Bachelorarbeit Julian Matthes

 

Entwicklung modularer Simulationsmodelle von Kraftwärmekopplungsanlagen (KWK)

Internes Schaltbild Urheberrecht: EBC Internes Schaltbild des modularen und skalierbaren BHKW-Modells in Modelica

Zum Erreichen der beschlossenen Klimaschutzziele von EU und Bundesregierung wird der regenerative Energiesektor ausgebaut. Der somit wachsende Anteil an fluktuierender Einspeisung belastet die Stromnetze und erhöht den Bedarf an flexiblen Anlagen, um die Energieversorgung sowie die Netzstabilität auch bei wetterbedingten Schwankungen garantieren zu können. Kraftwärmekopplungsanlagen stellen eine Schlüsseltechnologie als stabilisierende Ergänzung des Energiesystems dar und ermöglichen im Gegensatz zu zentralen Kraftwerken eine effizientere Primärenergieausnutzung. Für die Entwicklung und Integration dieser Anlagen in die zunehmend an Komplexität gewinnenden Energiesysteme ist eine computergestützte Analyse erforderlich. Hierzu können dynamische und komponentenbasierte Simulationsmodelle verwendet werden, welche das thermische sowie elektrische Verhalten von Kraftwärmekopplungsanlagen abbilden. Die Entwicklung eines solchen Modells für ein Blockheizkraftwerk, bestehend aus Verbrennungsmotor, Abgaswärmeübertrager und elektrischer Maschine, wird im Rahmen dieser Arbeit vorgestellt. Neben des hohen Detailgrades werden Modularität, Skalierbarkeit und Parametrierbarkeit der entwickelten Modellarchitektur fokussiert. Als umfangreichstes Submodell steht der Verbrennungsmotor im Mittelpunkt der Modellierung. Die motorische Verbrennung und resultierende mechanische Leistung wird über ein Mittelwertmodell berechnet. Des Weiteren werden empirische Ansätze und Abschätzungen eingesetzt, um die Abgasenthalpie und den Wärmefluss an das Kühlmedium abzubilden. Über die Annahme der überstöchiometrischen und vollständigen Verbrennung wird zudem die stoffliche Zusammensetzung des Abgases bestimmt. Der Abgaswärmeübertrager berechnet aus der restlichen thermischen Energie des Abgases einen nutzbaren Wärmestrom. Dafür wird der Abgasmassenstrom sowie die stoffliche Zusammensetzung bei der Bestimmung des konvektiven Wärmeübergangs berücksichtigt. Abhängig von der niedrigsten Temperatur im Abgassystem besteht die Möglichkeit der Brennwertnutzung. Für das Modell der elektrischen Maschine, die sowohl als Starter-Motor als auch Generator funktioniert, wird ein analytischer Ansatz zur Berechnung der Drehmoment- und Stromkennlinien in Abhängigkeit von der Drehzahl implementiert. Darüber hinaus ist eine Verlustberechnung zur Ermittlung der bei Nutzkühlung freiwerdenden Wärme realisiert. Abschließend erfolgt eine Modellbewertung des aggregierten Gesamtmodells anhand von experimentellen Daten. Dazu wird eine manuelle Kalibrierung für statische und dynamische Betriebsverläufe durchgeführt. Die Untersuchung deutet eine für Langzeitsimulationen geeignete Simulationszeit des Modells an. Durch die Anpassung der Parameter können die Fehler zudem um bis zu 75% verringert und dynamische Betriebsverläufe bei konstanter Durchflussrate sowie Rücklauftemperatur mit hoher Übereinstimmung wiedergegeben werden.