Beurteilung der Energieeffizienz von

Fakultät Maschinenwesen, Institut für Energietechnik, Professur für Energiesystemtechnik und Wärmewirtschaft
Beurteilung der Energieeffizienz von Fernwärmesystemen mit
temperaturabhängigen Kraftwerkskennlinien
Prof. Dr.-Ing. habil. Achim Dittmann
TU Dresden
Prof. Dr.-Ing. Olaf Strelow
FH Gießen-Friedberg
Dipl.-Ing. (FH) Andreas Wirths
Vattenfall Europe Wärme AG
Motivation
Die Stromerzeugung in Heizkraftwerken kann durch Veränderung des
Temperaturniveaus von Fernwärmesystemen entscheidend beeinflusst
werden. Schwerpunkt der Forschung stellt die Beurteilung der
Energieeffizienz
von
Fernwärmesystemen
unter
Verwendung
temperaturabhängiger
Kennlinienfeldern
(P-Q-t-Diagrammen)
von
Heizkraftwerken dar. Diese dienen der Berechnung und Bewertung
verschiedener Maßnahmen, wie der Integration von erneuerbaren
Energieträgern oder dem Anschluss von Kundenanlagen an den
Fernwärmerücklauf. Die Einbeziehung der möglichen Vor- und
Rücklauftemperaturen in Kraftwerkskennlinien ermöglicht ferner eine
verbesserte Einsatzplanung bzw. Betriebsoptimierung. Ebenso kann die
Untersuchung
für
eine
Darstellung
des
Potenzials
von
Netzspeichereffekten durch Vorlauftemperaturanpassung Anwendung
finden.
Temperaturabhängige Kraftwerkskennlinien
Basis der Kraftwerkskennlinien sind Auswertungen der Betriebsmessdaten und eine Modellierung des Prozesses mit Kreisprozessberechnungsprogrammen.
Innerhalb
der
Betriebsgrenzen
des
p
variiert.
Heizkraftwerkes werden Vor- und Rücklauftemperatur
Anschließend werden die Ergebnisse mit statistischen Methoden
beschrieben, exemplarisch hier dargestellt in der einfachsten Form:
 f (m HN , t V , t R )
PGenerator
Bild 2: Klemmenleistung bzw. KWK-Strom in Abhängigkeit von der Wärmeleistung
tV-konst., tR=40…70°C
Es kann gezeigt werden, dass eine Absenkung der Rücklauftemperatur
bei variablem Heiznetzmassestrom zu einer Steigerung der elektrischen
Leistung (Bild 2) und zu einer Erhöhung des KWK-Stroms (Bild 3) führt.
Gleiches gilt für den elektrischen Wirkungsgrad und die
Primärenergieausnutzung.
N D-Stellklappe
0.010 bar
DSto_2/3
HD Red.
Station
Leckdampf für W rasendampfkondensator
G
DSto1uA8
A8
A7
A 1L
A6
A5 A4
A3
A2
A 1R
A 0L
A 0R
VW 8
16.7 MW
VW 7
0. 0 MW
Fernwärmesystem
KLB-WÜ
0. 0 MW
HEIKO2
12.8 MW
2.2 MW
Abdampf volum enstrom:
x m ³/s
VW 6
11.6 MW
HEIKO1
0.0 MW
M
Kühlsystem
M
126.7 MW
63.4 MW
VW A4
5.7 MW
0. 0 K
0.3 MW
VW A3
63.3 MW
0. 0 K
Bild 3: KWK-Stromkennzahl (brutto) in Abhängigkeit von der Wärmeleistung
tV-konst., tR=40…70°C
M
VW A2
6.4 MW
8.1 MW
M
M
VW A1
1.3 MW
Wrasendampfkondensator
M
M
Bild 1: Wärmeschaltbild Entnahme-Kondensations-Heizkraftwerk
Ausgewählte Ergebnisse
Zusammenfassung und Ausblick
Eine Darstellung der Ergebnisse für ein Entnahme-KondensationsHeizkraftwerk (Bild 1) verdeutlicht die Bewertung. Dargestellt sind die
Generatorleistung und der KWK-Strom in Abhängigkeit von der
ausgekoppelten Wärmeleistung. Die Rücklauftemperatur wird als
Parameter zwischen 40 ° und 70 °C in Schritten von 10 K variiert. Die
untere Grenze der Manövrierfähigkeit ist durch den minimalen, die obere
durch den maximalen Frischdampfmassestrom gegeben. Für die
maximale Wärmeleistung wirkt der einzuhaltende Kühldampfmassestrom
(Gegendruckfall) begrenzend.
Zur Bewertung verschiedener Maßnahmen im Fernwärmenetz ist es
notwendig,
g, die Rückwirkungen
g auf Heizkraftwerke berechnen zu können.
Hierzu wurden Untersuchungen an einem GuD-Heizkraftwerk und einem
Entnahme-Kondensations-Heizkraftwerk durchgeführt. Mit der mathematischen Beschreibung der Ergebnisse stehen Gleichungen über das
temperaturabhängige Heizkraftwerksverhalten zur Verfügung. Diese
können anschließend mit thermohydraulischen Fernwärmenetzberechnungen /1/ gekoppelt werden, da Wärmeverluste und Heiznetzpumpenleistung in eine Bewertung einzubeziehen sind. Die Ergebnisse können
ebenso bei der Einsatzplanung /2/ und der Bewertung von
Netzspeichereffekten /3/ berücksichtigt werden.
Bild 2 und Bild 3 stellen ausgewählte Ergebnisse dar. Zu erkennen
ist, dass der Verlauf der Kurven PGen.(QHN) nichtlinear ist (Bild 2).
Knickpunkte sind durch Eingreifen der Stauklappenregelung und durch
das Erreichen des Kühldampfmassestroms zu begründen.
Abschließend steht eine Methodik als Basis für komplexe
technische ökonomische und ökologische Bewertungen zur Verfügung.
technische,
Verfügung
Diese kann Fernwärmeversorgungsunternehmen als Planungshilfe
dienen.
VERWEISE:
/1/ MULTILEVEL DISTRICT HEATING Teilthema 2 Forschungsprojekt an der TU Dresden gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, Förderkennziffer 0327400B
/2/ MULTILEVEL DISTRICT HEATING Teilthema 4 Forschungsprojekt an der TU Dresden gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, Förderkennziffer 0327400B
/3/ RECKNAGEL, V.: Prognose und Optimierung der Fernwärmeeinspeiseleistung unter Berücksichtigung thermisch-instationärer Speichervorgänge im Netz (Arbeitstitel), Manuskript zur Dissertationsschrift an der TU Berlin, 2009