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Anlagen

Messergebnisse und Ergebnisdarstellung

Messergebnisse

Für die Bewertung und den Vergleich der Mikro-BHKW-Anlagen wurden auf Basis der erfassten Messdaten monatlich u.a. der Gesamtnutzungsgrad, der elektrische und der thermische Nutzungsgrad.

Ergebnisse Stirlingmotor WhisperGen

Der Gesamtnutzungsgrad der WhisperGen-Anlagen liegt beim Großteil der Anlagen nahe bei dem Durchschnittswert des Gesamtnutzungsgrades von 80,97%. In der nebenstehenden Abbildung sind die durchschnittlichen Gesamtnutzungsgrade über den Vergleichszeitraum Oktober 2009 bis Mai 2010 je WhisperGen-Anlage als blaue Balken dargestellt; als rote Rauten sind die Monate dargestellt, in denen von der jeweiligen Anlage täglich Strom und Wärme erzeugt wurde (rechte Skala). Die grüne Linie markiert den über alle WhisperGen-Anlagen errechneten durchschnittlichen Gesamtnutzungsgrad im Vergleichszeitraum Oktober 2009 bis Mai 2010.

Den höchsten Gesamtnutzungsgrad erreicht die Anlage MS15_W mit 92,79% und liegt damit als einzige Anlage über 90%. Der niedrigste Gesamtnutzungsgrad liegt mit 74,28% bei der Anlage MS13_W vor. Bei der Anlage MS13_W lag eine Anlagenstörung vor, die durch den Einbau eines falschen Außentemperaturfühlers verursacht wurde. Als Konsequenz hatte die Anlage über die gesamte Dauer des Feldtests regelungstechnische Probleme.

Für die primärenergetische und wirtschaftliche Anlagen-Bewertung einer Mikro-KWK-Anlage ist der elektrische Nutzungsgrad von entscheidender Bedeutung. Die durchschnittlichen elektrischen Nutzungsgrade je WhisperGen-Anlage über den Vergleichszeitraum von Oktober 2009 bis Mai 2010 sind im nebenstehenden Diagramm dargestellt. Die roten Rauten zeigen die Anzahl der Monate, in denen von den Anlagen täglich Strom und Wärme erzeugt wurde. Der aus den monatlichen elektrischen Nutzungsgraden aller WhisperGen-Anlagen über den Vergleichszeitraum Oktober 2009 bis Mai 2010 errechnete durchschnittliche elektrische Nutzungsgrad liegt bei 4,57% und ist in der Abbildung als orange Linie dargestellt. Als Basis für die Berechnung der durchschnittlichen Nutzungsgrade werden die Anlagen-Monatswerte herangezogen. Dies ist erforderlich, um die unterschiedlichen Heizwerte der Pionieranlagen und die monatlichen Heizwertschwankungen des verbrauchten Erdgases zu berücksichtigen.

Zusammenfassend haben sich die 11 WhisperGen-Anlagen im Feldtest-Betrieb als zuverlässige und wenig störungsanfällige Anlagen erwiesen, die jedoch sehr unterschiedliches Betriebsverhalten aufweisen. Der wesentliche Unterschied liegt in der Takthäufigkeit der Anlagen. Auch das Auftreten von Teillastbetrieben wirkt sich negativ auf die Anlagen-Nutzungsgrade aus. Als Ergebnisse resultieren erhebliche Differenzen der Nutzungsgrade. Der Feldtest zeigt, dass ein optimales Betriebsmanagement die Basis für den effizienten Anlagenbetrieb ist. Nur eine WhisperGen-Anlage, die best-practise-Anlage MS15, erreicht unter Realbedingungen im Feldtest die vom Hersteller angegebenen Nutzungsgrade. Bei allen anderen 10 WhisperGen-Anlagen lag sowohl der Gesamt-Nutzungsgrad als auch der elektrische Nutzungsgrad deutlich unter den Herstellerangaben.

Ergebnisse lion-Motoren

Bei allen lion-Anlagen gab es Ausfälle in der Stromerzeugung durch den Defekt des Linators. Nur eine Anlage (lion-Anlage MS05) erzeugte über 12 von 13 Monaten Strom und Wärme. Die Betriebsprobleme der lion-Motoren konnten während der gesamten Dauer des Feldtests durch den Hersteller nicht behoben werden. Als Konsequenz liegt nur ein Monat vor (Dezember 2009), in dem von allen lion-Anlagen Strom und Wärme produziert wurde. Aus diesem Grund werden die Anlagen ausschließlich über die gesamte Dauer des Feldtests betrachtet, da ein Vergleich der Nutzungsgrade über den Vergleichszeitraum Oktober 2009 bis Juli 2010 nicht sinnvoll ist.

Die Gesamtnutzungsgrade liegen bei den lion-Anlagen zwischen 80% und 90% und streuen mit einer Bandbreite von 10%. Der aus den monatlichen Gesamtnutzungsgraden aller lion-Anlagen über die gesamte Zeitdauer des Feldtests errechnete durchschnittliche Gesamtnutzungsgrad liegt bei 83,13%. Als Basis für die Berechnung der durchschnittlichen Nutzungsgrade werden auch bei den lion-Motoren die Anlagen-Monatswerte herangezogen, um die unterschiedlichen Heizwerte der Pionieranlagen und die monatlichen Heizwert-schwankungen des verbrauchten Erdgases zu berücksichtigen.

Der für die primärenergetische und wirtschaftliche Anlagen-Bewertung wichtige elektrische Nutzungsgrad streut bei den lion-Anlagen monatlich stark zwischen 2% und 7,2%. Die durchschnittlichen elektrischen Nutzungsgrade je lion-Anlage über deren Laufzeit zeigt die Abbildung rechts. Die roten Rauten zeigen die Anzahl der Monate, in denen von den Anlagen täglich Strom und Wärme erzeugt wurde. Der aus den monatlichen elektrischen Nutzungs-graden aller lion-Anlagen über die gesamte Zeitdauer des Feldtests errechnete durch-schnittliche elektrische Nutzungsgrad liegt bei 4,3% und ist in der Abbildung als orange Linie dargestellt. Als Basis für die Berechnung der durchschnittlichen Nutzungsgrade werden die Anlagen-Monatswerte herangezogen,um die unterschiedlichen Heizwerte der Pionier-anlagen und die monatlichen Heizwertschwankungen des verbrauchten Erdgases zu berücksichtigen.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass keine der lion-Anlagen im Feldtest die Herstellerangaben erreicht hat. Mit einem elektrischen Nutzungsgrad von maximal 5,2% ist die Stromerzeugung für ein Mikro-BHKW gering. Die einzige Anlage MS05, die ohne nennenswerte Stromausfälle stabil betrieben werden konnte, liefert mit einem elektrischen Nutzungsgrad von 4,79% und geringer Strom- und Wärmeproduktion unbefriedigende Betriebsergebnisse.

Primärenergetische Bewertung des Feldtests

Um den energetischen Nutzen bzw. die Effizienz der im Feldtest eingesetzten Mikro-KWK-Motoren zu beurteilen, ist eine primärenergetische Analyse erforderlich. Hierbei wird die in Mikro-KWK-Motoren gekoppelte Erzeugung von Wärme und elektrischer Energie verglichen mit der getrennten Erzeugung von Wärme im Heizkessel und elektrischer Energie im Großkraftwerk (Vergleichssystem). Das Ergebnis der primärenergetischen Betrachtung ist stark von den angenommenen Nutzungsgraden abhängig.

Setzt man den im Stirlingmotor eingesetzten Brennstoff auf 100% bzw. 100 Einheiten n, so können die erzeugte elektrische Energie und die Wärme anhand der Nutzungsgrade des Motors ermittelt werden. Der Gesamtnutzungsgrad schließt auch den Verbrauch an elektrischer Hilfsenergie mit ein und berücksichtigt thermische Systemverluste.

Bei der best-practise-Anlage MS15 des Feldtests ist die dezentrale Erzeugung der Nutzenergie unter den optimalen Rahmenbedingungen (maximaler Gesamtnutzungsgrad Nges von 94,9% im Januar 2010, siehe obere Abbildung unten) um 7% effizienter als die getrennte Erzeugung von Wärme und Strom des Vergleichssystems (siehe untere Abbildung unten). Obwohl die Anlage den vom Hersteller angegebenen elektrischen Nutzungsgrad von 8,7% erreicht, erklärt sich der geringe Effizienzunterschied zum konventionellen Vergleichssystem wesentlich aus dem niedrigen elektrischen Nutzungsgrad des WhisperGen-Motors, der den energetisch positiven Effekt der dezentralen gekoppelten Erzeugung von Wärme und Strom wieder aufhebt.

Die primärenergetische Betrachtung zeigt, dass schon bei einem elektrischen Nutzungsgrad der Whisper- Gen-Motoren von 13% die dezentrale Energieerzeugung um ca. 10% effizienter wäre als die Strom-Erzeugung im Großkraftwerk. Die Erhöhung des elektrischen Nutzungsgrades wird für die Stirling-technologie in Zukunft ein wichtiger Erfolgsfaktor sein, um eine klimaschonende Alternative beispielsweise gegenüber der Brennwerttechnologie darzustellen.

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Ergebnisdarstellung

Ergebnissdarstellung

Für jede Energiepionieranlage wurden monatlich neben den Anlagenkennzahlen eine Energiebilanz in Form eines Sankey-Diagramms erstellt. Die Tageswerte „eingesetztes Erdgas“, „erzeugter Strom“ und „erzeugte Wärme" der Energiepionier-Anlagen wurden monatlich in einem Balkendiagramm gezeigt.

 

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