Energiesysteme

Diese Versuchsanlage im Technikumsmaßstab besteht aus der Kopplung eines Organic Rankine Cycles (ORC) (siehe Hyperlink) mit einem thermischen Festbettspeicher entwickelt von der enolcon GmbH und umgesetzt von der STORASOL GmbH an der Universität Bayreuth. Die ORCTES-Anlage dient der Untersuchung der Verstromung fluktuierenden Abwärme und der Analyse von Konzepten zur Strom-Wärme-Strom-Speicherung.

Der Speicher wird momentan mit etwa 9,4 t Sand und einer maximal Temperatur von 600 °C betrieben. Daraus ergibt sich eine Speicherkapazität von etwa 1,5 MWh. Das Funktionsprinzip des horizontal mit Luft durchströmten Speichers ist in nachstehender Abbildung für eines der insgesamt zwei Module während der Beladung zu sehen.

Mit diesem Testfeld werden Luft/Wasser-Wärmepumpen im Zusammenspiel mit thermischen Energiespeichern untersucht. Um unterschiedliche Konfigurationen und intelligente modellprädiktive Wärmepumpenregelungen bei identischen Witterungsbedingungen analysieren zu können, lassen sich zwei Heizungssysteme mit jeweils einer Wärmepumpe zeitgleich betreiben. Die Verbraucherseite wird mit Hilfe von LabVIEW und dem angeschlossenen Kaltwassernetz emuliert. Die abzuführende Wärme wird dabei über Gebäudemodelle in Abhängigkeit der momentanen Außentemperaturen sowie der gemessenen Globalstrahlung in Echtzeit berechnet und anhand von Stell- und Mischventilen geregelt, wodurch ein realitätsnahes und flexibel nutzbares Testumfeld erzeugt wird.

Inhalt/Ziele:
Der LTTT bearbeitet in dem bayerischen Verbundprojekt zwei maßgebliche Themenstellungen. Zum einem soll die soziale Akzeptanz der Tiefengeothermie durch eine Ökobilanzierung der geothermischen Systeme erhöht werden. Sorgen und Vorbehalte in der Bevölkerung, im Zusammenhang mit der Sicherheit und beim Umweltschutz der Technologie sollen dabei aufgegriffen und wissenschaftlich analysiert werden. Der LTTT befasst sich in diesem Zusammenhang mit der Ökobilanzierung realer, geothermischer Wärmeprojekte und Bewertung zukünftiger Wärmeversorgungsstrukturen im Kontext alternativer Energieträger. Im Teilprojekt „effizient“ wird eine Hochtemperatur-Wärmepumpe analysiert und hinsichtlich thermo-ökonomischer Kriterien untersucht. Neben technischen Aspekten wie die Wahl des Kältemittels, die Kühlung des Kompressors oder die interne Wärmerückgewinnung wird insbesondere eine wirtschaftliche Systemintegration solcher Großwärmepumpen vorangetrieben.

Inhalte/Ziele:
Auf Grund der Vielfalt in der Zusammensetzung von ölhaltigen Industrieabwässern mit unterschiedlichen Inhaltsstoffen und Salzkonzentrationen kann bei derzeitigen thermischen Phasentrennanlagen der benötigte Energieaufwand der Anlage mit den einzustellenden technischen Parametern nicht im Vorfeld des Betriebes belastbar bestimmt werden. Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer Kleinanlage im Labormaßstab, mit dem wissenschaftlich fundiert eine Wasser-Öl Emulsion thermisch in eine Öl- und in eine Wasserphase aufgespalten wird und sich daraus der Gesamtenergiebedarf sowie die Kondensatleistung für größere Trennanlagen fluidspezifisch ableiten lassen.

Die Prüfmaschine in der Größe einer Tischappartur soll die Verfahrenstechnik einer bereits bestehenden, größeren Technikumsanlage der Firma Karl Hopf GmbH im Kleinmaßstab abbilden (s. Abb.). Die Validierung der Apparatur erfolgt auf dieser bestehenden Technikumsanlage aus einem erfolgreich abgeschlossenen Vorprojekt. Auf Basis eines kennlinienbasierten Simulationsmodells werden schließlich, die ermittelten Skalierungs- und Korrekturfaktoren auf beliebige Großanlagen übertragen.

Inhalte/Ziele:
Auf Grund der Vielfalt in der Zusammensetzung von ölhaltigen Industrieabwässern mit unterschiedlichen Inhaltsstoffen und Salzkonzentrationen kann bei derzeitigen thermischen Phasentrennanlagen der benötigte Energieaufwand der Anlage mit den einzustellenden technischen Parametern nicht im Vorfeld des Betriebes belastbar bestimmt werden. Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer Kleinanlage im Labormaßstab, mit dem wissenschaftlich fundiert eine Wasser-Öl Emulsion thermisch in eine Öl- und in eine Wasserphase aufgespalten wird und sich daraus der Gesamtenergiebedarf sowie die Kondensatleistung für größere Trennanlagen fluidspezifisch ableiten lassen.

Die Prüfmaschine in der Größe einer Tischappartur soll die Verfahrenstechnik einer bereits bestehenden, größeren Technikumsanlage der Firma Karl Hopf GmbH im Kleinmaßstab abbilden (s. Abb.). Die Validierung der Apparatur erfolgt auf dieser bestehenden Technikumsanlage aus einem erfolgreich abgeschlossenen Vorprojekt. Auf Basis eines kennlinienbasierten Simulationsmodells werden schließlich, die ermittelten Skalierungs- und Korrekturfaktoren auf beliebige Großanlagen übertragen. 

Gesamtansicht der im Vorprojekt umgesetzten Technikumsanlage zur Phasentrennung

Inhalt/Ziele:
Die Wärmebereitstellung im privaten Sektor birgt ein beträchtliches Potential im Hinblick auf Primärenergieeinsparungen und die Senkung klimarelevanter Emissionen. Mit einem Anteil von rund 50 % dominiert die Wärmebereitstellung den Endenergieverbrauch sowohl in Deutschland als auch in Bayern. Die Energiebereitstellung durch zentrale Erzeugereinheiten und die Verteilung durch Wärmenetze auf Gebäude und Quartiere weist ein sehr hohes Effizienzpotential auf. In diesem Zusammenhang stellt der Einsatz von Niedertemperatur-Wärmenetzen und die Integration von Wärmepumpen in solche Netze einen innovativen Ansatz zur Senkung von Leitungsverlusten und Verringerung des Primärenergiebedarfs dar. Das Projekt „Energieeffiziente Wärmebereitstellung – Initiative Oberfranken“ (EWIO) stellt einen Technologietransfer zwischen der Universität Bayreuth und oberfränkischen KMU im Bereich des Leitungsbaus sowie der Energie- und Gebäudetechnik dar. EWIO führt zu einem besseren Grundverständnis des Zusammenspiels und der gegenseitigen Beeinflussung der Wärmebereitstellung und des Verteilungssystems. Der Technologietransfer mündet in die Entwicklung und Anwendung von effizienten Systemlösungen für Niedertemperatur-Wärmenetze unter Einbindung erneuerbarer Energieträger.

Weitere Informationen finden Sie auf der Projekthomepage.

Inhalt/Ziele:
Das vom Lehrstuhl für Bioprozesstechnik (BPT) des Zentrums für Energietechnik (ZET) der Universität Bayreuth initiierte und koordinierte Projekt FOR 10‘000 beschäftigt sich mit der Erstellung eines modular aufgebauten Konzeptes für die Verwertung von biologischem Abfallmaterial. Hierbei sollen insbesondere kleine und mittlere Kommunen mit ca. 10.000 Tonnen Biomüll pro Jahr betrachtet werden. Der Fokus liegt dabei auf der verfahrenstechnischen Weiterentwicklung und Optimierung der Biogasproduktion bei flexiblen In- und Output sowie der Optimierung der Produktverwertung.Aufgabe des LTTT ist die Betrachtung verschiedener Wärmenutzungskonzepte sowohl prozessintern als auch die Integration und Optimierung in einem Gesamtenergiekonzept. Ein abschließender Vergleich der Energiekonzepte soll das Umsetzungspotential für kommunale Anwendung aufzeigen. Neben dem BPT und LTTT sind mit dem Lehrstuhl für chemische Verfahrenstechnik und dem Lehrstuhl für Werkstoffverarbeitung noch zwei weitere Lehrstühle des ZET an dem Projekt beteiligt.

Ziel des Vorhabens sind skalierbare und flexible Bioenergieanlagen

Inhalt/Ziele:
Im Rahmen des Graduiertenkollegs „Energieautarke Gebäude“ der Technologie Allianz Oberfranken (TAO) wurde die energetische und wirtschaftliche Verbesserung von Heizungsanlagen durch intelligente Wärmepumpensysteme untersucht. Anhand einer Vorhersage der kommenden Randbedingungen und des daraus folgenden Heizbedarfs kann dabei durch den Einsatz einer modellprädiktiven Regelung (MPC) ein optimierter Verlauf der Wärmeerzeugung bestimmt werden. Am Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT) wurde im Laufe des Projekts sowohl ein Simulationsmodell erstellt, als auch eine Versuchsanlage mit zwei Wärmepumpensystemen aufgebaut.

Durch den Aufbau der beiden Einzelanlagen, die mit identischen Komponenten aufgebaut wurden, wurde ein simultaner Betrieb und dadurch der Vergleich der konventionellen Wärmepumpenregelung mit der entwickelten intelligenten Regelung ermöglicht. Zudem konnte durch den Aufbau der Anlage das Simulationsmodell validiert und durch dieses die fortschrittliche Systemregelung erstellt werden. Sowohl in Jahressimulationen, als auch in Laborexperimenten konnte das Energieeinsparpotential durch die verbesserte Regelung nachgewiesen werden. Aufgrund eines ebenfalls deutlich erhöhten Photovoltaik-Eigenverbrauchs ergeben sich auch Einsparpotentiale in Hinsicht auf die Betriebskosten. In den Simulationen zeigte sich, dass eine modellprädiktive Regelung auch in Systemen mit Wärmepumpe und Batteriespeicher sinnvoll ist.

Schematische Darstellung des komplexen Zusammenspiels von Energieerzeuger, -abnehmer und -speicher in einem modernen Wohngebäude

Inhalte/Ziele:
Die Entwicklung einer thermischen Phasentrennanlage zur Aufspaltung einer Wasser-Öl-Salzemulsion (WÖS), die bei der Aufarbeitung von Bilgenwasser und Slopölen aus der Seeschifffahrt zum Einsatz kommen soll, wurde erfolgreich abgeschlossen. Das Hauptziel von weniger als 2 % Restwassergehalt in der aufkonzentrierten Ölphase wurde durch die Projektpartner erreicht. Aus den zahlreichen Versuchen an der Technikumsanlage ergab sich sogar ein Durchschnittswert von 1,2 % Restwassergehalt in der Ölphase. Ausgehend vom Inputmaterial (WÖS), bestehend aus 46 % Öl, 50 % Wasser, und 4 % Feststoffpartikel, konnte durch Verdunstung im physikalischen Sinn mit anschließender Kondensation im energieeffizienten Zusammenwirken des Mediumkreislaufs (Inputmaterial), des Luftkreislaufs, der Wärmepumpe sowie der Kältetechnik bei 55-65 ° C die WÖS aufgespalten werden. Die Technikumsanlage hat bestätigt, dass dieses entwickelte Verfahren aus einer schwer aufspaltbaren WÖS - Emulsionen stabil und zuverlässig eine nahezu wasserfreie Ölphase gewinnt, woraus möglicherweise ein Zweitraffinat hergestellt werden kann. So wird aus dem Problemfall und Kostenfaktor Slop Oil

Schematische Darstellung des Phasentrennprozesses

Ergebnisse:
Sämtliche im Bavarian Hydrogen Center (BHC) entwickelten und erforschten Technologien wurden unter thermodynamischen Aspekten analysiert, bewertet und mit etablierten Technologien verglichen. Die Arbeiten am LTTT haben gezeigt, dass durch die Integration des Speichers in ein Energiesystem (Einfamilienhaus, Mehrfamilienhaus, Wohnviertel und Kommune) die Unabhängigkeit des Systems vom öffentlichen Stromnetz, d.h. sein Autarkiegrad, beträchtlich erhöht werden kann. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Integration eines Speichersystems in ein Wohngebäude (siehe Abbildung 1) die mit der elektrischen Versorgung des Gebäudes verknüpften Emissionen um bis zu 40 % reduzieren kann.

Fallstudie zur wasserstoffbasierten Speicherung elektrischer Energie in Wohngebäuden

Durch den Speicher kann emissionsarmer PV-Strom vor Ort gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden, wodurch nicht auf den stark emissionsbehafteten, da aus fossilen Quellen erzeugten, Strom aus dem öffentlichen Stromnetz zurückgegriffen werden muss. Besonders günstig sind hierbei Druckgasspeicher, da sie einen hohen Wirkungsgrad besitzen, und LOHC-Systeme, da sie geringe Emissionen aus der Herstellung des Speichersystems aufweisen. An dieser Stelle sei auf die gemeinsame Publikation der Arbeitsgruppe Systemanalyse des BHC verwiesen (DOI:10.1002/ente.201600388).

Ergebnisse:
In dem Projekt wurden theoretische und experimentelle Untersuchungen angestellt, um ein neuartiges Wärmekraftwerk zu entwickeln. Basierend auf innovativer ORC-Technologie unter Einsatz von organischen Fluidgemischen stellt dieses Kraftwerk im wachsenden Markt der Stromerzeugung aus Niedertemperatur-Wärme eine effiziente technische Lösung dar. Im Vordergrund stehen dabei die Anwendungsbereiche Geothermie und Abwärmenutzung, wodurch Temperaturniveaus der Wärmequellen zwischen ca. 80 °C und rund 180 °C abge-deckt werden. Die Arbeitsinhalte umfassten die Prozesssimulation des ORC im genannten Temperaturbe-reich zur Identifikation effizienter Gemischzusammensetzungen. Für ausgewählte Reinstoffe und zeotrope Fluidgemische wurden Wärmeübergangseigenschaften bei Verdampfung und Kondensation an einem Testaufbau experimentell bestimmt (Abbildung). Zudem wurde die Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu marktgängigen Systemen betrachtet.

Blasensieden an der horizontalen, elektrisch beheizten Heizpatrone des Verdampfers

Die Simulationsergebnisse weisen signifikante Effizienzsteigerungen beim Einsatz von Gemischen aus. Die Messergebnisse zum Wärmeübergang bestätigen, dass der Einsatz von Fluidgemischen im Vergleich zum Reinstoff zu einer Abnahme des Wärmeübergangskoeffizienten beim Phasenübergang führt. Grund hierfür ist der Stofftransport, welcher die Wärmeübergangseigenschaften von Gemischen zusätzlich beeinflusst. Auf Basis der Messungen wurden Korrelationen identifiziert, die sich am besten zur Vorhersage des Wärmeübergangs potentieller Arbeitsmedien eignen. Auch konnte gezeigt werden, dass sich die Zusatzkosten für größere Wärmeübertrager innerhalb vertretbarer Zeiträume durch die mit einer gesteigerten Stromerzeugung einhergehenden Zusatzeinnahmen amortisieren. Das FuE-Projekt hat gezeigt, dass der Einsatz von Fluidgemischen als Arbeitsmittel im ORC zu signifikanten thermodynamischen wie wirtschaftlichen Vorteilen führt. Verglichen mit dem Kalina Cycle ist bei ähnlichem Wirkungs- bzw. Nutzungsgrad ein wesentlich geringerer apparativer und damit auch finanzieller Aufwand zu veranschlagen. Gegenüber den Konkurrenzanlagen ergeben sich damit für die Neuentwicklung eindeutige Vorteile hinsichtlich Energie- und Kosteneffizienz.