Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs
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VDI Technische Gebäudeausrüstung Stuttgart, 13.04.2015 Dr. Andreas Huber – Abteilungsleiter Gasturbine Institut für Verbrennungstechnik, DLR
• BHKW Technologien, Einsatzgebiete & Potentiale
• Aktueller Stand und Anforderungen an zukünftige BHKWs
• Mikrogasturbinen-basierte BHKWs – aktuelle Entwicklungen
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Agenda
Vergleich von KWK-Anlagen und zentraler Stromerzeugung / dezentraler
Wärmeerzeugung
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Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs Motivation für die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)
• Erhöhung der Gesamteffizienz
• Vermeidung von Netzwerkverlusten
• Reduktion von Schadstoff-
emissionen und Treibhausgasen
• Erhöhung der Versorgungs-
sicherheit
KWK Zentrales KW
Heizung
• Primärenergieeinsparung (PEE) abhängig von:
• thermischem & elektrischem Nutzungsgrad der KWK-Anlage • thermischem & elektrischem Nutzungsgrad der getrennten Erzeugung • Korrekturfaktoren für Netzeinspeisung und Eigenverbrauch • thermischer Deckung der KWK-Anlage • dem Anteil des eingespeisten Stroms
• CO2 Einsparung abhängig vom Referenzwert
Beispiel: Erdgas-BHKW mit ηel = 30%, ηth = 60%
→ PEE = ca. 21 %* → CO2 Reduktion um 33** - 46% (Strommix)
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Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs Motivation für die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)
* Quelle: EU [1], [2]; VDI [3]: Thermischer Deckungsgrad 80%, Referenz Heizung 90%, Referenz Strom 53% ** Stromeinspeisung 20%, Strombezug 20%
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Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs Technologien und Einsatzgebiete Motor (Gas-Ottomotor, Selbstzünder (Öl, Dieselmotor))
Gasturbine (GT)
Dampfexpansionsmaschine
Stirlingmotor
Mikrogasturbine (MGT)
Elektrische Leistung
1 kW 100 kW
Brennstoffzellen (SOFC, PEMFC, …)
1 MW
Dampfmotor / Turbine
Feldtests / Markteinführung
Einsatzgebiete
• in Wohngebäuden, Bürogebäuden, Krankenhäusern, Schulen, Schwimmbädern, Hotels, Gaststätten, Landwirtschaft…
• für Privatpersonen, Kommunen, GHD & Industrie
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Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs Technologien und Einsatzgebiete
Einsatzbereiche
• Wärmeerzeugung • Kälteerzeugung • Dampferzeugung • Trocknung • CO2 Düngung Betriebsweisen
• Wärmegeführt • Stromgeführt • Virtuelle Kraftwerke
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Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs Technologien und Einsatzgebiete Mini-KWK
[Quelle: BHKW-Consult [4]]
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Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs KWK Stromerzeugung in Deutschland
10,0
12,0
14,0
16,0
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0,0
100,0
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700,0
[%]
Stro
mer
zeug
ung
(Net
to) [
TWh]
Stromerzeugung (Gesamt)
KWK Stromerzeugung
Anteil KWK
[Quelle: BMWi]
• Private Haushalte und GHD
• Objekt- und Netz-KWK bei Annahme eines 90% Anschlussgrades
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Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs Potential in Deutschland
[Quelle: IFAM/Prognos/IREES [6]]
• Schwierige wirtschaftliche Rahmenbedingungen: • KWK Index Q1/2015: 3,21 ct/kWh
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Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs Aktueller Stand / Hemmnisse
0
10
20
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Q1
2005
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2005
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2014
Q3
2014
Q1
2015
Durchschnittspreis (EUR/MWh)
[Quelle: EPEX]
• EEG Umlage • Investitionsintensive Technologie: Konkurrenz mit günstigeren
Heizungstechnologien
• Mangelnde Bekanntheit hoher Akquisitionsaufwand
• Komplexe Förderstruktur
• Hoher Verwaltungsaufwand und Bürokratie
• Mangel an qualifizierten Handwerkern
• Unsicherheiten durch Gesetzesänderungen
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Dezentrale Energieversorgung mit BHKWs Aktueller Stand / Hemmnisse
[Quelle: prognos, ifeu, BHKW-consult [5]]
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Anforderungen an zukünftige BHKWs Entwicklung der Einspeisung der erneuerbaren Energien
Tag/Monat
Leis
tung
[GW
]
25/09 27/09 29/09 01/10 03/10 05/10 07/10
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100GeothermieHolz-/Müll-HKWWasserkraftOnshore-WindOffshore-WindPhotovoltaikLastImport/Export
Tag/Monat
Leis
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[GW
]
25/09 27/09 29/09 01/10 03/10 05/10 07/10
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100GeothermieHolz-/Müll-HKWWasserkraftOnshore-WindOffshore-WindPhotovoltaikLastImport/Export
• Große Fluktuationen von Wind / PV Leistung (inkl. Schwachwindphasen) • Große zeitliche Lastgradienten
[Daten aus: DLR / IWES / IFNE [7]]
Jahr 2020 Jahr 2050
• Bruttostromerzeugung / Stromerzeugungskapazitäten
• Konventionelle Kraftwerke decken verbleibende Residuallast mit hohem Leistungsbedarf (Spitzenlast) - bei geringer Stromproduktion!
starke Reduktion von Grund-/Mittellast
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Anforderungen an zukünftige BHKWs Bedarf zukünftiger konventioneller Kraftwerksleistung
0
20
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2010 2020 2030 2050
Leis
tung
[GW
]
Bedarf an gesicherter LeistungLeistungsbedarf konv. Kraftwerke
0,0
100,0
200,0
300,0
400,0
500,0
600,0
2010 2020 2030 2050
Brut
tost
rom
erze
ugun
g [T
Wh/
a] EE-Wasserstoff
Import EE
Photovoltaik
Windenergie
Laufwasser
KWK Biomasse
KWK Gas/Kohle/Müll
Erdgas/Öl kond.
Braunkohle kond.
Steinkohle kond.
Kernenergie[Daten aus: DLR / IWES / IFNE [7]]
KWK
konv. KW
k. KW
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber DLR.de • Folie 14
Anforderungen an zukünftige BHKWs Entwicklung der Volllaststunden
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 80000
0.001
Volllaststunden [h]
Häuf
igkeit
sdich
te
Kernkraft (n = 6)Braunkohle (n = 22)Steinkohle (n = 40)Erdgas GuD (n = 34)Erdgas GT (n = 39)PSWTurbKWK (n = 77)BHKWBiogas
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
0
0.001
Volllaststunden [h]Hä
ufigk
eitsd
ichte
Braunkohle (n = 3)Steinkohle (n = 4)Erdgas GuD (n = 21)Erdgas GT (n = 41)PSWTurbKWK (n = 43)BHKWBiogas
• Reduktion der Volllaststunden • Erhöhung der Startvorgänge (Kaltstart, Warmstart) Deutlich reduzierte Wirtschaftlichkeit, kürzere Lebensdauer
[Quelle: DLR / IWES / IFNE [7] ]
Jahr 2020 Jahr 2050
15,5%
25,3% 26,3%
22,8%
18,6%
0%
5%
10%
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20%
25%
30%
0
20
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2009 2020 2030 2040 2050
KW
K-S
trom
erze
ugun
g (n
etto
) [TW
h/a]
Öff. FW HKW
Öff. (NW, FW)BHKW > 50 kWelObjektversorgungBHKW < 50 kWelIndustrie
Kohle/ Müll
Erdgas, Öl, etc.
Biomasse
Geothermie
Anteil KWK
• Zunahme des Anteils von BHKWs in der öffentlichen Versorgung
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber DLR.de • Folie 15
Anforderungen an zukünftige BHKWs Entwicklung der KWK Stromerzeugung
[Quelle: DLR / IWES / IFNE [7]]
• Trennung Strom- & Wärmeerzeugung
stromgeführte BHKWs mit Wärmespeicher
• Verringerung der Minimallast
• Optimierung des Teillastbetriebs
• Steigerung der elektrischen Effizienz
• Reduktion der Abgasemissionen
• Brennstoffflexibilität
• Langzeitspeicher „Power to Gas/Liquids“
• Einsatz von Brennstoff verschiedener Qualitäten / Brennstoffschwankungen
• Inselbetrieb bei Netzstörungen und Abschaltungen
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber DLR.de • Folie 16
Anforderungen an zukünftige BHKWs Flexibilisierung der KWK-Anlagen
• Erhöhung der Lebensdauer, insbesondere in Bezug auf erhöhte Anzahl der
Startvorgänge und Lastwechsel
• Wirtschaftlichkeit
• verringerte Betriebszeiten
• Erhöhung des Stromeigenverbrauchs
• Virtuelle Kraftwerke
• Bereitstellung von Regelenergie
• Lokale Netzentlastung
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber DLR.de • Folie 17
Anforderungen an zukünftige BHKWs Flexibilisierung der KWK-Anlagen
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber DLR.de • Folie 18
Anforderungen an zukünftige BHKWs Wirtschaftlichkeit von KWK Anlagen – 50 kWel
[Quelle: IFAM/Prognos/IREES [6]]
• Motor-BHKW, Wirkungsgrad: 34% elektrisch, 57% thermisch, Verzinsung 12%, mit KWK Zuschlag
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber DLR.de • Folie 19
Mikrogasturbinen-basierte BHKWs Aufbau und Funktionsprinzip
Rekuperator Verdichter
Generator Turbine
Brennkammer [Quelle: Turbec]
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber DLR.de • Folie 20
Mikrogasturbinen-basierte BHKWs Vor- und Nachteile
Erdgas Erdgas und H2 (70%vol)
+ Geringe Wartungskosten
+ Kompakte Bauweise / geringes Gewicht
+ Hohe Brennstoffflexibilität
+ Geringe Schadstoff- / Lärmemissionen
+ Sehr gutes Teilastverhalten
+ Hohes Abwärmenutzungspotential
(Abwärme im Abgas enthalten / hohe
Abgastemperaturen)
+ Hoher Gesamtwirkungsgrad
+ Hohe Einsatzflexibilität: Kosten -
Wirkungsgrad
Im Vergleich zum Gasmotor
- Geringerer elektrischer Wirkungsgrad
- Höhere Investitionskosten (Stückzahl)
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber DLR.de • Folie 21
Mikrogasturbinen-basierte BHKWs Vergleich elektrischer Wirkungsgrad
Elektrische Leistung [MW]
Ele
ktris
cher
Wirk
ungs
grad
[%]
• Capstone (USA): C30 (30 kW), C65 (65 kW), C200 (200 kW)
• Ansaldo Energia (Italien) (ehemals Turbec): AE-T100 (100 kW)
• Dürr (Deutschland): Compact Power System (100 kW)
• Micro Turbine Technology BV (MTT), EnerTwin 3 kWel
• …
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber DLR.de • Folie 22
Mikrogasturbinen-basierte BHKWs Aktuelle Hersteller
• Entwicklung von effizienten, schadstoffarmen und brennstoffflexiblen Brenner-systemen für konventionelle und alternative Brennstoffe, z.B.
• Erdgas, Diesel, Kerosin • Biogene Schwachgase (Biogas, Holzgas, etc.) • Industrielle Abluft (VOCs)
• Optimierung konventioneller MGT-BHKW Systeme • Entwicklung innovativer MGT-BHKW / APU Konzepte
• 1 kWel MGT-BHKW für den Einsatz im Einfamilienhaus • Hybrid-Kraftwerk (Kopplung MGT & SOFC) • Range Extender • APU
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber DLR.de • Folie 23
Mikrogasturbinen-basierte BHKWs Aktuelle Entwicklungen am DLR (www.dlr.de/vt)
Projektziele: • Entwicklung einer last- und brennstoffflexiblen Mikrogasturbine • Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades
• Neuentwicklung eines Rekuperators • Neuentwicklung eines FLOX® Brennkammersystems
• Analyse von Abwärmenutzungskonzepten
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber DLR.de • Folie 24
Mikrogasturbinen-basierte BHKWs für Erdgas Heizkraftwerk Leonberg
Erprobung des FLOX®-BKS am DLR Rekuperatorprototyp Demonstrationskraftwerk der EnBW (HKW-Leonberg)
Numerische Analyse des HKW-Leonberg
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber DLR.de • Folie 25
Mikrogasturbinen-basierte BHKWs für Erdgas Heizkraftwerk Leonberg
Hydraulischer Kreislauf des HKW-Leonberg
DLR.de • Folie 26
Nachhaltiges dezentrales Holzvergaserkraftwerk mit gekoppelter Mikrogasturbine
• Demonstrations-Kraftwerk: Kopplung MGT mit Holzvergaser
• Charakterisierung von Anlagenbetrieb und Wirtschaftlichkeit
• Entwicklung eines Brennkammersystems für Holzgas
• Optimierung der Produktgasreinigung
• Untersuchung des Vergasungsverhaltens verschiedener Substrate
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber
DLR.de • Folie 27
MGT-basiertes Holzvergaserkraftwerk Aufbau
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber
• Weltweit erstes Holzgas-FLOX®* Brennkammersystem erfolgreich in MGT getestet
• Niedrige Emissionsgrenzwerte im gesamten Betriebsbereich
DLR.de • Folie 28
MGT-basiertes Holzvergaserkraftwerk FLOX® Brennkammersystem
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber
*eingetragenes Warenzeichen der WS Wärmeprozesstechnik GmbH
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber DLR.de • Folie 29
MGT-basiertes Holzvergaserkraftwerk MGT-Holzvergaserkraftwerk
Weitere Infos unter: T. Zornek, T. Monz, M. Aigner, „Effizient, flexibel, sauber: Flox-Brennkammersysteme für Mikrogasturbinen“, BWK Bd.66 (2014) Nr.9
• Aufbau und Demonstration eines real-gekoppelten Kraftwerks
• Charakterisierung der Versuchsanlagen (MGT & SOFC) und der
Gesamtanlage
• Entwicklung von Betriebsstrategien
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber DLR.de • Folie 30
Mikrogasturbinen-basierte BHKWs Hybrid-Kraftwerk: Kopplung SOFC und MGT
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber DLR.de • Folie 31
Hybrid-Kraftwerk: Kopplung SOFC und MGT Anlagenkonzept
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber DLR.de • Folie 32
Hybrid-Kraftwerk: Kopplung SOFC und MGT Motivation
Elektrische Leistung [kW]
SO
FC T
empe
ratu
r [K
]
Ele
ktris
cher
Wirk
ungs
grad
[%]
SOFC/MGT Kraftwerk (700 kWel)
Effizienz SOFC Temperatur
Betriebs-bereich
Hochflexibles, hocheffizientes kombiniertes Grundlast- und Spitzenlastkraftwerk für die zukünftigen Anforderungen
• Entwicklung einer gekoppelten Betriebs- und Regelungsstrategie der deutlich unterschiedlichen Systeme
• Thermische Trägheit der SOFC bei Start- und Stoppmanövern • Druckempfindlichkeit der SOFC zwischen Anode & Kathode • Erhöhtes Risiko von Verdichterinstabilitäten („Verdichterpumpen“) der
MGT
• Vermeidung von Bauteilschäden (SOFC Stacks, MGT Verdichter) bei dynamischen Laständerungen
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber DLR.de • Folie 33
Hybrid-Kraftwerk: Kopplung SOFC und MGT Herausforderung
Ziel: Umsetzung einer Demonstrationsanlage eines Hybrid-Kraftwerks mit ca. 30 kW elektrischer Leistung bis 2017
• Betriebskonzept: Aufheizen der SOFC
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber DLR.de • Folie 34
Hybrid-Kraftwerk: Kopplung SOFC und MGT Stand der Forschung & Entwicklung
Vent
ilste
llung
[%]
Zeit [s]
rela
tiver
Dru
ckve
rlust
[%]
Tem
pera
tur [
°C]
SOFC Einlass-temperatur [°C]
Rel. Druckverlust [%] Bypassstrang [%] Heissgasstrang [%] Kaltgasstrang [%]
SOFC
• Entwicklung und Aufbau eines Mikro-BHKW
Demonstrators mit 1 kW elektrischer Leistung
• Experimentelle Charakterisierung einer inversen
Mikrogasturbine
• Entwicklung und Bewertung von
Betriebskonzepten
• Abschätzung der Kosten der Komponenten und
des Gesamtsystems
• Mittel- und langfristig erreichbare elektrische
Wirkungsgrade: 20-25%
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber DLR.de • Folie 35
Mikrogasturbinen-basierte BHKWs MGT- μBHKW für den Einsatz im Einfamilienhaus
MGT- μBHKW für den Einsatz im Einfamilienhaus Potential - Einsatzmöglichkeiten EFH
• Elektrische Leistung: mehr als 84 % unterhalb 1 kW (92% unterhalb 1,5 kW)*
• Thermische Leistung: mehr als 61% unterhalb 5 kW (98% unterhalb 10 kW)*
* VDI 4656: Mittlere Werte Einfamilienhaus (17357 kWh Wärme, 5388 kWh Strom)
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber DLR.de • Folie 36
MGT- μBHKW für den Einsatz im Einfamilienhaus Herausforderungen MGT μBHKW mit 1 kWel
• Turbokomponenten können nicht beliebig verkleinert werden, da
• Fertigungstoleranzen • Sinkendes Druckniveau • Größere Leckage-Verluste
zu einer deutlich reduzierten Effizienz / Wirtschaftlichkeit führen würden
Lösung: Subatmoshärische MGT nach dem Prinzip des Inverted Bryton Cycle (IBC)
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber DLR.de • Folie 37
MGT- μBHKW für den Einsatz im Einfamilienhaus Invertierter Brayton Cycle (IBC) mit „Spitzenlastkessel“
Luft
Abgas
Verdichter Turbine
Generator
Reku- perator
Wärmetauscher
Wasser
Brennkammer
Brenn-stoff
Abgas
AG
R
Spitzenlast-kessel
Wärmetauscher
Wasser
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber DLR.de • Folie 38
MGT- μBHKW für den Einsatz im Einfamilienhaus Vorteile der subatmosphärischen MGT • Geringere Dichte (im Vergleich zum druckaufgeladenen System) führt bei
baugleichen Turbokomponenten zu:
• einem geringeren Massenstrom und damit • zu einer reduzierten Leistung
• bei ähnlichen Wirkungsgraden
• Verbrennung in der Brennkammer bei Umgebungsdruck
• kein Brennstoffkompressor notwendig
• Besonders geeignet für:
• Abgasrückführung und Brennwerttechnik
• Schwachgase (z.B. Holzgas)
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber DLR.de • Folie 39
Ziel: möglichst hoher Gesamtwirkungsgrad („stromerzeugende Heizung“) EGR für Brennwerttechnik
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber DLR.de • Folie 40
MGT- μBHKW für den Einsatz im Einfamilienhaus Einfluss der Abgasrezirkulation (EGR) Kondensation
• KWK Kraftwerke (insbesondere dezentrale BHKW) leisten einen entscheidenden Beitrag zu Effizienzsteigerung, CO2 Reduktion und Versorgungssicherheit
• Zukünftige Randbedingungen erfordern • eine Erhöhung der Flexibilisierung von BHKWs • bei gleichzeitig reduzierten Betriebsstunden und erhöhten Startvorgängen aufgrund geringer gesicherter Leistung durch Erneuerbare Energien
• Mikrogasturbinen-basierte BHWKs zeigen ein hohes Potential die zukünftigen Anforderungen in Bezug auf Brennstoff-, Lastflexibilität und Emissionen in einem großen Leistungsbereich zu erfüllen
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber DLR.de • Folie 41
Mikrogasturbinen-basierte BHKWs Zusammenfassung
DLR.de • Folie 42 > Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! www.dlr.de/vt
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) Institut für Verbrennungstechnik | Pfaffenwaldring 38-40 | 70569 Stuttgart Dr. Andreas Huber | Abteilungsleiter Gasturbine
Quelle: DLR
• [1] Richtlinie 2004/8/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 11. Februar 2004
• [2] Durchführungsbeschluss der Kommission vom 19. Dezember 2011 zur Festlegung harmonisierter Wirkungsgrad-Referenzwerte für die getrennte Erzeugung von Strom und Wärme in Anwendung der Richtlinie 2004/8/EG
• [3] VDI Statusreport 2013, Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, Oktober 2013
• [4] Mini-KWK 2014, Vortag „Mini-BHKW Kongress“, 24.06.2014, BHKW-consult
• [5] Aktuelle Chance und Hemmnisse für Mini-KWK, Vortrag „Mini-KWK – Energie effizient nutzen, 21.11.2013, ifeu, prognos, BHKW-consult
> Mikrogasturbinen-basiertes BHKW > A. Huber DLR.de • Folie 43
Referenzen
• [6] Potential- und Kosten-Nutzen-Analyse zu den Einsatzmöglichkeiten von Kraft-Wärme-Kopplung sowie Evaluierung des KWKG im Jahr 2014, IFAM, Prognos, IREES, BHKW-Consult, Oktober 2014
• [7] Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global, DLR, IWES, IFNE, März 2012
> Dezentrale Energieversorgung mit Mikrogasturbinen-basierten BHKWs > A. Huber DLR.de • Folie 44
Referenzen