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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 16 Elektrotechnik / Informatik  → Institut für Elektrische Energietechnik / Rationelle Energiewandlung  → Dissertationen 

Please use this identifier to cite or link to this item: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-2011012035564

Title: Dieselmotor-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen im Kontext der Integration Erneuerbarer Energien in die Energieversorgung
Authors: Sievers, John
???metadata.dc.subject.swd???: Kraft-Wärme-KopplungErneuerbare Energien
???metadata.dc.subject.ddc???: 620 - Ingenieurwissenschaften (Engineering and allied operations)
Issue Date: 20-Jan-2011
Abstract: In dieser Arbeit werden die sich abzeichnenden zukünftigen Möglichkeiten, Stärken und Schwächen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) untersucht. Dies geschieht vor dem Hintergrund des Klimawandels, der Integration steigender Anteile Erneuerbarer Energien in die Stromerzeugung und unter Berücksichtigung der sich damit ergebenden Herausforderungen, eine sichere und nachhaltige Stromversorgung zu gestalten. Der Fokus liegt auf der Dieselmotor-KWK und der Nutzung nachwachsender Kraftstoffe. Es wird davon ausgegangen, dass der Übergang zu einer reinen Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energiequellen in Deutschland unter erheblicher Einbindung des hohen Potentials der kostengünstigen, umweltfreundlichen, aber in der Leistung extrem fluktuierenden Windenergie erfolgen wird. Als dezentrales Integrationswerkzeug wurde die Kraft-Wärme-Kopplung mit Dieselmotoren untersucht. Sie entspricht aufgrund ihrer großen Flexibilität und ihrer hohen Wirkungsgrade mit vergleichsweise kleinen Leistungen sehr gut den Anforderungen der gleichzeitigen dezentralen Wärmenutzung. In der Dissertation werden die Randbedingungen der Dieselmotor-KWK untersucht und beschrieben. Darauf aufbauend werden unterschiedliche Modelle der Windintegration durch KWK erarbeitet und in diversen Variationen wird der Ausgleich der Stromerzeugung aus Windenergie durch KWK simuliert. Darüber hinaus werden dezentrale KWK-Anlagen hinsichtlich eines koordinierten gemeinsamen Betriebs und hinsichtlich der optimalen Auslegung für den Windenergieausgleich betrachtet. Es wird für den beschriebenen Kontext der Erneuerbaren Energien und der Kraft-Wärme-Kopplung das Thema „Umweltwirkungen“ diskutiert. Es wird dargelegt, dass die heute verwendeten Ansätze zur Bewertung der KWK zu einer Verzerrung der Ergebnisse führen. Demgegenüber wurde mit der so genannten Outputmethode eine Methode der Ökobilanzierung vorgestellt, die, im Gegensatz zu den anderen Methoden, keine verzerrenden Annahmen in die Wirkungsabschätzung aufnimmt und somit eine eindeutige und rein wissenschaftliche Auswertung bleibt. Hiermit ist die Grundlage für die Bewertung der unterschiedlichen Technologien und Szenarien sowie für die Einordnung der KWK in den Kontext der Energieerzeugung gegeben. Mit der Outputmethode wird u.a. rechnerisch bewiesen, dass die gekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung in KWK-Anlagen tatsächlich die optimale Nutzung der regenerativen Kraftstoffe „Biogas“ und „Pflanzenöl“ im Hinblick auf Ressourceneinsatz, Treibhausgaseinsparung und Exergieerzeugung ist. Es wurde darüber hinaus die Frage untersucht woher die für die Stromerzeugung durch Dieselmotor-KWK-Anlagen notwendige Bioenergie genommen werden kann. Es ist erwiesen, dass die in Deutschland nutzbare landwirtschaftliche Fläche nur zur Deckung eines Teils der Stromerzeugung ausreichen würde. Einheimisches Biogas und nachhaltiges importiertes Pflanzenöl, das in hohem Maße auf degradierten Böden angebaut werden sollte, können die notwendige Brennstoffenergie liefern. Um im Ausland ausreichend Pflanzenöl herstellen zu können, wird eine landwirtschaftliche Fläche von 6 bis 12 Mio. ha benötigt. Das Ergebnis ist, dass ein voller Ausgleich von Windenergie-Restlast durch KWK mit Erneuerbaren Energieträgern sinnvoll und machbar ist! Dieses Wind-KWK-DSM-System sollte durch ein Stromnetz ergänzt sein, das Wasserkraftstrom für den Großteil der Regelenergieaufgaben nutzt, und das den großräumigen Ausgleich Erneuerbarer Energien in Europa und den Nachbarregionen ermöglicht.Diesel Motor Cogeneration Plants in the Context of Integrating Renewable Energies into the Power Supply. Abstract: The aim of this thesis is to investigate and assess future options, potentials, strengths and weaknesses of cogeneration of heat and power. This is carried out against the background of global climate change and the integration of an increasing share of fluctuating renewable energies in power generation considering the necessity of guaranteeing a reliable, efficient, sustainable and cost effective power supply. It is assumed that the transition process to an entirely renewable energy-based electricity generation in Germany will considerably depend on the integration of wind energy because of its economic competitiveness, environmental friendliness and potential. However, power generation using wind energy fluctuates quite considerably. Diesel motors are here investigated as a decentralized integration instrument. Thanks to their great flexibility, high efficiency and relatively low nominal capacity, they perfectly meet the requirements for the simultaneous decentralized use of heat. Boundary conditions of Diesel motor combined heat and power plants (CHP) are analyzed and described in this work, different models for wind energy integration are elaborated, and these models are used for several variations to simulate the balance of wind energy by cogeneration. In this context, environmental impacts are discussed. Common assessment methods on environmental impacts of CHP distort the results. The so-called output method is developed and described, by which the final assessment of environmental impacts is not implicitly mixed - as is commonly the case - with the calculation of environmental impacts. This output method is used to compare CHP generation with other energy conversion processes within the context of power generation including insulation of buildings, the use of different fuels and different applications for cogeneration. This work clearly demonstrates that while bio fuel resources can be optimally used for power generation, cogenerated electricity could also be used optimally for mobility. The main assessment criteria for this are global warming potential, cumulated energy demand and exergy generation. Furthermore it also investigates potential sources from where the necessary bio energy for Diesel motors could be obtained. It is evident that the agricultural area available in Germany will only enable the production of a small part of the bio energy needed for the German power supply. An interesting option would be to make use of biogas on a larger scale and to import vegetable oils from outside Europe. This should mainly be carried out using degraded land, which would require an agricultural area in the range of 6 to 12 Mio. ha. Final results show that using renewable fuels, and after the integration of wind power, a full balance of the residual load by cogeneration, is reasonable and feasible. Such a wind-cogeneration DSM system should be supplemented by a stronger UCTE electricity grid and by the integration of hydro power plants for balancing power, which will enable the large-scale exchange of renewable energies within Europe and the neighboring regions.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2011012035564
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