Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8103
Main Title: Thermische Speicher zur Optimierung des Betriebs von Heizkraftwerken in der Fernwärmeversorgung
Translated Title: Thermal storage for the optimisation of the operation of combined heat and power plants in district heating applications
Author(s): Christidis, Andreas Christos
Advisor(s): Tsatsaronis, George
Referee(s): Tsatsaronis, George
Dittmann, Achim
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Der Energieversorgungssektor wird seit Anfang des Jahrtausends immer stärker von den gesellschaftspolitischen Zielen geprägt, den fossilen Primärenergieeinsatz und damit die anthropogenen Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Wesentliche Maßnahmen um diese Ziele zu erreichen sind neben Einsparungen im Endenergieverbrauch, die Effizienzsteigerung der Energieumwandlung und die Erhöhung des Anteils der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien. Letztere decken bereits seit 2015 über 30% des Bruttostromverbrauchs in Deutschland und sollen bis zum Jahr 2050 einen Anteil von mindestens 80% erreichen. Zu den effizienten Technologien der Energieumwandlung gehören Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK), die aus fossilen Brennstoffen elektrische Energie und Nutzwärme gleichzeitig erzeugen, und dadurch den Brennstoff effizienter umwandeln, als es bei der getrennten Erzeugung möglich ist. Im Jahr 2016 betrug die KWKStromproduktion in Deutschland ca. 19% der Nettostromerzeugung; ein Niveau, das bis zum Jahr 2025 beibehalten werden soll. Aus dem Ausbaupfad volatil einspeisender erneuerbarer Energien und der Erhaltung der vergleichsweise unflexiblen Stromerzeugung aus KWK-Anlagen ergibt sich ein Zielkonflikt, der sowohl technisch, als auch ökonomisch Herausforderungen mit sich bringt. Daher liegt es nahe KWK-Anlagen zu flexibilisieren, sodass sie bei hoher Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien und entsprechend niedrigen Strompreisen möglichst wenig elektrische Energie erzeugen und bei hohem Strombedarf aus konventionellen Kraftwerken und hohen Preisen möglichst viel. Hierzu bietet es sich an, die KWK-Anlagen mit Wärmespeichern auszustatten, um die Stromerzeugung von der Wärmenachfrage zeitlich zu entkoppeln. In der vorliegenden Arbeit werden Wärmespeicher als Bestandteil eines Fernwärmesystems bestehend aus Heizkraftwerksblöcken und Heizwerken bezüglich Wirtschaftlichkeit und Dimensionierung sowie deren Einfluss auf den Betrieb der Erzeugeranlagen untersucht. Dabei wird ein besonderes Augenmerk auf die Triebkräfte des Einsatzes von Wärmspeichern gelegt und somit der Einfluss wichtiger Systemeigenschaften auf die Ergebnisse analysiert. Darüber hinaus findet ein Vergleich des Betriebs von Kraftwerken und Heizkraftwerken statt und ein Vergleich von Wärmespeichern als funktionale Stromspeicher mit anderen Stromspeichern. Methodisch werden vier unterschiedliche Typen von Heizkraftwerken für die Randbedingungen der Jahre 2010 bis 2016 und einer Prognose für das Jahr 2035 mit Hilfe eines gemischt-ganzzahlig linearen mathematischen Modells zur optimalen Einsatzplanung betrachtet. Aus der Differenzbetrachtung der stündlichen Energie- und Kostenströme jeder Anlagenkomponente der Fernwärmesysteme mit Wärmespeicher und der Referenzrechnung ohne Wärmespeicher ergeben sich die Ergebnisse, die als Basis zur Analyse und Diskussion dienen. Die Auswertung der Ergebnisse zeigt, dass sich durch die Möglichkeit der Wärmespeicherung sowohl die Strom- als auch die Wärmeerzeugung der Heizkraftwerke verändert. Die Stromerzeugung nimmt bei hohen Strompreisen zu und bei niedrigen entsprechend ab, was einer funktionalen Stromspeicherung entspricht, während die Fernwärmeerzeugung aus KWK-Anlagen zunimmt und somit die ungekoppelte Wärmeerzeugung aus Heizwerken verdrängt. Dabei hängt sowohl das Ausmaß dieser zwei Effekte, als auch die Wirtschaftlichkeit und optimale Dimensionierung eines Wärmespeichers vom Typ des Heizkraftwerkes und den ökonomischen Rahmenbedingungen ab, weshalb für die Praxis eine Einzelfalluntersuchung empfohlen wird. Wichtige Einflussgrößen sind die Stromkennzahl der KWK-Anlage und die sich daraus ergebenden variablen Kosten der Strom- und Wärmeerzeugung, sowie die Kosten einer alternativen Wärmebereitstellung, bspw. aus Heizwerken. Erwartungsgemäß profitieren weniger flexible Heizkraftwerke mit Gegendruckdampfturbinen stärker von der Flexibilisierung durch Wärmespeicher, als flexiblere Anlagen mit Entnahmekondensationsturbinen.
Since the beginning of the millennium, the energy supply sector has been strongly shaped by the socio-political goal to reduce fossil primary energy utilization and, thus, anthropogenic greenhouse gas emissions. Besides the reduction of final energy consumption, increasing the efficiency of energy conversion and the share of electricity produced from renewable energies represent key measures to achieve these goals. Renewable energies already cover more than 30% of gross electricity consumption in Germany since 2015 and are supposed to reach at least 80% by 2050. Combined heat and power (CHP) plants are among the most efficient technologies, as their fuel consumption is less than the one required for the separate production of electricity and district heat. In 2016, CHP-based electricity production in Germany amounted to approx. 19% of the total net electricity generation; a level that shall be maintained until 2025. The target to increase the volatile electricity production of renewable energies and maintain the production level of comparatively inflexible power generation from CHP plants results in a conflict of objectives with both, technical and economical challenges. Therefore, it seems reasonable to increase the flexibility of CHP plants in order to be able to produce less electricity when the production of renewable energies is high and, thus, electricity prices are low and to increase the electricity production of CHP plants when the one of renewable energies is low, respectively. This can be accomplished by decoupling the electricity production from the heat demand with thermal storages. In this work, the economic feasibility and optimal sizing of thermal storages as one part of a district heating system, consisting of CHP plants and heating plants, are investigated. The analysis of the influence of thermal storage on the optimal operation of the production units allows for the identification of driving forces for the operation of the storage as well as fundamental system characteristics that strongly affect the results. Furthermore, the operation of CHP plants and power plants without heat extraction are compared as well as the operation of thermal storages as virtual electricity storages and conventional electricity accumulators. Four different types of CHP plants are considered together with input data of the years 2010 to 2016 and a forecast for 2035 using a mixed-integer linear model to solve the unit commitment and economical dispatch problem. The comparison of the hourly energy and cash flows of each unit of the system with thermal storage with the ones of the system without storage serves as a basis for further analysis and discussion. The evaluation of the results shows that the optimal operation of thermal storages changes both the electricity generation and the district heat production of the CHP plants. The electricity production increases at high electricity prices and decreases at low prices, respectively, whereas the district heat production increases and, thus, displaces the uncoupled heat production from heating plants. Both, the extend of these two effects as well as the economical benefit and optimal sizing of a heat storage, depend on the type of the CHP plant under investigation and the economic input data (mainly electricity and fuel prices), which is why individual studies for particular cases are recommended. The results indicate that the power to heat ratio of the CHP plant and the resulting variable costs of electricity and heat production are important influencing factors, as well as the costs of alternative heat supply, for example from heating plants. As expected, the less flexible CHP plants with backpressure steam turbines benefit more from the flexibilization due to thermal storage than the more flexible CHP plants with extraction condensing turbines.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/8980
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8103
Exam Date: 13-Dec-2018
Issue Date: 2019
Date Available: 26-Feb-2019
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Wärmespeicher
Kraft-Wärme-Kopplung
Fernwärme
Energiesystem
Optimierung
Einsatzplanung
thermal storage
combined heat and power
district heating
energy system
optimization
unit commitment and economic dispatch
License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
Appears in Collections:FG Energietechnik und Umweltschutz » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
christidis_andreas.pdf5.36 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons