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Realisierungskonzept für das Südwestfälische Energiezentrum

1. Abbildung 76 Flie bild des Metallhydridspeichersystems Mittels eines W rme bertragungsmodells f r die durchschnittliche Beladungsdauer von Me tallhydridspeichern 13 wurde in einem n chsten Schritt der Durchmesser der einzelnen Speicherrohre dimensioniert Als beste Kombination erweist sich hier eine Aufteilung in 10 Module mit jeweils 27 Rohren mit einem Innendurchmesser von jeweils 100 mm und einer 2014 02 28 Seite 115 von 235 Fachhochschule S dwestfalen INGENIEUR GMBH University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES fws E Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 L nge von etwa 2 056 mm Die Rohrl nge wurde auf diesen Wert begrenzt um ein problem loses Handling beim F llen mit der Metallhydridlegierung und ggf anfallenden Wartungsar beiten zu erm glichen Unter Anwendung der AD2000 Merkbl tter wurden die Speicherrohre dimensioniert und die ben tigte Wandst rke zu 2 5 mm bestimmt Mit dieser Dimensionie rung erh ht sich das Gesamtvolumen auf 2 583 Nm das Nutzvolumen auf 2 127 Nm und die Metallhydridmasse auf 13 66 t Die einzelnen Speicherrohre sind jeweils mit einem Sinterfilter auszustatten um einen Austrag der Metallhydridiegierung beim Entladen zu vermeiden Solc
2. 1 Ze e my Su une me Zu 2 e x D f SD ro ee en ne ne 2 D ViR E N 2 0 IT i 2007 2008 2009 2010 Jahre Abbildung 27 Leistung am Netzknoten in einer 4 Jahressimulation ohne Manager Der bisher vorgestellte Managementalgorithmus setzt voraus dass der Wasserstoffspeicher seine SoC Grenzen nicht erreicht Sobald dies geschieht ger t die Regelung in einen kriti schen Zustand Die Batterie kann dann nicht mehr durch die Brennstoffzelle geladen Was serstoffspeicher leer bzw durch den Elektrolyseur entladen werden Wasserstoffspeicher voll und die Differenzleistung muss ber das Netz transferiert werden Solche kritischen Si tuationen sind in Abbildung 26 gezeigt Ist der SoC 0 und der Energiebedarf gr er als die Eigenerzeugung muss die ben tigte Differenz komplett aus dem Versorgungsnetz bezogen werden Die zweite kritische Situation tritt auf wenn die Speicher voll sind SoC max Wenn nun die Eigenerzeugung oberhalb der verbrauchten Energie liegt muss diese an das Ver sorgungsnetz bergeben werden In beiden F llen k nnen die am Netzknoten bergebenen Leistungen einen Wert von 100kW erreichen siehe Abbildung 27 Um dies zu verhindern wurde ein bergeordnetes Management des Wasserstoffspeichers mit einer SoC Energie Prognose entwickelt Wie bereits eingangs des Kapitels diskutiert erreichen die Prognosen bei einer 15 mi
3. Gliederungsstufe 0 1 2 3 Verfahrenstechnische Kennzeichnung Gesamtanlage System Aggregat Betriebsmittel Einbauort Gesamtanlage Einbaueinheit Einbauplatz Kennzeichnung Raum Kennzeichnung Gesamtanlage Bauwerk Raum Abbildung 91 Die unterschiedlichen Kennzeichnungsarten eines Kraftwerkssystems Die Struktur des verfahrenstechnischen Kennzeichnungsschl ssels besteht aus einem al phanumerischen Schl sselsystem 15 bis 17 Buchstaben und Zahlen wie in Abbildung 92 dargestellt Die verschiedenen Gliederungsstufen enthalten numerische und klassifizierende Elemente In der Abbildung steht das Zeichen A f r einen Buchstaben und das Zeichen N stellvertretend f r eine Zahl Ein Leerzeichen trennt die einzelnen Gliederungsstufen vonei nander Der Detailgrad steigt dabei von Gliederungsstufe 0 bis hin zu Gliederungsstufe 3 an 2014 02 28 Seite 148 von 235 INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES je Al Fachhochschule l T W S madp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Name des Datenpunktes Abbildung 92 Struktur des verfahrenstechnischen Kennzeichnungsschl ssels Die Datenpunkte F F und F3 A4 A2 B4 und B sind klassifizierende Kennzeichnungsele mente Jeder moderne Kraftwerksprozess st tzt sich auf verschiedene Systeme In Abbil dung 93 ist exempl
4. 145 Modulbauweise mit Zentraleinheit nnnnnnsssnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 146 Die unterschiedlichen Kennzeichnungsarten eines Kraftwerkssystems 148 Struktur des verfahrenstechnischen Kennzeichnungsschl ssels 149 Exemplarische Darstellung zur Untergliederung des verfahrenstechnischen Kennzeichnungsschl ssels 149 Numerische Kennzeichnungselemente des Kennzeichnungsschl ssels 150 Die erste Gliederungsstufe nn sceenkuhee u e 150 Funktions Schl ssel 2 2424444444RRRR nenn nnnn anne nnnn nenn nenn nenn nenn nennen 151 Seite 229 von 235 Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences M1m INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES mip Concepts based on solid solutions Cts Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abbildung 97 Abbildung 98 Abbildung 99 Abbildung 100 Abbildung 101 Abbildung 102 Abbildung 103 Abbildung 104 Abbildung 105 Abbildung 106 Abbildung 107 Abbildung 108 Abbildung 109 Abschlussbericht Feb 2014 Fortlaufende Pr fix Nummer zur Unterscheidung gleicher Systeme 152 Fortlaufende Systemz hlzahl zur Unterscheidung gleicher Untergruppen 152 Aggregat Schl ssel der zweiten Gliederungsstufe eee 152 Aggregatz hlzahl ser 153 Betriebsmittelschl ssel und dazugeh rige Betriebsmittelz hlzahl 153 Pr
5. 14 2 Besondere technische Ausstattung des Energiezentrums Pos Bezeichnung Ventile Messger te Anzahl Steueru Mes Preis Netto Summe Gruppensumme Bem 1 1 Speicher 95m 50 bar geplant 2 Sicherheitsventile 1 Abs geplant 1 Flu messger t und 1 Drt 1 114 000 00 114 000 00 aus schriftl Angebot Vako 2 vi Beh lter 1 1 Paar S ttel Absperrventil zum Trennen des Beh lters manuell 1 300 00 300 00 www landefeld de 3 v2 Beh ltertrocknung 100 Pr f Zweites Absperrventil Austausch der Ventile 1 300 00 300 00 www landefeld de 4 v3 incl T V Abnahme Vorort Normal berdrucksicherheitsventil direkt am Beh lter befestigt 1 500 00 500 00 www landefeld de 5 v4 Sicherheitsventil autom Absperrventil bei St rungen Shut Off Valve 1 1 200 00 1 200 00 Angebot GSR mechanisch ca 101 6 Durchflu messung zur Volumenbe 0 3 200 00 0 00 Bronkhorst 7 PD2 Druckmesser 0 50 bar Speisetrer 1 132 00 132 00 www WIKA de 8 TD2 Temperaturmesser 1 220 00 220 00 WIKA 9 Transport und Aufstellung 1 7 500 00 7 500 00 Mail von Herrn Althaus 10 T V Abnahme gesamte Anlage 1 2 000 00 2 000 00 Mail von Herrn Althaus VAKO 11 Zwischensumme 126 152 00 12 13 Speicher 95m 50 bar geplant 2 Sicherheitsventile 1 Absperrventil 1 114 000 00 114 000 00 Vako 14 v Beh lter 2 Absperrventil zum Trennen des Beh lter
6. Runtime Darstellung umgewandelt welche auf dem Steuerungs PC ausgef hrt wird Der wesentliche Vorteil ist dabei dass bereits existierende Matlab Simulink Modelle in die Twin CAT 3 Software implementiert werden k nnen und so direkt in die Managementebene ein gebunden werden Als Basis ist damit das bereits entwickelte und in den Kapiteln 2 2 bis 2 6 beschriebene Modell verwendbar F r die sp tere Implementierung in TwinCat und den On line Betrieb m ssen voraussichtlich Anpassungen und gegebenenfalls Vereinfachungen vorgenommen werden Es ist aber keine vollst ndig neue Programmierung erforderlich Im Umkehrschluss k nnen alle im sp teren Betrieb gemachten Erfahrungen auch unmittelbar in die Weiterentwicklung des Planungswerkzeuges einflie en Nach den vorliegenden Kos ten Planungen wurde die Implementierung des Energiemanagements in seinen Grundfunkti onen Version 0 bis zum einfachen automatischen Betrieb in die Technikkosten des Zent rums mit aufgenommen Feinschliff Optimierung und Weiterentwicklung k nnen dann erst im laufenden Betrieb z B in Form eines FuE Projekts erfolgen TwinCAT 3 Third party programming System Manager Programming A tool Configuration Non et time 10 real a PLC C C IEC 61131 nas MC nas NC extensions CNC Safety others Abbildung 117 Prinzipieller Aufbau der TwinCAT 3 Software Obwohl es sich beim Energiemanagement um einen der zentralen Bausteine des Projektes
7. der pneumatischen hydraulischen Aus r stung e Verschieben sich bewegender Teile Herausspritzen von Fl ssigkeiten unter ho hem Druck ungesteuerte Bewegungen der elektrischen Ausr stung direkter Kontakt Durchschlag Lichtbogen Feuer indirekter Kontakt Kurzschluss der Steuerung Herabfallen oder Herausschleudern eines sich bewegenden Maschinenteils oder eines in der Maschine festgeklemmten Werkst ckes e Ausfall von Einrichtungen zum Anhalten von sich bewegenden Teilen e Maschinent tigkeit als Ergebnis der Wir kungslosigkeit Umgehen oder Ausfall von Schutzeinrichtungen e ungesteuerte Bewegungen einschlie lich Geschwindigkeits nderung e unbeabsichtigter unerwarteter Anlauf e weitere Gef hrdungsereignisse durch Aus f lle oder unzureichende Konstruktion der Steuerung 2014 02 28 Seite 203 von 235 Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen INGENIEUR GMBH Concepes based on sl sahions University of Applied Sciences B SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Das in Abbildung 128 dargestellte Leerformular aus der DIN EN 14121 2 kann dazu verwen det werden die Ergebnisse der Identifizierung der Gef hrdungen nach den Stichpunkten von Tabelle 29 bis Tabelle 31 zu dokumentieren Tabelle A 3 Beispiel eines Leerformulars zur Identifizierung von Gef hrdungen Identifizierung de
8. H2 Produktionsrate 15Nm H h Teillastbereich von bis H2 Gasreinheit 5 0 Interne Reinigung H2 Druckniveau am Elektroly Interner Verdichter seur Ausgang bar Systemdruck bar Restfeuchte ppm H2O Tapunkt Prozessleistung Elektrolyse kWh Nm3 H2 Systemleistung gesamt kW Standbyleistung kW Zellenspannung N Stromdichte kA m Wirkungsgrad n Faraday Spannung Ges El Anschluss Spezifikation Interner AC DC Wandler Aktiv Passiv Degradationsrate uV a 2014 02 28 Seite 96 von 235 4 TWS sA SCHMIDT amp WILLMES mip Concepts based on solid solutions GMBH Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Lebensdauer Stack h Wartungsintervalle a Dynamik des Systems Betriebstemperatur C Min Max Umgebungstemperatur C Min Max Management Elektrolyt K hlung Aufbereitung Frischwasserzufuhr Temperatur an Kuhlmenien ip Temperatur Volumenstrom Druck K hlleistung Management Purgegase Gasart Volumenstrom Druck Datenerfassung Steuerung Datenbus Extern Steuerbar Anfahren Notaus Raumbedarf Elektrolyseur Fl che m Gewicht kg Raumbedarf Peripherie Fl che m Gewicht kg Investkosten gesamt Tabelle 9 Fragenkatalog zum Betrieb
9. Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 die anfallenden Arbeiten dient Um dieses Handling zu erm glichen m ssen rund um die K hlwanne entsprechende befahrbare Fl chen vorgesehen werden Aus Gr nden des Explosionsschutzes und bedingt durch die Druckspeicherverordnung wird der Metallhydridspeicher zusammen mit den Drucktanks innerhalb der Druckbeh ltersicher heitszone des Energiezentrums positioniert siehe Abbildung 79 Bei der Auslegung der Hebewerkzeuge ist daher zu beachten dass diese den Sicherheitsanforderungen entspre chend ausgef hrt werden Die Druck und Flussmesser sowie die Magnetventile sollten den Anforderungen der Ex Schutzzone 2 entsprechen 6 2 2 3 Einbindung ins W rmemanagementsystem Unter Ber cksichtigung der Masse des Metallhydrids der Masse der Einbauten und des im Speichersystem enthaltenen Wassers ergibt sich eine speicherbare W rmemenge pro Kelvin Temperaturerh hung von 15 6 KWh K Bei einer vollst ndigen Beladung des Nutzvolumens des so geplanten Speichers wird eine W rmemenge von etwa 805 kWh frei Mit dem maximalen Wasserstoffstrom ergibt sich da bei eine Dauer von 161 h f r eine Vollbeladung des gesamten Speichers Der anfallende maximale W rmestrom betr gt somit 5kW Daraus ergibt sich f r die maximale Tempera turerh hung unter der Annahme dass der Beh lter ideal isoliert ist ein Wert von AT 0 32 K Bei dieser sogenannten Gr digke
10. Zur Anbindung externer Messstellen f r Anforderungsprofile b k nnte ein Wireless Gateway E105UG von Schmitt Elektronik 16 genutzt werden Dieses erlaubt bei geringem Konfigu rationsaufwand den direkten Anschluss der g ngigen Bus Systeme wie Profibus Ethernet IP Modbus RTU TCP Diese werden mittels Richtfunkantenne ber eine Funkstrecke bis zu 50 km bertragen Am bernahmepunkt ist ein weiterer Gateway n tig welcher das Funk signal wieder in das urspr ngliche Bus Signal wandelt Da dieses System eine Direktverbin dung darstellt und das Bus Signal direkt bertr gt sind mittels dieser Technologie trotz Funkverbindung kleine Latenzen realisierbar was eine Echtzeitanbindung erm glicht Die Systeme arbeiten im 869 MHz Band welches lizenzpflichtig ist Daher wird ein j hrlicher Bei trag f llig Die Nutzung der Frequenzen wird normalerweise nur in sogenannten Zeitschlitzen vergeben d h es werden pro Minute 10 Zeitschlitze mit jeweils 6 Sekunden definiert in de nen eine Kanalbelegung zur Kommunikation erlaubt ist Diese werden dann einzeln an Nut zer vergeben Somit kann die Bundesnetzagentur eine bestimmte Frequenz durch verschie dene Zeitschlitze mehrmals vergeben Diese Zeitschlitzfunktion ist mit den derzeit erh ltli chen Ger ten leider nicht m glich und die Bundesnetzagentur vergibt komplette Frequenzen im Allgemeinen nur f r gr ere Anlagen mit vielen Funkstationen F r gemeinn tzige Zwe cke werden wenn es die Ge
11. 8 3 ponn a m m z UDO 5 H i 8 5 b x r Oas 3 m 5 x o amp 5 SE a E y a Oy N 5 lt A D t 5 SSA r S u S g x ZA Ea U RO 2 z 8 a 8 5 il P ERS A A y G A A O s 22 le g e pia x 5 2 FE 23 A ZN amp 3 e 8 s g Z ESN 5 A g D a e 2 z a 3b R 7 m g ea t 3 x fa a 14 E N s EZL 4 8 Sj 3 T K 95 5 al 5 amp 38 mes N t4 JE 5 Ae s 5 35 a 28 k 3 s D 5 a OS k 5 2 5 L g O 8 s 5 o o bei 7 I8 Se 3 Bls EJ oO 3 SS gt 14 Da a 8 8 x amp 3 5 3 BE 43E 10 OCO Abbildung 48 Grundriss des Erdgeschosses mit einer m glichen Anordnung der R ume BAUGRENZE 10 00 FF ie 2 a _ 2014 02 28 Seite 56 von 235 Fachhochschule S dwestfalen INGENIEUR GMBH University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES rws a Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 A ooti Te T we se T use fo i 4 amp gt gt N N 5 e o DALS k o IS E F 5 14_ 8 8 N _ AR 9 1 I proza 5 lo a o o z a4 G I 0 G b EN eple z
12. Fachhochschule S dwestfalen INGENIEUR GMBH University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES tws 4 Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Der aus diesem Entwurf resultierende Lageplan ist in Abbildung 46 dargestellt Dieser Ent wurf platziert das Zentrum mit einem L f rmigen Grundriss dessen Innenbereich durch einen transparent gehaltenen berbau in Form eines Foyers gebr ckt wird in der Zufahrt zum Gewerbegebiet und nimmt die unmittelbaren Sicht und Wegeachsen auf Der Blick von war tenden Fahrg sten und von potentiellen Besuchern wird zwangsl ufig auf das Energiezent rum gelenkt Die Wege zum Zentrum sind kurz der Eingangsbereich f llt mit der dach und fassadenintegrierten Solaranlage sofort auf Betont wird das Erscheinungsbild von einer klei nen dynamisch geformten Windkraftanlage und den stehend angeordneten Tanks mit einer H he von knapp 20 m Auch die demonstrativ ausgef hrte Verbindung zwischen dem in der Mitte des Geb udes angeordneten Technikraum und den Wasserstofftanks in Form einer Pipeline vermittelt schon rein optisch den Eindruck dass hier etwas Au ergew hnliches passiert Die Seitenansichten in Abbildung 47 vermitteln einen guten Eindruck dieser Beson derheiten ACCONCI ARCHITEKTEN PLANUNG FENTWURFSVERFASSER TPROJEKT S DWESTF LISCHES ENERGIEZENTRUM ISR 590s sosst p BAUHERR TWS TECHNOLO
13. h tec DE EL 30 30 bar l N N 30 50 bar Helion FR N nn Hylyzer 65 Hydrogenics CA HySTAT P 7 bar ITM Power GB HLab Pac Box Fuel 15 bar Diamond OnSite Hogen GC S 13 8 barg 0 02 1 05 Hogen H 15 30 barg Proton Energy Hogen C 30 barg 2 0 6 0 Systems US HP 165 bar ii Statoil Hydrogen Inergon 10 bar Technologies NO Sylatech DE N N 30 bar 10 Die mit Hilfe des im Kapitel 2 3 beschriebenen Berechnungs und Optimierungswerkzeuges ermittelte elektrische Anschlussleistung des Elektrolyseurs von 70 kW ist der wesentliche Ausgangspunkt bei den Recherchen nach einem geeigneten Elektrolyseur Je nach Verfah ren Modell und Hersteller ergeben sich daraus neben dem Wasserstoffproduktionsvolumen in Nm h weitere ger tespezifische Angaben die f r einen Systemvergleich wichtig sind Der spezifische Energieverbrauch in kWh Nm H dient zum objektiven Vergleich der ver schiedenen Verfahren und ist auch ein Ma f r die Effizienz des gesamten Elektrolysesys tems F r diese Bewertung muss die Summe der Einzelverbr uche aller ben tigten System komponenten und Aggregate in der Wasserstofferzeugungskette wie Gasreinigung und Gastrocknung sowie der Wasseraufbereitung betrachtet werden Zur Berechnung der abzu f hrenden W rmemengen f r die Ankopplung des Elektrolyseurs an das thermische Haus 2014 02 28 Seite 95 von 235 NGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES geh ui Al Fachhochschule l x
14. l Spannung Uzelle Zelle Konzentrations verluste Ohmsche Verluste Abbildung 9 U I Modell Brennstoffzelle Die in Abbildung 8 dargestellten weiteren Subsysteme H2 Verbrauch und die Berechnung der Abw rme resultieren aus der errechneten Zellspannung So muss nach dem Energieer haltungssatz die Differenz aus generierter elektrischer Energie und der Reaktionsenthalpie die frei gewordene W rme sein W rde die gesamte Reaktionsenthalpie in elektrische Ener gie umgesetzt w rde die Quellspannung einer Zelle 1 25 V betragen Daraus folgt f r die thermische Leistung 1 25V zelle Py Par 1 Die Menge des ben tigten Wasserstoffs l sst sich auf Basis der Reaktionsgleichung be stimmen F r jedes erzeugte Wassermolek l werden zwei Elektronen bertragen Daraus folgt dass die umgesetzte Ladung pro Mol H zweimal der der Faraday Konstante entspricht Mit der molaren Masse f r Wasserstoff ergibt sich daraus der Wasserstofffluss zu kg Ixn Ng 2 02 10 nn mol 2F U I Charakteristik P I Charakteristik SD ne rei rn _ r 3 EOE Ea ee N o 40 T a gt DE ET T E E EEEE Ee E E A A s S 2774 E a a Dis near ar Q 25 ERATE RE ee ee B 15h ereeeeeeeeehenennennenne 2 a SE u 3 Ri E i ETES A PURE ERS E E T T EET E A EIER 15 3 AEAEE T Bee 5 0 Q 90 100 150 0 50 100 150 Zell Strom A Zell Strom A Abbildung 10 Spannungs und Leistungskennlinien eines BZ Stacks Abbildung 10 zeigt beispi
15. lageenteile abgeschlossen und damit die konkrete Anordnung der Bedienelemente bekannt ist Im Folgenden wird daher nach einer Kl rung der Begrifflichkeiten und einer kurzen Inhalts beschreibung des Explosionsschutzdokuments vor allem auf das Vorgehen bei der Gefah renanalyse und die Verwendung vorliegender Hilfsmittel eingegangen Diese Methoden und Unterlagen wurden genutzt um f r das vorliegende Anlagenkonzept eine Gefahrenanalyse zu erstellen Diese ist dem Bericht als Anhang beigef gt Sie umfasst das System des Ener giezentrums und belegt unter anderem dass das Konzept so wie beschrieben umsetzbar ist Sobald die konkreten Produkte bekannt sind die bei der Realisierung zum Einsatz kommen kann das Dokument mit der Unterst tzung einer Sicherheitsfachkraft z B bei der neutralen Beurteilung von Risikoh he und wahrscheinlichkeit vervollst ndigt werden Wegen der F lle an Normen und Vorschriften werden diese nicht in Zitatform gef hrt son dern abschlie en in Kapitel 13 5 in tabellarischer Form angegeben 13 1 Begrifflichkeiten Die Gef hrdungsbeurteilung wird in verschiedenen Verordnungen und EG Richtlinien zum betrieblichen Arbeitsschutz gefordert Gef hrdungsbeurteilungen sind aktuell nach Betriebs sicherheitsverordnung BetrSichV Arbeitsschutzgesetz ArbSchG und Gefahrstoffverord nung GefStoffV erforderlich Bei der Erstellung der Gef hrdungsbeurteilung werden alle Gef hrdungen ermittelt die in einem Arbeitsbereic
16. menklatur erstellen k nnen 8 1 Kennzeichnungssystem 8 1 1 Formale Struktur Die erreichte Komplexit t des S dwestf lischen Energiezentrums ben tigt sowohl in der Planungs als auch in der Ausf hrungsphase eine eindeutige Kennzeichnung der ver schiedensten System und Prozesskomponenten Aus diesem Grund wurde im Laufe des Projektes von der Fachhochschule ein Kennzeichnungssystem in Anlehnung an das Kraft werks Kennzeichnungssystem KKS der Vereinigung der Gro kraftwerksbetreiber VGB eingef hrt Da einige der f r das Energiezentrum ben tigten Komponenten nicht explizit im KKS aufgef hrt sind wurde die im Kennzeichnungssystem implementierte M glichkeit ge nutzt die bestehenden Kennungen zu erweitern und eine entsprechende Erg nzung vorzu nehmen Das Kraftwerks Kennzeichnungssystem wurde in den 80er Jahren durch die Vereinigung der Gro kraftwerksbetreiber eingef hrt Das System dient dem Zweck die unterschiedlichen Kraftwerkskomponenten mit einem einheitlichen Kraftwerks Kennzeichnungsschl ssel zu bezeichnen um so eine eindeutige Identifizierung der Komponenten zu erm glichen Die Kennzeichnung wird durch zwei vom VGB ver ffentlichten Leitlinien festgelegt Die VBG 2014 02 28 Seite 147 von 235 H AAT Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen INGENIEUR GMBH Concepts based on sl shions University of Applied Sciences B SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezent
17. 1 1 l 1 1 l l 1 I E E 1 i H P min 25bar 1 F llstand H 1 FC5 SD AI m SOChyari Hydrid FC4 RV12 Bd Regelventil vs8 D4 Shut Off Ventil E Flussmesser PC Pressure Control FC Flow Control Abbildung 83 Funktionsschema des Wasserstoffspeichers 2014 02 28 Seite 127 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Aufbau und Auslegung des gezeigten Speichersystems orientieren sich dabei an folgenden Vorgaben e Betriebsdruck des Elektrolyseurs 12 bar Produktionsrate maximal 13 2 Nm h e Versorgung der R ckverstromung mit mindestens 3 bar Fluss maximal 13 2 Nm h e Versorgung der Tankstelle mit mind 25 bar f r die Betankung von zwei Fahrzeugen mit je 15 m in direkter Folge e Laborversorgung mit mind 3 bar z B f r Brennstoffzellentestst nde e Laborversorgung mit mind 25 bar z B zum Test von Speichern e Verdichterlaufzeit nach Ein Signal mind eine Stunde e Betriebsdruck der Gro speicher 5 bar bis 45 bar e Volle Funktionalit t in allen Betriebssituationen e Nach M glichkeit kein unn tiger Energieeinsatz zur Verdichtung e Als Option Einbindung des Hydrid Speichers sowohl in der Funktion als Hauptspei cher als auch als Testobjekt e Ber cksichti
18. 22 West Geb udeintegration Bezogen auf die optimale Situation hat der dachintegrierte Anlagenteil damit eine effektive Leistung von 0 88 29 kWp 25 5 kWp 4 1 2 Fassadenintegration Foyer In Bezug auf die Geb udeintegration gelten hinsichtlich der technischen Randbedingungen die f r das Dach gemachten Angaben auch f r die Fassadenanalage Rein geometrisch er geben sich unterschiedliche M glichkeiten zur Anordnung der Module in der Fassade Abbil dung 61 zeigt drei interessante Varianten 44m 75 Module a 78 Module c Abbildung 61 Verschiedene M glichkeiten der Fassadenintegration Nach R cksprache mit den Partnern und dem Architekten wurde die Variante a der in Abbil dung 61 gezeigten Fassadenvarianten ausgew hlt Hier reichen die Solarmodule nicht bis auf den Boden und sind damit besser vor Vandalismus gesch tzt Zudem werden die nicht unproblematischen Wechsel zwischen Glas und Glas PV Elementen durch die geschlosse 2014 02 28 Seite 72 von 235 Fachhochschule S dwestfalen INGENIEUR GMEH University of Applied Sciences B SCHMIDT amp WILLMES erg ii Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 ne Fensterreihe in Bodenn he auf ein Minimum reduziert Installiert werden k nnen in dieser Variante 75 Module womit sich bei 235 W je Modul eine nominelle Nennleistung von 17
19. Abschlussbericht Feb 2014 Gas Speichermanager H2 PD1 TD1 PD2 TD2 PD3 TD3 PD4 TD4 PD5 TD5 SoC f r Manager gt Verdichter an aus K hlwasser an aus Verd Membranbruch Verd ldruck Druck PH3 Druck ND PN1 FC2 soll laden DT u FC2 ist Druck Tanks PH1 Druck HD Puffer ade FC1 soll entladen DT FC1 ist El Status Vorgabe PCT Pz gt Vorgabe PCHy entladen Fluss EI FM1 FC3 soll Hydrid laden Verbrauch BZ FM2 FC3 ist Verbrauch ND FM3 I gt FC4 soll Fluss Tankstelle R ckvers Tank FM4 FCA ist R ckvers Hydrid FM5 i gt FC5 soll Fluss Labor HD A FCS ist G v ad w Wasserstofffl sse f r Bilanz s z 4 zyl FM1 SZ SS 2ZE E E U gt n U Ass O OQ FM2 o R u re RR j gt 5 vagge 535 Signale und ji 3i g 2 amp 5 25 Messwertverarbeitung in v pA fug n 5 25 Echtzeit FC5 w ot O E L 2 v x gt w Sr S 2 g T Abbildung 107 Schematische Darstellung der Kommunikationspfade des Gasmana gers Digital 1 0 WC RAM etc Feldbus EtherCAT Slave Ethernet Controller Controller Herk mmliche Ger tearchitektur EtherCAT Ger tearchitektur Abbildung 108 Herk mmliche Ger tearchitektur im Vergleich zur EtherCAT Ger tearchitektur Digital O Die Embedded PCs bestehen im Wesentlichen aus einer Computereinheit und einer l O Ebene Durch den modularen Aufbau l sst sich so ein beliebiges Steuerungssystem je nach Anwendungsbereich zusammenstellen und auf ei
20. Daten sind auf eine Nennleistung von 76 5 kW bezogen 2014 02 28 Seite 32 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha ra Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 KW 35 2008 Leistung kW O 10 20 t t H t F t H t t H t t F Mo Di Mi Do Fr Sa So Tage Abbildung 23 Prognoseabweichung der PV Anlagenleistung f r eine Nennleistung von 76 5 kW Wie die Analyse der vorliegenden Mess und Erfahrungswerte belegen f hren insbesondere die zeitlichen Abweichungen zwischen prognostizierter und realer Erzeugung und die mit kleiner werdender Last schlechter werdende Prognosegenauigkeit beim Energiebedarf dazu dass Prognose und Management auf Ebene des 15min Rasters nicht den gew nschten Er folg bringen und hier nicht verwendet werden k nnen Eine nutzbringende hinreichend exak te zeitliche Planung im 15min Raster f r die n chsten 24 bzw 72 Stunden ist auf der vorlie genden Leistungsebene und der vorliegenden Regionalit t d h f r einen speziellen Stand ort nicht umsetzbar Aus diesen Gr nden wurde eine Alternative entwickelt die sich vielleicht mit dem Begriff Al gorithmen basiertes Energiemanagement beschreiben l sst bergeordnetes Regelziel ist dabei ein planbarer und m glichst gezielter Energieaustau
21. Druck Oltemperatur etc nach Anga ben des Herstellers 6 4 Speichermanager Im Gegensatz zu Modulen wie z B der Elektrolyse und Gasreinigung die durch den Herstel ler an den vorliegenden Einsatzzweck angepasst werden ist die Steuerung f r die Wasser stoffspeicherung nicht auf dem Markt verf gbar Der Speichermanager muss so definiert und beschrieben werden dass die Zusammenstellung der Hardware durch eine Fachfirma Schaltschrankbau vorgenommen werden kann Die Steuerung wird ber eine DDC im Prinzip eine hochwertige SPS mit einer Benutzerschnittstelle z B ber ein Touch Panel erfolgen Diese Steuerungseinheit wird dann in das Prozesssystem nach den in Kapitel 8 gemachten Angaben vergl Abbildung 102 und Abbildung 104 eingebunden Die eigentlichen Steuerungsfunktionen inklusive der Kon trolloptionen und der Ablaufpl ne sind so zu beschreiben vergl Kapitel 6 3 dass die Pro grammierung ber eine Fachfirma oder in Eigenarbeit erfolgen kann Zus tzlich zu den hier gemachten Angaben Tabelle 18 sind dann auch weitere St rf lle wie z B das Anfahren nach einem Stromausfall zu ber cksichtigen Um den Aufwand f r ein solches Steuersystem absch tzen zu k nnen ist die Kenntnis der Datenpunkte erforderlich Als Datenpunkte sind dabei sowohl Anbindungspunkte f r die Hardware z B Sensoreing nge oder Aktorausg n ge als auch Ankn pfungspunkte zur Prozessanbindung z B durch Daten bergabe sowie zur Funktion wic
22. Eine ausf hrlichere Funktionsbeschreibung ist in Kapitel 2 und den entsprechenden Unterkapiteln zu finden 1 Netzleistungscontroller Differenzen zwischen Erzeugung und Verbrauch sind ber die Batterie so auszuglei chen dass der Netzknoten im Normalfall nicht belastet wird oder Bezug bzw Liefe rung der ermittelten Leistungsvorgabe entspricht 2 Batteriecontroller Der Ladezustand der Batterie ist so zu halten dass der Netzleistungscontroller seine Funktion erf llen kann Werden F llstandsgrenzen nach oben oder unten berschrit ten ist durch gezielten Einsatz von Brennstoffzelle oder Elektrolyseur wieder ein ent 2014 02 28 Seite 169 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 sprechender Ladezustand herzustellen Kapitel 2 4 Die F llstandsgrenzen k nnen fix sein oder je nach Jahreszeit und Betriebszustand variieren 3 SOC Wasserstoff Energieprognose Um zu verhindern dass der Wasserstoffspeicher durch den Batteriecontroller ber f llt oder v llig entleert wird ermittelt der F llstandsmanager Wasserstoff SOC Wasserstoff ber die Wettervorhersage eine Prognose ber die nderung des F llstands in den n chsten Tagen Sobald dabei festgestellt wird dass der F llstand ein vorgegebenes Band
23. Es ist daher notwendig den Beh lter mit einem W rme bertrager auszustatten Die m glichen W rme bertragertechnologien lassen sich grob in zwei Gruppen einteilen die Au en und die Innenk hlung Um eine gute W r me bertragung zu realisieren weist ein geeigneter au engek hlter Beh lter einen geringen Durchmesser auf und wird von einem Fluid mit einer hohen W rmekapazit t umstr mt Ein geeigneter innengek hlter Beh lter erm glicht gr ere Beh lterdurchmesser jedoch wird 2014 02 28 Seite 114 von 235 Fachhochschule S dwestfalen INGENIEUR GMBH University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES rws Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 mit steigendem Durchmesser die W rme bertragergeometrie deutlich komplexer Eine kon struktiv gut realisierbare Version ist hier ein Wickel oder Rohrb ndelw rme bertrager Der Wickelw rme bertrager m sste jedoch bei zunehmendem Durchmesser aus mehreren mit einander kombinierten Spiralen bestehen Zusammenfassend l sst sich sagen dass ein au Bengek hlter Beh lter einen geringeren konstruktiven Aufwand aufweist ein innengek hlter Beh lter jedoch einen geringeren Platzbedarf Bei einem innengek hlten Beh lter bersteigt der Kostenaufwand f r den W rme bertrager allerdings in der Regel die Kosten f r den ei gentlichen Beh lter Basierend auf diesen berlegungen und auf Grund der gro en Dimen si
24. SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 dem System und einen Eintritt von Luft in das System verhindern Auch hier finden sich im Produktprogramm der Firma St ubli passende geeignet absperrende Kupplungen Durch die Verwendung unterschiedlicher Kupplungstypen f r das Gassystem und den K hlwasser kreislauf wird eine Verwechselung verhindert Die K hlwasserkupplungen werden farblich eindeutig markiert 10 1 3 Identifikation des Fahrzeugs Abrechnung Zug nglichkeit Eine wesentliche und notwendige Erweiterung der geplanten Tankstelle ist ein zuverl ssiges Abrechnungssystem F r den Endausbau wird von folgendem Szenario ausgegangen Der Besitzer eines wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellenfahrzeuges muss durch einen Betan kungsvorgang den Wasserstofftank seines Fahrzeuges wieder auff llen Damit zu jeder Zeit eine Betankung m glich ist f hrt der Kunde mit seinem Fahrzeug an die Tankstelle heran identifiziert sich ber hrungslos mit einer Chipkarte die auf sein Auto zugelassen ist f hrt den Betankungsvorgang durch und bezahlt anschlie end unter Einhaltung g ngiger Sicher heitsstandards mit seiner Chipkarte Aufgrund der gesammelten Erfahrungen und durch ver schiedene Abschlussarbeiten seitens der Fachhochschule S dwestfalen im Bereich der drahtlosen Informations bertragung wurde als Identifika
25. SoC H2 7 Heizkreislauf 11 Status Melder 16 Pufferspeicher Input 17 n tH Berechnete Vorgebende Werte K hlkreislauf 12 Pufferspeicher Output 117 SE let Bognosmn Prognose Last Elektrisch Last Thermisch Wasserstofffl sse 7 HSPA GPRS Tageszeit und Jahreszeit Mobilfunknetz Wetterdaten MoRoS Industrie Router EtherCAT VPN Server Sro windkraftanlage Extern Leistung Windkraftanlage 15 Beckhoff Industrie PC CX5020 Display Beckhoff Industrie PC CX5020 Display Beckhoff Industrie PC CX5020 Beckhoff Industrie PC CX5020 GSM Status Windkraftanlage Ist 15 19 Buskoppler f r BZ und EL 1 Photovoltaik Anlage UMTS Modem Windkraft Display Bilanzierung Elektrisch ZuWasserncifansicher Elektrolyseursystem Merker 0 Netzknoten Leistung Windkraftanlage Extern 17 Fon 5 aa ee i ka Elektrolyseur Status Ist 13 State of Charge SoC Batterie 13 State of Charge SoC H2 14 Aufgenommene Leistung Elektrolyseur 13 Leistung Batterie Puni 13 Beckhoff Industrie PC CX5020 Display sale Tankstelle 8 Elektrolyseur Status Soll 13 Beckhoff Industrie PC CX5020 Leistungsvorgabe Batterie Pomos 4 Wasser ffanford Tankstelle 8 Leistungsvorgabe Elektrolyseur 13 2 Kleinwindkraftanlage Intern Leistung Windkraftanlage lt 1min 15 amp Iankstelie en TRS
26. Speichergr en reiten 42 Abbildung 34 Netzbelastung bei verschiedenen Speichergr en uuuuuessssnnnnnnnnnenn gt 42 Abbildung 35 ber den Netzknoten umgesetzte Energie als Funktion der Speichergr e ernennen 43 Abbildung 36 Tagescharakteristik von Energieerzeugung und Verbrauch im KonWerl in Minuten Aufl sung f r den 27 09 2013 444444444000Rn nennen 44 Abbildung 37 SoC Dauerlinie sortiert nach dem SoC mit Markierung der Grenzbereiche des Managers vergl Kapitel 2 4 46 Abbildung 38 SoC Dauerlinie im SoC Bereich zwischen 20 und 60 47 Abbildung 39 Steigung des SoC Verlaufs als Ableitung der SoC Dauerlinie 47 Abbildung 40 nderung der Steigung bei Kapazit serh hung um 10KWN s 48 Abbildung 41 Mittlere Einschaltdauer des Elektrolyseurs 22444444snnn nennen 49 Abbildung 42 Erste Vor berlegungen zur Entwicklung des Standortes im Industriegebiet KonWer 24244444000HnHHnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnn 51 Abbildung 43 Grundriss des Erdgeschosses zur Veranschaulichung des urspr nglich favorisierten Geb udeentwurfs 2uussssnnnnnsnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nn 52 Abbildung 44 Luftbild des Standorts in Soest uu444444440RRRRnnnnnnnnnn nennen nnnnnnnne 53 Abbildung 45 M gliche Anordnung der Baugruppen des f r Werl erstellten Geb udeentwurfs am Standort Soest mit
27. Verfahren Parametrierung Zustandserfassung L Datens tze Pl ne E Reales System Reales System Geb ude mit TGA Quelle MeteoV iva GmbH Aachen TGA technische Geb udeausstattung HLK Heizung L ftung Klima Abbildung 2 Grundlagen der thermischen Geb udesimulation Die Simulation des Geb udes des zuk nftigen Energiezentrums S dwestfalen erfolgt mit der Software DesignBuilder Version 3 0 0 105 welche auf den Berechnungsalgorithmus Ener gyPlus Version 8 1 0 zur ckgreift Zun chst erfolgt die Erstellung eines dreidimensionalen Modells in drei Schritten 1 Erstellung eines zeichnerischen dreidimensionalen Modells 2 Anpassung auf reale konstruktive Eigenschaften Bauphysik 3 Anpassung auf reale nutzerspezifische Eigenschaften Zeichnerisches Konstruktive Nutzerspezifische Modell Eigenschaften Eigenschaften Anschlie end werden die Daten als Input Data an den Berechnungsalgorithmus von Ener gyPlus bergeben EnergyPlus f hrt die Berechnungen durch und erzeugt Output Data welche nun wieder von der Software DesignBuilder aufbereitet und dem Nutzer verst ndlich und anschaulich grafisch oder tabellarisch pr sentiert werden Anschlie end erfolgt die Aus wertung und Interpretation der Daten Eine berf hrung der Daten in eine Tabellenkalkulati onssoftware ist m glich und erleichtert die Auswertung sowie die Implementierung der Da 2014 02 28 Seite 12 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concep
28. das mit den Jahreszeiten variiert ber oder unterschreitet wird eine entsprechende Energievorgabe an den Netzleistungscontroller bermittelt damit dieser den Netzknoten entsprechend auf Lieferung oder Bezug einstellt Kapitel 2 5 Da hierbei gro e Zeitkonstanten zugrunde liegen wird es sich um relativ kleine Leistungen ber gr ere Zeitr ume z B 10 kW ber 12 Stunden handeln Da diese Leistung planbar ist und keine Spitzen aufweist wird das Netz nur gleichm ig und gering belastet 4 Thermocontroller Da es sich bei der W rmepumpe im Prinzip um eine verschiebbare elektrische Last handelt l sst sie sich hnlich wie die Batterie zum Ausgleich einsetzen Ma gabe hierbei ist der F llstand der thermischen Speicher der aber auch durch die Abw rme der anderen Komponenten z B Elektrolyseur und Brennstoffzelle beeinflusst ist Der Thermocontroller bildet daher die Funktionalit t des Batteriecontrollers auf der thermischen Seite ab Eine wesentliche Herausforderung war die Implementierung und Abbildung des in Mat lab Simulink entwickelten Energiemanagements und des Simulationsmodells auf die Soft ware und Hardwarekomponenten zur Realisierung der Automatisierungsstruktur des Ener giezentrums Die entwickelten Algorithmen repr sentieren eine detaillierte Abbildung des geplanten technischen Systems mit einer optimalen wirtschaftlichen wie energetischen Be triebsweise der einzelnen Prozesse Um dies auch bei dem realen Energiezentr
29. fung von Daten in Bezug auf Unf lle und oder Vor kommnisse mit hnlichen Maschinen Tabelle 29 Tabelle m glicher Gef hrdungen aus ISO 12100 2010 Anhang B die als allgemeine Checkliste verwendet werden kann Beispiele f r Gef hrdungen Art oder Ursprung M gliche Folgen Gruppe Mechanische e Beschleunigung Abbremsung e berfahren werden Gef hrdungen e spitze Teile e Weggeschleudert werden e Ann herung eines sich bewegenden e Quetschen Teils an ein feststehendes Teil e Schneiden oder Abschneiden e schneidende Teile e Einziehen oder Fangen e elastische Elemente e Erfassen e herab fallende Gegenst nde e Reiben oder Absch rfen 2014 02 28 Seite 198 von 235 Cts SCHMIDT amp WILLMES M1m INGENIEUR GMBH mip Concepts based on solid solutions Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 e Schwerkraft e Sto e H he gegen ber dem Boden e Eindringen von unter Druck e Hochdruck stehenden Medien e fehlende Standfestigkeit sicherheit e Scheren e kinetische Energie e Ausrutschen Stolpern und e Beweglichkeit der Maschine St rzen e sich bewegende Teile e Durchstich oder Einstich e rotierende Teile e Ersticken e raue rutschige Oberfl che e scharfe Kanten e gespeicherte Energie e Vakuum Elektrische e Lichtbogenelektromagnetisc
30. 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Die qualitative Methode zur Einsch tzung des SIL beruht analog zum Vorgehen bei der Risi koabsch tzung Abbildung 129 wieder auf einem Entscheidungsbaum wobei jetzt den je nach Eintrittswahrscheinlichkeit W4 W2 W des Ereignisses ermittelten Risikofaktoren die entsprechende SIL Stufe zugeordnet wird Dieses vereinfachte Modell zeigt sehr gut bei welchen Gefahren welcher SIL gefordert ist 13 4 Dokumentation der Gefahrenanalyse F r den Betrieb der im Energiezentrum zur Anwendung kommenden Komponenten und An lagen ist eine Gefahrenanalyse mit dem Ziel die von den Ger ten ausgehenden Gefahren zu minimieren durchzuf hren In den vorangegangenen Abschnitten ist eine entsprechende Vorgehensweise auf Basis der Normen DIN EN ISO 12100 2011 03 und DIN ISO TR 14121 2 vorgestellt worden Wesentliche Punkte bei der Gefahrenanalyse sind dabei die Identifizie rung der Gef hrdungen in allen Lebensphasen der Anlage sowie die zu ermittelnde Risiko h he Dadurch k nnen evtl erforderliche Ma nahmen z B funktionale Schutzma nahmen mit dem Ziel einer Risikominderung abgeleitet werden Je nach H he des Risikos werden mit Hilfe der SIL Einstufung Anforderungen an die Sicherheit
31. 235 INGENIEUR GMBH Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES c i faaam Al Fachhochschule l T W S madp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Die gr ten Kosten beim Hydrid Speicher werden durch das Speichermaterial verursacht Diese Position bringt leider auch die gr ten Unsicherheiten bei der Kostenermittlung mit sich Entsprechende Lieferanten stellen aktuell wohl eher Labormengen des Materials her Die Spanne der Kosten liegt hierbei zwischen 50 kg und 100 kg Nach eigenem Bekun den w re eine Menge von 14 t sicher Anlass f r entsprechend g nstigere Konditionen Wel che Skalierungseffekte tats chlich auftreten ist aber nicht klar da die Hersteller zur Produk tion der entsprechenden Mengen erst wieder besondere Anlagen aufbauen oder in Betrieb nehmen m ssten In der Kalkulation der Tabelle 44 wurden 34 kg veranschlagt Dieser Betrag liegt deutlich ber dem Preis der Rohmaterialien auf dem Weltmarkt aber unter den bisher f r Labormengen ausgehandelten Preisen 14 3 2 Kraftwerkssystem Wie in Kapitel 12 beschrieben stellt das Kraftwerksystem vor allem in Verbindung mit dem System des Energiemanagement des Zentrums eine interessante Forschungsoption dar Nach den gemachten Ausf hrungen ist die Ausstattung eines solchen Systems nach oben hin v llig offen Zudem h ngen die Kosten nat
32. 6 66 a Advanced 5 30 8 66 42 6 System 5 30 85 3 170 6 H2 Logic DK x 00 4 12 bar 0 66 42 6 Hydrogenics CA HySTAT A 10 25 bar 10 60 CNDQ 15 bar 5 10 PERIC CA ZDQ 15 32 bar 5 300 PIEL IT Standard MP HP erg McPhy 3 8 18 bar BP 100 BP MP MP 8 Sagim FR 4 8 10 ban 0 5 10 EE A 50xx atm 50 485 9 9 PME HPE 30 bar bis 570 NO Teledyne Energy TITAN HMXT 8 10 bar 2 8 11 2 Systems US Titan EC 8 10 bar 28 56 Uralkhimmasch u HA 172 536 RU SEU 125 250 Wasserelektrolyse Hydrotechnik DE pamada 0122o 2014 02 28 Seite 94 von 235 geh ui Al Fachhochschule l x TWS madp S dwestfalen NGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences S SCHMIDT amp WILLMES i Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 In der Tabelle 6 sind als Ergebnis der durchgef hrten Marktrecherche die Hersteller kom merziell erh ltlicher alkalischer Elektrolyseure inklusive der Baureihen und Baugr en aufge f hrt Tabelle 7 macht die gleichen Angaben f r Hersteller von PEM Elektrolyseuren Tabelle 7 bersicht der Hersteller von PEM Elektrolyseuren mit Angabe von Baureihen Betriebsdr cken und Produktionsraten Hersteller Baureihe Betriebsdr cke H2 Rate Nm h AccaGen CH SPAE 0 02 1 0 GenHy 10 bar 0 1 10 CETH FR N N 50 bar OGP 207 bar 13 Giner US LPE 55 bar N N 85 bar
33. 6kW ergibt Die Rechenhilfe in 6 ermittelt f r diese Anlage einen Jahresertrag von 632 kWh kW oder 67 des optimalen Wertes Daher wird hier von einer effektiven Anlagen leistung von 11 8 kW ausgegangen 4 1 3 Flachdachanlage Mit den in Kapitel 4 1 1 und 4 1 2 beschriebenen in die Geb udeh lle des Foyers integrier ten Anlagenteilen ist eine Effektivleistung von 37 3 kW erreichbar Um die ben tigte Ge samtleistung von 90 kW erreichen zu k nnen ist auf dem Flachdach eine zus tzliche Leis tung von 52 7 kW unterzubringen Zur Auslegung der Anlage wird von einem konventionel len Aufst nderungssystem ber Kunststoffwannen ausgegangen Entsprechende Systeme bietet z B die Firma Renusol GmbH mit dem Montagesystem ConSole 7 Mit diesen tech nischen Daten l sst sich die in Abbildung 62 gezeigte Anordnung der Module realisieren Die Module werden quer auf der Wanne montiert Der Winkel der Aufst nderung liegt bei diesem System bei 25 der empfohlene Reihenabstand Vorderkannte zu Vorderkannte bei 2 4 m Abbildung 62 M gliche Anordnung der auf dem Flachdach aufgest nderten Solar module 2014 02 28 Seite 73 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Es k nnen so 210 Module untergebracht
34. Ansaug bzw Umgebungstemperatur min max 270 1 Beh ltervolumen Zul ssiger Beh lter berdruck 11 bar schallged mmte Ausf hrung gem Ma zeichnung 73 dB A Schalldruckpegel DIN EN ISO 2151 2009 Breite Tiefe H he 1700 804 1346 mm Druckluftanschluss Schlauchanschluss Au engewinde am G 1 2 R ckschlagventil Gewicht 297 0 kg Schutzart Isolierstoffklasse des Motors IP 55 F 6 3 Funktionsbeschreibung des Speichersystems In den vorstehenden Kapiteln wurden vor allem technische Aspekte der Komponenten des Gasspeichersystems beschrieben Dabei wurde mehrfach Bezug auf die Funktionalit t und die entsprechende Ablaufkontrolle genommen Im folgenden Abschnitt wird diese Funktiona lit t f r den automatisch gesteuerten Normalbetrieb beschrieben Die Beschreibung beson derer Funktionen wie sie z B in der Inbetriebnahmephase erforderlich sind erfolgt in den entsprechenden Abschnitten der als Anhang beigef gten Dokumente Abbildung 83 zeigt die zur Funktion notwendigen Bauteile des Speichersystems in schematischer Form Dabei wur den bewusst Vereinfachungen vorgenommen Zum einen wurde auf die Darstellung von ma nuell bet tigten Absperrvorrichtungen und von Sicherheitsorganen verzichtet zum anderen wird eine vereinfachte Nomenklatur zur Kennzeichnung der Bauteile verwendet Wie in Kapi tel 8 noch ausf hrlich dargelegt erfolgt die vollst ndige Kennzeichnung der Einzelkompo nenten in Anlehnung an das genormte
35. Die Abrechnung erfolgt dabei ber eine Chipkarte mit NFC Kommunikation siehe Kapitel 10 1 3 Das Regelventil GFV wird so eingestellt dass der Fluss auf das Maximum des Messbereichs von 1000 NI min begrenzt ist Der Tankvorgang wir ber ein stromlos geschlossenes Ventil GSV gestartet und been det Gleichzeitig bernimmt dieses Ventil eine Sicherheitsfunktion und unterbindet im Gefah renfall eine Wasserstoffabgabe Zus tzlich zum Wasserstoff muss f r die Betankung auch die bei Metallhydridspeichern be n tigte K hlleistung bereitgestellt werden Hierbei ist es vorgesehen eine Verbindung mit dem Solekreislauf der W rmepumpe herzustellen Dadurch ist nahezu ganzj hrig ein K hl wasserreservoir mit einer Vorlauftemperatur von 13 C und einer hohen W rmekapazit t verf gbar Zur Entkopplung der K hlwasserkreisl ufe ist ein Plattenw rme bertrager vorge sehen So kann an der bergabestation die f r die Fahrzeuge ben tigte definierte Wasser Glykol Mischung eingehalten werden Mittels eines Ultraschallflussmessers wird die Str mungsgeschwindigkeit des K hlwasserstroms aufgenommen Zeitgleich l sst sich so ber wachen ob eine K hlwasserverbindung zum Fahrzeug hergestellt ist Um eine unkontrollierte Erw rmung des Metallhydridspeichers zu vermeiden darf der eigentliche Betankungsvor gang erst gestartet werden wenn eine K hlwasserversorgung sichergestellt ist In Verbin dung mit der Temperaturmessung von K hlwasservor und
36. Elektrolyse streben Wirkungsgradsteigerungen Lebensdauersteigerungen und be triebsabh ngige Regeloptimierungen an Die PEM Elektrolyse liegt vom Entwicklungsstand noch deutlich hinter alkalischen Elektrolyseuren zur ck Daher ist diese Technologie aktuell 2014 02 28 Seite 92 von 235 INGENIEUR GMBH Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 nur von wenigen Anlagenherstellern in Leistungsklassen von bisher wenigen kW bis etwa 100 kW verf gbar Im Standby Zustand oder beim Abschalten der Wasserstoffproduktion treten im Stack und im System Effekte auf die auch aus der AEL Technologie bekannt sind e Diffusionsprozesse ber die Membran erh hen die Fremdgaskonzentration Ins besondere ist die Permeation von Wasserstoff bei h heren Temperaturen und Dr cken nicht vernachl ssigbar Allerdings kommt es parallel dazu auch zu einer schnel len Rekombination von O und H zu H O an den Elektroden e Die Rekombination f hrt zu einer Druckabnahme in den beiden Halbzellen die unter schiedlich schnell ablaufen kann unterschiedliche Diffusionsgeschwindigkeiten Va kuum und auch Druckdifferenzen k nnen mechanischen Stress vor allem an der eingebetteten Membran verursachen e Durch die fehlende W rmeentwicklung kommt es im Standby zu eine
37. Ergebnissen aus dem Projekt Energiepark Kon Werl betr gt die Korrelationsl nge bei der elektrischen Last eine Woche Dies bedeutet dass aufeinanderfolgende Wochen im Allgemeinen ein sehr hnliches Lastprofil aufweisen Die thermische Last korrelierte hingegen sehr stark im Versatz eines Tages KW 35 2008 A D 1 l H l M oT w Leistung kW Tage Abbildung 21 Abweichung bei der elektrischen Lastprognose mit Versatz um eine Woche 2014 02 28 Seite 31 von 235 i iaia AAT Fachhochschule l Hy T W S madp S dwestfalen SEE INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 KW 35 2008 ee nr J H i Hm Lu l Leistung kW Tage Abbildung 22 Abweichung bei der thermischen Lastprognose mit einem Versatz von einem Tag F r die hier vorgenommene Analyse wurden daher bei der elektrischen Leistung die Abwei chungen der aufeinanderfolgenden Wochen und bei der thermischen Leistung der aufeinan derfolgenden Tage der f r das B rogeb ude KonWerl Zentrum gemessenen Lastprofi
38. Feb 2014 5 5 Punkte der W rmeauskopplung Zur Gew hrleistung optimaler thermischer Bedingungen f r den Elektrolyseprozess besitzt das ausgew hlte System G10 ein eigenes W rmemanagement ber einen W rmetauscher wird bersch ssige W rme ber den zirkulierenden Laugenfluss abgef hrt Um kurze An fahrzeiten aus dem Standby zu erreichen kann der Elektrolyt umgekehrt auch beheizt und auf Betriebstemperatur gehalten werden Zur K hlung des Elektrolyseurs wird ein K hlmedi um bis 35 C mit einem Volumenstrom von 2 2 Nm h und einem Druck von 2 bis 5 bar be n tigt Auch die Gasreinigungsanlage DPH12 muss ber ein K hlmedium mit einer Temperatur von maximal 35 C und einem Volumenstrom von 0 6 Nm h bei einem Druck von 2 bis 5 bar zwangsgek hlt werden Die notwendigen tiefen Temperaturen von 80 C in der Kondensa torstufe der Wasserstofftrocknung erzeugt ein zus tzliches K hlaggregat Die abgef hrten W rmemengen werden wie in den Kapiteln 3 3 und 11 beschrieben ber W rmetauscher an das W rmesystem des Geb udes abgegeben Sofern die W rmebereitstellung sinnvoll ist Heizperiode wird sie ggf ber den Pufferspeicher in das Verteilsystem Heizung einge speist In der brigen Zeit wird die Prozessw rme ber das Solesystem der W rmepumpe genutzt um die Temperatur des Erdreichs anzuheben Ist dieses Reservoir ersch pft wird sie ber einen Tischk hler in die Umgebung abgegeben 5 6 Automation und Ankopplung an
39. Kleinwindanlagen zusammenge stellt wurde hat sich bei der Marktrecherche und dem anschlie enden Versuch die Anla geneignung ber den Katalog zu ermitteln gezeigt dass bestimmte Punkte nicht zu eruieren sind oder dass diese bei den Kleinstwindanlagen doch einen anderen Stellenwert haben als zun chst angenommen 2014 02 28 Seite 74 von 235 NGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences S F ui Al Fachhochschule l x TWS madp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Zu nennen sind hier insbesondere das Mastmaterial das Themenfeld Wartung und die Auf stellung Als Mastmaterial wird ausschlie lich Stahl eingesetzt Unterscheidungen sind allen falls danach m glich ob es sich um abgespannte alleinstehende oder klappbare Konstrukti onen handelt ber die anstehenden Wartungsarbeiten werden keine konkreten Angaben gemacht In der Regel werden die Anlagen als wartungsfrei bezeichnet und keine Wartungs vertr ge angeboten Die Aufstellung der Anlage kann insbesondere bei den Mikrowindanla gen als unkritisch angesehen werden Bei Gewichten von unter 1 000 kg und Masth hen von 10 bis 15 m sind diese Arbeiten kein entscheidendes Kriterium Tabelle 1 Kriterienkatalog zur Auswahl der Windkraftanlagen und Gewichtung der Punkte Kriterium Details Gewichtung Produk
40. Kommunikation Alle Ger te und Aggregate der beschriebenen Wasserstofferzeugungskette sind f r Steuer und Regelaufgaben mit eigenen intelligenten Anlagensteuerungen ausgestattet und berwa chen und regeln die spezifischen Prozessparameter in autarker Betriebsweise selbstst ndig Unzul ssige Betriebszust nde werden ber interne Sensoren erfasst und f hren zur Mel dung und ggf zur Abschaltung der Komponenten ber digitale Schnittstellen k nnen be stimmte Systemparameter wie Dr cke Temperaturen Stofffl sse und Gaskonzentration und Reinheit f r Steuer Regel oder Messwert berwachungsaufgaben an eine bergeordne te Prozesssteuerung bergeben werden Ein ferngeschaltetes und automatisiertes An und Herunterfahren der Anlage ist gew hrleistet Gerade unter Ber cksichtigung sicherheitstech nischer Aspekte ist der Wasserstofferzeugungsprozess in Notsituationen automatisiert ab schaltbar Bei den Elektrolyseuren vom Typ G10 wird die Prozessqualit t und sicherheit ber ent sprechende interne Messwertaufnehmer f r den Systemdruck in den Separatoren H gt Druck O Druck sowie der H gt Volumenstrom und die Gastemperaturen H gt O berwacht und direkt visualisiert Der Wasserstoffdruck am Ausgang wird gemessen geregelt und visualisiert Sowohl die Stack als auch die Elektrolyttemperatur werden um die 60 C gehalten und eben falls visualisiert Alle Parameter Dr cke Temperaturen Gasmengen sowie Statusmeldungen Ein A
41. Kommunikationsschema im Anhang Wie eingangs des Kapitels dargelegt gibt es neben der Verwendung betriebsbereiter Brenn stoffzellensysteme die Option einer angepassten Eigenentwicklung die auch einen gezielten Aufbau von eigenem Knowhow mit sich bringt Um dabei den technischen Betrieb des Ener giezentrums der ja f r den Erkenntnisgewinn in anderen Themenfelder unerl sslich ist m g lichst kurzfristig realisieren und auch sichern zu k nnen sollte ein gemischter Aufbau aus kommerziellen und eigenen Entwicklungen realisiert werden Neben der Fachhochschule S dwestfalen hat insbesondere die Firma Schunk Bahn und Industrietechnik GmbH als po tentieller Projektpartner Interesse daran Brennstoffzellensysteme auf Basis der eigenen Stacks aufzubauen um so das Produktportfolio abzurunden Aktuell bietet Schunk nur die Stacks an sich an Die maximale Nennleistung liegt dabei bei 1 440 W Da die Leistung von 2014 02 28 Seite 142 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 1 4 kW f r viele Anwendungen so auch f r das Energiezentrum relativ gering ist sollen gr ere Einheiten in Modulbauweise erstellt werden Das hei t dass z B vier Module mit je einem Stack dieser Leistung eine Gesamtleistung von 5 7 kW be
42. Kraftwerkkennzeichnungssystem der Energieversor ger Die erm glicht zwar eine eindeutige und flexible Kennzeichnung der Komponenten f hrt aber auch zu langen und nicht immer gut lesbaren Namen Die in der Abbildung 83 verwen deten Bezeichnungen sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt 2014 02 28 Seite 126 von 235 tws u INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Fachhochschule mel S dwestfalen Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences B Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Tabelle 17 Zusammenstellung der in Abbildung 83 verwendeten Bezeichnungen K rzel Bedeutung Funktion PC Pressure Controller Druckregler FC Flow Controller Flussregelung und Flussmessung FM Flow Meter Flussmessung ohne Regelung Pn Drucksensor Niederdruck Elektronische Druckmessung zur Steuerung Pu Drucksensor Hochdruck Elektronische Druckmessung zur Steuerung PD Druckmessung Druckmessung zur F llstandskontrolle TD Temperaturmessung Temperaturmessung zur F llstandskontrolle VS Shut Off Ventile Abschaltventil schlie t ohne Ansteuerung NC RV R ckschlagventile R ckflussverhinderung Verdichter 15m h Kontroll gr en max 13m h 32m bei P PD5 AP 20bar T TD5 P PDA T T04 I I 1 1 I I I I i Pgrenz 32bar Pin 7bar l vs6 l Ora I RV10 1 1 l l 1
43. Mindestma an Vergleichbarkeit 4 Kostenangaben Auch in diesem Bereich unterscheiden sich die Herstellerangaben in Bezug auf den enthaltenen Leistungsumfang sehr stark W hrend der eine Hersteller alle Posten in klusive Statik Transport und Aufstellung in die Kostenermittlung aufnimmt sind bei anderen Herstellern hierzu keine Angaben zu bekommen Teilweise wurde geradezu darauf Wert gelegt dass sich die Anlage mit handwerklichen Mitteln in Eigenarbeit erstellen l sst Auf Basis der gemachten Anmerkungen wurden einige Anlagen ausgew hlt und miteinander verglichen Das Ergebnis ist in Tabelle 2 zusammengestellt Die Vorauswahl der Anlagen orientierte sich dabei in erster Linie an der Leistung der Reaktion entsprechender Lieferan ten und der vermuteten Akzeptanz am Standort Insbesondere der letzte Punkt spricht eher f r eine unkonventionelle Vertikalwindanlage Da die Anlage wie bereits eingangs des Kapi tels 4 erw hnt unabh ngig von der Bauart und den Details der Technik keinen entscheiden den Beitrag zur Energieversorgung des Geb udes leisten kann sind vor allem gestalterische Aspekte ausschlaggebend Obwohl der wesentliche Teil der f r das Energiezentrum ben tig ten Energie ber konventionelle Windkraft bereitgestellt wird sollte dennoch zumindest eine Kleinwindanlage in unmittelbarem Bezug zum Zentrum realisiert werden Sie dient zum einen dazu entsprechende Erfahrungswerte mit wissenschaftlicher Genauigkeit zu sammeln und zu
44. Netz bertragen Somit steht im Winter mehr Energie in Form von Wasserstoff zur Verf gung Dies f hrt zu einem geringeren Energiebezug im Winter Wie in Abbildung 32 zu sehen ist wurde die Netzbelas tung in Bezugsrichtung auf weniger als 10 kW begrenzt Bei der Netz Einspeisung sind es sogar weniger als 5 kW Das entwickelte Management mit variablen SoC Grenzen verhindert damit das Auftreten der kritischen Speicherf llst nde und sorgt daf r dass die bertragene Leistung ber den Netzknoten vorhersagbar ist und Spitzen stark reduziert werden vergl Abbildung 27 Interessant ist auch die Frage welchen Einfluss das Speichermanagement auf den Energie austausch mit dem Versorgungsnetz hat Dazu wurden die innerhalb der 4 simulierten Jahre in das Netz bertragenen Energiemengen im freien Betrieb und mit einem gezielten Spei chermanagement verglichen Ohne Management wurden im 4 Jahreszeitraum 18 000 kWh in das Versorgungsnetz bertragen und 10 000 kWh aus dem Netz bezogen Mit Manage ment wurden rund 22 000 kWh in das Versorgungsnetz bertragen und 30 000 kWh bezo gen Beim Vergleich der Zahlen ist nat rlich zu betrachten dass der Speicher ohne Ma nagement am Ende des Untersuchungszeitraums v llig leer war wohingegen mit Manage ment ein F llstand von 40 zu verzeichnen ist was 14 400 kWh entspricht Auch ist mit ein zurechnen dass die Grenzwertvorgaben im Prinzip das effektiv zur Verf gung stehende Speichervolumen begrenzen Der
45. R cklauf ist es so auch m glich die anfallende W rmemenge zu erfassen Sofern die Kupplungen zum Fahrzeug selbst absperrend ausgef hrt werden sind hier keine weiteren Ventile erforderlich Die Verbindung zwischen bergabestation und Fahrzeug ist vergleichbar mit traditionellen Tankstellen Jedoch m ssen insgesamt drei Leitungen verbunden werden die Gasleitung der K hlwasservorlauf und der K hlwasserr cklauf Die jeweiligen Verbindungen stellen je weils einrastende Kupplungen her Eine geeignete Kupplung zur Verbindung der Gaskreis l ufe muss mehrere Anforderungen erf llen Mit Hinblick auf die Ex Schutzbestimmungen ist es von gro er Bedeutung dass ein Austreten des Wasserstoffs beim Ein und Auskuppeln verhindert wird F r die Zuverl ssigkeit des Wasserstoffspeichers der Fahrzeuge ist es wei terhin von gro er Bedeutung dass kein Fremdgaseintritt durch Totr ume oder Leckagen erfolgt Die Firma St ubli bietet hier beispielsweise verschiedene Kupplungen an welche diese Anforderungen vollst ndig erf llen Die Clean Break Technologie der Firma St ubli verhindert zum einen den Eintritt von Luft oder Schmutzpartikeln in die Kreisl ufe und zum anderen verhindert sie eine m gliche Leckage beim Entkupplungsvorgang Auch die Kupp lungen f r den K hlwasserkreislauf sollten m glichst einen Austritt von K hlfl ssigkeit aus 2014 02 28 Seite 177 von 235 INGENIEUR GMBH Concepes based on sl sahions University of Applied Sciences B
46. S dwestfalen University of Applied Sciences mip Concepts based on solid solutions tws Ei SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Das Energiezentrum in Kurzform Standort Werkstra e 59494 Soest n rdlicher Ausgang des Bahnhofs in unmittelbarer N he der Park amp Ride Pl tze Bauweise Modulbauweise mit freitragenden Decken zentraler von allen Seiten einsehbarer Raum f r die Unterbringung der Technik Kenngr en Bemerkungen Geb udefl che 2 900 m 1 700 m Nutzfl che Elektrischer Bedarf 42 kWh m a Thermischer Bedarf 46 kWh m a Haustechnik kombiniert drei Erd W rmepumpe Heizungsanlage 120 kW AOkW thermisch Regenerative Erzeu gung Anteil einer Gro windanlage z B 5 Windenergie 120 kW einer 2 5 MW Anlage Kombiniert aus drei Teilanlagen Fas eglavoll ik SER sade Vordach und Flachdach Kleinwindanlage 5 KW Vertikall ufer mit geschwungener Blatt geometrie Kurzzeitspeicher Batterie 88 kWh Leistung ca 70 kW Langzeitspeicher Wasserstofferzeugung 70 kWh Kombiniert zwei Elektrolyseure 35 kW Kombiniert eine Brennstoffzelle mit R ckverstromun 16 kW ION g ein Brennstoffzellenmodul mit 4 x 1 5 kW Massor DIUERSPEF lagin drei Tanks mit je 95 m bei 45 bar cherung Wasserstoff Hydridspei 3 Forschungsoption Speichermaterial 2 500 m cherung 14 t mit externem
47. Sonnenbahndiagramm f r Soest im Jahresverlauf uesseseeeeeeeeeenn 17 Vergleich der Solarstrahlung auf eine horizontale und eine um 30 geneigte nach S den ausgerichtete Fl che 4444444444RRR nn 18 Modellstruktur Brennstoffzelle u444444nnHnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 19 U I Modell Brennstoffzelle 424444440044HHHnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 20 Spannungs und Leistungskennlinien eines BZ Stacks n 20 Empirisches Brennstoffzellenmodell 44444444400Rnn nn 21 Modell f r thermischen Speicher und W rmepumpe uunsnssseennnnnnnennn 23 Struktur des implementierten Systemsimulationsmodells 23 Leistungsdauerlinien f r eine Beispielkonfiguration n 24 Leistungserzeugung und Lastbedarf von 2007 bis 2010 25 Tagescharakteristik von Leistungsbedarf und Energiebereitstellung 26 Algorithmus zum Bestimmen einer optimalen Erzeugung basierend auf PV und Windkrall ana an E A E EEEE 27 Iterationsergebnisse bei einer Variation des Leistungsverh ltnisses von WKA und PV Anlagen sseeesseseseerneeesseeeerrrrrrrsserrrnrrrnnrrsserrnnrrnnneeeet 28 Analyse Elektrolyseur Leistung sssssssesnessseseerrrrresserrnrrrnnrrssrrrnnrnnnneseee 29 Bewertung H2 Speicherkapazit t uunnnsnnnnnnnnnnnnunnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 30 Abweichung bei de
48. Thermomanagement Mobiler Bereich Wasserstoff Hybrid 3 f nf Fahrzeuge mit je 5 000 km Fahr 2 500 m a Fahrzeuge leistung pro Jahr 2014 02 28 Seite 7 von 235 INGENIEUR GMBH Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 1 Projektmanagement TWS Koordinierung und Federf hrung alle weiteren Partner Wesentlicher Baustein des formalen wie inhaltlichen Projektmanagements waren die lang fristig festgelegten regelm igen Treffen aller Beteiligten Wegen der Komplexit t und der unterschiedlichen Themenfelder war im Projekt nicht nur ein formales Projektmanagement d h die Festlegung und Verfolgung von Terminen erforderlich Ein wesentlicher Part des Projektmanagements bezog sich auch auf inhaltliche Aspekte Zu nennen sind hier z B die Detailausrichtung von Arbeitspaketen die Abstimmung der Schnittstellen Korrekturen bei berschneidungen sowie die Entscheidungsfindung bei unterschiedlichen L sungsans tzen insbesondere zum Energie und Wasserstoffmanagement Hierzu waren auch die Teilnahme an bzw die Organisation von Gespr chen mit den Herstellern dem Architekten und der Wirtschaft amp Marketing Soest GmbH WMS Wirtschaftsf rderung der Stadt Soest erforder lich Auf die Erfahrungen mit der Arbeitsteilung und der gew hlten
49. University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 2 6 Auslegung des Kurzzeitspeichers Batterie Die urspr ngliche Hauptaufgabe der Batterie bestand darin kurz zyklische Schwankungen von Erzeugung und Verbrauch innerhalb von 15 Minuten auszugleichen Die Dimensionie rung einer LiFePo Batterie welche im Vergleich zur konventionellen Blei S ure Batterie auf grund ihrer l ngeren Lebensdauer bei tiefer Entladung Depth of Dicharge DoD einen Kos tenvorteil sowie Vorteile beim ben tigten Aufstellraum bietet basiert nicht nur auf dem Energieinhalt sondern ist auch abh ngig von der maximalen Lade bzw Entladeleistung Um eine m glichst lange Lebensdauer zu erreichen d rfen LiFePo Batterien nur mit bis zu 1C entladen und mit 1C geladen werden Der Wert 1C gibt dabei den Strom in Bezug auf die Speicherkapazit t in Amp restunden an F r eine Zelle mit 10 Ah entspricht ein Ladestrom von 5 A daher einer Ladung mit 0 5C Daher ergibt sich aus der maximalen Differenzleistung die beim Energiezentrum auftreten kann eine Worst Case Dimensionierung der Batterie Zur Dimensionierung der maximalen Lade und Entladeleistung der Batterie und somit auch zur Dimensionierung des Inverters vor der Batterie reichen die bisher verwendeten Messdaten aus dem KonWerl nicht aus Die 15 min Mittelwerte geben keinerlei Auskunft ber die tat s chlichen Spitzen Leistungen innerhalb
50. Wie bereits erw hnt sind die weiteren Kennzeichnungsbuchstaben und ihre Zuordnung im Anhang zum Bericht zu finden 8 2 Einbindung der Komponenten in den Gesamtprozess Die Subsysteme und Prozesse des Energiezentrums ben tigen sowohl lokale als auch ber geordnete Automatisierungssteuerungen welche die entwickelten Energiemanagement Algorithmen mit den jeweiligen Hardwarekomponenten verkn pfen Au erdem m ssen die Einzelkomponenten zu einem Gesamtsystem zusammengefasst und in ein bergeordnetes Management integriert werden F r die Realisierung und Integration wird auf eine hierarchi sche Automatisierungsstruktur zur ckgegriffen siehe Abbildung 102 Industrie Computer mit echtzeitf higer Industrie Computer Steuerungssoftware mit Geb udeleittechnik Management Ebene Automatisierungs Ebene j 090 er Abbildung 102 Prinzip der Automatisierungsstruktur Diese Struktur besteht aus drei verschiedenen Ebenen und hat die Herausforderung ver schiedene Ger tetopologien unabh ngig vom jeweiligen Hersteller zu integrieren und die entwickelten Betriebsm glichkeiten in Form von Algorithmen zu hinterlegen e Die Feldebene beinhaltet verschiedene Sensoren z B Druck und Temperatur und Aktoren z B Relais Motore steuerbare Ventile welche in direkter Interaktion mit dem zu steuernden Prozess stehen Diese Sensoren und Aktoren sind direkt mit den Ein und Ausg ngen einer Steuerung f r Automatisierungsaufgaben verbu
51. basiert nicht auf dem Uhnterbrin gen der kompletten Funktionalit t in jedem Modul Ein Einzelmodul ist minimal aufgebaut und umfasst nur die wichtigsten Komponenten die nicht ber eine Zentraleinheit bernom men werden k nnen Die Zentraleinheit der Modulrahmen ist in diesem Fall das wichtigste Systemelement Die Versorgung mit Luft Wasserstoff und K hlmedium wird hier bereitge stellt In den einzelnen Stackmodulen befindet sich eine Elektronik die daf r sorgt dass der Stack unter den aktuellen Betriebsbedingungen optimal versorgt wird Das geschieht z B ber entsprechende Regelventile im Moduleingang Diese Stackmodule k nnen nur als Sla ve fungieren Die Kommunikation nach au en die Leistungsaufteilung und die generelle Regelung der Betriebsparameter der einzelnen Module werden von der Zentraleinheit ber nommen Da die Anzahl der Module die in einer solchen Zentraleinheit zusammengefasst werden kann allein durch die Bereitstellung der Medien begrenzt sein wird nimmt auch die Komplexit t der Steuerung ab Je nach Spanne in der Modulanzahl bleibt aber zu ber ck sichtigen dass bei dieser L sung die Systemeffizienz bei kleinen Leistungen ein Modul in einer gro en Zentraleinheit relativ gering sein wird wohingegen die spezifische Kosten eher hoch ausfallen Mit dem Einsatz kommerziell verf gbarer Systeme zur R ckverstromung des gespeicherten Wasserstoffs w re sicherlich ein verl sslicher Betrieb des Versorgungssystems
52. ca 7 vom gereinigten H2 Wird der Stickstoff vor Ort mit einer PSA Pressure Swing Adsorption Anlage erzeugt siehe Kapitel 5 3 2 so betr gt der gesamte spez Stromverbrauch f r Heizung und N Erzeugung deutlich weniger als 0 1 KWh Nm gereinigtem H 2014 02 28 Seite 103 von 235 Fachhochschule S dwestfalen INGENIEUR GMBH University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES rg u Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 A Abbildung 72 Vorderseite links und R ckseite rechts der Gasreinigung DPH12 bei Fa Wieland Pforzheim Die Abbildung 72 zeigt eine in der industriellen Metallproduktion f r die Reinigung von vor Ort erzeugtem Wasserstoff installierte Gasreinigungsanlage DPH12 Der an der linken Seite installierte Metallzylinder beherbergt das ausheizbare Aktivkohlefiltersystem Im hexagonalen Metallzylinder ist eine K hlfalle zur weiteren Restfeuchteminimierung installiert Die Anlagen steuerung mit Mess und Regeltechnik ist im Schaltschrank an der rechten Seite des Sys temracks untergebracht Wichtige Betriebsparameter des gereinigten Wasserstoffs wie Rest feuchte und Sauerstoffgehalt werden kontinuierlich berwacht und per Datenverbindung an ein bergeordnetes Auswertesystem bermittelt Sicherheitsrelevante Betriebsparameter werden in kurzen Intervallen ermittelt und f hren im Notfall zur schnellen Abschaltung des Systems Auf der R ckseite der ge
53. der 15 Minutenintervalle Daher sind Messwerte mit einer kurzzyklischeren Erfassung notwendig Hierzu wurde die bereits vorhandene Infra struktur im KonWerl genutzt Obwohl im KonWerl industrielle Energiez hler mit Bus Anbindung eingebaut sind welche ber eine SPS ausgelesen werden k nnen konnte dieser Zugang aufgrund von fehlenden Lizenzen nicht genutzt werden Zur Anzeige der aktuellen Aufnahmeleistung des Geb udes sowie der aktuellen erzeugten Leistung der auf dem Dach vorhandenen PV Anlage mussten daher die Impulsausg nge der Z hler verwendet werden 40 Geb ude _ 80 N me PV System gt I x I 2 20 H 2 R7 o 0 f 0O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Zeit h Abbildung 36 Tagescharakteristik von Energieerzeugung und Verbrauch im Kon Werl in Minuten Aufl sung f r den 27 09 2013 Um diese auszulesen wurde von der Fachhochschule S dwestfalen eine Hardwareplattform entwickelt welche die Impulse ber eine Minute mittelt und an einen PC bertr gt Um den Aufwand m glichst gering zu halten wurde ein Evaluationsboard von Digilent verwendet Die ausgegebenen Impulse der Z hler werden eine Minute lang von einem auf dem Evaluations board integrierten FPGA Field Programmable Gate Array gez hlt und daraufhin ber eine USB
54. der Hochdruckseite sind die drei Hauptspeicher mit je 95 m Volumen der optionale Hydrid Speicher sowie ber die R ckflusssperre RV10 der Pufferspeicher angeschlossen Sollte der ber P42 erfasste Druck im Pufferspeicher kleiner als 45 bar sein bleiben die Ven tile zu den Hauptspeichern geschlossen Der Verdichter f llt dann zun chst den Pufferspei cher Ziel ist es diesen m glichst zu jedem Zeitpunkt bei 45 bar zu halten Eine R ckstr mung in das meist auf niedrigerem Druckniveau befindliche Hauptspeichersystem wird durch RV10 verhindert Damit kann der Pufferspeicher das Gas nur an die beiden Verbraucher Labor Hochdruck und an die Tankstelle und damit im Normalfall an kleine Hydrid Speicher abgeben Da diese Speicher zu Beginn der Bef llung einen sehr hohen Fluss von mehr als 1 000 l min verursachen k nnen erfolgt die Abgabe ber die Flussregler FC4 bzw FC5 Mit diesen ist es zum einen m glich den Fluss gezielt zu begrenzen zum anderen k nnen aber auch z B fahrzeugspezifische Flussprofile eingestellt werden falls sich dies im Betrieb als sinnvoll erweist Gleichzeitig erfassen die Flussregler auch die Gasmenge so dass eine Bi lanzierung und damit eine Abrechnung der Gasmengen m glich ist Aus dem Mindestdruck von 25 bar folgt ein AP von 20 bar 45 bar 25 bar Damit stehen bei einem geometrischen Volumen von 1 6 m 32 Nm Gas zur Verf gung Bei den aktuellen Tankgr en der Fahr zeuge von 10 12 Nm H k nnen also bis zu d
55. dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Datenerfassung Heizkreislauf 15min Mittelwerte Z hler m w v v z9 s z2 s Ip 2 Io 5 8 u 24 2 a 3 3 G T Q 25 Q a z P P 0a m fr D Oo ke y S Q 4 v 2a a IRI as g vA N i D Di 8 9 2 3 3 2 m gt v o r zZ sa T 3 g Z 2 D 230 2 EJ 7 2 3 3 N m 8 a 2 7 7 3 3 E v T D gt PA o S r A a o S Z v D a fM 8 r F S z N D o C X O es 7 S s ea 3 lt w ei 5 D 2 O Fag ca 5 En 5 u w JZ d x ui 3 Z Z Abbildung 112 Z hlersystem zur Erfassung der Heizw rme Datenerfassung Sole K hlkreislauf 15min Mittelwerte Z hler gWIXZ Jayplads ayynd MAO06 S3ejuezisH sdwundswien M08 Jawwos w Zunjynyapnegas MAGT Jeyslads naziye Sunjyny ajjaIsJueL Abbildung 113 Z hlersystem zur Erfassung des W rmetransfers mit der Sole 2014 02 28 Seite 166 von 235 INGENIEUR GMBH Gimp a an University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Insgesamt ergeben sich so 24 Z hlpunkte f r das Gesamtsystem Die Z hler sind so mit einem Busanschluss auszur sten da
56. e Katastrophal Tod oder dauerhaft k rperliche Sch digung oder Krankheit berufsunf hig e Schwerwiegend stark beeintr chtigende Verletzung oder Krankheit ab einem gewissen Zeitpunkt wieder arbeitsf hig 2014 02 28 Seite 204 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 e Mittelm ig erhebliche Verletzung oder Krankheit die mehr als nur Erste Hilfe erfordert es kann an denselben Arbeitsplatz zur ckgekehrt werden e geringf gig keine Verletzung oder leichte Verletzung die nicht mehr als Erste Hilfe erfordert we nig oder keine verlorene Arbeitszeit Die Einsch tzung des Ausma es konzentriert sich in der Regel auf den schlimmsten bzw schwerwiegendsten Schaden der wirklichkeitsnah auftreten kann schlimmste wahrscheinli che Schadensauswirkung anstatt auf die schlimmste vorstellbare Auswirkung Eintrittswahrscheinlichkeit des Schadens Die Eintrittswahrscheinlichkeit des Schadens sollte f r jede Gef hrdung oder Gef hrdungssi tuation eingesch tzt werden Bei der oft subjektiven Einsch tzung der Eintrittswahrschein lichkeit eines Schadens sind eine Reihe von Faktoren zu ber cksichtigen siehe ISO 12100 2010 5 5 2 3 wie z B e H ufigkeit und Dauer der Gef hrdungsexposition e Anzah
57. eine beliebige Kombination von Ger ten Software und Systemen kein Problem darstellt Bei einer Detailbetrachtung fallen dann aber doch erhebliche Unterschiede z B bei der Transparenz bez glich Treibern und bei der Software zur Konfiguration von Bausteinen auf Dar ber hinaus kommt es bei einigen Anbietern wie die praktischen Erfahrungen belegen bei einer Kombination von Haussteuerung GLT und Industrieautomation zu erheblichen Problemen obwohl auf bei den Seiten die gleiche Hardware aus eigenem Haus eingesetzt wird Auf der Basis der Re cherchen praktischen Erfahrungen und der gegebenen Anforderungen werden f r die Um setzung und Integration der einzelnen Hardwarekomponenten die verschiedenen Automati sierungsl sungen der Beckhoff Unternehmensgruppe als optimal angesehen Ausschlagge bend sind die universellen branchenunabh ngigen und offenen Steuerungs und Automati sierungsl sungen die weltweit in den verschiedensten Anwendungen zum Einsatz kommen Ein weiterer wesentlicher Punkt ist der transparente und sichere bergang zwischen Kom ponenten zum Geb udemanagement und solchen zur Industrieautomation Essentiell ist allerdings die M glichkeit die Automation direkt an h here Softwaresysteme anzubinden was f r das Energiemanagement wichtig ist siehe Kapitel 9 Beckhoff ersetzt dabei die klassischen Speicherprogrammierbaren Steuerungen SPS durch PC basierte Steuerungs technik den sogenannten Industrie und Embedded PCs we
58. f r verschiedene Jahres und Uhrzeiten berechnet Wie diese Analysen belegt haben ergibt sich trotz der um 22 nach Westen gedrehten Hypotenuse des Dachdreiecks bei niedrigem Sonnenstand im Winter keine Verschattung Hier ist der der von der Sonnenbahn berstrichene Azimutwinkel so begrenzt dass das Geb ude keinen Schatten wirft vergleiche auch Abbildung 5 Kapitel 2 1 Zirka ab M rz geht die Sonne dann umgangssprachlich gesprochen aus der S dansicht hinter dem Geb ude auf Damit wirft die vordere Kannte des Flachdachs einen Schatten auf das tiefer gelegene Dach des Foyers In den Abendstunden entsteht der Schatten durch den kurzen Schenkel des L f rmigen Geb udes Gut zu erkennen ist die jeweilige Situation f r den Sonnenaufgang in Abbildung 59 und f r den Sonnenuntergang in Abbildung 60 In Ab bildung 59 ist deutlich die komplexe Schattenlinie zu sehen die sich durch die Konturen des Geb udes ausbildet Den daraus resultierenden Leistungseinbu en ist mit schaltungstechni schen Mitteln kaum zu begegnen Es ist bei der konkreten Auslegung der Anlage daher da rauf zu achten dass kleinere Einheiten gebildet werden um einen vollst ndigen Ausfall gr Berer Generatorteile Strings zu umgehen 2014 02 28 Seite 70 von 235 S dwestfalen University of Applied Sciences Fachhochschule B Fws e SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Abbildu
59. gegen ber Dritten wurde abh ngig von der Themenstellung in unter schiedlicher Zusammensetzung zwischen den genannten Verantwortlichen organisiert 1 2 Inhaltliche Aspekte Die mit der Antragstellung vorgenommene Aufteilung der Arbeiten in zw lf Pakete hat sich inhaltlich weitgehend best tigt Die weitere Untergliederung der Pakete in jeweils bis zu f nf Teilpakete jedoch nicht Diese Feingliederung war zwar als inhaltlicher Leitfaden in Ordnung allerdings kam es hier gegen ber der Planung zu teilweise deutlichen Verschiebungen bei den einzusetzenden Ressourcen Zu nennen sind auch die umfangreichen Arbeiten zu Planskizzen Prinzipbildern und zur eindeutigen Kennzeichnung der einzelnen Elemente Zusammen mit der notwendigen Versionierung w re es allein vom Arbeitsumfang her sinn voll gewesen diese Arbeiten in ein eigenes Arbeitspaket auszulagern In der vorgegebenen Struktur mussten diese Aspekte jeweils einem Paket zugeordnet werden Da die Arbeitspa kete nach inhaltlichen Aspekten festgelegt wurden unterscheiden sich Komplexit t und Ar beitsaufwand teilweise erheblich So handelte es sich z B bei den Paketen 10 Wasserstoff abgabe an den mobilen Bereich 4 Energieerzeugung und 7 R ckverstromung um Arbeiten mit einer kompakten Aufgabenstellung und gut zu definierenden Schnittstellen zum Umfeld w hrend die Pakete 2 Berechnungsmodell 9 Energiemanagement und 8 Prozessanbindung insgesamt ein sehr komplexes Themenfeld mit vielen Querverbindu
60. gr eren Teillast bereich Die untere Grenze ergibt sich wie bei der AEL aus der tolerierbaren Grenze der Gasreinheit am Ausgang der Elektrolysezelle und sofern der produzierte Wasserstoff ener getisch genutzt wird dem elektrischen Eigenverbrauch der Systemkomponenten Auf Zell bzw Stack Ebene wird h ufig der untere Teillastbereich mit 0 spezifiziert d h die Fremd gaskonzentration erreicht auch bei minimaler Teillast keine kritischen Werte In energietech nischen Anwendungen wird durch den Eigenverbrauch der Peripherie die untere Grenze auf ca 5 der nominellen Leistung abgesch tzt Dar ber hinaus tolerieren PEM Elektrolyseure ebenfalls kurzzeitige berlasten Wie in einer AEL Zelle kommt es jedoch in einer PEMEL Zelle zu Diffusionsvorg ngen ber die Membran Unabh ngig von der Stromdichte ist die Durchdringung Permeation von H2 zur Anode und O zur Kathode eine Funktion der Partialdruckdifferenzen und der Tempera tur Wird die Stromdichte herabgesetzt entsteht nach den Faraday schen Gesetzen weniger Wasserstoff Die Diffusionsrate ndert sich jedoch nicht wodurch die Fremdgaskonzentrati on in der Halbzelle ansteigt Die H gt Permeationsrate in einer typischen PEMEL steigt linear mit dem Druck so dass bei 200 bar der H Verlust schon einer H gt Stromdichte von 0 4 A cm entspricht Die Sauerstoff Permeation ist erheblich geringer Die Permeation von Fremdga sen wird auch durch das Zelldesign beeinflusst Bei zu gro em m
61. hohen Besucheraufkom men zu jeder Tageszeit f hrt Au erdem ragen Wohn und Gewerbebebauung bis in das Untersuchungsgebiet hinein Dadurch werden scheuere Arten aus dem Areal vertrieben Insgesamt ist das Gebiet als ausgesprochen urban gepr gt anzusehen mit der daf r typi schen Artenzusammensetzung und geringer Artendiversit t Dem Bauvorhaben steht der Artenschutz demnach nicht entgegen Nach den geltenden Emissionsschutzverordnungen m ssen WEA bestimmten Kriterien hinsichtlich der Schall und Schattenbelastungen gen gen Entsprechende Gutachten wur den erstellt und belegen dass nicht mit einer Belastung oberhalb der gesetzlichen Be schr nkungen gerechnet werden muss Tabelle 3 zeigt die Schalldruckpegel f r die 27 un tersuchten Immissionspunkte in der direkten Umgebung zu den Standorten Tabelle 3 Ergebnisse der Schallanalysen im Umfeld der Anlagenstandorte IP Bezeichnung Richtwert Schall Sicherheitsreserve dB A druckpegel zum Richtwert GB dB A dB A IP 01 Ampen Ruhrstra e 45 0 38 6 5 IP 02 Ampen Wasserweg 45 0 38 3 6 7 IP 03 Ampen M hnestra e 45 0 38 0 7 0 IP 04 Ampen Wasserweg 45 0 39 4 5 6 IP 05 Ampen Ahneweg 45 0 38 1 6 9 IP 06 Ampen Ampener Weg 45 0 39 5 5 5 IP 07 Soest Schloitweg 50 0 37 1 12 9 IP 08 Soest Meiningser Weg 87 50 0 38 3 11 7 IP 09 Soest Hans Kaiser Weg 45 0 33 5 11 5 IP 10 Soest Hans Kaiser Weg 45 0 32 9 12 1
62. l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Einschaltdauer des Elektrolyseurs und der Brennstoffzelle realisiert werden Die Einschalt schwelle des Elektrolyseurs mit rund 15 kW sorgt daf r dass die Batterie im Allgemeinen h ufiger entleert wird Die Brennstoffzelle hat eine Einschaltschwelle von 2 kW welches die Batterie nur langsam f llt Daher kann die Brennstoffzelle l nger am St ck eingeschaltet bleiben als der Elektrolyseur Deswegen ist auch bei diesem Ansatz der Elektrolyseur die bestimmende Komponente an der sich die Optimierung orientieren muss Zur Optimierung wurde das Systemmodell mit integrierter Batterie mit verschiedenen Batteriekapazit ten si muliert Die Batteriekapazit t wurde in jeder Simulation um 10 kWh erh ht und anhand der erreichten F llst nde bewertet Abbildung 37 zeigt die F llstands Dauerlinie f r die 25 ver schiedenen simulierten Batteriekapazit ten Rechts in Abbildung 37 sind die in Kapitel 2 4 beschriebenen Grenzbereiche des Batteriemanagers ber farbige Markierungen veran schaulicht Aus bersichtsgr nden wird in den Abbildungen auf eine Legende verzichtet Eine genauere Betrachtung folgt im weiteren Verlauf des Berichtes SoC 0 l l l l l l l O 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 H ufigkeit Abbildung 37 SoC Dauerlinie sortiert nach dem SoC mit Markierung der Grenzbe reiche des Managers v
63. l T W S mdp S dwestfalen Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences S Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 dichterw rme und zur Einbindung des Hydrid Speichers sowie Vor und R cklauf des Sole kreislaufs ber den die bei der Betankung anfallende W rme abgef hrt wird Die Tankstelle wird in Form einer berdachten Fl che Carport in der N he des Gaslagers untergebracht Daher erfolgt die Anbindung der Wasserstoffversorgung an den Puffertank direkt aus dem Gaslager heraus Auch die Verbindung des Vorspeichers mit der R ckverstromung und dem Laborbereich erfolgt auf direktem Weg im Geb ude Damit sind im Mantelrohr sieben Rohr leitungen unterzubringen Die elektrische Energieversorgung sowie die Leitungen f r Kom munikation und Steuerung k nnen aus Sicherheitsgr nden nicht im Mantelrohr verlegt wer den Diese sollen in einem Kabelkanal unter dem Geb ude in einer direkten Verbindung zwi schen Technikraum und Gaslager gef hrt werden Wasserstoff 12 bar Elektrolyseur Labor 45bar Druckluft gt 6 bar eicher Hydrid Speicher x N Verdichter Geb ude Stromversorgung Kommunikation Steuerung l Labor 12bar Wasserstoff 45 bar Wasserstoff 45 bar Tankstelle K hlung Abbildung 82 schematische Darstellung der Verrohrung zwischen Gaslager und Geb ude An vielen Stellen m ssen aus Siche
64. lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 7 R ckverstromung Brennstoffzellen FH SWF Marktanalysen Auswahl m gl Komponenten Brennstoffzellensysteme module TWS Modul und Systemdesign Gespr che mit m gl Partnern ISW W rmeeinbindung Im S dwestf lischen Energiezentrum soll die R ckverstromung des durch den Elektrolyseur erzeugten Wasserstoffs ber Brennstoffzellen erfolgen Dieses Brennstoffzellensystem hat nicht die Aufgabe hohe Leistungsspitzen abzudecken Diese werden von einem Batteriezwi schenspeicher abgedeckt Anhand des in Kapitel 2 2 beschriebenen Berechnungs und Aus legungswerkzeuges konnten die Leistungsanforderungen an das Brennstoffzellensystem in Form der Grundlast und des mittleren Verbrauchs ermittelt werden Demnach muss das Sys tem eine Last von ca 16 20 kW abdecken k nnen Wegen der vergleichsweise niedrigen Betriebstemperaturen die eine einfache Einkopplung der Verlustw rme ins Heizungssystem des Energiezentrums erlauben wurden im Rahmen des Projektes vorrangig Polymer Elektrolyt Brennstoffzellen PEM BZ im Hinblick auf ihre Eignung untersucht Essentiell f r den Betrieb des Brennstoffzellensystems bzw der R ckverstromung von Was serstoff ist die Zuverl ssigkeit und damit die Verf gbarkeit w hrend des Betriebs Es ist wich tig dass das eingesetzte System zu jedem Zeitpunkt angesprochen werden kann und der vom Energiemanagement bestimmten Leistungsanforderung folgt Deshalb ist es
65. r eine konventionelle Geb udeversor gung nicht erforderlich w ren sind nach den Vorgaben der DIN den einzelnen Gruppen zu zuordnen Demnach geh rt zum Beispiel das Fundament der Drucktanks zur Gruppe 300 der Drucktank selbst aber zur Gruppe 400 Auf Wunsch des potentiellen Bauherrn Wirt schaft und Marketing Soest GmbH wurde bei der hier vorgelegten Zusammenstellung der Kostensch tzung von dieser Struktur abgewichen Die Kosten f r den konventionellen Ge b udebereich wurden gem DIN 276 gesch tzt und alle Kosten f r die besondere techni sche Ausstattung in einer eigenen Zusammenstellung erfasst Das Ergebnis dieser Kostensch tzung ist in Abbildung 132 dargestellt Das Zahlenwerk ba siert auf den Angaben die der Architekt mit Bezug auf die in Kapitel 3 2 gezeigten Entw rfe gemacht hat den Angaben der Firma ISW zur konventionellen Geb udeausr stung den Angaben von ISW zur besonderen technischen Ausstattung und den von FH SWF und TWS ermittelten Kosten f r die einzelnen technischen Komponenten Alle Angaben sind ohne Mehrwertsteuer In der Summe belaufen sich die Gestehungskosten demnach auf rund 7 4 Mio von denen rund 2 Mio der besonderen Ausstattung inklusive der Energieerzeu 2014 02 28 Seite 215 von 235 INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions SCHMIDT amp WILLMES tye an Bee University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2
66. re bei ruhenden Modulen also vollen oder leeren Modulen die Umgebungstemperatur angenommen haben ber Temperatur und Druck abh ngig von KDI Kurven den F llstand zu berechnen Diese Methode muss aber zun chst noch auf ihre Genauigkeit hin untersucht werden Wie bereits erl utert wird die Au enk hlung ber ein Wasserbad realisiert Werden die Roh re in einem Raster von 30 horizontalen und 9 vertikalen Elementen angeordnet ergibt sich mit den n tigen Abst nden f r Verrohrung und die Umstr mung der Speicherrohre eine Wanne mit den Innenma en L B H 4700 mm 2460 mm 1450 mm Nach Abzug der Vo lumina der Speicherrohre der Verrohrung und der notwendigen Haltestruktur verbleibt ein Wasservolumen von etwa 11 2 m8 F r den Aufbau des Wasserbades empfiehlt sich eine Betonwanne welche mit einer Isolier schicht versehen wird um W rmeverluste so weit wie m glich zu reduzieren Die Betonwan ne wird nach oben offen ausgef hrt und mit abnehmbaren Paneelen beispielsweise aus Stahlblech welches ebenfalls eine Isolationsschicht erh lt verschlossen Diese Paneele gew hrleisten eine einfache Zug nglichkeit f r den Einbau und die Wartung der Speicher module Zur Aufnahme der Steuerungselektronik ist an der Wanne ein entsprechender witte rungsgesch tzter Raum vorgesehen Jedes Modul ist in drei Untermodule Str nge unterteilt Diese bestehen aus jeweils 9 berei nander angeordneten Rohren Mittels Kugelh hnen kann jedes dieser Unt
67. stehenden H2 Tanks 53 Abbildung 46 Lageplan des aktuellen Entwurfs zum Energiezentrum 54 Abbildung 47 Seitenansichten des Energiezentrums oben von der Eingangsseite unten von der R ckseite Werkstra e 444444nnnnnnn ernennen 55 Abbildung 48 Grundriss des Erdgeschosses mit einer m glichen Anordnung der 2014 02 28 Baumes ra er ee rer 56 Seite 227 von 235 Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences M1m INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES mip Concepts based on solid solutions Cts Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Abbildung 49 Grundriss des Obergesch sses ueunseeee 57 Abbildung 50 Einfache 3D Visualisierung des Zentrums analog zur Abbildung 47 58 Abbildung 51 Beispiel einer Heiz K hldecke Quelle Fa Emco Klimatechnik 59 Abbildung 52 Prinzip einer elektrisch angetriebenen W rmepumpe uunnns sn ennnnnnnnennn 60 Abbildung 53 Erdsonde mit Sondenkopf in DN 32 und DN 40 Quelle Haka Gerodur E NO E T A VER AED ENESFERREERDS LERLEERES HENRI 63 Abbildung 54 Einfluss der Jahreszeiten auf die Temperatur der obersten Erdschichten Quelle Bundesverband W rmepumpen e V 64 Abbildung 55 Beispiel einer Teilklimaanlage mit den Funktionen WRG K hlen Entfeuchten und Heizen Quelle Howatherm 44
68. tzliche bertragungseinrichtung notwendig 1 000 Bei Einzelabnehmern Nutzung der Daten kl ren Leistungsmessger t und bertragungseinrichtung installieren x Kl rung des Zugangs mit dem EVU VNB 1 800 Bei Einzelabnehmern Nutzung der Daten kl ren Nachr sten von Strom und Spannungswandlern in der MS Anlage Leistungsmessger t und bertragungseinrichtung installieren Kl rung des Zugangs mit dem EVU VNB 8 000 Bei Einzelabnehmern Nutzung der Daten kl ren Nachr stung aus Platzgr nden nur Bedingt m glich und nur ber Fachfirma die auf MS Anlagen spezialisiert ist Tabelle 28 M gliche Varianten bei einer Messung auf der Niederspannungsseite D Fe ES 5 oc cong c 0 oo o ge 2 2 u Zo 55 85 gesch tz 85 55 55 te Kosten gt N gt S LS Ma nahmen Kl rung des Datenzugangs mit dem EVU VNB X X X Eventuell zus tzliche bertragungseinrichtung notwendig 1 000 Bei Einzelabnehmern Nutzung der Daten kl ren Leistungsmessger t und bertragungseinrichtung installieren X Kl rung des Zugangs mit dem EVU VNB 1 800 Bei Einzelabnehmern Nutzung der Daten kl ren Nachr sten von Stromwandler und Spannungsabgang Z hlerschrank mit Leistungsmessger t und bertragungsein 2 000 richtung installieren bis Kl rung des Zugangs mit dem EVU VNB 3 500 Bei Einzelabnehmern Nutzung der Daten kl ren 2014 02 28 Seite 193 von 235 Fachhochschule S dwestfalen INGENIEUR GMBH University of Applied Sciences SCH
69. u as me gun maias i Hili ks 7 i 1 am AE a 4 Q E u s 5 3 3 e 5 3 i aopa H Q Al E l c l RE pE o ji Z g amp gog Y O z 5 A _ D p E w amp w 5 TER Fl 5 E tei B g x amp 1S z IE Ta g 5 5 F s a 8 a 8 a s amp ELES N IL 2 3 13 3 g e x 8 N fE 3 8 8 5 71 a 3 2 oo 3 3o o odoo 2S R KIEN 4 AEN wj x kas a A 32 w a D 1 wor ba dee 7173 Age 8 E Z 0582 _ i BAUGRENZE e e g amp Abbildung 49 Grundriss des Obergeschosses 2014 02 28 Seite 57 von 235 Fachhochschule S dwestfalen INGENIEUR GMBH University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Erw Eu Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Energiezentrum S dwestfalen I mei Energiezentrum Abbildung 50 Einfache 3D Visualisierung des Zentrums analog zur Abbildung 47 2014 02 28 Seite 58 von 235 Fachhochschule S dwestfalen INGENIEUR GMBH University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES rg ii Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 3 3 Auslegung von Heizung K hlung und L ftung Die R ume des Energiezentrums S dwestfalen werden beheizt gek hlt und maschinell be und entl ftet Die Systeme zur Temperierung und Bel ftun
70. und Abschaltens von Stromkreisen sowie zum Schutz gegen elektrischen Schlag F r Anforderungen bezogen auf spezifische Maschinen siehe entsprechende IEC Normen z B IEC 61029 IEC 60745 oder IEC 60335 IEC 60204 1 elektrische Gef hrdungen DIN EN 61508 4 funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer elektroni scher programmierbarer elektronischer Systeme Teil 4 Begriffe und Abk rzungen 2014 02 28 Seite 213 von 235 INGENIEUR GMBH IE Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences B SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 DIN EN 61508 5 funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer elektroni scher programmierbarer elektronischer Systeme Teil 5 Beispiele zur Ermittlung der Stufe der Sicherheitsintegr t DIN EN 61508 7 funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer elektroni scher programmierbarer elektronischer Systeme Teil 7 berblick ber Verfahren und Ma nahmen DIN EN 61511 1 VDE 0810 1 funktionale Sicherheit Sicherheitstechnische Systeme f r die Prozessindustrie Teil 1 Allgemeines Begriffe Anforderungen an Systeme Software und Hardware DIN EN 61511 3 VDE 0810 3 funktionale Sicherheit Sicherheitstechnische Systeme f r die Prozessindustrie Teil 3 Anleitung f r die Bestimmung der erforderlichen
71. und Lastprognosen gemachten Erfahrungen aus gewertet Dazu wurde untersucht in wie weit eine Planung anhand dieser Prognoseprofile 2014 02 28 Seite 30 von 235 INGENIEUR GMBH IE Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences B SCHMIDT amp WILLMES Ha raU Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 hilft die oben beschriebenen Funktionalit t zu sichern Als Grundlage dienten hier 15 min Mittelwerte aus dem Zeitraum 2007 bis 2010 welche vom TWS aufgearbeitet und bereitge stellt wurden Im Projekt Energiepark KonWerl wurden bei der Lastprognose speziell optimierte und selbstlernende Kalman Filter verwendet Diese Werkzeuge erreichen bei sorgf ltiger Ab stimmung und einem entsprechenden Zuschnitt auf gr ere Verbrauchergruppen mit ver gleichbarer Charakteristik z B Wohngebiete sehr gute Ergebnisse Wird jedoch die Ver brauchergruppe immer kleiner z B ein einzelnes kleineres Hotel ist der Lastverlauf derart statistisch gepr gt dass auch die aufwendigen Algorithmen keine verl ssliche Prognose erstellen k nnen Wie bereits erw hnt soll beim S dwestf lischen Energiezentrum nach M glichkeit auf den Einsatz derartig aufwendiger Werkzeuge verzichtet werden Ein relativ einfacher Ansatz macht sich die Tatsache zu nutze dass der Energiebedarf verschiedener Zeitr ume miteinander korreliert Nach den
72. uo amp Elektrolyseursystem 6 Brennstoffzellensystem Hydridtank Entladen Flussvorgabe 7 H2 Labor Niederdruck FM3 17 Elektrolyseur Status Ist 19 Brennstoffzelle Status Ist 19 Hydridtank Laden Freigabe 7 H2 Labor Hochdruck FC5 17 Aufgenommene Leistung Elektrolyseur 19 Abgegebene Leistung Brennstoffzelle 19 Hydridtank Laden Flussvorgabe 7 H2 Brennstoffzelle FM2 17 Leistungsvorgabe Elektrolyseur 19 Leistungsvorgabe Brennstoffzelle 19 Hydridtank Entladefluss FMS 7 H2 Tankstelle FC4 17 Elektrolyseur Status Soll 19 Brennstoffzelle Status Soll 19 Hydridtank Ladefluss FC3 7 H2 Elektrolyseur FM1 17 Abbildung 104 Kommunikationsstruktur des Prozesssystems eine Darstellung in gr erem Format ist im Anhang zum Bericht zu finden 2014 02 28 Seite 158 von 235 INGENIEUR GMBH Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES H AAT Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Wie den Erkl rungen zur Managementstrategie Kapitel 2 4 und zum Energiemanagement Kapitel 9 Abbildung 115 zu entnehmen ist soll die gew nschte Strategie durch die Zu sammenarbeit mehrerer Speicher und Systemmanager umgesetzt werden Um den ber gang von Abbildung 103 zur Abbildung 104 zu vereinfachen wurden die einzelnen Manager in Form einer einfachen Bl
73. von 235 INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions SCHMIDT amp WILLMES rs cn ker University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Gestaltungsmerkmal ist der Technikraum unmittelbar im Eingangsbereich in dem die be sondere Technik transparent und f r alle Besucher sichtbar untergebracht wird S dwestf lisches Energiezentrum Werl Erdgeschoss Planung mdp GmbH Am Wendehafen 3 26135 Oldenburg in Kooperation mit IHT AG Karl Goerdeler Str 91 59590 Geseke 24 Feb 2013 15 0 1500 Eingangsbereich Abbildung 43 Grundriss des Erdgeschosses zur Veranschaulichung des urspr ng lich favorisierten Geb udeentwurfs 3 2 Standortentwicklung Soest Mit dem Standortwechsel nach Soest der vor allem erforderlich war weil sich die Stadt Werl prim r aus finanziellen Gr nden nicht in der Lage sah das Projekt weiter zu verfolgen haben sich auch die Randbedingungen grundlegend ver ndert Sehr positiv zu vermerken ist zun chst dass sich aus der innenstadtnahen Lage in unmittelbarer N he des Bahnhofs eine hohe Wahrnehmbarkeit ergibt Die Passantenfrequenz liegt bei mehreren tausend Personen je Tag Hinzu kommt dass das Zentrum sowohl ber den PNV als auch ber Individualver kehr ideal erreichbar ist Nachteilig sind dagegen die Einschr nkungen die sich aus dem Zuschnitt und der Orientierung der Fl che er
74. von Vorteil ein getestetes Brennstoffzellensystem von einem namhaften Hersteller zu beziehen Eine eigene Entwicklung eines Systems angefangen beim Brennstoffzellenstack ber die Aus wahl der geeigneten Peripherie der Elektronik und der Entwicklung der Betriebsalgorithmen ist nur ber einen l ngeren Zeitraum realistisch und umsetzbar Allerdings hat dieses Vorge hen den Vorteil dass die vor allem bei der Fachhochschule S dwestfalen bereits vorhande nen Kenntnisse in diesem Bereich weiter gefestigt und vertieft werden Dar ber hinaus gibt es auch Interesse aus der privaten Wirtschaft namentlich der Firma Schunk Bahn und In dustrietechnik GmbH neben den Brennstoffzellenstacks aus eigener Fertigung auch kom plette Systeme liefern zu k nnen Um den Anforderungen eines zuverl ssigen Betriebs und einer gleichzeitig laufenden Entwicklungsoption gerecht werden zu k nnen wird deshalb auch eine Variante des R ckverstromungssystems beschrieben das sich aus einer Kombi nation verf gbarer Systeme mit einer Eigenentwicklung zusammensetzt Die auf dem Markt verf gbaren Brennstoffzellensysteme k nnen in drei Anwendungsberei che unterteilt werden Ein Bereich deckt die mobile Anwendung von Brennstoffzellen ab z B PKWs oder LKWs ein weiterer Bereich die station ren Anwendungen Hybridanwendun gen Inselsysteme und der dritte Bereich der Brennstoffzellensysteme betrifft die unterbre chungsfreie Stromversorgung Jede Art von Applikation ha
75. weiteren Effekten wird die maximale Spei cherdichte f r die weiteren Betrachtungen mit 1 7 Gew und die minimale Restspeicher dichte mit 0 3 Gew angenommen Die genannte Metallhydridlegierung ist als Granulat in unterschiedlichen Korngr en erh lt lich Da es w hrend der Wasserstoffabsorption zu einer Ausdehnung des Metallgitters kommt zerf llt dieses Granulat bei der erstmaligen Beladung mit Wasserstoff durch die auf tretenden strukturellen Spannungen in ein feines Pulver Dennoch empfiehlt es sich ein Granulat mit einer relativ geringen Korngr e von 3 5 mm zu verwenden damit das zur Verf gung stehende geometrische Volumen des Speichers soweit m glich genutzt werden kann 6 2 2 2 Dimensionierung und Auslegung F r den Metallhydrid Speicher ist ein Gesamtvolumen von 2 500 Nm vorgegeben Damit berechnet sich die ben tigte Metallhydridmasse zu 13 22 t Wird die Limitierung durch die erreichbare Restspeicherdichte ber cksichtigt ergibt sich ein nutzbares Speichervolumen von 2 060 Nm Die Differenz an Wasserstoff verbleibt nach der Aufnahme w hrend der Ak tivierung dauerhaft gebunden im Speichermaterial Wie bereits erl utert ist es notwendig das Speichermaterial zu erw rmen bzw zu k hlen Bedingt durch die verh ltnism ig geringe Menge an Wasserstoff im Vergleich zum Spei chermaterial ist es nicht m glich das W rmemanagement des Speichers ber eine K hlung bzw Erw rmung des Wasserstoffes zu realisieren
76. werden Damit die gew nschte Gesamtleistung erreicht wird ist ein Modultyp mit einer Nennleistung von 250 W einzusetzen Dann ergeben sich in Summe 52 5 kW Die Zug nglichkeit der Modulreihen wurde bei der Anordnung nach Abbildung 62 durch freie Streifen im Dachrandbereich gew hrleistet Falls es aus Gr nden des Arbeitsschutzes sinnvoller ist die Zug nglichkeit durch eine Gasse in der Mitte der Reihen m glich zu machen k nnen die dann wegfallenden Module weitestgehend im Rand bereich erg nzt werden Eine h here Aufst nderung z B um die kurze Seite der Module wurde ebenfalls getestet Da dabei aber der notwendige Reihenabstand ansteigt ergibt sich in der Gesamtleistung keine Verbesserung Die Anordnung wird eher kritischer und die Ge samtleistung sinkt tendenziell Auch bei der Flachdachanlage treten Verschattungen auf Je nach Sonnenstand entstehen Schatten durch das an der Geb udekante gef hrte Rohr die Kleinwindanlage und die Wasserstofftanks Dies hat zur Folge dass auch in diesem Anla genteil eher mit kleineren Strings gearbeitet werden sollte 4 2 Windkraft Wenn aktuell neue Windparks an Land projektiert werden handelt es sich normalerweise um Anlagen mit Leistungen zwischen 1 6 MW und 3 MW mit 3 Fl geln und einer aktiven Blatt verstellung Sofern keine Beschr nkungen am Standort vorliegen wird meist mit Nabenh hen von 120 m bis 150 m gearbeitet In dieser Anlagenklasse gibt es einen berschaubaren Markt und vi
77. z B ber einen Druckluftkompressor Boge BK3 erzeugt und bereitgestellt R ckfluss Sicherheitsventil Na p Stickstoff E Sauerstoff D Druckluft CMS Beh lter 2 CMS Beh lter 1 Sp len Sp len Druckluft Abbildung 73 Prozess Schema des PSA Stickstoffgenerators 5 3 3 Prozesswasser Als Ausgangsstoff f r die Elektrolyse wird eine w ssrige Kalilauge KOH mit einer typischen Konzentration von 20 40 verwendet Die kontinuierlich aufbereitete Lauge wird in separa ten Tanks bevorratet und dem Elektrolyseprozess zirkulierend zur Verf gung gestellt Durch 2014 02 28 Seite 105 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 die kontinuierliche W rmeabfuhr ber den Elektrolyten wird der Elektrolyseur gek hlt und kann somit in einem optimalen thermischen Betriebsbereich betrieben werden Die der Lauge w hrend des Elektrolyseprozesses entzogene Wassermenge betr gt etwa 0 8 Liter Nm erzeugtem Wasserstoff Das erforderliche demineralisierte Wasser wird in einer Frischwasseraufbereitung ber Umkehrosmose aufbereitet 5 4 Dynamik Anfahrbereich und Geschwindigkeit Die elektrochemischen Vorg nge in den Elektrolysezellen reagieren praktisch verz gerungs frei auf Lastspr nge Di
78. zentrale Parkplatz erh lt eine berdachung mit aufgest nderten PV Elementen Dem neuen Energiezentrum ist ein Landschaftsgarten vofgelagert Terrasse 60 00 S dwestf lisches Energiezentrum Werl Abbildung 42 Erste Vor berlegungen zur Entwicklung des Standortes im Industrie gebiet KonWerl Um die Betriebskosten gering zu halten sollte die Klimah lle analog zu den Glasfassaden von Hochh usern selbstreinigend ausgef hrt werden Im brigen sind die unter der Glas h lle befindlichen Geb ude nicht der Witterung ausgesetzt Hierdurch k nnen Baukosten durch die m gliche einfachere Bauweise eingespart werden und es wird m glich den nach wachsenden Rohstoff Holz in sehr umf nglicher und einfacher Weise zu nutzen Zum ande ren reduzieren sich die Erhaltungskosten f r die In House Fl chen Lebenszykluskosten was die Nachhaltigkeit weiter erh ht Der geforderten Bewertungsmethodik des Bundes fol gend erh hen sich auf diese Weise nachweislich die kologischen konomischen und funk tionalen Qualit ten des Geb udes und des Standortes Das Bewertungssystem Nachhalti ges Bauen ist bereits f r alle Bundesbauten obligatorisch und zertifiziert u a nach den Kri terien Lebenszyklus Behaglichkeit Nutzerzufriedenheit Funktionalit t Gestaltungsqualit t technische Qualit t etc und best tigt die positiven Ans tze des Entwurfs Ein wesentliches 2014 02 28 Seite 51
79. zu Beginn des Fr hlings hoch Die Leis tungserzeugung des PV Systems ist charakterisiert von einer starken Produktion w hrend des Sommers und geringen Leistungen im Winter Schwieriger ist eine klare Einteilung bei der Erzeugungscharakteristik der WKA Jedoch sind Phasen st rkerer Erzeugung im Winter sowie im Fr hling und Herbst zu erkennen Zusammenfassend l sst sich also sagen dass die Erzeugungscharakteristik der PV Anlage nahezu asynchron zum Lastgang die Erzeu gung der WKA dagegen deutlich synchroner zum j hrlichen Lastgang verl uft A E ee ee ee ee ae De ru ga Deere Leistung kW 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Zeit h Leistungsbedarf PV System WKA System Abbildung 16 Tagescharakteristik von Leistungsbedarf und Energiebereitstellung 0 1 2 3 4 5 6 789 Neben der jahreszeitlichen Charakteristik ist der Tagesverlauf der Leistungen entscheidend Daher wurde aus den verf gbaren Daten der betrachteten vier Jahre ein durchschnittlicher Tag siehe Abbildung 16 berechnet An Hand von Abbildung 16 ist zu erkennen dass die Erzeugungscharakteristik der PV Anlage ann hernd dem Leistungsbedarf folgt F r die aus dem Wind erzeugte elektrische Leistung ist keine eindeutige zeitliche Abh ngigkeit zu er kennen Im Durchschnitt ist die Wahrscheinlichkeit dass die WKA Leistung zu einer spezifi schen Zeit generiert nahezu identisch also die durchschnittlich produzierte Leistung kon stant Zusammenfas
80. zur 1 bis 6 F1 F2 01 02 03 Vermeidung A1 A2 Abbildung 130 Leerformular f r einen Risikographen der DIN EN 14121 2 13 3 4 Bewerten des Risikos und Treffen von Entscheidungen ber die Notwendigkeit zur Risikominderung In diesem Schritt der Gefahrenanalyse soll mit Hilfe einer Bewertung entschieden werden welche Gef hrdungssituationen eine weitere Risikominderung ben tigen und ob hierdurch andere Gef hrdungen auftreten und andere Risiken erh ht werden Werden als Ergebnis der Risikobewertung Schutzma nahmen angewendet sollte eine erneute Risikobeurteilung vor genommen werden um deren Wirksamkeit bei der Risikominderung nachzuweisen 13 3 5 Beseitigung der Gef hrdung Schutzma nahmen Mit der Umsetzung von Schutzma nahmen wird die Risikominderung erreicht Zudem wer den Entscheidungen dar ber getroffen was erledigt werden muss von wem es erledigt wer den muss wann es erledigt werden muss und mit welchen Kosten dies verbunden ist Dabei gibt es unterschiedliche Arten von Schutzma nahmen wie zum Beispiel e Inh rent sichere Konstruktion e Beseitigung der Gef hrdungen durch konstruktive Ma nahmen e Risikominderung durch konstruktive Ma nahmen e Technische Schutzma nahmen e Zus tzliche Schutzma nahmen Ma nahmen zur Risikominderung Gerade bei den technischen Schutzma nahmen bei denen typischerweise eine Anlage auf ein abweichendes oder au ergew hnliches Sensors
81. 014 gung ber Photovoltaik und Kleinwindanalgen zuzurechnen sind Die Gro windanlagen blie ben unber cksichtigt da hier ein Invest durch Dritte vorgesehen ist Acconci Architekten GmbH Rathausstr 6 8 59494 Soest Tel 02921 590 100 0 Fax 02921 590 100 1 Bauvorhaben S dwestf lisches Energiezentrum Werkstra e 59494 Soest Auftraggeber TWS Technologie und Wissenstransfer im Kreis Soest e V L becker Ring 2 59494 Soest Zusammenfassung Kostensch tzung TWS_Soest_Energiezentrum 1333 kostengruppe om oem Grundst ckskosten 359 392 00 Herrichten 8 500 00 Bauwerk Baukonstruktion 2 557 400 00 Bauwerk Technische Anlagen 3 279 226 38 Davon konventionelle Geb udetechnik 1 611 250 00 Davon Wasserstofftechnik u Energieerzeugung 1 667 976 38 Au enanlagen 124 800 00 Baunebenkosten Architekten und Ingenieurleistungen 1 074 586 75 Davon konventionelle Geb udetechnik 774 351 00 Davon Wasserstofftechnik u Energieerzeugung 300 235 75 Summe netto 7 403 905 13 Aufgestellt Soest 03 02 2014 Abbildung 132 Kostensch tzung f r das Energiezentrum nach DIN 276 Besonderhei ten siehe Text 2014 02 28 Seite 216 von 235 Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences Mim INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES mogi solid solutions TWS Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014
82. 014 02 28 Seite 119 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 ist ein berbr ckungsventil integriert Dadurch ist es m glich Wasserstoff von der Nieder druckseite aus direkt in die Hauptspeicher zu leiten Diese Funktion ist hilfreich beim Anfah ren der Anlage und kann auch zum Sp len der Rohrleitungen verwendet werden In Tabelle 15 sind die wesentlichen technischen Parameter des Verdichters zusammengestellt Das Betriebsger usch der Maschine ist mit 804B A sehr hoch Aus diesem Grund muss der Verdichter zum Schallschutz in einem entsprechenden Raum untergebracht werden Dadurch entf llt auch der Witterungseinfluss so dass bei verschiedenen Elementen eine vereinfachte Ausf hrung gew hlt werden kann Auf die vorgesehene Unterbringung in einem Container geht Kapitel 6 2 4 noch n her ein Die bei der Kompression des Wasserstoffs im Verdichter entstehenden systemspezifischen Verluste m ssen thermisch abgef hrt werden Wie der Tabelle 15 zu entnehmen ist wird ein K hlmedium mit einem Volumenstrom von 270 Litern h und einem Druck von mindestens 2 bar und maximal 5 bar mit einer maximalen Temperatur von 35 C ben tigt Da der Medienkontakt direkt d h ohne W rmetauscher erfolgt sind geeignete Filter vorzus
83. 014 02 28 Seite 144 von 235 amp rws S dwestfalen University of Applied Sciences AI Fachhochschule l INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Abbildung 89 2014 02 28 m Xo XO t 9 Ty Ir co Master 0 1 BZ Modul 1 Brennstoffzellen in autarker Modulbauweise ohne Zentraleinheit Seite 145 von 235 S dwestfalen University of Applied Sciences i TWS E Fachhochschule l INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 AN ul 1 Y BZ Mod Abbildung 90 Modulbauweise mit Zentraleinheit 2014 02 28 Seite 146 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 8 Prozessanbindung FH SWF Erstellung des Kennzeichnungssystems Hardwareermittlung Kommunikationsschema Logik TWS Softwaretool zur Kennzeichnung bersetzungstabellen Prinzipdarstellungen Kommunikationspfade lnterface Das Hybridenergiesystem des S dwestf lischen Energiezentrums besteht aus vielen unter schiedlichen Komponenten bei de
84. 13 5 3 Normen zum Expl si nsschub ana 214 14 KOsienschnalzungg eir aan 215 14 1 Kostensch tzung nach DIN 276 uuuusssssnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 215 14 2 Besondere technische Ausstattung des Energiezentrums 4 217 14 2 1 Wasserstofferzeugung Elektrolyse 2222244444nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 218 14 2 2 Gasspeicherung Drucktanks Verdichter und Komponenten 218 14 2 3 R ckverstromung Brennstoffzellen und Batteriespeicher 219 14 2 4 Hydraulische Einbindung in das W rmemanagement usssseennnssnennnnn 219 14 2 5 Hard und Software f r Prozessanbindung und Energiemanagement 220 14 2 6 Z hlersystem zur Bilanzierung 4444444444Bnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnn nn 220 14 2 7 Labor und Sicherheifsteehnik u ue e nenne 221 14 2 8 Wasserstoffabgabe in den mobilen Bereich Tankstelle 221 14 2 9 Sonstige Kosten ech nenne 222 14 3 Forschungsoptionen nach aktuellem Stand ssssnneseeesseeeennrrneeeserrrerrrnnneesee 222 14 3 1 Hydrid Speicher mit Systemintegration und einem Fassungsverm gen VOR SZ SOC ee ee ee 222 1432 Kraltwerkssysien senken 223 2014 02 28 Seite 4 von 235 INGENIEUR GMBH Gimp a an University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungsk
85. 2 2 erw hnten und f r die Zug ng lichkeit des Hydrid Speichers erforderlichen Fl chen gut zu erkennen Auch die in Kapitel 6 2 3 genannte Einhausung des Verdichters ist dargestellt Auf diese wird im Folgenden noch n her eingegangen pronu 5m 10m SICHERHEITSABST NDE Offene Flammen und Unterirdische Lagerung Grundst cksgrenze Oberirdische Lagerung andere Z ndquellen gro er Mengen brennbarer gro er Mengen brennbarer Fl ssigkeiten und Fl ssiggase ee einschl Elektr Einrichtungen Fl ssigkeiten und Fl ssiggase Bereiche in denen eine Ansammlung von Men Lagerung von gas Wand ffnungen zu B ro i i g f rmigem Sauerstoff r umen Werkst tten usw schen zu erwarten ist wie z B B ros Kantinen Druckgasflaschen Parkpl tze usw Z f Mitteldruck Wasserstoff ZI i Lagerung nicht brennbarer Langsam brennende Luftkompressor Bulk a stallalionen en Tea Tonon Geb ude oder Bauwerke lt au er Sauersto Vegetation Gr ser etc Ansaug ffnungen us OOM Wasservolumen 2 er S Veh g EEE gt 100m 20m 60m Hinweise A l Aktuelle Industrie Standards basierend auf IGC Doc l i I 15 06 E der EIGA und die Technische Regeln f r l 4 Druckbeh lter TRB l i y Air Products kann Entfernungen je nach Gr e und I T E Lage erh hen l i Lagerung von Druckgas I y ui Unabh ngige Inspektionen f r alle Installationen flaschen mit brennbaren Wohngeb ude Nicht unter Strom Fl ssig Sau
86. 40 F F F F F F Polynom u ER IF ER Messwerte DO E c _ e 220 215 Mittlere Einschaltdauer min 50 kWh Batteriegr e Abbildung 41 Mittlere Einschaltdauer des Elektrolyseurs 100 kWh 150kWh 200kWh 250 kWh In Abbildung 41 ist die mittlere Einschaltdauer des Elektrolyseurs dargestellt Die schwarzen Kreise zeigen die Werte aus der Simulation F r eine analytische Beschreibung zur weiteren Optimierung der Batteriekapazit t wurden diese Messpunkte ber ein Polynom 5 Ordnung angen hert p x p1x p2x p3x par psx pe mit p 3 2161 10 p2 2 107 p3 387 1074 p 1998 1074 Ps 15201 1074 Pe 210 Aus diesem Polynom ergibt sich die rote Funktion in Abbildung 41 Auch hier ist zu erken nen dass eine Vergr erung der Batteriekapazit t ab 100 kWh durch den flachen Verlauf der Kurve keine Verbesserung erbringt Schon bei 75 kWh flacht die Kurve deutlich ab da her kann die Betrachtung der Einschaltdauer des Elektrolyseurs als Best tigung der vorher bestimmten Kapazit t von 75 kWh angesehen werden Demnach ist eine Batteriekapazit t von 75 kWh bis 100 kWh als optimal anzusehen 2014 02 28 Seite 49 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Absc
87. 444444nnn nn 65 Abbildung 56 Beispiel eines Deckendrallauslass Quelle Schako Ferdinand Schak AE E E ee een 66 Abbildung 57 M gliche Anordnung der Komponenten im Technikraum 67 Abbildung 58 M gliche Anordnung der Photovoltaikmodule im Dachbereich des Foyers a volle Belegung der Fl che b reduzierte Belegung zur Reduktion der Verschattungsproblematik 2444444snnn nennen 70 Abbildung 59 Schattenwurf am 21 Juni um 7 00Uhr uussessssssssssnnnnnnnenennnnnnnnnnnnnnenn 71 Abbildung 60 Schattenwurf am 21 Juni um 18 00Uhr u 0u0444444444RRRRRRnRnnnnnnnn nen 71 Abbildung 61 Verschiedene M glichkeiten der Fassadenintegration 72 Abbildung 62 M gliche Anordnung der auf dem Flachdach aufgest nderten SO ATOM Er engen 73 Abbildung 63 Beispiele f r Mikrowindanlagen besonderer Bauart mit horizontaler Achse Bildquellen Webseite bzw Anlagenprospekt nn gt 76 Abbildung 64 Beispiele f r Mikrowindanlagen mit vertikaler Achse Bildquellen Webseite und Anlagenprospekt suss44442nnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnn nn 77 Abbildung 65 Lage der Potentialfl chen gr ne Kreise im berblick 2 81 Abbildung 66 Lage der Potentialfl chen im Detail 2444444444nnnnnnn anne 82 Abbildung 67 Lageplan des Umspannwerkes zum Anschluss der geplanten WEA 85 Abbildung 68 pri
88. 5 533 11 453 4 642 3 546 8 151 5 519 Spez Invest kWh 39 75 25 11 58 47 115 34 71 06 28 18 17 38 42 53 29 63 1 Incl Mont u Inbetriebnahme 2014 02 28 2 nur Anlagenhardware Umrechnung USD EUR 1 369 20 02 14 Seite 79 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Wie die in Tabelle 2 zusammengestellten Zahlen deutlich belegen unterscheidet sich die Situation hinsichtlich Ertragserwartungen und Kosten bei den Mikro und Miniwindkraftanla gen unabh ngig von Typ und Bauart deutlich von den bei Gro windanlagen anzutreffenden Kennzahlen vergl Kapitel 4 2 2 Bei den Kleinwindanlagen liegen die Kosten pro kW aktuell deutlich ber den spezifischen Kosten von PV Anlagen Da am vorgesehenen Standort nur mit verh ltnism ig bescheidenen Ertr gen gerechnet werden kann ergeben sich damit auch sehr hohe spezifische Investitionskosten Diese liegen nach Tabelle 2 im g nstigsten Fall bei 17 38 kWh und betragen damit etwa das 10 fache aktueller Solaranlagen Bei Gro windanlagen werden Kennwerte von unter 1 kWh erreicht Bei der Bewertung der absoluten H he dieser Angaben ist zu ber cksichtigen dass hier Messungen eingeflossen sind die 3 m ber dem Giebel e
89. 5 kW Somit muss zur Worst Case Auslegung 25 kW auf die Einschaltschwelle des Elektrolyseurs die bei der gew hlten Ausstattung vergl Kap 5 ca 15 kW betr gt addiert werden Daher ergibt sich eine maximale Ladeleistung von 40 kW f r die Batterie woraus aufgrund des erl uterten Zusammenhangs mit dem maximalen Ladestrom von 1C eine minimale Batteriekapazit t von 40 kWh resultiert Da der beschriebene Ansatz der alleine auf der Leistungsabweichung basiert zur Ermittlung der Batteriegr e nur ungef hre Anhaltspunkte liefert wurde zur Bestimmung einer f r den in Kapitel 2 4 beschriebenen komplexen Regelalgoritnmus optimalen Batteriekapazit t zu s tzlich ein Modell basierter Ansatz verfolgt Mit Hilfe der Simulation wurde das System mit Batteriekapazit ten von 10 250 kWh ber 4 Jahre simuliert Bei der Auswahl der Batterieka pazit t spielen zwei Punkte einer wichtigen Rolle Zum einen der Ausnutzungsgrad der Bat terie zum anderen sollen durch die Batterie die Komponenten Brennstoffzelle und Elektroly seur geschont und eine lange Lebensdauer erreicht werden Die Lebensdauer dieser beiden Systeme ist nicht nur von den Betriebsstunden abh ngig sondern verringert sich auch durch h ufiges Ein uns Ausschalten Daher soll mittels der Batterie eine m glichst lange mittlere 2014 02 28 Seite 45 von 235 INGENIEUR GMBH Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES c i faaam raU Fachhochschule
90. 7 2014 02 28 Seite 101 von 235 I TWS Mim INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Tabelle 11 Zusammenstellung der einzelnen Komponenten f r die Wasserstof ferzeugung Pos Komponente Bezeichnung Abmessungen mm Gewicht kg ErreDue 1 Elektrol 850 x 1300 x 1800 760 zu Mercury Expert G10 2 2 ErreDue 2 Elektrolyseur 850 x 1300 x 1800 760 Mercury Expert G10 3 Anlagensteuerung ErreDue integriert 00 4 Transformator ErreDue 670 x 480 x 775 210 5 Transformator ErreDue 670 x 480 x 775 210 Gasreinigung ErreDue 3 1 42 Trocknung DPH12 ua 9 7 Stickstoffgenerator a 640 x 350 x 851 122 i 4 GNLabT8 a oae ErreDue 490 x 380 x 770 75 Demineralisierung 9 Wassertank ErreDue 700 x 500 x 600 210 10 Wassertank ErreDue 700 x 500 x 600 210 Abbildung 71 2014 02 28 Seite 102 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 5 3 1 Gasreinigung und Trocknung Das f r die Wasserstofferzeugung vorgesehene Gesamtsystem von ErreDue ist so ausge legt dass der erzeugte Wassers
91. An e Erm dung zeigen und optischen Displays e St rungen des Bewegungs e Gestaltung Anordnung oder Erken apparates nung von Steuerungseinrichtungen e Stress e Anstrengung e alle weiteren z B mechani e Flackern Blenden Schattenbildung schen elektrischen Probleme und stroboskopische Effekte als Folge menschlichen Fehl e rtliche Beleuchtung verhaltens e psychische berbelastung Unter forderung e K rperhaltung e sich wiederholende T tigkeiten e Sichtbarkeit Gef hrdungen e Staub und Nebel e Verbrennung im Zusam e elektromagnetische St rungen e leichte Erkrankungen menhang mit Blitzschlag e Ausrutschen St rzen der Ein e Feuchtigkeit e Ersticken satzumgebung Verunreinigungen e alle weiteren Probleme die der Maschine Schnee als Folge der Auswirkungen 2014 02 28 Seite 200 von 235 Cms SCHMIDT amp WILLMES Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences M1m NGENIEUR GMBH mip Concepts based on solid solutions Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 e Temperatur der Gef hrdungsquellen an e Wasser der Maschine oder an Teilen e Wind der Maschine auftreten e Sauerstoffmangel Kombination e z B sich wiederholende T tigkeit e z B Dehydrierung Bewusst von Gef hr Anstrengung hohe Umgebungs seinsverlust Hitzeschock dungen temperatur Tabelle 30 Tabelle m glicher
92. Anlagen der Gas versorgung e GUV R 104 hier sind die BetrSichV und TRBSen enthalten 13 5 2 Normen zur Sicherheit EN ISO 13849 Sicherheit von Maschinen Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen DIN EN ISO 10628 Flie schemata f r verfahrenstechnische Anlagen allgemeine Regeln DIN EN 378 1 K lteanlagen und W rmepumpen Sicherheitstechnische und umweltrele vante Anforderungen Teil 1 Grundlegende Anforderungen Begriffe Klassifikationen und Auswahlkriterien DIN EN 378 2 K lteanlagen und W rmepumpen Sicherheitstechnische und umweltrele vante Anforderungen Teil 2 Konstruktion Herstellung Pr fung Kennzeichnung und Do kumentation DIN EN 378 3 K lteanlagen und W rmepumpen Sicherheitstechnische und umweltrele vante Anforderungen Teil 3 Aufstellungsort und Schutz von Personen DIN EN 378 4 K lteanlagen und W rmepumpen Sicherheitstechnische und umweltrele vante Anforderungen Teil 4 Betrieb Instandhaltung Instandsetzung und R ckgewinnung EN ISO 12100 2010 Sicherheit von Maschinen allgemeine Gestaltungsleits tze Risiko beurteilung und Risikominderung DIN EN ISO 13850 Sicherheit von Maschinen Not Halt Gestaltungsleits tze DIN ISO TR 14121 2 2012 Sicherheit von Maschinen Risikobeurteilung Praktischer Leitfa den und Verfahrensbeispiele EN 60204 Sicherheit von Maschinen elektrische Ausr stung von Maschinen IEC 60204 1 allgemeine Festlegungen hinsichtlich des Trennens
93. Anwendungen keine entscheidende Rolle spielt wurde diese Art der Energiespeicherung im Projekt nicht n her untersucht Bei Speicherung in Druckbeh ltern ergibt sich die gespeicherte Gasmenge in erster N he rung aus dem Produkt von Druck im und Volumen des Druckbeh lters Da Wasserstoff kein ideales Gas ist sollte die einfache Gleichung aber nur bei geringen Dr cken von einigen 10 bar als N herung verwendet werden Der energetische wie apparative Aufwand steigt mit zunehmendem Druckniveau immer weiter an Eine alternative Speicherm glichkeit bieten sogenannte Hydridmaterialien siehe auch Kapi tel 6 2 2 1 Diese Stoffe nehmen Wasserstoff auf und sind in der Lage ihn bei Bedarf auch wieder abzugeben Es gibt hier sehr unterschiedliche Stoffgruppen mit einer breiten Variation in den Eigenschaften Seit l ngerem erprobt und auch hinsichtlich der vorliegenden Spezifi kationen f r den konkreten Fall geeignet sind Metallhydride auf Titan Mangan Basis In die sen Materialien werden ohne hohen Energieaufwand Speicherdichten erreicht die h her 2014 02 28 Seite 109 von 235 INGENIEUR GMBH Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 sind als bei der Verfl ssigung und es treten w hrend der Aufbewahrungszeit keine Gasver luste auf Allerdi
94. Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 13 Sicherheitsaspekte gesetzliche Vorgaben Bei der Realisierung des S dwestf lischen Energiezentrums werden sowohl kommerziell erh ltliche Komponenten z B zur Wasserstofferzeugung Elektrolyseur Wasserstoffspei cherung Druckgasspeicher Verdichter Stromerzeugung Photovoltaik Brennstoffzellen Kleinwindanlage und Stromspeicherung Batteriesystem als auch Komponenten aus eige ner Entwicklung zu einem neuen System zusammengefasst und anschlie end im beschrie benen Sinne betrieben Sofern diese Zusammenstellung nicht durch einen Generalauftrag nehmer erfolgt ist damit das Energiezentrum sowohl als Hersteller als auch als Betreiber zu sehen In der Funktion als Betreiber ist eine Gef hrdungsbeurteilung zu erstellen die vor allem den Schutz der Mitarbeiter adressiert Als Hersteller ist f r die neue Anlage eine EU Konformit tserkl rung zu erstellen Grundlagen hierzu sind eine Gefahrenanalyse inklusive Risikobeurteilung und im vorliegenden Fall die Erstellung eines Explosionsschutzdokuments Da eine Gef hrdungsbeurteilung sehr genaue Kenntnisse der rtlichen Gegebenheiten und der Arbeitsabl ufe voraussetzt ist die Erstellung zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht m glich Mit den entsprechenden Schritten sollte begonnen werden sobald die Feinplanung der An
95. BH SCHMIDT amp WILLMES Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Ebenso wurden hier um die Simulationszeit zu reduzieren mit Hilfe dynamischer Modelle kennlinienbasierte Modelle entwickelt die die peripheren Systemverluste welche hier mit 10 angenommen wurden ber cksichtigen Die Kennlinien entsprechen einem 10 kW Elekt rolyseur und k nnen durch einen Faktor skaliert werden Auch hier sei f r eine detaillierte Darstellung auf 1 verweisen Neben den energiewandelnden Komponenten mussten f r ein vollst ndiges Systemmodell auch die Energiespeicher modelliert werden Grunds tzlich k nnen Energiespeicher durch Integration des zu speicherden Mediums beschrieben werden Im Folgenden sollen die Rea lisierungen f r die Beschreibung des Wasserstoff und W rmespeichers sowie f r eine Batte rie vorgestellt werden Da im Projekt sowohl ein Druckgasspeicher als auch ein Metallhydridtank f r die Wasser stoffspeicherung vorgesehen sind mussten Modelle f r beide Speicher entwickelt werden Dar ber hinaus wurde ein Managementblock ben tigt welcher die Aufteilung des Wasser stoffflusses zwischen den Tankeinheiten koordiniert Ebenso wurde ein Verdichter Model entwickelt welches abh ngig vom Speicherdruck und dem Wasserstofffluss die ben tigte elektrisc
96. Busendklemme ist f r den Datenaustausch zwischen Buskoppler und Busklem men notwendig Jede Baugruppe muss auf der rechten Seite mit einer Busendklem me abgeschlossen werden 2014 02 28 Seite 162 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 e Netzteilklemme zur EtherCAT Bus Auffrischung Die Netzteilklemme ist f r eine zus tzliche Stromversorgung f r den EtherCAT Bus verantwortlich Um eine schnelle Ausf hrung von verschiedensten Steuerungsaufgaben und Algorithmen zu gew hrleisten wurden alle vorgesehenen Embedded PCs mit 1 GB DDR2 RAM ausgestat tet Des Weiteren wurde f r die Datensicherung eine 4 GByte Compact Flash Karte vorgese hen um wichtige Messdaten ausfallsicher vor Ort zu speichern Die Embedded PCs Ether CAT Slave Devices auf der Automatisierungsebene sind ber den EtherCAT Bus sowohl miteinander als auch mit einen bergeordneten Industrie PC EtherCAT Master Devices auf der Managementebene verbunden Als Zentraleinheit f r das Energiemanagement wurde ein Industrie PC der Serie C6650 aus gew hlt welcher sich als bergeordnete Steuerungseinheit eignet und die gesamten Pro zessdaten zusammenf hrt Durch einen Ethernet Adapter erfolgt eine direkte Kopplung mit dem EtherCAT Bus und somi
97. Die kritischste Komponente ist der Zellstapel Die Lebensdauer von AEL Druckstacks mit Kunststoffdiaphragmen erreicht ber 50 000 h Als Regel f r alkalische Elektrolyseure gilt eine General berholung alle 7 12 Jahre bei der die Elektroden ersetzt bzw reaktiviert sowie die Diaphragmen ausgetauscht werden Der Gro teil der Komponen ten wie z B die bipolaren Platten k nnen hingegen wiederverwendet werden Gro e Dru ckelektrolyseure sind teilweise ber 20 Jahren ohne ffnung des Moduls in Betrieb Die Ver f gbarkeit gro er Elektrolyseure in industriellen Anwendungen liegt bei 98 2014 02 28 Seite 90 von 235 INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Die meisten Hersteller geben an dass alkalische Elektrolyseure bis in einem Teillastbereich von 20 40 arbeiten k nnen Dieser Betriebsmodus wirkt sich jedoch negativ auf die Gas qualit t aus Wenn alkalische Elektrolyseure ber einen l ngeren Zeitraum im unteren Teil lastbereich gefahren werden sammeln sich gel ste Gase in den der Zelle wieder zugef hr ten Laugenstr men deren Zirkulation nahezu unabh ngig von der Auslastung des Elektroly seurs ist Damit erh ht sich bei Teillastbetrieb der relative Anteil des jeweiligen Fremdgases im Vergleich zu den pro
98. El Leistungsbus Versorgungs ZA Elektrolyseur netz Abbildung 1 Struktur des Hybridenergiesystems des S dwestf lischen Energie zentrums SWF EZ Th Leistungsbus H2 Massefluss Unabdingbare Voraussetzung f r die erfolgreiche Anwendung eines solchen Simulators ist ber die genannten Kenngr en der Komponenten hinaus vor allem der Bestand an zutref fenden Last und Erzeugungsprofilen Hierzu kann zum Beispiel auf eine Geb udesimulati on wie sie in Kapitel 2 1 beschrieben wird zur ckgegriffen werden Hinsichtlich der thermi schen Profile liefern diese Rechenmodelle verl ssliche und in der Praxis validierte Ergebnis se Bei den elektrischen Verbrauchsprofilen ist das Ergebnis der Simulation jedoch stark von fiktiven Annahmen gepr gt W rde zum Beispiel ein Arbeitsbeginn um 8 00 Uhr ber alle R ume eines B rogeb udes angesetzt w re eine gro e Lastspitze zu diesem singul ren Zeitpunkt die Folge In der Praxis wird sich dies so nicht ergeben entsprechende Ans tze in 2014 02 28 Seite 10 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 der Simulation bleiben aber rein fiktiv Daher wurde im Projekt eine gemischte Vorgehens weise gew hlt Die thermischen Profile wurden mit der Simu
99. Elektrolyseur Status Soll 5 Merker Status Windkraftanlage Ist 15 Wasserstoffanforderung Tankstelle 7 Wasserstofffluss Ist FC4 8 Leistungsvorgabe lektrolyseur 5 Leistungsvorgabe Pungas 14 Flussvorgabe Wasserstoff 7 Flussvorgabe Wasserstoff 8 Elektrolyseur Status Ist 5 Leistung Batterie Pinis 4 Wasserstofffreigabe Tankstelle 7 baer Neunieu hund Aufgenommene Leistung Elektrolyseur 5 State of Charge SoC Batterie 4 Wartet ee Labor NOUZ2 Brennstoffzellensystem Pe Intern gemessen Wasserstoffanforderung Labor ND 22 Brennstoffzelle Status Ist 13 Labor Hochdruck 22 Abgegebene Leistung Brennstoffzelle 13 ee Meserof rgabe ibori tia eennstofzee Status Sol 13 Wasserstoffanforderung Labor ND 7 ee al y Leistungsvorgabe Brennstoffzelle 13 Backhoff industrie PC CX3020 Wasserstofffreigabe Labor ND 7 Hydridtank Entladefluss FM5 21 Bronngioniolio Seamus SCH LE 4 Batteriesystem Lahor Hochdruck Maaa AGI Leistungsvorgabe Brennstoffzelle 6 Leistung Batterie Psm 0 Hydridtank Ladefluss Wasserstoffanforderung Labor HD 7 Hydridtank Entiaden Freigabe 21 Brennstoffzelle Status Ist 6 State of Charge SoC Batterie 0 Wasserstofffreigabe Labor HD 7 Hydridtank Entladen Flussvorgabe 21 Abgegebene Leistung Brennstoffzelle 6 Leistungsvorgabe Batterie Passen 0 Hydridtank Laden Freigabe 21 21 Hydridmanager Hydridtank Laden Flussvorgabe 21 Hydridtank Entladen Freigabe 7 ee Er En
100. Entladung der Batterie einzuschalten Durch diese be grenzte Nutzung der Brennstoffzelle wird zum einen abrupter Kaltstart vermieden und zum anderen sichergestellt dass nur soviel elektrische Energie durch Wasserstoff bereitgestellt wird wie n tig Ein Einschalten der W rmepumpe wird soweit m glich verz gert und in die Betriebsbereiche bergang 2 oder Entladen verschoben Um ein h ufiges Ein und Aus schalten der Brennstoffzelle in der N he der Grenzwerte zu verhindern wurde durch Einf h rung einer minimalen Einschaltzeit eine Hysterese implementiert SoC SoCyini Prc Premin FC FC min SoC SoC Prc max Prc min min2 OLmini Freier Betrieb Das Betriebsverhalten des Systems wird nicht beeinflusst Leistungsschwan kungen werden innerhalb der Leistungsgrenzen des Batterieinverters durch das Batteriesys tem ausgeglichen lediglich beim berschreiten von Leistungsgrenzen wird der Elektrolyseur oder die Brennstoffzelle zugeschaltet 2014 02 28 Seite 35 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Pre Perek 0 bergang 2 Zwischen den SoC Kenngr en SoCnax und SoCnax wird angestrebt eine zu starke Ladung der Batterie zu verhindern Analog zum bergang 1 wird hier der Elektroly
101. Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Wasserstoff H zersetzt wird Die Zerfallsprodukte werden als Gase an der negativen Katho de Wasserstoff und der positiven Anode Sauerstoff abgeschieden Kathode und Anode sind durch eine gasdichte aber wasserdurchl ssige Membran Diaphragma von einander getrennt Bei einer Temperatur von 20 C und einem Druck von 1 bar betr gt die elektrochemische Zersetzungsspannung einer Zelle 1 229 V Theoretisch muss f r die elektrolytische Erzeu gung eines Norm Kubikmeters Wasserstoff Nm H eine elektrische Energie von 3 54 KWh aufgewendet werden Die tats chliche u ere Anschlussspannung ist jedoch wesentlich h her da onmsche Widerst nde an den berg ngen zwischen den Elektroden und dem Elektrolyten sowie innere berspannungsverluste in Gaskan len im Elektrolyten zu Verlus ten f hren In Abh ngigkeit von den systemspezifischen Elektrodenmaterialien und des daraus sich er gebenen Elektroden und Zellendesigns der verschiedenen Verfahren wird bei einer industri ell blichen Stromdichte von 2 kA m aufgrund der unterschiedlichen Zellspannungen auch unterschiedlich viel Wasserstoff erzeugt Hierin liegt ein Grund f r die spezifischen Verluste und Wirkungsgrade der verschiedenen Elektrolysesysteme Allgemein ist der Ansatz zur Definition des Wirkungsgrads einer technischen Anlage das
102. Fachhochschule l Eu ET S dwestfalen TER INGENIEUR GMBH University of Applied Sciences Fr SCHMIDT amp WILLMES f Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Pro 0043A C Abschlussbericht zum Projekt Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Bewilligungszeitraum 01 12 2012bis 31 05 2014 Durchf hrende Institutionen Institut f r Technologie und Wissenstransfer im Kreis Soest e V TWS Dr J rg Scholtes Fachhochschule S dwestfalen Prof Dr Ulf Witkowski Ingenieursgesellschaft Schmidt amp Willmes Jens Willmes mdp group Dirk Fortstr er 2014 02 28 Seite 1 von 235 INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Ha raU Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Inhalt 1 ProjekimanagemeRt nassen elineineeneenen 8 1 1 Organisatorische Aspekte ennn 8 1 2 Inhaltliche Aspekte uurssssssnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnannnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 9 2 Berechnlingem dall u enrsenrssen sauna anne 10 2 1 Geb udeeimulatan anessnaenste een u 11 2 2 Simulationsmodell f r das Hybridenergiesystem seeeeeessseesrrrrrresserrrreree 14 2 3 Ermittlung optimaler Leistungswerte und Speichergr en 444 gt 25 2 4 Managementstrat
103. GENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions SCHMIDT amp WILLMES rws cn ker University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 der Steuerung an die Geb udeleittechnik erfolgte problemlos allerdings gestaltete es sich als schwierig komplexe Algorithmen wie sie f r den Betrieb des Energiezentrums mit dem Hybridenergiesystem ben tigt werden in Form von Skripten zu erstellen und in die Geb u deleittechnik zu integrieren Aufgenommene Messdaten beispielsweise mussten aufwendig in Excel Listen gespeichert werden bevor diese bei der Abarbeitung von Skripten genutzt werden konnten Durch die damit verbundene Nutzung verschiedener Rechenprozesse und Anwendungen wurden wertvolle Systemressourcen blockiert Die Software beinhaltet zwar die M glichkeit Systeme mit unterschiedlichen Kommunikationsschnittstellen und unabh n gig vom jeweiligen Hersteller in die Geb udeleittechnik zu integrieren allerdings lie en sich die entwickelten Algorithmen nur umst ndlich implementieren Programmiersoftware STEP 7 Geb udeleittechnik iBMS SIEMENS intelli bms Anwendung Touch Panel Siemens 1212C Abbildung 116 Testaufbau bestehend aus Geb udeleittechnik Touch Panel Siemens Steuerung Hardware Anwendung und Programmiersoftware STEP 7 Aus diesen Gr nden wurde nach einer alternativen L sung f r die Implementierung des Energiemanagements gesucht
104. GIE U WSSENSTRANSFER IM KREIS SOEST e V FPLANINHALT LAGEPLAN 1 1000 10C Abbildung 46 Lageplan des aktuellen Entwurfs zum Energiezentrum Erstellt werden soll das L f rmige zwei geschossige Geb ude aus vorgefertigten Modulen Diese Bauweise gestattet wegen der selbstragenden Konstruktion einen sehr flexiblen In nenausbau ohne tragende W nde Dadurch lassen sich Anpassungen an Vorgaben und W nsche von Mietern auch im Betrieb problemlos realisieren Die Fassade dieser Module kann in sehr unterschiedlichen Varianten gestaltet werden Gedacht ist hier an eine Mi schung aus Gr nfassaden und Stahl ggf in unterschiedlicher Farbgebung Aufgenommen 2014 02 28 Seite 54 von 235 Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences Gws U INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 wurde die Idee des zentralen und transparenten Technikraums der sowohl f r Passanten von Seiten der Werkstra e siehe Abbildung 47 unten als auch f r Besucher die das Ge b ude durch das Foyer betreten siehe Grundriss der Abbildung 48 direkten Einblick bietet und auch durch die bauliche Gestaltung deutlich sichtbar wird Die nutzbare Fl che betr gt nach den Vorgaben der Wirtschaft und Marketing Soest GmbH WMS rund 1 600m Die Bruttogeschossfl che liegt wegen des gro z gigen Foyers den notwendigen Erschlie Bungswegen s
105. GPSGV Verordnungen ber das Inverkehrbringen e 11 GVSGV Verordnung zum Ger te und Produktsicherheitsgesetz e Technische Regeln f r Betriebssicherheit TRBS e TRGS 720 technische Regeln f r Gefahrstoffe e TRBS 1111 Gef hrdungsbeurteilung e TRBS 1122 nderung und wesentliche Ver nderung von Anlagen nach 1 Abs 2 Satz 1 Abs 4 BetrSichV Ermittlung der Pr f und Erlaubnispflicht e TRBS 1201 Pr fung von Arbeitsmitteln und berwachungsbed rftigen Anlagen e TRBS 1201 Teil 3 Instandsetzung an Ger ten Schutzsystemen Sicherheits Kon troll und Regelvorrichtungen iSd Richtlinie 94 9 EG Ermittlung der Pr fnotwendig keit 814 Abs 6 BetrSichV e TRBS 1203 bef higte Person e TRBS 2152 gef hrliche explosionsf hige Atmosph re e TRBS 2152 Teil 3 Pr fung von Arbeitsmitteln und berwachungsbed rftigen Anla gen 2014 02 28 Seite 212 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 e TRBS 2153 Vermeidung von Z ndgefahren infolge elektrostatischer Aufladung vormals BGR 132 e BGV A3 elektrische Anlagen und Betriebsmittel 2005 e BGR 190 Berufsgenossenschaftsrichtlinie e DVGW Arbeitsblatt G 469 Druckpr fverfahren f r Leitungen und
106. Gef hrdungssituationen Transport e Anheben e Beladen e Verpacken e Transportieren e Entladen e Auspacken Montage und Installation In Betrieb neh men Einstellungen an der Maschine und deren Bauteilen Montage der Maschine Anschluss an die Entsorgungsanlage z B Abluftsystem Abwasseran lage Anschluss an die Energieversorgung z B Stromversorgung Druck luft Vorf hrung Beschicken Bef llen Einbringen von Hilfsfl ssigkeiten z B Schmier stoff Fett Klebstoff Anbringen von Schutzgittern Befestigen Verankern Vorbereitungen f r die Installation z B Fundamente Schwingungs isolierung Betrieb der Maschine ohne Last Pr fung Versuche unter Last oder H chstlast Einrichten Einlernen Teachen Pro grammieren und oder Um r sten Einstellen und Einrichten von Schutzeinrichtungen und weiteren Bau teilen Einstellen und Einrichten oder berpr fen der funktionalen Parameter der Maschine z B Geschwindigkeit Druck Kraft Fahroegrenzungen Festklemmen Befestigen des Werkst ckes Beschicken Bef llen Einbringen der Rohstoffe Funktionspr fungen Versuche Einsetzen oder Auswechseln von Werkzeugen Werkzeugeinstellung berpr fen der Programmierung berpr fen des Endproduktes Betrieb Festklemmen Befestigen des Werkst ckes Steuerung Inspektion Antreiben der Maschine Beschicken Bef llen Einbringen der Rohstoffe 2014 02 28 Seite 201 von 235 Cts INGEN
107. IEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES FIT ehe l maip S dwestfalen Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 manuelles Beladen Entladen geringf gige Einstellungs und Einrichtvorg nge bei den Funktionspa rametern der Maschine z B Geschwindigkeit Druck Kraft Fahrbe grenzungen geringf gige Eingriffe w hrend des Betriebs z B Entnahme von Ab fallprodukten Beseitigen von Blockierungen lokale Reinigung Betreiben der manuellen Steuerungseinrichtungen Wiederanlauf der Maschine nach Stillsetzen Unterbrechung berwachen berpr fen des Endproduktes Reinigung Instandhaltung Einstellungen Reinigung Desinfektion Demontage Ausbau von Teilen Bauteilen Einrichtungen der Maschi ne Sauberhaltung Energietrennung und ableitung Schmieren Austausch von Werkzeugen Austausch von Verschlei teilen erneutes Einrichten Nachf llen von Betriebsfl ssigkeiten berpr fen von Teilen Bauteilen Einrichtungen der Maschine Fehlersuche und beseitigung Einstellungen Demontage Ausbau von Teilen Bauteilen Einrichtungen der Maschi ne Fehlersuche Energietrennung und ableitung Wiederanlauf nach Ausfall der Steuerungseinrichtungen und Schutz einrichtungen Wiederanlauf nach Blockierung Reparaturen Ersatz von Teilen Bauteilen Einrichtungen der Maschine Rettung gefangener Per
108. IP 11 Soest Tillyweg 45 0 32 0 13 0 IP 12 Soest Emdenstra e 45 0 31 1 13 9 IP 13 Luisenstra e 45 0 32 8 12 2 IP 14 Soest Deiringser Weg 101 45 0 34 8 10 2 IP 15 Soest Deiringser Weg 100 45 0 36 1 8 9 IP 16 Soest Deiringser Weg 100 45 0 36 3 8 7 IP 17 Lanner Kordmannshof 45 0 33 7 11 3 IP 18 Deiringsen An der Schlenke 45 0 35 4 9 6 IP 19 Deiringsen An der Schlenke 45 0 36 1 8 9 2014 02 28 Seite 83 von 235 NGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES geh ui Al Fachhochschule l x TWS madp S dwestfalen Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences S Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 IP 20 Deiringsen Rennefeld 45 0 36 8 8 2 IP 21 Deiringsen Rennefeld 45 0 36 8 8 2 IP 22 Meiningsen Wiggenbrink 45 0 35 3 9 7 IP 23 Meiningsen Riskenweg 45 0 38 2 6 8 IP 24 Meiningsen Riskenweg 45 0 39 3 5 7 IP 25 Meiningsen Springstra e 45 0 34 6 10 4 IP 26 Blumenhof M ller 45 0 39 0 6 0 IP 27 Soest Meiningser Weg 95 45 0 43 7 1 3 F r die Absch tzung der Wirtschaftlichkeit eines Windenergieprojektes sind die erwarteten Volllaststunden beziehungsweise die erzeugten Energiemengen von entscheidender Bedeu tung Wie der in Tabelle 4 gezeigte Ausschnitt aus dem Ertragsgutachten f r zwei Anlagen vom Typ VESTAS V 112 mit einer Nabenh he von 140 Metern belegt sind mit den bliche
109. Linie als Ma verwendet Abbildung 40 zeigt die Werte der Steigungen entlang des Schnittpunktes mit der in Abbil dung 39 eingezeichneten Linie Hier ist zu erkennen dass die Verbesserung des Ausnut zungsgrades mit steigender Kapazit t bei kleinen Kapazit tswerten sehr hoch ist Ab einer Kapazit t von ca 75 kWh steigt der Ausnutzungsgrad mit zunehmender Batteriegr e dann kaum noch Somit l sst sich ableiten dass eine Kapazit t von 75 kWh eine gute Batterie ausnutzung mit angepasster Gr e verspricht 6 x 10 2r F F F F F Q De Men un ei ei u lt ji Be nt x Io wen Ul E 50 kWh 100kWh 150kWh 200kWh 250 kWh Batteriegr e Abbildung 40 nderung der Steigung bei Kapazit serh hung um 10kWh Wie schon erw hnt soll mittels der Batterie eine m glichst lange mittlere Einschaltdauer des Elektrolyseurs realisiert werden Aus diesem Grund wurde in der Simulation f r jede Batte riekonfiguration die Einschalth ufigkeit bestimmt und mit der Einschaltdauer verrechnet So mit ergeben sich f r jede Batteriekapazit t mittlere Einschaltdauern des Elektrolyseurs 2014 02 28 Seite 48 von 235 INGENI M1m EUR GMBH madp Concepts based on solid solutions Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences Cts SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 2
110. MIDT amp WILLMES fws E Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Ma bild Typische Anschlussvariante UMG96RM P 2 X he an OJ CI K1 K2 A 33 34 35 36 37 28 29 30 31 32 el Digital Ausg nge Digital Eing nge RS485 o Li aH 2i 83 UMG 96RM P r Be 2 gH E E Hilfsspannung Spannungsmessung Strommessung o i z N L Vi v2 V3 W n k 13 u 1 2 a 4 56 74 84 9t 104 11t 124 18194 A es y L1 Y p L 13 8 L3 Alle Ma angaben in mm N 230V 400V 50Hz Abbildung 127 Multifunktionaler Netzanalysator mit Anschlussm glichkeiten Bei spiel UMG 96RM der Firma Janitza Damit sind f r die Implementierung eines Kraftwerksystems ein Rechner mit entsprechenden Lizenzen der Programme Matlab Simulink ein Rechner mit den Programmen zur Datener fassung sowie die nach den vorstehenden Tabellen um bzw ausger steten Mittelspan nungsstationen erforderlich An laufenden Kosten ist mit ca 10 im Monat pro Messstelle f r die Anbindung ber das Mobilfunknetz zu rechnen Der Aufbau der Komponenten nach Ab bildung 123 sowie die Verschaltung zum System analog zur Abbildung 124 m ssten im Rahmen eines F amp E Projektes in Angriff genommen werden 2014 02 28 Seite 194 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of
111. Modell einer LiFePo Lithium Eisenphosphat Batterie entwickelt und zum anderen ein einfacher Ansatz mit Integrator implementiert Der vereinfachte Ansatz bildet den SoC der Batterie hnlich wie die Berechnung des Wasserstofff llstandes durch Integration des Batte riestromes und dem Skalieren des Ergebnisses auf die Speicherkapazit t Die Entwicklung des detaillierten Modells wurde mit Hilfe von Messungen an einer im Labor verf gbaren Bat terie durchgef hrt Die Dokumentation der Messung sowie die Erl uterung der verwendeten Gleichungen und Parameter ist 1 zu entnehmen In einem vereinfachten Ansatz wird der SoC in Analogie zum Wasserstoffspeicher durch Integration des Batteriestroms und der Ska lierung auf die Kapazit t der verwendeten Batterie realisiert 2014 02 28 Seite 22 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Ws M Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences B Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Pe nyarite Verluste P gt thfe i P 7 P Integrator UN tn dem rated WP Be Soc Pa W rmepumpe WP el Abbildung 12 Modell f r thermischen Speicher und W rmepumpe Abbildung 12 zeigt das Modell des thermischen Speichers der W rmepumpe und der dazu geh renden Steuerlogik Abh ngig vom Ladestatus des thermischen Speichers wird die in den Komponenten Elektrolyseur Brennstoffzelle Verdichter generierte Abw rme einge spe
112. PC Psoll Verdichter ein FC1 100 f lle aus Drucktank in Pufferspeicher nichts Hydrid Freigabe nein FC3 Vorg FC2 100 dicht Laborgas Input Verdichter aus Niederdruck Verdichter f lle f lle Hydridtank Drucktank f lle HD Puffer Abbildung 84 Funktionsablauf im Umfeld des Gasspeichers in graphischer Form Technisch gesehen ist die Sensorik und die Datenerfassung unproblematisch Von der prak tischen Umsetzung her gesehen kann die vorgesehene Kalibrierung aber durchaus noch kritisch werden Grund hierf r ist die Erfassung der Temperatur diese kann praktisch nur ber die Beh lter oder Rohrw nde und nicht im Gas direkt erfolgen Diese Bauteiltempera turen h ngen aber stark von den W rmekapazit ten und den Umweltbedingungen wie Au Bentemperaturen Sonnenschein Wind etc ab In der Praxis wird es daher zu erproben sein bei welchen Bedingungen die Messdaten einigerma en repr sentativ sind und in wie weit die Kalibrierung tats chlich f r eine Verbesserung der Situation sorgt Eine analoge Vorgehensweise ist aufgrund des besonderen Verhaltens beim Hydrid Speicher nicht m g lich Hier bieten Temperatur und Druck keine Kenngr e Daher muss der Speicherkontroller des Hydrid Speichers eine entsprechende F llstandskontrolle zur Kalibrierung bereitstellen Mit Hilfe der eingebrachten Sensorik l sst sich nat rlich nicht nur der Normalbetrieb steuern sondern es ist auch erkennbar wenn Betriebszust
113. S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 e 7 GPSGW Gasverbrauchseinrichtungen Umsetzung der zurzeit g ltigen Gasger terichtlinie e 9 GPSGV Maschinenverordnung Umsetzung der Maschinenrichtlinie e 14 GPSGV Druckger teverordnung Umsetzung der Druckger terichtlinie Der Begriff Gef hrdungsbeurteilung wird eindeutig in verschiedenen Verordnungen be nutzt Sie wird in den Richtlinien zum betrieblichen Arbeitsschutz nach Artikel 118a EG Vertrag gefordert Gef hrdungsbeurteilungen sind aktuell nach 3 Betriebssicherheitsver ordnung 5 Arbeitsschutzgesetz und 16 Gefahrstoffverordnung erforderlich Konkretisiert wird die Gef hrdungsbeurteilung auch in den in der Unfallverh tungsvorschrift Grunds tze der Pr vention BGV A1 genannte Anforderungen und beispielsweise in folgenden Verord nungen e Arbeitsst ttenverordnung ArbSt ttV e L rm Vibrations Arbeitsschutzverordnung L rmVibrationsArbSchV e Lastenhandhabungsverordnung LasthandhabV 13 5 1 Geltende Gesetze Vorschriften und Richtlinien e ArbSchG Arbeitsschutzgesetz e BauGB Baugesetzbuch e BBodSchG Bundesbodenschutzgesetz e BImSchG Bundes Immisionsschutzgesetz e GPSG Ger te und Produktsicherheitsgesetz e EEG Erneuerbare Energien Gesetz e WHG Wasserhaushaltsgesetz e BetrSichV Betriebssicherheitsverordnung e St rfallV St rfallverordnung e
114. Sicherheits Integrit tslevel DIN EN 62061 VDE 0113 50 Sicherheit von Maschinen funktionale Sicherheit sicher heitsbezogener elektrischer elektronischer programmierbarer elektronischer Steuerungs systeme Richtlinie 94 9 EG des Europ ischen Parlaments und des Rates zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten f r Ger te und Schutzsysteme zur bestimmungsge m en Verwendung in explosionsgef hrdeten Bereichen 13 5 3 Normen zum Explosionsschutz DIN EN 60079 10 1 VDE 0165 101 Explosionsf hige Atmosph re Teil 10 1 Einteilung der Bereiche Gasexplosionsgef hrdete Bereiche DIN EN 60079 14 VDE 0165 1 Explosionsf hige Atmosph re Teil 14 Projektierung Auswahl und Errichtung elektrischer Anlagen DIN EN 60079 17 Explosionsf hige Atmosph re Teil 17 Pr fung und Instandhaltung elektrischer Anlagen DIN EN 1127 1 Explosionsf hige Atmosph ren Explosionsschutz Teil 1 Grundlagen und Methodik DIN EN 14986 Konstruktion von Ventilatoren f r den Einsatz in explosionsgef hrdeten Be reichen DIN EN 62305 1 Blitzschutz Teil 1 Allgemeine Grunds tze IEC 62305 1 2010 modifiziert DIN EN 62305 2 Blitzschutz Teil 2 Risiko Management IEC 62305 2 2010 modifiziert 2014 02 28 Seite 214 von 235 NGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences S SCHMIDT amp WILLMES i c i faaam Al Fachhochschule l T W S madp S dwestfalen Realisie
115. TWS madp S dwestfalen Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 managementsystem sind auch die K hlmittelfl sse mit Druck und Temperatur von gro em Interesse In einem ersten Auswahlverfahren sind alle die Elektrolysesysteme ausgeklammert worden die aufgrund ihrer Leistungswerte H gt Betriebsdr cke und H Produktionsraten nicht ber die aus den Simulationen und Berechnungen vorgegebenen technischen Spezifikationen verf gen Auch Hersteller deren angebotene Elektrolyseure den Anforderungen entsprechen die sich jedoch auch nach mehrmaliger Anfrage nicht mit einem Angebot zur ckgemeldet haben werden im weiteren Auswahlverfahren nicht weiter ber cksichtigt Um die am Markt erh ltlichen Elektrolysesysteme besser vergleichen und ihre Eignung f r die geplante Anwendung beurteilen zu k nnen wurde das in Tabelle 8 zusammengefasste Datenblatt zur Abfrage der relevanten ger tespezifischen Kenngr en entwickelt Diese Ta belle wurde zusammen mit dem Fragenkatalog der Tabelle 9 der Punkte zu bestimmten Systemdetails und zum Betrieb des Elektrolyseurs erfasst allen in Frage kommenden Her stellern zur Beantwortung vorgelegt Die mit dieser Recherche zusammengetragenen Daten flie en in das Auswahlverfahren ein Tabelle 8 Datentabelle zur Abfrage ger tespezifischer Kenndaten Hersteller NAME Ger t
116. Verbindung an einen PC bertragen Der PC erfasst die Daten minutengenau und speichert sie tabellarisch mit Zeitstempel in nach Tagen separierten Text Dateien Die Daten lassen sich ber eine Remoteverbindung transferieren und auswerten Um die Messwerte zu 2014 02 28 Seite 44 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen oncaps based on solid solutions University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 verifizieren wurden die gemessen Minutenmittelwerte integriert und mithilfe der tagesgenau en Verbrauchsmessung des lokalen Energieversorgers verglichen Somit stehen Minutenmit telwerte des elektrischen Verbrauchs sowie der Erzeugung der PV Anlage des KonWerl seit dem 17 09 2013 zu Verf gung Abbildung 36 zeigt beispielhaft den gemessenen Tagesver lauf vom 27 09 2013 Mit Hilfe dieser Daten wurden die maximalen Abweichungen von den 15 Minuten Mittelwerten bestimmt Zur ausgewogenen Nutzung der Systemkomponenten Brennstoffzelle und Elektrolyseur wurde als erster Managementansatz eine Regelung im 15 Minuten Raster angestrebt Die Leistungsabweichungen innerhalb der Viertelstunde und die Leistungen welche aufgrund von Einschaltschwellen nicht von Brennstoffzelle oder Elektrolyseur verarbeitet werden k n nen m ssen folglich von der Batterie aufgenommen werden Aus der Summe der maxima len Abweichun
117. Verdichter o Welche Arbeiten Austausch von Teilen umfasst der Standardservice o Wie gro sind die Wartungsintervalle o Wie gro ist der Platz Raumbedarf o Indoor Outdoor Aufstellung o Ger uschpegel des Systems Tabelle 10 Auswahl der in Frage kommenden Elektrolyseure ErreDue Hydrogenics Diamond Onsite 2x G10 HyStat 15 10 HOGEN C20 Verfahren AEL AEL PEMEL H2 Produktions rate Nm h 13 2 1a 20 ac 20 100 40 100 0 100 von bis H2 Gasreinheit 5 0 5 0 5 0 H2 Druckniveau am Elektrolyseur 12 10 30 Ausgang bar Spezifischer Verbrauch 5 3 5 4 5 5 kWh Nm H2 Systemver brauch 0 5 0 4 0 2 kWh Nm H2 Standbyver brauch 0 2 0 2 1 0 kWh Nm H2 a 3 400V 50Hz 3 400V 50Hz 3 400V 50Hz pezifikation El Leistungs aufnahme kW 2x35 120 110 Lebensdauer Stack h 35 000 60 000 60 000 Wartungsinter 0 5 0 5 1 valle a Betriebstempe ratur C 65 40 40 Datenerfassung Profibus oder Modbus Profibus Modbus Steuerung Rosen 225 000 325 000 386 400 gesamt 2014 02 28 Seite 98 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 In der Tabelle 10 sind die nach Vorauswahl und R ckmeldung der angefragten Hersteller zum Vergleich stehenden Elektrolysesys
118. Verh ltnis von Nutzen zu Aufwand F r den Elektrolyseprozess l sst sich der Wirkungsgrad als Produkt aus dem Faraday Wirkungsgrad und dem Spannungs Wirkungsgrad beschrei ben Der Faraday Wirkungsgrad ist das Verh ltnis von dem tats chlich zur Wasserstoffer zeugung nutzbaren Stromanteil zur Summe der durch die Verluste beschreibbaren Stroman teile bergangswiderst nde Gaskan le Der Spannungs Wirkungsgrad ist das Verh ltnis von Zersetzungsspannung zu Klemmenspannung Diese Wirkungsgraddefinitionen beziehen sich nur auf den eigentlichen Wasserstofferzeu gungsprozess und entsprechen damit etwa einem Zellwirkungsgrad F r die Bewertung der Effizienz der zu vergleichenden Elektrolysesysteme muss der Energiebedarf aller in der Wasserstofferzeugungskette befindlichen Aggregate und Systemkomponenten mit ber ck sichtigt werden Hierzu geh ren Hilfsaggregate wie Pumpen und L fter alle Komponenten der Gasreinigung und Gastrocknung sowie der weiteren Wasseraufbereitung Die Summe der Einzelverbr uche aller ben tigten Systemkomponenten und Aggregate zur Wasserstof ferzeugung wird als spezifischer Energieverbrauch in Kilowattstunden kWh pro Normku bikmeter Nm Wasserstoff KWh Nm H angegeben Diese Gr e ist aus technischer Sicht der Wert der zum objektiven Vergleich der verschiedenen Verfahren bzw Ger te her angezogen werden muss Damit ist die oft gef hrte Diskussion ob Brennwert oder Heizwert des Gases als Bezugspunkt gew hl
119. Versorgung mit Medien immer ber die glei chen Komponenten erfolgt ist die Anzahl der Stacks pro Modulrahmen sicher begrenzt und insbesondere bei kleinen Leistungen ergeben sich hohe spezifische Kosten da die Kompo nenten f r den weiteren Ausbau bereits vorhanden sind Auf weitere Details wird im Folgen den noch n her eingegangen Wie in Abbildung 89 dargestellt werden die Module so ausgestattet dass alle Funktionalit ten welche f r den Betrieb eines Brennstoffzellenstacks ben tigt werden vorhanden sind Die Luftversorgung beinhaltet einen Luftfilter ein Gebl se und einen Befeuchter um den Feuchtehaushalt auch bei Extrembedingungen z B Temperaturen ber 60 C zu gew hr leisten Auf der Wasserstoffseite wird der Eingangsdruck f r die Anodenseite aufbereitet und bereitgestellt Die K hlung des Systems basiert auf einem Plattenw rmetauscher welcher so eingesetzt wird dass z B ein zentrales K hlsystem angebunden werden kann Die elektri sche Verbindung zum Verbraucher kann je nach Typ des Verbrauchers entweder durch ei nen Wechselrichter oder einen Gleichspannungswandler realisiert werden F r den Betrieb und die Steuerung bzw Regelung enth lt jedes Modul die notwendige Sensorik sowie eine Steuereinheit die daf r sorgt dass der Brennstoffzellenstack optimal betrieben wird Ebenso ist in dieser Steuerung eine Kommunikationsschnittstelle vorgesehen die Daten von au en abfragt oder Statussignale sendet Sollte die Leistun
120. Vorgehensweisen gehen die folgenden Abschnitte kurz ein Verz gerungen gab es vor allem durch den Standortwechsel Dadurch war der konkrete Pla nungsentwurf f r das Geb ude des Zentrums erst sehr sp t verf gbar was insbesondere bei der Detaillierung der technischen Geb udeausstattung ISW und der Integration der Ener gieerzeugung mdp dazu gef hrt hat dass die Arbeiten nicht zum geplanten Zeitpunkt ab geschlossen werden konnten Diesem Aspekt wurde durch eine dreimonatige kostenneutrale Verl ngerung Rechnung getragen Ansonsten gab es lediglich zeitliche Verschiebungen bei der endg ltigen Fertigstellung einzelner Arbeitspakete da zum Teil abschlie ende Gespr che mit Herstellern oder Sicherheitsfachkr ften eine l ngere Vorlaufzeit brauchten als ur spr nglich veranschlagt 1 1 Organisatorische Aspekte Mit Beginn des Projektes wurden im zweiw chigen Abstand 2 3 st ndige Treffen vereinbart Dabei wurde ohne formale Tagesordnung gearbeitet Die Auswahl und das Zeitbudget f r die einzelnen inhaltlichen Punkte wurden durch das Projektmanagement gesteuert Die regel m igen Projekttreffen aller Beteiligten haben wesentlich zum Projekterfolg beigetragen Dabei sind mehrere Aspekte positiv zu vermerken Bei der Vielzahl von Beteiligten dienten die Treffen zun chst auch dem Kennenlernen sowie dem Abbau von Hemmschwellen Die Besprechung relevanter Themen in der Gruppe war auch Garant daf r dass trotz der breit gef cherten Arbei
121. WSs zu betrachten Hier sind insbesondere m gliche Betriebsstrategien sowie die Auswirkungen auf ein algorithmisches Management siehe Kapitel 2 2 bis 2 6 relevant 2014 02 28 Seite 185 von 235 Fachhochschule S dwestfalen NGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences S SCHMIDT amp WILLMES i rws Aa BEE Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Tabelle 26 Auswahl relevanter Kraftwerkskomponenten f r ein Kraftwerkssystem Typ Hauptgruppe Untergruppe Feste Zeitvertr ge Zeitabh ngig F Situationsabh ngig Vertr ge Leistungskosten Sondervertr ge Abschaltbare Lasten Verbraucher Lasten Wohnh user Neubaugebiet Gewachsene Wohngebiete Handel und Gewerbe Innenstadt Einkaufszentren Outlet Center Produzierendes Gewerbe Handwerk und Kleinbetriebe Gewerbemischgebiet Mittelstand und leichte Industrie Einzelunternehmen Brauerei Metallverarbeitung Schwimmbad Liegenschaften Hochschulen Schulzentren Krankenh user Erzeuger Wind Kleinwindanlage horizontal amp vertikal WKA Binnenland amp Offshore Solaranlage Dachanlage Fassadenanlage Nachgef hrte Systeme Solarthermie Kraft W rmekopplung Motor BHKW Brennstoffzellen BHKW Wasserkraft Laufwasserkraftwerke Pumpspei
122. Wechsel richter Die DDC der R ckverstromung soll weder die Brennstoffzellen noch die Wechselrichterbe triebsf hrung im Detail bernehmen Insbesondere die Regelung der Brennstoffzelle ist eine komplexe Aufgabe mit vielen Einzelkomponenten f r deren Bew ltigung der Hersteller einen aufwendigen teils ber Jahre optimierten Algorithmus in der Steuereinheit hinterlegt Prinzi piell w rde es aus Sicht des Energiemanagements ausreichen wenn der Wechselrichter die Steuersignale entsprechend umsetzt Dabei kann es aber passieren dass die Leistungsan forderung ber die aktuellen M glichkeiten des Brennstoffzellensystems hinausgeht Diese ist abh ngig vom Betriebspunkt und wird durch das Brennstoffzellensystem aus der Tempe ratur Feuchte und weiteren Betriebsparametern berechnet Es obliegt der DDC der R ck verstromung diesen Betrieb zu koordinieren Hierzu werden wie in Abbildung 88 vereinfacht dargestellt verschiedene Register von beiden Einzelkomponenten bereitgestellt F r den Betrieb werden vor allem Statuswerte Fehler und Istwerte ben tigt Der Wechselrichter hin gegen braucht neben den Statusregistern auch eine Sollwertvorgabe die zur Steuerung der R ckverstromung ber das Management dient Weitere Parameter k nnen je nach Hersteller ggf abweichen bzw dazukommen Auf die gegen ber dem Managementsystem aufzubau ende Kommunikation mit ihren einzelnen Daten und Statussignalen wird in Kapitel 8 n her eingegangen siehe auch
123. Z hlersystem zur Bilanzierung Tabelle 40 Kostenzusammenstellung f r das Z hlersystem Bezeichnung Berechnung Preis Elektrische Z hler 9 St 850 7 650 00 W rmemengenz hler Heizung 10 St 850 8 500 00 W rmemengenz hler K hlung 5 St 850 4 250 00 Summe 20 400 00 2014 02 28 Seite 220 von 235 NGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences S SCHMIDT amp WILLMES i F ui Al Fachhochschule l x TWS madp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Der Industrie PC zur Z hlerdatenerfassung siehe Kapitel 8 2 wurde im Prozesssystem Kapitel 14 2 5 Tabelle 39 mit ber cksichtigt Die Zahl der Z hler und deren Position sind in Abbildung 111 Abbildung 112 und Abbildung 113 dargestellt 14 2 7 Labor und Sicherheitstechnik Tabelle 41 Kostenzusammenstellung f r Wasserstoffraum berwachung und die Laborverrohrung Bezeichnung Berechnung Preis Raum berwachung Wasserstoff 6x 750 4 500 00 Steuerbox f r die Sensoren 1 700 00 Installation Anschluss und Abnahme 850 00 Abluftventilation mit EX Schutz 2 x 5 500 11 000 00 Verrohrung in Labor und Technikraum 200 m x 75 m 15 000 00 Summe 33 050 00 Bei der Raum berwachung handelt es sich um Wasserstoffsensoren die aktiv werden be vor sich ein z ndf higes Gemisch bildet Diese we
124. Zusammenhang mit dem Energiezentrum S dwestfalen innerhalb von 12 Monaten m glich 2014 02 28 Seite 84 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES H Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences S Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Abbildung 67 Lageplan des Umspannwerkes zum Anschluss der geplanten WEA Aufgrund der neuen Gesetzgebung des Bundes hinsichtlich der planerischen Belange kann die Stadt Soest eine Windvorrangzone aber nur rechtssicher ausweisen wenn das gesamte Stadtgebiet von gutachterlicher Seite in Bezug auf die Nutzung von Windenergie untersucht wurde Aus diesem Grunde wurde in 2013 erg nzend zu den beschriebenen Arbeiten eine Potentialstudie Windenergie in Auftrag gegeben um die zur Ausweisung m glichen Fl chen insgesamt herauszuarbeiten Dazu wurden in Abstimmung mit der Stadt und dem Gutachter genaue Kriterien festgelegt woran sich die Potentialgebiete orientieren m ssen insbesonde re wurden Abstandsfl chen zu Wohngebieten und Schutzzonen definiert Daraus ergeben sich Zonen unterschiedlicher Eignung die in die im Folgenden genannten Klassen aufgeteilt wurden e Harte Tabuzonen sind diejenigen Teilr ume bei denen objektive und oder rechtli che Gr nde einer konzentrierten Nutzung von Windenergie grunds tzlich entgegen stehen Diese Bereiche sind somit un
125. a in NRW ans ssig ist Hydrogenics GmbH bietet Brennstoffzellensysteme in den verschiedenen Leistungseinstu fungen an F r einen ordnungsgem en Betrieb der R ckverstromung k nnte ein einziges 16 5 kW Modul zum Einsatz kommen Diese Systemarchitektur bringt zwei essentielle Nach teile mit sich Zum einem bietet diese Systemanordnung keine Reserven bei einem Ausfall der Brennstoffzelle und zum anderen ist die Lebensspanne des Stacks erheblich limitiert Ausgehend von den Ergebnissen des Berechnungsmodells bel uft sich die durchschnittliche Betriebsdauer des Brennstoffzellensystems auf knapp 3000 h im Jahr Dies hat zur Folge dass lediglich 3 3 Jahre Betriebszeit abgedeckt werden k nnen 10 000 h tpz e Sn SEA 3 a 3 000 a Wenn allerdings das Brennstoffzellensystem so auslegt wird dass mehrere Module kaska diert werden entsteht zum einen eine Redundanz z B bei Ausfall eines Moduls oder bei der Stilllegung f r Wartungszwecke und zum anderen wird die Standzeit des Gesamtsystems verl ngert weil im Teillastbereich nicht immer zwei Module betrieben werden m ssen und eine Verteilung der Betriebszeiten m glich wird wear levelling Wird ein System mit jeweils zwei Modulen 8 5 kW eingesetzt ergibt sich eine Lebenserwartung von mindestens 4 5 Jahren Zwar bleibt die Gesamtbetriebszeit bei 3 000 h im Jahr nach den Ergebnissen der Berechnungen liegt die Leistungsanforderung aber nur w hrend 1 400 h oberhalb von 8 5 kW In den ve
126. abei wurde ber die grafische Darstellung auch mit angegeben ob ein W rmetauscher zum Ein satz kommt oder ein direkter Durchfluss des K hlmediums vorgesehen ist Die Einbindung des Hydrid Speichers als Puffertank vergl Kapitel 6 2 2 3 wurde durch den doppelten W rmetauscher angezeigt da die W rme aus dem Prozess erst an den Speicher abgege ben wird und dieser dann ber einen W rmetauscher in das System eingebunden wird 2014 02 28 Seite 180 von 235 Fachhochschule S dwestfalen INGENIEUR GMBH University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES rws H Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 AUT Anlagen WRG mi Roalonswmelzuscher Tankstelle Labor und B rogeb ude ie Hr u i Ezi Erisonden 28 Bohrungen 100m Tiefe Orucktatung FEntgasung Nachspeisung Abbildung 120 Strangschema zur Hydraulik der verschiedenen Systeme im Energiezentrum Originalgr e und Legende siehe An hang 2014 02 28 Seite 181 von 235 Bin en Al Fachhochschule Ws 3 T W S L maip S dwestfalen ESN INGENIEUR GMBH us SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Realisierungskonzept f
127. age ist allerdings mit 9 7 m Nabenh he und einer Gesamth he von 14 25 m sehr niedrig Hier m sste berpr ft werden ob ein um ca 5 m h herer Aufbau realisierbar ist und welche zu s tzlichen Kosten dadurch entstehen Das wegen der geraden Rotorbl tter etwas langweili ge Aussehen k nnte durch eine entsprechende farbliche und graphische Gestaltung auf gewertet werden 4 2 2 Konventionelle Windkraft Nach einer Studie der Deutsche WindGuard GmbH ist bei aktuellen Gro anlagen an Land mit Investitionskosten von rund 1200 kW und Investitionsnebenkosten von 374 kW zu rechnen 11 Da bei diesen Anlagentypen von mindestens 2000 Volllastsunden ausgegan gen werden kann ergeben sich 2000kWh kW Bezogen auf die genannten Investitionskosten resultieren hieraus spezifische Kosten in H he von 1 574 kW und 0 79 kWh Ein Ver gleich mit den in Tabelle 2 gemachten Angaben zu den entsprechenden Werten von Klein windanlagen macht klar dass die zur Versorgung des Zentrums notwendige Windenergie alleine schon aus konomischen Gr nden ber Gro windanlagen erfolgen sollte Hinzu 2014 02 28 Seite 80 von 235 Fachhochschule S dwestfalen INGENIEUR GMBH University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES fws E Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 kommt dass die Fl che am Standort des Zentrums auch nicht ausreichen w rde um die ben tigte Zahl von Anlage
128. alisiert Das Druckniveau im Niederdruckbereich wird ber Pn1 ber wacht Steigt der Druck ber den eingestellten Maximalwert von knapp unter 12 bar wird der Verdichter eingeschaltet Der Vorspeicher ist so auszulegen dass dann eine Mindestein schaltzeit von einer Stunde garantiert ist Da der Verdichter keine Leistungsregelung hat entspricht dies bei einem F rderstrom von 15 Nm h einem verf gbaren Volumen von 15 m Allerdings kann es im ung nstigsten Fall vorkommen dass unmittelbar mit dem Einschalten des Verdichters auch die R ckverstromung mit voller Leistung l ngerfristig in Betrieb geht Dies entspricht dann einem zus tzlichen Gasstrom von 13Nm h oder weiteren 13 m Puffer volumen Wird nach den oben genannten Randbedingungen mit einer Sicherheitsreserve 2014 02 28 Seite 128 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 von 2 bar z B f r Str mungsverluste gerechnet m ssen die 28 m bei einem AP von 7 bar 12 bar 5 bar bereitgestellt werden Das entspricht dem gew hlten geometrischen Volu men von 4 m Sollte in einer solchen Betriebssituation noch zus tzlich Gas f r den Laborbe trieb angefordert werden kann diese Anforderung je nach Betriebserfahrung auch bewusst gesperrt werden Auf
129. alkalischer Basis erw gt worden ist wurden dynamische Modelle f r beide Elektrolyseurtypen implementiert Da das Modell eines PEM Elektrolyseurs sich nur im De tail hier vor allem in der sehr detaillierten Modellierung des Stoffflusses von der Modellstruk tur der PEM Brennstoffzelle unterscheidet sei an dieser Stelle f r die detaillierte Beschrei bung auf 1 verwiesen System bedarf Thermisch Leistung Abbildung 11 Empirisches Brennstoffzellenmodell Auch der alkalische Elektrolyseur l sst sich mit Hilfe eines U I Modells der Wasserstoffer zeugung und der Erzeugung von Abw rme beschreiben Abweichend muss bei der Betrach tung der Partialdr cke zus tzlich die Konzentration des Kaliumhydroxids in den Kan len be r cksichtigt werden Ebenso unterscheidet sich die Modellierung der Spannungsverluste da die Leitf higkeit des Elektrolyts und die Austauschstromdichte an der Anode und der Katho de durch die Konzentration der Kalilauge beeinflusst werden Die Modellierung der Wasser stofferzeugung erfolgt unter Ber cksichtigung des Faraday Wirkungsgrads in Analogie zum Brennstoffzellenmodell Zur Abbildung der erzeugten Abw rme wurde mit Hilfe des Energie erhaltungssatzes und unter Annahme einer konstanten Elektrolyseurtemperatur eine Diffe renzialgleichung zur Berechnung der ben tigten K hlleistung Abw rme Leistung aufge stellt TaT RT elek Qab ne Uzelle Urn a 2014 02 28 Seite 21 von 235 INGENIEUR GM
130. allhydridspeichern unterliegt bestimmten Rahmen bedingungen So nehmen Metallhydride den Wasserstoff nicht mit einem konstanten Fluss auf sondern die Wasserstoffaufnahme l sst sich n herungsweise mit einer abnehmenden Exponentialfunktion beschreiben Zu Beginn nimmt das Speichermaterial gro e Mengen Wasserstoff auf wodurch sehr gro e Fl sse auftreten Diese k nnen abh ngig von der Speichergr e 60 Nm h berschreiten Aufgrund der technischen Rahmenbedingungen der Durchflussmessung und um den im Rohrleitungssystem auftretenden Druckverlust zu be grenzen wird der Durchfluss auf einen Maximalwert von 60 m h begrenzt Bei der Beladung ist ein Mindestdruck von 25 bar erforderlich Bei der Wasserstoffaufnahme durch die Metall hydride handelt es sich um einen exothermen Prozess Die frei werdende W rme muss aktiv abgef hrt werden da sich eine Erw rmung negativ auf die Geschwindigkeit der Wasser stoffaufnahme im Tank auswirkt Daher ist die Bereitstellung einer geeigneten K hlleistung erforderlich Die im Speicher der Fahrzeuge verwendete Metallhydridlegierung der Firma GfE vom Typ Hydralloy C5 gibt pro kg Wasserstoffaufnahme eine W rme von 15 15 MJ ab F r eine Vollbeladung des Fahrzeugspeichers ergibt sich somit eine W rmemenge von etwa 3 9 kWh die ber das K hlsystem abgef hrt werden muss Vorgesehen ist die Versorgung einer Flotte von 5 Fahrzeugen mit einer Jahreskilometerzahl von jeweils 5000 km mit Wasserstoffantrieb Basiere
131. amp WILLMES Erw Eu Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Abbildung 63a zeigt eine Anlage mit sechs Bl ttern mechanischer Blattverstellung und einer Nennleistung von 3 3 kW bei einer Windgeschwindigkeit von 10 m s der Firma WinDual die speziell f r Schwachwindstandorte entwickelt wurde Die Anlage weist im Vergleich zur Nennleistung eine gro e Rotorfl che auf und verspricht dadurch auch bei geringen Wind st rken relativ hohe Ertr ge Bei der in Abbildung 63b dargestellten Anlage vom Typ Skystream3 7 handelt es sich um einen sehr seltenen LUV L ufer d h der Rotor dreht sich auf der windabgewandten Seite des Masts Dadurch stellt sich die Anlage ohne weitere Komponenten automatisch in den Wind Die Nennleistung ist mit 2 4 kW bei 12 m s angege ben b Abbildung 63 Beispiele f r Mikrowindanlagen besonderer Bauart mit horizontaler Achse Bildquellen Webseite bzw Anlagenprospekt Auch bei den Anlagen mit vertikaler Achse gibt es unterschiedliche Anlagenbauformen Bei den tats chlich verf gbaren Anlagen in der gew nschten Leistungsklasse sind zwei Anla gentypen anzutreffen Zum einen die Anlagen mit klassischem Heidelbergrotor also gera den senkrechten Bl ttern mit gleichm igem Profilquerschnitt wobei mindestens drei Bl tter zum Einsatz kommen und zum anderen Anlagen mit gebogenen s f rmigen Bl ttern Ab bildung 64a zeigt einen Typus mit 5 Bl ttern
132. annungsseite 193 Tabelle 29 Tabelle m glicher Gef hrdungen aus ISO 12100 2010 Anhang B die als allgemeine Checkliste verwendet werden kann ssssssseeeeeeeenen 198 Tabelle 30 Tabelle m glicher Gef hrdungssituationen su24444 44 nnnnnnnnennnnn 201 Tabelle 31 Tabelle m glicher Gef hrdungsereignisse uusssssnsssennnnnnnnnnnnnnnnn 203 Tabelle 32 Beispiel einer Matrix zur Risikoeinsch tzung gem der in Kapitel 13 3 3 1 beschriebenen Vorgehensweise 2444suunnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 206 Tabelle 33 Ausfallgrenzwerte f r eine Sicherheitsfunktion in der Prozessindustrie die in der Betriebsart mit niedriger Anforderungsrate betrieben wird Low Demand segs enese ea 209 Tabelle 34 Obere Hierarchie der Kostengruppen nach DIN 276 uuueussss nn 215 Tabelle 35 Kostenzusammenstellung f r die Elektrolyse uuuusunnns seen 218 Tabelle 36 Kostenzusammenstellung f r die Druckgasspeicherung 219 Tabelle 37 Kostenzusammenstellung f r R ckverstromung und Batterie 219 Tabelle 38 Kostenzusammenstellung f r die Einbindung ins W rmemanagement 219 Tabelle 39 Kostenzusammenstellung der Hard und Software f r das SteuerungSssystem ernennen ee 220 Tabelle 40 Kostenzusammenstellung f r das Z hlersystem nenn 220 Tabelle 41 Kostenzusammenstellung f r Wasserstoffraum berwachung und die LaBo verr h
133. ar Home System als einfaches Beispiel f r ein aus den Grundbausteinen zusammengesetztes Kraftwerksystem 188 Netzwerkarchitektur Lastgruppen Kraftwerksystem ssessseeereeeeserrree 189 M gliche Basis f r ein Anbindungsmodul des Kraftwerksystems 192 Multifunktionaler Netzanalysator mit Anschlussm glichkeiten Beispiel UMG 96RM der Firma Janitza uuunuene 194 Leerformular der DIN EN 14121 2 zur Identifizierung von Gef hrdungen anneeeasaaeandaneree 204 Beispiel eines Risikographen zur Einsch tzung des Risikos 207 Leerformular f r einen Risikographen der DIN EN 14121 2 208 Risikograph Methode zur Einstufung des SIL 17 210 Kostensch tzung f r das Energiezentrum nach DIN 276 Besonderheiten siehe Text 444444444n nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 216 Druckspeicherkomponenten als Beispiel f r die Kostenermittlung zum Realisierungsk nzept nun 217 Seite 231 von 235 Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences Concepts based on solid solutions tws A E SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 16 Tabellenverzeichnis Tabelle 1 Kriterienkatalog zur Auswahl der Windkraftanlagen und Gewichtung d r PUNKTE 2 ea 75 Tabelle 2 Vergleichstabelle f r ausgew hlte Anlagentypen Ber
134. arisch ein Pumpenhaus angef hrt das auf verschiedene kleine Aggrega te wie z B Pumpeinheiten zur ckgreift Diese Aggregate sind anschlie end wieder in Be triebsmittel Einheiten Komponenten unterteilt System Aggregat Einheit Pumphaus Pumpeinheit Pumpe Aa Abbildung 93 Exemplarische Darstellung zur Untergliederung des verfahrenstech nischen Kennzeichnungsschl ssels Nach dem Prinzip der VGB Leitlinien wird so der gesamte Kraftwerksprozess von links nach rechts in verschiedene Gliederungsstufen unterteilt Die f r die einzelnen Gliederungsstufen System Aggregat und Betriebsmittel entsprechenden Elemente und zugeh rigen Bezeich nungen sind in einem erweiterten Schl sselteil siehe Anhang festgelegt und teilen sich in drei Gruppen auf e Funktions Schl ssel Angewendet auf F4 F4 F2 F F2 F3 e Aggregat Schl ssel Angewendet auf A A A2 e Betrieosmittel Schl ssel Angewendet auf B B4 B2 Im Gegensatz zu den klassifizierenden Kennzeichnungselementen beschreiben die Daten punkte G Fo Fn An As und By numerische Elemente siehe Abbildung 94 Diese Elemente weisen den gleichen Systemen Aggregaten und Betriebsmittel Einheiten Komponenten eine fortlaufende Nummer zu 2014 02 28 Seite 149 von 235 INGENIEUR GMBH Concepes based on sl shions University of Applied Sciences B SCHMIDT amp WILLMES H AAT Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierun
135. asierend auf der GPRS Technologie ausgew hlt Messger te und Steue rungen welche sich in der Gro windkraftanlage befinden k nnen direkt ber Ethernet an den Industrierouter angeschlossen werden Durch einen VPN Tunnel welcher auf dem In dustrie PC C6650 eingerichtet ist besteht die M glichkeit ber das Internet auf den Indust rierouter und somit auf die Daten der Windkraftanlage zuzugreifen ohne dass Fremde Zu griff auf die Daten erhalten Bei Nutzung dieser Technologie m ssen monatlich anfallende Mobilfunkproviderkosten ber cksichtigt werden struktur MoRoS Gro windkraftanlage Industrierouter PARRE Energiezentrum 5 Energiezentrum i Messger t lt Be Da O E TE En senesi i Automatisierungs l ooo l l Abbildung 110 Anbindung der Gro windkraftanlage an die Automatisierungsstruktur des Energiezentrums Auch wenn in den lokalen Steuereinheiten alle Messwerte zur Bilanzierung der Energienut zung zur Verf gung stehen sollen zur Bildung elektrischer und thermischer Bilanzen dedi zierte Z hler eingesetzt werden Diese berlegung geht auf die im Projekt Energiepark KonWerl gemachten Erfahrungen zur ck Die zyklische Abfrage von Datenpunkten zur Er 2014 02 28 Seite 164 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES H raU Fachhochschule l N T W S mdp S dwestfalen Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf
136. atur der Hei zung bei 35 C Mit einer Gr digkeit von 20 C steht ausreichend Spielraum f r eine optimale Temperierung des Systems zur Verf gung Hinzu kommt dass die relativ konstante Wasser temperatur des Heizungssystems das Brennstoffzellensystem auf einem g nstigen Tempe raturlevel halten kann und es dann m glich ist das System schnell vom Ruhezustand in den Betriebspunkt zu bringen Deionisierer Brennstoffzellen system _f Heizungssystem G Abbildung 87 Brennstoffzellenk hlsystem Im Bereich der Brennstoffzellen muss f r die K hlung de ionisiertes Wasser eingesetzt wer den Daher wird zur Entkopplung vom Heizsystem ein Edelstahlw rmetauscher ben tigt Der brennstoffzellenseitige Teil des K hlkreislaufs Prim rseite wird durch das System selber gesteuert und geregelt Wasserpumpe und Ventile F r die Startphase k nnen die Ventile so geschaltet werden dass das K hlmedium in einem Bypass an dem W rmetauscher vor bei gef hrt wird um so einen schnelleren Temperaturanstieg des Stacks zu erm glichen Hinzu kommt dass der Wasserfluss durch die Wasserpumpe automatisch mitgeregelt wird Es ist deshalb lediglich darauf zu achten dass die Sekund rseite Heizungssystem einen entsprechenden Wasserfluss bereitstellt um eine Abw rme von maximal 13 5 kW je Modul abzuf hren Hierzu wird der Fluss auf der Sekund rseite ber ein Steuerventil beeinflusst Die notwendigen Informationen wer
137. aulische Trennung dieser Systeme erzielt Dies ist notwendig um das System regelungstechnische sauber abzugrenzen da die jeweiligen Sys teme teilweise mit unterschiedlichen Fl ssigkeiten gef llt sind Wasser oder Wasser Glykol Gemische Die W rmeverteilung erfolgt f r die Heizdecken und Fu bodenheizung ber eine Dreiwege Beimisch Schaltung mit Mischventil Die Temperatur des Heizkreises wird abh ngig von der Au entemperatur geregelt ber die Einzelraumregelung wird in der zentralen Regelungs technik erfasst ob ein Heizbedarf im Geb ude vorhanden ist Somit handelt es sich um eine bedarfsabh ngige Regelung der Heizungstechnik Die Auslegungstemperaturen befinden sich auf einem m glichst niedrigen Niveau und erlauben so die optimale Einbindung der Ab w rme aus den o g Systemen der Wasserstofftechnik Die Heizregister der Teilklimaanlagen werden ebenfalls aus der Heizungsverteilung mit W rme versorgt Die Regelung des Bedarfs erfolgt direkt am Register ber eine Dreiwege Beimisch Schaltung mit konstantem Massen strom ber das Heizregister und Anpassung der Temperatur abh ngig von der geforderten Leistung in der jeweiligen RLT Anlage 2014 02 28 Seite 183 von 235 jo Al Fachhochschule l Hy madp S dwestfalen ale ee ea Ba Er SE University of Applied Sciences Fr SCHMIDT amp WILLMES z Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Bei Bedarf erfolgt ber die Syste
138. benannten Stelle hinterlegen Gem der Richtlinie 94 9 EG sollen in den Unterlagen folgende Dokumente enthalten sein e Risikoanalyse nach EN 1127 1 e Tabelle ber die Bewertung der Z ndgefahren e Eine allgemeine Beschreibung des der Ger tes Ger te e Entw rfe Fertigungszeichnungen und pl ne von Bauteilen Montageunterlagen usw e Beschreibungen und Erl uterungen die zum Verst ndnis der genannten Zeichnun gen und Pl ne sowie der Funktionsweise der Ger te erforderlich sind e Eine Liste der ganz oder teilweise angewandten Normen sowie eine Beschreibung der zur Erf llung der Sicherheitsaspekte der Richtlinie gew hlten L sungen soweit Normen nicht angewandt worden sind e Die Ergebnisse der Konstruktionsberechnungen Pr fungen usw e Pr fberichte e _Konformit tserkl rung 2014 02 28 Seite 196 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 13 3 Beschreibung der Gefahrenanalyse Grundlage f r die Vorgehensweise und die durchzuf hrenden Arbeiten im Rahmen einer Gefahrenanalyse sind folgenden Normen DIN EN ISO 12100 2011 03 Sicherheit von Maschinen Allgemeine Gestaltungsleits tze Risikobeurteilung und Risikominderung und DIN ISO TR 14121 2 Sicherheit von Maschinen Risikobeurteilu
139. betriebsbereit bzw f llt aufgrund notwendiger Wartungsarbeiten bzw Reparaturen aus e Peripherie Welche Betriebsmedien sind neben der elektrischen Energie notwendig z B Stickstoff zum Sp len Druckluft zum Steuern von Ventilen etc F r die hier angestellten Betrachtungen wird der Nutzen nur im produzierten Wasserstoff gesehen Wie die durchgef hrten Untersuchungen ergeben haben l sst sich der produzierte Sauerstoff nicht gewinnbringend verwerten Zus tzliche Investitionen z B in die Komprimie rung und Abf llung des Gases oder extreme Anforderungen an die Reinheit z B bei der me dizinischen Verwendung verhindern eine wirtschaftlich attraktive Verwendung 5 1 1 Alkalische Elektrolyse AEL Die alkalische Elektrolyse ist das heute dominierende Verfahren zur elektrolytischen Was serstoff Erzeugung Abbildung 68 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Elektrolysezelle In einer konventionellen Elektrolysezelle bestehen die Elektroden 4 aus perforierten Blechen mit einer m glichst por sen Oberfl che Die Elektroden sind als Vorbleche nahe an dem Diaphragma 3 positioniert und elektrisch leitend mit den Endplatten 7 Einzelzelle bzw den bipolaren Trennblechen Zellstapel verbunden Zellrahmen 5 dichten die Halbzellen nach au en ab und dienen als Einbettung f r das Diaphragma Die Stromquelle 6 wird ber die Endplatten kontaktiert Beide Halbzellen sind mit einem alkalischen Elektrolyten w ssri ge KOH Lauge mit einer
140. bjekt dienen Insgesamt ist trotz der Vielzahl unterschiedlicher Komponenten eine gro z gige und offene Raumgestaltung m glich so dass auch die Zug nglichkeit f r Besucher gruppen gew hrleistet ist 2014 02 28 Seite 68 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 4 Geb udeintegrierte Energieerzeugung mdp Auswahlkriterien ISW technische Realisierbarkeit TWS Berechnungen Skizzen Das Energiezentrum soll zu jedem Zeitpunkt m glichst vollst ndig ber regenerative Quellen mit Energie versorgt werden Dabei soll auf eigene Anlagen am Standort oder standortnahe Anlagen zur ckgegriffen werden Wie die Berechnungen mit dem erstellten Planungswerk zeug ergeben haben siehe Kapitel 2 3 ist im Hinblick auf eine m glichst knappe Dimensio nierung der Speicherkapazit ten ein bestimmter Mix aus Solar und Windenergie als ideal anzusehen Demnach ergibt sich f r die Photovoltaik eine Leistung von 90 kW bei einer Voll laststundenzahl von 960 h beim Wind sind es 120 kW bei 1 845 h Wie die Berechnungen ebenfalls gezeigt haben ist es aus finanziellen Gr nden aber auch aus Gr nden der Prakti kabilit t nicht m glich die erforderlichen Energiemengen ber Kleinwindanlagen bereitzu stellen Diese m sse
141. ch ist kann auch die notwendige Spreizung von 5 problemlos sichergestellt werden Die Be 2014 02 28 Seite 182 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 triebstemperatur des Speichers liegt dann bei blichen 40 C Das Mindestdruckniveau wird von den Komponentenherstellern mit 2 bar angegeben Das passt gut zu den Komponenten einer blichen Heizanlage die mit einem maximalen Betriebsdruck von 3 bar spezifiziert sind Damit bei den direkt durchflossenen Komponenten Verdichter und Wechselrichter keine Probleme mit Verschmutzungen auftreten werden entsprechende Filter vorgeschaltet Bei den ber W rmetauscher getrennten Systemen ist dieser Punkt als unkritisch anzuse hen Bei der Auswahl der W rmetauscher ist nur die Brennstoffzellen Station hinsichtlich der Materialwahl kritisch da hier auf der Brennstoffzellenseite mit demineralisiertem Wasser ge arbeitet werden muss Die hydraulische Einbindung der Abw rme der o g Systeme erfolgt jeweils ber ein Motorventil welches von der Regelung der jeweiligen Systeme direkt ange steuert wird sobald diese den Betrieb aufnehmen Auf Basis der Betriebsmeldung des jewei ligen Systems wird ber eine Freigabe die Pumpe zur Umw lzung des Heizungswassers in Betrieb
142. chalten Die speziellen technischen Anforderungen wur den bei der Einbindung in das K hlsystem ber cksichtigt Da nur ein Teil der Verdichtungs w rme ber das K hlwasser abgef hrt werden kann ist der Aufstellraum des Verdichters permanent zu entl ften Aus diesem Grund kann auch auf eine Zusatzheizung zur Sicherung der Mindesttemperatur im Winter verzichtet werden Alle wichtigen Maschinenparameter ldruck ltemperatur K hlmitteldruck K hlmitteltem peratur Membranzustand werden st ndig ber entsprechende Sensoren berwacht Die Auswertung Protokollierung und das Ausl sen entsprechender Reaktionen wird durch die Steuerung des Gasmanagers bernommen Die entsprechenden Ablaufdiagramme werden von der Firma SERA zur Verf gung gestellt Die erforderlichen Datenpunkte wurden bei der Zusammenstellung der Steuerung bereits ber cksichtigt Tabelle 19 6 2 4 Aufstellung des technischen Equipments Gr ere Wasserstoffmengen in geschlossenen R umen unterzubringen stellt erh hte An forderungen an berwachung und Sicherheitstechnik Deshalb werden gerade Druckbeh l ter in der Regel im Freien untergebracht Auch im Projekt ist ein solches Vorgehen vorgese hen Alle Wasserstoffspeicher der Verdichter sowie ein gro er Teil der Verrohrung und Messtechnik sind kompakt in einer Sicherheitszone au erhalb des Geb udes untergebracht Da Wasserstoff ein sehr leichtes fl chtiges Gas ist das nat rlich vorkommt kann es im Ha var
143. chen Pro zess einem Reservoir Energie in Form von Anergie zu entziehen und diese als nutzbare W rme auf einem h heren Temperaturniveau zur Verf gung zu stellen Das Prinzip ist in Abbildung 52 dargestellt Das zuvor beschriebene Reservoir besitzt aufgrund der niedrigen Temperatur zur Umgebung keine nutzbare Exergie Jedoch im Vergleich zum absoluten Nullpunkt bei 273 15 C enth lt dieses Reservoir Energie Diese Energiemenge kann mithilfe einer W rmepumpe genutzt werden wodurch sich das Reservoir abk hlt Die W rmepumpe besteht im Wesentlich aus folgenden Komponenten e Verdampfer e Verfl ssiger e Verdichter e Entspannungseinrichtung 2014 02 28 Seite 60 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Im Verdichter erfolgt unter Einsatz von mechanischer oder thermischer Energie die Verdich tung des K ltemittels auf ein h heres Druckniveau Im Verfl ssiger erfolgt die Abgabe der W rme an das Heizungsnetz Anschlie end gelangt das verdichtete und abgek hlte K lte mittel in die Entspannungseinrichtung Dort erfolgt eine Drosselung des Drucks Dies hat durch den Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur bei Gasen Joule Thomson Effekt eine prompte Reduzierung der Temperatur des K ltemittels z
144. cher F llstand SoC bei verschiedenen Speichergr en N 0a oO 0 0 L Netzleistung k 1 KJ m a 2007 u 2008 ne 2009 2010 Speicherg e 1000 m Jahre Abbildung 34 Netzbelastung bei verschiedenen Speichergr en 2014 02 28 Seite 42 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Zur Best tigung der zun chst grob abgesch tzten Gr e des Wasserstoffspeichers wurde das System nochmal mit integriertem SoC Manager simuliert Hierbei wurde die Wasser stoffspeichergr e in Schritten von 1 000 m von 5 000 m auf 15 000 m erh ht Betrachtet wurden die F llst nde der Speicher und die Belastung des Versorgungsnetzes Abbildung 33 zeigt den F llstand des Wasserstoffspeichers SoC bei unterschiedlichen Speichergr en Der SoC aus Abbildung 31 kann hier bei der Speichergr e 12 000 m wiedergefunden wer den Abbildung 34 zeigt die Belastung des Versorgungsnetzes bei variierender Speichergr e Hier ist zu erkennen dass ein Speicher kleiner als 11 000 m trotz des saisonalen Manage ments voll l uft und somit die bersch ssige Leistung in das Versorgungsnetz bertragen werden muss rote Spitzen in Abbildung 34 Aus Darstellungsgr nden ist in diesem Graph der Netzbezug nic
145. cherkraftwerke Biogasanlagen Batch kontinuierlich Speicher Batterie Bleigel Lithium Ionen und Post Lilon Gasspeicher Wasserstoff Druckluft CEAS Power to Gas Erdgas Redox Flow Vanadium 2014 02 28 Seite 186 von 235 INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES ers cn ker Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Modell Bausteine Kraftwerksystem Kontrollgr en Zustandsgr en Randbedingungen Flussgr en gt Kontrollgr en Steuersignale oder Sollwerte die den Betrieb des Blockes kontrollieren Randbedingungen Signale die das Betriebsverhalten des Blockes einschr nken bzw bestimmen Zustandsgr en Beschreiben den aktuellen Betriebzustand des Blockes k nnen gegebenfalls Einfluss auf das bertragungsverhalten haben Flussgr en F r die Simulation relevante Ausgangsgr en des Blocken Zum Beispiel erzeugte oder oder geforderte Leistungen Wasserstoffverbrauch oder Abw rme Profile Bilanzierer Solarstrahlung Lastg nge Messwerte etc Netzknoten H2 Drucktank etc Kontrollgr en Flussgr en Flussgr en Zustandsgr e Randbedingungen Bsp Solarprofile Bsp Batterie t Irr PBatt Wandler Kontroller Brennstoffzelle W rmepumpe etc Batterie H2 Drucktank etc Kontrollgr en Zus
146. chung des Bereichs durch Gassensoren nicht erforderlich Die Kabel f r die im Ventilblock untergebrachte Steuerung und Sensorik werden ber ein gasdichtes Schott durch die Trennwand gef hrt Auf dieser Seite Abbildung 81 rechts sind keine besonderen Anforderungen an den Explosionsschutz mehr zu stellen und es k nnen bliche Schaltschr nke und Produkte verwendet werden Hier wird daher die elektrische Seite des Gasmanagers installiert Da auch der zur Drucklufterzeugung erforderliche Kompressor eine nicht unerhebliche Ge r uschentwicklung aufweist soll er ebenfalls auf dieser Seite rechte Kammer der Abbildung 81 im Container installiert werden Wegen der entstehenden W rme im erforderlichen Leistungsbereich gibt es noch keine wassergek hlten Aggregate muss auch diese Kam mer entl ftet werden Dies kann allerdings bedarfsgerecht erfolgen und setzt keinen Explosi onsschutz mehr voraus Aus Sicherheitsgr nden soll diese Containerseite ber einen Was serstoffsensor berwacht werden der ber einen direkten Zugriff auf die Steuerung in der Lage ist das System abzuschalten Die f r den Container notwendigen Umbauten und Anpassungsarbeiten stellen nach Aus kunft m glicher Lieferanten kein Problem dar 6 2 5 Verrohrung Ventile und Peripherie Mit der konsequenten Trennung des Speicherbereichs und der wesentlichen Elemente der gasf hrenden Elemente ergeben sich auch besondere Anforderungen an die Verbindungen zwischen Gas Tan
147. dardcontainers mit beidseitigem Eingang und zus tzlichem Seiteneingang von der Firma H amp S Container 1 lt _ Gascichter pa aeneo Durchbruch f r die O Rohre und Kabel Entl ftung Entl ftung Breite Tiefe H he 1700 804 1346 mm Verdichter Kompressor Ventilblock Schaltschrank Breite Tiefe H he 1800 1350 1650 mm 20 Standardcontainer L nge 5 919 m Breite 2 340 m H he 2 380 m Gewicht 1 900 kg Abbildung 81 Raumaufteilung des Schallschutzcontainers 2014 02 28 Seite 123 von 235 INGENIEUR GMBH Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 In der in der schematischen Darstellung der Abbildung 81 links dargestellten Kammer wer den der Wasserstoffverdichter sowie die genannten gasf hrenden Rohre Ventile und Mess ger te Ventilblock untergebracht Wegen der anfallenden Abw rme des Verdichters ist eine Be und Entl ftung des Bereichs unumg nglich Diese Entl ftungsanlage muss wegen des m glichen Gasanfalls explosionsgesch tzt ausgef hrt werden Der L fter wird elektronisch berwacht so dass im Fehlerfall Luftstrom ist nicht mehr gew hrleistet die gesamte Anlage stillgelegt wird Wegen dieser Zwangsbel ftung ist eine berwa
148. dbare Abweichun gen von der Planung werden dann kurzzyklisch durch ein Gegensteuern im Last oder Er zeugungsbereich korrigiert Abbildung 114 veranschaulicht die Funktionalit t des Siemens systems in graphischer Form Network control System Energy Exchange Biomass Billing E Plant Meteorological Service RN ma araa terfac Control Blocktype Heating Flexible Loads Power Plant aa Fg A 1y Communication PY Power Plant Network Meter Reading en D Sagen Fuel Cells Storage Wind Power Plant ff Abbildung 114 Funktionsprinzip des DEMS 14 Die beschriebene Vorgehensweise bedingt recht aufwendige Software und Steuersysteme die sich erst ab einem gewissen Leistungsniveau gro er Komplexit t des Systems und bei hoher notwendiger Flexibilit t lohnen Am anderen Ende der Skala stehen die Energiemana ger die z B bei Solar Home Systemen bisher zum Einsatz kommen und sich im Wesentli chen am F llstand des Batteriespeichers orientieren Das Management f r das Energiezent rum ist zwischen diesen Extremen anzusiedeln und setzt auf einer Grund berlegung auf die mit dem Begriff algorithmisches Energiemanagement bezeichnet werden kann Im Gegensatz zum DEMS wo der optimale Fahrplan unter vielen st ndig wechselnden M g lichkeiten berechnet wird was jedoch sehr verl ssliche Prognosen voraussetzt l sst sich der Managementauftrag bei der f r das Energiezentrum vorgesehenen Variante relativ genau be
149. den durch einen Sensor auf der Prim rseite erfasst die Steuerung erfolgt durch die Heizungssteuerung des Geb udes F r den Betrieb der R ckverstromung wird eine Steuerung bzw eine DDC Einheit SPS Anlage mit Vor Ort Bedienung ben tigt Aus den in den Kapiteln 8 2 und 9 dargelegten Gr nden sollen die verschiedenen DDC Einheiten des Energiezentrums durch Komponenten der Firma Beckhoff Automation realisiert werden Die DDC der R ckverstromung wird vor allem die Koordination zwischen Brennstoffzellenbetrieb und Wechselrichter sowie die Kommunikation mit der bergeordneten Steuerung Prozesssystem und Energiemanage ment bernehmen Die Kommunikation zwischen DDC und Brennstoffzelle basiert bei dem 2014 02 28 Seite 141 von 235 Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen INGENIEUR GMBH Concepes based on sl sahions University of Applied Sciences B SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 System von Hydrogenics auf dem CAN Protokoll Beim Wechselrichter kommt es auf den jeweiligen Hersteller an welche Schnittstelle bereitgestellt wird z B seriell CAN oder Profi bus Es sind aber unabh ngig vom Typ der Schnittstelle entsprechende Schnittstellenadap ter verf gbar Wechselrichter WP soll Brennstoffzelle Status Fehler I m glich ist V ist Abbildung 88 Kommunikationsdaten zwischen DDC Brennstoffzelle und
150. des Elektrolyseurs Verf gt das System ber einen internen aktiven intelligenten AC DC Wandler o Wie wird die anliegende und zur H Produktion zur Verf gung stehende elektrische Leis tung detektiert o Erfolgt die Leistungsmessung per Stromzangenmessung mit w hlbarer bertragungs funktion Ist intermittierende Betrieb 00 000 ten Wie wird der Teillastbereich initiiert und gefahren sweise m glich Welche Prozedere m ssen f r den intermittierenden Betrieb gefahren werden In wie weit ist der Elektrolyseur per Busanbindung fernsteuerbar Welcher Steuer und Datenbus welches Protokoll dient zur Erfassung der Prozessda o In welcher Form liegen sicherheitsrelevante Signale zur Verarbeitung an Kontak te Spannung o Verf gt das System ber einen internen Sicherheits Gasalarm o Erm glicht die Busanbindung folgende Prozeduren Anfahren des Systems 2014 02 28 Seite 97 von 235 Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences mip Concepts based on solid solutions NGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES TWS E Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Abschalten des Systems Not AUS des Systems o Verf gt das System ber eine eigene integrierte Gasreinigung o Verf gt das System ber einen H2 Zwischenspeicher o Verf gt das System ber einen internen
151. deutlich dass beim Wechsel von Sommer zum Herbst eine gro e Menge Energie in das Netz bertragen wird und dann im Fr hjahr wieder aus dem Netz bezogen werden muss Die Grenzwerte sollten also so ver ndert werden dass der F llstand im Herbst sich eher der 100 Marke n hert w hrend im Fr hjahr ein eher niedriger Speicher stand in Kauf genommen wird F 1 2 Ohe Management PIERRE e SE LEINEN CH Mit Management ma mn Valenzband a S a A A w N N o 0 61 AT 7 2 Na Da nn enge De 0 S S S E E N t la 0 La pa ODETE ERRANEZ 4 SRERRRLEIGBEER j ESARET epsa AA Fl BEER t t t t t F 2007 2008 2009 2010 Jahre Abbildung 29 Management mit sinusf rmigen oberen und unteren Schranken 2014 02 28 Seite 39 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha ra Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 x z w A a T D h p i N y 0 Ze u De ae a ae me a 0 i 2007 2008 2009 2010 Jahre Abbildung 30 Leistung am Netzknoten in einer 4 Jahressimulation mit Manager Die aus diesen berlegungen abgeleiteten Grenzen sind in Abbildung 31 zu sehen Durch die Anpassung der Grenzen wird im Herbst weniger Energie in das
152. die im Folgenden noch n her spezifiziert wird Da sich die die IBMS Software sehr gut f r die berwachung und vor allem auch f r die grafische Visua lisierung eignet soll sie auf einen zweiten Industrie PC auf der Managementebene installiert werden um die Prozesse des Energiezentrums grafisch mit den jeweiligen Prozessdaten darzustellen siehe Abbildung 109 und so gleichzeitig f r eine Trennung von der Steuerung des Energiesystems sorgen Der letztendlich als geeignet spezifizierte L sungsansatz besteht darin die Automatisie rungssoftware TwinCAT 3 The Windows Control and Automation Technology der Beckhoff Automation Unternehmensgruppe zu nutzen Die Automatisierungssoftware TwinCAT 3 kann sowohl auf Embedded PCs als auch auf Industrie PCs installiert werden und fasst Program mierung und Konfiguration eines solchen Steuerungs PCs in einer einheitlichen Software zusammen Die Grundlage von TwinCAT 3 beruht auf Microsoft Visual Studio Dadurch ist es m glich Automatisierungsobjekte mit unterschiedlichen Programmiersprachen wie bei spielsweise C C und Matlab Simulink f r Echtzeitanwendungen zu programmieren An schlie end werden die erstellen Programmmodule durch einen Compiler in eine TwinCAT 3 2014 02 28 Seite 171 von 235 rws M INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences S SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014
153. dreich eingespeiste W rme als W rmequelle zur Beheizung im Winter genutzt werden Zu ber cksichtigen ist dass abh ngig von der Erd reichruhetemperatur maximal mit einer Temperatur von 20 K ber Ruhetemperatur W rme eingespeist werden darf Zudem ist die W rmezufuhr in das Erdreich zu stoppen sobald die Ruhetemperatur um mehr als 17 K angestiegen ist die genauen Daten sind vorab bei der Unteren Wasserbeh rde zu erfragen Bei der K hlung des Geb udes im Sommer wird die bersch ssige W rme aus dem Geb ude in das Erdreich eingespeist Zudem erfolgt wie bereits im Kapitel 3 3 1 erw hnt die Einspeisung von Abw rme aus den Systemen der Was serstofftechnik sofern diese nicht zu Heizzwecken verwendet werden kann Die Abw rme die in den Fahrzeugtanks bei der Betankung mit Wasserstoff entsteht wird mit einer Leistung von 15 kW und einer Temperaturdifferenz von 5 K immer in das Erdsondenfeld eingespeist da der Fahrzeugtank auf einem m glichst geringen Temperaturniveau zu halten ist um kur ze Tankzeiten zu erreichen Erdoberfl che a 2 6 B 10 12 14 16 18 232CC Tiefe 5m 10m Abbildung 54 Einfluss der Jahreszeiten auf die Temperatur der obersten Erdschich ten Quelle Bundesverband W rmepumpen e V 3 3 3 L ftungstechnik Die f r das Energiezentrum S dwestfalen vorgesehene Nutzung l sst sich allgemein als B ronutzung beschreiben Neben unterschiedlichen B roeinheiten werden auch Laborbereiche der Fachhochschu
154. durch ihren Be stimmungszweck und ihr Leistungsverm gen aber auch durch r umliche z B Platzbedarf und zeitliche Faktoren z B Lebensdauer empfohlene Wartungsintervalle festgelegt Auch muss der Einfluss ihrer Umgebung d h andere Maschinen und der im Umfeld der Maschine anwesende Personenkreis ber cksichtigt werden Weitere Grenzen stellen z B die Eigenschaften des zu verarbeiteten Materials dar Ein wich tiger Gesichtspunkt ist auch die Umgebung Hieraus leitet sich z B der empfohlene Tempe raturbereich ab oder ob der Betrieb im Innenraum oder im Freien unter trockenen oder nas sen Witterungsbedingungen erfolgen kann Auch die Vertr glichkeit gegen ber direkter Son 2014 02 28 Seite 197 von 235 INGENIEUR GMBH Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES c i faaam Al Fachhochschule l T W S madp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 neneinstrahlung die Resistenz gegen ber Staub und Wasser geh ren zur Festlegung der Grenzen 13 3 2 Identifizieren von Gef hrdungen und zugeh rigen Gef hrdungssituationen Der Hauptbestandteil einer Gefahrenanalyse besteht in der Identifizierung von Gef hrdungen und zugeh rigen Gef hrdungssituationen in jeder Lebensphase der Anlage Maschine Dabei sind folgende Fehlerquellen zu beachten e Versagen von Anlageteilen und Technik allgemein e Energieausfal
155. duzierten Gasen Vor allem bei intermittierendem Betrieb mit regene rativen Energiequellen k nnen diese Verunreinigungen in den Produktgasen eine sicher heitsbedingte automatische Abschaltung des Elektrolyseurs die bei ca 2 Hz in O erfolgt nach sich ziehen Aufgrund der mit dem Druck ansteigende Querdiffusion ber den Separa tor verst rkt sich dieser Effekt zus tzlich bei hohen Betriebsdr cken Durch die h here H Mobilit t kann es auf der Anode zu st rkeren Verunreinigungen kommen 5 1 2 PEM Elektrolyse PEMEL Der allgemeine Aufbau einer PEM Elektrolysezelle ist in Abbildung 69 dargestellt Die Zelle besteht aus einer Anode Sauerstoffproduktion und einer Kathode Wasserstoffproduktion welche durch eine saure Protonaustauschmembran PEM engl proton exchange membra ne voneinander getrennt sind In den meisten Zellen wird die Elektrode direkt auf die Memb ran aufgebracht Diese Anordnung bildet die wichtigste Komponente einer PEM Elektrolysezelle Auf beiden Seiten der Zelle befinden sich por se Stromableiter die den Stromfluss zu den Elektroden erm glichen und f r die Produktgase sowie f r Wasser durch l ssig sind Die bipolaren Platten rahmen die beiden Halbzellen ein und sind mit einem so genannten Flowfield ausgestattet um den Transport von fl ssigem Wasser zur Zelle und das Entweichen der Produktgase zu gew hrleisten PEM Elektrolyseure haben sich heute vor allem in Nischenanwendungen und im kleinen Leistu
156. e Hersteller Typbezeichnung Leistung Preis Lebensdauer Hydrogenics GmbH HD 8 200 1 8 5kW 27 000 gt 10 000 h Proton Motor Fuel Module S5 1 5 6 2kW 35 000 gt 10 000 h Cells GmbH Ballard Power Sys Referenzsystem beliebig gt 100 000 tems Inc Nedstack fuel cell XXL9 5 Stack 7 5kW 20 000 gt 12 000 h technology BV Schunk Bahn und FC 42 Stack Max 1 4kW Absprache gt 5 000 h Industrietechnik GmbH Ausgehend von den erforderlichen Spezifikationen verbleiben lediglich wenige Hersteller deren Systeme f r die Anwendung im S dwestf lischen Energiezentrum geeignet sind In Tabelle 20 sind neben Komplettsystemen auch zwei Brennstoffzellenstackhersteller Ned stack und Schunk benannt Diese Firmen entwickeln keine eigenen Systeme sondern ver treiben die Stacks an OEM Hersteller Nedstack bietet Stacks in verschiedenen Leistungs klassen an und k nnte somit auch kaskadiert die Leistungsanforderung des Zentrums abde cken Wie bereits erw hnt erfordert eine solche F amp E Option allerdings Zeit und der Stacklie ferant sollte sich wegen der Vielschichtigkeit der Problemstellungen aktiv an der Entwicklung beteiligen In den gef hrten Gespr chen hat die Firma Schunk Bahn und Industrietechnik GmbH ein Interesse an einer Zusammenarbeit ge u ert so dass ein entsprechendes Pro jektkonzept erstellt wurde das weiter unten im Detail beschrieben wird Die Firma Ballard Power Systems Inc produzie
157. e aufnimmt und bei h herer Temperatur und h herem Druck W rme abgibt Zurzeit kommen blicherweise die folgenden drei K ltemittel zur Anwendung e Ammoniak R717 e Kohlendioxid R744 e Kohlenwasserstoffe verschiedene F r die Bewertung und den Vergleich von elektrisch angetriebener W rmepumpenanlagen sind im Wesentlich zwei Kennzahlen von Bedeutung e Leistungszahl e Jahresarbeitszahl Die Leistungszahl bekannt auch als Coefficient of Performance COP beschreibt das mo mentane Verh ltnis zwischen abgegebener Heizleistung und aufgenommener elektrischer Leistung unter Ber cksichtigung der Hilfsleistung Es handelt sich hier um eine Moment aufnahme bei verschiedenen Arbeitspunkten auf dem Pr fstand 2014 02 28 Seite 61 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Die Jahresarbeitszahl gibt ebenfalls das Verh ltnis von aufgenommener zu abgegebener Leistung wieder jedoch werden Einschalt und Abschaltvorg nge sowie verschiedene Be triebspunkte der W rmepumpe im Zeitraum von einem Jahr ber cksichtigt Die VDI 4650 bietet ein vereinfachtes Rechenverfahren f r W rmepumpen bis zu einer Leistung von 100 kW zur Umrechnung der Leistungszahl in die Jahresarbeitszahl F r das Energiezent rum is
158. e Gasreinigung 3 5 kW bei 5 K Spreizung e Verdichter 2 0 kW bei 5 K Spreizung e Batterie Wechselrichter 3 0 kW bei 5 K Spreizung Bei der K hlung der o g Systeme darf die R cklauftemperatur zu den Systemen maximal 35 C betragen Dieses Temperaturniveau l sst sich in der geplanten Heizungstechnik gut darstellen Zur teilweisen Entkopplung des Bedarfs und der Erzeugung kommen Pufferspei 2014 02 28 Seite 59 von 235 Fachhochschule S dwestfalen INGENIEUR GMBH University of Applied Sciences B SCHMIDT amp WILLMES FTws Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 cher zur Ausf hrung welche die Abw rme der Systeme speichern Neben konventionellen Speichern ist hier auch die Einbindung des Wasserstoffhydrid Speichers vorgesehen Sofern kein Bedarf an Heizw rme im Geb ude besteht erfolgt die Einspeisung der thermischen Energie in den Solekreislauf der vorgesehenen Sole Wasser W rmpumpe Damit wird dann die Temperatur des Erdreichs angehoben Sollte dies nicht mehr m glich sein ist die Abf h rung der Abw rme ber einen Tischk hler vorgesehen Wie bereits erw hnt erfolgt die ber die Einspeisung der o g Systeme hinausgehende W rmeerzeugung ber eine Sole Wasser W rmepumpe Verfl ssgen N m Abbildung 52 Prinzip einer elektrisch angetriebenen W rmepumpe Eine W rmepumpe ist in der Lage durch die Antriebsenergie und den k ltetechnis
159. e Wasserstofferzeugung folgt einem Leistungseintrag im warmen Zustand des Elektrolyseurs nahezu verz gerungsfrei Ein Kaltstart des Elektrolyseurs G10 von ErreDue ist laut Angaben des Herstellers bis zum Erreichen des Gasarbeitsdrucks von 12 bar in 3 Minuten abgeschlossen F r die Dynamik sind die Komponenten des Gesamtsys tems der kritische Faktor Die Zeitkonstanten der nachgeschalteten Systemkomponenten wie Laugenpumpe Druckregler oder Produktgas Separatoren sind in der Regel jedoch we sentlich gr er Daher ist es notwendig das dynamische Verhalten dieser Komponenten so zu optimieren dass Lastspr ngen im gesamten Leistungsbereich st rungsfrei gefolgt werden kann Dazu tr gt z B auch die Optimierung der W rmekapazit t des Systems bei Bei kleiner W rmekapazit t k nnen z B Temperaturtransienten schneller durchschritten werden Ob wohl Lastspr nge von der elektrochemischen Seite kein Problem darstellen k nnen diese mit der Zeit aufgrund mechanischer Beanspruchungen infolge von Temperatur nderungen zur Lebensdauerreduzierung f hren Das Abschalten eines alkalischen Elektrolyseurs in den Ruhestrombereich Standby He runterfahren kann insbesondere bei Druckelektrolyseuren in Folge von Gas Querdiffusion der in der Anlage verbliebenen Produktgase H2 O2 zu deren Anreicherung im jeweiligen Fremdgas f hren Dadurch wird die Gasreinheit herabgesetzt Ein Wiederanfahren erfordert bei dem hier ausgew hlten Wasserstoffgenerator laut H
160. eb udesimulation ist die Generierung erster einfacher 3D Ansichten Abbildung 50 zeigt als Beispiel die Ansichten der L ngsseiten des Geb udes 2014 02 28 Seite 13 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Sehr hilfreich sind diese Modelle da sich damit auch der Schattenwurf zu bestimmten Jah reszeiten als Film berechnen l sst Diese Berechnungen dienten mit als Grundlage f r die Integration der Photovoltaikanlagen in das Geb ude Kapitel 4 1 Abbildung 59 und Abbil dung 60 zeigen als Momentaufnahme eines solchen Films die Situation zu verschiedenen Tageszeiten am 21 Juni eines Jahres 2 2 Simulationsmodell f r das Hybridenergiesystem Berechnungswergzeuge f r Energiesysteme die wie in Abbildung 1 schematisch darge stellt mehrere Medienstr nge umfassen deren Nutzung auf komplexe Weise miteinander verkoppelt sind sind im Gegensatz zu den in Kapitel 2 1 beschriebenen Berechnungswerk zeugen zur Geb udesimulation nicht auf dem Markt verf gbar Daher war zur Auslegung des Hybridenergiesystems des Energiezentrums zun chst die Erstellung eines Berechnungs und Simulationsmodells erforderlich Dieses durch die Fachhochschule entwickelte Modell und die auf dieser Basis realisierte Simulation umfasse
161. ebot 52 Beh lter 6 Absperrventil zum Trennen des Beh lters manuell 1 300 00 300 00 www landefeld de 53 Zweites Absperrventil Austausch der Ventile 1 300 00 300 00 www landefeld de 54 Normal berdrucksicherheitsventil direkt am Beh lter befestigt 1 500 00 500 00 www landefeld de 55 Sicherheitsventil autom Absperrventil bei St rungen 2 1 200 00 2 400 00 Angebot GSR 56 R ckschlagventil 0 253 30 0 00 Angebot Weh 57 Entl ftungsventil 12 bar 1 300 00 300 00 www landefeld de 58 Durchflu messung zur Volumenbe 0 0 00 59 PD1 Druckmesser 0 50 bar Speisetrer 1 132 00 132 00 wika 60 TD1 Temperaturmesser 1 220 00 220 00 wika 61 Transport und Aufstellung 0 7 500 00 0 00 62 T V Abnahme gesamte Anlage 0 2 000 00 0 00 Mail von Herrn Althaus VAKO 63 Zwischensumme 20 252 00 81 82 Verdichter 5 auf 50 bar geplant 1 R ckschlagventil 1 berbr ckungsventil 1 50 000 00 sera 83 Verdichter intern Absperrventil Austausch der Ventile berbr ckung des Verdichters 4 300 00 1 200 00 www landefeld de 84 RV7 R ckschlagventil 1 253 30 253 30 Angebot Weh 85 Druckmesser 0 50 bar Temperat 2 900 00 1 800 00 WIKA 86 Temperatur 1 220 00 220 00 WIKA 87 Wasserstoffsensor Sicherheitssen 1 1 300 00 1 300 00 Angebot Draeger 88 intern Handventil zur berbr ckung des Verdichters 0 300 00 0 00 www landefeld de 89 Komp
162. echanischem Stress ver ringert sich die Membrandicke Hot Spots erm glichen eine verst rkte Diffusion Insgesamt erreicht die Gasreinheit im Betriebspunkt am H Zellausgang Werte von 99 8 bis 99 99 Gasqualit ten 2 8 bis 4 0 Auf der Sauerstoffseite ergeben sich h here Fremdgasanteile Das schnelle dynamische Verhalten wird als ein wesentlicher Vorteil der PEM Elektrolyse gesehen Auf Zellebene wird Transienten in der elektrischen Leistungsaufnahme praktisch verz gerungsfrei gefolgt Die Systemperipherie Zirkulationspumpe Fl ssig Gasseparatoren weist h here Zeitkonstanten auf hat aber im Vergleich zur AEL eine geringere thermische Kapazit t Dadurch kann der Betriebspunkt gut einem intermittierenden Leistungseintrag folgen Ferner erreicht ein PEM Elektrolyseur in der Startphase schnell die Betriebstempera tur Eine im Vergleich zur AEL deutlich h here Stromdichte erm glicht den Bau kompakter Stacks und eine vereinfachte Gesamtanlagentechnik Der Teillastbereich ist dabei gleichzei tig weiter gespreizt Ein weiterer Vorteil der PEM Elektrolyse gegen ber der alkalischen Elektrolyse ist der erheblich geringere Platzbedarf rund ein Faktor 10 Eine kurzzeitige m gliche deutliche berlastung des PEM Elektrolyseurs erm glicht Arbeitsbereiche die mit der alkalischen Elektrolyse nicht abgedeckt werden k nnen und f r bestimmte Anwendungen einen erheblichen Vorteil darstellen Forschungs und Entwicklungsaktivit ten im Bereich der PEM
163. echnischen Einrichtungen in einem Raum im Zentrum des Geb udes untergebracht siehe Grundriss in der Abbildung 48 Dieser Raum ist von zwei Seiten aus zug nglich und kann ber gro e Fenster sowohl vom Eingangsbereich des Geb udes Foyer als auch von der Stra enseite Werkstra e aus eingesehen werden Das Mantelrohr der Verbindung zum Au enbereich tritt in der Mitte des Raumes durch die Decke ein Von diesem Eintrittspunkt aus werden die Medienleitungen verteilt Die wasserstofff hrenden Komponenten Elektrolyseur Gasreini 2014 02 28 Seite 67 von 235 INGENIEUR GMBH IE Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences B SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 gung und Brennstoffzellen sind so ausgef hrt dass das jeweilige Geh use direkt entl ftet wird Der Raum wird aus Sicherheitsgr nden dennoch durch Gassensoren berwacht Abbildung 57 zeigt eine m gliche Anordnung der Komponenten im Technikraum Der Platz f r das Energiemanagement Leitwarte linke Seite in Richtung Foyer wird in Form eines Arbeitsraums abgetrennt damit die Arbeit nicht durch die zu erwartende Ger uschkulisse beeinflusst wird Der Bereich der in Abbildung 57 noch als Platz f r Tische bezeichnet ist soll im Endausbau im Rahmen von Weiterbildungsma nahmen als Raum f r Praktika am O
164. echnungsgrundlagen und Hinweise siehe Text 44me gt 79 Tabelle 3 Ergebnisse der Schallanalysen im Umfeld der Anlagenstandorte 83 Tabelle 4 Ausschnitt aus dem vorliegenden Ertragsgutachten 84 Tabelle 5 Typische Temperaturbereiche Halbzellenreaktionen und Ladungstr ger der drei wesentlichen Arten der Wasserelektrolyse 87 Tabelle 6 bersicht der Hersteller von alkalischen Elektrolysesystemen mit Angabe von Baureihen Betriebsdr cken und Produktionsraten 94 Tabelle 7 bersicht der Hersteller von PEM Elektrolyseuren mit Angabe von Baureihen Betriebsdr cken und Produktionsraten 44mmneen gt 95 Tabelle 8 Datentabelle zur Abfrage ger tespezifischer Kenndaten 96 Tabelle 9 Fragenkatalog zum Betrieb des Elektrolyseurs uunnnnnnnennn 97 Tabelle 10 Auswahl der in Frage kommenden Elektrolyseure 22444444nn nn 98 Tabelle 11 Zusammenstellung der einzelnen Komponenten f r die Wasserstofferzeugund neun 102 Tabelle 12 Auswahl bertragbarer Systemparameter der Komponenten 108 Tabelle 13 Speichervolumen und Druckbereich der Beh lter s nn 112 Tabelle 14 wesentliche technische Spezifikationen der Druckbeh lter 112 Tabelle 15 technische Parameter des Verdichters D100VE der Firma SERA 119 Tabelle 16 Kennwerte des Kompress
165. edingungen ab d h prim r von der Stromdichte die die reale Zellspannung bestimmt Verglichen zur AEL und PEMEL befindet sich die HTEL jedoch noch im Stadium der Grundlagenforschung 5 2 Auswahlmatrix Durch die Vorgabe einer m glichst hohen Energieeffizienz bei der Konzeptionierung der Versorgersysteme des Energiezentrums zur Schonung der f r die Erzeugung des Wasser stoffs vorgesehenen regenerativen Energien reduziert sich die Auswahl der tats chlich f r die Wasserstofferzeugung sinnvoll einsetzbaren Elektrolyseverfahren auf die Verfahren der AEL und PEMEL Aufgrund der nicht zur Verf gung stehenden thermischen Infrastruktur 2014 02 28 Seite 93 von 235 2 FIT Fachhochschule l a maip S dwestfalen N INGENIEUR GMEH Concpes based on E University of Applied Sciences B FIR SCHMIDT amp WILLMES i Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 findet die HTEL keine Anwendung f r die Wasserstofferzeugung im geplanten Energiezent rum Tabelle 6 bersicht der Hersteller von alkalischen Elektrolysesystemen mit An gabe von Baureihen Betriebsdr cken und Produktionsraten Hersteller Baureihe Betriebsdr cke H2 Rate Nm h AGE 10 30 200 bar 1 100 AccaGen CH AGE light 0 25 2 0 Acta IT EL 15 bar 0 1 1 0 Hydrofiller 340 bar 0 35 4 6 Avalenca a Hydrofiller 5000 Bamag atm ELT DE Lurgi 30 bar a NeptunH 60 bar 7 Expert 2 5 30 0 66
166. een 132 6 5 Besondere Betriebszust nde und Sicherheitsaspekte ussnnss ss 135 R ckverstromung Brennstoffzellen 22 4 0u44444nnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nn 137 Prozessanbindung sa 147 8 1 Kennzeichnungssystem uuussssssssnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnannnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 147 8 1 1 Formale SIHIKIUFS ae ae 147 8 1 2 Umsetzung des Kennzeichnungskonzepts im Energiezentrum 153 8 2 Einbindung der Komponenten in den Gesamtprozess uussssennnsssennnnnn 156 9 Energiemanagemenit uuusssssennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nenn 168 10 Wasserstoff bergabe in den mobilen Bereich uusssssssnnennnnnnnnnnnnnnnnne 174 10 1 1 Konzept der bergabestation uuueaeaeneenaeaennnsnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnn 175 10 1 2 Technischer Aufbau der bergabestation uueaseeeseeneeennenennnnnneneennennennnnn 176 10 1 3 Identifikation des Fahrzeugs Abrechnung Zug nglichkeit 178 10 1 4 Positionierung der bergabestation uaeaeecesessesesenenennnnnnnnnnnennnnnennnnnnnnn 179 11 Wa imen tZUnO er a tn ee ee ee See 180 12 Kraftwerksystem eat ara 185 2014 02 28 Seite 3 von 235 INGENIEUR GMBH IE Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences B SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf
167. efahr f r das Auftreten von Undichtigkeiten Daher ist es sinnvoll auch diese Installation nicht im Geb ude sondern in dem aus Sicht des Explosionsschutzes sowieso besonders zu betrachtenden Bereich des Gaslagers unterzubringen Eine weitere Besonder heit stellt die Tatsache dar dass die elektrischen Signale der genannten Sensoren nur ber eine verh ltnism ig kurze Strecke transportiert werden k nnen Dies bedingt dann dass Schaltschr nke mit einer entsprechend aufwendigen Schutzklasse erstellt werden m ssen Im vorliegenden Fall soll dies durch eine geschickte Nutzung und Aufteilung des Schall schutzcontainers vermieden werden Abbildung 80 zeigt als Beispiel das Aussehen eines solchen Containers Im vorliegenden Fall wird der Container in zwei Bereiche eingeteilt die durch eine gasdichte Wand getrennt sind Der Container kann von beiden Seiten ge ffnet werden um die in den Kammern unter gebrachten Aggregate oder Teile davon mit Hebewerkzeugen wie z B Hubwagen transpor tieren zu k nnen Vorgesehen ist ein 20 Standardcontainer L nge 5 919 m Breite 2 340 m H he 2 380 m Gewicht 1 900 kg der entsprechend umgebaut wird 2014 02 28 Seite 122 von 235 Erw Eu INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 u Abbildung 80 Ansicht eines 20 Fu Stan
168. egie u 30 25 Management des Wasserstoffspeichers 24444444s4nnnnn nn nnnnnnnnnnnnnnnnn nn 36 2 6 Auslegung des Kurzzeitspeichers Batterie 4444usnnn nn nnnnnnnennnnnnnnn 44 3 Standort und GeBaude anna en 50 3 1 Entw rfe f r den Standort Werl ee 50 3 2 Standortentwicklung Soest nee een 52 3 3 Auslegung von Heizung K hlung und L ftung ssssssss se nnnnnnnennnnnnnn nn 59 3 3 1 Herta e E E EEE EEE EAA AE A EEE 59 33 K NUNG cisco einn e a a ee 63 3 3 3 L ftungstechnik rer 64 3 4 Gestaltung des Technikraums sssssssseeesseeenrrrrreesserrrtrrnrtrssrrrnnrrnntrssrrrrnern n 67 4 Geb udeintegrierte Energieerzeugung sssssserrsssssssrrrrrrrrrtssrrrrrrrnnrrssrrrrrrrn n 69 4 1 Photovoltaik een 69 4 1 1 Dachintegration Foyer naeh 69 4 1 2 Fass denintegration Foyer 72 4 1 3 Flachdachanlage 3 n eeeee seine 73 4 2 Wipdkralt a een 74 4 2 1 Kleinwindanlagen f r den Standort 4 44unn44nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 75 4 2 2 Konventionelle Windkraft a ec ee 80 5 Wasserstofferzeugung Elektrolyse ssessssneenerrnenesseeenrrrnrrsserrnrnrnnnneserrrnne 87 5 1 Typen von Elektrolyseuren u 44444444444B 0nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnannnnnnnnnnnnnnnnnnnn 87 5 1 1 Alkalische Elektrolyse AEL snnnsnsnssesssnnenneesssernerrrrrssserrrrrnnrrsserrnrrrnnnessee 89 5 1 2 PEM Elekir lyss PEMEL auucennnsna 91 5 1 3 Hochtemperatur Elek
169. ehalt N Volumenstrom Wasserstand tur R cklauf H gt Volumenstrom O Konzentration O Konzentration Leitf higkeit Elektrolytkonzent H Temperatur Ha Volumenstrom ration O Konzentration Ns Druck in Ha Sch N Volumenstrom Temperatur Elektrolyt Temperatur Elektrolyt Druck K hlmittel Druck K hlmittelfluss K hlmittel Temperatur K hlmittel Temperatur Pressluft Druck Pressluft Druck Pressluft Druck Statusmeldungen Statusmeldungen 2014 02 28 Seite 108 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 6 Wasserstoffspeicherung TWS Aufbau Abl ufe und Kennzeichnung des Gesamtsystems ISW W rmeauskopplung bergabe ins Haussystem FHSWF Modellierung des Hydrid Speichersystems Messtechnik und Ventile Gerade beim Thema Wasserstoffspeicherung kommen sehr schnell Fragen nach der techni schen Handhabbarkeit insgesamt und dem angenommenen hohen Risiko im Speziellen auf Dabei werden j hrlich weltweit mehr als 500 Mrd Kubikmeter Wasserstoff sicher gehandhabt und Wasserstoff ist im Bereich der chemischen Industrie ein wesentlicher Grundstoff Damit eine risikoarme Handhabung des leichten und in einem Konzentrationsbereich zwischen 4 und 75 Volume
170. einfacher zu realisieren als ber eine Eigenentwicklung Es stehen dann aber keine internen Informatio nen Stackbetriebsparameter und keine Eingriffsm glichkeiten auf diese Parameter zur Ver f gung Die Entwicklung eigener Systeme im S dwestf lischen Energiezentrum w rde die Erarbeitung von Kompetenzen im Bereich der Brennstoffzellenbetriebsf hrung erm glichen Eigene Systeme k nnen nicht nur f r die R ckverstromung genutzt werden sondern auch im Rahmen von Praktikumsversuchen in die geplante Aus und Weiterbildung in Seminare oder Lehrveranstaltungen eingebunden werden Durch die Eigenentwicklung k nnen die Be triebsparameter ber die Kommunikationsschnittstelle abgefragt visuell dargestellt und be einflusst werden Dies hat den Vorteil dass Zusammenh nge aus den Grundlagen praktisch vermittelt werden k nnen Ein Beispiel f r einen solchen Versuch k nnte die Ver nderung der K hlwasserzufuhr mit der daraus resultierenden Temperatur nderung im Stack sein die sich in der Effizienz des Systems widerspiegelt Ein anderer Ansatz w re zum Beispiel die Beobachtung der Ausgangsspannung bei konstanter Leistungsabgabe die bei einem ver n derten Wasserstoff Luftverh ltnis stark schwanken wird Um die bestehenden Optionen optimal nutzen zu k nnen sollte eine Kombination kommer zieller und eigener Entwicklungen realisiert werden zumal von Seiten eines Partners aus der Wirtschaft Interesse an den Entwicklungsarbeiten besteht 2
171. einzelnen Komponenten des Systems Schaubilder hinterlegt werden in denen dann Daten aus dem Prozess online angezeigt werden Als Bei spiel zeigt die Abbildung 109 ein m gliches Schaubild des Elektrolyseurs In wie weit Detail daten aus dem jeweiligen Prozess in einer solchen zentralen Aufbereitung dargestellt wer den k nnen wird im Wesentlichen davon bestimmt welche Datens tze durch die prozess spezifische Steuerung transparent weitergereicht werden Bei den eigenen Systemen ist dies sicher m glich bei kommerziellen Systemen sind sicher Detailverhandlungen und gegebe nenfalls auch Anpassungsarbeiten erforderlich 2014 02 28 Seite 163 von 235 INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions SCHMIDT amp WILLMES ws cn ef University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Gasreinigung Luftzerlegung Prn ab s2 Abbildung 109 Schaubild des Elektrolyseurs als Beispiel f r die Prozessvisualisie rung Die Anbindung der externen Gro windkraftanlage an die Automatisierungsstruktur des Ener giezentrums erfolgt wegen der gro en Entfernung drahtlos mit dem GPRS Dienst ber das GSM Mobilfunknetz GPRS hat den Vorteil dass aufgrund des paketorientierten Dienstes nicht die Verbindungsdauer ausschlaggebend f r die Abrechnung ist sondern die bertrage ne Datenmenge Um eine solche Verbindung zu realisieren wurde ein MoRoS Industrierouter b
172. ekt erf llen kann Um den er forderlichen SIL einer Anlage oder eines Anlagenteiles zu ermitteln gibt es unterschiedliche Ans tze Dazu sind in den Normen DIN EN 61508 7 funktionale Sicherheit sicherheitsbezo gener elektrischer elektronischer programmierbarer elektronischer Systeme und DIN EN 61511 1 funktionale Sicherheit Sicherheitstechnische Systeme f r die Prozessindust rie VDE 0810 1 verschiedene Methoden zur Bestimmung aufgef hrt Im Folgenden werden je eine quantitative und eine qualitative Methode vorgestellt 13 3 5 1 Quantitative Methode zur Bestimmung des SIL Wie oben bereits dargelegt ist das Risiko eines gef hrlichen Prozesses bestimmt durch die Wahrscheinlichkeit mit der ein gef hrlicher Vorfall ohne vorhandene Schutzma nahmen auftreten k nnte multipliziert mit dem Schadensausma des gef hrlichen Vorfalls Diese Wahrscheinlichkeiten k nnen mit Hilfe von Daten aus entsprechenden Datenbanken Her steller Versicherungen und der Analyse von Ausfallraten in vergleichbaren Situationen mit Hilfe quantitativer Risikobeurteilungsmethoden abgesch tzt und mit einem numerischen Grenzwert festgelegt werden Als Beispiel aus der Prozessindustrie sind in Tabelle 33 die Ausfallgrenzwerte f r eine Sicherheitsfunktion einer Anlage die in der Betriebsart mit niedri ger Anforderungsrate betrieben wird Low Demand gelistet Tabelle 33 Ausfallgrenzwerte f r eine Sicherheitsfunktion in der Prozessindust rie die in der B
173. ektro Ilyseverfahren einsetzbar F r die n here Eignungsbetrachtung werden im Folgenden drei Elektrolyseverfahren vorge stellt 1 Das in der Industrie zur Erzeugung von Wasserstoff etablierte Standardverfahren der sogenannten alkalischen Elektrolyse AEL mit einem fl ssigen basischen Elektroly ten 2 Die saure Elektrolyse mit einem polymeren Festelektrolyten PEMEL 3 Die Hochtemperaturelektrolyse HTEL mit einem Festk rperoxid als Elektrolyt Die blichen Temperaturbereiche der Verfahren die Reaktionen an der Kathode und an der Anode variieren entsprechend der Elektrolysetechnologie Diese wesentlichen Kenngr en sind in Tabelle 5 zusammengestellt Tabelle 5 Typische Temperaturbereiche Halbzellenreaktionen und Ladungstr ger der drei wesentlichen Arten der Wasserelektrolyse Techno Temperatur Kathodenreaktion Ladungs Anodenreaktion logie bereich tr ger 40 900 2420 2 amp gt H 20H a Fe a e O gt 0O 2e 1 PEMEL 20 100 C 2H 2 gt H A HTEL 700 1000 C H O 2 gt H O Allen Verfahren gemein ist dass entsprechend aufbereitetes Wasser in einer jeweils nach Material und Form verfahrensspezifisch aufgebauten Elektrolysezelle im elektrischen Feld unter Stromfluss durch Anlegen einer elektrischen Gleichspannung in Sauerstoff O und 2014 02 28 Seite 87 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al
174. el Erfahrung hinsichtlich Betriebsrisiken Betriebskosten und Ertr gen Im Leis tungsbereich von ca 100 kW bis zu 1 6 MW sind vor allem gebrauchte Anlagen pr sent In Ver ffentlichungen des Bundesverband WindEnergie e V BWE wird der Leistungsbereich unterhalb von 100 kW in drei Leistungsklassen eingeteilt 8 Bei der Leistungsklasse 1 0 5 kW wird von Mikrowindenergieanlagen gesprochen wobei noch weitere Unterschei dungen je nach Einsatzzweck und Netzanbindung getroffen werden Miniwindenergieanla gen im Leistungsbereich zwischen 5 kW und 30 kW bilden die Leistungsklasse 2 und die Anlagen im Bereich von 30 kW bis 100 kW Leistungsklasse 3 werden als Mittelwindener gieanlagen bezeichnet Aus Standortgr nden aber auch weil ein konventioneller Dreifl gler nicht unbedingt zu ei nem innovativen Energiezentrum passt wurden im Projekt vor allem Anlagen mit vertikaler Achse adressiert Diese sind aktuell in einem Leistungsbereich von einigen 100 W bis zu 10 kW verf gbar und sind damit den Mikro oder auch Miniwindanlagen zu zuordnen Zur Bewertung unterschiedlicher Windkraftanalgen wurde zun chst ein Kriterienkatalog er stellt und eine Gewichtung der einzelnen Punkte festgelegt Das Ergebnis ist in Tabelle 1 zusammengestellt Der Katalog orientiert sich dabei an den Erfahrungen des Partners mdp mit der Projektierung und dem Betrieb von Windkraftanlagen im Megawattbereich Obwohl der Katalog schon im Hinblick auf die Anwendbarkeit f r
175. elalgorithmus den der Baustein umsetzen muss wurde in Kapitel 2 4 in graphischer Form veranschaulicht und auch verbal beschrieben 2014 02 28 Seite 159 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES TWS B ef Concepts based on salid solutions University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 SoC Manager Batterie SoC Bat Pace WP Leistung Vorg 7 WP Status Vorg SoC W rmepuffer wp p El Leistung Vorg Wpist El Status Vorg SoCH2 Elektrolyseur Status BZ Leistung Vorg Pelist BZ Status Vorg BZ Status Pozist W rmepumpe Elektrolyseur BZ Brennstoffzelle Jahreszeit gt ee v eb v Bat Batterie 3 3 33 D lt c w 5 2 7 2 E D Falls notwendig o amp 9 a 2 D SoC Bat aus Energieintegral oder anaJ Z Zellspannung strom bestimmen Leistungsmessung und P 8 V b Is 1mi SoC Heizpuffer aus Tputfer orgaben als lmin ermitteln Mittelwerte e SoCH2 aus Druck und Temperatur Abbildung 106 Schematische Darstellung der Kommunikationspfade des Managers f r den Speicherf llstand der Batterie SOC Manager Der in Abbildung 107 dargestellte Gasmanager stellt insofern eine Besonderheit dar als hier sehr viele Parameter einflie en die ber Sensoren direkt aus der Feldebene gewonnen werden Auf der anderen Seite sind hier auch umfangreiche Ablaufdiagramme f r unter schiedliche Betriebszust nde zu hinterlegen die teilweise auch sich
176. elbar am RLT Ger t mit einer Rauchausl seeinrichtung ausgestattet Bei Rauchdetektion wird die Span nungszufuhr unterbrochen so dass die Ventilatoren abgeschaltet werden und die Jalousie klappen des L ftungsger tes schlie en Ebenso schlie en in diesem Fall die Brandschutz klappen Die abschlie ende Festlegung zu Brandabschnitten und der Anordnung von Brand schutzklappen erfolgt im Rahmen der Detailplanung Neben der B rol ftung erfolgt zudem die Entl ftung des Technikraums ber separate Abluft ventilatoren Eine EX gesch tzte Ausf hrung ist aufgrund der Wasserstofftechnik planerisch 2014 02 28 Seite 66 von 235 2 for Al Fachhochschule a T W S maip S dwestfalen DEN INGENIEUR GMBH eg SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences S Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 ber cksichtigt die Notwendigkeit des EX Schutzes sowie der notwendige Luftvolumenstrom muss im Rahmen der Gefahrenmatrix abschlie end abgestimmt und bewertet werden 3 4 Gestaltung des Technikraums Abbildung 57_ M gliche Anordnung der Komponenten im Technikraum Ein zentraler Punkt bei der Ausgestaltung des S dwestf lischen Energiezentrums besteht in der transparenten Darstellung der eingesetzten Technik Bis auf die Gasspeicherung die aus Sicherheitsgr nden im Freien untergebracht wird werden die gesamten t
177. elhaft die Ergebnisse des U I Models eines 3 3 kW Brennstoffzel lenstacks BZ Stack Der Nachteil des entwickelten Modells ist eine relativ lange Simulati 2014 02 28 Seite 20 von 235 INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 onsdauer die von der hohen Komplexit t der Teilmodelle verursacht wird Aus diesem Grund musste eine vereinfachte L sung gefunden werden Daher wurde mit Hilfe des detaillierten Modells eine Kennlinie eines 3 3 kW Brennstoffzellen stacks generiert und diese in ein empirisches Modelle berf hrt Auch hier kann mit Hilfe eines Skalierungsfaktors die tats chliche Brennstoffzellengr e eingestellt werden Da ne ben den reinen Stackverlusten zus tzlich die peripheren Systemger te Luftversorgung K hlmittelpumpe etc mit 7 der Systemleistung ber cksichtigt werden m ssen wurde das Modell um einen entsprechenden Block erweitert Das vollst ndige Systemmodell ist in Ab bildung 11 gezeigt Es konnte hierdurch ein Modell mit kurzen Simulationszeiten einer ska liervaren Komponentengr e sowie reduzierter Systemkomplexit t aus einem detaillierten dynamischen Modell entwickelt werden Da f r das Zentrum sowohl der m gliche Einsatz eines PEM Elektrolyseurs als auch ein Elektrolyseur auf
178. elle Peripherie 17 M Bus Brennstoffzelle Status Soll 19 Prognose Last Thermisch W rmepumpe Heizanlage 17 Brennstoffzelle Status Ist 19 Prognose Wetter Energie Elektrolyse Gasreinigung Peripherie 17 Abgegebene Leistung Brennstoffzelle 19 7y D naha AROA Brennstoffzellen incl Peripherie 17 a Leistung Windkraftanlage 3 Mies Visual f r Geb udeautomation Wasserstofispeicher Verdichter 17 PP i State of Charge SoC Batterie 0 T status Windkraftanlage It 3 Batteriesystem Wechselrichterk hlung 17 menet aostnower Leistung Batterie Paar 0 AE Windirekardapn of 18 Visualisierung des Kraftwerkprozesses Puffespeicher 11m Hysridk hlung Input 17 2 Haustechnik Status Windkraftanlage It 0 Datensicherung Trend Report Alarm Pufferspeicher 11m Hydridk hlung Output 17 State of Charge SoC W rmepuffer 9 Visualisierungsdaten Pufferspeicher Heizanlage Input 17 W rmepumpe Status Ist 9 16 Systemsicherheit Pufferspeicher Heizanlage Output 17 W rmepumpe Leistung 9 States Melder 20 12 Z hler K hlkreislauf 15 min Mittelwerte Wetterstation W rmepumpe Status Soll 9 17 Bilanzierung Datensicherung Beckhoff Industrie PC CX5020 W rmepumpe Heizanlage 17 Wetterdaten Leistungsvorgabe W rmepumpe 9 Daten von Z hler Geb udek hlung im Sommer 17 Wasserstofftechnik Elektrisch 10 20 Sicherheitstechnik Tankstelle K hlung Fahrzeugspeicher 17 State of Charge
179. en durch Interpolation ausgeglichen werden Abschlie end wurden die Daten mit dem Verh ltnis der Bruttogeschossfl chen skaliert um eine Anpassung an das Energiezentrum zu erreichen Das System Energiezentrum l sst sich an Hand der in Abbildung 1 dargestellten bersicht in verschiedene Teilsysteme gliedern Bei der Erstellung der Simulation sind zuerst Modelle der einzelnen Teilkomponenten entstanden wobei die Anforderungen an diese Submodelle aus der Struktur der Systemsimulation vorgegeben sind Das Modell der Photovoltaik Anlage soll zum Beispiel in der Lage sein auf Basis der Glo balstrahlung sowie der Umgebungstemperatur die generierte elektrische Leistung zu be rechnen Als Randbedingung war es Ziel das System so zu modellieren dass die ben tigten Modellparameter aus frei verf gbaren Datenblattangaben der spezifischen Modultypen abge leitet werden k nnen Es ist dann m glich das erstellte Modell an ausgew hlte Solarmodule anzupassen Das Simulationsmodell eines Solarmoduls basiert auf dem elektrischen Ersatz schaltbild einer Solarzelle und den das Ersatzschaltbild beschreibenden Gleichungen Izelle Uzelle Abbildung 3 Ersatzschaltbild einer Solarzelle Die Strom Spannungscharakteristik kann mit Hilfe von Abbildung 3 beschrieben werden 5 Uzelle IzelleRs UtlzelleRs 1 Rsh Izetie Ipn lo e a Die einzelnen Parameter wie a In und l sind wiederum durch Gleichungen beschreibbar und werden durch die Ei
180. endrallauslass siehe Abbil dung 56 wird eingesetzt um in R umen bis 4 m Raumh he die Zuluft zugfrei zuzuf hren Durch die besondere Ausbildung der feststehenden Drallschaufeln wird eine hohe Induktion erreicht Die Temperaturdifferenz und Geschwindigkeit bauen sich dadurch sehr schnell ab Die Zuluft tritt waagrecht in den Raum ein Dieser Auslass wurde speziell f r K hlung und isotherme Zuluftf hrung konzipiert und ist f r konstante und variable Volumenstr me von 100 40 geeignet Die Dimensionierung der L ftungstechnik erfolgt gem DIN EN 13779 L ftung von Nicht wohngeb uden Es wird von einem Luftwechsel ausgegangen der dem 1 5 fachen des Vo lumens pro Stunde entspricht Damit kann voraussichtlich eine Luftqualit t IDA 2 mittlere Raumluftqualit t erzielt werden Diese Annahme basiert auf der DIN EN 13779 Tabelle 12 wonach bei der Nutzung als Einzel oder Gruppenb ro von 10 m pro Person ausgegangen werden kann Die Fl chenangaben beziehen sich hier auf die Nettofl che Hieraus resultiert eine maximale Personenzahl von ca 240 Personen im Geb ude Der Au enluftvolumen strom pro Person bei der mittleren Luftqualit t IDA 2 betr gt ca 40 m h gem Tabelle A 11 der o g Norm Folglich resultiert hieraus eine Luftmenge von 9600 m h Der Ansatz des 1 5 fachen Luftwechsels pro Stunde liefert bei der Raumh he von 3 m und der Nettofl che von ca 2300 m einen Luftvolumenstrom von ca 10 000 m h und liegt somit i
181. engesetztes Kraftwerksystem In der Praxis liegt die Herausforderung in einer entsprechenden Implementierung der Grund bausteine die zum einen flexibel zum andern aber noch so bersichtlich sein muss dass eine Anpassung nicht einer Neuentwicklung eines Bausteines gleichkommt Ein weiterer Punkt ist die Kenntnis von Profilen und Transferfunktionen die sich wahrscheinlich nur ber 2014 02 28 Seite 188 von 235 INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 einen geeigneten Fundus an gemessenen Daten in ausreichender Qualit t und Aufl sung sichern l sst Welche Art von Messstellen in erster Linie interessant ist h ngt prim r von der Interessanlage des entsprechenden Partners bzw Anwenders der ein Kraftwerkssystem erstellen will ab Analog zu Kapitel 8 2 m ssen f r die Umsetzung des Eingangs beschriebenen Kraftwerksys tems externe Messdaten an die Softwarewerkzeuge bergeben werden Dazu ist auch hier eine Einteilung in eine dreigliedrige hierarchische Struktur in Feldebene Automatisierungs ebene und Managementebene vorgesehen Im Gegensatz zu den komplexen Automatisie rungsprozessen des Energiezentrums besteht die Hauptfunktionalit t der Automatisierungs ebene des Kraftwerkssystems in der Umsetzung des Datentransfe
182. er den Das widerspricht zum einen dem Grundgedanken des Zentrums und w re zum anderen auch unter energetischen Gesichtspunkten nicht sinnvoll Aus diesen Gr nden wurde der Ansatz im Realisierungskonzept nicht weiter verfolgt 2014 02 28 Seite 184 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 12 Kraftwerksystem mdp Festlegung der Grundfunktion und des Kundenbezugs TWS Entwicklung von Grundbausteinen Komponentenliste FH SWF Entwicklung Kraftwerkskonzept Definitionen Beschreibung und Aufbau der Grundbausteine und Abgleich mit der Simulation Wesentliches Ziel des Kraftwerksystems ist es Daten und Erfahrungen zu sammeln die es erlauben Versorgungs und Managementsysteme zur Eigenversorgung ganz verschiedener Gr enordnungen von interessierten Kunden im In und Ausland entwickeln implementieren und optimieren zu k nnen Dabei sollen explizit auch Erzeuger wie z B Biogasanlagen und Lastgruppen wie beispielsweise produzierendes Gewerbe einbezogen werden die im Sys tem des Energiezentrums nicht vertreten sind Relevante Kundengruppen k nnen hier zum Beispiel einzelne Liegenschaften D rfer oder Wohngebiete sein welche eine energetisch autarke Versorgung durch regenerative Energie untersuchen und er
183. er Energie und Heizw rme ben tigt werden Diese Betrachtung gilt allerdings nur f r die Bilanz Eine Gleichzeitigkeit von Erzeugung und Verbrauch wird dabei nicht be r cksichtigt 3 1 Entw rfe f r den Standort Werl Abbildung 42 zeigt einen Entwurf zur m glichen Standortentwicklung in unmittelbarer N he des KonWerl Zentrums der bereits vor Projektbeginn entwickelt wurde und auch Basis der Beantragung war In einem ersten Arbeitsschritt wurde dieser Entwurf hinsichtlich der techni schen Realisierbarkeit des im Bild skizzierten Geb udes weiterentwickelt und vervollst ndigt Basierend auf dem zu diesem Zeitpunkt aktuellen Raumprogramm f r das Energiezentrum das insgesamt ca 1 600 m Bruttogeschossfl che BGF umfasste entstand der Entwurf eines zweigeschossigen Geb udes aus mehreren unabh ngigen Baugruppen die unter ei ner sogenannten Klimah lle angeordnet sind In Abbildung 43 ist als Beispiel der Grundriss des Erdgeschosses dargestellt Die Klimah lle aus Glas sorgt daf r dass unter dem Dach des Geb udes eine m glichst gleichbleibende Atmosph re herrscht Die Sonne erw rmt auch im Winter die Umgebungsluft der Halle und tr gt zu einem geringeren Heizenergiebedarf bei Dies nennt man passive Solararchitektur Die innenliegenden Geb udeteile Raumeinheiten werden nicht direkt von der Sonne aufgeheizt sondern durch die Glash lle und ein Umluftsystem von den direk ten Witterungseinfl ssen abgeschirmt Dadurch i
184. er Untersuchung des Einflusses von Windkraftanlagen auf die einzelnen Belange wird das Umfeld der Anlagen in sogenannte Wirkzonen eingeteilt Dabei bezieht sich die Wirkzo ne auf das unmittelbare Umfeld der Anlage Mit zunehmender Nummer der Kennzeichnung wird die Abstandsfl che dann immer gr er In Bezug auf den Naturschutz ber hrt die Wirkzone der geplanten Windenergieanlagen keine Schutzfl chen nach Naturschutzrecht Die Wirkzone Il wird lediglich durch einen gerin gen Teil des sehr gro en Vogelschutzgebietes Hellwegb rde eingenommen Innerhalb der dritten Wirkzone sind sowohl Landschafts und Naturschutzgebiete als auch Schutzgebiete nach Europ ischem Recht SPA Special Protection Area und FFH Fauna Flora Habitat vorhanden 2014 02 28 Seite 82 von 235 NGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences S SCHMIDT amp WILLMES i F ui Al Fachhochschule l x TWS madp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Aktuell wird eine noch andauernde avifaunistische Kartierung innerhalb eines 1000m Radius um die geplanten Anlagenstandorte durchgef hrt Die bisher gewonnenen Erkenntnisse deu ten auf ein armes Vogelhabitat hin Ein weiterhin entscheidender Punkt ist das gut ausge baute und enge Wegenetz im Gebiet was in Verbindung mit der N he zum Siedlungsbereich der Stadt Soest und einiger angrenzender D rfer zu einem fl chig
185. er eine eigene angepasste SPS realisiert Diese erfasst alle Sensorsignale und steuert die entsprechenden Aktoren an Zus tzlich bernimmt sie die Kommunikation mit dem Gasmanager und dem zentralen Steuerungssystem des Energiezentrums 2014 02 28 Seite 176 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Der Wasserstoff wird von dem bereits erw hnten 45 bar Pufferspeicher bereitgestellt Um die bergabestation f r Wartungsarbeiten vom restlichen System abtrennen zu k nnen ist ein Absperrventil vorgesehen Mit einem festeingestellten Druckregler wird nun der Beladungs druck von 25 bar vorgegeben Zur genauen Erfassung der abgegebenen Wasserstoffmenge sind thermische Massendurchflussmesser wie sie die Firma Bronkhorst anbietet vorgese hen Da bei diesen Durchflussmessern die Messspanne auf 1 50 begrenzt ist werden zwei Durchflussmesser miteinander kombiniert Dabei weist der erste GFM1 einen Messbereich von 0 8 Nl min bis 40 Nl min auf und der zweite GFM2 einen Messbereich von 20 Nl min bis 1000 NI min Durch diese Ma nahme wird eine vollst ndige Erfassung der beim Betan kungsvorgang auftretenden Fl sse sichergestellt Die so erfasste Menge des abgegebenen Wasserstoffs dient als Abrechnungsbasis f r die Kunden
186. er gesamte Gasstrom so bilanzieren dass der F llstand der Speicher ermittelt werden kann Nach den im Folgenden dargestellten Glei chungen m ssen hierzu aber verschiedene Integrale berechnet werden Or drm Orns rc rcs SoCpruck SOCHyarid und SoCyyarid S Orca S Orms SoCpruck S Orcz T S Orcz S Orma Bei der messtechnischen Bildung von Integralen werden aber immer auch die Messfehler mit integriert Sobald diese nicht mehr statistischer Natur sind ergeben sich prinzipielle Fehler die durch die Integration aufsummiert werden Es ist daher bei solchen Systemen sinnvoll und auch erforderlich in gewissen Zeitabst nden eine Kalibrierung ber alternative Mess gr en vorzunehmen Im vorliegenden Fall ist dies bei den Drucktanks ber die Bestimmung der Gr en Druck und Temperatur m glich ber diese l sst sich der Speicherf llstand be rechnen Daher wurden bei allen Druckspeichern entsprechende Sensoren vorgesehen Die 2014 02 28 Seite 130 von 235 Fachhochschule S dvvestfalen INGENIEUR GMBH University of Applied Sciences B SCHMIDT amp WILLMES Erw Eu Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 se dienen auch zur Kontrolle des Betriebszustandes wenn z B bestimmte Anlagenteile ber Handventile bewusst entkoppelt werden Pnl lt 12bar nein Pul gt 32bar Hydrid Freigabe Verdich ter l uft nein PCy Psoll
187. ergl Kapitel 2 4 Die Batterien unterschiedlicher Gr en verhalten sich au erhalb des im Batteriemanager beschriebenen freien Batteriebetriebs gr ner Bereich und dem bergang 2 unterer oran gefarbener Bereich sehr hnlich Es ist kaum ein Unterschied zwischen den Kurven die verschiedene Batteriegr en repr sentieren zu sehen Daher wird in den weiteren Betrach tungen nur noch der Bereich von 20 bis 60 SoC d h der freie Betrieb betrachtet Dieser Bereich ist in Abbildung 38 vergr ert zu sehen 2014 02 28 Seite 46 von 235 INGENIEUR GMBH Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES c i faaam raU Fachhochschule l T W S madp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 0 65 0 6 0 55 O 05 O D 0 45 0 4 0 35 H ufigkeit Abbildung 38 SoC Dauerlinie im SoC Bereich zwischen 20 und 60 SoC H ufigkeit Abbildung 39 Steigung des SoC Verlaufs als Ableitung der SoC Dauerlinie Auch durch Betrachten des vergr erten Bereichs wird nicht ersichtlich welche Batterieka pazit t den am besten geeigneten Ausnutzungsgrad aufweist Ausschlaggebend f r den Ausnutzungsgrad der Batterie ist ein h ufiger Betrieb im freien Batteriebetrieb 40 60 SoC Die Steigungen der SoC Dauerlinien geben Aufschlus
188. erheitskritische Funktio nen wie z B den Schutz vor einem unkontrollierten Anlaufen nach einer St rung ber ck sichtigen m ssen Die angeschlossenen Sensoren und Aktoren sind auch in Abbildung 83 zu finden Das jeweilige Sensorsignal ist in Abbildung 107 als Eingangspfeil zu finden Einen Ausschnitt aus den zu hinterlegenden Betriebsalgorithmen veranschaulicht Abbildung 84 in graphischer Form Um die hardwareseitigen und logischen Signale separieren zu k nnen wurde in Abbildung 107 mit verschiedenen Farben gearbeitet Die Zuordnung zu einzelnen Gruppen wird ber die gestrichelten Linien verdeutlicht Jeder Prozess beinhaltet auf der Feldebene Hardwarekomponenten mit unterschiedlichen Kommunikationsschnittstellen Damit die mit dem Prozess in Interaktion stehenden Kompo nenten gesteuert und berwacht werden k nnen m ssen diese auf einen Steuerungs PC Automatisierungsebene aufgeschaltet werden Um dies zu erm glichen werden Beckhoff Embedded PCs der Serie CX5020 eingesetzt Die Aufgaben des Embedded PCs sind viel seitig und reichen von der Erfassung verschiedener Sensordaten bis zum Ansteuern von Aktoren sowie vom Weiterleiten und Empfangen von Daten bis hin zur Steuerung und ber wachung der jeweiligen Prozesse 2014 02 28 Seite 160 von 235 Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences tws EEG INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum
189. erm glichen ist die Unterbringung unter einem Carport vorgesehen Dieses wird seitlich offen ausgef hrt damit im Leckagefall keine explosionsf hige Atmosph re durch Gasansammlung entstehen kann Die vor Ort zu positi onierenden Komponenten der bergabestation werden in einem witterungsgesch tzten Schrank untergebracht Der Zugriff auf die K hlmittel und Gasleitungen ist hierbei sicher heitshalber nur mittels der Berechtigungskarte m glich 2014 02 28 Seite 179 von 235 INGENIEUR GMBH Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 11 W rmenutzung ISW Hydraulik Einbindung ins System Anlagenauslegung TWS Kenngr enermittlung und Verkn pfung mit den besonderen Komponenten FH SWF Stromerzeugung bei 50 C berpr fung der Forschungsoption Die w rmetechnischen Zusammenh nge des Energiezentrums sind in dem im Anhang be findlichen Schaltschema f r Heizung und K hlung aufgezeigt An dieser Zeichnung wird der enge Zusammenhang zwischen Wasserstofftechnik Brennstoffzelle Elektrolyse und der Geb udetechnik ersichtlich Im Zentrum dieser w rmetechnischen Zusammenf hrung der Systeme befindet sich ein Pufferspeicher In diesen Speicher kann die Abw rme der ver schiedenen Systeme aufgenommen werden Die Verteilung der W rme inne
190. ermodule einzeln abgetrennt werden Dadurch ist es beim Aufbau des Speichers m glich die einzelnen Un termodule separat zu montieren aufzureinigen und erstmalig mit Wasserstoff zu beladen Dieser Schritt ist notwendig damit keine Verunreinigungen in das Gassystem gelangen k n nen und eine kontrollierte Inbetriebnahme im Labor m glich ist Zus tzlich lassen sich die einzelnen Untermodule f r Wartungs und Reparaturarbeiten im Fall eines Fremdgaseintritts so einzeln entnehmen Die Untermodule weisen jeweils ein Gewicht von etwa 600 700 kg auf F r das Handling der Rohre muss daher ein geeignetes Hebezeug vorgesehen werden Eine M glichkeit ist ein S ulenschwenkkran welcher das Untermodul anheben und auf ein angepasstes Fahrgestell absenken kann Als alternative M glichkeit kann ein speziell ange passtes Hubwerkzeug in Form eines Transportwagens welcher gleichzeitig ber eine Hebe vorrichtung verf gt vorgesehen werden Dieser Transportwagen k nnte vergleichbar zu ei nem Portalkran l ngs ber der K hlwanne verfahren genau ber dem jeweiligen Untermodul positioniert werden und dieses direkt in eine Halteschiene anheben Anschlie end ist der Transport in das Labor m glich wo dieser Transportwagen gleichzeitig als Halterahmen f r 2014 02 28 Seite 117 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen
191. ers ein der f r die Elektrolyse zur Verf gung stehenden Energie proportionales Digital oder Analogsig nal zugef hrt werden ber das die Leistungsaufnahme des Stacks begrenzt wird Die Elekt rolyse richtet die Produktionsrate dann nach der zu Verf gung stehenden berschuss Energie aus und nicht nach dem Gasbedarf Neben diesen technischen Aspekten spricht auch das niedrige Preisniveau f r das genannte Produkt Auch unter Ber cksichtigung der Kosten f r die in der Peripherie des Elektrolyseurs 2014 02 28 Seite 99 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 notwendigen Ger tschaften liegt der Gesamtpreis mit rund 225 000 deutlich unter den An geboten der Mitbewerber Leider ist es aktuell nicht m glich eine konkrete Schaltung f r die Wasserstofferzeugung mit dem System von ErreDue zu pr sentieren Da die einzelnen Elektrolyseure nach Spezifikati on des Kunden individuell zu einem Gesamtsystem kombiniert werden werden die De tailpl ne erst mit der Beauftragung erstellt Die vorliegenden Musterpl ne und Datenbl tter beziehen sich auf Ger tschaften anderer Kunden und sind daher nicht zur Ver ffentlichung freigegeben Sie zeigen allerdings dass eine Integration in das Versorgungssystem des E
192. erstellerangaben aufgrund der ver wendeten Elektrodenmaterialien kein aufw ndiges Sp len mit einem Inertgas H ufiges An und Abfahren des Elektrolyseurs senkt jedoch den energetischen Wirkungsgrad da durch das Totvolumen und das in der Anfangsphase verunreinigte Gas Gasverluste auftreten Fer ner kann es mit der Zeit durch die Gasrekombination zu Wasser und durch Undichtigkeiten zum Druckabfall kommen Es kann sich sogar ein Vakuum ausbilden welches zu einer wei teren mechanischen Beanspruchung der Materialien f hrt Laut Herstellerangaben wird diesen bekannten Problemen ber die installierte intelligente Prozess berwachung begegnet Die Installation von zwei identischen Wasserstoffgenerato ren zur Erweiterung des Teillastbereichs tr gt ebenfalls dazu bei ung nstige Betriebsmodi zu vermeiden und hilft somit den Prozess energetisch zu optimieren H ufiges Herunterfah ren in den Standby Betriebszustand soll durch den Aufbau des Energieversorgungssystems nicht zuletzt auch durch den Einsatz des elektrischen Kurzzeitspeichers vermieden werden Auf die Einzelheiten der Auslegung und der erwarteten Betriebsweisen wurde in den Kapiteln 2 4 und 2 6 eingegangen 2014 02 28 Seite 106 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht
193. erstoff Erforderlich Gasen au er Wasserstoff Leitungen installieren Lagerung Abbildung 78 bildliche Darstellung der nach IGC Doc 15 06 E der EIGA geforderten Sicherheitsabst nde bei Mitteldruckbeh ltern 2014 02 28 Seite 121 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES TWS cn ef Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences S Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 y y 1 0 m H Tank 1 6m 50 bar 1 0m x h 3 3m 4 5m H Tank 4m 12 bar 91 4m x h 3 3m Ya m 6 06 m y Ly 5 2IKK01 Beh lter 12 bar 5 3LKK04 Beh lter 50 bar 4 5m Befestigter 5 11KLO1 Streifen f r Metallhydridspeicher Hubwagen Stapelh he der Rohre ca 1 5m Beckentiefe 1 70m Container 20 Fu Au enma e LxBxH 6 058 m x 2 438 m x 2 591 m Innenma e LxBxH 5 710 m x 2 352 m x 2 385 m Volumen 33 m Leergewicht max 2 250 kg max Gesamtgewicht 24 000 kg 10 0m Abbildung 79 Beh lteraufstellung innerhalb der Sicherheitszone des Gaslagers Wie bereits die vereinfachte Darstellung der Abbildung 83 zeigt sind f r das Wasserstoff speicher System des Zentrums eine F lle von Messinstrumenten und Ventilen erforderlich Zwangsl ufig ergeben sich hieraus auch Rohrverbindungen mit Schraubverbindungen und Fittingen zur Anpassung von Querschnitten Bei Verbindungen und Equipment dieser Art besteht eine G
194. erstromung in Brennstoffzellen und die Speicherung des Wasserstoffs in Metallhydridspeichern stellt erh hte Anspr che an die Qualit t des erzeugten Wasserstoffs Zur Gew hrleistung einer geringen Restfeuchte und einer hohen Gasreinheit ist die Installa tion einer separaten Gasreinigungsanlage unumg nglich In Tabelle 11 sind alle f r die Wasserstofferzeugung relevanten Ger tschaften inklusive der peripheren Aggregate mit Angabe der Geh usema e und Gewichte aufgef hrt Abbildung 71 zeigt ein Installationsbeispiel im industriellen Umfeld Dabei handelt es sich ebenfalls um eine Kombination aus zwei Elektrolyseuren des Typs G10 die wie oben ausge f hrt f r das Energiezentrum gut geeignet sind Auf Ausf hrung und Funktion der peripheren Aggregate wird im Folgenden noch n her ein gegangen 2014 02 28 Seite 100 von 235 AT Fachhochschule maip S dwestfalen INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences B SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 K hlung 560 x 510 670 x 480 x 775 670 x 480 x 775 Gasreinigung DPH12 ErreDue Elektrolyseur 2 1500 x 830 x 1800 G10 ErreDue 850 x 1300 x 1800 Elektrolyseur 1 G10 ErreDue 850 x 1300 x 1800 Abbildung 70 Grundriss des Technikraumes mit Elektrolyseuren und zus tzlichen Komponenten Ausschnitt aus Abbildung 5
195. erungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 auf der elektrischen Seite am Ausgang der Brennstoffzelle ziehen obliegt die Beschaffung der Wechselrichter dem Anwender Auf dem Markt sind solche Wechselrichter f r den gefor derten Leistungsbereich von ca 8 5 kW bei verschiedenen Herstellern zu finden In Tabelle 21 sind einige Hersteller aufgelistet Standardprodukte k nnen hier direkt erwor ben werden Allerdings ist es im speziellen Fall erforderlich dass die Besonderheiten der Betriebsf hrung der Brennstoffzelle von der Firmware der Wechselrichter ber cksichtigt wer den Hierzu sind Detailabsprachen mit dem Hersteller unumg nglich Deshalb sind aktuell eine exakte Abstimmung der Produkte und die Angabe von genauen Preisen noch nicht m glich zumal manche Hersteller bei der Nennung von Richtpreisen bereits einen Aufschlag f r die Anpassungsarbeiten mit einrechnen w hrend andere Hersteller den Standardpreis nennen und die Anpassungsarbeiten v llig separat gesehen werden Dennoch vermittelt Tabelle 21 einen ersten Eindruck von den Gestehungskosten Abbildung 86 zeigt ein sche matisches Bild der Systemkomponenten Brennstoffzelle Wechselrichter und Steuerung Tabelle 21 Verf gbare Wechselrichter f r den Betrieb einer Brennstoffzelle Hersteller Leistung Preis Hinweis Gustav Klein GmbH amp Co KG 10kVA gt 20 000 Anpassung nach Absprache Eltek Deutschland GmbH 10
196. es based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 ten in die Systeme der Projektpartner Die Berechnungen die im Rahmen dieses Projektes mit DesignBuilder durchgef hrt wurden basieren unter anderem auf st ndlichen Wetterda ten F r das Gebiet der Bundesrepublik Deutschland liegen zurzeit 15 verschiedene Testref erenzjahre TRY f r unterschiedliche Klimaregionen vor Die Daten des Testreferenzjahres basieren auf mehrj hrigen Messungen des Deutschen Wetterdienstes F r die Simulations rechnung des Energiezentrums S dwestfalen werden die Wetterdaten vom Standort Essen verwendet Soest liegt im Grenzgebiet der Testreferenzjahr Regionen 5 Essen und 6 Bad Marienberg Die Entfernung zwischen Soest und Essen ist g nstiger und die Regionen h neln mehr als dies f r den Standort Bad Marienberg der Fall w re Die Entfernung Essen und Soest betr gt ca 80 km so dass davon auszugehen ist dass die Daten repr sentativ verwendet werden k nnen Neben den Wetterdaten sind die baukonstruktiven und nut zungsspezifischen Ans tze ma gebend Bei der Erstellung des Modells wurde bereits der Baustandard der Energieeinsparverordnung 2014 angesetzt Entsprechende W rmedurch gangskoeffizienten f r w rme bertragende Bauteile sind in der Bauphysik des erstellten Mo dell
197. etriebsart mit niedriger Anforderungsrate betrieben wird Low Demand SIL Zielwert f r die H ufigkeit gefahrbringender Ausf lle der sicherheits technischen Funktion pro Jahr 4 gt 10 bis lt 10 ein gef hrlicher Ausfall in 10000 Jahren 3 gt 10 bis lt 10 ein gef hrlicher Ausfall in 1000 Jahren 2 gt 10 bis lt 10 ein gef hrlicher Ausfall in 100 Jahren 1 gt 10 bis lt 10 ein gef hrlicher Ausfall in 10 Jahren 2014 02 28 Seite 209 von 235 S dwestfalen University of Applied Sciences An TWS FAT achhochschule l INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 13 3 5 2 Qualitative Methode zur Festlegung des SIL Risikograph Methode Aa A an Io f r die gt Ga Sch tzung epe Ic Ab Ga Aa Gb Cd gt Gab Ab a keine speziellen Sicherheitsanforderungen b ein einzelnes SIS nicht ausreichend 1 2 3 4 Safety Integrity Level SIL Ca leichte Verletzung einer Person kleinere sch dliche Um welteinfl sse Ch schwere Verletzungen oder Tod einer Person C Tod mehrere Personen Ca Tod sehr vieler Personen Aa selten bis h ufig Ap h ufig bis dauernd Ga m glich unter bestimmten Bedingungen Gp kaum m glich W sehr gering W2 gering W3 relativ hoch Abbildung 131 Risikograph Methode zur Einstufung des SIL 17 2014 02 28 Seite 210 von
198. euerbaren regenerativen Energieerzeuger eine Differenz von Erzeugung und Bedarf Zur Analyse sind die Lastdaten und Ergebnisse der Erzeugersimulation in vier gleich lange Jahre zerlegt worden und in Abbildung 15 dargestellt ALeistung kW Leistung kW 2007 2008 2009 2011 2008 2009 Abbildung 15 Leistungserzeugung und Lastbedarf von 2007 bis 2010 Abbildung 15 zeigt die Erzeugung und Lastcharakteristik f r die Jahre 2007 bis 2011 als Da tenbasis f r die Systemauslegung Um die Anzahl der Werte zu reduzieren ist ein 3 Tage Mittelwertfilter implementiert worden Der Leistungsbedarf umfasst die elektrische Last sowie 2014 02 28 Seite 25 von 235 INGENIEUR GMBH Concepts based on sl shions University of Applied Sciences B SCHMIDT amp WILLMES H AAT Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 die thermische Last umgerechnet mit der Jahresarbeitszahl der W rmepumpe Um eine Pe riodizit t innerhalb der Daten zu analysieren sind in Abbildung 15 die Daten mit berlagerten Sinusfunktionen angen hert Abbildung 15 rechts Grunds tzlich korreliert der Lastgang mit dem Jahreszeitenwechsel wobei kaum eine Varia tion ber mehrere Jahre hinweg zu erkennen ist W hrend der Sommer sowie Teile des Fr hlings und des Winters von schwacher Nachfrage bestimmt sind ist die Last w hrend des Winters und in der zweiten Herbsth lfte sowie
199. ffspeicherung Der im Elektrolyseur erzeugte Wasserstoff wird zun chst auf dem Betriebsdruck des Elektrolyseurs 12 bar in einen Vorspeicher geleitet Von hier aus ist zum einen eine direkte Versorgung 2014 02 28 Seite 110 von 235 Fachhochschule S dwestfalen INGENIEUR GMBH University of Applied Sciences B SCHMIDT amp WILLMES TETS Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 der R ckverstromung Brennstoffzelle m glich oder das Gas wird verdichtet Der Verdichter f llt vorrangig den Pufferspeicher der in erster Linie f r die Betankung von Fahrzeugen oder f r Betankungsexperimente im Labor zur Verf gung steht Weiteres Gas wird dann in die Hauptspeicher Gasdruckspeicher und Hydrid Speicher geleitet Nach einer entsprechenden Entspannung steht das Gas wieder zur R ckverstromung oder zur Nutzung im Labor zur Verf gung Auf die konkrete Auslegung und Funktionsweise der Anlage im Normalbetrieb wird n her in Kapitel 6 3 eingegangen Hier soll zun chst eine kurze Beschreibung der ein zelnen Systembl cke insbesondere im Hinblick auf ihre technischen Eigenschaften erfolgen 3x 400V AC Hausnetz Brennstoffzelle Vorspeicher 12 bar Pufferspeicher 50 bar Abbildung 74 Blockschema der Wasserstoffspeicherung 6 2 1 Druckspeicher Bei den Vor Haupt und Pufferspeichern handelt es sich um konventionelle Speicherbeh l ter aus Stahl wobei der Hauptspeicher au
200. g Final pressure 50 bar g Capacity app 15 Nm3 h Installation indoor antifreeze protected Ambient temperature 5 C up to 30 C Zone 2 Gas group IIC Category 3G Temperature class T4 app 270 I h from customer s cooling loop cw free of solids free of aggressive ingredients cw inlet pressure min 2 bar g max 5 bar g cw inlet temp max 35 C max 80 dB A Requ Cooling water flow Expected sound pressure level Die Metallmembran des Verdichters wird hydraulisch ber einen per Kolbenhub oszillierend aufgebauten ldruck angetrieben Der mehrlagige Schichtaufbau der Metallmembran ver hindert dass der zu komprimierende Wasserstoff diffusionsbedingt weder nach Atmosph re austreten noch mit der Hydraulikfl ssigkeit in Ber hrung kommen kann In die Membran ist ein Sensor zur Erkennung von Membranbr chen eingearbeitet Der Hydraulikkolben wird blicherweise ber ein Exzenter Pleuel System bewegt Als Antrieb wird ein Asynchron Drehstrommotor mit fester Drehzahl eingesetzt Der Leistungsbedarf des Verdichters an der Antriebswelle des Motors ist 40 geringer als die Motornennleistung Die Motordimensionie rung ist so ausgelegt dass der Verdichter w hrend des Startvorgangs auch gegen den ma ximalen Druck angefahren werden kann Dadurch werden kostenverursachende und mit Gasverlusten behaftete Druckentlastungssysteme vermieden In den Aufbau des Verdichters 2
201. g der 15 Minuten Mittelwerte und der Einschaltschwelle des Elektrolyseurs welche h her liegt als die der Brennstoffzelle und daher ausschlaggebend ist wurde die ma ximale Ladeleistung der Batterie bestimmt Hierzu wurden die gemessenen Minutenmittel werte wiederum mit dem Verh ltnis der Bruttogeschossfl chen von KonWerl Zentrum und Energiezentrum skaliert Bei Messwerten welche nicht in Minuten Aufl sung vorlagen wie die thermische Last und die erzeugte Windenergie wurden die fehlenden Daten interpoliert Mithilfe dieser minutengenauen Daten wurde erneut die entstehende Differenzleistung der Liegenschaft errechnet Wie bereits erw hnt sind die Abweichung innerhalb der bereits be kannten 15 Minuten Mittelwerte ausschlaggebend f r die Dimensionierung der Batterie und des Inverters der Batterie Um die Abweichungen innerhalb der 15 Minuten Intervalle zu be stimmen wurden aus der ermittelten Differenzleistung der Liegenschaft verf gbar im Minu tenraster zun chst die 15 Minuten Mittelwerte berechnet Da w hrend des sp teren Betriebs der Liegenschaft nur bereits vorliegende Messwerte zur Regelung von Elektrolyseur und Brennstoffzelle verwendet werden k nnen wurden zur Bestimmung der Abweichungen die Minutenwerte jeweils auf die 15 min Mittelwerte der vergangenen Viertelstunde bezogen Das 15 Min Profil wurde damit quasi um eine Zeiteinheit verschoben Die maximale Abwei chung von den 15 Minuten Messwerten betr gt nach dieser Auswertung 2
202. g des Geb udes haben direkten und ma geblichen Einfluss auf den Energiebedarf welcher f r dieses Geb ude bekannter ma en m glichst zu jedem Zeitpunkt autark gedeckt werden soll Entsprechend hohen Ein fluss hat die konzeptionelle Integration der Systeme der Technischen Geb udeausr stung 3 3 1 Heizung Die Beheizung der R ume erfolgt fl chendeckend ber Bauteiltemperierung Die Decken Heiz K hldecken siehe Abbildung 51 im B ro und der Fu boden im Eingang und Foyer werden thermisch aktiviert Durch die Aktivierung gro er Fl chen zur Beheizung der R ume kann die Temperatur f r die notwendige Erw rmung der R ume auf ein Niveau gesenkt wer den welches nur geringf gig h her liegt als die geforderte Raumtemperatur Abbildung 51 Beispiel einer Heiz K hldecke Quelle Fa Emco Klimatechnik So kann konkret eine Heizdecke und eine Fu bodenheizung mit einer Vorlauftemperatur von 35 C und einer R cklauftemperatur von 28 C f r den Winterauslegungsfall Standort Soest 10 C dimensioniert werden Dieses Temperaturniveau eignet sich ideal f r die geplanten Systeme der W rmeerzeugung Neben der Deckung der Grundlast ber eine W rmepumpe kann auf diese Weise auch die Fremdw rme der verschiedenen Systeme aus der Wasser stofftechnik integriert werden Die Abw rme folgender Systeme wird in der Heizungstechnik ber cksichtigt e Brennstoffzelle 30 kW bei 5 K Spreizung e Elektrolyse 25 kW bei 5 K Spreizung
203. g von 1 4 kW nicht ausreichen so k n nen mehrere Module parallel verschaltet werden Die verschalteten Module sollen dann so agieren als handelte es sich um ein System Das hei t dass ein Modul bei der Verschaltung als Master definiert wird und die anderen Module als Slave fungieren Von einer Leitzentrale aus wird nur das Mastermodul angesprochen Dieses bernimmt dann die interne Koordina tion und verteilt z B die Leistung gleichm ig auf alle Module betreibt ein wear levelling indem es die Leistung basierend auf den jeweiligen Betriebsstunden zuordnet oder optimiert 2014 02 28 Seite 143 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen oncaps based on solid solutions University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 den Systemwirkungsgrad indem es die beste Kombination an Wirkungsgradbereichen der Einzelmodule einstellt Wie bereits erw hnt lassen sich so prinzipiell beliebig viele Module kombinieren wobei dann allerdings die Komplexit t des Masterbetriebs deutlich zunimmt und praktisch eine allgemeing ltige Beschreibung der Betriebszust nde unabh ngig von der Modulanzahl hinterlegt werden muss Jedes Modul muss dabei die Funktionalit t eines Mas ters bernehmen k nnen um bei Systemver nderungen flexibel einsetzbar zu sein Das zweite Konzept welches in Abbildung 90 illustriert ist
204. g von der Quellspan nung minus der Spannungsverluste Die Quellspannung kann abh ngig von der Temperatur sowie den genannten Partialdr cken durch die Nernst Gleichung beschrieben werden H2dem Abbildung 8 Modellstruktur Brennstoffzelle AG RT P P U A ee 2F 2F Din F r PEM Brennstoffzellen verursachen vier Effekte ma geblich die auftretenden Span nungsverluste Die Aktivierungs berspannung welche von der begrenzten Reaktionsge schwindigkeit verursacht wird die Stofftransport Verluste hervorgerufen durch die uner w nschte Permeation von Elektronen und Wasser durch den Elektrolyten sowie die Konzent rationsverluste welche zum einen auf Grund von einer innomogenen Reaktandenkonzentra tion an den aktiven Oberfl chen der Elektroden und zum anderen durch eine begrenzte Re aktandenversorgung entstehen Als vierte Ursache f r Verluste sind die ohmschen Span nungsabf lle ber der Elektrolyt Membran und den Elektroden zu nennen Abbildung 9 zeigt 2014 02 28 Seite 19 von 235 INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions SCHMIDT amp WILLMES rws B University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 die Struktur des entwickelten Modells wobei die Modellierung der Teilkomponenten Verlus te hier nicht detailliert aufgef hrt ist Die entsprechende Beschreibung ist in 1 zu finden T PH2 Po2 PH20 Aktivierungs
205. geben Abbildung 44 vermittelt einen ersten Eindruck vom Zuschnitt des Standorts im Soester Norden Auf der Luftaufnahme sind der Bahnhof das zugeh rige Parkhaus und die aktuell noch brache Fl che f r den n chsten Bauabschnitt des Gewerbegebiets am Bahnhof deutlich zu erkennen Im ersten Ansatz wurde der Versuch unternommen den vorliegenden Entwurf zum Geb ude auf diesen Standort zu bertragen Wie die Lageskizze in Abbildung 45 zeigt ergibt sich da raus eine relativ sperrige und unattraktive Anordnung innerhalb der Liegenschaft Die Situa 2014 02 28 Seite 52 von 235 Fachhochschule S dwestfalen INGENIEUR GMBH University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Erw Eu Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 tion ndert sich auch bei liegender Anordnung der Tanks nicht wesentlich Aus diesen Gr n den wurde das Architekturb ro Acconci damit beauftragt einen weiteren auf den Standort zugeschnittenen Entwurf zu entwickeln gt Ma stab 1 1000 Norden 7 i Abbildung 44 Luftbild des Standorts in Soest Kartenausdruck www tim online nrw de rt 5 Z Option Tanks stehend x 253 Kabelkanal Bahn Va riante 2 Soest 1785 Erschlie ungsstra e Gleisanlage Abbildung 45 M gliche Anordnung der Baugruppen des f r Werl erstellten Geb u deentwurfs am Standort Soest mit stehenden H2 Tanks 2014 02 28 Seite 53 von 235
206. geeignet und keiner kommunalen Abw gung zug nglich e Als weiche Tabuzonen werden Bereiche des Gemeindegebietes beschrieben in denen nach dem Willen des Plangebers der Stadt Soest aus unterschiedlichen Gr nden die Errichtung von Windenergieanlagen von vornherein ausgeschlossen werden soll Die Gemeinde kann hier demnach eigene Festlegungen treffen Es be 2014 02 28 Seite 85 von 235 2 FIT Fachhochschule l a maip S dwestfalen pbk INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences S eg SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 steht ein eingeschr nkter Ermessensspielraum f r die Stadt Soest bei der Abw gung e Auf Restriktionsfl chen ist die Errichtung von Windenergieanlagen zwar nicht ausgeschlossen sie tritt jedoch in Konflikt mit anderen Interessen Der harte Tabucharakter kann nur durch den bergeordneten Planungstr ger verworfen werden eine Windkraftnutzung kommt hier nur unter bestimmten Voraussetzungen in Frage bspw bei Erteilung von Ausnahmegenehmigungen Befreiung von Bestimmungen des Landschaftsschutzes immissionsrechtliche Detailuntersuchung Im Ergebnis wurden ber die bereits beplante Fl che hinaus weitere in Frage kommende Potentialfl chen lokalisiert Eine Entscheidung seitens des Planungsausschusses der Stadt Soest steht aktuell noch aus Nach den vorliegenden Erke
207. genommen und passt ihre Drehzahl den Druckverh ltnissen im System und damit der Auslastung an Die W rme wird wie bereits erw hnt in den Pufferspeicher der Heizung gef rdert und kann von dort wieder im Geb ude verteilt und somit genutzt werden Sofern die Temperatur im Pufferspeicher unter einen von der Au entemperatur abh ngigen Wert sinkt und ein Heizbedarf im Geb ude vorliegt wird ber die W rmepumpenanlage der Puf ferspeicher geladen Hier erf llt der Pufferspeicher zudem den Zweck der hydraulischen Ent kopplung zwischen der W rmeerzeugung und W rmeverteilung Sollte der Pufferspeicher voll geladen sein und weitere Abw rme aus den Systemen abgef hrt werden m ssen so kann diese Abw rme ber eine hydraulische Umschaltung ber einen Plattenw rme bertra ger in den Solekreis eingespeist werden und steht somit indirekt als W rmequelle f r die W rmepumpentechnik zur Verf gung Ist die Soletemperatur im Erdsondenfeld in einem Be reich welcher einen weiteren W rmeeintrag verbietet wird die bersch ssige W rme ber einen Tischk hler abgef hrt Bei letzterer Betriebsart handelt es sich nicht um ein planm i ges Ereignis da die Systeme so dimensioniert sind dass eine zuvor beschriebene Notk h lung nicht eintritt jedoch ist sie technisch zu ber cksichtigen Die bertragung von W rme zwischen den Heizungskreisen K ltekreisen und dem Solekreis erfolgt jeweils ber Platten w rme bertrager Hierdurch wird eine hydr
208. gie erm glicht Speicherdichten bis zu 3 5 kWh Liter allerdings verbunden mit einem erh hten Beh ltergewicht Wird der Metallhyd ridspeicher mit einem der bereits erw hnten Tieftemperaturhydride z B TiMn bef llt liegt der f r die Betankung notwendige Druck im Bereich von 20 25 bar Dieser geringe Betan kungsdruck bietet einige Vorteile da der bauliche Aufwand reduziert wird Im Hinblick auf das S dwestf lische Energiezentrum bedeutet dies dass f r die bergabestation kein zu s tzlicher Kompressor notwendig wird Am Standort Soest der Fachhochschule S dwestfa len wurde bereits im Projekt H2Mobil ein Smart mit einem Elektro Wasserstoff Hybridantrieb entwickelt und mit einem Metallhydridspeicher zur Wasserstoffversorgung ausgestattet In Zusammenarbeit mit einem Industriepartner soll nun eine kleine regionale Fahrzeugflotte aufgebaut und betrieben werden Abh ngig von diesen Rahmenbedingungen wurde der Aufbau einer bergabestation f r Me tallhydridspeicher f r das S dwestf lische Energiezentrum ausgew hlt So besteht ein direk ter Bezug zu den Forschungsarbeiten der Fachhochschule S dwestfalen sowie zu einem lokalen Fahrzeugprojekt zur Weiterentwicklung und Pr fung der Alltagstauglichkeit Weiter hin ist eine direkte Einbindung in das Gassystem des Energiezentrums m glich ohne einen zus tzlichen Kompressor oder einen Verfl ssiger vorzusehen 10 1 1 Konzept der bergabestation Die Betankung von Fahrzeugen mit Met
209. gruppe A2 Untergruppe Abbildung 99 Aggregat Schl ssel der zweiten Gliederungsstufe Die Bezeichnungen der zweiten Gliederungsstufe befinden sich in projektspezifischer Form im Anhang In dem Fall dass mehrere identische Hauptgruppen der Aggregate genutzt wer den unterscheiden sich diese durch die Aggregatz hlzahl An wie in Abbildung 100 darge stellt 2014 02 28 Seite 152 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES TWS cn ef Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences S Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Name des Datenpunktes G Fo F1 F Fs Fy A ABEE A B B By Type des Datenpunktes AorN N AAA NN AA A lAAINN Aggregatz hlzahl Abbildung 100 Aggregatz hlzahl Die zweite Gliederungsstufe wird mit der Identifikationskennzahl A abgeschlossen welche allerdings beim Energiezentrum nicht verwendet wird Die letzte und dritte Gliederungsstufe vier beschreibt die Kennzeichnung von Betriebsmitteln Einheiten und Komponenten Diese Gliederungsstufe beinhaltet zwei wesentliche Elemente den Betriebsmittel Schl ssel Hauptgruppe B und Gruppe B2 und zus tzlich die Betriebsmittelz hlzahl Bn siehe Abbil dung 101 Die dazugeh rigen Bezeichnungen k nnen dem Anhang entnommen werden Gliederungsstufe o 1 2 3 Name des Datenpunktes Betriebsmittel Schl ssel Betriebsmittelz hlzahl Abbi
210. gskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Kumada Detanp ralkus n Ea E o EAA Type des Datenpunktes AAINNN A AAINN Abbildung 94 Numerische Kennzeichnungselemente des Kennzeichnungsschl s sels Die erste Gliederungsstufe Null erlaubt die Charakterisierung bzw Unterteilung von Kraft werksprozessen in Systeme und Bereiche siehe Abbildung 95 Im Laufe des Projektes wur de das Energiezentrum durch das Projektteam in einzelne logische Bl cke unterteilt und die se eindeutig gekennzeichnet In vorliegenden Fall wurde jedem Block eine fortlaufende Nummer zugewiesen siehe Tabelle 22 Name des Datenpunktes Type des Datenpunktes AA INNNIA AAINN Abbildung 95 Die erste Gliederungsstufe Tabelle 22 Bl cke des Energiezentrums und ihre numerische Kennzeichnung Nummer System 0 Stromversorgung _ Photovoltaikanlage Windkraftanlage Batterie Brennstoffzelle Wasserstoffspeicher Elektrolyseur Tankstelle Wasserstoffbereitstellung W rmespeichersystem Geb udetechnik o o N OH O1 AIOI MD Die zweite Gliederungsstufe Eins besteht aus drei Elementen ein Vorzeichen eine Sys temz hlzahl und dem Funktions Schl ssel Die nach Tabelle 22 aufgeteilten Bl cke wurden 2014 02 28 Seite 150 von 235 2 fl FIT Fachhochschule l n l i mdp S dwestfalen pbi INGENIEUR GMBH Concept
211. gung von Sicherheitsanforderungen z B Absperrung im Fehlerfall ver hindern ungewollter R ckstr mung Unter Ber cksichtigung dieser Randbedingungen ergibt sich dann das in Abbildung 83 ge zeigte Schema Im Folgenden wird im Rahmen der Funktionsbeschreibung auch auf die grundlegenden Spezifikationen eingegangen Elektrolyseur und Gasreinigung sind f r die volle Funktionalit t auf einen Betriebsdruck von 12 bar angewiesen Erst wenn dieser aufgebaut ist kann Gas an das System abgegeben werden Damit dies auch bei schwankender Erzeugung problemlos und schnell funktioniert wird das Erzeugersystem ber einen Druckregler an die Speicher angekoppelt Hier wird der Druck auf der Eingangsseite zum System Pa Ausgang Gaserzeugung gemessen ber steigt der Druck den voreingestellten Wert regelt PCg auf und l sst das Gas in den Nieder druckbereich des Speichersystems einstr men Der Flussmesser FM1 erfasst die jeweilige Menge RV1 verhindert einen R ckfluss falls sich die Druckverh ltnisse im Fehlerfall umkeh ren sollten ber VS1 k nnen die Systeme vollst ndig getrennt werden An den Niederdruckbereich angeschlossen sind der Vorspeicher 4m bei 12 bar der Ein gang des Verdichters die R ckverstromung Brennstoffzelle und die Niederdruckversor gung des Labors Die abgegebenen Mengen werden bei den beiden Abnahmestellen Labor und R ckverstromung ber FM2 und FM3 erfasst eine gezielte Sperrung oder Freigabe ist ber VS2 bzw VS3 re
212. h auftreten k nnen mit dem Ziel eine gefahrlose Bereitstellung und Benutzung der Arbeitsmittel sicherzustellen Aus der Gef hr dungsbeurteilung werden anschlie end die zu treffenden Schutzma nahmen abgeleitet z B die Zoneneinteilung von explosionsgef hrdeten Bereichen die Ermittlung von Pr ffris ten f r Arbeitsmittel oder die Erstellung von Betriebsanweisungen f r Besch ftigte die mit Gefahrstoffen umgehen 2014 02 28 Seite 195 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 In einer Gefahrenanalyse Riskiobeurteilung werden alle Gefahren die von einem Ge r t Maschine ausgehen k nnen und die L sungen mit denen diese m glichen Gefahren beseitigt werden sollen beschrieben Viele Gefahren werden dabei durch die Einhaltung bestehender Regelwerke z B DIN EN 378 Ausgabe 2008 bereits ber cksichtigt da diese die Gefahren bergreifend behandeln Gefahren die nicht beseitigt werden k nnen sind als Restgefahren in der Analyse Beurteilung ausgewiesen und damit in die Betriebsanleitung aufzunehmen In der Betriebsanleitung sind die bestimmungsgem e Verwendung Schutz ma nahmen die zur Verh tung von der Maschine ausgehender Gefahren f hren und der Hinweis auf Restrisiken anzugeben Wie erw hnt i
213. h des SoCs mit und ohne Management Da Energieerzeugung und bedarf mit der Jahreszeit variieren macht es wenig Sinn kon stante Werte f r die oberen und unteren Schranken des SoC Managements festzulegen Im ersten Ansatz wurden daher sinusf rmige Kurven generiert deren Periode an die Jahreszeit 2014 02 28 Seite 38 von 235 INGENIEUR GMBH Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Ha raU Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 anpasst ist Dies sorgt zum einen daf r dass der Speicher im Fr hjahr m glichst leer ist um gen gend Kapazit t f r die anstehende bersch ssige Energie des Fr hlings und Sommers zu gew hrleisten Zum anderen weist der Speicher am Ende des Sommers einen hohen F llstand auf um die Zeit mit geringer Eigenerzeugung und hohem Bedarf ber Herbst und Winter mit wenig Bezug aus dem Netz berbr cken zu k nnen Abbildung 29 zeigt in rot das obere und untere Band f r die Grenzwerte der 3 Tagessimulation und in blau den aus dem gezielten Management resultierenden Speicher verlauf Der Verlauf des Speicherf llstands ohne Management ist in Gr n dargestellt Mit Hilfe der festgelegten Grenzen wurde das Ziel einen g nzlich gef llten oder v llig leeren Speicher zu vermeiden erreicht Bei genauer Betrachtung und Einbeziehung von Abbildung 30 wird allerding
214. handelt ist die Beschreibung in diesem Kapitel relativ knapp und besch ftigt sich zudem mit einigen Randbereichen des Themenschwerpunkts Grund hierf r ist die besondere Ausrich tung des Managements die im Prinzip ber eine algorithmische Beschreibung erfolgt Die entsprechende Beschreibung ist bereits bei den Erkl rungen zum Berechnungsmodell er folgt Die intensive Verkn pfung mit dem Berechnungsmodell ist auch der Grund daf r dass im Gegensatz zur urspr nglichen Projektplanung die Fachhochschule wesentlichen Anteil an diesem Arbeitspaket hatte Die Themenfelder sind dabei so miteinander verschr nkt dass die urspr nglich angedachte getrennte Bearbeitung nicht sinnvoll war Das entwickelte Energiemanagementkonzept setzt nat rlich voraus dass sich die Manage mentaufgaben und auch die Optimierungsziele tats chlich einigerma en einfach beschrei 2014 02 28 Seite 172 von 235 INGENIEUR GMBH Gimp a an University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES jo Al Fachhochschule l T W S madp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 ben lassen und sich diese nicht fortw hrend ndern Ist diese gew hrleistet ergibt sich aller dings ein Management das einfach an unterschiedliche Anforderungen z B bei der Ei genversorgung von Betrieben oder der Sicherung der Versorgung in strukturschwachen Re gionen angepasst werden kann dabei nicht auf die Bereit
215. he Filter werden beispielsweise von der Firma GKN Sinter Metals Filters angeboten Vorgesehen ist ein Sinterfilter mit einer L nge von etwa 250 mm Um eine effektivere Fertigung zu erm glichen weisen die geplanten Speicherrohre nur eine Verschw chung auf welche am oberen Kl pperboden positioniert wird Durch diese wird das Rohr zun chst mit der Metallhydridlegierung zu etwa 83 bef llt Die Rohre werden nicht vollst ndig gef llt da sich die Metallhydridlegierung w hrend der Wasserstoffabsorption ausdehnt Anschlie end wird der Sinterfilter durch den oberen Boden eingeschraubt und daraufhin die Verbindung zum Wasserstoffrohrsystem hergestellt Je Modul verf gt ein Speicherrohr ber eine zus tzliche Verschw chung am unteren Kl pperboden zur Montage eines Temperaturf hlers mittels Einschraubverschraubung Zur Temperatur berwachung in der Metallhydridsch ttung ist ein Sensor ausreichend da sich die Rohre eines Moduls ann hernd identisch verhalten Abbildung 77 3D Modell des Wasserstoff Hydrid Speichers Es werden jeweils 5 Module an einem Strang zusammengefasst Dabei ist jedes Modul mit tels Magnetventilen einzeln abschaltbar Dieser Aufbau ist zusammen mit den Steuerventilen und den Messeinrichtungen im Flie bild der Abbildung 76 gut zu erkennen Abbildung 77 veranschaulicht das mechanische Aussehen des Gesamtsystems in Form einer 3D Darstellung Der Aufbau erm glicht es immer zwei Module kontrolliert d h mit separater Flu
216. he Leistung des Kompressors ermittelt Das Modell des Drucktanks muss neben dem Ladestatus SoC State of Charge auch den aktuellen Druck im Speicher abh ngig vom F llstand errechnen Der SoC wird durch Integra tion des Wasserstoffflusses und Skalierung des Ergebnisses auf das Volumen des Speichers ermittelt Der Druck kann mit Hilfe der allgemeinen Gasgleichung berechnet worden Die besondere Reaktionskinetik des Metallhydrids und die Einbindung der Abw rme des Hyd ridspeichers erforderten dass neben dem SoC auch die W rmeentwicklung abh ngig vom Wasserstofffluss berechnet wird Dies konnte mit Hilfe des Absorptions und des Desorpti onskoeffizienten des verwendeten Hydrid Materials implementiert werden Die Aufteilung des Wasserstoffflusses auf die Tanksysteme wurde so implementiert dass bei einem W rmebe darf vorrangig im Metallhydrid gespeichert wird und ansonsten der Druckspeicher bevorzugt wird Weiter musste ber cksichtigt werden dass die erlaubten Speicherf llst nde zwischen 0 und 100 eingehalten werden und bei Bedarf eine entsprechende Fehlermeldung an den Systemcontroller bermittelt wird Der Kompressor konnte mit Hilfe von Kennlinien mo delliert werden Die Kennlinien wurden f r den ausgew hlten Verdichter D100VE vergl Kap 6 durch Firma Sera bereitgestellt und mit Hilfe einer Look Up Tabelle in Simulink implemen tiert Zur Modellierung der Batterie wurden zwei Ans tze verfolgt Zum einen wurde ein detaillier tes
217. he Vor e Verbrennung Gef hrdungen g nge e chemische Reaktionen e elektrostatische Vorg nge e Auswirkungen auf medizini e spannungsf hrende Teile sche Implantate e unzureichender Abstand zu unter e t dlicher Stromschlag Hochspannung stehenden Teilen e St rzen Weggeschleudert e berlast werden e Teile die im Fehlerzustand span e Feuer nungsf hrend geworden sind e Herausschleudern von ge e Kurzschluss schmolzenen Teilen e W rmestrahlung e elektrischer Schlag Thermische e Explosion e Verbrennung Gef hrdungen e Flamme e Dehydrierung e Objekte oder Materialien hoher oder e Unbehagen niedriger Temperatur e Erfrierung e Strahlung von W rmequellen e Verletzungen durch Strahlung von W rmequellen e Verbr hung Gef hrdung e Kavitationsvorg nge e Unbehagen durch L rm e Abluftsystem e Bewusstseinsverlust e mit hoher Geschwindigkeit austre e Gleichgewichtsst rung tendes Gas e bleibender Geh rverlust e Herstellungsprozess Stanzen e Stress Schneiden usw e Tinnitus hrensausen e bewegliche Teile e Erm dung e reibende Fl chen e alle weiteren z B mechani e mit Unwucht rotierende Teile schen elektrischen Probleme e pfeifende Pneumatik Einrichtungen als Folge einer St rung der e verschlissene Teile Sprachkommunikation oder einer St rung akustischer Signale Gef hrdung e Kavitationsvorg nge e Unbehagen durch Vibrati e Fehlausrichtung sich bewegender e Erkrankungen der unteren on Teile Wirbels ule 2014 02 28 Se
218. hlussbericht Feb 2014 3 Standort und Geb ude mdp Geb udeentwurf ISW technische Realisierbarkeit TWS Unterst tzung Die Anforderungen an einen Geb udeentwurf sind vielf ltig und teilweise auch widerspr ch lich Zu nennen sind hier technische und rechtliche Aspekte wie z B der Energiebedarf die Erschlie barkeit im Hinblick auf Fluchtwege und Brandschutz und viele weitere Punkte Hin zu kommen wirtschaftliche Aspekte wie die Baukosten die Lebenszykluskosten und die Vermarktbarkeit an sich Eine wesentliche Rolle spielt aber auch die Gestaltung und damit die Frage wie sich das Geb ude am jeweiligen Standort in die Umgebung einf gt Bei den technischen Standards sind die Trends klar hier verlangen die gesetzlichen Vor schriften einen immer besseren W rmeschutz und einen effizienten Umgang mit Energie insgesamt In Deutschland sind die entsprechenden Vorgaben unter anderem in der Ener gieeinsparverordnung EnEV geregelt Dabei sind die Vorgaben so gestaltet dass sie auch mit sehr unterschiedlichen baulichen Ausf hrungen erf llt werden k nnen Vor dem Hinter grund der Energiekostenentwicklung und der m glichen F rderung kommen bei Neubauten oft Standards zur Anwendung die die gesetzlichen Vorgaben bertreffen Immer mehr neue Geb ude werden sogar als sogenannte Energie Plus H user ausgef hrt das hei t ber das Jahr gesehen wird mehr Energie auf dem Geb ude Grundst ck erzeugt als f r den Bedarf an elektrisch
219. ht zu sehen Um die Ver nderung der Belastung des Netzes zu visualisie ren wurde die bertragene Leistung ber die 4 j hrige Simulationszeit integriert und als bertragene Energie f r jede Speichergr e dargestellt Die Leistung wurde vorzeichenbe haftet integriert Somit entstanden zwei Kurven welche in Abbildung 35 zu sehen sind eine f r den Netz Bezug und eine f r die Netz Einspeisung Beide Kurven flachen entsprechend der Charakteristik einer e Funktion ab wobei die Netz Einspeisung bei Speichern mit einem Volumen gr er als 10 000 m noch Verbesserungspotential bietet der Netzbezug sich da gegen kaum mehr verringert Ab einer Speichergr e von 12 000 m werden dann auch die Ver nderungen bei der Netz Einspeisung marginal Durch den simulationsbezogenen Ansatz und das einbezogenen Speichermanagement konnte die vorher mit ca 20 000 m abge sch tzte Wasserstoffspeichergr e auf 12 000 m verringert werden ohne dass Einschr n kungen des Systems zu erwarten sind F F F F F F Netz Einspeisung etz Bezug a ER VE Er a Da EEE EEE ET VER EEE A AA ea EEE RER ai Netzenergie kWh 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Speicherg e 1000 m Abbildung 35 ber den Netzknoten umgesetzte Energie als Funktion der Speicher gr e 2014 02 28 Seite 43 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Concepts based on solid solutions
220. htige interne Berechnungen z B F llst nde SoC zu erfassen Auf die logischen Datenpunkte des Speichermanagers wird in Kapitel 8 noch eingegangen Wie Ab 2014 02 28 Seite 132 von 235 Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences mip Concepts based on solid solutions Fws Eon EUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 bildung 83 zu entnehmen ist gibt es beim Speichermanager aber auch eine F lle von Akto ren bzw Sensoren wobei manche Anschlusspunkte wie zum Beispiel die Fluss Kontrollen eine doppelte Funktion haben Sie nehmen Sollwerte entgegen und liefern dann die gemes senen Werte zur ck Um hier einen besseren Eindruck von der Zahl und den jeweiligen Zu standsgr en vermitteln zu k nnen wurden die einzelnen Datenpunkte mit Funktion Mess ort und Kurzbemerkung in Tabelle 19 zusammengestellt Tabelle 19 interne Datenpunkte des Speichermanagers in tabellarischer Form Nr Bez Gr e Bereich Funktion Messort Bemerkung 1 FC1 Fluss 0 60 m h Sollwert Output Drucktank Vorgabe f r Fluss 0 bis max 2 FC1 Messung Messung der Entnanmemenge 3 FC2 Fluss 0 15 m h Sollwert Input Drucktank Vorgabe f r Fluss 0 bis max 4 FC2 Messung Messung der F llmenge 5 VS4 ein aus Shut off ffnung Drucktan
221. ichert oder als n tige K hlleistung abgef hrt Sinkt der Ladestatus unter einen kritischen Wert l dt die W rmepumpe den Speicher nach wobei die eingesetzte Leistung vom aktuel len Ladestatus abh ngig ist Der thermische Speicher wurde durch eine Integration mit nega tiver R ckkopplung implementiert Die R ckkopplung repr sentiert die thermischen Verluste welche mit der Unterst tzung von ISW bestimmt wurden Versorgungsnetz pios ngs Brennstoffzelle PV mi Pkwa Netzknoten Prcdem Preth FCdem FFCt PEn PFG ist Pdem el Pdem th ME o Pth Hyd Pth Elek N Soc Pth FC W rme Model Elektrolyseur Batterie H2gen PEl th PElist Hydridspeicher Mobilit t H2Mob Druckin Pkom Druckspeicher H2Druck in el Energie Speicher Controller th Energie H2fFluss Abbildung 13 Struktur des implementierten Systemsimulationsmodells Abschlie end wurden die bisher aufgef hrten Teilmodelle zu einem vollst ndigen System modell siehe Abbildung 13 zusammengef hrt Erg nzend zu den bisher aufgef hrten Sub 2014 02 28 Seite 23 von 235 Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences B Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 modellen wurde die H2 bergabe in den mobilen Bereich als
222. ie wirksame Einstrahlung Die Ergebnisse wurden mit Hilfe des entwickelten Werkzeugs zur Optimierung der Strahlungsprofile f r eine Anlage mit 30 Neigung und einer optimalen S dausrichtung ermittelt Die verwendete Globalstrahlung ist in Werl gemessen worden Die Daten aus dem Projekt Konwerl wurden durch das TWS aufbereitet und bereitgestellt hnlich zum Modell einer PV Anlage muss ber das Modell der Windkraft Anlage WKA mit der Eingangsgr e Windgeschwindigkeit die aktuelle Ausgangsleistung der WKA berechnet werden Dies erm glicht die Leistungsgleichung einer WKA 1 3 P TEP RAA Uy Da f r viele Anlagen das Verh ltnis von Nennleistung und Nennwindgeschwindigkeit bekannt ist k nnen der Leistungsfaktor cp die Luftdichte p und die Rotorfl che A durch das Verh lt nis von Nennleistung P zu Nennwindgeschwindigkeit ersetzt werden wobei dann der Leis tungsfaktor als konstant angesehen wird Diese Gleichung gilt f r Windgeschwindigkeiten zwischen der Einsetzwindgeschwindigkeit Ven und der Nennwindgeschwindigkeit vn Auf Grund der Pitch Regelung moderner Anlagen ist die Ausgangsleistung f r Geschwindigkeit ber der Nennwindgeschwindigkeit bis zur Abschaltgeschwindigkeit konstant gleich der Nennleistung F r Geschwindigkeiten unter der Einsetzwindgeschwindigkeit ist die generierte Leistung Null 2014 02 28 Seite 18 von 235 Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solution
223. iefall einfach an die Umgebung abgegeben werden Bei der Au enaufstellung sind damit nur die Zug nglichkeit der Schutz vor mechanischer Besch digung sowie der Blitzschutz von besonderer Bedeutung Allerdings m ssen bei der Planung des Lagers die im IGC Do kument 15 06 E genannten Sicherheitsabst nde eingehalten werden Abbildung 78 veran schaulicht die entsprechenden Tatbest nde und die geforderten Abst nde in bildlicher Form Demnach ist im gegebenen Fall von den Speicherbeh ltern aus ein Abstand von 10 m zum Geb ude und zu den Grundst cksgrenzen zu ber cksichtigen Diese Abst nde wurden in den f r die Liegenschaft erstellten Lageplan eingearbeitet siehe Abbildung 46 Der Zugang zu diesem Areal wird durch einen Zaun gesichert In Richtung der Stra en ist zus tzlich ein Anfahrschutz z B durch einen Wall oder eine entsprechende Leitplanke zu erstellen Um die 2014 02 28 Seite 120 von 235 INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions SCHMIDT amp WILLMES tye an Bee University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 ben tigte Fl che auf ein Minimum zu reduzieren wurde eine m glichst kompakte Aufstellung der wasserstofff hrenden Beh ltnisse geplant In Abbildung 79 ist die Aufstellung der Tanks in der stehenden Variante sowie des weiteren technischen Equipments als Ausschnitt aus der Lagerfl che gezeigt Dabei sind auch die in Kapitel 6
224. ieren des erzeugten Energie berschusses e Minimieren der ben tigten Leistungsreserve e Minimieren der H ufigkeit von Netzzugriffen und der Amplitude von Netz Leistungsspitzen Da aufgrund der Unsicherheiten mit dem konkreten Standort zu Beginn der Arbeiten noch keine Berechnungen zu den Verbrauchsprofilen des konkreten Geb udes vorlagen wurden zuerst die Tests und Optimierungen des Berechnungsmodells mit den vorliegenden aus dem Energiepark KonWerl abgeleiteten und durch das TWS bereitgestellten Datens tzen durchgef hrt Sobald Standort und erste Pl ne verf gbar waren konnten Leistungsprofile aus der Geb udesimulation von ISW genutzt werden Im Folgenden sollen zun chst wesent 2014 02 28 Seite 14 von 235 INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 liche Aspekte des Simulationsmodells anschlie end das Werkzeug zur Dimensionierung und abschlie end die Analyseergebnisse vorgestellt werden Die Datens tze zu den Verbrauchswerten lagen monatsweise als Excel Tabellen vor Daher wurde ein Skript programmiert um die Datens tze in Matlab zu importieren und in geeignete Eingangsvektoren f r die Simulation zu berf hren Dar ber hinaus mussten die Daten auf Konsistenz und Plausibilit t gepr ft und Fehlstell
225. iese Tanks werden beispielsweise in einigen Bussen und PKWs eingesetzt Die Speicherdichte erreicht bei 700 bar etwa 1 65 kWh Liter Damit diese Tanks im Stra enverkehr eingesetzt werden d r fen m ssen diese eine Zertifizierung bez glich ISO 11439 besitzen und au erdem vom deutschen T V abgenommen werden Die zu speichernde Menge Wasserstoff ist in weiten Bereichen proportional zum Ladedruck d h je h her der Druck desto gr ere Mengen Was serstoff k nnen in einem Drucktank gespeichert werden Jedoch l sst sich auch mit 700 bar Drucktanks keine mit herk mmlichen Fahrzeugen vergleichbare Reichweite realisieren Vor teile bietet die Druckgasspeicherung bei der schnellen und unkomplizierten Betankung von Fahrzeugen Allerdings ben tigen solche Betankungssysteme hohe Sicherheitsstandards und weisen einen hohen baulichen Aufwand auf So werden vor allem f r die 700 bar Spei cher sehr leistungsstarke Kompressoren mit einem gro en Leistungsbedarf ben tigt womit ein sehr hoher Kostenaufwand verbunden ist 2014 02 28 Seite 174 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Wie bereits in Kapitel 6 2 2 erl utert l sst sich Wasserstoff auch durch Absorption in metalli schen Verbindungen speichern Diese Technolo
226. ignal reagiert stellt sich die Frage nach Sicherheit der Funktionskette e Was geschieht wenn der Sensor ausf llt e Ist die Verbindung zum Sensor berpr fbar e Reagiert die Software der Steuerung 2014 02 28 Seite 208 von 235 NGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences S c i faaam Al Fachhochschule l T W S madp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 e Reagieren die Aktoren und kann die Reaktion berpr ft werden e Was geschieht bei einem Ausfall der Steuerung e Was geschieht bei einem Ausfall der Energieversorgung Mit zunehmendem Risiko das durch die technischen Schutzma nahmen abzuwehren ist steigen die Anforderungen an die Fehlersicherheit des sicherheitstechnischen Systems Sa fety Instrumented Systems SIS In den Normen IEC 61508 und IEC 61511 werden vier un terschiedliche Sicherheitsstufen welche die Ma nahmen zur Risikobeherrschung dieser Komponenten beschreiben f r Sicherheitsfunktionen definiert Diese vier Sicherheitsstufen sind der sogenannte Sicherheits Integrit tslevel SIL Die Risikoreduzierung ist dabei um so gr er je h her der Zahlenwert des Sicherheits Integrit tslevels SIL 1 SIL 4 ist Der SIL ist somit das Ma f r die Wahrscheinlichkeit dass das Sicherheitssystem die geforder ten Sicherheitsfunktionen f r einen bestimmten Zeitraum korr
227. ikante Verbesserungen so wohl bez glich der gespeicherten Energie als auch der H ufigkeit und H he von Leistungs spitzen zu verzeichnen sind 160 700 140 g 7 120 a 600 2 100 er a0 go pii z 60 N 300 3 40 g 200 0 0 i i i 5 2 0123456 7 8 91011121314 151617181920 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Zeit Monate Elektrolyseur Leistung kW Abbildung 19 Analyse Elektrolyseur Leistung F r die Brennstoffzelle lassen sich bez glich der Auslegung analog zum Elektrolyseur hnli che berlegungen anstellen Hier wurde die vom Netz zu beziehende Leistung und die Energie in Abh ngigkeit von der installierten Brennstoffzellenleistung untersucht Es ergab sich dass keine wesentlichen Verbesserungen f r Brennstoffzellensysteme gr er als 20 kW zu verzeichnen sind Auch eine erste Absch tzung der ben tigten H2 Speicherkapazit t kann analog durchgef hrt werden Dazu wurde erneut eine Iterationsschleife implementiert und in jedem Schritt die Speicherkapazit t erh ht Abbildung 20 zeigt die Summe aus bersch ssiger und bereitzu haltender Energie ber der simulierten Speichergr e Es wird klar dass Brennstoffzelle und Elektrolyseur umso h ufiger betrieben werden k nnen je gr er der H2 Speicher wird und damit die Summe der nicht umsetzbaren Energie sinkt F r Speicher ab 10 000 Nm Was serstoff ist schon eine signifikante Reduktion zu erkennen Speicher gr er 20 000 Nm er m glichen einen ungehi
228. im Voraus simuliert und kontrolliert ob der Wasserstoff speicherstand innerhalb der n chsten drei Tage einen der beiden kritischen Bereiche pas siert Aufgrund dieser Modell basierten Prognose kann fr hzeitig korrigierend eingegriffen werden um hohe Leistungen am Netzknoten zu vermeiden Nach ersten Tests ergab sich zun chst keine sichtliche Verbesserung da eine 3 Tage Simu lation nicht ausreicht um ein berf llen des Speichers zu verhindern Abbildung 28 zeigt den Vergleich zwischen der Simulation ohne und mit Management Hier ist bei der vorliegenden Skalierung kaum ein Unterschied zu sehen Offensichtlich m ssen die Grenzen welche in der Prognose genutzt werden so ver ndert werden dass ein fr hzeitigeres Einschreiten m glich ist Eine erste Idee war es die maximalen und minimalen Grenzen des SoCs f r die 3 Tage Vorabsimulation anzupassen Damit wird die Variation des F llstandes eingegrenzt und es ist m glich dass die Vorabsimulation aus den neu definierten Grenzen l uft ohne an die absoluten Grenzen des Speichers zu sto en So wird z B eine definierte Leistung an das Netz abgegeben bevor der Speicher wirklich ganz gef llt ist und dadurch ein berf llen des Speichers was zu einer hohen Belastung des Versorgungsnetzes f hren w rde verhindert F F F F Mit Management 7 Ohne Management m LM E 1 E AO A SENE E A e E E a SoC 2009 2010 2007 2008 Jahre Abbildung 28 Vergleic
229. imierungen durchzuf hren 120 100 Elektrolyseur PV System 80 WKA E 66 Last K WKA Brennstoffzelle 2 D w D Simulationszeitraum a Abbildung 14 Leistungsdauerlinien f r eine Beispielkonfiguration Abbildung 14 zeigt Leistungsdauerlinien verschiedener Systemkomponenten f r eine Bei spielkonfiguration Als regenerative Erzeuger wurden hier eine 40 kWp PV Anlage 3 5 der produzierten Leistung einer 1 8 MW Gro windkraftanlage WKA und eine 40 kW Klein windanlage K WKA simuliert Im Vergleich der Dauerlinien von WKA und K WKA ist deut lich zu erkennen dass die WKA trotz hnlichem Leistungsbereich signifikant mehr Energie 2014 02 28 Seite 24 von 235 Fachhochschule S dwestfalen INGENIEUR GMBH University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Frws Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 bereitstellt als die K WKA Um eine hnliche Energiemenge durch eine K WKA zu generie ren m ssten aufgrund der sehr viel niedrigeren Volllaststunden mehr als 10 kleine Anlagen installiert werden Neben den sehr hohen Kosten w rden die Leistungsspitze zu Zeiten be sonders starken Windes eine weitere Herausforderung an die Systemarchitektur darstellen Auf Grund dieser Hindernisse ist entschieden worden den Hauptanteil der genutzten Wind energie durch einen prozentualen Anteil einer konventionellen WKA Anlage darzustelle
230. indern aber zum einen Spitzen im Gasfluss und erlauben zum anderen die Erfassung der Menge zur Bilanzierung Zwei Regler sind hierbei erforderlich da die Flussmesser eine Vor zugsrichtung haben und nur in dieser Richtung funktionieren Da Flussmessger te eine sehr teure Komponente sind wurde zun chst berlegt nur ein Ger t zu verwenden und bei Be und Entladung die Flussrichtung ber Ventile so umzusteuern dass sie immer den Spezifika 2014 02 28 Seite 129 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 tionen des Messger ts entspricht Dieser Gaswender ist dann aber so kompliziert dass auch die finanziellen Vorteile marginal werden Auf die Funktion das Druckreglers PCy bei der F llung des Pufferspeichers wurde bereits oben eingegangen Nat rlich erf llt dieser Regler seine Funktion auch wenn der Verdichter nicht in Betrieb ist ber ihn wird das Gas des Hauptspeichers der R ckverstromung zuge f hrt sobald der Druck auf der Niederdruckseite zu weit sinkt Der Flussmesser FM4 erfasst die entsprechenden Mengen Prinzipiell ist der Hydrid Speicher in gleicher Weise wie der Druckgas Hauptspeicher einge bunden Allerdings fehlt hier eine R ckflussleitung analog zu FC1 Diese macht an dieser Stelle ke
231. inen Sinn da im Normalbetrieb des Speichers das Druckniveau nur bei 25 bar liegt vergl Abbildung 75 Da die gleichen Speichermaterialien wie bei den Fahrzeugen einge setzt werden w re auch eine direkte Bef llung der Fahrzeugspeicher nur m glich wenn sich die Speicher auf einem deutlich unterschiedliichem Temperaturniveau befinden Fahrzeug speicher kalt Hydrid Speicher hei Durch die Einbindung in der dargestellten Form kann der Hydrid Speicher in gleicher Weise als Hauptspeicher verwendet werden wie die Druck tanks inklusive der Versorgung der R ckverstromung ber den Druckregler PCpy Es k nnen aber auch ber den Weg FC1 und FC3 Experimente zur Bef llung des Systems vorgenom men werden bei denen sich Flussmengen und profile gezielt steuern lassen ber die Art und Weise wie der Speicher eingebunden wird entscheiden entsprechende Freigabesignale der Steuereinheit des Hydrid Speichers Hydrid Freigabe Die oben ausgef hrte verbale Beschreibung der Systemabl ufe ist in Abbildung 84 in Form eines Flussdiagramms dargestellt Dabei sind auch Betriebszust nde aufgenommen worden die in der Beschreibung nicht explizit erw hnt wurden So soll zum Beispiel der Verdichter nach einer Stunde Einschaltzeit solange weiterlaufen bis der Druck im Vorspeicher auf 8 bar gesunken ist Die genaue Nivellierung der Einschaltschwellen und Regelgr en muss mit der Inbetriebnahme vorgenommen werden Mit Hilfe der Flussmessger te l sst sich d
232. ines Geb udes ca 12 m ber Bodenniveau und in einem Gel nde mit umliegendem hohem Baumbestand aufgezeichnet wurden Zudem sind die bei den sehr schwachen Windjahre 2009 und 2010 mit eingegangen In Bezug auf das Windjahr 2007 k nnten sich die Volllaststunden mit einem auf 18 m erh hten Standort auch verdop peln Aber auch ein Vergleich innerhalb der Tabelle weist deutliche Unterschiede aus Dabei sind weder Anlagentyp noch Bauart entscheidend Auch wenn sich Nennleistungen und Anlauf windgeschwindigkeiten unterschieden und im optimalen Fall auch eine h here Ausbeute versprechen ist der Anlagenpreis das entscheidende Kriterium Die spezifischen Investiti onskosten berdecken einen Bereich von 17 38 kWh bis zu 115 34 kWh Demnach fallen vor allem die beiden Aeolos Anlagen die horizontal laufende 6 bl ttrige M L von winDual und die Kessler SpinWind positiv auf Bei den Aeolos Anlagen ist allerdings zu ber cksichti gen dass hier nur die reinen Hardwarekosten angegeben sind Die in England ans ssige Firma konnte keine Angaben ber Transport und Aufbaukosten machen Positiv zu vermer ken ist die f nfj hrige Garantie und der hydraulisch klappbare Mast der Aufbau und Wartung erheblich erleichtert Die geschwungene Bauform mit den s f rmigen Bl ttern passt zudem sehr gut zu den optischen und gestalterischen Vorgaben Eine gute Alternative w re die SpinWind von Kessler die baugleich auch von Gildemeister vertrieben wir Die Anl
233. installierter PV Leistung aufgetragen In b ist das Verh ltnis von ben tig tem Backup aus gespeicherter Energie zur insgesamt nachgefragten Energie ber dem Ver h ltnis der regenerativen Erzeugerleistungen gezeigt Beide Abbildungen zeigen ein eindeu tiges Minimum bei einem Verh ltnis von Zei 1 2 Aus Abbildung 18 ist auch ersichtlich PV dass ein hoher PV Anteil zu einem starken Anstieg der generierten bersch sse und der ben tigten Reserven f hrt Eine Erh hung des Anteils der installierten Windleistung ist da gegen als nicht so kritisch anzusehen a Erzeugter berschuss b Ben tigte Reserve g9 T S 3 u S S 5 uf Ww a 3 2 g 8 3 f i l l 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 Pwind Ppv Pwind Ppv Abbildung 18 Iterationsergebnisse bei einer Variation des Leistungsverh ltnisses von WKA und PV Anlagen Die tats chlich ben tigte installierte Leistung l sst sich mit Hilfe des optimalen Verh ltnisses der Erzeuger ermitteln Dazu wird mit einem Minimum installierter PV Leistung und WKA Leistung im optimalen Verh ltnis ein letzter Iterationsprozess gestartet und in jedem Schritt die installierte Leistung erh ht bis eine positive H2 Bilanz erreicht wird Als Ergebnis der Si mulation ergab sich eine optimale Energieerzeugung f r ein durch die von ISW und TWS bereitgestellten Daten elektrischer und thermischer Verbrauch beschriebenes System mit einer ben tigten installierten PV Leistung von 90 kWp
234. inzip der Automatisisrungsstruktur u a 156 Verschiedene Prozesse und Komponenten des Energiezentrums 158 Kommunikationsstruktur des Prozesssystems eine Darstellung in gr erem Format ist im Anhang zum Bericht zu finden 158 Schematische Darstellung der Kommunikationspfade des Reglers f r 16 08 121 74 1 010 1 PSASRERAREEIE DERRHERTSEEIOELTERSFERETERESEUETEEENEBETEETETTESHETEHTPTEEEERERN 159 Schematische Darstellung der Kommunikationspfade des Managers f r den Speicherf llstand der Batterie SOC Manager 160 Schematische Darstellung der Kommunikationspfade des G sSMana JE S area een 161 Herk mmliche Ger tearchitektur im Vergleich zur EtherCAT Ger tearchitektUr i seinen neue 161 Schaubild des Elektrolyseurs als Beispiel f r die Prozessvisualisierung 164 Abbildung 110 Anbindung der Gro windkraftanlage an die Automatisierungsstruktur Abbildung 111 Abbildung 112 Abbildung 113 Abbildung 114 Abbildung 115 Abbildung 116 Abbildung 117 Abbildung 118 Abbildung 119 2014 02 28 des Enerfgiezenttuns a ee 164 Z hlersystem zur Erfassung der elektrischen Bilanzdaten 165 Z hlersystem zur Erfassung der Heizw rme eseese 166 Z hlersystem zur Erfassung des W rmetransfers mit der Sole 166 Funkti nsprinzip des DEMS 14 une 168 Schematische Darstellung des Gesamtsystems und der vier Elemente des E
235. it ist eine direkte Nutzung der Energie ber W rmetauscher nicht m glich Um die Temperaturdifferenz zu erh hen w re eine Aufteilung des Beh lters in viele kleine Untereinheiten erforderlich W rde jedes Modul in einer eigenen Wanne untergebracht l ge die Temperaturdifferenz bei maximal AT 3 K Jedoch ist hierf r ein erheblicher baulicher Mehrauffand bei der Einbindung in das W rmemanagementsystem notwendig Mit der Unterteilung in noch kleinere Module lie e sich die Temperaturdifferenz weiter erh hen jedoch m sste in diesem Fall der Speicherrohrdurchmesser reduziert wer den Dadurch w rde der konstruktive Mehraufwand noch einmal deutlich erh ht da eine kleinere Moduleinheit mit den gew hlten Speicherrohren nicht mehr in der Lage w re den gesamten Wasserstoff ausreichend aufzunehmen Bedingt durch die geringe Gr digkeit ist es problematisch den Metallhydridspeicher ber W rme bertrager direkt an das W rmemanagementsystem zu koppeln Die hohe W rmeka pazit t der Konstruktion ist jedoch ideal geeignet um den Metallhydridspeicher als W rme pufferspeicher in das W rmesystem einzubinden So kann trotz des geringen Temperatur hubs die vorhandene W rmemenge noch effektiv genutzt werden 6 2 3 Verdichter Wie bereits erw hnt kommt im Speichersystem ein zentraler Verdichter zum Einsatz Dieser muss den auf einem Druckniveau 12 bar erzeugten Wasserstoff auf einen Druck von ca 45 bar verdichten Die zu bew ltigende Wasse
236. it zu ermitteln Diese Ergebnisse flie en dann wieder in die Simulationsrechnungen zur Dimensionierung der Wasserstofftechnik ein Auf diese Wei se wird eine effektive und wirtschaftlich dimensionierte Anlagentechnik realisiert 2014 02 28 Seite 11 von 235 H faman Al Fachhochschule I a T W S mdp S dwestfalen INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 INGENIEURLEISTUNG Datenerhebung Potenzialdiagnose und Lastermittlung Anlagendesign Optimierung I I I I I I I I I I I I I J lt 1 D 3 Baupl ne Dyn Simulation Komfort I Grundrisse Schnitte i Datenbank I I I I i 1 ggfs TGA Bauphysik VDI 7730 HLK ee dl Yan I L Eea K hilast I Komfortprofile j Geb udemodell i VD12078 j Geb udemodell 1 S i 1 Mit internen Lasten l Mit internen Lasten DE 1 Datenbank ___ehne TGA ___1 L ftung RER ITGA SOME paS Typ Lastprofile DIN 1946 18 1E D wer Ergebnisse T HEG Datenbank L namen Heizlast i Pa A i O 8 g Ly c Komfort VDI 7730 H llfl che r DIN 4701 nach Zonen N E i SERIEN aa EHE E E 1 DER I Datenbank E E i i Beleuchtun i Bauphysik DIN4108 DIN 5035 g I i Konstruktionen i 1 I L Wetterdaten 1 0 TRY Meteonorm L1 Programm
237. ite 199 von 235 Cts SCHMIDT amp WILLMES M1m INGENIEUR GMBH mip Concepts based on solid solutions Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 e bewegliche Ausr stung e neurologische Erkrankung e reibende Fl chen e Knochengelenkschaden e mit Unwucht rotierende Teile e Wirbels ulenverletzung e schwingende Ausr stung e Gef erkrankung e verschlissene Teile Gef hrdung e ionisierende Strahlungsquelle e Verbrennung durch Strah e niederfrequente elektromagnetische e Augen und Hautsch digung lung Strahlung e Auswirkungen auf die Fort e optische Strahlung infrarot sichtbar pflanzungsf higkeit und ultraviolett einschlie lich La e Mutation serstrahlen e Kopfschmerzen Schlaflosig e hochfrequente elektromagnetische keit usw Strahlung Gef hrdung e Aerosol e Atembeschwerden Ersticken durch Materia e biologische und mikrobiologische e Krebs lien und Sub virale oder bakterielle Substanz e Korrosion stanzen e Brennstoff e Auswirkungen auf die Fort e Staub pflanzungsf higkeit e Explosivstoff e Explosion e Fasern e Feuer e feuergef hrliches Material e Infektion e Fl ssigkeit e Ver nderung des Erbguts e D mpfe e Vergiftung Gas e Sensibilisierung e Nebel e Oxidationsmittel Ergonomische e Zugang e Unbehagen Gef hrdungen e Gestaltung oder Anordnung von
238. k Messung Verdichter ldruck Verdichter 47 Mem 0 1 Signal Verdichter Membranbruch 48 KW ein 0 1 Aktor Verdichter K hlwasser auf zu 49 KW ist 0 1 Signal Verdichter K hlwasserfluss ausreichend 50 Van 01 Aktor Verdichter Motor ein aus 51 VKon Intern Kontrolle Verdichter 3 mal pro h 6min Stillstand ber die gelisteten Datenpunkte und die Datenpunkte zur Prozessanbindung k nnen sowohl die Ausstattung der notwendigen Hardware als auch der erforderliche Programmieraufwand abgesch tzt werden In der Praxis ist hier mit Kosten von etwa 300 pro Datenpunkt zu re chen Wie in Kapitel 6 3 in Zusammenhang mit den Speicherf llst nden SoC dargelegt erfolgt eine vollst ndige Erfassung der einzelnen Gasfl sse Neben der Bilanzierung der Gasmen gen ist aber auch eine Bilanzierung der elektrischen wie thermischen Energie von Interesse Zum einen sind hier ber Aussagen zur Effizienz des Gesamtsystems ableitbar zum anderen k nnen die Daten auch zu Abrechnungszwecken verwendet werden Diese Daten werden ber das vorgesehene Z hlersystem vergl Kapitel 0 erfasst und ber eine eigene DDC gesammelt 2014 02 28 Seite 134 von 235 INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences B SCHMIDT amp WILLMES iws BR s Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 6 5 Besondere Betriebszust nde und Sicherheitsaspekte Wie be
239. k bzw Vorspeicherbereich 53 Druckspeichersystem bis 45 bar Hauptspeicher und Hochdruckpuffer Damit sieht die Kennzeichnung dann wie folgt aus 5 Wasserstoffspeichersystem 53 Druckspeichersystem 45 bar 53L flie Rendes Medium steam water gas cycles 53 LK Gas 5 3 LKK01 Speicherbeh lter 1 5 3 LKK01 KA Ventil gate valves glove valves dampers cooks rupture 5 3 LKK01 KA001 Ventilnummer 1 2014 02 28 Seite 154 von 235 NGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences geh ui Al Fachhochschule I 3 T W S madp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Alle Komponenten die diesem Speicher zuzuordnen sind werden analog behandelt Damit l sst sich dann eine immer noch eindeutige aber etwas bersichtlichere Kennzeichnung erstellen Tabelle 25 vermittelt als Auszug aus der Kennzeichnunggsliste f r den Wasserstoff bereich einen Eindruck von der Systematik Tabelle 25 Auszug aus der Kennzeichnungsliste f r den Wasserstoffbereich Gruppennummer Beschreibung 4 Brennstoffzelle Gesamtanlage 41 Brennstoffzellenblock 1 z B Hydrogenics 4 1TAAO1 Brennstoffzellenmodul 1 im Block Hydrogenics 42 Brennstoffzellenblock 2 z B Eigenentwicklung 4 2TAAO1 Brennstoffzellenmodul 1 im selb
240. kVA Systemauslegung nach Absprache Cysco Energy 10kVA gt 9 000 Anpassung nach Absprache aixcon PowerSystems GmbH 3kVA Systemauslegung nach Absprache spower GmbH 10kVA Systemauslegung nach Absprache Brennstoffzellen Netz system Wechselrichter Abbildung 86 Architektur der Netzeinbindung und des Steuerungssystems f r die R ckverstromung Obwohl der elektrische Wirkungsgrad von PEM Brennstoffzellen ber 50 liegt muss doch ein nicht zu vernachl ssigender Anteil der umgesetzten Energie in Form von W rme abge f hrt werden Der Betrieb von Brennstoffzellensystemen erfordert daher eine K hlung die 2014 02 28 Seite 140 von 235 INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences B SCHMIDT amp WILLMES Ha raU Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 daf r sorgen muss dass der PEM Stack bei einer optimalen Temperatur von 50 C bis 55 C betrieben wird blicherweise werden Systeme mit einer elektrischen Nennleistung von mehr als 2 kW mit Wasser gek hlt da sich die Systemgr e dadurch erheblich reduziert Die K h lung im Energiezentrum soll durch eine Anbindung an das Heizungssystem des Geb udes gel st werden Durch die konsequente Auslegung des Heizungssystems auf eine Nieder temperaturw rmeverteilung vergl Kapitel 3 3 liegt die maximale Vorlauftemper
241. ken anpassen So kann es im Sommer zum Beispiel sinnvoller sein die 2014 02 28 Seite 34 von 235 INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions SCHMIDT amp WILLMES Frws cn ker University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 obere Batteriegrenze niedriger zu w hlen um bersch sse langfristig bis zum Winter in Wasserstoff zu speichern Diese Optimierungsalgorithmen k nnen Teil zuk nftiger For schungsprojekte sein 0 SoCmin2 SoCmin1 SoCmax SoClmax2 100 PElek max PFC max Abbildung 25 Betriebsschema des Batteriekontrollers Abbildung 25 zeigt das Regelschema des Batteriekontrollers zur berwachung des SoCs und die der Betriebssituation zugeh rigen Brennstoffzellen bzw Elektrolyseurleistung Grunds tzlich werden f nf verschiedene Betriebsbereiche des Systems abh ngig vom SoC der Batterie unterschieden Laden Sinkt der SoC unter eine kritische Grenze hier SoCmin2 wird die Brennstoffzelle mit maximaler Leistungsabgabe betrieben Dies f hrt zu einer maximalen Erh hung der AC Bus Leistung Neben der Beeinflussung der Brennstoffzelle wird dann auch das Einschalten der W rmepumpe verhindert Prc Pfc max bergang 1 Der bergang 1 ist durch den SOC Bereich von SoCminz und SOCmin definiert Hier wird angestrebt eine starke Entladung der Batterie zu verhindern und die Brennstoffzel le abh ngig von der tats chlichen
242. klager und Technikzentrale Dabei spielen nat rlich auch die Vorstellun gen des Architekten eine Rolle der diese Verbindung in sehr demonstrativer Form ausf hren m chte Sie sollte nach diesen Vorstellungen gut sichtbar durch und ber das Geb ude hin weg in Form einer Pipline gef hrt werden Damit der optische Effekt erzielt wird ist hierzu ein Rohrdurchmesser von 60 100 mm erforderlich In diesem Mantelrohr sollen die Verbin dungen zwischen Gaslager und Geb ude geb ndelt werden Durch die Rohrf hrung entlang der Geb udekannte ergibt sich im Mantelrohr eine Rohrl nge von ca 70 m Von Anschluss punkt zu Anschlusspunkt sind es bis zu 90 m Welche Verbindungen dies im Einzelnen sind ist der Darstellung in Abbildung 82 zu ent nehmen Zu nennen sind die Wasserstoffleitungen zur Verbindung des Elektrolyseurs mit dem Vorspeicher 12 bar und die R ckf hrung des komprimierten Wasserstoffs 45 bar f r die Nutzung im Labor Diese sind mit geschwei ten Verbindungen als Edelstahlrohr auszu f hren Zur Bew ltigung der erwarteten Gasfl sse ist ein Querschnitt von DN 25 erforderlich Ein weiteres gasf hrendes Rohr verbindet die Drucklufterzeugung im Container mit dem Hauptverbraucher der Luftzerlegung siehe Kapitel 5 3 2 im Technikraum Weitere medien f hrende Verbindungen sind Vor und R cklauf der Heizanlage zur Auskoppelung der Ver 2014 02 28 Seite 124 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule
243. ks Freigabe Trennung Drucksp 6 VS4 Lage zu auf R ckmeldung 7 FC3 Fluss 0 XX m n Sollwert Input Hydrid Sp Vorgabe f r Fluss Hydridman 8 FC3 Messung Messung der F llmenge 9 VS5 ein aus Shut off ffnung Hydrid Sp Freigabe Trennung Hydrid Sp 10 VS5 Lage zu auf R ckmeldung 11 VS6 ein aus Shut off ffnung Hd Puffer Freigabe Trennung HD Puffer 12 VS6 Lage zu auf R ckmeldung 13 FC4 Fluss 0 60 m h Sollwert HD Abgabe Tankst Vorgabe f r Fluss Tankman 14 FC3 Messung Gasabgabe Tankstelle 15 VS7 ein aus Shut off Zuleitung Tankstelle Freigabe Trennung Tankstelle 16 VS7 Lage zu auf R ckmeldung 17 FC5 Fluss 0 60 m h Sollwert HD Abgabe Labor Vorgabe f r Fluss Labor HD 18 FC5 Messung Gasabgabe Labor Hochdruck 19 VS8 ein aus Shut off Zuleitung Labor HD Freigabe Trennung Labor HD 20 VS8 Lage zu auf R ckmeldung 21 FM1 Fluss 0 15 m h Messwert Output Elektrolyse Erzeugte Gasmenge 22 VS1 ein aus Shut off Systemeingang Freigabe Trennung Elektrolyse 23 VvS1 Lage zu auf R ckmeldung 24 FM2 Fluss 0 15 m h Messwert Input Brennstoffz Gasmenge R ckverstromung 25 VS2 ein aus Shut off R ckverstromung Freigabe Trennung BZ 26 VS2 Lage zu auf R ckmeldung 27 FM3 Fluss 0 15 m h Messwert Input Labor ND Verbr Gasmenge Labor ND 28 vS1 ein aus Shut off Labor Niederdruck Freigabe Trennung Labor ND 2014 02 28 Seite 133 von 235 Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences mip Concepts based o
244. l der betroffenen Personen e Zuverl ssigkeit von Sicherheitsfunktionen e F higkeit Schaden zu vermeiden Die Eintrittswahrscheinlichkeit eines Schadens kann hnlich wie das Schadensausma ber vier Gruppen eingesch tzt werden e sehr wahrscheinlich ziemlich sicheres Eintreten e wahrscheinlich kann eintreten e unwahrscheinlich nicht wahrscheinliches Eintreten e entfernt vorstellbar so unwahrscheinlich dass die Wahrscheinlichkeit nahezu null betr gt Ableitung der Risikoh he Eine Methode die H he des Risikos abzusch tzen stellt die Risikomatrix dar Dabei wird in einer hier zweidimensionalen Matrix das Schadensausma gegen die Eintrittswahrschein lichkeit aufgetragen und den Zellen eine Risikoh he zugewiesen Da die Risikoeinsch tzung gew hnlich subjektiv ist sind die Risikoh hen ebenfalls subjektiv Ein m gliches Ergebnis dieser Vorgehensweise mit vier Einstufungen zeigt Tabelle 32 2014 02 28 Seite 205 von 235 INGENIEUR GMBH Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES c i faaam ra Fachhochschule l T W S madp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Tabelle 32 Beispiel einer Matrix zur Risikoeinsch tzung gem der in Kapitel 13 3 3 1 beschriebenen Vorgehensweise Eintrittswahr Schadensausma scheinlichkeit Fr an des Schadens katastr
245. l einschlie lich Hilfsenergien e Menschliche Fehlhandlungen e Unerw nschte Stoffpaarung reagierende Stoffe e Abweichung betrieblicher Parameter z B Dr cke Temperaturen W rmemengen pH Wert von Medien etc Als gr tes kalkulierbares Restrisiko gelten oft die Unzul nglichkeiten des Wartungs und Bedienpersonals Dar ber hinaus m ssen auch m gliche Gef hrdungen Gef hrdungssitua tionen oder Gef hrdungsereignisse identifiziert werden die nicht unmittelbar mit den Aufga ben der Funktion des Ger ts in Zusammenhang stehen wie z B seismische Ereignisse Blitzschlag berm ige Schneelasten L rm Bruch der Maschine Bersten von Hydraulik schl uchen Besonderes Augenmerk muss bei dieser Gefahrenanalyse dem Explosions schutz gelten da freiwerdender Wasserstoff zu explosionsf higen Atmosph ren f hren und damit besondere Gef hrdungen ausl sen kann Eine Methode der Identifizierung von Gef hrdungen und zugeh rigen Gef hrdungssituatio nen stellt das Abarbeiten von Checklisten dar Diese Checklisten siehe ISO 12100 2010 B 2 bis B 4 k nnen als Ausgangspunkt f r die Identifizierung relevanter Gef hrdungen die nen Andere Quellen wie Vorschriften Normen und technisches Fachwissen k nnen weite re Hinweise auf Gef hrdungen geben Daneben gibt es weitere Methoden auf die an dieser Stelle nicht weiter eingegangen werden soll Zu nennen sind hier z B Brainstorming Ver gleich mit hnlichen Maschinen berpr
246. l getauscht werden m ssen Hier wurden gesch tzte Investitionskosten von 54 000 auf 10 Jahre umgelegt Die Batterie und der Elektrolyseur haben eine Lebenserwartung von mindestens 13 Jahren so dass hierf r keine R cklagen veranschlagt wurden 2014 02 28 Seite 225 von 235 Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences M1m INGENIEUR GMBH mip Concepts based on solid solutions Cts SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 15 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 Abbildung 2 Abbildung 3 Abbildung 4 Abbildung 5 Abbildung 6 Abbildung 7 Abbildung 8 Abbildung 9 Abbildung 10 Abbildung 11 Abbildung 12 Abbildung 13 Abbildung 14 Abbildung 15 Abbildung 16 Abbildung 17 Abbildung 18 Abbildung 19 Abbildung 20 Abbildung 21 Abbildung 22 Abbildung 23 Abbildung 24 Abbildung 25 2014 02 28 Struktur des Hybridenergiesystems des S dwestf lischen Energiezentrums SWF EZ uuums444224444HBnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 10 Grundlagen der thermischen Geb udesimulation 222224224ss nennen 12 Ersatzschaltbild einer Solarzelle uuu4424444444BHnnnnnnnnn nn 15 U I Charakteristik des Moduls Yingli Panda 255 een 16 Sonneneinfallswinkel auf eine geneigte Fl che 444ssssnnnnn nennen 16
247. lation des in Kapitel 3 2 vorge stellten Geb udeentwurfs errechnet Bei den elektrischen Profilen wurden die ber lange Jahre im KonWerl gemessenen also real aufgetretenen Profile verwendet Die Leistung wurde dabei ber die Verh ltnisse der Bruttogeschossfl chen angepasst Da das Energie zentrum eine mit dem KonWerl vergleichbare Nutzung anstrebt ergibt sich aus dieser Vor gehensweise eine valide Datengrundlage Da der Geb udeentwurf als Basis f r die Geb udesimulation insbesondere wegen des Standortwechsels erst sehr sp t vorlag wurden f r den Test des in Kapitel 2 2 beschriebe nen Simulationsmodells sowohl die elektrischen als auch die thermischen Daten des Kon Werl Zentrum verwendet Mit der Vorlage der Ergebnisse der Geb udesimulation wurden dann diese thermischen Profildaten verwendet um die optimalen Leistungs und Speicher gr en zu ermitteln Kapitel 2 3 2 1 Geb udesimulation Eine Simulation ist eine rechnergest tzte Modellierung von Systemen Modelle werden in allen Naturwissenschaften herangezogen um reale Ph nomene anschaulich und erkl rbar zu machen Weitere Gr nde zur Erstellung eines Simulationsmodells k nnen sein e Untersuchungen am realen Objekt sind technisch nicht m glich e die zu betrachtenden Zeitintervalle sind zu kurz oder zu lang e Untersuchungen am realen Objekt sind zu kostenintensiv e das reale Objekt existiert noch nicht In der geb udetechnischen Simulation bildet das Geb
248. lche sowohl auf der Automati sierungsebene als auch auf der Managementebene zum Einsatz kommen Damit die Anzahl der ben tigten Steuerungs PCs auf der Automatisierungsebene bestimmt werden kann wurde als Vor berlegung das Prozesssystem des S dwestf lischen Energie zentrums in verschiedene Prozesse und Bl cke unterteilt siehe Abbildung 103 Anschlie Bend wurden alle Kommunikationspfade dokumentiert wobei die Zuordnung der Kommuni kationsendpunkte ber eine entsprechende Nomenklatur Farbschema und Nummern er fasst wurde Das Ergebnis zeigt Abbildung 104 Der wesentliche Vorteil dieser Darstellung ist die Integration der unterschiedlichsten Bereiche von der Geb udeleittechnik ber die Pro zessvisualisierung bis hin zum Management der Kraftwerksautomatisierung 2014 02 28 Seite 157 von 235 Fachhochschule S dwestfalen INGENIEUR GMBH University of Applied Sciences B SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Computer mit echtzeitf higer Steuerungssoftware Haustechnik SoC Manager Batterie SoC Manager H2 Systemsicherheit Bilanzierung Internetdaten Visualisierung des Kraftwerkprozesses Wasserstoffspeicher Brennstoffzelle und Elektrolyse Gro windkraftanlage Extern Wetterstation Tankstelle Kleinwindkraftanlage Intern Z hler Elektrisch Z hler Heizkreislauf Z hler K hlkreislauf Laborbedarf Photovoltaik A
249. ldung 101 Betriebsmittelschl ssel und dazugeh rige Betriebsmittelz hlzahl 8 1 2 Umsetzung des Kennzeichnungskonzepts im Energiezentrum Bei einer vollst ndigen Umsetzung des Kraftwerkkennzeichnungssystems nach VGB w rden sich teilweise sehr lange Schl ssel ergeben Da die Komplexit t im Energiezentrum aber deutlich geringer ist als bei einem Gro kraftwerk kann im vorliegenden Fall mit Vereinfa chungen gearbeitet werden Die Vorgehensweise wird im Folgenden an einem konkreten Beispiel erl utert Nach den in Tabelle 22 getroffenen Festlegungen w rde sich f r die Kennzeichnung der Tanks des Druckspeichersystems folgende Kennzeichnung ergeben 5 Wasserstoffspeichersystem 51 H2 Speicher Ort 1 51L H2 Speicher Ort 1 flie endes Medium 51LK H2 Speicher Ort 1 flie endes Medium Gas 51 LKK H2 Speicher Ort 1 flie endes Medium Gas Speicherbeh lter 2014 02 28 Seite 153 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Dabei sind im Kennzeichnungssystem f r die Funktionsgruppe teilweise bereits Buchstaben zur Kennzeichnung vorgegeben wie im vorliegenden Fall L f r das flie ende Medium und K f r Gas zum Teil m ssen diese aber noch festgelegt werden wie hier beim dritten Kenn zeichnungsbuchstaben
250. ldung 53 Erdsonde mit Sondenkopf in DN 32 und DN 40 Quelle Haka Gerodur AG 3 3 2 K hlung Ein weiterer Vorteil der im vorherigen Kapitel beschriebenen Bauteilaktivierung ist dass ber diese Fl chen neben der Deckung des Heizw rmebedarfs ebenfalls eine effektive und effi ziente K hlung erzielt werden kann Die thermischen aktiven Bauteile Heiz K hldecke und Fu bodenheizung werden zur K hlung mit einem Temperaturniveau leicht unterhalb der geforderten Raumtemperatur durchstr mt Die Auslegung erfolgt unter Ber cksichtigung des Taupunktes mit Vorlauftemperaturen von 16 C und R cklauftemperaturen von ca 20 C Die K hlung erfolgt passiv d h ohne Einsatz der W rmepumpe ber die Erdsondenanlage Die Erdreichruhetemperatur betr gt ca 10 C und unterliegt ab einer Tiefe von ca 10 m kaum saisonalen Schwankungen siehe Abbildung 54 Die K hlung ber das Erdsondenfeld ist eine der Arten zu k hlen bei denen der geringste Energieaufwand notwendig ist da lediglich Pumpen zur Umw lzung der Sole im Ersonden feld und des K hlwassers im Geb ude betrieben werden m ssen Zudem kann die ber den 2014 02 28 Seite 63 von 235 INGENIEUR GMBH Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Ha AAT Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Sommer zur K hlung des Geb udes ins Er
251. le er mittelt und ber das Verh ltnis der Bruttogeschossfl chen von 0 48 auf das f r den Standort Werl konzipierte Energiezentrum bertragen Im 15 Minuten Raster ergeben sich hiernach absolute Differenzen zwischen prognostizierten Werten und gemessenen Werten die insbe sondere bei der thermischen Last ber 30 kW betragen Als repr sentatives Beispiel zeigt die Abbildung 21 die Abweichungen der derart erstellten Prognose f r den elektrischen Last verlauf der 35 Kalenderwoche des Jahres 2008 Analog dazu zeigt Abbildung 22 die Ver h ltnisse bei der thermischen Last Die erzeugte Energie der Windkraft und Photovoltaikanlagen wurde im Projekt Energiepark aus den vom Wetterdienst bereitgestellten Prognosen f r Windgeschwindigkeit Windrich tung Globalstrahlung und Temperatur ber Anlagenkennlinien bestimmt Die Anlagenkennli nien wurden ber die erfassten Messwerte immer wieder angepasst und optimiert Im Prinzip handelt es sich bei einer solchen Kennlinie um eine Look Up Table in der die erwartete Er zeugung abgelesen wird Dass die erzielbare Prognosegenauigkeit bei der Prognose einzel ner Windkraft Anlagen auch dann nicht signifikant steigt wenn deutlich aufwendigere Ver fahren zum Beispiel auf der Basis K nstlicher Neuronaler Netze KNN zum Einsatz kom men zeigen Untersuchungen wie z B 3 Abbildung 23 belegt anhand der Abweichungen f r die 35 KW 2008 den beschr nkten Prognoseerfolg f r die PV Leistung Die angegebenen
252. le im Grundriss angeordnet Da moderne Geb ude bauphysikalisch an spruchsvoll errichtet werden und eine wesentliche Aufgabenstellung die Luftdichtigkeit der Geb udeh lle ist wird f r dieses Geb ude eine kontrollierte maschinelle Be und Entl ftung s mtlicher R ume geplant Das L ftungskonzept umfasst zwei raumlufttechnische Anlagen RLT Anlagen welche als Teilklimaanlagen ausgelegt sind Die thermodynamischen Funkti onen umfassen e W rmer ckgewinnung e K hlen 2014 02 28 Seite 64 von 235 Fachhochschule S dwestfalen INGENIEUR GMBH University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES TOTNES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 e Entfeuchten und e Heizen Diese Funktionen werden ber die Anlagenteile e W rmer ckgewinnung e K hlregister und e Heizregister gew hrleistet Die Anordnung der RLT Anlagen erfolgt im stlichen Ende des Geb udes im Bereich der Abschr gung der Fassade sowie im Technikraum S mn Schald mpter cr 24 31 dB G DO Schalld mpfer 28 dB AUL 8 SD Di 15 dB Abbildung 55 Beispiel einer Teilklimaanlage mit den Funktionen WRG K hlen Ent feuchten und Heizen Quelle Howatherm Die Luftkanalf hrung erfolgt in Luftleitungen in den Abhangdecken im Geb ude Die Luftein bringung ist ber Deckendrallausl sse vorgesehen Der Deck
253. lhydridspeichern Dortmund Universit t Dortmund 1987 Band 719 der Dissertationen 14 Siemens AG DEMS Online Zitat vom 10 10 2013 https www swe siemens comj italy web IC SG EA applicazioni Gestione 20di 20Micr 2014 02 28 Seite 234 von 235 i iaia Al Fachhochschule l Hy T W S madp S dwestfalen EER INGENIEUR GMBH IE Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences B SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 ogrid 20e 20Virtual 20Power 20Plant Publishinglmages Smart 20Grid 20Applic ation_DEMS jpg 15 Claus Fest Projektleiter metropol E Online Zitat vom 26 02 2014 http www metropol e de 16 Schmitt Elektrotechnik GmbH Schmitt Elektrotechnik GmbH Online Zitat vom 11 11 2013 http www e schmitt de index php option com_content amp task view amp id 141 amp Itemid 79 17 Siemens Automation and Drive Online Zitat vom 30 01 2014 http www automation siemens com w1 efiles pi sil sil_broschuere_de pdf 2014 02 28 Seite 235 von 235
254. lid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 2 Berechnungsmodell TWS Datenbereitstellung Struktur und Modellentwicklung Ergebniskontrolle FH SWF Modellans tze und Modellierung der Komponenten Implementierung von Management und Prognosealgorithmen Design und Implementierung des Systemmodells Entwicklung und Implementierung der Auslegungswerkzeuge Systemoptimie rung ISW Geb udesimulation Um ein Hybridenergiesystem dimensionieren zu k nnen m ssen Betriebseigenschaften Wirkungsgrade Leistungsgrenzen und Zeitkonstanten der einzelnen Komponenten sowie das Zusammenwirken und die Leistungsfl sse des Gesamtsystems bekannt sein Ein hilfrei ches Werkzeug ist ein Simulator mit entsprechend erstelltem Simulationsmodell des Zielsys tems Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung des zu entwerfenden Hybridenergie systems Eine Einteilung des Systems in drei Leistungs bzw Medienfl sse W rme Elektri zit t und Wasserstoff ist zu erkennen Die Nutzung der Abw rme einzelner Komponenten f hrt zu einer starken Verkopplung der Teilsysteme und erfordert so eine feingranulare Mo dellierung des Systems mit einer zeitlich aufgel sten Analyse W rme Elektrizit t Wasserstoff El Verbrauch p Hydrid speicher Th Verbrauch W rme speicher Druck speicher
255. lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 13 Sicherheitsaspekte gesetzliche Vorgaben 24 44unnn44nnnnnnnnnnnennnnnnnnn 195 13 1 BEBRIIIIEHKEITEN erenineesraneinee seen een iE EAE EEN nerd EEE 195 13 2 Explosionsschutzdokument 44umm444nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nennen 196 13 3 Beschreibung der Gefahrenanalyse 4444444400nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nenn 197 13 3 1 Festlegen der Grenzen der Maschine einschlie lich deren bestimmungsgem er Verwendung und Fehlanwendung gt 197 13 3 2 Identifizieren von Gef hrdungen und zugeh rigen Gef hrdungssituationen uuss4444nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 198 13 3 3 Einsch tzen des Risikos f r jede identifizierte Gef hrdung und Gef hrdungssituation sssnssanseeneneeeneenn ans nn nee 204 13 3 4 Bewerten des Risikos und Treffen von Entscheidungen ber die Notwendigkeit zur Risikominderung 2444444444HHnnnnn nn nnnnnnnnnnnnnnnnn nenn 208 13 3 5 Beseitigung der Gef hrdung Schutzma nahmen n s 208 13 4 Dokumentation der Gefahrenanalyse 244444440ssnnnnnnnnnnnnnnnannnnnnnnnnnnnnnn 211 13 5 Rechtliche Grundlagen und Normen 44444444440nn nano nnnnnnnnnnnnnnnnnnn nenn 211 13 5 1 Geltende Gesetze Vorschriften und Richtlinien ssnn 212 13 5 2 Normen zur Sicherhell en n elrsessenlaean ae 213
256. lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 mittlung von Bilanzierungsdaten hat sich dort als relativ fehleranf llig erwiesen F llt die Kommunikation aus fehlen die Werte und oft werden in der Folge auch noch weitere Abfra gen blockiert weil das System auf die immer noch ausstehende Antwort wartet Da f r eine Auswertung von Profilen nur l ckenlose Datenreihen verwendet werden k nnen m ssen die fehlenden Daten meist durch eine aufwendige Handarbeit erg nzt werden Gerade bei wet terabh ngigen Datens tzen ist dies aber nur eingeschr nkt m glich Deshalb sollen die Wer te im Energiezentrum ber mehrere Ebenen erfasst und wie bereits erw hnt m glichst auch direkt zwischengespeichert werden F r die Erfassung der Bilanzdaten sollen daher in einem eigenen Erfassungssystem saldierende Z hler zum Einsatz kommen die ihren Z hlerstand in vorgegebenen Zeitintervallen zwischenspeichern In der Regel sind dies Intervalle von 15 min bei elektrischen Z hlern und mehrere Stunden bei W rmez hlern F r eine feinere Auf l sung der Profile werden die Z hler ber eine eigene Steuerung Industrie PC kontinuier lich abgefragt Im Bereich der W rme ist eine 15min Abfrage ausreichend bei elektrischen Verbrauchern ist ein 1min Intervall sinnvoll Elektrische Datenerfassung Netzknoten 1min Mittelwerte Z hlerst nde Online keine Mittelwerte i m w y A 2 D o o o 2g zT 5 D a 3 S 5 3 3
257. m glichkeit mit dem Beh lter zu verbinden Nat rlich m ssen alle Verbindungsrohre auf den entspre chenden Druck hin ausgelegt sein und auch den notwendigen Querschnitt aufweisen Da das Sicherheitsventil auch von Hand ge ffnet werden kann kann hier ber bei der Inbetrieb nahme eine Entl ftung Sp lung des Beh lters vorgenommen werden Ventil 5 LKKO1 KA003 erlaubt eine manuelle Trennung des Speichers vom System z B zu Spei cherwartung oder wenn am Rohrsystem Arbeiten wie beispielsweise der Tausch des Abriss ventils vorgenommen werden m ssen In solchen F llen erlaubt das ebenfalls handbet tigte Ventil 5 LKKO1 KA002 eine Druckentlastung und nach Abschluss der Arbeiten eine gezielte Entl ftung Sp lung des Rohrsystems Die beiden Sensoren 5 LKKO1 QP001 Druckmes sung und 5 LKKO1 QP002 Temperatur werden so eingesetzt dass eine Trennung vom Gassystem ber das Ventil 5 LKK01 KA005 erfolgen kann Damit ist ein Austausch der Sen soren im laufenden Betrieb m glich Dieses Konzept wurde auch bei anderen Baugruppen beibehalten so dass bspw Flussmesser und Druckregler mit allen peripheren Komponenten ber zwei Handventile vom System getrennt werden und damit als Block getauscht werden k nnen 2014 02 28 Seite 136 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf
258. m Abk hlen des gesamten Systems beim Anfahren kommt es wieder zu einer Erw rmung dieses thermische Zyklisieren kann sich negativ auf die Lebensdauer der Komponenten auswirken z B zum Versagen von Dichtungen was zu Leckagen f hrt 5 1 3 Hochtemperatur Elektrolyse HTEL Neben einer schnellen Kinetik ist die Wasserelektrolyse bei hohen Temperaturen auch aus thermodynamischer Sicht von Vorteil Bei der HT Elektrolyse wird Wasser als Edukt in Form von Dampf in die Zelle eingeblasen Der Aufspaltungsprozess wird durch das hohe Tempe raturniveau von ca 700 800 C unterst tzt W hrend der Gesamtenergiebedarf mit steigen der Temperatur nur langsam ansteigt f llt der Gesamtelektrizit tsbedarf deutlich Ein zu nehmender Anteil des Energiebedarfs wird also durch die eingebrachte thermische Energie gedeckt Hohe Temperaturen bis 1000 C f rdern die endotherme Zersetzung von Wasser und reduziert somit den Elektrizit tsbedarf um bis zu 25 Die theoretische Zersetzungs spannung sinkt auf Werte um 1 0 V Die Hochtemperaturelektrolyse ist somit besonders inte ressant wenn viel Abw rme aus externen Prozessen wie z B Geothermie Solarthermie oder auch Kraftwerksprozessen zur Verf gung steht Zurzeit existieren noch keine kommerziellen Anlagen Das derzeit gr te Laborsystem hat eine Wasserstoffproduktionsrate von 5 7 Nm h bei einer elektrischen Leistung von 18 kW Der Wirkungsgrad der HT Elektrolyse h ngt von den gew hlten Betriebsb
259. m Energiezentrum fest zuzuordnen Diese sollten daher durch das Zentrum bzw die Zentrums Gesellschaft gebaut werden Bei den Gro windanlagen ist wie bereits erw hnt eine Investition durch Dritte ge 2014 02 28 Seite 223 von 235 NGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences S SCHMIDT amp WILLMES i F ui Al Fachhochschule l x TWS madp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 plant Ob dabei die Option besteht durch einen gewissen Anteil am Invest einen Anlagenteil zu erwerben Beteiligungsmodell ist derzeit noch nicht klar Die Daten in Tabelle 46 wurden dennoch unter der Annahme einer Beteiligung an den Gro windanlagen zusammengestellt Tabelle 46 Investitionskosten f r die Energieerzeugung Bezeichnung Berechnung Preis Kleinwindanlage 28 653 78 PV Fassade 1 500 kW 18 kW 27 000 00 PV Dach Foyer 1 500 kW 25 5 kW 38 250 00 PV Flachdach 1 500 kW 54 kW 81 000 00 Anteil Gro windanlage 1 500 kW 120 KW 180 000 00 Summe 354 903 78 14 5 Wartungs und Ersatzkosten Tabelle 47 Kosten f r Wartung und Ersatzbeschaffung in 10 Jahren umgelegt auf eine j hrliche R cklage Bezeichnung Berechnung Preis Kontrolle der Wasserstoff Sicherheits Sensoren 2x 700 1 400 Kalibrierung der Sensoren Flussmesser 1 000 Wartungsarbeiten Verdichter 1 440 War
260. m andern als Symbol f r diesen unabdingbaren Anteil erneuerbarer Energie 2014 02 28 Seite 78 von 235 Mm Cows Eam SCHMIDT amp WILLMES mip Concepts based on solid solutions Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Tabelle 2 Vergleichstabelle f r ausgew hlte Anlagentypen Berechnungsgrundlagen und Hinweise siehe Text Kriterium 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Bezeichnung Windstream3 7 Typ M L A5K Vision Air UGE 9M Aeolos V Aeolos S VK250 SpinWind Hersteller Lieferant XZERES l UGE l UGE l Aeolos Aeolos KD Stahl u Kessler energy SolarWindTechnik winDual winDual stellaris stellaris Aeolos Aeolos Maschinenbau GmBH Herkunft USA Europa USA USA GB GB D D D D D D D GB GB D D Bauart Fl gelzahl Horiz LUV 3 Horiz 6 Vert 5G Vert 3S Vert 3S Vert 3G Vert 3S Vert 3S Vert 3G Leistung kW 10m s 2 3 3 3 0 1 5 5 9 4 0 5 0 3 0 6 6 A P m kW 5 43 5 26 6 13 11 11 10 41 3 6 4 45 8 1 6 06 Masth he m 15 klapp 12 klapp 11 10 10 12 klapp 12 klapp 12 10 Schallpegel dB 45 lt 35 38 38 lt 45 lt 45 lt 35 Ertrag absolut kWh a 327 673 541 202 951 593 1 020 575 1 229 Spez Ertrag kWh kW 163 5 203 9 180 33 134 7 161 2 148 3 204 191 7 186 2 Kosten 13 000 16 900 31 630 23 300 67 575 16 709 17 732 24 454 36 425 Spez Kosten E kW 6 500 5 121 10 543 1
261. m den Gastrennprozess erneut durchf hren zu k nnen ist die Regeneration Desorption des beladenen Adsorbers erforderlich die entwe der durch Temperaturanhebung oder wie bei der Druckwechseladsorption blich durch Druckabsenkung erfolgen kann Um ber ein solches Verfahren eine kontinuierliche Produkt lieferung gew hrleisten zu k nnen sind zwei parallel betriebene Adsorber integriert Einer wird dabei zur Gasreinigung eingesetzt w hrend der andere zeitgleich durch Ausheizen mit einer Leistung von etwa 600 Watt bei einer Temperatur von 120 C mit anschlie ender Sp lung durch Stickstoff regeneriert wird Die Stickstoffmenge wird auf etwa 10 der max H2 Menge eingestellt Bei dem DPH12 auf ca 1 2 Nm h Der Durchschnittsverbrauch betr gt etwa 7 N Im Anwendungsbereich Power to Gas wird eine Reinigungsanlage Istwerte abh ngig gefah ren d h beim getrockneten Wasserstoff wird der Taupunkt gemessen und bei ansteigendem Feuchtigkeitsgehalt im austretenden Wasserstoff die Trockners ule umgeschaltet Ebenso wird der Feuchtigkeitsgehalt im austretenden Regenerationsgas N gemessen Tritt dieses trocken aus wird die Regenerationsphase gestoppt Dadurch wird eine optimale Anpassung der Medienverbr uche Strom und N an die tats chlich ben tigte Reinigungsleistung vor allem bei einer stark volatilen Betriebsweise erreicht Der Stromverbrauch f r die Reinigung eines Nm H betr gt etwa 0 05 kWh und der tats chliche Stickstoffverbrauch
262. me der Fl chentemperierung auch die Abf hrung von W r me aus dem R umen und somit eine K hlung der R ume Die K hlung erfolgt wie bereits zuvor beschrieben passiv ber die Erdsondenanlage Eine aktive K hlung ist m glich und im Schaltschema dargestellt wird jedoch nicht ber cksichtigt Die Versorgung mit Kaltwasser erfolgt ber den K lteverteiler ebenfalls ber Dreiwege Beimisch Schaltung Hier wird die Vorlauftemperatur abh ngig von der Taupunkttemperatur vorgeregelt um eine Kondensation an den K hldecken oder der Fu bodenk hlung zu vermeiden Die Umschaltung zwischen Heizen und K hlen erfolgt je Zone abh ngig von der anliegen IST Temperatur und der am Raumregler eingestellten SOLL Temperatur und somit ebenfalls bedarfsabh ngig Eine ent sprechende Hysterese wird regelungstechnisch ber cksichtigt um ein schnelles Umschalten der Systeme zu vermeiden Die K hlregister der Teilklimaanlagen werden ebenfalls ber den K lteverteiler versorgt Abh ngig von der Soletemperatur im Erdsondenfeld kann ber das K hlregister ebenfalls entfeuchtet werden Damit ist klar dass die eingangs genannten Bedingungen in vollem Umfang erf llt sind und die angestrebte KWK Nutzung soweit technisch m glich gew hrleistet ist Bei der Entwicklung des Projektes waren im Umfang des Arbeitspaketes 11 noch zwei weite re Punkte aufgef hrt Zum einen die Einkopplung der Prozessw rme des Energiezentrums in ein Nahw rmenetz und zum anderen die Str
263. mechanische und oder elektrische Hilfsmittel au er Betrieb genommen Das hei t dass die Nennleistung auch der Maximalleistung entspricht Bei Kleinwindanlagen sind allerdings oft zwei Leistungsangaben zu finden Der erste Wert bezieht sich auf einen mehr oder weniger willk rlichen Punkt der Anlagenkenn linie der einfach als Nennleistungspunkt definiert wird Der zweite Wert bezieht sich dann auf den Punkt maximaler elektrischer bzw mechanischer Leistung die die An lage bei Starkwind abgeben kann bevor aus Sicherheitsgr nden eine Abregelung er folgt F r einen objektiven Vergleich m ssen also die Leistungen f r eine bestimmte Wind geschwindigkeit bekannt sein Hier wurde ein Wert von 10 m s gew hlt Sofern in den Datenbl ttern keine auswertbaren Leistungskurven ver ffentlicht sind wurde der 2014 02 28 Seite 77 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Wert anhand der theoretischen Leistungskurve P proportional zu Vyind unter der Annahme eines konstanten Leistungsbeiwertes cp berechnet 2 Anlagendaten und Geometrie Die reine Angabe der Nennleistung ist nicht nur wegen der unter Punkt 1 genannten Gr nde nicht sehr aussagef hig Wird zum Beispiel ein relativ kleiner Generator mit einem gro en R
264. menstellung der Brennstoffzellensysteme wurde die in Kapitel 7 ange f hrte Entwicklungsoption mit ber cksichtigt Tabelle 37 Kostenzusammenstellung f r R ckverstromung und Batterie Bezeichnung Berechnung Preis Brennstoffzellensystem incl Armaturen 127 000 00 Batteriesystem Li lonen 88kWh 60kW 125 000 00 Summe 252 000 00 14 2 4 Hydraulische Einbindung in das W rmemanagement Tabelle 38 Kostenzusammenstellung f r die Einbindung ins W rmemanagement Bezeichnung Berechnung Preis W rmetauscher Heizungssystem 5 x 3 250 16 250 00 W rmetauscher zur Sole 1x 3 250 3 250 00 Pumpen und Armaturen 8 x 3 000 24 000 00 Tischk hler Notk hlung 15 000 00 Summe 58 500 00 Diese Komponenten beziehen sich auf die in Kapitel 11 erl uterte Einbindung der besonde ren technischen Ausstattung in das W rme bzw K hlsystem des Energiezentrums gem Strangschema nach Abbildung 120 siehe auch 1 1 Darstellung im Anhang 2014 02 28 Seite 219 von 235 NGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences S SCHMIDT amp WILLMES i F ui Al Fachhochschule l x TWS madp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 14 2 5 Hard und Software f r Prozessanbindung und Energiemanagement In diesem Abschnitt sind die Kosten f r die Komponenten des Steuerungssystems zusam me
265. mit K f r Drucktank geschehen Da es mehrere Speicher gibt wird die Gruppe durchnummeriert Beim Gasmanager sind f nf Beh lter vorhanden was dem nach zu den Kennzeichnungen 5 1 LKKO1 bis 5 1 LKKO5 f hrt Damit ist aber noch keine Kennzeichnung zum Beh ltertyp erfolgt Diese findet sich dann in der dritten Ebene ber die Kennung B mechanical equipment und z B R f r Beh lter und die fortlaufende Nummer Die daraus resultierenden Beh lterkennzeichnungen und die jeweiligen Spezifikationen sind in Tabelle 24 zusammengestellt Tabelle 24 Kennzeichnung der Druckbeh lter im Wasserstoffspeicher bei der Anwendung des Kennzeichnungssystems des VGB Kennzeichnung Beh lter 5 1 LKKO1 BR001 95 m 50 bar 5 1 LKKO2 BR001 95 m 50 bar 5 1 LKK03 BR001 95 m 50 bar 5 1 LKK04 BR002 4 m 12 bar 5 1 LKK05 BR003 1 6 m 50 bar Die Kennzeichnung weiterer Komponenten wie Rohrleitungen und Ventile m sste analog erfolgen was in der Kombination letztendlich zu sehr langen Kennzeichnungen f hrt Da es im vorliegenden Fall nur ein Gasspeichersystem an einem Ort gibt kann die Kennzeichnung vereinfacht werden in dem die Kennzeichnung des Ortes einer bestimmten Gruppe von Bauelementen zugeordnet wird wodurch die Gliederungsstufe 2 nicht mehr zur System kennzeichnung ben tigt wird Es wurden f r das Energiezentrum die folgenden Festlegun gen getroffen 51 Metallhydridspeichersystem 52 Druckspeichersystem bis 12 bar Niederdruc
266. n 2 3 Ermittlung optimaler Leistungswerte und Speichergr en Beim Entwurf optimaler Hybridenergiesysteme muss zu Beginn der Begriff optimal definiert werden beziehungsweise es sind Kriterien f r den Entwurf festzulegen In Energiesystemen mit Energiespeichern gibt es haupts chlich zwei spezifische Kriterien Ein Kriterium ist die Reduktion des Leistungs berschusses und der ben tigten Leistungsreserve Systemdesign Supply Demand Matching Das zweite Kriterium ber cksichtigt eine Netzintegrationssicht Hier ist es vor allem wichtig die H he und H ufigkeit von Netzleistungsspitzen zu reduzie ren um einen Einfluss auf das Netz mit m glichen Auswirkungen auf die Netzstabilit t zu minimieren Peak Load Shaving Ebenfalls sind die gefundenen Optimierungskriterien f r die Systemkosten relevant Die In vestitionskosten sind vor allem durch die Nennleistung und die Speicherkapazit t der Spei cherkomponenten Batteriesystem Elektrolyseur Brennstoffzelle H2 Speicher bestimmt Durch Reduktion des Speicherbedarfs werden also Kosten gesenkt Da das eigentliche Ziel des Energiesystems die Versorgung des S dwestf lischen Energiezentrums ist ist eine mi nimale Systemkonfiguration durch eine energetisch autarke Versorgung bestimmt Eine Re duktion der bersch sse und ben tigten Reserven erfordert eine Analyse der Ursachen f r bersch sse und Defizite inklusive einer quantitativen Untersuchung Im Allgemeinen verur sachen die nicht st
267. n ber einen Anteil an einer konventionellen Windkraftanlage gesichert werden Auf die Details der Planungen gehen die folgenden Kapitel ein 4 1 Photovoltaik In direktem Bezug zum Geb udeentwurf bieten sich drei M glichkeiten der Integration von Photovoltaikanlagen an Fassade und Dach des Foyers sowie das Flachdach des Geb u des Dabei unterscheiden sich die Anforderungen an die in Fassade und Dach des Foyers integrierten Anlagen deutlich von den Flachdachanlagen die ber ein konventionelles Auf dachsystem realisiert werden kann 4 1 1 Dachintegration Foyer Da es sich beim Foyer um einen Teil der umbauten und beheizten H lle des Geb udes han delt sind hier die Anforderungen der ENEV hinsichtlich der W rmedurchgangskoeffizienten U Werte der Bauteile einzuhalten Realisiert werden kann das indem zun chst ein konven tioneller Unterbau erstellt wird der dann mit PV Modulen als u ere Schicht belegt wird Deutlich attraktiver ist allerdings eine Integration der Solarzellen in eine entsprechende ther misch isolierte Mehrfachverglasung Diese Bauteile werden von einigen Herstellern jeweils nach Kundenwunsch gefertigt wobei die gew nschte Transparenz ein entscheidendes Krite rium ist An dieser Stelle sei beispielhaft die Firma ertex solartechnik GmbH genannt 4 Nach den Ergebnissen der Geb udesimulation ergibt sich wegen der Ausrichtung und der Fl chenverh ltnisse des Foyers aus thermischen Gr nden die Notwendigkeit einer gr
268. n Sicherheitsabschl gen Ertr ge von rund 7 600 MWh a oder 2 500 Volllaststunden zu erwar ten Der sogenannte Parkwirkungsgrad von mehr als 97 5 zeigt dass die Anlagen sich bei der geplanten Aufstellung nur in sehr geringem Umfang gegenseitig beeinflussen Tabelle 4 Ausschnitt aus dem vorliegenden Ertragsgutachten Berechnete j hrliche Energieproduktion f r zwei neue WEA mit insgesamt 6 0 MW Leistung kW m m MWh MWh m s 1A Ja Vestas V112 3 000 3 000 112 0 140 0 UserModeo 8 621 9 7 660 97 8 6 91 2A Ja Vestas V112 3 000 3 000 112 0 140 0 UserModeo 8 602 6 7 642 97 5 6 91 Im weiteren Verlauf der Planungsarbeit wurde auch der m gliche Netzanschluss an das ffentliche Versorgungsnetz mit dem lokalen Energieversorger Stadtwerke Soest abge sprochen Demzufolge stehen zwei machbare Anschlusspunkte zur Verf gung wobei die endg ltige Machbarkeit erst nach Baubeantragung festgelegt werden wird Reservierung der Netzkapazit t Als g nstigster Anschlusspunkt wurde das Umspannwerk Deiringser Weg lokalisiert siehe Abbildung 67 Diese Arbeiten liefern wesentliche Entscheidungsgrundlagen f r die Stadt Soest und belegen alles in allem dass die Ausweisung der Standorte zur Wind energienutzung realisierbar ist Nach Erteilung von Baugenehmigung und Netzanschlusszusage w ren eine Umsetzung des Projektes und damit eine energetische Nutzung im
269. n einem gepr ften Zustand angeliefert und sind in der Regel mit Stickstoff gef llt Je nach Lie ferant k nnen die Beh lter zur Inbetriebnahme evakuiert werden oder der Stickstoff muss durch mehrere Sp lvorg nge mit Wasserstoff verdr ngt werden In Tabelle 13 sind die Kenndaten der Druckspeicher im Hinblick auf das Speichervolumen zusammengestellt Ta belle 14 gibt Einblick in wesentliche technische Kenngr en wie z B Ma e und Gewichte Bez glich der Auslegung der Beh ltergr en sei hier noch mal auf Kapitel 6 3 verwiesen Tabelle 13 Speichervolumen und Druckbereich der Beh lter Betriebs maximales nutzbares Geom triebs Speicher Speicher Volumen druck volumen Druckbereich volumen Bezeichnung m3 bar m3 bar m3 Vorspeicher 4 12 48 4 12 32 Hauptspeicher 1 95 45 4 275 5 45 3 800 Hauptspeicher 2 95 45 4 275 5 45 3 800 Hauptspeicher 3 95 45 4 275 5 45 3 800 Pufferspeicher 1 6 45 72 25 45 32 Summe 290 6 12 946 11 464 Tabelle 14 wesentliche technische Spezifikationen der Druckbeh lter Beh lter l nge Aufstellh he Gewicht Bezeichnung m m m kg Vorspeicher 1 4 2 3 3 8 1 460 Hauptspeicher 1 2 8 18 12 19 0 39 400 Pufferspeicher 1 0 1 95 3 3 850 6 2 2 Hydrid Speicher Neben den konventionellen Druckbeh ltern soll auch ein Hydrid Speicher in das System ein gebunden werden Mit einem Speichervolumen von 2 500 m stellt dieser Speiche
270. n Auf l sung nicht die erforderlichen Genauigkeiten Allerdings zeigen die Analysen auch dass die Vorhersagen in der Summe recht gute Ergebnisse liefern dass also das Integral ber die 24 bzw 72 st ndigen Vorhersagen und damit quasi die zu erwartende produzierte Energie menge recht zuverl ssig ist Somit kann vorhergesagt werden ob ausgehend vom aktuellen F llstand der Speicher innerhalb der n chsten 24 72 Stunden komplett gef llt oder geleert sein wird Es kann also bis zu 72 Stunden vor Eintreten einer kritischen Situation bereits ein gegriffen werden und Energie in kleinen Mengen an das Netz bergeben oder aus dem Netz bezogen werden um ung nstige Grenzzust nde zu vermeiden 2014 02 28 Seite 37 von 235 INGENIEUR GMBH Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Auf dieser Basis wurden unterschiedliche Ans tze f r ein SoC Management des Wasser stoffspeichers entwickelt und die Funktionalit t mit Hilfe der vorhandenen Daten berpr ft Hierzu wurde die Simulation um das Managementkonzept erg nzt und das Ergebnis getes tet Im Prognose Algorithmus wurde mit den vorhandenen Viertelstunden Messwerten aus dem Projekt Energiepark KonWerl und dem entwickelten Simulationsmodell an jedem Mor gen das Energiezentrum drei Tage
271. n Batteriekapazit t und mit einer bereits optimierten Erzeugung Laden der Parameter und Profile Generieren von Referenzprofilen PV und WKA Bestimmen minimale PV Leistung Erh hen der PV Leistung System simulieren Bestimmen der Schrittweite Varieren der Leistungsverteilung For 1 1 PV rating 1 System simulieren Ergebnisse speichern Erh hen der WKA Leistung Verringern der PV Leistung Auswerten der Ergebnisse und bestimmen des Optimums Bestimmen der Systemleistung Erh hen der Leistung System simulieren Optimimale reg Erzeugerleistung Abbildung 17 Algorithmus zum Bestimmen einer optimalen Erzeugung basierend auf PV und Windkraft Abbildung 17 zeigt eine grafische Darstellung der einzelnen Schritte des von der Fachhoch schule entwickelten Algorithmus Schritt 1 beinhaltet das Vorbereiten der Simulation Es werden Simulationsparameter Lastg nge und Wetterbedingungen geladen Anschlie end werden Referenz Erzeugungsprofile erstellt Dies geschieht mit Hilfe der eingangs beschrie benen PV und WKA Modelle Referenzen 23 5 kWp PV auf dem KonWerl Zentrum 1800 kW WKA Enercon E66 in Werl Mawicke Mit Hilfe der skalierbaren Referenzprofile l sst sich der Zeitbedarf f r die anschlie enden Simulationen erheblich reduzieren In einem 2014 02 28 Seite 27 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Concepts based on solid soluti
272. n der gleichen Gr enordnung Die abschlie ende Festlegung erfolgt jeweils in Abstimmung mit den Mie tern im Rahmen der Detailplanung 2014 02 28 Seite 65 von 235 H AAT Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 NL ARN Abbildung 56 Beispiel eines Deckendrallauslass Quelle Schako Ferdinand Schak KG Die Ger usche der RLT Anlage nach au en sowie innen werden durch Schalld mpfer so reduziert dass eine Ger uschbel stigung der eigenen R umlichkeiten sowie der Nachbar schaft auf das gem den technisch anerkannten Richtlinien begrenzte Ma reduziert wird Insbesondere wird hier auf die TA L rm sowie die VDI 2081 Blatt 1 verwiesen Folgende Werte werden planerisch ber cksichtigt Nach au en Tags ber 60 dB A nachts 45 dB A bei verringerter Luftleistung Messung jeweils am M n dungsauslass gem VDI 2081 Blatt 1 Tabelle 3 und TA L rm Nach innen B rogeb ude 35 40 dB A gem VDI 2081 Blatt 1 Kategorie Versammlungsr ume Konfe renzr ume Die L ftungskan le werden in verzinktem Stahlblech als Rechteckkanal oder Wickelfalzrohr in der Dichtheitsklasse C nach DIN EN 13779 ausgef hrt Entsprechend den brandschutz technischen Richtlinien f r L ftungsanlagen wird das Luftkanalnetz unmitt
273. n die Bereitstellung von elektrischer Energie ber Photovoltaik und Windkraft die Verkn pfung von elektrischen und thermischen Leistungsprofilen die Erzeugung Elektrolyseure und R ckverstromung von Wasserstoff ber Brennstoffzellen die Speicherung von Wasserstoff inkl der Ber cksichtigung von Ver lusten durch Kompression die W rmespeicherung und die Kurzzeitspeicherung elektrischer Energie in Form einer Batterie F r die Kernkomponenten war es erforderlich dynamische Modelle zu entwickeln sodass sich Leistungsfl sse und Systemzust nde zeitlich aufgel st untersuchen und beobachten lassen Auf Grund der Komplexit t sowie des langen Simulati onszeitraums von vier Jahren der gew hlt wurde um trotz der Schwankungen von Witte rung und nat rlichem Energieangebot mehr als eine Momentaufnahme entwickeln zu k n nen entstehen sehr lange Rechenzeiten Um die Komplexit t der Berechnungen und so die Rechenzeit signifikant zu verk rzen wurden mittels der entwickelten Ger temodelle dynami sche Kennlinien generiert um das relevante bertragungsverhalten der Komponenten abzu bilden Ein wesentlicher Aspekt eines solchen Simulationsmodells ist die M glichkeit die Komponen ten eines solchen Hybridsystems und deren Auslegung im Hinblick auf ein Gesamtoptimum hin festzulegen Hierzu wurde von der Fachhochschule ein geeignetes entwickelt Grund s tzlich lassen sich drei Optimierungsziele f r die Dimensionierung identifizieren e Minim
274. n mit den notwendigen Abst nden zu errichten Aus diesen Gr n den sollen eine oder mehrere konventionelle Anlagen mit einer Assoziation zum Projekt Energiezentrum S dwestfalen errichtet werden Wegen der Notwendigkeit solche Standor te in den Au enbereich zu legen wird das Zentrum ber das ffentliche Netz mit der Anlage verbunden Die Prozesssteuerung siehe Kapitel 8 wird dann daf r sorgen dass am Zent rum ein fest vorgegebener Prozentsatz z B 5 der aktuell jeweils anstehenden Erzeuger leistung abgenommen wird Zun chst war von Seiten der Stadt Soest daran gedacht eine Sonderzone Energiezentrum auszuweisen auf der eine bis maximal zwei Gro windanlagen gebaut werden k nnen Da weniger als drei Anlagen als nicht raumbedeutsam gelten ist in diesem Fall kein dediziertes Vorranggebiet notwendig Nachdem die Pl ne f r Vorranggebiete in S dwestfalen nicht zu letzt wegen der Vorgaben des Landes momentan sowieso berarbeitet werden wird aktuell die offizielle Ausweisung entsprechender Vorranggebiete pr feriert Auf die Details und den aktuellen Stand wird im Folgenden n her eingegangen Seitens mdp wurden zun chst erste Voruntersuchungen auf m gliche Potentialfl chen vor genommen Demnach ist eine Fl che s dlich des Stadtgebietes von Soest und n rdlich der Autobahn A44 siehe Abbildung 65und Abbildung 66 f r die Errichtung und den Betrieb von zwei Windenergieanlagen WEA geeignet ya h N Er o
275. n solid solutions Fws Eon EUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 29 VS1 Lage zu auf R ckmeldung 30 SoCpr 0 100 Rechnung F llstand Druckt SoC Drucktank f r Prozessanb 31 SoCHy 0 100 Rechnung F llstand Hydrid Sp SoC Hydrid Sp f r Prozessanb 32 Pni Druck 0 12 bar Messung Systemdruck ND Steuergr e Vorspeicher 33 Phi Druck 0 45 bar Messung Systemdruck Hauptsp Steuergr e Druckspeicher 34 PH2 Druck 0 45 bar Messung Systemdruck HD Puf Steuergr e Pufferspeicher 35 PH3 Druck 0 45 bar Messung Systemdruck Verdicht Steuergr e Verdichter 36 PD1 Druck 0 12 bar Messung Vorspeicher Mit TD1 SoC Vorspeicher 37 TD1 Temp 20 40 Messung Vorspeicher Mit PD1 SoC Vorspeicher 38 PD2 Druck 0 45 bar Messung Drucktank 1 Mit TD2 SoC Druckbeh lter 1 39 TD2 Temp 20 40 Messung Drucktank 1 Mit PD2 SoC Druckbeh lter 1 40 PD3 Druck 0 45 bar Messung Drucktank 2 Mit TD3 SoC Druckbeh lter 2 41 TD3 Temp 20 40 Messung Drucktank 2 Mit PD3 SoC Druckbeh lter 2 42 PD4 Druck 0 45 bar Messung Drucktank 3 Mit TD4 SoC Druckbeh lter 3 43 TD4 Temp 20 40 Messung Drucktank 3 Mit PD4 SoC Druckbeh lter 3 44 PD5 Druck 0 45 bar Messung Hochdruckpuffer Mit TD5 SoC HD Puffer 45 TD5 Temp 20 40 Messung Hochdruckpuffer Mit PD5 SoC HD Puffer Verdichterkontrolle 46 P Druc
276. n und ein eigenes Kraftwerksystem zu erstellen Fast allen in der vorstehenden Liste genannten Erzeugern und Verbrauchern ist gemeinsam dass sie ber eine Mittelspannungsstation an das ffentliche Netz angeschlossen sind Aus nahmen stellen lediglich die kleinen Solar und Windkraftanlagen dar Aus diesem Grund sollte im Projekt eigentlich ein einheitliches Modul zur Anbindung der Anlagen an das Kraft werksystem entwickelt werden Abbildung 126 zeigt einen ersten Planentwurf zur Messung auf der Mittelspannungsseite 2014 02 28 Seite 191 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences B Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 230 v Prinzip G 1581 MS Energiemessung 07 02 2014 mit GSM Abbildung 126 M gliche Basis f r ein Anbindungsmodul des Kraftwerksystems Wie die Recherchen allerdings ergeben haben gibt es so viele marktg ngige Konzepte und Bauausf hrungen f r diese Stationen dass ein einheitliches Anbindungsmodul nicht zu defi nieren ist Die Anbindung muss unabh ngig von Typ der Messstelle jeweils individuell an die rtlichen Gegebenheiten angepasst werden Vor diesem Hintergrund wurden verschiedene Szenarien betrachtet und jeweils das dazu passende Vorgehen skizziert F r diese Situation wurde dann auch eine Koste
277. nbereich mit einem Verdichter gear beitet werden Damit fallen diese Investitionskosten doch an und es wird ein relativ un blicher kleiner Verdichter ben tigt f r den geringe Laufzeitintervalle kein Prob lem darstellen 2 Nach den vorliegenden Berechnungen sollte dem Versorgungssystem ein Wasser stoffvolumen von ca 12 000 m zur Verf gung stehen siehe Kapitel 2 3 Bei einem Betriebsdruckfenster von 25 bar 5 bar Mindestdruck und 30 bar Maximaldruck ent spricht das grob einem geometrischen Volumen von 480 m Die gr ten industriell gefertigten Tankbeh lter die gerade noch auf der Stra e transportabel sind weisen ein Volumen von 95 m auf siehe Kapitel 6 2 1 Damit w ren 5 Beh lter erforderlich Wird das m gliche Druckfenster der Tanks von 40 bar genutzt 5 bar Mindestdruck und 45 bar Maximaldruck reduziert sich das Volumen auf 300 m Mit geringen Ab strichen 11 400 m Speichermenge gen gen also drei Beh lter Vor dem Hintergrund dass ein Beh lter einem Invest von ca 100 000 entspricht und ein Verdichter zumindest f r Teilmengen unumg nglich ist wurde letztendlich ein System entwi ckelt das auf einen zentralen Verdichter zur ckgreift und ber eine geschickte Betriebsweise den Energieaufwand f r die Verdichtung minimiert Die Bausteine und die Funktion des Sys tems werden in den folgenden Kapiteln beschrieben 6 2 Gew hltes Systemdesign Abbildung 74 zeigt ein vereinfachtes Blockschema der Wassersto
278. nd auf der Anzahl von Werktagen in einem Jahr von etwa 250 bedeutet dies dass die Fahrzeuge t glich etwa 20 km mit Wasser stoffverbrauch zur cklegen Die Metallhydridspeicher der Fahrzeuge fassen etwa 10 2 m Wasserstoff womit eine Reichweitesteigerung von etwa 100 km gegen ber einer reinen Elektrol sung mit Batterie erm glicht wird Ein Tankvorgang ist demnach sp testens alle 5 Tage notwendig Dieser dauert je nach angeforderter Wasserstoffmenge 20 bis 45 Minuten 2014 02 28 Seite 175 von 235 Ha raU Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Es ist daher realistisch vorstellbar dass teilweise zwei Fahrzeuge nacheinander betankt werden m ssen Der im Gassystem vorgesehene 45 bar Pufferspeicher mit einem Nennvo lumen von 1 6 m erm glicht es mindestens zwei Fahrzeuge zu betanken ohne diesen nachf llen zu m ssen Kapitel 6 3 Diese Annahmen sind hinsichtlich des zeitlichen Bedarfs noch sehr grob Aktuell gibt es auch f r den Bereich der Elektromobilit t kaum Angaben dar ber wie die neue Technologie das Tankverhalten beeinflusst und mit welchen Tankzyklen zu rechnen ist Laufende Projekte die zum Ziel haben solche Erfahrungen zu sammeln sind noch nicht abgeschlossen Sobald die Daten z B des Projektes metropol E 15
279. nd generiert auf Basis eines Netzleistungssollwerts eine Batteriesollleistung Bei Integration einer externen WKA wird an dieser Stelle der prozentuale Anteil der WKA Erzeugung aufaddiert Die Hauptaufgabe des Batteriekontrollers ist es den Ladestatus der Batterie zu berwachen Unterschreitet dieser einen definierten Grenzwert wird die AC Bus Leistung durch die Brennstoffzelle angehoben und die Batterie so entlastet bzw geladen Bei Erreichen eines oberen Grenzwerts reduziert die Leistungsaufnahme des Elektrolyseurs die AC Bus Leistung Die Batterie wird dann auf Grund der sich einstellenden Leistungsdifferenz eben falls entlastet oder entladen Der Thermokontroller steuert die Leistungsaufnahme der W r mepumpe abh ngig vom Ladezustand des W rmespeichers und der aktuellen Leistungsdif ferenz Wird eine Ladegrenztemperatur welche gegebenenfalls jahreszeitlich variiert unter schritten kann der Netzleistungskontroller anstelle der Batterie die W rmepumpe innerhalb des Leistungsbereichs zuschalten um so einer Differenz entgegenzuwirken Mit Hilfe dieser kaskadierten Regelungsstruktur wird sichergestellt dass die verlust rmste Speichermethode mit h chster Priorit t gew hlt wird So wird falls keine W rme ben tigt wird die Batterie pr feriert Erst wenn diese ihre Betriebsgrenzen erreicht wird Wasserstoff als Speichermedium genutzt Durch Wahl der Betriebsgrenzen l sst sich das System gegebenenfalls an jahres zeitliche Charakteristi
280. nde erreicht werden die nicht mehr als normal anzusehen sind Die offensichtlichsten davon sind ein leeres oder volles Speicher system Einige dieser Zust nde sind in Tabelle 18 zusammengestellt 2014 02 28 Seite 131 von 235 NGENIEUR GMBH jo Al Fachhochschule l T W S madp S dwestfalen Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Tabelle 18 Grenzsituationen und Reaktionen des Gasmanagers Bedingungen Nr und verkn pft Reaktion Ursache VS3 aus Verd aus x 1 Pn1 lt 5 bar VS2 aus VS9 aus BZ aus Gasmangel St rung 2 P u1 lt 7 bar PC Null FC1 Null Drucktank leer VS7 aus 3 PC 2 lt 20 bar FC4 Null FC5 Null VS8 aus Gasmangel St rung 4 SoC Hydrid lt X PCpy Null Hydrid Speicher leer 5 Pu1 lt 7 bar VS2 aus BZ aus Verd n 1h aus Gasmand l SoC Hydrid lt X VS3 aus PC Null PC Null 9 P41 45 bar FC2 Null Drucktank voll SoC Hydrid gt X FC3 Null Hydrid Speicher voll Bed 6 und 7 8 P 2 45 bar FC2 Null FC3 Null Verdichter aus Alle Hochdrucktanks voll 9 Pu1 gt 12 bar VS1 aus VS9 Elektrolyse aus Niederdruck St rung 10 Bed6 7und9 VS1 aus Elektolsyse aus Verdichter aus Alle Tanks voll wenn Verdichter an VS9 offen halten ansonsten schlie en Gefahr der R ckstr mung Verarbeitung der Verdichterkontrolle Membranbruch
281. nden wel che sich auf der Automatisierungsebene befindet 2014 02 28 Seite 156 von 235 2 FIT Fachhochschule l a maip S dwestfalen N INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences S eg SCHMIDT amp WILLMES g Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 e Auf der Automatisierungsebene befinden sich die Automatisierungssteuerungen welche f r die automatisierte dezentrale Prozessausf hrung verantwortlich sind und eine Kopplung von unterschiedlichen Komponenten und Ger tetopologien der Feld ebene erm glichen Die Automatisierungssteuerungen der verschiedenen Prozesse werden durch ein gemeinsames Bussystem miteinander verbunden e Die Managementebene beschreibt einen Industrie Computer mit einer echtzeitf hi gen Steuerungssoftware in welche die entwickelten Energiemanagement Algorithmen und Betriebsm glichkeiten eingepflegt werden Durch eine direkte Kopp lung an das gemeinsame Bussystem ist die Management Ebene f r eine bergeord nete und zentrale Prozesskontrolle verantwortlich F r die Realisierung einer grafi schen Prozessvisualisierung wird ein zweiter Industrie Computer mit einer Geb ude leittechnik Software eingesetzt ber den auch eine gewisse Redundanz geschaffen wird Es wurden zun chst verschiedene Optionen und Produkte f r die Prozessintegration gepr ft Auf den ersten Blick vermitteln Datenbl tter und Kataloge dass
282. nderten Brennstoffzellen bzw Elektrolyseureinsatz Eine genaue Auslegung der Speichergr e erfolgt sp ter in diesem Kapitel unter Ber cksichtigung eines komplexeren Ansatzes f r das Energiemanagement 2014 02 28 Seite 29 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Ha raU Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences S Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 200 150 Energie MWh 100 50 5 10 15 20 25 Speicherkapazit t Nm Abbildung 20 Bewertung H2 Speicherkapazit t 2 4 Managementstrategie Neben der Abbildung und der Dimensionierung der einzelnen Komponenten wurde die Simu lation auch genutzt um Managementstrategien zu entwickeln zu implementieren und zu testen blicherweise werden Energiemanagementsysteme so konzipiert dass mithilfe von Wetterprognosen die zu erwartende erzeugte Leistung aus Windkraft und Photovoltaik be stimmt wird Zusammen mit den ebenfalls berechneten Lastprognosen ergibt sich hieraus ein Einsatzplan f r die vorhandenen Komponenten der sich ber mindestens 24 h erstreckt und in der Regel 24 h im Voraus erstellt werden muss Die unvermeidbaren Abweichungen zwi schen der realen Versorgungssituation und der Planung ist dann durch entsprechende Ma nahmen auszugleichen Bei diesem Ansatz werden die H2 Komponenten mit einer zeitlichen Aufl sung von 15 Min
283. ndig abgeschaltet und der verbleibende Stack in Teillast betrieben Damit kann in Bezug auf die Nennleistung des Gesamtsystems ein Regelbereich von 20 ein Stack bei 40 der Stacknennleistung bis zu 100 beide Stacks mit 100 Nennleistung erreicht werden Da die Firma ErreDue eine ganze Palette von Ger ten mit Produktionsraten zwi schen 0 66 m h bis zu 170 m h herstellt w re es im Prinzip auch m glich das Gesamtsys tem aus mehr als zwei Stacks zu kombinieren um damit den Regelbereich noch weiter zu vergr ern Allerdings steigt dann der technische Aufwand stark an und die kleinen Stacks f hren zu einem geringeren Gesamtwirkungsgrad so dass die Kombination aus zwei Stacks als guter Kompromiss angesehen werden kann Mit diesem System ist die Wasserstoffer zeugung zwischen 2 7 m h ca 14 kW und 13 2 m h bei 70 kW einstellbar ohne dass der Gesamtwirkungsgrad stark einbricht Ein weiterer wesentlicher technischer Aspekt ist die Steuerung der Leistung bzw der Produktionsrate Grunds tzlich stellt es nach Aussagen der Hersteller kein Problem dar Elektrolyseure je nach Energieangebot in einer dynamischen Betriebsweise zu betreiben Normalerweise wird die Steuergr e f r die Leistung des Elekt rolyseurs aber nicht aus dem Energieangebot sondern aus dem Gasbedarf abgeleitet Dies f hrt dann z B zu den bereits erw hnten Problemen mit der Abschaltung Bei den von der Firma ErreDue angebotenen Systemen kann der internen SPS des AC DC Wandl
284. ne Hutschiene im Schaltschrank montieren Aufgrund des umfangreichen Beckhoff Portfolios k nnen Hardwarekomponenten mit unter 2014 02 28 Seite 161 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 schiedlichen Kommunikationsschnittstellen ber Feldbuskoppler an den Embedded PC an geschlossen werden Die einfache Anreihung dieser Koppler erm glicht die Integration von Komponenten und Ger tschaften unabh ngig vom jeweiligen Hersteller und von den inte grierten Kommunikationsschnittstellen Die O Ebene kann sowohl mit Busklemmen als auch mit EtherCAT Reihenklemmen realisiert werden Der Vorteil bei EtherCAT Ethernet for Control Automation Technology ist die Echtzeitf higkeit bis in jedes I O Modul Grund daf r ist dass die Telegramme nicht mehr in jeder Klemme zun chst empfangen dann interpre tiert und die Prozessdaten weiter kopiert werden sondern die Klemme greift die f r das Ge r t bestimmten Daten ab w hrend das Telegramm weiter durchl uft siehe Abbildung 108 Bei der Bearbeitung des Arbeitspakets hat es sich gezeigt dass es aufgrund der vielen ein zelnen Hardwarekomponenten zum jetzigen Zeitpunkt nicht explizit m glich ist die jeweiligen Feldbus bzw Kommunikationsschnittstellen als O Module fes
285. nen M glichkeiten und F higkeiten zur Systemintegration ganz unterschiedlich ausgepr gt sind Manche Komponenten sind mit umfangreichen Steue rungen ausgestattet die nach Herstellerangaben auch alle ben tigten Daten und Signale bereitstellen k nnen Andere Einheiten verf gen lediglich ber ein rudiment res Steuersys tem das zudem f r anders gelagerte Anwendungsbereiche ausgelegt ist Einige der Syste me m ssen speziell f r das Zentrum entwickelt werden Trotz der Unterschiede m ssen M glichkeiten entwickelt werden die die Erstellung einer Gesamtanlage erlauben Bei der Konzeptionierung des Projektes wurden diese Punkte im Arbeitspaket Prozessanbindung zusammengefasst Die entsprechenden Ergebnisse werden im Anschnitt 8 2 pr sentiert Wie sich bei der Projektbearbeitung schnell herausgestellt hat ist auch eine eindeutige und flexible Kennzeichnung der Komponenten als Schl ssel zum Erfolg zu sehen Die Arbeiten zu diesem Punkt haben sich als relativ umfangreich und wichtig herausgestellt Die diesbe z glichen Aspekte sollen daher zun chst in diesem Kapitel als Unterpunkt 8 1 erl utert wer den Die Entwicklung des Kennzeichnungssystems hat die Fachhochschule S dwestfalen bernommen Die konkrete Implementierung wurde anschlie end mit TWS abgesprochen Hier sind auch einfache Softwarewerkzeuge entwickelt worden die die Kennzeichnung er leichtern und entsprechende bersetzungstabellen zwischen einfacher und formaler No
286. nergiemanagers roter Bereich 4444 ennnnn nn nnnnnnnnennnnnnnn 169 Testaufbau bestehend aus Geb udeleittechnik Touch Panel Siemens Steuerung Hardware Anwendung und Programmiersoftware STEP 7 171 Prinzipieller Aufbau der TwinCAT 3 Software nnssssssnenssenennnnnnnenn 172 Flie bild bergabestation von Wasserstoff aus dem Energiezentrum an PANZER ee 176 NFC Topologie se 2er 178 Seite 230 von 235 Cts Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences M1m INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES mip Concepts based on solid solutions Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abbildung 120 Abbildung 121 Abbildung 122 Abbildung 123 Abbildung 124 Abbildung 125 Abbildung 126 Abbildung 127 Abbildung 128 Abbildung 129 Abbildung 130 Abbildung 131 Abbildung 132 Abbildung 133 2014 02 28 Abschlussbericht Feb 2014 Strangschema zur Hydraulik der verschiedenen Systeme im Energiezentrum Originalgr e und Legende siehe Anhang 181 W rmetechnische Kenndaten der einzelnen Komponenten des Energieversorgungssystems auf der Heizungsseite 182 W rmetechnische Kenndaten der einzelnen Komponenten des Energieversorgungssystems auf der Soleseite uuunen 182 Grundelemente als Bausteine eines nahezu beliebigen Kraltwerksystems ua senere a Eae EE EEE EAEEREN 187 Sol
287. nergiezentrums realisierbar ist Zusammen mit den konkreten Angaben des Herstellers zu den technischen Daten war eine Abstimmung mit den weiteren Systemkomponenten bis hin zur m glichen r umlichen Anordnung der Komponenten m glich Die Abbildung 70 zeigt beispielhaft die m gliche Aufstellung der Elektrolyseure und aller wei teren zus tzlichen Anlagenkomponenten die f r die Wasserstofferzeugung und Reinigung sowie f r die Elektrolytaufbereitung notwendig sind in einem Grundrissausschnitt des Tech nikraums hnliche Anlagenkombinationen sind erprobt und werden in der Industrie f r An wendungen direkt vor Ort in der Fertigung installiert und betrieben 5 3 Peripherie Wie unter 5 1 beschrieben bedingt die Erzeugung von Wasserstoff neben dem Betrieb des eigentlichen Wasserstoffgenerators auch die Planung und Installation zus tzlicher peripherer Anlagenkomponenten Die sicherheitsrelevante Sensorik zum Abschalten des Elektrolyseurs in Notf llen und die intelligente Anlagensteuerung mit Mess und Regelsystemen sind eben so wie Elektrolyttanks und pumpe bereits konstruktiv in das Elektrolysesystem integriert Die weiteren f r einen ordnungsgem en Betrieb des Elektrolyseurs ben tigten Medien werden ggf extern aufbereitet und dem System zugef hrt Hierzu geh rt die Aufbereitung des Pro zesswassers Demineralisierung und die Erzeugung und Bereitstellung von Pressluft zur Steuerung pneumatisch bet tigter Ventile Die sp tere R ckv
288. ng Teil 2 Praktischer Leitfaden und Verfahrensbeispiele In der Norm DIN EN 12100 wird zur Durchf hrung der Gefahrenanalyse eine Vorgehenswei se in f nf Schritten beschrieben 1 Festlegen der Grenzen der Maschine einschlie lich deren bestimmungsgem er Verwendung und m glicher Fehlanwendung 2 Identifizieren von Gef hrdungen und zugeh rigen Gef hrdungssituationen 3 Einsch tzen des Risikos f r jede identifizierte Gef hrdung und Gef hrdungssituati on 4 Bewerten des Risikos und Treffen von Entscheidungen ber die Notwendigkeit zur Risikominderung 5 Beseitigen der Gef hrdung oder Vermindern des mit der Gef hrdung verbundenen Risikos durch Schutzma nahmen Ziel der Analyse ist die gr tm gliche Risikominderung Der Prozess ist iterativ und es k n nen mehrere aufeinander folgende Wiederholungen erforderlich sein In den folgenden Kapiteln 13 3 1 bis 13 3 5 werden die Durchf hrung und Dokumentation dieser f nf Schritte einer Gefahrenanalyse skizziert und die dabei notwendigen Begriffe er l utert Hinsichtlich der f r das Realisierungskonzept durchgef hrten Analyse sei hier noch mal auf das als Anhang beigef gte Dokument verwiesen 13 3 1 Festlegen der Grenzen der Maschine einschlie lich deren bestimmungsgem Ber Verwendung und Fehlanwendung Im Rahmen der Gefahrenanalyse werden zun chst die Grenzen einer Maschine f r s mtli che ihrer Lebensphasen bestimmt Die Grenzen einer Maschine sind dabei
289. ng 60 Schattenwurf am 21 Juni um 18 00Uhr 2014 02 28 Seite 71 von 235 Fachhochschule S dwestfalen INGENIEUR GMBH University of Applied Sciences B SCHMIDT amp WILLMES erg ii Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Wie Abbildung 60 anschaulich zeigt verl uft die Schattenlinie in den Abendstunden anf ng lich parallel zu den Modulreihen Aus diesem Grund wurde zun chst auf die geb udenahen Module verzichtet siehe Abbildung 58 b Bei der Realisierung der Anlage ist eine Konfigura tion zu w hlen in der die folgenden 4 bis 6 Modulreihen zu einzelnen Strings verschaltet werden Da der Schatten im weitern Verlauf des Sonnenuntergangs dann diagonal zu den Modulen verl uft wird eine weitere Beibehaltung dieser Schaltungssystematik f r die folgen den Modulreihen zunehmend uninteressant Unter Ber cksichtigung des Schattenwurfs ergibt sich letztendlich eine Anlage mit einer Spitzenleistung von 29 kW 124 Module 235 W Da das Dach einen Neigungswinkel von nur 10 hat und die Fl che nicht optimal nach S den ausgerichtet ist wird die Anlage im Vergleich zu einer optimal ausgerichteten Fl che gleicher Gr e einen niedrigeren Jahresertrag aufweisen Nach Angaben des Euro pean Commission Joint Research Centre 6 sinkt die j hrliche Ertragserwartung um 12 von 947 kWh kW 35 Aufstellwinkel S dausrichtung freie Aufstellung auf 832 kWh kW 10 Aufstellwinkel
290. ngangsgr en und Solarstrahlung sowie durch modulspezifische Modellparameter bestimmt Eine detaillierte Herleitung sowie die Bestimmung der Modellpa rameter ist in 1 beschrieben Die Abh ngigkeit der Strom Spannungs Charakteristik von Temperatur und Einstrahlung als Ergebnis einer exemplarischen Simulation eines Yingli Panda 255 Moduls sind in Abbildung 4 dargestellt 2014 02 28 Seite 15 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES TWS M ef Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences B Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 1500 W m ar 1250 W m z 1000 W m Z ey s S 2 k 5 0 10 20 30 40 Spannung V Spannung V z D S c 3 5 5 Y un 0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 Spannungl V Spannung V Abbildung 4 WU l Charakteristik des Moduls Yingli Panda 255 Neben dem physikalischen Verhalten eines Solarmoduls musste um die maximale Aus gangsleistung abh ngig von der Einstrahlung zu ermitteln eine Funktion zur Ermittlung des MPPs Maximum Power Point implementiert werden Hier ist ein strombasierter Ansatz zum MPP Tracking genutzt worden Zur Einstellung des Arbeitspunktes musste neben dem Mo dell f r ein einzelnes Modul noch eine Spannungsregelung implementiert werden Mit Hilfe von MPP Tracking und Spannungsregelung mit PI Regler kann so die Funktion eines PV Umrichters simuliert werden Die i
291. nge Energieeinsparun gen erzielen Atmosph risch betriebene Elektrolyseure erreichen einen spezifischen Ener gieverbrauch von 4 1 4 5 kWh Nm Hinzu kommt jedoch der Energieverbrauch optionaler Komponenten F r die Verdichtung von drucklos erzeugtem Wasserstoff auf 30 bar werden bspw etwa 0 2 kWh Nm ben tigt Gr ere Druckelektrolyseure weisen einen spezifischen Energieverbrauch zwischen 4 5 und 5 0 kWh Nm auf Das liegt daran dass sich durch die elektrochemische Kompression geringere Systemwirkungsgrade von bis zu 78 einstellen Die Lebensdauer eines alkalischen Elektrolyseurs h ngt von den Betriebsparametern und der Betriebsweise ab Diese wiederum gehen in der Regel auf Kompromisse zur ck So ist eine hohe Laugenkonzentration vorteilhaft f r die lonenleitf higkeit des Elektrolyten gef hr det aber durch Korrosion die Langzeitbest ndigkeit der verwendeten Materialien und kann durch die Verdr ngung von Wasser als Edukt zu Stofftransportlimitierungen f hren Lang zeitbest ndige und relativ kosteng nstige Elektroden Materialien erlauben derzeit Betriebs temperaturen bis zu 80 C Kommerziell erh ltliche Systeme sind inzwischen mit Elektro denmaterial best ckt das auch in Stillstandsphasen nicht passiviert Daher sind auch bei intermittierender Betriebsweise keine Sp lvorg nge mit Inertgasen mehr erforderlich Insgesamt gelten alkalische Elektrolysesysteme als technisch ausgereift und daher auch als u erst zuverl ssig
292. ngebote ermittelt Die entsprechenden Angebo te sind im Anhang beigef gt Im Folgenden wird noch n her auf die Einzelpositionen einge gangen Dabei wird eine Untergliederung gew hlt die sich im Grundsatz an der Unterteilung in Funktionsbl cke nach dem in Kapitel 8 1 2 vorgestellten Kennzeichnungsschl ssel orien tiert Bei einigen Positionen wie z B der Einbindung in das W rmesystem oder der Pro zessanbindung erfolgt die Auflistung aber getrennt da es wenig Sinn machte diese Pakete in die einzelnen Funktionsgruppen zu zerlegen Abbildung 133 zeigt als Beispiel f r die ge w hlte Vorgehensweise und als Anhaltspunkt f r die vorliegende Detaillierung einen Aus schnitt aus der Zusammenstellung der Komponenten f r die Speicherung von Wasserstoff in Druckbeh ltern Aus Gr nden der bersichtlichkeit werden im Folgenden meist entspre chende Zusammenfassungen gezeigt und erl utert 14 2 1 Wasserstofferzeugung Elektrolyse Tabelle 35 Kostenzusammenstellung f r die Elektrolyse Bezeichnung Preis es mit Gasreinigung Luftzerlegung Prozesswasser 225 000 00 Druckregelventil 6 357 00 R ckschlagventil 253 30 Shut Off Ventil 1 200 00 Durchflussmesser 3 500 00 Druckmessger t 0 50bar 900 00 Wasserstoffsensor Sicherheitssystem 1 300 00 Summe 238 510 30 Das Angebot der Firma ErreDue umfasst die wesentlichen Bestandteile der Elektrolyse Zu s tzlich notwendig sind die Hardwarekomponenten des Ga
293. ngefasst Da Prozesssteuerung und Energiemanagement wie in den Kapiteln 8 2 und 9 beschrieben auf den gleichen Komponenten aufbauen sind diese in einem Angebot zu sammengeflossen Die Kosten f r den Aufbau der Schaltschr nke sowie zur Implementie rung und Inbetriebnahme sind nach den bei ISW vorliegenden Erfahrungen berechnet Als Ingenieursleistung mit aufgenommen wurde auch die Entwicklung des Energiemanage ments Dabei wurde davon ausgegangen dass diese Implementierung einer Version 0 ent spricht das hei t dass die grundlegenden Funktionen implementiert sind dass eine volle Funktionalit t aber erst mit dem Sammeln von Betriebsdaten und erfahrungen und einer entsprechenden Weiterentwicklung m glich ist Diese dann noch notwendigen Arbeitsschritte sollten mit der Inbetriebnahme des Zentrums im Rahmen eines FuE Projektes in Angriff ge nommen werden Tabelle 39 Kostenzusammenstellung der Hard und Software f r das Steue rungssystem Bezeichnung Berechnung Preis Hardware CPUs etc 44 643 60 Schaltschr nke 20 000 00 Verkabelung Lohn und Material 25 000 00 Programmierung v Visualisierung und Leitsystem 23 040 00 Zentrale Einrichtung Geb udeleittechnik 22 759 30 Programmierung Gasmanager 300 Datenpunkt 25 500 00 Programmierung der andern Stationen 300 Datenpunkt 32 100 Inbetriebnahme der Stationen 23 040 00 Entwicklung Energiemanagement VO 60 300 00 Summe 276 392 90 14 2 6
294. ngen umfassen und letztendlich das Projekt Energiezentrum inhaltlich bestimmen Ein weiterer komplexer Punkt war die Entwicklung des Gasmanagers Dabei mussten die folgenden Punkte ber cksichtigt werden e die unterschiedlichen Volumina und Druckstufen e die Steuerung der Prozessabl ufe e die Messtechnik zur berwachung Steuerung und Bilanzierung der Gasfl sse e unterschiedliche Betriebszust nde wie Normalbetrieb Inbetriebnahme und Wartung e Reaktionen im Fehlerfall e Absicherung gegen gr ere Sch den Nach R cksprache mit einigen Sicherheitsfachkr ften wurden die Punkte Gefahrenanalyse und Gef hrdungsbeurteilung Arbeitsschutz als einzelnes Arbeitspaket betrachtet und zu s tzlich zu den bei der Planung festgelegten Punkten bearbeitet Auch bei der Bearbeitung des Paketes 12 Kraftwerksystem gab es in der Bearbeitungsphase neue Erkenntnisse So wurde gegen ber der urspr nglich geplanten Vorgehensweise die eine Festlegung einzelner beispielhafter Ankn pfungspunkte vorsah eine wesentlich abs traktere Beschreibung entwickelt so dass es im Prinzip m glich ist ein solches System na hezu beliebig zusammenzustellen Eine konkrete Umsetzung dieser Beschreibung bleibt ebenso wie das Sammeln von Erfahrungen mit einer konkreten Anbindung ausgesuchter Komponenten einer sp teren Projektumsetzung vorbehalten 2014 02 28 Seite 9 von 235 H AAT Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen INGENIEUR GMBH Concepts based on so
295. ngs sind gr ere Speichervolumen bisher auf wenige meist milit rische An wendungen begrenzt Wegen der hohen Kosten f r das Speichermaterial sind auch die Sys temkosten im Vergleich zur Druckgasspeicherung noch sehr hoch Da beim Energiezentrum die Gesamteffizienz des Systems eine wesentliche Ma gabe dar stellt sollte bei der Gasspeicherung ein System eingesetzt werden das nach M glichkeit keinen zus tzlichen Energieverbrauch zur Folge hat Vor dem Hintergrund der aktuellen Si tuation bei den Hydridspeichern kann dies nur ber eine Druckgasspeicherung auf m glichst niedrigem Druckniveau erreicht werden Wie in Kapitel 5 2 gezeigt ist es aktuell kein Prob lem Wasserstoff ber Elektrolyse auf einem Druckniveau von 30 bar zu erzeugen so dass zun chst ein System mit einem solchen Elektrolyseur und ohne weitere Verdichtung in Er w gung gezogen wurde Dabei ergeben sich aber zwei Probleme 1 Bei der bergabe von Wasserstoff in den mobilen Bereich wird aktuell von den Fahr zeugen ausgegangen die die FH SWF entwickelt hat und die weiter entwickelt wer den sollen Diese speichern den Wasserstoff in Metallhydriden und sind beim Tanken auf einen Druckbereich von mindestens 25 bar bis maximal 50 bar angewiesen Da mit w re das maximale Druckfenster bei 30 bar mit einem AP von 5 bar relativ gering und bei der sicher h ufig anzutreffenden Teilbef llung der Gro tanks gar nicht zu ga rantieren In der Folge m sste also im Tankstelle
296. ngsbereich gegen ber alkalischen Elektrolyseuren durchsetzen k nnen Auf Modul ebene werden aktuell PEMEL Systeme von 0 06 30 Nm h und mit einer maximalen elektrischen Leistungsaufnahme bis ca 150 kW pro Modul angeboten Dies ist im Vergleich zum Leistungsbereich der AEL eine verh ltnism ig kleine Spanne H 050 Membrane aa Current solid polymer Te 1 distributor cathode anode im 72 Bipolar Electrode x A O plate BiP electrocatalysts Abbildung 69 Funktionsprinzip einer PEM Elektrolysezelle 12 Der spezifische Energieverbrauch eines Stacks pro produzierten Normkubikmeter H variiert zwischen 3 9 und 5 1 kWh Der spezifische Energieverbrauch f r Systeme bis zu 1 Nm h H F rderleistung betr gt typischerweise 6 bis 8 kWh Nm Hb F r gr ere Systeme mit mehr 2014 02 28 Seite 91 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 als 10 Nm h liegt der Energieverbrauch unter 6 kWh Nm Wasserstoff An dieser Stelle muss jedoch beachtet werden dass kommerzielle PEM Elektrolyseure berwiegend in An wendungen eingesetzt werden in denen der Gesamtwirkungsgrad nicht von entscheidender Bedeutung ist Allgemein erm glicht die PEM Elektrolyse im Vergleich zur AEL einen
297. ngskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 eine TiMn Legierung der Firma GfE mit dem Markennahmen Hydralloy C5 als Speicher material gew hlt Zur Beurteilung der Wasserstoffspeicherungseigenschaften von Metallhydriden werden so genannte KDI Kurven erstellt In diesen wird der sich bei der Absorption und Desorption ein stellende Druck gegen die gespeicherte Wasserstoffmenge in Gew aufgetragen Abbildung 75 zeigt die KDI Kurve f r das Material Hydralloy C5 mit Adsorptions bzw Desorptionskurven jeweils bei Temperaturen von 20 C und 45 C Aus der KDI Kurve ist ersichtlich dass die Speicherdichte abh ngig von dem Druck des Wasserstoffs und der vor liegenden Temperatur ist Im vorliegenden System wird dem Metallhydridspeicher durch den Verdichter Wasserstoff mit einem Druck von bis zu 45 bar zur Verf gung gestellt Bedingt durch den Druckabfall im Rohrleitungssystem wird sich im Speicher jedoch ein geringerer Druck einstellen Im vorgegebenen Temperaturbereich kann so eine maximale Speicherdich te von 1 8 Gew bis maximal 1 9 Gew erreicht werden Bei der Desorption sollte der Druck nicht unter 5 bar fallen Um eine m glichst tiefe Entladung zu erm glichen sollte der Speicher dabei auf eine Temperatur von etwa 45 C aufgeheizt werden Die erreichbare Restspeicherdichte kann so bis auf etwa 0 2 Gew sinken Bedingt durch die Beladungs und Entladungskinetik des Speichermaterials und
298. nlage Hydridmanager Sicherheitstechnik Batteriesystem Netzknoten Abbildung 103 Verschiedene Prozesse und Komponenten des Energiezentrums Legende Daten empfangen Input Daten gesendet Output Beckhoff Industrie PC CX5020 Display 10 Z hler Elektrisch lt 1min Mittelwerte Automatisierungsstruktur des S dwestf lischen Energiezentrums EthercAT Management Beckhoff Industrie PC C6650 a ae Te PEENE iT Bane P r T TwinCat 3 OPC Server Matlab Daten Birma Hakan A rechnete Vorgegebene Werte an paiman orek eenaa ei Huren aus Dnc re aa een Ausstattung Industrie PCs Leistungsvorgabe Elektrolyseur 19 State of Charge SoC H2 7 2 Haustechnik Solaranlage 17 Ethemet Modbus Status Elektrolyseur Soll 19 Netzknoten W rmepumpe Status Ist 13 Kleinwindanlage 17 16 Digitale 1 0s Elektrolyseur Status Ist 19 Leistungsvorgabe Prog 0 W rmepumpe Leistung 13 Batteriesystem 17 16 Analoge Os vorgesehen Aufgenommene Leistung Elektrolyseur 19 Berechnete Vorgegebene Werte State of Charge SoC W rmepuffer 13 Leistung Windkraftanlage Extern 3 CANopen ennstofi em Jahreszeit Leistungsvorgabe W rmepumpe 13 hler Heizkreislauf 15 min Mi PROFINET Leistungsvorgabe Brennstoffzelle 19 Prognose Last Elektrisch W rmepumpe Status Soll 13 Geb ude Labor Tankst
299. nnnnnnnnnnnnnnnnnnn nennen 113 Flie bild des Metallhydridspeichersystems 444440snnnn ns nnnnnnnenen 115 3D Modell des Wasserstoff Hydrid Speichers 244444snn nn 116 bildliche Darstellung der nach IGC Doc 15 06 E der EIGA geforderten Sicherheitsabst nde bei Mitteldruckbeh ltern 4444 sss44 2400 121 Beh lteraufstellung innerhalb der Sicherheitszone des Gaslagers 122 Ansicht eines 20 Fu Standardcontainers mit beidseitigem Eingang und zus tzlichem Seiteneingang von der Firma H amp S Container 123 Raumaufteilung des Schallschutzcontainers nenn 123 schematische Darstellung der Verrohrung zwischen Gaslager und Gebatde MRERMDRRPERLIEDETEPENEREREN UEREERE PEERERLEETELEENUDUHBER SE EN 125 Funktionsschema des Wasserstoffspeichers 44 nennen 127 Funktionsablauf im Umfeld des Gasspeichers in graphischer Form 131 Ausschnitt aus dem bersichtsblockschaltbild Vorspeicher mit allen Ventilen und Sicherungen nu a 135 Architektur der Netzeinbindung und des Steuerungssystems f r die R ckverstromMung enter eeeeensee 140 Brennstoffzellenk hlsystem 4 un444nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nennen 141 Kommunikationsdaten zwischen DDC Brennstoffzelle und alle sigrei 016 011 GORPRSRERAFRFERREEEREREREEEESEELEEEENEHELEEESEELEERTEHELEFENLEREHEREHLEESEHLEERENEE 142 Brennstoffzellen in autarker Modulbauweise ohne Zentraleinheit
300. nntnissen ist aber davon auszuge hen dass mehrere m gliche Planungsgebiete zur Ausweisung von Vorranggebieten in den Fl chennutzungsplan aufgenommen werden Diese berlegung legt nahe dass auch die beschriebenen Fl chen bei denen die Vorplanung bereits weit fortgeschritten ist zur Verf gung stehen und eine Baubeantragung seitens des Projektpartners mdp erfolgen kann 2014 02 28 Seite 86 von 235 NGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences S c i faaam Al Fachhochschule l T W S madp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 5 Wasserstofferzeugung Elektrolyse TWS Auswahlkriterien Marktrecherche Systemerstellung ISW W rmeauskopplung bergabe ins Haussystem FH SWF Prozessanbindung R ckkopplung mit dem Berechnungsmodell 5 1 Typen von Elektrolyseuren Die in ertragreichen Zeitabschnitten saisonal per Windkraft und Photovoltaik f r die Versor gung des Energiezentrums erzeugte elektrische Energie wird zur sp teren Nutzung in einem elektrochemischen Trennungsprozess Elektrolyse zur Erzeugung von Wasserstoff einge setzt und der Wasserstoff als Zwischenenergietr ger f r eine sp tere R ckverstromung ber Brennstoffzellen gespeichert Prinzipiell sind f r die vorgesehene Anwendung der Wasser stofferzeugung aus regenerativen nicht biogenen Energiequellen mehrere bekannte El
301. nprozent z ndf higen Gases gew hrleistet ist sind nat rlich die bestehenden Sicherheitsvorschriften zu erf llen und entsprechende Komponenten und Materialien auszu w hlen Hierauf wird im Folgenden noch n her eingegangen Zun chst werden aber in Kapitel 6 1 die einzelnen Speicheroptionen beschrieben bevor dann in Kapitel 6 2 auf das f r das Energiezentrum gew hlte Systemdesign eingegangen wird Auf Basis des spezifischen Designs werden dann die einzelnen Komponenten und ihr spezifischer Aufbau beschrieben Das Kapitel 6 3 setzt sich mit dem Management des Ge samtsystems Gasmanager auseinander und bezieht sich dabei auf den Normalbetrieb der Gasspeicherung Auf die speziellen Vorkehrungen f r die nicht blichen Betriebszust nde und die Sicherheitsaspekte geht dann das Kapitel 6 5 anhand eines ausgesuchten Beispiels ein Die umfassendere Betrachtung dieser Punkte wurde in den Anhang zum Dokument ausgelagert um den Text insgesamt lesbarer zu halten 6 1 Speicheroptionen Wasserstoff kann wie andere Gase auch in gasf rmiger komprimierter oder fl ssiger Form gespeichert werden Zum Verfl ssigen von Wasserstoff ist das Gas bei Normaldruck auf Temperaturen von weniger als 20 K abzuk hlen Dabei wird eine hohe volumetrische Ener giedichte erreicht Allerdings ist die Verfl ssigung mit einem hohen Energieaufwand und die Lagerung der tiefkalten Fl ssigkeit mit hohen Verdampfungsverlusten behaftet Da das La gervolumen bei station ren
302. nsch tzung vorgenommen Zu unterscheiden ist dabei jeweils ob eine Messung auf der Mittelspannungs oder der Niederspannungsseite erfolgen soll Die entsprechenden Ergebnisse sind in Tabelle 27 und Tabelle 28 zusammengefasst Als Leistungsmessger t muss dabei nicht unbedingt ein Z hler im klassischen Sinn einge setzt werden Es gibt mittlerweile Bausteine zur Netzkontrolle die auch die Funktionen eines Z hlers erf llen und ber verschiedene Schnittstellen verf gen die es erlauben vor Ort noch weitere Z hler oder einzelne Sensoren z B zur Temperaturmessung aufzunehmen Abbil dung 127 zeigt ein Beispiel Zur Erfassung der Daten in der Zentrale wird zweckm iger weise ein PC mit entsprechender Software eingesetzt F r das Z hlerauslesesystem ist mit Lizenzkosten von ca 1 500 und Implementierungskosten von ca 150 pro Messpunkt zu rechnen 2014 02 28 Seite 192 von 235 Cms Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum NGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES M1m mip Concepts based on solid solutions Abschlussbericht Feb 2014 Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences Tabelle 27 M gliche Varianten bei einer Messung auf der Mittelspannungsseite o gt 5 g5 85 o lt lt V oo ARNI 5 5 gesch tz 825 SE te Kosten s52 u3 Ma nahmen Kl rung des Datenzugangs mit dem EVU VNB x x Eventuell zus
303. nsdruck von 1 bar einstellt in Tieftemperaturhydride 30 C bis 50 C Mitteltemperaturhydride 100 C bis 200 C und Hochtemperaturhydride ber 200 C einteilen Da das im Energie zentrum vorgesehene W rmemanagementsystem in einem f r Heizungssysteme blichen W rmebereich von 27 C bis 45 C arbeitet ist hier die Verwendung eines Tieftemperatur hydrids ideal da so die f r die Desorption ben tigte W rme aus dem Heizungssystem ent nommen und die Absorptionsw rme dem Heizungssystem zugef hrt werden kann Ein typi sches Tieftemperaturmetallhydrid stammt aus der Gruppe der intermetallischen Verbindun gen beispielsweise TiMn und LaNi Typical pct of Hydralloy C5 100 I rr sure bar absolute absorption 20 C desorption 20 C e absorption 45 C e desorption 45 C 1 wt H2 Abbildung 75 KDI Kurve von Hydralloy C5 Auf dem europ ischen Markt gibt es zwei gro e Hersteller von Metallhydriden die Firma Treibacher Industrie AG aus Osterreich und die Firma GfE aus Deutschland Auf Grund der in Forschungsprojekten der Fachhochschule S dwestfalen gewonnenen Erfahrungen wurde 2014 02 28 Seite 113 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisieru
304. nstallierte Leistung der zu simulierenden Solaranlage kann durch die Anzahl der zu simulierenden Module skaliert werden Abbildung 5 Sonneneinfallswinkel auf eine geneigte Fl che 2014 02 28 Seite 16 von 235 Fachhochschule S dwestfalen INGENIEUR GMBH University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Erw u Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Da meist nur Globalstrahlungswerte auf die ebene Fl che als Profile verf gbar sind musste erg nzend ein Werkzeug zur Berechnung der Solarstrahlung auf eine gedrehte und geneigte Fl che siehe Abbildung 5 basierend auf der horizontalen Globalstrahlung programmiert werden Entscheidend f r die Transformation der Globalstrahlung auf eine geneigte Fl che ist der Einfallswinkel Ocen der Sonnenstrahlen auf die geneigte Fl che Der Einfallswinkel ergibt sich als Skalarprodukt der Vektoren s und n S CoSsa COSY SiNd COS Ys Sin ys n COSQapg COSYg S N Qp COS Yg S N yg Die Winkel qg und y sind dabei durch die Ausrichtung und Neigung der Solarmodule die Winkel Sonnenazimut und y Sonnenh he durch den Stand der Sonne bestimmt Der Stand der Sonne l sst sich mit dem DIN Algorithmus 2 f r jeden beliebigen geographischen Standort abh ngig von Datum und Uhrzeit bestimmen Abbildung 6 zeigt das mit Hilfe des entwickelten Werkzeugs generierte Sonnenbahndiagramm f r S
305. nzipieller Aufbau einer alkalischen Elektrolysezelle 12 90 Abbildung 69 Funktionsprinzip einer PEM Elektrolysezelle 12 91 Abbildung 70 Grundriss des Technikraumes mit Elektrolyseuren und zus tzlichen Komponenten Ausschnitt aus Abbildung 57 sss4444 nennen 101 Abbildung 71 Elektrolyseanlage 2 mal G10 bei Fa Wieland Pforzheim 102 2014 02 28 Seite 228 von 235 Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences M1m INGENIEUR GMBH mip Concepts based on solid solutions Cts SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abbildung 72 Abbildung 73 Abbildung 74 Abbildung 75 Abbildung 76 Abbildung 77 Abbildung 78 Abbildung 79 Abbildung 80 Abbildung 81 Abbildung 82 Abbildung 83 Abbildung 84 Abbildung 85 Abbildung 86 Abbildung 87 Abbildung 88 Abbildung 89 Abbildung 90 Abbildung 91 Abbildung 92 Abbildung 93 Abbildung 94 Abbildung 95 Abbildung 96 2014 02 28 Abschlussbericht Feb 2014 Vorderseite links und R ckseite rechts der Gasreinigung DPH12 bei Fa Wieland Pforzheim een 104 Prozess Schema des PSA Stickstoffgenerators 44 en 105 Blockschema der Wasserstoffspeicherung 444444ssnnnn nennen 111 KDI Kurve von Hydralloy C5 u 224444444444BHnnnnnnnn
306. o fl chigen Verschattung und damit einer geringen Transparenz der Module F r die Planungsar beiten konnte daher davon ausgegangen werden dass die Leistung der Isolierglasmodule in etwa den Werten konventioneller Module entspricht Das beispielhaft verwendete Modul Pro tect SW245 260 poly von Solarworld hat bei einer Gr e von 1 68 m x 1 m in Schritten von 5 W Leistungen von 245 bis 260 W 5 Damit der gew nschte Lichteffekt erreichbar ist wur de bei der Leistungsberechnung ein Abschlag von 5 f r Glaszwischenr ume veranschlagt so dass sich eine effektive Leistung von 235 W pro Beispielmodul ergibt Wird die Dachfl che soweit m glich belegt ergibt sich das in Abbildung 58 a gezeigte Bild Allerdings grenzt 2014 02 28 Seite 69 von 235 Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences fws Eu INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 der linke Rand des Dachdreiecks direkt an die h her liegende Geb udewand an so dass hier bei entsprechendem Sonnenstand mit einer Abschattung zu rechnen ist 12 4m 134 Module 124 Module 12 4m b Abbildung 58 M gliche Anordnung der Photovoltaikmodule im Dachbereich des Foyers a volle Belegung der Fl che b reduzierte Belegung zur Re duktion der Verschattungsproblematik ber das vorliegende 3D Modell des Geb udes wurde der Schattenwurf
307. ockdarstellung veranschaulicht Bei der Blockdarstellung wurden vor allem die ben tigten Eingangsdaten und die generierten Ausgangdaten als einzelner Pfeil eingetragen Soweit sinnvoll und m glich wurde auch die Funktion in Kurzform im Inne ren des Blocks angegeben Abbildung 105 zeigt die schematische Darstellung der Kommunikationspfade des Reglers f r den Netzknoten Der Netzknotenregler errechnet aus der Vorgabe der Netzleistung welche der SoC Manager Wasserstoff Abbildung 106 vorgibt und der aktuellen Leistung am Netz knoten die Leistungsvorgabe f r die Batterie Durch die Vorgabe der Lade bzw Entladeleis tung der Batterie wird daf r gesorgt dass die Leistung am Netzknoten der Vorgabe des SoC Managers Wasserstoff folgt Weil die externe WKA ber den Netzknoten in das Ener giezentrum einspeist muss diese Leistung in der Differenzrechnung mit einbezogen werden Regelung Netzknoten P Windkraft extern Paar P Vorgabe Pre t P Wind Status Windkraft Phat soll P Vorgabe AUS SOC Manager Wasserstoff Pat ist P Netzknoten intern gemessen Abbildung 105 Schematische Darstellung der Kommunikationspfade des Reglers f r den Netzknoten Die Bezeichnung SoC Manager Batterie wird dem Baustein mit seiner zentralen Funktion im System nicht gerecht ber diesen Baustein werden wesentliche Teile des Energiemanage ments realisiert Entsprechend umfangreich sind die Ein und Ausg nge wie Abbildung 106 verdeutlicht Der Reg
308. oest 70 60 50 40 30 Sonnenh he 45 90 135 180 225 270 315 Sonnenazimut Abbildung 6 Sonnenbahndiagramm f r Soest im Jahresverlauf Die resultierende Strahlung auf eine geneigte Fl che ist im Wesentlichen aus drei Kompo nenten zusammengesetzt Die direkte Strahlung auf eine geneigte Fl che ist stets um den Faktor Sofaen gr er als auf die Horizontale Die diffuse Strahlung auf die geneigte Fl che S ist dem entgegen immer kleiner als die auf die Horizontale Zur Berechnung der diffusen Strahlung wurde folgender isotroper Ansatz gew hlt 1 Eaiff g Eaiff hor 2 1 cosyz 2014 02 28 Seite 17 von 235 Fachhochschule S dwestfalen INGENIEUR GMBH University of Applied Sciences B SCHMIDT amp WILLMES erg ii Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Globalstrahlung W m Jan Feb M rz April Mai Juni Juli Aug Sep Okt Nov Dez Strahlung auf geneigte Fl che Strahlung auf horizontale Fl che Abbildung 7 Vergleich der Solarstrahlung auf eine horizontale und eine um 30 geneigte nach S den ausgerichtete Fl che Die letzte Komponente ist der Anteil der durch Bodenreflexion verursachten Strahlung sie l sst sich mit Hilfe des Albedo Wertes A aus der Gesamtstrahlung auf die horizontale Fl che berechnen 1 Erefig EG hor Ax 2 1 cosyz Abbildung 7 zeigt beispielhaft den Einfluss der Neigung eines PV Moduls auf d
309. ografie erlaubt zum Teil auch unentgeltlich Frequenzen verge ben Aufgrund der genannten Nachteile wird hier daher auch f r Anforderungsprofile b eine Daten bertragung per Mobilfunknetz favorisiert sofern die Messstellen nicht ber eine ent sprechende kabelgebundene Anbindung verf gen Wie ein solches Kraftwerksystem aufzubauen ist h ngt nach den bisher gemachten Aussa gen sehr stark vom konkreten Anwendungsfall ab Aus wissenschaftlich technischer Sicht sollte ein Forschungssystem nat rlich m glichst breit aufgestellt werden Damit stehen dann vielf ltige und unterschiedliche Leistungsprofile zusammen mit der entsprechenden Erfah rung zur Verf gung um ein konkrete Aufgabenstellung schnell und ohne gro en Aufwand in Angriff nehmen zu k nnen Ziel ist es das Forschungs Kraftwerksystem so aufzustellen 2014 02 28 Seite 190 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 dass reale Anforderungen immer als Teilmenge des Ganzen darstellbar sind Wie bereits an der sicher nicht vollst ndigen Tabelle 26 abzulesen ist gibt es aber eine gro e Vielfalt an wesentlichen Elementen so dass dieser Anspruch nur schwer erf llbar sein wird ber die technischen Komponenten des S dwestf lischen Energiezentrums selb
310. omerzeugung auf einem Niveau von 50 C Der erste Punkt bezog sich auf den Standort Werl wo ein entsprechendes Nahw rmenetz ver legt ist Da am Standort Soest kein Nahw rmenetz vorhanden ist entf llt dieser Punkt Der zweite Punkt wurde nach einem Kontakt mit der Firma energy4people in den Projektentwurf aufgenommen So wie die Darstellung von energy4people zum damaligen Zeitpunkt aufzu fassen war hat die Firma eine Maschine entwickelt die auf einem thermodynamischen Krei sprozess basiert und es erlaubt elektrische Energie auf einem Niveau von 50 C zu erzeu gen Wie sich in weiteren Gespr chen jedoch herausstellte ist der Prozess doch auf Tempe raturen im Bereich von 250 C angewiesen Im Gegensatz zu blichen Maschinen wie z B Stirling Motore funktioniert der neu entwickelte Prozess auch dann wenn das obere Tempe raturniveau im entsprechenden Arbeitstakt bis in den Bereich der Raumtemperatur abgek hlt wird Damit k nnen dann auch W rmequellen zur nachfolgend notwendigen Aufheizung bei tragen die im Bereich von 50 C liegen Diese W rmequellen dienen damit vereinfacht ge sagt zur Vorw rmung bevor dann die Erhitzung auf die Arbeitstemperatur erfolgt Da bis auf die Brennstoffzellen die bei einer Systemtemperatur von 55 C arbeiten die gesamte Ver sorgungsanlage des Energiezentrums auf ein maximales Niveau von 40 C ausgelegt ist m sste f r die Integration des Antriebs der Firma eigens eine Feuerungsanlage gebaut w
311. onierung des geplanten Metallhydrid Speichers wurde ein au engek hlter Beh lter ge w hlt In diesem wird das Metallhydrid in geeignete rohrf rmige Beh lter gef llt welche in ein Wasserbad eingebracht werden Das Wasserbad stellt hierbei das K hl und Heizmedi um dar Die einzelnen Speicherrohre werden waagerecht und senkrecht in einem Raster angeordnet und hierbei in Module zusammengefasst Die Module werden nacheinander mit Wasserstoff beladen um auch bei einem nur teilweise gef llten Speicher eine gute Desor bierbarkeit zu erm glichen Zum anderen wird so im Fall eines Fremdgaseintritts eine Kon tamination des gesamten Speichermaterials vermieden In Abbildung 76 ist die Aufteilung im Flie bild dargestellt Ein Vorteil des Wasserbades ist es dass der Speicher bedingt durch die gro e W rmekapazit t des Wasserbades und der damit verbundenen geringen Tempe raturerh hung ein gutes Absorptionsverhalten aufweist Als Material f r den Speicherbeh lter ist ein austentitischer Stahl besonders geeignet da hier keine Gefahr der Wasserstoffverspr dung besteht Ideal sind hier die Stahlsorten 1 4571 AISI 316Ti und 1 4404 AISI 316L F r die Auslegung wird der aktuell blichere Stahl 1 4404 herangezogen H2 System Geb ude ws X za DG FGI vm i boga VM
312. ons University of Applied Sciences B Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 n chsten Schritt wird unter der Annahme dass eine PV Anlage als einziger Erzeuger das Zentrum versorgt die ben tigte installierte Leistung dieser PV Anlage bestimmt Als Kriteri um ob das Geb ude versorgt wurde ist eine positive Wasserstoffbilanz am Ende des Simu lationszeitraumes entscheidend Vorgehensweise ist in einer Schleife das System zu simu lieren und nach jedem Iterationsschritt die installierte Leistung zu erh hen Abbruchkriterium der Schleife ist die positive H2 Bilanz Startend mit der bestimmten maximalen PV Leistung wird jetzt ein weiterer Iterationsprozess gestartet Ziel ist es die installierte PV Leistung zu reduzieren und parallel die ber cksichtig te WKA Leistung zu erh hen Es wird so ein Ergebnisfeld generiert welches die M glichkeit bietet das System in Abh ngigkeit vom Verh ltnis der genutzten regenerativen Erzeuger zu analysieren Um eine Vergleichbarkeit der Simulationsergebnisse der einzelnen Iterations schritte zu erreichen muss sichergestellt werden dass die Leistungsverschiebung von PV zu Wind so erfolgt dass die Summe der insgesamt generierten Energie konstant ist Abbildung 18 zeigt die synthetisierten Ergebnisse des Iterationsprozesses In a ist das Ver h ltnis des Energie berschusses zur insgesamt erzeugten Energie ber dem Verh ltnis von WKA Leistung zu
313. onzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 14 4 Energieerzeugung nenn 223 14 5 Wartungs Und Ersalzk sten neuaernsrensiereaua eek 224 15 Abbildungsverzeichnis nn unau een aa ea Zn 226 16 Tabellenverzeichnis seeeeaseie ee u au 232 17 Literaturverzeichnis en neeeeeeseeenszn 234 2014 02 28 Seite 5 von 235 M1m INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES mip Concepts based on solid solutions Cts Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Liste der beteiligten Personen und Institutionen Fachhochschule S dwestfalen Dennis B hm M Sc Teerapat Chinapirom M Sc Philipp Kemper M Sc Karl Heinz M ller Prof Dr Alexander Schaaf B Sc Thomas Tetzlaff M Sc Florian Wagner M Sc Ulf Witkowski Prof Dr Ingenieur GmbH Schmidt amp Willmes Markus Hartmann Techniker Laura Peters M Sc Markus Graf B Eng Janusz Norkowski Dipl Ing Willy Willmes Dipl Ing Jens Willmes Dipl Ing M Eng mdp GmbH Dirk Fortstr er Dipl Kfm Fredi M ller Dipl Ing IHT Ag Institut f r Technologie und Wissenstransfer Martin Lammers Dipl Ing Hubert Paulus Dr rer nat Joachim Ritz Dipl Ing J rg Scholtes Dr rer nat Acconci Architekten GmbH Andreas Acconci 2014 02 28 Dipl Ing Seite 6 von 235 Fachhochschule
314. ophal schwerwiegend mittelm ig geringf gig nn hoch hoch hoch mittel wahrscheinlich hoch hoch mittel gering nl mittel mittel gering mn entfernt vorstell vernachl ssig vernachl ssig bar gering gering bar g bar i 13 3 3 2 Risikograph Eine weitere Methode der Risikoeinsch tzung stellt der Risikograph dar Ein Risikograph beruht auf einem Entscheidungsbaum Darin stellt jeder Knoten einen Risikoparameter z B Ausma Exposition Eintrittswahrscheinlichkeit eines Gef hrdungsereignisses M glichkeit zur Vermeidung dar und jeder von einem Knoten abgehende Ast stellt eine Klasse des Pa rameters z B geringes Ausma oder schwerwiegendes Ausma dar Dem Pfad wird be ginnend am Ausgangpunkt auf dem Risikographen gefolgt siehe Abbildung 129 An jedem Knotenpunkt l uft der Pfad auf dem zutreffenden Ast entsprechend der gew hlten Klasse weiter Der letzte Ast deutet auf die H he des Risikos hin Das Endergebnis ist eine Ein sch tzung des Risikos das z B mit hoch mittel gering oder einer Nummer wie z B 1 bis 6 gekennzeichnet wird Zur Erl uterung soll das folgende Beispiel mit einer Auswahl von Risikoparamatern dienen Schadensausma S Severity e S1 leichte Verletzung e S2 schwere Verletzung H ufigkeit und oder Dauer der Gef hrdungsexposition F Frequency e F1 selten bis fter und oder kurze Dauer der Gef hrdungsexposition e F2 h ufig bis st ndig und oder lange Dauer der Gef hrdungsexpo
315. ors zur Drucklufterzeugung 44444 126 Tabelle 17 Zusammenstellung der in Abbildung 83 verwendeten Bezeichnungen 127 Tabelle 18 Grenzsituationen und Reaktionen des Gasmanagers uuuennnss seen 132 Tabelle 19 interne Datenpunkte des Speichermanagers in tabellarischer Form 133 Tabelle 20 Verf gbare Brennstoffzellensysteme nach der durchgef hrten MArkIrECHErCHE ee nenne 138 Tabelle 21 Verf gbare Wechselrichter f r den Betrieb einer Brennstoffzelle 140 Tabelle 22 Bl cke des Energiezentrums und ihre numerische Kennzeichnung 150 Tabelle 23 Projektspezifischer Funktions Schl ssel nennen 151 Tabelle 24 Kennzeichnung der Druckbeh lter im Wasserstoffspeicher bei der 2014 02 28 Anwendung des Kennzeichnungssystems des VGB 154 Seite 232 von 235 Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences M1m INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES mip Concepts based on solid solutions Cts Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Tabelle 25 Auszug aus der Kennzeichnungsliste f r den Wasserstoffbereich 155 Tabelle 26 Auswahl relevanter Kraftwerkskomponenten f r ein Kraftwerkssystem 186 Tabelle 27 M gliche Varianten bei einer Messung auf der Mittelspannungsseite 193 Tabelle 28 M gliche Varianten bei einer Messung auf der Niedersp
316. otor gekoppelt um damit die Schwachwindeigenschaften zu optimie ren verspricht die Anlage einen h heren Ertrag als eine Anlage mit gleicher Rotorfl che und gr erem Generator Statt der Angabe der Blattl nge macht die Angabe der Rotorfl che A mit Bezug zur Leistung P in m kW mehr Sinn 3 Ertragsangaben Gesicherte Angaben zu den Ertr gen von Kleinwindanlagen sind ohne Windge schwindigkeitsmessungen am exakten Standort nicht m glich Wie weit Erwartungen und Realit t auch bei einer seri sen Vorgehensweise auseinander liegen k nnen zeigen Studien wie z B 10 Eine konkrete Angabe zur erwarteten Ertragssituation am Standort Soest ist daher aktuell nicht m glich Um dennoch einen ungef hren Vergleich zwischen einzelnen Anlagen die in Frage kommen realisieren zu k nnen wurde jeweils auf Basis der Anlaufwindgeschwindigkeit und der Nennwindgeschwin digkeit eine synthetische Anlagenkennlinie erstellt und mit den am Standort Werl ge messenen Windprofilen f r die Jahre 2007 bis 2010 ein mittlerer theoretisch m gli cher Jahresertrag berechnet Dieses Vorgehen vernachl ssigt nat rlich die standort spezifischen Gegebenheiten wie z B Verwirbelungen und besondere technische Auspr gungen der Anlagen Variation von cp als Funktion der Windgeschwindigkeit oder auch in Teillastbereichen gut bzw schlecht adaptierte Wechselrichter Die An gaben der so ermittelten und auf die Nennleistung bezogenen Ertr ge kWh kW sor gen aber f r ein
317. owie der besonderen Anforderungen an den Technikraum bei 2 900m n SUD WESTANSICHT NORD OSTANSICHT M 1 200 Abbildung 47 Seitenansichten des Energiezentrums oben von der Eingangsseite unten von der R ckseite Werkstra e Auf Basis dieser Entw rfe wurde vom Partner ISW eine Geb udesimulation zur Berechnung des W rmebedarfsprofils aufgebaut Das Simulationsprogramm liefert dabei auch eine 3D Ansicht des Geb udes die eine einfache Visualisierung erm glicht Die 3 D Variante der beiden Ansichten aus Abbildung 47 zeigt Abbildung 50 Aus technischer Sicht ist vor allem die M glichkeit zur Berechnung des Schattenverlaufs in Abh ngigkeit von Uhr und Jahres zeit interessant der bei der Planung der geb udeintegrierten Solaranlagen wichtig ist 2014 02 28 Seite 55 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES H faman FAT Fachhochschule a i T W S mcp S dwestfalen Concepts based on sald solutions University of Applied Sciences B Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 x
318. p S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Abbildung 85 zeigt den erw hnten Ausschnitt ohne die Abg nge zum Verdichter und zum Geb ude Die rot eingetragenen Buchstaben und Zahlenkombinationen bezeichnen das jeweilige Objekt nach dem vereinbarten Kennzeichnungssystem Die Baugruppe tr gt die bergeordnete Bezeichnung 5 LK K01 Auf die weiteren Details zur Kennzeichnung wird noch in Kapitel 8 eingegangen Bei den Bauteilen 5 LKKO1 KA001 berdruckventil und 5 LKKO1 KA004 Abrissventil handelt es sich um Sicherheitseinrichtungen Beim Abrissventil wurde bewusst die mechanische und damit eigensichere Variante gew hlt Das Ventil schlie t ber einen Mechanismus sobald der Fluss den voreingestellten Wert bersteigt Dies w rde zum Beispiel passieren wenn die Leitung bricht oder gekappt wird Eine R ckstellung ist nur von Hand m glich Auch beim berdruckventil handelt es sich um ein mechanisch arbeitendes ber Federdruck voreinge stelltes Bauteil Die Voreinstellung sorgt daf r dass das Ventil bei einer berschreitung des Betriebsdrucks hier 12 bar und vor dem Erreichen des maximalen Arbeitsdrucks hier 16 bar ffnet und dadurch ein Bersten des Beh lters verhindert Das austretende Gas wird ber eine Entl ftungsleitung nach oben gef hrt Bei Unterschreiten des Ausl sedrucks schlie t das Ventil selbst ndig Das Ventil ist m glichst direkt und ohne Absperr
319. pricht einem mittleren Risiko e ein Risikoindex von 5 oder 6 entspricht dem h chsten Risiko Dieser Risikograph kann verwendet werden um einen Risikoindex einzusch tzen der meist f r Gef hrdungssituationen gilt die einen akuten Schaden mechanisch elektrisch oder bis zu einem gewissen Ausma thermische Gef hrdungen hervorrufen k nnen Als Hilfsmittel zur Erstellung eines solchen Risikographen stellt die DIN EN 14121 2 ein weiteres Leerfor mular zur Verf gung das in Abbildung 130 dargestellt ist Neben den in den Kapiteln 13 3 3 1 und 13 3 3 2 vorgestellten Verfahren zur Risikoabsch t zung nennt die DIN EN 14121 2 noch weitere auch numerische Verfahren auf die an dieser Stelle aber nicht weiter eingegangen wird 2014 02 28 Seite 207 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES H AAT Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences S Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 DIN ISO TR 14121 2 DIN SPEC 33885 2013 02 Tabelle A 4 Beispiel eines Leerformulars f r einen Risikographen Anfangsrisikoanalyse Risikoanalyse nach Risikominderung T tigkeit Gef hrdungsbedingungen Risikoeinsch tzung Berechnung des Risikoindex Gef hrdungs Gef hrdungs M glicher Ausma H ufigkeit Eintrittswahr M glichkeit Risikoindex situation ereignis Schaden S1 S2 Exposition scheinlichkeit
320. proben wollen Ebenso denkbar ist die Analyse von Industriebetrieben wie zum Beispiel der Paderborner Brauerei welche bereits Windkraftanalgen in ihre Ener gieversorgung integriert hat Besonders eignet sich ein Industriebetrieb immer dann wenn auf Grund der spezifischen Prozesseigenschaften Optimierungspotentiale vorhanden sind die auch genutzt werden sollen oder m ssen Als Beispiel k nnen hier reversible energiein tensive Prozesse wie zum Beispiel das Ziehen von Rohren bei der Firma Benteler durch Gleichstromantriebe genannt werden Hilfreich kann hier eine enge Kopplung mit dem Ener giemanagement nach ISO 50001 sein Dar ber hinaus sind auch ffentliche Einrichtungen mit besonderem Energiebedarf wie zum Beispiel Thermen und Schwimmb der zu nennen Neben der Optimierung einzelner Betriebe oder Liegenschaften soll mit dem zu entwickeln den Kraftwerksystem auch die energetische Autarkie spezieller Bilanzkreise untersucht wer den Dazu wird es n tig sein auch Daten von Ortsnetz Trafostationen zu erheben um so spezifische Leistungsprofile von Wohn Mischgewerbe und Gewerbegebieten zu generie ren Um m glichst unterschiedliche Konfigurationen von Hybridenergiesystemen betrachten zu k nnen wird es erforderlich sein diverse Energieerzeuger und Speichertechnologien mo delltechnisch abbilden zu k nnen Als besonders interessante Erzeugergruppen sind auf Grund ihrer starken Verbreitung und Grundlastf higkeit Biogas Anlagen sowie BHK
321. r u I f u f fm Abbildung 65 Lage der Potentialfl chen gr ne Kreise im berblick 2014 02 28 Seite 81 von 235 rws n ker INGENIEUR GMBH i Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Gunorutpianung Vormann Klage De GLUJena windpark Soest Te Gesellschaft f r Geotechnik i CMMeBeVermer agranar ug Landschafts und Umweltplanung mbH Maisi Saalbahnhofstra e 27 07743 Jena an Tel 03641 46280 Fax 0364 11462830 1007202 Trenor mdp GmbH Lageplan mit Zuwegung WEA 1 2 Am Wendehafen 3 26135 Oldenburg und Kranstellfl che ae Yai T 7 k 7 7 I z mn ulm L S mh anh ing wage e f ml S e Ber p a2 a e A a u Be ee ai am E F j Abbildung 66 Lage der Potentialfl chen im Detail Zur Verifizierung des WEA Standorts wurden bereits in dieser fr hen Phase die f r eine Rea lisierungsgenehmigung erforderlichen planerischen Untersuchungen vorgenommen Im Ein zelnen konnten insbesondere die folgenden Punkte gekl rt werden e m gliche Einschr nkungen durch Belange des Naturschutzes e Einhaltung der Emissionsschutzrichtlinien Schall und Schatten e der erwartete Ertrag e die Verf gbarkeit eines geeigneten Netzanschlusses Bei d
322. r Gef hrdungen Maschine Identifizierung Verfahren Werkzeug Quellen z B Vorentwurfsdokumentation Durchf hrende Person technische Dokumentation Konstruktionsdokumentation Aktuelle Version Umfang z B Lebensdauerphase Teil Funktion der Maschine Gef hrdungs Aufgabe Arbeitsvorgang Unfallszenario bereich ISO 12100 2010 Tabelle B 3 Gef hrdung Gef hrdungssituation Gef hrdungsereignis ISO 12100 2010 Tabelle B 1 ISO 12100 2010 Table B 3 ISO 12100 2010 Tabelle B 4 Abbildung 128 Leerformular der DIN EN 14121 2 zur Identifizierung von Gef hrdun gen 13 3 3 Einsch tzen des Risikos f r jede identifizierte Gef hrdung und Gef hrdungssi tuation Der Zweck der Risikoeinsch tzung liegt darin das gr te Risiko zu ermitteln das aus jeder Gef hrdungssituation hervorgeht Das eingesch tzte Risiko wird in der Regel als Risikoh he Risikoindex oder Risikopunktzahl angegeben kann aber auch deskriptiv sein Laut Definition sind die beiden Grundelemente des Risikos das Schadensausma und die Eintrittswahr scheinlichkeit dieses Schadensausma es Im Folgenden werden beispielhaft zwei ver schiedene Ans tze zur Risikoeinsch tzung die Risikomatrix und der Risikograph vorge stellt 13 3 3 1 Risikomatrix Schadensausma Jede Gef hrdung kann zahlreiche unterschiedliche Schadensausma e zur Folge haben Die Einsch tzung des Ausma es kann folgenderma en erfolgen
323. r bei Teufen gr er 100 m auch DN 40 Mehrere Erdsonden sind f r ein Geb ude wie das Energiezentrum erforderlich Ein System aus mehreren Erdsonden wird als Erdsonden feld bezeichnet Die Dimensionierung des Erdsondenfeldes erfolgt im ersten konzeptionellen Ansatz auf Basis geologischer Daten des Geologischen Dienst NRW Eine detaillierte Be trachtung erfolgt nach Erstellung der ersten Erdsondenbohrung und der berpr fung der Geologie durch einen geothermalen Response Test Auf Basis dieses Tests k nnen die thermophysikalischen Daten aus der Planung in situ berpr ft und gegebenenfalls ange 2014 02 28 Seite 62 von 235 Fachhochschule S dwestfalen INGENIEUR GMBH University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES TETS Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 passt werden Anschlie Bend erfolgt auf Basis dieser Daten in Zusammenhang mit den Daten der Geb udetechnik die Simulation und finale Auslegung des Erdsondenfeldes Das Erdsondenfeld f r das Energiezentrum wird auf dem Baufeld angeordnet Nach aktuell vorliegenden geologischen Daten sind f r den Standort am Bahnhof in Soest ca 28 Bohrun gen 100 m erforderlich zum einen um die W rme f r die W rmepumpenanlage zu entzie hen und zum anderen um die dem Geb ude w hrend der K hlphasen entzogene W rme sowie bersch sse aus der Wasserstofftechnik einzuspeichern Quelle Haka Gerodur AG Abbi
324. r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Wie den Daten der Abbildung 121 zu entnehmen ist liegt die zul ssige Obergrenze bei der Eintrittstemperatur des K hlmittels bei 35 C Durch die Verwendung von Fl chenheizun gen Deckenheizelementen und Fu bodenheizung liegen die Auslegungstemperaturen des Heizungssystems bei maximal 35 C im Vorlauf und 28 C im R cklauf siehe Kapitel 3 3 1 Max 40 C Max 35 C Hydrid speicher Pa 5kW Maximal Pa 23kW Brennstoffzelle Elektrolyse Gasreinigung Verdichter Bat Wechselr Tmax 50 C Tmax 35 C Trai 35 C Tmax 35 C Taxi 35 C Pufferbeh lter AT 5K AT 5K AT lt 5K AT 5K 7K AT 5K ca 14m3 Pin 30kW Pin 25kW Pa 3 5kW max Pp 2kW Pan 3kW Wasser m 5 2m h m 4 4m h m 0 6m h m 0 27m h 5 von 60kW P 2 5bar P 2 5bar P 2barmin mi 0 52m h Abbildung 121 W rmetechnische Kenndaten der einzelnen Komponenten des Ener gieversorgungssystems auf der Heizungsseite Sole Speicher i oo i Technische Anlage 15m ii IE K hlung im Sommer einer stunde R ckk hlung Sommer Tankstelle Gas 10m in 10min 0 314kWh m Ph 19kW AT 5K m 3 25m h Abbildung 122 W rmetechnische Kenndaten der einzelnen Komponenten des Ener gieversorgungssystems auf der Soleseite Da die Einkopplung des Heizungswassers in das W rmeverteilsystem ber einen Puffer speicher erfolgt der bei einer W rmepumpenanlage dieser Gr e immer erforderli
325. r eine For schungsoption dar da solche Gr en au er f r milit rische Anwendungen bisher nicht her 2014 02 28 Seite 112 von 235 INGENIEUR GMBH Concepes based on sl sahions University of Applied Sciences B SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 gestellt werden Das Konzept wurde so aufgebaut dass der Speicher an das System ange schlossen werden kann und alle M glichkeiten zum Test von Speicher und Betriebsweisen bestehen F r die Funktion des Gasspeichers im Versorgungssystem des Energiezentrums ist der Hydrid Speicher allerdings nicht erforderlich Im Sinne der angestrebten Gesamteffizi enz gilt dies nicht nur in Bezug auf die Wasserstoffspeicherung sondern auch f r das ther mische Management und die Einbindung in das Heizungs und K hlsystem Nachfolgend werden Prinzip Grund berlegungen und die geplante technische Umsetzung n her erl utert 6 2 2 1 Speichermaterial Metallhydride entstehen durch die Reaktion von Metallen intermetallischen Verbindungen oder mehrphasigen Legierungen mit Wasserstoff Da es sich bei dieser Absorption um eine exotherme Reaktion handelt ist es notwendig die entstehende W rme abzuf hren Im Ge gensatz hierzu ist die Desorption des Wasserstoffs ein endothermer Prozess Metallhydride lassen sich abh ngig von der Temperatur bei der sich ein Desorptio
326. r elektrischen Lastprognose mit Versatz um eine WOCH Essien EE E E E E EEEE ERE E 31 Abweichung bei der thermischen Lastprognose mit einem Versatz von Sinem Tagesson E E E E 32 Prognoseabweichung der PV Anlagenleistung f r eine Nennleistung von 76 SKW een eu 33 Managementschema des Hybridenergiesystems ssessseeeee msn 34 Betriebsschema des Batteriekontrollers 4244444440R4n nn 35 Seite 226 von 235 Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences M1m INGENIEUR GMBH mip Concepts based on solid solutions Cts SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abbildung 26 Abschlussbericht Feb 2014 F llstand des Wasserstoffspeichers in einer 4 Jahressimulation ohne Manager een aeg 36 Abbildung 27 Leistung am Netzknoten in einer 4 Jahressimulation ohne Manager 37 Abbildung 28 Vergleich des SoCs mit und ohne Managemernt 4444444444Heee een 38 Abbildung 29 Management mit sinusf rmigen oberen und unteren Schranken 39 Abbildung 30 Leistung am Netzknoten in einer 4 Jahressimulation mit Manager 40 Abbildung 31 Management mit angepasstem Valenzband sssnnnne nennen 41 Abbildung 32 Leistung am Netzknoten in einer 4 Jahressimulation mit angepasstem MANAGEN sen ea een era 41 Abbildung 33 Wasserstoffspeicher F llstand SoC bei verschiedenen
327. rbleibenden 1 600 h k nnen die Module alternierend eingesetzt werden Damit ergibt sich dann die genannte Gesamtstandzeit nach der folgenden Gleichung 10 000 h tezss mn 45a 1 600 C Ma 1 400 h a Eine Kaskadierung mit mehr als zwei Modulen erh ht die Komplexit t des Systems massiv und bringt nach den vorliegenden Berechnungen keinen wesentlichen Vorteil mehr Einzelne Brennstoffzellen erzeugen eine Gleichspannung die je nach Lastfall zwischen ca 0 5 V Volllast und ca 1 V Leerlauf liegt Diese Zellen werden blicherweise solange in Reihe geschaltet bis Strom und Spannung auf einem technisch handelbaren Niveau liegen Bei Systemen im unteren kW Bereich sind dies typischerweise ca 130 Zellen Die System spannung liegt dann im Nennleistungspunkt bei 70 80 V was bei einer Nennleistung von 8 5 kW einen Strom von ca 110 A zur Folge hat Die Systemspannung variiert bei einer sol chen Auslegung zwischen ca 65 V und 130 V F r einen Betrieb am Netz sind daher Wech selrichter erforderlich die solche Spannungsschwankungen auf der Gleichstromseite aus gleichen und eine phasensynchrone Wechselrichtung vornehmen Dabei ist ein unidirektio nales Ger t ausreichend Da die Hersteller der Brennstoffzellensysteme die Systemgrenze 2014 02 28 Seite 139 von 235 INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisi
328. rden an der Decke der entsprechenden R ume montiert Auf den Aufbau einer eigenen SPS Steuerung zur Erfassung der Sensor signale wurde verzichtet da eine direkte Einbindung der Signale in die Sicherheitskette vor gesehen ist Das hei t dass beim Ansprechen des entsprechenden Sensors die Schutzfunk tionen durch direkte Schaltvorg nge z B durch das Ansprechen von Sch tzen ausgel st werden 14 2 8 Wasserstoffabgabe in den mobilen Bereich Tankstelle Tabelle 42 Kostenzusammenstellung f r Wasserstofftankstelle Bezeichnung Berechnung Preis Hardware Ventile Verrohrung Messger te 11 000 00 Automatisierung 3 200 00 Carport 5 443 30 Carportanlage Zufahrt Fundament etc 10 000 00 Summe 29 643 30 In diesen Positionen sind die Au enanlagen die Hardware Verrohrung Kupplungen etc sowie die Steuerung gem der Beschreibungen des Kapitels 10 enthalten 2014 02 28 Seite 221 von 235 NGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences S SCHMIDT amp WILLMES i F ui Al Fachhochschule l x TWS madp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 14 2 9 Sonstige Kosten Tabelle 43 Kosten weiterer Positionen Bezeichnung Berechnung Preis Wetterstation Globalstrahlung direkt diffus 5 800 00 Wetterstation Kombisensor Wind Temperatur 4 700 00 Wetterstation Datenerfassung und Samml
329. rei Fahrzeuge in Folge betankt werden auch wenn das brige Speichersystem nicht reagiert oder reagieren kann Sinkt der Druck bei P42 unter den in der Abbildung 83 als Pgrenz bezeichneten Wert von 32 bar wird der Speicherma nager je nach Situation auf zwei Arten reagieren Ist der Druck im Hauptspeicher gr er als 32 bar kann er den Pufferspeicher ber den Flussregler FC1 bef llen Ist der Druck hier zu niedrig wird der Verdichter angesteuert Dieser bedient sich zun chst aus dem Vorspeicher Reicht diese Gasmenge nicht aus P1 lt 5 bar wird ber den Regler PC Gas entspannt und der Druck des Niederdruckbereichs bei 5 bar stabilisiert Diese Betriebsweise ist aus energe tischer Sicht nat rlich zu vermeiden da hierbei komprimiertes Gas entspannt wird um es anschlie end wieder zu komprimieren Wegen des begrenzten Eingangsdruckbereiches des Verdichters ist ein solcher Betrieb in der beschriebenen Situation aber unvermeidbar Der Grenzdruck wurde dabei so gew hlt dass der Verdichter in jedem Fall eine Betriebszeit von einer Stunde erreicht Mit einem AP von 13 bar und einem geometrischen Volumen von 1 6 m sind es 20 8 Nm was einer Betriebsdauer von ca 80 min entspricht Die drei Drucktanks des Hauptspeichers sind ber die Flussregler FC2 Bef llen und FC1 Entleeren an die Hochdruckleitung am Verdichterausgang angeschlossen Rein prinzipiell w rde zur Einbindung der Hauptspeicher ein einfaches Ventil ausreichen Flussregler ver h
330. reits mehrfach erw hnt wurden in den bisher verwendeten Abbildungen zum Spei chersystem Vereinfachungen vorgenommen um die bersichtlichkeit zu gew hrleisten Eine vollst ndige Darstellung ist als bersichtsblockschaltbild im Anhang zu finden Hier soll an hand des Vorspeichers beispielhaft erl utert werden welche Komponenten im Detail zum Einsatz kommen und welche Funktion diese bei besonderen Situationen z B Wartung St rung oder Inbetriebnahme erf llen Eine vergleichbare Betrachtung wurde auch bei allen andern Komponenten bzw Komponentengruppen angestellt so dass sichergestellt ist dass die erforderliche Funktionalit t im Einzelnen und im Zusammenspiel verf gbar ist En Sicherheits U berdruck Entl ftungsventil 5 21x01 KA001 Entl ftung 12 bar 5 AXk01 Beh lter 12 bar Puffer Vorspeicher ca 4m 5 12bar f r min 26Nm gt 5 21K KO1 0P002 Themometer 5 2LK 01 QPO01 Manometer QP Measurmg ms umet testing equpment Pmin 5 bar 5 2X KA0O Entl ftung 5 2LK O1 KACOS Absperrven ti 5 2LK KO1 KAO03 Absperrven 5 2LK K011 KAOOS Abrs sven ti 5 2U KO1 KA007 Shut Off Venti Elektrolyseur Abbildung 85 Ausschnitt aus dem bersichtsblockschaltbild Vorspeicher mit allen Ventilen und Sicherungen 2014 02 28 Seite 135 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S md
331. reitstellen k nnten Wird mehr Leistung ben tigt k nnen weitere Module angekoppelt werden Ein Brennstoffzellenmodul muss zum Betrieb eines Brennstoffzellenstacks grunds tzlich die Versorgung mit den drei Medien Sauerstoff Wasserstoff und K hlwasser sicherstellen Um dabei einen optimalen Betrieb gew hrleisten zu k nnen ist zum einen die Auswahl der Komponenten f r die Bereitstellung der Medien von zentraler Bedeutung Zum anderen spie len Ansteuerung und Regelung der Medienfl sse und damit die Generierung eines optimalen Betriebspunktes eine ganz entscheidende Rolle Die Auskopplung der erzeugten elektri schen Energie kann je nach Anwendung auf Gleichspannung oder Wechselspannung ausge legt werden Es gibt mehrere unterschiedliche Ans tze wie solche Module aufgebaut und gekoppelt werden k nnen In Abbildung 89 und Abbildung 90 sind die mit der Firma Schunk entwickelten Modulkonzepte dargestellt Das Konzept nach Abbildung 89 setzt dabei auf den Aufbau v llig autarker Module die im Wesentlichen ber die Steuerungen im Master Slave Betrieb verkn pft werden Diese Bauweise l sst die einfache Kopplung einer fast beliebigen Zahl von Modulen zu ist aber verh ltnism ig aufwendig da in jedem Modul alle Kompo nenten vorhanden sein m ssen Das in Abbildung 90 dargestellte Konzept setzt dagegen auf eine Art Modulrahmen in den die Medienversorgung integriert ist Die einzelnen Stacks wer den hier eingesteckt Da bei diesem System die
332. rer 1 132 00 132 00 wika 740 74 32 TD4 Temperaturmesser 1 220 00 220 00 wika 33 Transport und Aufstellung 0 0 00 0 00 Mail von Herrn Althaus 34 T V Abnahme gesamte Anlage 0 2 000 00 0 00 Mail von Herrn Althaus VAKO 35 Zwischensumme 116 652 00 36 37 a Speicher 1 6m 45 bar geplant 2 Sicherheitsventile 1 Absperrventil 1 15 000 00 15 000 00 Vako Angebot aber nur f r 12 b 38 Beh lter 5 Absperrventil zum Trennen des Beh lters manuell 1 300 00 300 00 www landefeld de 39 Zweites Absperrventil Austausch der Ventile Manometer 1 300 00 300 00 www landefeld de 40 Normal berdrucksicherheitsventil direkt am Beh lter befestigt 1 500 00 500 00 www landefeld de 41 Sicherheitsventil autom Absperrventil bei St rungen 2 1 200 00 1 200 00 Angebot GSR mechanisch ca 101 42 RVIO R ckschlagventil 1 253 30 253 30 Angebot Weh 43 Entl ftungsventil 45 bar 1 300 00 300 00 www landefeld de 44 Durchflu messung zur Volumenbe o 0 00 45 PDS Druckmesser 0 50 bar Speisetrer 2 132 00 264 00 wika 740 74 46 TD5 Temperaturmesser 1 220 00 220 00 wika 47 Transport und Aufstellung 0 7 500 00 0 00 48 T V Abnahme gesamte Anlage 0 2 000 00 0 00 Mail von Herrn Althaus VAKO 49 Zwischensumme 18 337 30 50 5s 15 Speicher 4 0m 12 bar geplant 2 Sicherheitsventile 1 Absperrventil t 16 100 00 16 100 00 Vako Ang
333. ressor Steuerdruck 10 bar 1 7 500 00 7 500 00 AIR Industrie Angebot aufgerunc 90 Einhausung Container Schallschutz 1 8 000 00 8 000 00 http www riemag de schallsch 91 Zwischensumme 70 273 30 92 101 102 8 Regelblock 2 50bar geplant 1 Regelventil 1 R ckschlag geplant Durchflu regler f r Ventile o 0 00 0 00 103 PCr PCm ohne Hydridventilblock Regel Steuerventil Druckregler 1 7 297 00 7 297 00 Angebot von Bronkhorst 104 FC1 FC3 Regel Steuerventil Durchflussregler 2 4 500 00 9 000 00 Angebot von Bronkhorst 105 RV4 FV6 RV8 RV9 R ckschlagventil 3 253 30 759 90 Angebot Weh 106 FM4 FMS Durchflussmesser 0 15 m h Fitt 1 3 500 00 3 500 00 Angebot von Bronkhorst 107 Durchflussmesser 0 60 m h Fitt 0 4 400 00 0 00 Angebot von Bronkhorst 108 Absperrventil Austausch der Ventile 7 300 00 2 100 00 109 Zwischensumme 22 656 90 Abbildung 133 Druckspeicherkomponenten als Beispiel f r die Kostenermittlung zum Realisierungskonzept 2014 02 28 Seite 217 von 235 NGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences S SCHMIDT amp WILLMES i c i faaam Al Fachhochschule l T W S madp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Im Projektverlauf wurden die Kosten f r die wesentlichen technischen Komponenten des Energiezentrums zumindest ber Richtpreisa
334. rhalb des Ge b udes kann dann zeitversetzt ber die Heizungsverteilung erfolgen Abbildung 120 zeigt das Strangschema zur Hydraulik des Zentrums in verkleinerter Form Die Abbildung ist in Originalgr e und mit Legende und Beschriftungsfeldern im Anhang zu hinterlegt Um die Verlustw rme aus den Umwandlungsprozessen im Sinne einer Kraft W rme Kopplung nutzen zu k nnen m ssen die folgenden Bedingungen erf llt sein 1 Das Temperaturniveau muss passen 2 Die Temperaturdifferenzen die sogenannte Gr digkeit muss ausreichen damit die anfallende W rmemenge bei einem realisierbaren Fluss des W rmetr gers abgef hrt werden kann 3 Das Druckniveau des W rmetr gers liegt in einem realisierbaren Bereich 4 Die Qualit t des W rmetr gers ist einzuhalten 5 Die unterschiedlichen Betriebsphasen z B Sommer Winter sind darzustellen Um beantworten zu k nnen ob diese Bedingungen bei allen Komponenten und Betriebsbe dingungen einzuhalten sind wurden zun chst die diesbez glichen technischen Daten abge fragt und zusammengestellt Gegebenenfalls sind die entsprechenden Punkte wie z B die Verf gbarkeit einer Wasserk hlung oder aber ein h heres Temperaturniveau auch in die Auswahlkriterien f r die Komponenten mit eingeflossen Eine Zusammenstellung dieser Kennwerte ist in Abbildung 121 f r das hohe Temperaturniveau Heizung und analog in Ab bildung 122 f r das niedrige Temperaturniveau K hlung Solekreislauf zu finden D
335. rheitsgr nden Ventile eingesetzt werden die sich bei einer fehlenden Ansteuerung selbstt tig Schlie en NC normally closed Bei den notwendi gen Rohrquerschnitten haben elektromagnetisch angesteuerte Ventile einen erheblichen Leistungsbedarf der im Regelfall permanent zur Verf gung gestellt werden muss Daher wurden aus energetischen Gr nden aber auch aus Sicherheits berlegungen heraus in der Regel pneumatische Ventile eingeplant Die notwendige Steuerluft wird ber den Druckluft erzeuger der Luftzerlegung mit bereitgestellt Die hierzu ben tigte Luftmenge ist allerdings im Vergleich zur Stickstofferzeugung der Gasreinigung gering Die Gr e des Kompressors wird daher durch die Anforderungen der Gasreinigung bestimmt Die entsprechenden Kenn werte sind in Tabelle 16 zusammengestellt 2014 02 28 Seite 125 von 235 4 mip Concepts based on solid solutions Tws EU SCHMIDT amp WILLMES Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Tabelle 16 Kennwerte des Kompressors zur Drucklufterzeugung Bezeichnung Parameter H chst berdruck 10 bar Effektive Liefermenge Volumenstrom nach VDMA 4362 244 I min Kompressordrehzahl 1450 1 min Mittlere Kolbengeschwindigkeit 2 27 m s Nennleistung Antriebsmotor 2 20 kW Betriebsspannung 400 V 50 Hz Steuerspannung 24 VAC
336. rlich davon ab ob die Offline oder Online Variante realisiert wird Die in Tabelle 45 zusammengestellten Kosten gehen von einem Off line System aus das die Komponenten des Energiesystems des Zentrums integriert und dar ber hinaus um Messstellen an interessanten Erzeugungs und Verbrauchsstationen er g nzt wurde Bei den Angaben handelt es sich um reine Investitionskosten Die mit der Ent wicklung der Elemente des Kraftwerkssystems der Datenerfassung und der Erprobung und Auswertung verkn pften Personalkosten sind in einem entsprechenden FuE Projekt abzubil den Tabelle 45 Investitions und Betriebskosten f r das Kraftwerksystem ohne Per sonalkosten Bezeichnung Berechnung Preis PC inkl Software und Simulation 8 000 00 Erzeuger Solar nachgef 2 BHKW 1 Wasserkraft 1x1 800 3x2 500 9 300 00 Verbrauchsgruppen 2xNachr stung 4xUmr st 2x3 000 4x1 800 13 200 00 Summe 30 500 00 Betriebskosten Daten bertragung f 10 Stationen 10 pro Monat 1 200 pa 14 4 Energieerzeugung Bei der Energieerzeugung gibt es aus Kostensicht zwei m gliche Vorgehen Zum einen k n nen die Anlagen zur Erzeugung als extern betrachtet werden dann sind dem Betreiber ent sprechende Beitr ge f r die gelieferte elektrische Energie zu erstatten Hinzu kommen je nach Situation noch Kosten f r die Netznutzung sowie Steuern und Abgaben Zum andern ist es m glich die Kleinwindanlage und die Photovoltaikanlagen de
337. rs Auf Feldebene wird die Datenaufnahme realisiert die Managementebene besteht aus der Softwareimplementierung des oben beschriebenen Kraftwerksystems Bei der Einbindung der ben tigten Daten gibt es zwei unterschiedliche Anforderungsprofile die abh ngig vom Ziel des Kraftwerksystems sind Ist das Ziel m gliche Energiesysteme zu analysieren und die Auswirkungen und Chan cen neuer Komponenten zu evaluieren m ssen Daten nicht in Echtzeit mit kurzen Laufzei ten bertragen werden Anforderungsprofile a Hier ist nur wichtig dass die Daten konsis tent und vollst ndig bermittelt werden Sobald jedoch ein System in Betrieb getestet werden soll um die Machbarkeit und Integrationsf higkeit bestimmter Komponenten nachzuweisen ist eine Echtzeitdaten bertragung mit m glichst kurzer Zyklus bzw Laufzeit erforderlich Anforderungsprofile b F r beide Anforderungsprofile konnten technische L sungen erar beitet werden Kraftwerksystem GSM Auslesung vie an 7 Lastgruppe 1 t 7 GSM GPRS Z hler 1 R GPRS Auslesung Z hler 2 Z hler 3 p Lastgruppe 2 A Z hler 1 Z hler2 Z hler 3 gt Abbildung 125 Netzwerkarchitektur Lastgruppen Kraftwerksystem 2014 02 28 Seite 189 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezen
338. rstoffmenge sollte dabei in etwa der maxima len Produktionsrate des Elektrolyseurs von 13 2 Nm h entsprechen Es wurden mehrere Verdichtungsmethoden und unterschiedliche Hersteller hinsichtlich der Eignung und der ent stehenden Investitions und Wartungskosten untersucht Nachdem die Verdichtung ber Maschinen mit Fl ssigkolben ionische Verdichter aufgrund der genannten hohen Investiti 2014 02 28 Seite 118 von 235 4 Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences mip Concepts based on solid solutions Tws EU SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 onskosten aber auch der exorbitanten Wartungskosten nicht in Frage kommt verbleiben als technischer Ansatz eigentlich nur noch Metallmembranverdichter Diese werden industriell hergestellt und sind auch f r den industriellen Einsatz geeignet Nach der Auswertung ein zelner Angebote der vom Konzept her vergleichbaren Maschinen fiel die Wahl wegen der um 20 geringeren Investitionskosten auf das Verdichtersystem D100VE der Firma SERA Einzelheiten zum vorgesehenen Betrieb und zur Einbindung in das System des Gasmana gers wurden mit Vertretern der Firma SERA besprochen Tabelle 15 technische Parameter des Verdichters D100VE der Firma SERA Bezeichnung Parameter Gas H2 dry free of solids Inlet temperature gas app 20 C Suction pressure 8 12 bar
339. rt Brennstoffzellenstacks in Eigenentwick lung Zus tzlich bietet Ballard Systeme an die allerdings nur f r unterbrechungsfreie Strom versorgungen oder f r PKWs mit hohen Leistungsanforderungen ausgelegt sind Wie die Gespr che mit Ballard ergeben haben gibt es die M glichkeit ein Referenzsystem ange passt an die eigenen Anforderungen anfertigen zu lassen Dieses Vorgehen wird aber von Ballard nicht unbedingt begr t und auch die H he der notwendigen Investitionen ist f r eine Einzelanwendung kaum zu rechtfertigen F r die im Energiezentrum ben tigte R ckverstromung verbleiben damit lediglich zwei Fir men die ein fertiges System liefern k nnen Die Unterschiede liegen in der Flexibilit t bei der Systemgr e und im Preis Die Firma Proton Motor Fuel Cells GmbH mit Sitz in Puchheim 2014 02 28 Seite 138 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 liefert fertige Systeme im Leistungsbereich bis 6 2 kW aus die auch kaskadiert werden k n nen Die Firma Hydrogenics GmbH baut Systeme mit einer gro en Spannweite an Leistun gen f r verschiedene Anwendungen Neben den deutlich geringeren Investitionskosten spricht auch das breitere Anwendungsspektrum f r die Firma Hydrogenics Hinzu kommt dass die Firm
340. rtex solartechnik ertex solartechnik Online Zitat vom 14 02 2014 www ertex solar at 5 Solarworld Solar World technische Daten Downloads Online Zitat vom 14 02 2014 http www solarworld de produkte produkte solarmodule technische details technische details 6 European Commission Joint Research Centre PVGIS Online Zitat vom 14 02 2014 http re jrc ec europa eu pvgis apps4 pvest php 7 Renusol GmbH www renusol com Online Zitat vom 14 02 2014 http www console de downloads html 8 Bundesverband Windenergie e V Kleinwindanlagen Berlin BWE Service 2011 ISBN 9 783942 579018 9 Sun Media Verlags GmbH Windenergieanlagen 2012 Hannover Sun Media Verlags GmbH 2012 ISBN 978 3 9810 389 9 6 10 Encraft Warwickshire County Council Online 2009 Zitat vom 19 02 2014 http www warwickwindtrials org uk resources Warwick Wind Trials Final Report pd f 11 Deutsche WindGuard Kostensituation der Windenergie an Land in Deutschland Varel s n 2013 Berichtsnummer SP13007A1 12 Tom Smolinka Martin G nther J rgen Garche Now Studie Stand und Entwicklungspotenzial der Wasserelektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff aus regenerativen Energien Online Zitat vom 04 02 2014 http www now gmbh deffileadmin user_upload RE_Publikationen_NEU_2013 Publikationen_NIP NO W Studie Wasserelektrolyse 2011 pdf 13 Fischer Thomas Simulation von Metal
341. rum Abschlussbericht Feb 2014 Leitlinie VGB B105 beschreibt das grundlegende Prinzip des Kraftwerks Kennzeichnungssystems w hrend die Leitlinie VGB B106 die Anwendung mit Hilfe von praxisnahen Beispielen erl utert Beide Leitlinien sind zwingend notwendig um eine eindeu tige Kennzeichnung aller Systeme und Komponenten eines Kraftwerkes zu erm glichen Das Kraftwerks Kennzeichnungssystem besteht im Wesentlichen aus drei verschiedenen Kenn zeichnungsarten 1 Verfahrenstechnische Kennzeichnung Die Verfahrenstechnische Kennzeichnung dient der Charakterisierung eines Bezugsobjek tes wie beispielsweise Systemen Anlagen Komponenten und Installationen nach seiner verfahrenstechnischen Funktion im Kraftwerksprozess 2 Einbauort Kennzeichnung Die Einbauort Kennzeichnung dient der Charakterisierung der Einbauorte und Einbaupl tze innerhalb von elektrotechnischen Systemen wie beispielsweise Schaltschr nken oder Kon solen 3 Raum Kennzeichnung Die Raum Kennzeichnung charakterisiert die topografische Lage von R umen Geb uden Anlagen und Systemen innerhalb einer Geb udestruktur Die Abbildung 91 repr sentiert den Aufbau und die Struktur der drei verschiedenen Kenn zeichnungssysteme Die einzelnen Systeme sind in drei bis vier Gliederungsstufen aufgeteilt F r das Energiezentrum wird die verfahrenstechnische Kennzeichnung eingesetzt da diese in verschiedenen Kraftwerksanlagen am weitesten verbreitet ist
342. rungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 14 Kostensch tzung 14 1 Kostensch tzung nach DIN 276 Die Kosten von Bauvorhaben werden blicherweise nach DIN 276 ermittelt In der DIN 276 ist eine Strukturierung nach Kostengruppen vorgesehen Diese Kostengruppen werden durch Hunderter Nummern gekennzeichnet In den einzelnen Teilbereichen erfolgt dann eine weitere Untergliederung in Zehner Bl cken In Tabelle 34 ist das bergeordnete System zu sammengestellt Tabelle 34 Obere Hierarchie der Kostengruppen nach DIN 276 Kostengruppe Inhalte 100 Grundst ckskosten inkl Nebenkosten 200 Herrichten Erschlie Ben 300 Bauwerk und Baukonstruktion Geb ude Fundamente etc 400 Technische Anlagen Heizung und Sanit r Elektrik L ftung etc 500 Au enanlagen inkl der technischen Anlagen 600 Ausstattung Kunstwerke 700 Baunebenkosten z B Architekten und Ingenieursleistungen Die in der Kostengruppe 700 anzugebenden Honorare von Architekten und Planungsingeni euren werden in der Regel ber einen Prozentsatz der in den Gruppen 200 bis 500 ermittel ten Investitionskosten festgelegt blich sind hier Werte um 20 F r das Energiezentrum wurde im Hinblick auf die bereits im Realisierungskonzept erbrachten Vorleistungen ein Pro zentsatz von 18 festgelegt Die besondere technische Ausstattung des Energiezentrums wie z B die Batterie und Wasserstofftechnik die f
343. s ber die spezifische Ausnut zung Je geringer der Betrag der Steigung desto h ufiger befindet sich der SoC der Batterie 2014 02 28 Seite 47 von 235 M1m EUR GMBH Cms E SCHMIDT amp WILLMES mip Concepts based on solid solutions Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 im freien Batteriebetrieb Um dies darzustellen wurde der im Abbildung 38 gezeigte Bereich abgeleitet und der Betrag gebildet Die daraus resultierende Steigung des SoC Verlaufes ist in Abbildung 39 zu sehen Die 10 kWh Batterie gekennzeichnet durch die gr te Steigung oberste blaue Kurve hat den geringsten Ausnutzungsgrad Da eine geringere Steigung auf einen besseren Ausnut zungsgrad schlie en l sst stellt der Abstand zur Steigung der n chstgr eren Batterie einen Indikator f r eine Verbesserung des Ausnutzungsgrades dar Um alle simulierten Batterieka pazit ten einfacher vergleichen zu k nnen wurde der Wendepunkt der maximalen Steigung aus der Steigungskurve als Referenz verwendet Ausschlaggebend f r den Verbesserungs grad ist der Abstand zum Wendepunkt der n chst gr eren Batterie Da bei den gr ten Batterien kein eindeutiger Wendepunkt innerhalb des freien Batteriebetriebs erkennbar ist wurden statt der exakten Wendepunkte die senkrechten Abst nde entlang der in Abbildung 39 eingezeichneten roten
344. s University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 ae V lt Vein WwW Pa ee Vein S V lt Vn Py Vn lt V lt Vab Neben dem auf der Gleichung basierenden Modell sind parallel Messdaten einer 1 8 MW Enercon Windkraftanlage E 66 vom TWS bereitgestellt worden Mit Hilfe dieser Daten konnte ein empirischer Modellansatz verfolgt und realisiert werden in dem ein Skalierungs faktor zur Anpassung der installierten Leistung verwendet wurde Das Modell der Brennstoffzelle muss aus einer gegebenen Leistungsanforderung die gene rierte Abw rme sowie den aktuellen Wasserstoffverbrauch berechnen da hier der Wirkungs grad und somit Verbrauch und Abw rme stark vom Arbeitspunkt des Brennstoffzellensys tems abh ngen Hierf r musste ein dynamisches Modell einer Brennstoffzelle entwickelt werden Die Betriebseigenschaften eines Brennstoffzellenstacks werden haupts chlich von vier stark verkoppelten Effekten bestimmt U l Charakteristik Thermisches Verhalten Reak tanden Konzentration und dem H2 Verbrauch er Gas Fluss Poz Model Po2 U I Model Thermisches Model H2 Verbrauch Model Das Teilmodell U I Charakteristik hat die Eingangsgr en Partialdr cke Wasserstoff Sauer stoff und Wasserdampf sowie die Temperatur und den aktuellen Laststrom Als galvani sches Element ist die Ausgangspannung der Brennstoffzelle abh ngi
345. s based on solid solutions University of Applied Sciences B SEPS SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 anschlie end durch die Kennzeichnungselemente F4 F und F in verschiedene Systeme Hauptgruppe Gruppe und Untergruppen aufgeteilt vergleiche Abbildung 96 Name des Datenpunktes Type des Datenpunktes AA INNNIA A AINN Funktions Schl ssel F1 Hauptgruppe z B Dampf Wasser Gas Kreislauf F1 L F2 Gruppe Gas System F2 K F3 Untergruppen Kompressor System F3 A Abbildung 96 Funktions Schl ssel Die nachfolgende Tabelle 23 beinhaltet den erweiterten Schl sselteil welcher alle projekt spezifischen Bezeichnungen f r die Hauptgruppe F beinhaltet An dieser Stelle muss darauf hingewiesen werden dass diese Tabelle Kennzeichnungen wie beispielsweise den Buch staben V f r Wasserstofftechnologien beinhaltet der im Schl sselsatz des VGB nicht ent halten ist Da das Kraftwerks Kennzeichnungssystem vorwiegend in gr eren Dampf Kraftwerken eingesetzt wird fehlen Vorgaben f r solche spezifischen Elemente Fehlende Kennungen wurden deshalb wie im System vorgesehen nach Tabelle 23 im Schl sselteil hinzugef gt Tabelle 23 Projektspezifischer Funktions Schl ssel Kennzeichnung Bezeichnung B Energieableitung und Eigenbedarfsversorgung G Wasserversorgung und entsorgung L Dampf Wa
346. s ber cksichtigt Zudem wurde ein au enliegender Sonnenschutz als Jalousie zu Grunde gelegt welcher zudem ber die zentrale Regelung abh ngig von der Sonneneinstrahlung und der Innentemperatur geregelt wird Bei den Nutzungsprofilen wurde eine Standard B ronutzung hinterlegt Auf Basis dieser Rahmenbedingungen wurde ein realit tsnahes Modell des zuk nftigen Energiezentrum S dwestfalen erstellt Dieses Modell wurde unter Ber ck sichtigung der Wetterdaten siehe oben ber den Zeitraum von einem Jahr und Intervallen von einer halben Stunde simuliert Die Ergebnisse dieser Simulation liefern verschiedene Daten e Diverse Wetterdaten e Lufttemperatur e Strahlungstemperatur e Operative Temperatur e K hlleistung e Heizleistung W rmebedarf e Solare Gewinne e Inneren Lasten durch Personen e Innere Lasten durch Computer und EDV e Beleuchtung e Luftwechsel durch Infiltration e Luftwechsel durch nat rliche L ftung e Luftwechsel durch maschinelle L ftung Entscheidend f r die Projektpartner war hier insbesondere das halbst ndliche Profil des W rmebedarfs des Geb udes Dieses ist ein ma geblicher Eingangswert f r die Dimensio nierung der Wasserstofftechnik im Speziellen und des Energieversorgungssystems im All gemeinen Zudem dienen die Ergebnisse auch der Auslegung der Heizungs K lte und L ftungstechnik f r das geplante Geb ude Auf diese Technik wird in Kapitel 3 3 n her ein gegangen Ein weiterer Aspekt der G
347. s insgesamt drei gleichen unabh ngigen Beh l tern besteht Aus technischer Sicht ist es nahezu gleichg ltig ob die Beh lter liegend oder stehend aufgestellt werden Die stehende Montage ist in Bezug auf die Statik und die Befes tigung etwas aufwendiger ben tigt aber auch weniger Platz Allerdings sind die Unterschie de im Platzbedarf nicht allzu gro da bei einer vertikalen Montage Aufstellraum f r ein Ge r st mit eingeplant werden muss Dies wird zur Sicherung der Zug nglichkeit bei technischen Pr fungen ben tigt Nach den vorliegenden Pl nen des Architekten sollen die Speicher ste 2014 02 28 Seite 111 von 235 NGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences jo Al Fachhochschule l T W S madp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 hend montiert werden siehe Abbildung 47 In dieser Form bernehmen sie eine Funktion als Landmarke die weithin sichtbar ist und sind auch in die Gestaltung der ganzen Liegen schaft mit eingebunden Alle Beh lter werden vom Hersteller nach vorgegebenen Spezifikationen gefertigt Wesentli che Angaben sind dabei Maximal und Minimaldruck die maximale Druckspanne im Betrieb die H ufigkeit mit der die Spanne durchlaufen wird Zyklenfestigkeit sowie Fertigungsde tails wie Schwei nahtausf hrung oder Rundheit Die Beh lter werden vom Lieferanten i
348. s manuell 1 300 00 300 00 www landefeld de 15 v2 Zweites Absperrventil Austausch der Ventile 300 00 300 00 www landefeld de 16 Vv3 Normal berdrucksicherheitsventil direkt am Beh lter befestigt 1 500 00 500 00 www landefeld de 17 va Sicherheitsventil autom Absperrventil bei St rungen 2 1 200 00 2 400 00 Angebot GSR samson das 2 zur 18 Durchflu messung zur Volumenbe 0 3 200 00 0 00 Bronkhorst 19 PD3 Druckmesser 0 50 bar Speisetrer 1 132 00 132 00 wika 740 74 Angebot Pos 10 20 TD3 Temperaturmesser 1 220 00 220 00 wika 21 Transport und Aufstellung 0 7 500 00 0 00 Mail von Herrn Althaus 22 T V Abnahme gesamte Anlage 0 2 000 00 0 00 Mail von Herrn Althaus 23 Zwischensumme 117 852 00 24 25 13 Speicher 95m 50 bar geplant 2 Sicherheitsventile 1 Absperrventil T 114 000 00 114 000 00 Vako 26 v Beh lter 3 Absperrventil zum Trennen des Beh lters manuell 1 300 00 300 00 www landefeld de 27 v2 Zweites Absperrventil Austausch der Ventile 1 300 00 300 00 www landefeld de 28 v3 Normal berdrucksicherheitsventil direkt am Beh lter befestigt 1 500 00 500 00 www landefeld de 29 Iva Sicherheitsventil autom Absperrventil bei St rungen Shut Off Valve 2 1 200 00 1 200 00 Angebot GSR mechanisch ca 101 30 Durchflu messung zur Volumenbe 0 3 200 00 0 00 Bronkhorst 31 PD4 Druckmesser 0 50 bar Speiset
349. sch mit dem Netz unabh ngig von den jahreszeitlichen Randbedingungen Wesentliches Element der Regelstrategie ist dabei eine Batterie deren Leistungsumsatz der Differenz von Netzsollleistung und Netzistleistung entspricht Die eher tr geren und mit h herer Verlustleistung behafteten Komponenten Elektrolyseur und Brennstoffzelle werden so von der eigentlichen Leistungsdifferenz am Netzknoten entkoppelt Strategie ist es abh ngig vom Ladestatus der Batterie die Wasser stoffkomponenten zu steuern Die erforderlichen Algorithmen wurden durch die Fachhoch schule konzipiert und in der Simulation implementiert 2014 02 28 Seite 33 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Ha e Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 y SoC Energie Prognose Pnetz soll PBattsoll Netzleistungs PNetzist __ T controller m AC Leistungsbus WKA Erzeugung PV Erzeugung Speicher Abbildung 24 Managementschema des Hybridenergiesystems Abbildung 24 zeigt das detaillierte Regelschema f r das vorgesehene Management Insge samt wird der Leistungsfluss im System von vier Kontroller Einheiten gesteuert Der Netzleis tungskontroller berwacht die aktuell mit dem Netz transferierte Leistung u
350. schreiben Basis der berlegungen war dabei das Netz weitestgehend von den Schwan kungen der fluktuierenden Erzeuger zu entlasten Daraus leitet sich die Aufgabe ab den 2014 02 28 Seite 168 von 235 INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Netzknoten bei Null oder bei einer vorgegebenen Grund last zu halten Mit Hilfe des entwi ckelten Simulationsmodells konnte durch die Fachhochschule nachgewiesen werden dass das Management diese Randbedingungen erf llen kann wenn die Bewirtschaftung der un terschiedlichen Speicher des Systems in geeigneter Weise erfolgt Abbildung 115 zeigt die ses Modell in schematischer Form Versorgungs netz Regelschema Hybridkraftwerk Solgatt Batterie ee AC Leistungsbus I K I I I zone l A I WKA Pwpsol _ Thermo Erzeugung controller Speicher Abbildung 115 Schematische Darstellung des Gesamtsystems und der vier Elemente des Energiemanagers roter Bereich Nach dem f r das Energiezentrum vorgesehenen Konzept ist das Zusammenspiel von vier Kontrolleinheiten rote Umrandung in Abbildung 115 entscheidend Diese Einheiten und ihre Funktion in Kurzform sind in der folgenden Zusammenstellung genannt
351. send l sst sich also festhalten dass die durch die Photovoltaik generier te elektrische Leistung dem Tageslastgang ann hernd folgt Dem entgegengesetzt korreliert die WKA Erzeugungscharakteristik eher mit dem Verlauf des Lastgangs im Jahr Ausgangspunkt f r die Dimensionierung der Systemkomponenten war eine These die die genannten Erzeugungscharakteristiken zu Grunde legt Die These besagt dass es eine sinnvolle Kombination von installierter Wind und Photovoltaikleistung gibt welche beiden Charakteristiken Rechnung tr gt und einen minimalen berschuss generiert Die optimale Auslegung des Systems beinhaltet also die Bestimmung des optimalen Verh ltnisses von 2014 02 28 Seite 26 von 235 rws cn ker INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences S SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 PV zur WKA Leistung Basierend auf dem Verh ltnis kann dann die ben tigte Leistung be stimmt werden Auf Basis der berechneten Erzeugung folgt dann die Bestimmung von Elekt rolyseur und Brennstoffzelle sowie der ben tigten H2 Speicherkapazit t Da eine Batterie die Gleichzeitigkeit von Erzeugung und Verbrauch nur marginal beeinflusst wurde zur Dimensi onierung ein um die Batterie reduziertes Systemmodell genutzt Die Auslegung der Batterie hingegen erfolgt mit Hilfe einer separaten Analyse des Ladestatus abh ngig von der gew hl te
352. seur abh ngig vom Ladestatus der Batterie eingeschaltet Auch hier ist es das Ziel einen schonenden Startvorgang zu realisieren und nur die minimal notwendige Energie in Wasser stoff zu speichern Dar ber hinaus kann falls ein W rmebedarf durch den Thermokontroller gemeldet wurde die W rmepumpe eingeschaltet werden Auch hier wurde durch eine mini male Einschaltzeit eine Hysterese realisiert SoC Solnaxi Pgiek Pglek min Priek max B PElek min S Olmax2 SoCmax Entladen bersteigt der Ladestatus den Grenzwert SoC x wird der Elektrolyseur mit ma ximaler Leistungsaufnahme betrieben durch diese Last wird die Netzdifferenzleistung soweit abgesenkt dass die Batterie entladen wird Dar ber hinaus kann bei absehbarem thermi schen Bedarf und wenn der thermische Speicher die Kontrolltemperatur unterschreitet die W rmepumpe eingeschaltet werden Prc Prc max 2 5 Management des Wasserstoffspeichers T 0 6 a o4 2007 2008 2009 2010 Jahre Abbildung 26 F llstand des Wasserstoffspeichers in einer 4 Jahressimulation ohne Manager 2014 02 28 Seite 36 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences Ha AAT Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014
353. sfreier Kraftstoff Bei der Reaktion von Wasserstoff in der Brennstoffzelle f llt lediglich Wasser als Reaktionsprodukt an Es werden keine Schadstoffe freigesetzt Zur Speicherung von Wasserstoff existieren auch im mobilen Bereich im Wesentlichen drei verschiedene Technologien In Fl ssiggasbeh ltern wird Wasserstoff in fl ssiger Form LH gespeichert Um den Was serstoff zu verfl ssigen wird dieser auf die Siedetemperatur von 252 85 C abgek hlt Be dingt durch die im Vergleich zum gasf rmigen Zustand deutlich gr ere Dichte l sst sich so eine Speicherdichte von 2 8 kWh Liter erreichen Dieser Prozess ist allerdings deutlich ener gieaufwendiger als eine Druckgasspeicherung Damit im Inneren des Beh lters eine m g lichst konstante Temperatur sichergestellt ist bzw die Erw rmung minimiert wird ben tigen solche Beh lter eine sehr aufwendige Isolierung Es findet jedoch immer noch eine geringe Aufnahme von Umgebungsw rme statt welche eine Erw rmung und damit ein geringes Ausgasen des Wasserstoffs zur Folge hat Bei berschreiten eines kritischen Drucks ffnet sich automatisch ein Sicherheitsventil wodurch der berdruck abgelassen wird Abdampf verluste Zwar wurden die Tanks in den letzten Jahren deutlich verbessert es treten jedoch weiterhin Abdampfverluste auf Weit verbreitet ist die Speicherung von Wasserstoff als unter Druck stehendes Gas GH Stand der Technik ist hier die Speicherung bei 350 bar und bei 700 bar D
354. sfunktionen formuliert In einer abschlie enden Dokumentation m ssen die Ergebnisse der Gefahrenanalyse in strukturierter Form zusammengetragen werden In die Dokumentation sind die folgenden Punkte aufzunehmen e Angaben zur Maschine e Alle relevanten getroffenen Ma nahmen e Die Identifizierung der Gef hrdungen Gef hrdungssituationen und ereignisse e Die Angaben auf denen die Gefahrenanalyse beruhte e Die durch Schutzma nahmen zu erreichenden Risikominderunggsziele e Die angewendeten Schutzma nahmen e Die Restrisiken e Das Ergebnis der Gefahrenanalyse e Alle w hrend der Gefahrenanalyse ausgef llten Formulare Wie bereits erw hnt ist es dabei essenziell dass die Gef hrdungsanalysen f r die in der Anlage eingesetzten Komponenten ebenfalls vorliegen und in die Dokumentation aufge nommen werden 13 5 Rechtliche Grundlagen und Normen Die Durchf hrung einer Gefahrenanalyse wird nach Artikel 100 a EG Vertrag in den pro duktbezogenen Richtlinien gefordert Zu nennen sind beispielhaft Der Entwurf der berarbeitung der Gasger terichtlinie 90 396 EWG e Die Maschinenrichtlinie 98 37 EG Anhang 1 Diese Richtlinien werden in der Regel mit den Verordnungen zum Ger te und Produktsi cherheitsgesetz GPSG in deutsches Recht umgesetzt 2014 02 28 Seite 211 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W
355. sition Eintrittswahrscheinlichkeit eines Gef hrdungsereignisses O Occurrence e O1 gering so unwahrscheinlich dass angenommen werden kann dass der Eintritt nicht realisiert wird e O2 mittel gelegentlicher Eintritt wahrscheinlich e O3 hoch h ufiger Eintritt wahrscheinlich 2014 02 28 Seite 206 von 235 INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 M glichkeit zur Vermeidung oder zur Minderung des Schadens A Avoidance e A1 unter bestimmten Umst nden m glich e A2 unm glich Eintrittswahr AR Hier a Vermeidungs Risiko Ausma Exposition scheinlichkeit eines 1 Gef hrdungsereignisses IROD EUREN ala S1 leicht F1 F2 01 02 A1 A2 1 2 Start F1 selten 3 S2 schwer A2 unm glich 4 lich f m g F2 h ufig A2 unm glich 5 A2 unm glich 6 Abbildung 129 Beispiel eines Risikographen zur Einsch tzung des Risikos Die Ergebnisse dieser ersten Risikoeinsch tzung werden in ein Formular eingetragen jeder Gef hrdungssituation wird nun eine Risikoklasse zugeordnet In diesem Beispiel wird die Einsch tzung jeder Gef hrdungssituation wie folgt durchgef hrt e ein Risikoindex von 1 oder 2 entspricht dem geringsten Risiko e ein Risikoindex von 3 oder 4 ents
356. smanagers Die Drucklufterzeu gung die sowohl f r die Gasreinigung als auch f r die Ventilsteuerung erforderlich ist wurde dem Gasspeichersystem zugeordnet und ist daher in den Zahlen des Kapitels 14 2 2 enthal ten 14 2 2 Gasspeicherung Drucktanks Verdichter und Komponenten F r die Gasspeicherung wurden zun chst die drei Hauptspeicher der Vorspeicher der Puf ferspeicher der Verdichter und die Drucklufterzeugung inklusive der notwendigen Armaturen und der Einhausung ber cksichtigt Der Hydridtank der wie im Kapitel 6 erl utert zus tzlich zum Hauptspeicher eingebunden werden kann wird vorerst als Forschungsoption gesehen und daher in Kapitel 14 3 1 getrennt ausgewiesen 2014 02 28 Seite 218 von 235 rws Ei SCHMIDT amp WILLMES Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences mip Concepts based on solid solutions Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Tabelle 36 Kostenzusammenstellung f r die Druckgasspeicherung Bezeichnung Berechnung Preis Tanks Armaturen Messger te Sensoren 478 812 80 Verdichter Armaturen Drucklufterzeugung 70 773 30 Verrohrung zw Geb ude und Lager 270m x 30 m 8 100 00 Fundamente und Bodenplatte 18 000 00 Zaun und Anfahrschutz 130m x 150 m 19 500 00 Summe 549 586 10 14 2 3 R ckverstromung Brennstoffzellen und Batteriespeicher Bei der Kostenzusam
357. sonen erneutes Einrichten berpr fen von Teilen Bauteilen Einrichtungen der Maschine Demontage Au er Betrieb nehmen Abtrennen von der Energieversorgung und Energieableitung Demontage Anheben Beladen Verpacken Transportieren Entladen 2014 02 28 Seite 202 von 235 NGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Erw E Fachhochschule pT n S dwestfalen Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Tabelle 31 Tabelle m glicher Gef hrdungsereignisse Ursprung in Zusammenhang ste hend mit Gef hrdungsereignis der Form und oder der Oberfl chenbe schaffenheit der zug nglichen Maschi nenteile e Kontakt mit rauen Oberfl chen e Kontakt mit scharfen Kanten und Ecken vorstehenden Teilen den beweglichen Teilen der Maschine e Zugang zu Kontakt mit beweglichen Teilen e Kontakt mit rotierenden offenen Enden der kinetischen Energie und oder po tentiellen Energie Schwerkraft der Maschine der Maschinenteile der ein gesetzten verarbeiteten gehandhab ten Werkzeuge und Materialien e Herabfallen oder Aussto von Objekten der Standfestigkeit sicherheit der Ma schine und oder von Maschinenteilen e Verlust der Standfestigkeit sicherheit der mechanischen Festigkeit von Ma schinenteilen Werkzeugen usw e Bruch w hrend des Betriebs
358. ss das dedizierte Steuerungssystem die kurzzyklischen Abfragen durchf hren und auch die im Z hler gespeicherten Werte abfragen kann Auf Basis der in Kapitel 8 2 gemachten Angaben zur Hardwareausstattung und zur Funktion der Prozesssteuerung wurden f r die Hardware und die notwendige Software zur Implemen tierung der erforderlichen Programme Bibliotheken und Programmierumgebungen Angebo te eingeholt Der Aufwand zur Programmierung der Funktionen wurde nach Erfahrungswer ten des Partners ISW f r die Implementierungskosten pro Datenpunkt abgesch tzt 2014 02 28 Seite 167 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES H AT Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences B Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 9 Energiemanagement ISW Softwareauswahl Einbindung GLT externe Schnittstellen TWS Einbindung aller Speicherm glichkeiten Z hler und Bilanzierung FH SWF Entwurf Regelalgorithmus und Logik Simulationen Optimierung Aufbau Ver suchsstand Auswahl Automationssoftware In bekannten Werkzeugen zum Energiemanagement virtueller Kraftwerke wie zum Beispiel DEMS dezentrales Energiemanagementsystem wird aufbauend auf einer Prognose von Erzeugung und Verbrauch ein Fahrplan f r die n chsten 24 bis 72 Stunden erstellt der auch die Verf gbarkeit der technischen Einrichtungen ber cksichtigt Unvermei
359. sser Gaskreislauf M Hauptmaschinensatz P K hlwasseranlage T Umwandlung von Wasserstoff neu eingef hrt V Wasserstofftechnologie neu eingef hrt W Erneuerbare Energien neu eingef hrt Falls zwei oder mehr identische Hauptgruppen im selben Block notwendig sind erlaubt die fortlaufende Pr fix Nummer Fo eine Unterscheidung der einzelnen Hauptgruppen siehe Ab bildung 97 2014 02 28 Seite 151 von 235 INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions SCHMIDT amp WILLMES ws b Fecnrochschyie ja University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Name des Datenpunktes Fortlaufende Pr fix Nummer Abbildung 97 Fortlaufende Pr fix Nummer zur Unterscheidung gleicher Systeme Des Weiteren dient die fortlaufende Systemz hlzahl Fn der Unterscheidung gleicher Unter gruppen siehe Abbildung 98 Nemesis Dalenpuckien G F F F F AA u Al EE B Fortlaufende Pr fix Nummer Abbildung 98 Fortlaufende Systemz hlzahl zur Unterscheidung gleicher Untergrup pen Die zweite Gliederungsstufe drei charakterisiert Aggregate Diese Gliederungsstufe ist hn lich der ersten und setzt sich aus der Aggregat Klassifizierung Hauptgruppe A und Unter gruppe A2 der Aggregatz hlzahl A und einer Identifikationskennzahl A zusammen Name des Datenpunktes Type des Datenpunktes Aggregat Schl ssel f Al Haupt
360. ssmessung und reglung zu beladen Diese Ma nahme ist auf Grund der Beladungskine tik des Metallhydrids notwendig Die Wasserstoffaufnahme kann n herungsweise mit einer abfallenden e Funktion beschrieben werden d h zum Beginn der Beladung ist das Spei chermaterial in der Lage sehr viel Wasserstoff zu absorbieren was mit sehr gro en m gli 2014 02 28 Seite 116 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 chen Fl ssen einhergeht Der sich einstellende Fluss wird hier in der Regel durch die Was serstoffquelle begrenzt Zum Ende der Beladung hin werden nur noch geringe Mengen Was serstoff aufgenommen Um dennoch die Speicherrohre vollst ndig zu beladen ist folgendes Beladeschema vorgesehen Zun chst wird lediglich ein Modul an Strang 1 mit Wasserstoff beladen Sinkt die Wasserstoffaufnahme unter den vom Elektrolyseur zugef hrten Fluss schaltet das Steuerungssystem nun ein Modul des Strangs 2 hinzu Der Wasserstoff wird nun von beiden Modulen aufgenommen und das erste Modul kann vollst ndig beladen wer den F r die berwachung der Wasserstofffl sse sind Flussmesser der Firma Bronkhorst vorgesehen Somit ist der Gasmanager in der Lage den F llstand des Speichers zu berwachen Eine weitere M glichkeit w
361. st die Gefahrenanalyse ein Bestandteil der Konformit tsbewertung im Ent wurfsprozess Mit dem Inverkehrbringen einer Maschine Ger t ist die Gefahrenanalyse also in der Regel abgeschlossen Die Gefahrenanalyse geh rt damit zur internen Dokumentation eines Herstellers und verbleibt bei diesem Im konkreten Fall es werden bestehende Ma schinen Ger te zu einem neuen Ger t zusammengestellt sind diese Unterlagen aber Basis f r das f r die neue Anlage zu erstellende Dokument Es ist also bei der Ausschreibung oder Bestellung darauf zu achten dass die Gefahrenanalyse des einzelnen Ger teherstellers zum Lieferumfang geh rt 13 2 Explosionsschutzdokument Die Bewertung der Explosionsgefahr muss gem der Richtlinie 94 9 EG durch den Hersteller auf Basis einer Risikoanalyse erfolgen Der Hersteller kann jedoch die Konformit t durch eine Baumusterpr fung eines repr sentativen Musters durch eine benannte Stelle nachwei sen lassen Bei diesem f r elektrische Ger te zwingenden Verfahren wird in der Kategorie 2 Ger tegruppe Il eine Baumusterpr fung mit Pr fbericht und Pr fbescheinigung nach ATEX B ausgestellt Der Hersteller verpflichtet sich dann das Produkt exakt nach den hinter legten Unterlagen zu fertigen Alternativ kann der Hersteller auch durch eine interne Ferti gungskontrolle nach Anhang VIII der Richtlinie die Einhaltung der Richtlinie sicherstellen Aber auch hier muss der Hersteller ab Kat 2 die Unterlagen bei einer
362. st entwickelten Block 5 Wasserstoffspeicheranlage 51 Metallhydrid 52 Gruppe Wasserstoffdruckbereich bis 12 bar 53 Gruppe Wasserstoffdruckbereich bis 50 bar 5 1LKL01 LKL Metallhydrid Speicher L f r Hydridspeicher 5 2LKK01 Beh lter 1 bis 12 bar 4m K f r Druckspeicher 5 3LKK01 Beh lter 1 bis 50 bar 95m 5 3LKK02 Beh lter 2 bis 50 bar 95m 5 3LKK03 Beh lter 3 bis 50 bar 95m 5 3LKK04 Beh lter 4 bis 50 bar 1 6m 6 Elektrolyseur 6 1LKNO1 Elektrolyseur Kompaktanlage 1 Die Verbindungsleitungen im Gassystem werden nicht den Beh ltergruppen zugeordnet sondern getrennt betrachtet und erhalten f r jeden Teilabschnitt eine fortlaufende Gruppen nummer Somit k nnen f r Einzelteile wie Dichtungen Fittinge usw weitere Gruppierungen vorgenommen werden ohne dass mehr als 17 Stellen erforderlich sind Das Prinzip ist am folgenden Beispiel abzulesen 2014 02 28 Seite 155 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Ha ra Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences B Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 5 Wasserstoffspeichersystem 52 Druckspeichersystem 12 bar 52L flie Rendes Medium steam water gas cycles 52LK Gas 5 2 LKB LKB piping system 5 2 LKB BR piping Rohrleitung ductwork Leerrohre L ftung chutes Rinnen 52 LKK BR001 Abschnitt 001
363. st es m glich im Sommer k hlende Frisch luft einzusetzen im Winter jedoch aufgew rmte Luft zu verwenden Wegen des niedrigen Temperaturniveaus kann zur Erw rmung der Luft die Abw rme aus den technischen Einhei 2014 02 28 Seite 50 von 235 INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES rs cn ker Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 ten des Energieversorgungssystems sehr gut verwendet werden Durch die Integration von Solarmodulen in die S dseite der Klimah lle wird eine Verschattung erreicht die die gezielte Entwicklung des Raumklimas zus tzlich unterst tzen und die Arbeitsbedingungen in den B roeinheiten verbessern N S dwestf lisches Energiezentrum Werl I Lageplan see A u Lohdieksweg amp GEGEBI gi ten D NEY Pi Parkplatz berdacht Konstruktion mit PV Kraftwerk Vorfahrt Auskragendes Vordach Bestehendes Geb ude KonWerl Zunftweg Konzept Glashaus als Klimgh lle s Holzkonstruktionhit Fachwerkbindern Dachfl che mit Solarkraftwerk 1 500 qm Verwaltungs Seminar und Techniktrakt in Holzkonstruktion in die Halle hineingestellt Fremdvermietung m glich S mtliche Funktionselemente werden ber eine Bil cke miteinander verbunden Klimahalle mit nat rlicher Begr nung und Wassertiecke Der
364. st flie en die folgenden Elemente bzw Profile in das Kraftwerksystem ein e Windkraftanlagen verschiedener Typen und Gr enordnungen e Solaranlagen feststehend verschiedener Bauart und Orientierung e Speicherung von Energie ber Batterien e Speicherung von Energie ber die Wasserstofferzeugung und speicherung e R ckverstromung von Wasserstoff Brennstoffzellen BHKW e Elektrische Last B rogeb ude mit ca 3 000 m Auf der Erzeugerseite w ren demnach f r ein Kraftwerksystem noch folgende Anlagen inte ressant e Solaranlage nachgef hrt e Biogasanlage e Motor BHKW e Ggf kleine Wasserkraftanlage Auf der Verbraucherseite ist die Situation durch eine noch h here Vielfalt der Elemente ge pr gt Auf der Basis der vorliegenden Erfahrungen sollten hier aber mindestens die Gruppen e Gewachsenes reines Wohngebiet e Vor allem durch Handel gepr gtes Gebiet z B Innenstadtlage e Gewerbemischgebiet e Industriegebiet e Ggf einzelne Unternehmen mit besonderer Auspr gung Ber cksichtigung finden Gerade bei den einzelnen Unternehmen ist dabei aber auf die Gr Be und Art des Verbrauchs zu achten Beides muss sich in das Gesamtsystem einordnen lassen Es macht zum Beispiel wenig Sinn ein energieintensives Unternehmen dessen Energiebedarf unter Umst nden h her liegt als der der benachbarten Stadt als Ganzes zu integrieren In solchen F llen ist es eher angebracht das Unternehmen in sinnvolle Einheiten zu unterteile
365. stellung aufwendiger sehr lokaler Prognosen von Last und Erzeugung angewiesen ist und sich auch von den finanziellen An forderungen her im Rahmen h lt Es sollte mit einem solchen System m glich sein die L cke zwischen dem in der Firmware hinterlegten Management der Solarhome Systeme und dem Management f r ganze Versorgungsbereiche oder Gro verbrauchern zu schlie en 2014 02 28 Seite 173 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 10 Wasserstoff bergabe in den mobilen Bereich FH SWF Tankstellensystem Sicherheitsaspekte Hardware Abrechnung ldentifikation TWS Wasserstoffmenge und Mengenverteilung Wasserstoff erringt f r die Mobilit t vermehrt einen Ruf als Treibstoff der Zukunft Um aktiv an der angewandten Forschung zur mobilen Wasserstoffnutzung und der Wasserstofftank stellen Technologie beteiligt zu sein soll das S dwestf lische Energiezentrum Energie in Form von regenerativ erzeugtem Wasserstoff f r die mobile Nutzung zur Verf gung stellen So ergeben sich zukunftsweisende Aufgaben und Forschungsfelder in der Entwicklung von Konzepten f r eine geeignete und effiziente Betankung von Elektro Wasserstoff Hybridfahrzeugen Regenerativ erzeugter Wasserstoff ist ein sauberer und emission
366. t eine Heizleistung von 120 kW erforderlich die auf drei W rmepumpen mit je 40 kW aufgeteilt wird Damit ist eine gute Anpassung der Systemleistung an den aktuellen Bedarf m glich wodurch die Gesamteffizienz gesteigert wird F r eine noch feinere Steuerung ist der Einsatz einer leistungsangepassten Steuerung bei einer oder bei jeder Einzelanlage m glich Entscheidend f r die Effizienz einer W rmepumpenanlage ist neben der anlagentechni schen Umsetzung des k ltetechnischen Prozesses die W rmequelle Als W rmequelle kommen verschiedenste Reservoire zum Einsatz Das Temperaturniveau und die ganzj hri ge Verf gbarkeit der W rmequelle sind hier von ma geblicher Bedeutung Umweltw rmequellen e Umgebungsluft e Diffuse und direkte Strahlung Solarabsorber e oberfl chennahes Erdreich e Grundwasser und Uferfiltrat z B Grubenwasser thermale W rmequellen e Thermalquellen e thermale Schichtenw sser e Thermalw sser aus vulkanischen Gesteinen Abw rmequellen e Abw rme aus industriellen Prozessen e Abw rme aus K hlkreisl ufen e Abw rme aus Abwasser und Abluft F r das Energiezentrum erfolgt die Bereitstellung der W rmequelle ber sogenannte Erd w rmesonden zur Nutzung oberfl chennaher Geothermie Hierbei werden Erdsonden auf eine Tiefe von ca 100 m abgeteuft und anschlie end mit Spezialm rtel welcher eine hohe W rmeleitf higkeit aufweist verpresst Der Durchmesser dieser Erdsonden betr gt DN 32 ode
367. t mit der Automatisierungs und Feldebene Damit die komple xen Steuerungsalgorithmen parallel und in hoher Geschwindigkeit abgearbeitet werden k n nen wurden hier ein 4 Kern Prozessor und 8 GB Arbeitsspeicher vorgesehen Eine hohe Datensicherheit ist durch ein On Board RAID 1 System gegeben Der C6650 ist durch eine kompakte Bauweise charakterisiert und empfiehlt sich so f r den direkten Einbau im Schalt schrank Der Industrie PC kann mit Monitor und Eingabeger ten ausgestattet werden und fungiert dann als direkte Zentraleinheit einer EtherCAT Steuerung Neben dem bergeordne ten Management PC wird ein Komplett PC der Serie CP2219 mit Geb udeleittechnik Software zur Prozessvisualisierung und Datensicherung eingesetzt Dieser integriert Indust rie PC Technik in ein 19 Zoll Touch Display und ist dar ber hinaus speziell f r den Einbau in die Front eines Schaltschrankes konzipiert Die Trennung der beiden PCs sorgt f r eine ge wisse Redundanz und vermeidet eine ungewollte gegenseitige Einflussnahme wenn z B im Rahmen von Besucherf hrungen Kennwerte und Bilder abgerufen werden F r die Steuer einheiten des Geb udes Geb udeleitsystem GLT ist ein weiterer Rechner verantwortlich Obwohl dies nicht zwingend erforderlich ist wird so der Bereich der konventionellen Geb u detechnik von den forschungsorientierten Systemen getrennt und es werden ungewollte gegenseitige Beeinflussungen vermieden Zur Darstellung der Abl ufe sollen f r die
368. t unterschiedliche Anforderungen an das Brennstoffzellensystem Eine mobile Anwendung muss m glichst in Bezug auf Le bensdauer und Witterungsbest ndigkeit konkurrenzf hig zu konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren sein und mit verh ltnism ig h ufigen Start Stopp Zyklen zurecht kommen Die station ren Anwendungen unterscheiden sich je nach Aufgabenbereich grund s tzlich in Bezug auf die Lebensdauer der Brennstoffzellenstacks F r eine unterbrechungs freie Stromversorgung ist eine sofortige Verf gbarkeit essenziell wohingegen nur geringe Anforderungen an die Lebensdauer gestellt werden Einige hundert Stunden im Jahr sind 2014 02 28 Seite 137 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences jo Al Fachhochschule l T W S madp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 hier ausreichend Eine Anwendung im station ren Bereich mit kontinuierlichem Betrieb gt 1 000 h im Jahr stellt dementsprechend bez glich der Lebensdauer deutlich h here An spr che an das System Diese Unterschiede in den Anforderungen spiegeln sich nat rlich im Systemdesign und nicht zuletzt auch im Preis wider da z B hochwertigere Materialien mit einer h heren Standzeit verwendet werden m ssen Tabelle 20 Verf gbare Brennstoffzellensysteme nach der durchgef hrten Markt recherch
369. t werden sollten obsolet Der Wirkungsgrad eines Elektrolyseurs stellt jedoch nur ein Bewertungskriterium dar Neben konomischen Parametern wie Investitions und Betriebskosten sind auch aus technischer Sicht weitere Aspekte zu ber cksichtigen Die f r das aktuelle Projekt besonders wichtigen Punkte sind im Folgenden genannt 2014 02 28 Seite 88 von 235 INGENIEUR GMBH Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 e Teillastverhalten In welchem Arbeitsbereich bezogen auf die nominelle H Produktionskapazit t kann der Elektrolyseur betrieben werden Kann der Elektrolyseur f r kurze Zeit bei berlast gefahren werden e Dynamik Wie schnell kann die Elektrolysezelle bzw das Elektrolysesystem Transienten in der Leistungsaufnahme folgen Wie gro sind die Totzeiten des Systems z B beim An fahren Aufw rmen des Elektrolyseurs oder beim Wechsel von Stand by in den Be trieb e Lebensdauer Bei der Lebensdauer ist zwischen Standzeit kalendarische Lebensdauer Betriebs stunden und Anzahl der Anfahr Abfahrzyklen zu unterscheiden Hierbei ist zu be r cksichtigen dass einzelne Komponenten wie z B der Zellstapel regelm ig ber holt werden m ssen e Verf gbarkeit Wie viele Stunden im Jahr ist der Elektrolyseur nicht
370. t zu definieren Aus diesem Grund wurde jeder Embedded PC mit der im Folgenden zusammengestellten Grundkonfigu ration an Feldbusschnittstellen ausgestattet e Digital Eingangsklemmen Die digitale Eingangsklemme erfasst die bin ren Steuersignale aus der Prozessebe ne Feldebene und transportiert diese zum bergeordneten Embedded PC e Digital Ausgangsklemmen Die digitale Ausgangsklemme schaltet die bin ren Steuersignale des Embedded PCs zur Prozessebene Feldebene an die Aktoren weiter e CANopen Masterklemme Im EtherCAT Klemmenverbund erm glicht die CANopen Masterklemme die Integra tion beliebiger CANopen Ger te und ist wahlweise als Master oder Slave einsetzbar e PROFINET RT Die PROFINET RT Klemme erm glicht den einfachen Datenaustausch zwischen EtherCAT und PROFINET e Analog Eingangsklemmen Die analoge Eingangsklemme verarbeitet Stromsignale von Sensoren im Bereich von 0 bis 20 mA Der Strom wird mit einer Aufl sung von 16 Bit digitalisiert und das Da tum zum bergeordneten Embedded PC transportiert e M Bus Masterklemme Die M Bus Masterklemme erm glicht den direkten Anschluss von M Bus Ger ten Der M Bus ist ein Feldbus zur Verbrauchsdatenerfassung bei Strom Wasser Gas oder Energiez hlern e EtherCAT Compact Koppler zwischen EtherCAT Klemmen und Busklemmen Diese Klemme ist notwendig um die gemischte Verwendung von EtherCAT Klemmen und Standard Busklemmen in einer Busstation zu erm glichen e Busendklemme Die
371. tandsgr en Zustandsgr e Kontrollgr en Randbedingungen Flussgr en Randbedingungen Bsp Brennstoffzelle Bsp SoC Manager Batterie Psoll i SoC Batterie Pelec soll SoCmax SOCmin Pfc soll Pmax Pmin dP dtmax Abbildung 123 Grundelemente als Bausteine eines nahezu beliebigen Kraftwerksys tems 2014 02 28 Seite 187 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences B Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 In einem ersten Entwicklungsschritt wurde die in Tabelle 26 zusammengefasste Liste von m glichen Komponenten erstellt die sich am breiten Spektrum der m glichen Erzeuger und Verbraucher orientiert Je nach Detailgrad l sst sich diese Listendarstellung deutlich erwei tern Jeder neue Komponententyp stellt z B ein neues Element dar das auch neu imple mentiert und beschrieben werden muss Bei der Diskussion um die ben tigten Eigenschaften der einzelnen Elemente ist dann aufgefallen dass es hier sehr viele bereinstimmungen gibt und Elemente z B als Wandler ganz unterschiedlicher Gr en beschrieben werden k nnen So wandeln zum Beispiel Vertr ge elektrische Energie in Euro um und umgekehrt Damit entspricht ihre Funktionalit t im Prinzip einer Solaranlage die allerdings Sonnenlicht in elekt rische Energie wandelt Das Konto a
372. teme aufgef hrt In der Gegen berstellung finden sich je ein AEL Systeme der Hersteller ErreDue und Hydrogenics sowie ein PEMEL System von Diamond Onsite zum Vergleich Auf den ersten Blick sind die technischen Daten der Tabelle 10 bis auf die Prinzip bedingten Unterschiede sehr hnlich Insbesondere unterscheidet sich der spezifische Verbrauch kaum Er variiert lediglich zwischen 5 3 kWh m EreDue und 5 5 kWh m Diamond Onsite Beim PEM Elektrolyseur sind zwei Punkte auff llig die f r das System sprechen Dies sind zum einen das hohe Druckniveau das die zur Kompression erforderliche Energie reduziert und zum andern der weite Regelbereich ab 0 Allerdings ist das System Hogen C20 nach Herstellerangaben auf automatischem Weg nicht vollst ndig abschaltbar Es verbleibt also immer im Stand By Modus und m sste somit permanent mit einer Leistungsaufnahme von 3 kW betrieben werden Nach den vorliegenden Simulationsergebnissen ist ein solches Be triebsverhalten aus energetischer Sicht nicht tragbar Die alkalischen Systeme von Hydrogenics und ErreDue unterscheiden sich im Wesentlichen darin dass ErreDue das System aus zwei Elektrolyseuren vom Typ G10 mit einer H Produktionsrate von je 6 66 Nm bzw einer Nennleistung von je 35 kW zusammenstellt Die Steuerung betreibt beide Stacks dann so dass im Teillastbereich immer ein f r das Gesamt system optimaler Betriebspunkt erreicht wird Bei kleinen Produktionsraten wird z B ein Stack vollst
373. tions und Bezahlm glichkeit die Near Field Communication NFC ausgew hlt Fahrzeugseitig N Wasserstofftankstelle ur Bald en ENTE NFC Gegenstelle die der Fahrer f r die Identifikations und Bezahlvorgang bei sich tr gt Aktive NFC Komponente welche eine Identifizierung und Bezahlung vornimmt H amp Abbildung 119 NFC Topologie Das grundlegende NFC Prinzip der ber hrungslosen Daten bertragung besteht aus zwei Komponenten Ein aktives kommunizierendes Ger t welches die bertragung initiiert und ein passives Element wie beispielsweise eine programmierte Chipkarte Funketikette wel che Daten auch ohne eigene Stromversorgung bertragen kann Grundlage von NFC ist die RFID Radio Frequency Identification Technologie die Daten mit Hilfe von Radiowellen oh ne festgelegte Standards wie beispielsweise Frequenzband oder Reichweite bertragen kann Erst durch die Einf hrung von NFC wurde ein spezielles Kopplungsverfahren basie rend auf einem gesonderten Frequenzband eingef hrt Durch die Einigung auf ein bestimm tes Frequenzband kann eine aktiv aktiv Kommunikation handshake also eine sichere Ver bindung zwischen beiden Komponenten aufgebaut werden um sich beispielsweise mit einer Chipkarte eindeutig zu identifizieren oder zu bezahlen Um die Identifikationssicherheit zu erh hen wurde au erdem die Distanz beider NFC Komponenten laut Norm auf maximal 10 cm Abstand festgelegt Angewandt auf das Energiezentr
374. tionsdaten Hersteller Typ Herkunftsland 5 Nennleistung 5 Anlagendaten Se Laufrichtung Blattanzahl 5 Masth he 10 Mastmaterial 5 Aufstellung Fundamentgr e Stellfl chen Krangr e 5 Schallpegel Volllast dB 10 Schattenwurfl nge m 5 Typ Wartungsvertrag 10 Wartungsaufwand a 5 F rderf higkeit der Anlage 10 Ertrag absolut kWh a Spezifischer Ertrag am Standort kWh kW 10 Spezifischer Invest kWh Invest turn key 15 Summe 100 4 2 1 Kleinwindanlagen f r den Standort Nach der Festlegung von Kriterien wurde eine intensive Marktanalyse vorgenommen Diese st tzte sich auf das Internet eigene Kontakte sowie die bereits genannte Ver ffentlichung des BWE 8 und den Sonderdruck Windenergieanlagen des Magazins Erneuerbare Ener gien 9 Das Hauptaugenmerk wurde bei der Zusammenstellung m glicher Anlagentypen darauf gelegt dass die Leistung zwischen ca 2 5 kW und 10 kW liegt und die Anlage tat s chlich lieferbar ist es sich also nicht um eine Ank ndigung oder Projektierung handelt Bei den Horizontalanlagen gibt es ein relativ breites Angebot an Anlagen konventioneller Bauart mit einer Windnachf hrung ber eine Leitfahne Allerdings sind auch Varianten mit besonderer Bauart erh ltlich die f r den vorgesehenen Einsatzzweck attraktiver erscheinen 2014 02 28 Seite 75 von 235 Fachhochschule S dwestfalen INGENIEUR GMBH University of Applied Sciences SCHMIDT
375. toff mit einem Druck von 12 bar einer Reinheit von 99 9998 5 0 und einer Restfeuchte von lt 1 mg m in den nachgeschalteten Zwischen speicher bzw den Wasserstoffverdichter eingespeist wird Der erzeugte Wasserstoff ist nach Verlassen des internen Gasabscheiders systembedingt durch Bestandteile der eingesetzten Kalilauge KOH mit in der Restfeuchte gel sten Lau genbestandteilen und mit durch Querdiffusion in der Elektrolysezelle eingebrachten Spuren von Sauerstoff verunreinigt Dieser Rohwasserstoff wird im Elektrolyseur in einer ersten Kondensatorstufe grob gereinigt und dann an die Gasreinigungsstufe vom Typ DPH12 von ErreDue bergeben Im DPH12 wird der Wasserstoff zun chst in einem Aktivkohlefilter von Resten der Kalilauge befreit und nachfolgend durch Kondensation in einer K hlfalle getrocknet Die f r diesen Prozess ben tigte K hlleistung wird in einem adaptierten K hlkompressor erzeugt ber ein Druck Wechseladsorber System das sich anschlie t wird der Restsauerstoff aus dem Was serstoff entfernt Hierzu wird der Wasserstoff bei Umgebungstemperatur und erh htem Druck durch eine Adsorptionsmittelsch ttung geleitet wobei sich der Sauerstoff als leicht adsorbierbare Gaskomponente an der Oberfl che anreichert w hrend der geringer oder gar nicht adsorbierbare Wasserstoff die Sch ttung passiert Die Beladung des Adsorbers kann bis zu einem Gleichgewichtszustand erfolgen Danach ist dessen Adsorptionsverm gen ersch pft U
376. trolyse HTEL sssnnnsesssssssnnrnnenessseererrnrrrsserrrrrnnensee 93 2014 02 28 Seite 2 von 235 INGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 5 2 Auswahlmal ae 93 5 3 PErIPhENIB ereignete reagierten 100 5 3 1 Gasreinigung und Trocknung uuussesssssssennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nennen 103 5 32 L ttzerleg Ngi eeen aar Ea Eaa E ENE EEE EEA EEEREN a EA N 104 53 3 Proz SSWaSS ee 105 5 4 Dynamik Anfahrbereich und Geschwindigkeit ssssssssserrrersssrrrrrrrrnesseee 106 5 5 Punkte der W rmeausk pplung u uucnn en 107 5 6 Automation und Ankopplung an Kommunikation ssssns ernennen 107 6 Wasserstoffspeicherung 24 4uonnn4nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nennen 109 6 1 SBEICHETOPIONEN esse 109 6 2 Gew hltes Systemdesian anne ee nnen 110 6 2 1 Dr ckepeicher ecann a 111 6 2 2 AIyalld SpeicHet astnnee et eelneenltee 112 62 3 Vellichleranes ee 118 6 2 4 Aufstellung des technischen Equipments 444444444BHnnnnn nennen 120 6 2 5 _ Verrohrung Ventile und Peripherie unn444444nnnnnnnnnnnnnnnn nennen 124 6 3 Funktionsbeschreibung des Speichersystems 2244444444nHnnnn nn nenne 126 6 4 Speichermanager
377. trum Abschlussbericht Feb 2014 Die Anbindung der externen Messstellen f r Anforderungsprofile a an die Automatisierungs struktur des Kraftwerksystems kann analog zur externen Windkraftanlage des Energiezent rums drahtlos mit dem GPRS Dienst ber das GSM Mobilfunknetz erfolgen GPRS hat den Vorteil dass nicht die Verbindungsdauer sondern die bertragene Datenmenge ausschlag gebend f r die Abrechnung ist Abh ngig von der spezifischen Messstelle ist es daher ein weiteres Ziel die Daten schon vor Ort zu konzentrieren Die an den Messstellen vorgesehe nen Embedded PC k nnen dies lokal realisieren Auch hier kann der bereits in Abschnitt 8 2 Abbildung 110 vorgestellte MoRoS Industrierouter basierend auf der GPRS Technologie genutzt werden Durch einen VPN Tunnel welcher auf einem Industrie PC Management ebene eingerichtet ist besteht die M glichkeit direkt ber das Internet auf den Industrierou ter und somit auf die externen Daten zuzugreifen Bei Nutzung dieser Technologie m ssen auch hier monatlich anfallende Mobilfunkproviderkosten ber cksichtigt werden Eine Alterna tive stellt das ZDUE GSM PLUS V Z hlermodem von Dr Neuhaus Telekommunikation GmbH sowie das Modem DM 440 von Elster dar Beide erm glichen die standortunabh ngi ge Datenfernauslesung von Energie Wasser oder Gasz hlern ber das GSM GPRS Netz Eine m gliche Netzwerkarchitektur f r zwei Industriemessstellen Lastgruppen ist in Abbil dung 125 dargestellt
378. tsteilung jeder auf dem aktuellen Stand blieb Nicht zu untersch tzen ist auch der Effekt dass jedes Teamtreffen auch eine Art Deadline bildete die Anlass dazu war die eigenen Teil Arbeiten bis zum Termin in pr sentabler und diskussionsw rdiger Form aufzubereiten Bei inhaltlich sehr speziellen Themen die mit hoher Detailtiefe besprochen werden mussten wurden zus tzliche Termine in spezifisch zusammengesetzten Gruppen anberaumt und nur die Ergebnisse dem Gesamtteam vorgestellt Obwohl das Projektteam 1 Es sind jeweils die beteiligten Projektpartner und ihre T tigkeiten in Stichworten genannt Der Pro jektpartner der f r das Paket verantwortlich zeichnet wurde unterstrichen 2014 02 28 Seite 8 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 formal so aufgestellt wurde dass von jedem Partner ein Verantwortlicher f r die Koordinie rung der internen Arbeiten zust ndig war ISW Jens Willmes mdp Dirk Fortstr er FH SWF Prof Ulf Witkowski TWS Dr J rg Scholtes wurde die hierarchische Struktur nicht ben tigt In der Regel erfolgte die Absprache zwischen den f r die Einzelarbeiten verantwortlichen Personen direkt oder bei entscheidenden Punkten unter Einbeziehung des Projektmanage ments Eine Vertretung
379. tung arena 221 Tabelle 42 Kostenzusammenstellung f r Wasserstofftankstelle 221 Tabelle 43 Kosten weiterer Positionen 4444444440nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnn 222 Tabelle 44 Kostenzusammenstellung f r den Hydrid Speicher 4 222 Tabelle 45 Investitions und Betriebskosten f r das Kraftwerksystem ohne Personalkosten nn ee a 223 Tabelle 46 Investitionskosten f r die Energieerzeugung uuussssnssssnnnnnnnnnnnnnnnnn 224 Tabelle 47 Kosten f r Wartung und Ersatzbeschaffung in 10 Jahren umgelegt auf eine j hrliche R cklage uuuun4444nnnnnnnnnnnnnnannnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 224 2014 02 28 Seite 233 von 235 Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen INGENIEUR GMBH Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 17 Literaturverzeichnis 1 Kemper Philipp Development of a decenatralized energy supply for the South Westphalia Energy Center Soest Master Thesis FH SWF 2013 2 Quaschning Volker Regenereative Energiesysteme M nchen Carl Hanser Verlag 2013 ISBN 978 3 446 43526 1 3 Hinteregger Roman Prognose der Stromerzeugung aus verteilten Windenergieanlagen in einem Umspannwerkbezirk Wien Diplomarbeit an der technischen Universit t Wien 2002 4 GmbH e
380. tungsarbeiten Elektrolyseur 1 000 Sicherheits berpr fung Drucktanks 1 000 R cklagen f r Brennstoffzellenstacks 54 000 5 400 Summe 11 240 Es wurde im Verlauf des Projektes von Seiten der Wirtschaft und Marketing Soest GmbH als potentiellem Investor h ufiger nach den Betriebskosten gefragt Obwohl diese zum jetzigen Zeitpunkt nur schwer kalkulierbar sind wurde deshalb eine Absch tzung vorgenommen de ren Ergebnis in der Tabelle 47 zusammengefasst ist Als reine Wartungskosten wurden die berpr fung der Sicherheitseinrichtungen zweimal im Jahr die Wartung des Verdichters und des Elektrolyseurs und eine R cklage f r die T V berpr fung der Druckbeh lter nach 10 Jahren angegeben Dabei wurden die in der Simulation ermittelten Laufzeiten f r die Ger te zugrunde gelegt und dann jeweils aus den in 10 Jahren anfallenden Wartungskosten ein j hrlicher Betrag im Sinne einer R cklage ermittelt Mit ber cksichtigt wurden auch die Kos ten die f r eine Ersatzbeschaffung innerhalb von 10 Jahren Betriebszeit anfallen Dies be trifft nach den in Kapitel 7 gemachten Angaben die Brennstoffzellenstacks die sehr wahr 2014 02 28 Seite 224 von 235 INGENIEUR GMBH Gimp a an University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES jo Al Fachhochschule l T W S madp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 scheinlich innerhalb dieser Zeit einma
381. typischen Konzentration von 20 40 geflutet bzw werden von dieser Lauge durchstr mt Die KOH Lauge wird kontinuierlich aufbereitet und in separaten Tanks bevorratet Alkalische Elektrolysezellen arbeiten in der Regel bei einer Betriebstempe ratur von etwa 40 C bis 80 C mit einer Stromdichte von 200 400 mA cm Kommerziell erh ltliche alkalische Elektrolysesysteme werden auf Modulebene in einem Leistungsbereich von 1 760 Nm h hergestellt Dies entspricht einer elektrischen Leistungsaufnahme im Be reich von ca 5kW bis ca 3 4 MW pro Modul F r gr ere Wasserstoffproduktionskapazit ten werden mehrere Elektrolysemodule parallel geschaltet 2014 02 28 Seite 89 von 235 INGENIEUR GMBH Concepes based on solid solutions University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Abbildung 68 prinzipieller Aufbau einer alkalischen Elektrolysezelle 12 Erfahrungswerte bei in Betrieb befindlichen Elektrolyseuren belegen dass der spezifische Energieverbrauch f r die H gt Produktion mit gr erer Modulkapazit t abnimmt da periphere Komponenten gro er Einheiten effektiver arbeiten und somit weniger Energie pro Normku bikmeter Wasserstoff verbrauchen Ab einer Gr e von ca 100 Nm h lassen sich jedoch aufgrund der Modulbauweise von Elektrolyseuren nur noch sehr geri
382. ude das System Im Bereich der Pla nung finden Simulationen immer mehr einen festen Platz Dies hat damit zu tun dass Ge b ude und deren Technik immer komplexer werden und das Wechselspiel mit St rgr en wie Wetter Wind Sonne Klima innere Lasten Nutzerverhalten usw zunehmend kompli zierter wird Bei der Ermittlung der Energieverbrauchsstruktur sto en klassische Rechenver fahren an ihre Grenzen so dass die Simulation sie hier erg nzt Simulation ist die wirklich keitsnahe Nachahmung realer technischer Vorg nge mit Hilfe von mathematischen Re chenmodellen auf einem Rechner An einer realit tsnahen Simulation k nnen anschlie end Experimente durchgef hrt werden Ergebnisse aus den Experimenten k nnen dann auf das simulierte Geb ude bertragen werden Eine anschlie ende Interpretation der Ergebnisse erm glicht es den Nutzen von Optimierungsma ahmen bzw Variantenbetrachtungen er kennen zu k nnen Hiermit k nnen diese Optimierungsma nahmen kologisch und kono misch untersucht werden und Entscheidungen f r oder gegen Ma nahmen kompetenter getroffen werden siehe Abbildung 2 Eine geb udetechnische Simulation kann sowohl zur energetischen Optimierung von Neubauten in der Entwurfsphase als auch zur Analyse und Optimierung von Altbauten eingesetzt werden In diesem konkreten Anwendungsfall dienen die Ergebnisse der Simulation mit als Grundlage um eine realit tsnahe Energiebedarfsstruk tur mit halb st ndlicher Genauigke
383. uf dem sich das Geld sammelt oder aus dem es ent nommen wird ist von der Funktion her vergleichbar mit einem Batterie Speicher oder Bilan zierer Wird diese Idee weiterentwickelt ergibt sich ein hoher Abstraktionsgrad und es rei chen sehr wenige Grundelemente aus aus denen sich ein nahezu beliebiges Kraftwerksys tem bilden l sst Abbildung 123 beschreibt die prinzipielle Funktion sowie die wenigen Grun delemente mit entsprechenden Beispielen Wie dann ein Kraftwerksystem aus diesen Bau steinen gebildet werden kann veranschaulicht Abbildung 124 am Beispiel eines einfachen Solar Home Systems Vorteilhaft an dem hohen Grad der Abstraktion ist auch dass sich zun chst virtuelle Komponenten wie zum Beispiel gro e Wasserstoffspeicher einfach ein bringen lassen Im Prinzip reicht hier eine bertragung der bereits im Berechnungswerkzeug siehe Kapitel 2 2 entwickelten Komponenten Soweit sich das momentan ohne konkrete Implementierung absch tzen l sst sind hierzu nur wenige Anpassungsschritte erforderlich Beispiel Solar Home System Netzknoten Pdem Flussgr en Randbedingungen Kontrollgr en Zustandsgr en AC DC Batterie PBatt DC Pbat min Pbat max Einstrahlung Ppv ist PBatt AC PNetz ist Bilanz Kl Versorgungs vertrag Konto Paiff 0 System Kontroller Abbildung 124 Solar Home System als einfaches Beispiel f r ein aus den Grundbau steinen zusamm
384. um wird die aktive Komponente fest in die Tankstelle integriert Der Fahrer kann jetzt seine Chipkarte oder sein Smartphone mit einer fest einprogrammierten Identifikationsnummer an die aktive Komponente halten 2014 02 28 Seite 178 von 235 INGENIEUR GMBH IE Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences B SCHMIDT amp WILLMES Ha Al Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 sodass eine sichere Verbindung aufgebaut werden kann Anhand der ermittelten Identifikati onsnummer kann eine Tankfreigabe und eine sichere und bargeldlose Zahlung zu jeder Zeit an der Tankstelle erm glicht werden 10 1 4 Positionierung der bergabestation Die bergabestation wird auf dem westlichen Teil des Gel ndes des S dwestf lischen Energiezentrums in der N he des Gasspeichers aber au erhalb der Druckbeh ltersicher heitszone positioniert Dabei wird durch einen Zaun mit Zugangstor der Zugang beschr nkt damit nur Personen mit Berechtigungskarte Zutritt erhalten Von der bergabestation aus wird eine Zugangsm glichkeit zum Geb ude vorgesehen um dem Kunden eine berbr ckung der Tankzeit die bei gew nschter voller Beladung bis zu 45 Minuten betragen kann zu erm glichen Dies kann beispielsweise in Form einer Sitzecke mit Informationsmaterialen und Getr nken geschehen Um einen witterungsgesch tzten Tankvorgang zu
385. umssystem zu erreichen muss eine Automatisierungssoftware gefunden werden welche es erm glicht die Embedded und Industrie PCs so zu programmieren dass die entwickelten Algorithmen weitgehend bernommen und auf den einzelnen Steuerungs PCs hinterlegt werden k nnen Der erste Ansatz hierzu war die Nutzung der Geb udeleittechnik iBMS der Ingenieurgesell schaft f r Geb udeautomation mbH INGA Eine Geb udeleittechnik GLT dient der Visua lisierung Steuerung und berwachung von Geb uden Der wesentliche Vorteil der iBMS Software ist die Flexibilit t und Implementierungsneutralit t zu einer Vielzahl von Systemen unterschiedlichster Hersteller welche alle zeitgleich unter Ber cksichtigung ihrer Kommuni kationsschnittstellen und Protokolle auf die Geb udeleittechnik geschaltet werden k nnen Nach der Teilnahme an einer dreit tigen Schulung der Firma INGA wurde versucht das Energiemanagement und die somit entsprechende Intelligenz in Form von Skripten ber die Software Intelli BMS in das Geb udeleitsystem GLT zu implementieren siehe Zwischenbe richt Mai 2013 Um diesen Ansatz zu evaluieren wurde ein kleiner Pr fstand bestehend aus einer Speicherprogrammierbarer Steuerung und einer selbstentwickelten Hardware sie he Abbildung 116 aufgebaut Anschlie end wurde ein Industrie PC an die Steuerung ange schlossen und auf die Bedienoberfl che der Geb udeleittechnik geschaltet Eine Anbindung 2014 02 28 Seite 170 von 235 IN
386. und einer Nennleistung von 5 kW bei 12 m s der Firma WinDual In Abbildung 64b ist der Typ Amperius VK250 mit s f rmigen Bl ttern der KD Stahl und Maschinenbau GmbH dargestellt Die Anlage hat eine Nennleistung von 4 1 kW bei 11 m s 2014 02 28 Seite 76 von 235 Fachhochschule S dwestfalen INGENIEUR GMBH University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Erw Eu Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Abbildung 64 Beispiele f r Mikrowindanlagen mit vertikaler Achse Bildquellen Webseite und Anlagenprospekt Bereits in Zusammenhang mit der Beschreibung der Auswahltabelle Tabelle 1 wurde da rauf eingegangen dass sich im Segment der Kleinwindanlagen Besonderheiten ergeben Bei der technischen Auswertung verf gbarer Datenbl tter haben sich weitere diskussionsw rdi ge Punkte herauskristallisiert Auf diese wird im Folgenden kurz eingegangen 1 Nennleistung Da es keine allgemeinen Festlegungen zur Bestimmung der Nennleistung gibt sind die Angaben nicht direkt vergleichbar W hrend Hersteller A die Angaben zur Nenn leistung bei Windgeschwindigkeiten von 10 m s macht bezieht Hersteller B den Wert auf 12 oder gar 14 m s Bei einer blichen Anlagenregelung wird die abgegebene Leistung bei Windgeschwindigkeiten oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit zu n chst auf die Nennleistung begrenzt und die Anlage bei weiter steigender Windge schwindigkeit dann ber
387. und einer WKA Leistung von 120 kW 2014 02 28 Seite 28 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES H AAT Fachhochschule l T W S mdp S dwestfalen Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 Zus tzlich wurde noch eine Kleinwindkraftanlage mit 40 kW installierter Leistung ber cksich tigt Da wie eingangs beschrieben der Beitrag der K WKA nicht signifikant ist hat die Leis tung dieser Anlagen keinen wesentlichen Einfluss auf das Ergebnis Elektrolyseur und Brennstoffzelle wurden mit dem Ziel m glichst die gesamte bersch ssige Energie zu speichern bzw die ben tigte Reserve abzudecken ausgelegt Dar ber hinaus sollen m glichst geringe Spitzen in der nicht durch Elektrolyseur oder Brennstoffzelle abge deckten Leistung entstehen Abbildung 19 zeigt die Dauerlinien der nicht durch das System nutzbaren Leistungen links mit der installierten Elektrolyseurleistung als Parameter sowie rechts die nicht nutzbare Energie ber der Elektrolyseurleistung Es ist zuerkennen dass die nicht nutzbare Energie f r Elektrolyseure bis 70 kW stark abnimmt f r Elektrolyseure h he rer Nennleistung nimmt dieser Effekt ab Ebenso ist zu erkennen dass Leistungsspitzen ge gen ber dem Netz mit zunehmender Elektrolyseurgr e stark abnehmen Zusammenfas send l sst sich sagen dass ab einer Leistung von 70 kW signif
388. ung 4 500 00 Begleitung durch Sicherheitsingenieur Gefahren analyse Explosionsschutzdokument 20 000 00 Summe 35 000 00 Die notwendige Begleitung von Planung und Aufbau der Anlage durch eine Sicherheitsfach kraft geh rt nicht zu den blichen Leistungen nach der Kostengruppe 700 und wurde daher den Investitionskosten zugeordnet Zu ber cksichtigen sind auch noch die Kosten f r Ingenieursleistungen nach Kostengruppe 700 die sich wie eingangs des Kapitels dargelegt mit einem Faktor 0 18 aus den genann ten Investitionskosten ergeben 14 3 Forschungsoptionen nach aktuellem Stand 14 3 1 Hydrid Speicher mit Systemintegration und einem Fassungsverm gen von 2 500 m Der Hydrid Speicher wird derzeit als Forschungsoption betrachtet Das Gas Speicher System ist so ausgelegt dass der Hydrid Speicher vollst ndig integrierbar ist Es funktioniert aber auch ohne diesen speziellen Speicher Die entsprechenden Bauma nahmen f r Fun damente und Wasserbeh lter im Sicherheitsbereich der Speicherung sollten beim Bau des Zentrums in jedem Fall mit ausgef hrt werden da sie sp ter nur noch sehr schwierig durch zuf hren sind Tabelle 44 Kostenzusammenstellung f r den Hydrid Speicher Bezeichnung Berechnung Preis Speichermaterial ca 34 kg 464 440 00 Beh lter 275 000 00 Ventile Verrohrung Sensoren 25 000 00 Steuerung 5 763 60 Summe 770 203 60 2014 02 28 Seite 222 von
389. untere Grenzwert ist mit 40 recht hoch angesetzt Hier wird es mit zunehmender Betriebserfahrung m glich sein die Grenzen in Richtung der abso luten Grenzwerte zu verschieben und so den Energieaustausch mit dem Netz weiter zu mi nimieren und gleichzeitig das Auftreten nicht mehr kontrollierbarer Spitzen zu vermeiden 2014 02 28 Seite 40 von 235 Tee ui Al Fachhochschule l x TWS madp S dwestfalen NGENIEUR GMBH Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences S SCHMIDT amp WILLMES i Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 SoC pp Na Mit Management 1 Valenzband 2007 2008 2009 2010 Jahre Abbildung 31 Management mit angepasstem Valenzband C u TE GE Er ur Tun ur Sal S O N O z li a a 3 a NM A a HO T Pu AISART T MO HE A N PE i j A 31 a Sn p l 10 5 t t t t t t t 2007 2008 2009 2010 Jahre Abbildung 32 Leistung am Netzknoten in einer 4 Jahressimulation mit angepasstem 2014 02 28 Manager Seite 41 von 235 Fachhochschule S dwestfalen INGENIEUR GMBH University of Applied Sciences SCHMIDT amp WILLMES Frws Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 en ie 2007 a a 2008 2 2009 2010 Br 5 Speicherg e 1000 m Jahre Abbildung 33 Wasserstoffspei
390. ur Folge Im Verdampfer erfolgt dann die Aufnahme der W rmeenergie aus der W rmequelle Es bestehen verschiedene anlagentechnische Ausf hrungen welche sich als W rmepumpe den k ltetechnischen Prozess zu Nutze machen Der Unterschied zwischen den einzelnen Anlagen liegt in der Art der Verdichtung des K ltemittels und der Antriebenergie zur Verdich tung Folgende W rmepumpentechniken sind am Markt verf gbar e Elektrisch angetriebene Kompressor W rmepumpe e Gasmotor bzw lmotor W rmepumpe e Absorptionsw rmepumpe Die energetische Schnittstelle zur Wasserstofftechnik und zu den regenerativen Energiequel len Wind und Sonne erfolgt hier ber elektrische Energie Daher kommen f r diesen Anwen dungsfall im Energiezentrum S dwestfalen die elektrisch angetriebenen Kompressorw rme pumpen zum Einsatz Hier erfolgt die Verdichtung des gasf rmigen K ltemittels durch einen elektrisch angetriebenen Kompressor Dem eingesetzten K ltemittel kommt eine ma gebliche Bedeutung zu Nach DIN EN 378 1 Abs 3 7 1 ist das K ltemittel definiert als Fluid das zur W rme bertragung in einer K ltean lage eingesetzt wird und das bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck W rme auf nimmt und bei h herer Temperatur und h herem Druck W rme abgibt wobei blicherweise Zustands nderungen des Fluids erfolgen bzw nach DIN 8960 Abs 3 1 als Arbeitsmedium das in einem K ltemaschinenprozess bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck W rm
391. us Voralarm Alarm und etwa 60 St rmeldungen sind via Busanbindung Profibus oder Modbus mit einer bergeordneten externen Steuerung austauschbar Eine Messwerterfassung ist 2014 02 28 Seite 107 von 235 I Tws Be SCHMIDT amp WILLMES M1m mip Concepts based on solid solutions Fachhochschule S dwestfalen University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 zus tzlich per Ethernet Anbindung fern bertragbar und bearbeitbar Ebenso kann die Anlage vor Ort oder aus der Ferne bedient werden START STOP RESET sind dabei Standard In Tabelle 12 werden wichtige Systemparameter aller Komponenten der Wasserstofferzeu gerkette aufgelistet Diese sind auch an das bergeordnete Prozesssystem bertragbar Um eine eindeutige Abgrenzung der Systeme von Herstellern und Energiezentrum zu erreichen erfolgt die Anbindung an das Prozesssystem ber eine zwischengeschaltete SPS die damit quasi als bersetzer zwischen Herstellersystem und Energiemanagement und die Daten aufbereitet vergl Kapitel 8 2 Tabelle 12 Auswahl bertragbarer Systemparameter der Komponenten Elektolyseur Gasreinigung N Generator Wasseraufberei K hlaggregat G10 DPH GNLab tung nz Modbus Modbus Modbus Meldesignal Meldesignal Wasserdruck Medientempera H2 Druck H Druck Pressluft Druck Eingang tur Vorlauf Medientempera O Druck Feuchteg
392. uten angesteuert Dies bedeutet dass Elektrolyseur und Brennstoffzel le die Abweichung von erzeugter und verbrauchter Leistung ausgleichen Hier wurde ange nommen dass Schwankungen der Differenzleistung die innerhalb von 15 Minuten auftreten sowie Leistungen unterhalb von Einschaltschwellen von Elektrolyseur und Brennstoffzelle durch die Batterie ausgeglichen werden Das Anlagenmanagement bernimmt in diesem Fall die Funktion der berwachung der zul ssigen Leistungsbereiche der H2 Komponenten so wie des F llstands des H2 Speichers Energiemanagementsysteme dieser Art sind im Be reich der Stadtwerke oder bei gro en Industrieunternehmen im Einsatz Wegen der hohen Komplexit t der eingesetzten Algorithmen sind diese Systeme sowohl hinsichtlich der zu t tigenden Investitionen als auch im Hinblick auf das Engineering und die Betreuung recht aufwendig Ziel des Projektes S dwestf lisches Energiezentrum ist es ein Management system einzusetzen das auch bei kleinen Einheiten mit wenigen Lasten und Erzeugern ein satzf hig ist Hinzu kommt dass nach den vorliegenden Erkenntnissen aus dem Projekt Energiepark KonWerl das beschriebene Vorgehen auf der 15 min Ebene bei Einzelanlagen die kleinr umig zu betrachten sind als sehr kritisch anzusehen ist Auf die Details wird im Folgenden n her eingegangen In einem ersten Schritt wurden die im Projekt Energiepark KonWerl hinsichtlich der erreich baren Genauigkeiten lokaler Erzeugungs
393. vorliegen sollten die entsprechenden Erkenntnisse genutzt werden um die hier getroffenen Annahmen weiter zu konkretisieren Dabei ist allerdings zu ber cksichtigen dass die Wasserstoff Elektro Hybrid Anwendung durchaus mit einem anderen Verhalten verkn pft sein kann als dies bei reiner Elektromobilit t zu beobachten ist Dies betrifft nat rlich auch den Jahresbe darf der anhand der angenommen Fahrstrecke auf insgesamt 2550 Nm j hrlich abge sch tzt wurde 10 1 2 Technischer Aufbau der bergabestation Nachfolgend ist der technische Aufbau des Betankungssystems dargestellt Dieser basiert auf einem prototypischen Laborsystem der Fachhochschule S dwestfalen das im Rahmen von Abschlussarbeiten aufgebaut und weiterentwickelt wurde und f r Laborversuche mit Me tallhydridspeichern eingesetzt wird Festeingestellter Druckminderer 25 bar Metallhydrid speicher Gassystem Pufferspeicher gt q IN A N 25 45 bar gt n Absperrventil GFV GFM1 GFM2 Iesv N y i h Lo y F K hlwasser F j 5 kupplung en mal H EEE N Femme r n O messung A Plattenw rme bertrager z K hlsole AN A Oo Ausgleichbeh lter Kreiselpumpe ui Abbildung 118 Flie bild bergabestation von Wasserstoff aus dem Energiezentrum an Fahrzeuge Die Steuerung der bergabestation wird b
394. weitere H2 Last ber cksichtigt Die nicht vom System bereitgestellte bzw speicherbare Leistung wurde als P et ausgewie sen Die Eingangsgr en des in Abbildung 13 gezeigten Simulationsmodells sind zum einen die Leistungserzeugung durch Photovoltaik und Windkraftanlagen wobei hier Kleinwindkraftan lagen und Gro windanlagen ber cksichtigt wurden und zum anderen der thermische und elektrische Leistungsbedarf Abh ngig von der implementierten Systemarchitektur und der Managementstrategie hier Teil des Batterieblocks werden die Leistungsfl sse aufgeteilt Der Brennstoffzellen beziehungsweise Elektrolyseurblock errechnet aus berschuss bzw Bedarfsleistung den resultierenden Wasserstofffluss und die abgegebene W rmeleistung Der Wasserstofffluss wird durch die H2 Speicherbl cke verarbeitet und die F llst nde sowie die Verdichterleistung werden zur ckgekoppelt Die generierte Abw rme wird auf den ther mischen Block zur ckgekoppelt Die entscheidenden Faktoren zur Beeinflussung des Mo dels sind die Systemparameter und die Eingangsdatens tze Wobei die Systemparameter die ausgew hlten Komponenten beschreiben und die Eingangsdaten die Systemumgebung Obwohl die hier beschriebenen Modelle und die vollst ndige Simulation spezifisch f r die Anwendung im SWF EZ entwickelt wurden lassen sich die implementieren Werkzeuge Me thoden und Modelle leicht auf verschiedene Hybridenergiesysteme bertragen um f r diese Systeme Analysen bzw Opt
395. z8 D 2 s 3 Z 0 o lt O D 3 U c Va v a es LF 3 2 Ri p a oO D PR F fad 8 8 D 2 8 8 Z3 r v D ca 3 U v S M ai n 5 53o Z 2 D 53 u lt Z pA X u Da D N a2 s T Z Ei S v 3 2 GA m 3 a D P u 3 fe 00 D F Z zZ o D Z Z z E 2 m Pr a Re saldierender Z hler 15min Werte Q 1min Werte durch Z hlerauslesung o u 3 z Energieschreiber Zeitkonstante kleiner gt 1min Abbildung 111 Z hlersystem zur Erfassung der elektrischen Bilanzdaten Abbildung 111 zeigt das Z hlersystem zur Erfassung der elektrischen Verbrauchs und Er zeugungswerte Danach ergeben sich wie gezeigt mindestens neun Z hlpunkte An einigen Stellen z B Elektrolyse Gasreinigung und Verdichtung kann durchaus auch eine getrennte Erfassung der Verbrauchswerte einzelner Aggregate sinnvoll sein Bei den W rmez hlern muss ber cksichtigt werden dass diese in der Regel nur in eine Richtung arbeiten das hei t dass bei Pufferspeichern f r die Einspeisung und die Entnahme jeweils ein Z hler er forderlich ist Diesem Umstand tragen auch die schematischen Darstellungen der Abbildung 112 Heizw rme und Abbildung 113 Energietransfer zur Sole Rechnung 2014 02 28 Seite 165 von 235 INGENIEUR GMBH SCHMIDT amp WILLMES H faman Al Fachhochschule I a T W S mdp S dwestfalen Concepts based on solid solutions University of Applied Sciences Realisierungskonzept f r das S
396. zeigten Gasreinigungsanlage Abbildung 72 rechts sind neben Verrohrungselementen Ventilen sowie Druck und Durchflussmessern auch die bei den Adsorbergef e untergebracht und am linken Bildrand gut zu erkennen Das hier gezeigte System ist bei der Firma Wieland in Pforzheim installiert und wird ber eine zentral installierte Stickstofferzeugeranlage versorgt Die K hlung erfolgt ber K hlwas ser mit einer Temperatur von maximal 35 C und einem Volumenstrom von 0 6 Nm bei ei nem Druck von 2 bis 5 bar Die notwendigen tiefen Temperaturen von 80 C in der Konden satorstufe der Wasserstofftrocknung erzeugt das bereits erw hnte zus tzliche K hlaggregat 5 3 2 Luftzerlegung Beim Betrieb der f r das Energiezentrum vorgesehenen Wasserstofferzeugungsanlage wird an verschiedensten Stellen Stickstoff N2 ben tigt Zum einen zum Sp len des Elektroly seurs bei eventuellen Stillstandzeiten w hrend Wartungsarbeiten und zum anderen f r den Betrieb des Gasreinigungssystems Eine Bereitstellung des Gases ber Druckbeh lter ist 2014 02 28 Seite 104 von 235 Fachhochschule S dwestfalen INGENIEUR GMBH University of Applied Sciences B SCHMIDT amp WILLMES FTws Realisierungskonzept f r das S dwestf lische Energiezentrum Abschlussbericht Feb 2014 angesichts des kontinuierlichen Bedarfs und der Menge wenig sinnvoll Deshalb soll der Sticksoff nach dem bereits in Kapitel 5 3 1 beschriebenen Druck Wechsel Adsorptions Prin
397. zip PSA Pressure Swing Adsorption in einem Stickstoffgenerator vom Typ GNLabT8 von ErreDue vor Ort hergestellt werden Der Generator besteht aus zwei Carbonmolekularsiebbetten CMS welche die Sauerstoff molek le aus der eingepressten Druckluft adsorbieren Die vorbehandelte Druckluft tritt am Boden des ersten Siebbettes ein und str mt durch die CMS S ule Sauerstoff und andere Spurengase werden vom CMS bevorzugt adsorbiert w hrend der inerte Stickstoff das Sieb bett durchstr men kann Ist das gerade aktive Siebbett nahezu mit adsorbierten Gasen ge s ttigt schaltet das System eigenst ndig auf das zweite bereits regenerierte Siebbett um Das ges ttigte Siebbett wird durch ein schnelles Absenken des Druckes im Beh lter regene riert Dadurch wird das adsorbierte Gas in die Umgebung abgegeben Der Stickstoff steht mit einer Reinheit von 99 999 5 0 und einem Druck von bis zu 9 bar am Ausgang zur Verf gung Der schematische Aufbau des Stickstoffgenerators ist in Abbildung 73 dargestellt F r den Betrieb des Stickstoffgenerators wird vorgereinigte und getrocknete Druckluft mit einem Druck von bis zu 10 bar ben tigt Bei einem nominal erzeugten Volumen von 4 NI min 0 24 Nm h Stickstoff liegt der spezifische elektrische Verbrauch bei 40 Wh 0 04 kWh Die ben tigte Druckluft die auch f r den Betrieb pneumatisch betriebener Ventile an anderen Stellen des Gasspeichersystems Elektrolyseur Verdichter Gasmamager ben tigt wird wird

Realisierungskonzept für das Südwestfälische Energiezentrum

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