfolgt eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der KWK-Systeme, in der die Stromgestehungskosten im flexiblen Einsatz mit denen von konventionellen Kraftwerken verglichen werden. Hieraus ergeben sich Rückschlüsse über die Vermarktungsmöglichkeiten und die zukünftige Rolle der dezentralen KWK-Technologie.

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