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Thermoelektrische Generatoren im Hochtemperaturbereich für BHKW

Wie wirtschaftlich ein BHKW ist, hängt wesentlich von dessen elektrischem Wirkungsgrad ab. Wärmetauscher mit thermoelektrischen Generatoren können aus dem heißen Abgas des BHKWs zusätzlich Strom gewinnen und damit den Wirkungsgrad erhöhen. Thermoelektrische Generatoren wandeln Wärmeströme zwischen einer warmen und einer kalten Seite in elektrische Energie um. Sie sind robust, weitgehend wartungsfrei und langlebig, jedoch eigneten sich herkömmliche Generatoren nur für Temperaturen bis 200 °C. So bleibt die Wärmeenergie aus dem Abgasstrom ungenutzt. Das Fraunhofer Institut für physikalische Messtechnik (IPM) hat in den vergangenen Jahren erstmals Module entwickelt, die sich für Temperaturen bis 550 °C eignen. Zusammen mit der Firma Schleif Automation, spezialisiert auf den innovativen Anlagenbau, entwickelte das IPM einen thermoelektrischen Generator, der parallel zum vorhandenen Wärmetauscher die BHKW-Abwärme nutzt. Hierdurch kann neben der reinen Brauchwassererwärmung zusätzlich mit Hilfe des Wärmetauschers elektrischer Strom generiert werden.

Das Projektteam simulierte zunächst das Verhalten des thermoelektrischen Wärmetauschers bei Betrieb im Abgasstrom eines BHKWs, um eine möglichst hohe Ausbeute an elektrischer Leistung zu erzielen. Danach wurde ein eigens optimierter thermoelektrischer Wärmetauscher hergestellt und in einem von badenova betriebenen Schleif-BHKW eingesetzt. Die anfallenden Daten integrierten die Forscher in die BHKW-Steuerungssoftware, um einen reibungslosen und effektiven Betrieb zu garantieren. Nach dieser Testphase kam der Wärmetauscher in einem von badenova betriebenen Schleif-BHKW zum Einsatz. Das Ergebnis des Projekts zeigte, dass damit der elektrische Wirkungsgrad des BHKWs um etwa 3 % gesteigert kann. In Zukunft könnten solche thermoelektrische Generatoren nicht nur in BHKWs, sondern auch in Fahrzeugen Verwendung finden und so dazu beitragen Treibstoff und CO2 einzusparen.

Darstellung drei wesentlicher Erkenntnisse aus dem Projekt:

  • Thermoelektrische Module zur Abwärmeverstromung sind verfügbar und einsatzbereit für Anwendungen
  • Thermoelektrische Module haben ein hohes TRL-Level erreicht und es waren während des Testbetriebs in der realen Anwendung keine Alterungseffekte ersichtlich. Ein Betrieb über 1000 h konnte ohne technische Probleme und ohne Leistungsreduktion nachgewiesen werden.
  • Systemintegrationskonzept von thermoelektrischen Modulen in Anwendungen ist entscheidend für Wirkungsgrad und RoI.

Die Erkenntnisse und Erfahrungen aus diesem Projekt haben zu einem neuen Innovationsfonds Antrag geführt, zu einem Projekt mit dem Anwendungsfall der Nutzung von thermoelektrischen Elementen, für die Versorgung von Regelungseinheiten für eine effizientere Feststoffverbrennung. Wie es beispielsweise bei Stückholzkaminen der Fall ist. Damit können solche Feuerungsanlagen ohne Stromanschluss nachgerüstet und der Ausstoß von Schadstoffen verringert werden.

Projektdaten

Projektnummer 2014-07
Projektart Forschung und Studien
Projektträger Fraunhofer Institut für Physikalische Messtechnik
Laufzeit Mai 2014 bis April 2020
Zuschuss 245.220

Ihre Ansprechpartner

Richard Tuth

Richard Tuth

Innovationsfonds Klima- & Wasserschutz

T: 0761-279-29 84

E-Mail: richard.tuth@badenova.de

Michael  Artmann

Michael Artmann

Innovationsfonds Klima- & Wasserschutz

T: 0761-279-22 53

E-Mail: michael.artmann@badenova.de

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Speicherung von CO2 im Boden

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Wärmerückgewinnung und Wasserrecycling aus Grauwasser
Offenburg

Wenn Abwasser zum Rohstoff wird

Der Durchschnittsdeutsche verbraucht 128 Liter Wasser am Tag, davon entfallen etwa 46 Liter auf die Körperpflege, also beispielsweise Baden oder Duschen. Energieintensiv erhitzt ist dieses nur leicht verschmutzte Grauwasser zu schade um ungenutzt als Abwasser in die Kanalisation zu fließen. Bisherige Wasserrecyclinganlagen nutzen aber bisher entweder nur dessen Restwärme, um damit Brauchwasser zu erhitzen oder reinigen das Grauwasser, um es beispielsweise für Waschmaschine und Toilettenspülung wieder zu verwenden. Seit 2006 entwickelte die Firma Pontos ein Gesamtsystem, das anschließend in einem Studentenwohnheim im Freiburger Stadtteil Vauban eine zweijährige Testphase durchlief. Das Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung in Karlsruhe begleitete den Testbetrieb. Dabei durchläuft das warme Grauwasser einen speziellen Wärmetauscher, in dem es seine Wärme an das zu erwärmende Trinkwasser abgibt. Um das biologisch-physikalisch Wasser anschließend aufzubereiten, nutzte die Firma Pontos das System AquaCycle. Die kompakte, einfach zu bedienende Anlage filtert das Grauwasser vor und reinigt es zweifach durch Biokulturen, um es schließlich mit UV-Strahlen zu hygienisieren. Nach dem Wärmetauscher hat das Wasser noch etwa 10 Grad, was die biologischen Abbauprozesse erschwert, die bisher mit 20 bis 30 Grad abliefen. Obwohl die niedrigere Temperatur die Biokulturen weniger leistungsfähig macht, stellten die Experten fest, dass die Anlage immer noch effizient genug läuft. Wasserfiltration und Wärmerückgewinnung zu kombinieren bietet mehrere Vorteile: Weil die Bewohner weniger Trinkwasser verbrauchen und Abwasser in die Kanalisation leiten, sinkt die Wasserrechnung. Außerdem braucht die die Heizung weniger Energie um das schon vorgewärmte Trinkwasser zu erhitzen. Das Trinkwasser zu erwärmen macht bei einem Niedrigenergiehaus 40 Prozent des Energiebedarfs aus, bei einem Passivhaus sogar mehr als die Hälfte. Für das Freiburger Wohnheim sank der Energiebedarf für die Warmwasserbereitung um 20 Prozent. Außerdem ersetzte das Grauwasser das Trinkwasser für die Toilettenspülung fast vollständig.

Grid2Smart - Konzeption zur Migration des Stromnetzes in ein Smart Grid mit einem hohen Anteil dezentraler Erzeuger
Freiburg

Intelligentes Stromnetz für dezentrale Erzeuger

Immer mehr Wasserkraft-, Windkraft-, und Solaranlagen speisen ihren Strom ins Netz ein. Auch die Zahl der KWK-Anlagen steigt stetig. Diese an sich erfreuliche Entwicklung stellt die Netzbetreiber vor neue Herausforderungen. Sie müssen zunehmend dezentrale Erzeuger in ihr Netz integrieren und für einen stabilen Betrieb sorgen. Auch für die Anlagenbetreiber ändert sich die Lage in den nächsten Jahren. Das KWK-Gesetz fördert schon 2011 viele Anlagen nicht mehr, so dass ihre Besitzer neue Strategien für eine wirtschaftliche Betriebsführung finden müssen. Die Gemeindewerke Gundelfingen, das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme und die badenova-Töcher Netz und WärmePlus analysierten deshalb die Netzsituation der Gundelfinger EEG- und KWK-Anlagen. Ziel war es, den Lastfluss zu berechnen und mögliche Energieszenarien zu erstellen. Dazu integrierten die Wissenschaftler die Daten aus dem Netz und von den Erzeugern in einen speziellen Betriebsführungsassistenten und in das geografische Informationssystem (GIS) der badenova. Dieser Betriebsführungsassistent für die Leitwarten entstand in einem früheren Projekt von ISE und badenova, das erstmals eine größere Anzahl dezentraler Anlagen zu einem ‚virtuellen Kraftwerk’ zusammenfasste. Nach einer Testphase simulierten die Forscher dann verschiedene Szenarien und konnten das Netz nach ökologischen oder wirtschaftlichen Kriterien optimieren. Das Projekt ist damit Modell für andere Gemeinden und Stromnetzbetreiber. Projekterkenntnisse: Durch State Estimation kann der Stromnetzzustand in Echtzeit bestimmt werden. Daraus ergeben sich Vorteile für die Betriebsführung und Planung der Netze. Es ist dafür ausreichend bereits vorhandene Messungen durch Wetterprognosen zu ergänzen. Die Untersuchung der Kraftwärmekopplungsanlagen im Netzgebiet zeigt auf, dass die angewendeten Betriebsführungsstrategien bereits sehr gut sind. Eine weitere Verdienstmöglichkeit ist Eigenstromnutzung. Damit können die Strombezugskosten verringert werden. Spannungsabhängige Einspeisung von Blindleistung ist eine sehr effiziente Möglichkeit zur Spannungsregelung. Die komplexe Parametrierung der Anlagen ist Aufgabe der Anlagenbetreiber. Um die Einstellungen zu überprüfen, sollte der Netzbetreiber temporär das Verhalten der Anlage messen.