Projektbeschreibung

Technologien zur Verbesserung der soliden Bereitstellung von Wärme und Strom  in privaten und gewerblichen Bereichen nehmen  an Bedeutung zu und sind eines der Hauptanliegen der Energieversorgung auf europäischer Ebene.

Blockheizkraftwerke (BHKW) sind eine umweltfreundliche und wirtschaftliche Alternative zur getrennten Erzeugung von Strom und Wärme. Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) leistet einen bedeutenden Beitrag zur effizienten Energienutzung. Gleichzeitig sorgt sie dafür, dass Umweltbelastungen reduziert und Energiekosten gesenkt werden. Einmal Energie aufwenden, zweimal profitieren – das ist das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung . Ihre Anwendung bietet für Klimaschutz und Ressourcenschonung enorme Potenziale. Auch für Groschopp ist es selbstverständlich, sich stetig Gedanken zur Effizienzsteigerung bei der Energieversorgung zu machen.

Durch steigende Energieeffizienzanforderungen im Wohngebäudesektor, insbesondere aufgrund politischer Vorgaben, ist ein sinkender flächenspezifischer Wärmebedarf zu erwarten. Aufgrund der fortschreitenden Verbesserung der Gebäudeisolation  ist davon auszugehen, dass sich bivalente und kleinere Antriebssysteme gegenüber dem  monovalenten System in naher Zukunft durchsetzen werden.

Diesem Trend der Verkleinerung folgt der in diesem Projekt angestrebte Integrationsgrad. Die Verbesserung  der Energieeffizienz von Gebäuden verlagert den Bedarf hin zu mehr Strom auf der Seite der gekoppelten Erzeugung von thermischer und elektrischer Energie.

Blockheizkraftwerke (BHKW) erzeugen im Gegensatz zu Energie aus Wind und Sonne, Wärme und regelbaren Strom unabhängig von Tageszeit und Wetter, wodurch sie die Residuallast der zunehmend volatilen Stromversorgung gering halten können und somit eine netzdienliche Betriebsweise schon bei konventionellen BHKW-Konfigurationen aufweisen.

BHKW’s müssen allerdings auch in der wärmeren Jahreszeit die erzeugte Wärme abgeben, da die Wärme- und Stromerzeugung aneinander gekoppelt sind. Weil der Wärmebedarf tendenziell rückläufig und in der warmen Jahreszeit gering ist, ist das Ziel, den Anteil der Stromerzeugung von BHKW´s zu erhöhen. Die Anhebung der Stromkennzahl ermöglicht einen wirtschaftlicheren Betrieb von BHKW´s.

Um die Gesamteffizienz von BHKW´s und damit die Wirtschaftlichkeit zu steigern, wird in diesem Forschungsvorhaben ein thermochemischer Rekuperator in das Motorsystem integriert. Durch die Nachrüstung eines BHKW’s mit einem thermochemischen Rekuperator wird der Betriebsbereich des BHKWs erweitert, da die Stromkennzahl über die variable Rekuperation der Abgaswärme in einem größeren Bereich eingestellt werden kann.

Dabei steht die Umwandlung von technisch nutzbaren Energieformen wie thermischer Energie und chemischer Energie im Vordergrund. Zusätzlich soll der größte Teil der Abgaswärme über Wärmeübertrager ausgekoppelt und als Nutzwärme brauchbar sein.

Projektziele

Das Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung eines hocheffizienten BHKW’s durch die Integration eines thermochemischen Rekuperators.

Die Entwicklung des zusätzlichen Aggregates zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades in Synergie mit dem BHKW soll zu einem serienreifen Industrieprodukt vorangetrieben werden. Diese Innovation führt über eine Effizienzsteigerung der KWK-Technologie zu einer deutlichen Verminderung der Kohlendioxidemission.

Das HPC-Projekt soll die wirtschaftliche Integration des Zusatzaggregates und deren potenzielle Produzierbarkeit in Serie ermöglichen, was am Beispiel einer KWK-Anlage mit 50 kW elektrischer Leistung eine Unterschreitung des angestrebten Rückzahlungszeitraumes in Aussicht stellt. 

Das Ziel des HPC Projektes ist, die sprungfixen Kosten für alle Einzelaggregate eines hochintegrierten und bivalenten Gebäude-Energiesystems zu senken. Zusätzlich möchten wir unseren Beitrag zur Erreichung der Klimaziele in Deutschland leisten. Klimaschutz und Energiewende betrifft längst nicht mehr nur die Energiewirtschaft. Die bisherige, nur den größeren Zentralgeräten vorbehaltene, Finanzierbarkeit soll mit der zu entwickelnden Technologie dem EnEV-Trend folgend auch für kleine Geräte wirtschaftlich erschwinglich machen.

Arbeitsziele

Die Basis bildet ein BHKW der MOVE GmbH mit 50 kW elektrischer Leistung, in das zur thermochemischen Rekuperation ein Heat-Power-Converter (HPC) integriert wird. In diesem Aggregat wird Erdgas mit Wasser vermischt und unter Nutzung von Wärme aus dem Motorabgas zu Wasserstoff konvertiert. Das in diesem Prozess erzeugte Synthesegas-Gas wird in den Motor als Brenngas eingeleitet.

Das so erzeugte HPC-Gas ist im Gegensatz zu dem Brennstoff Methan  mit Wasserstoff angereichert und enthält vergleichsweise um bis zu 18 Prozent mehr chemisch gebundene Energie bei gleicher eingesetzter Menge Erdgas. Das Potenzial zur Einsparung des Brenngases, sowie die damit verbundene Einsparung von Kohlendioxid entsprechen in etwa der gleichen Größenordnung.

Innerhalb des Projektes erfolgt eine Auslegung der HPC-Einheit. Sie beinhaltet die Integration in den Abgaskrümmer des Verbrennungsmotors und strebt zunächst die Umsetzung als Gusskomponente an.

Teil der HPC-Einheit ist der kompakte Wärmetauscher, der mit der notwendigen katalytischen Beschichtung zur Konvertierung von Erdgas oder Biogas mittels Dampfanreicherung versehen ist.   Die Steuerung des BHKW‘s wird um die Kontrolleinheit des HPC erweitert, welche im Versuchsbetrieb getestet und optimiert wird. Ebenso erhält die Motorsteuerung ergänzende Daten sowohl aus dem Motor selbst, als auch aus der HPC-Einheit.

Die geplante Systemintegration sieht eine Platzierung des HPC abgasseitig so nahe wie möglich am Motor vor. Dabei soll der HPC in den Abgaskrümmer integriert werden. Durch diesen Prozess erfolgt eine Reduzierung der Wärmeverluste, so dass eine Maximierung der konvertierten Menge thermischer Energie erreicht wird. Dadurch ergibt sich eine maximale Einsparung des Primärbrennstoffes Erdgas.

Zielmärkte

Das Konzept sieht vor, dass die Anlagen sowohl Privat- als auch Gewerbekunden angeboten werden können. Der Fokus liegt hier vor allem auf Gewerbebetrieben mit erhöhtem Wärme- und Strombedarf wie Hotels oder Alten- und Pflegeheimen, bei denen ein enormes Einsparungspotential der Energiekosten besteht.

Potenzielle Kunden für die entwickelten Anlagen sind alle Unternehmen mit einem jährlichen Wärmebedarf um die 200.000kWh (entspricht etwa 20.000 m³ Gas bzw. 20.000 l Heizöl) und einem jährlichen Strombedarf von mindestens 90.000 kWh. MFH- Energie- Zentralen zählen ebenfalls zu unseren Märkten. Für die Anlagen wird das Marktsegment von 20 bis 50 kWel angestrebt.

Als Zielmärkte wurden daher folgende Segmente identifiziert:

Hotels, Altenheime, Krankenhäuser, Kindergärten, Schulen, soziale Einrichtungen (Kinder­ Behindertenheime, Schwimmhallen etc.), öffentliche Gebäude, Autohäuser mit angeschlossenen Werkstätten, Großfachmärkte > 1.500m² und Wohnbaugenossenschaften.

Es ist davon auszugehen, dass durch den Einsatz der neu entwickelten Anlage auch bestehende Systeme substituiert werden. Insgesamt ergibt sich aus den beschriebenen Vorteilen der neuen Anlage eine deutlich verbesserte Wettbewerbssituation. Dies soll für den inländischen, aber auch für den europäischen Markt, der aufgrund des guten Preisleistungsverhältnisses derzeit mit Standardprodukten nur schwer bestückt werden kann, erreicht werden. Hier wird vor allem der höhere mechanische Wirkungsgrad einen deutlichen Vorteil bieten, den die Kunden schnell wahrgenommen werden. Ziel ist es, das System zudem als Nachrüstmodul anzubieten. Enormes Potenzial bietet die Technologie unter diesem Gesichtspunkt für das Repowering von Bestandsanlagen.

Arbeitsaufgaben Groschopp AG

• Konzeptfindung für die Dosierung des Brenngases (am Markt verfügbare Venturi nicht ausreichend)
• Entwicklung virtueller Sensoren (echtzeitfähige Modelle zur Abbildung physikalischer Vorgänge, vor allem im HPC-Gas-Wandler)Auslegung des Gemischbildungsraums und der Reaktionszone des HPC mit Hilfe von CFD-Simulation.
• Definition von Kennzahlen (bilden einen oder mehrere Einflüsse ab, stellen virtuellen, sensorischen Wert dar)
• Erstellung des Motormodells für die Motorsteuerung mit der Beimischung des HPC-Gases
• Erprobung des Motors mit synthetischem HPC-Gas
• Integration des HPC in das Gesamtsystem

Durchführende Forschungsstellen

• Groschopp AG Drives & More
• MOVE Services GmbH
• OWI Oel-Waerme-Institut GmbH
  An-Institut der RWTH Aachen

Projektlaufzeit

11/ 2019 bis 10/ 2022

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. (FH)

Aleksandar Andric

Tel.: +49 (0) 21 62 / 3 74 - 203

E-Mail: andric@groschopp.de