IAV mikroBHKW FH KA ext - HS-KARLSRUHE · 2017-02-15 · BHKW Sicherheitssteuerung EGS VW EcoBlue...

Friedhelm Laubenstein, Karlsruhe, Juli 2015

IAV mikroBHKWEin erster Schritt zur häuslichen autarken Energieversorgung

IAV 05/2015 VS Z-RMM 1

©IAV · 07/2015 · Laubenstein 2

Inhaltsübersicht

• Vorstellung der IAV

• Marktanalyse Heizungsanlagen

• Das IAV Mikro BHKW

• Ausblick: Einsatzszenarien

Ihr starker Engineering-Partner

• Engineering-Kompetenz für das ganze Fahrzeug vom Detail bis zum Gesamtsystem

• An Ihrer Seite vom Konzept bis zum Serienstart

• Über 30 Jahre Erfahrung in der Serienentwicklung

• Exzellente Entwickler und erst-klassige technische Ausstattung

• Ganzheitlicher Ansatz aus Methodik, Technologie und Anwendung

• Stark vernetzt mit Universitäten und Forschungseinrichtungen

• Mit über 6.000 engagierten Mit-arbeitern weltweit in Ihrer Nähe

3

Wir entwickeln, was bewegt.

©IAV · 07/2015 · Laubenstein

Kundennähe in Deutschland

GifhornBerlin

Chemnitz /Stollberg

Dresden

Rüsselsheim

Neustadt

WeissachNeckarsulm Regensburg

Ingolstadt

München

Ludwigsburg

Friedrichshafen

Rostock

Kassel

Nürnberg

IAV-Standorte

IAV-Entwicklungszentren

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Kundennähe weltweit

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Paris Seoul

London Moskau / Kaluga

ModenaPeking

Tokio

Detroit

São Paulo

Mexiko-Stadt

Palo Alto

Changchun

Schanghai

Pune

Deutschland


6

Personalstruktur und Disziplinen

6

Ingenieure: 68 %

Studentische MA: 5 %

Administration: 8 %

Gewerbliche MA: 8 %

Techniker: 11 %

MaschinenbauerElektrotechniker

Informatiker

Mechatroniker

Mathematiker

Physiker

Meteorologen

Chemiker

Geophysiker


Gesellschafter

Schaeffler Technologies GmbH & Co. KG 10 %

Freudenberg SE 10 %

Volkswagen AG 50 %

Continental Automotive GmbH 20 %

SABIC Innovative Plastics B.V. 10 %

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Geschäftsfelder und Schwerpunkte

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• Schwerpunkt „Automobiltechnik“

• Antriebstrangentwicklung

• Fahrzeugentwicklung

• Schwerpunkt „Energieversorgung“

• Energieeinsparung

• Energieerzeugung

• Energiespeicherung


Marktanalyse Heizungsanlagen Deutschland

Marktübersicht Gebäude ohne Gewerbe

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Das größte Stückzahlpotenzial findet man bei den Ein- bis Zweifamilienhäusern.

Auf Stückzahl bezogen, der größte Absatzmarkt an Wärme-erzeugern!

!

Quelle: Statistisches Bundesamt


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Bei neuinstallierten zentralen Wärmeerzeugern beträgt der Anteil an gasbefeuerten Geräten 77%.

Verteilung neu installierter Wärmeerzeuger in Deutschland (zentrale Wärmeerzeuger)

Quelle: BDH 2013

77%


Sanierungsrate Wärmeerzeuger

12

Bei 15 Mio. Ein- bis Zweifamilienhäusern entspricht das bei 2,9% in ca. 450 000 zu erneuernde Wärmeerzeuger pro Jahr!


Mikro-BHKW Markt

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Ausgangsgröße 450 000 Wärmeerzeuger im Ein- und Zweifamilienhaus pro Jahr!

Marktvolumen bereinigt um Neubauten (100 000):450 000 – 100 000 = 350 000

Marktvolumen bereinigt auf Erdgas befeuerte Wärmeerzeuger (77%):350 000 x 0,77 ≈ 270.000

Marktvolumen bereinigt auf mindestens 3 Personen pro Haushalt (38%*):270.700 x 0,38 ≈ 100.000

Prognose zukünftiger Marktanteil Mikro-BHKWs (10%):100.000 x 0,1 = 10.000

Bei 10% Marktanteil Verkauf von 10.000 µBHKW/ Jahr möglich

*Quelle: Statistik Hessen


Das IAV Mikro BHKW

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� IAV Anforderungen Mikro BHKW

� Konzept „Erzeugereinheit“

� Designkonzept „Steuerung“


IAV Anforderungen Mikro-BHKW

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• Primärer Zielmarkt: Ein- bis Zweifamilienhaus in Deutschland

• Wirtschaftlichkeit für Endkunde: Vergleichbar mit dem Brennwertgerät

• Leistung: 5kWelektrisch und 12kWthermisch (mit Pufferspeicher und Heizpatrone 17kWthermisch)

• Abmessung: Vergleichbar Gefrierkombination

• Gewicht: < 200kg

• Technische Schnittstellen: Vergleichbar mit einem Brennwertgerät

• Geräuschemission: < 50db (A) in einem 1m Abstand zum Gerät

• Abgasemission: < TA-Luft

• Bedienbarkeit: Tablet, Smartphone, Laptop

• Kosten- und Bauraumersparnis bei der Steuerung

� Ziel: Ein wirtschaftliches Mikro-BHKW für ein Ein- bis Zweifamilienhaus


Das IAV Mikro BHKW

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Ziele

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• Kostenoptimierung bei Komponenten und System

• kurze Montagezeit

• Fehlerminimierung beim Anschluss

• gute Zugänglichkeit für Wartungszwecke

• gute Transportfähigkeit

• geringes Gewicht

� Das Konzept „Erzeugereinheit“ untersucht Ansätze zur Machbarkeit. Es

stellt keine Serienentwicklung dar.


Konstruktion Rahmen

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Ziel:

• Reduzierung von Schraubverbindung durch Schweißverbindung

• Reduzierung von Teileanzahl/-vielfalt

• kurze Fertigungszeit

• geringe Materialienkosten

Umsetzung:

• nur zwei Hauptrahmenteile

• Schraubverbindungen durch Schweißverbindungen ersetzt

• Verwendung von Halbzeugen (DIN-Teilen)

� Ausgeführte Schweißkonstruktion führt zu

Kosteneinsparungen.


Motor

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Ziel:

• hohe Dauerhaltbarkeit

• gutes Preis-/Leistungsverhältnis

• garantierte und freie Verfügbarkeit

• gasifizierter Motor

• Gasmischer vorhanden

• geringe Rohemission

Umsetzung:

• Motorenrecherche

• BHKW-Recherche

• Konzentration auf Industriemotoren

� Unter Berücksichtigung aller Faktoren

wurde der 1KS (3-Zylinder, 1L) von Toyota

gewählt.


Generator

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Ziel:

• niedriger Preis

• temperaturfest

• wartungsarm

• Netzparallelbetrieb für Deutschland

• garantierte Verfügbarkeit

Umsetzung:

• Regalware / Massenware

• zusätzliche Kühlung des Innenraumes über PKW-Heizungswärmetauscher (VW-COP)

� Asynchronmaschine 5,5 kW, 1430 U/min.,

400VD, B3, IP55, Iso-Klasse F (B), IE3


Schnittstellen

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Ziel:

• eigensicher

• einfache Handhabung

• Heizungsbauer bekannt/vertraut

Umsetzung:

• Einsatz kodierter Steckverbinder zwischen Erzeugereinheit und Schaltschrank

• flachdichtende Wasseranschlüsse

� Durch die bekannten Schnittstellen soll

dem Heizungsinstallateur der Einstieg ins

Mikro-BHKW erleichtert werden.


Gehäuse

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Ziel:

• geringes Gewicht

• kostengünstig

• selbsttragend

• wenig Teile

• von einer Person zu öffnen

• gute Zugänglichkeit

Umsetzung:

• zweiteiliges Kunststoffgehäuse

• Tiefziehverfahren

• Dämmung von innen montiert

� Kunststoff stellt eine günstige Alternative

bei Kleinserien gegenüber Blech dar


Abgaswärmetauscher

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Ziel:

• kostengünstig

• platzsparend

• Abgastemperatur auslaßseitig <80°C

Umsetzung:

• Recherche Abgaswärmetauscher

• Plattenwärmetauscher

• Regalware

• integrierter Kondensatablauf

• Anschlüsse Abgasseite passend für DIN-Flexrohranschluß

� Abgas-WT der Fa. Airec „Compact 25“


Riementrieb

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Ziel:

• Anordnung Motor und Generator übereinander

• kostengünstige Kraftübertragung

• Dämpfung der Drehmomentimpulse/-schläge hervorgerufen durch Zündvorgänge im Motor

• Kraftübertragung bidirektional

• einfache Montage

Umsetzung:

• Riementrieb mit Spannvorrichtung

• Übersetzung frei wählbar

� Poly-V-Riemen


Pumpe und Ventile

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Ziel:

• Schutz vor hoher Temperatur


• einfach zu wechseln

• Betriebsbereitschaft einfach festzustellen

Umsetzung:

• außerhalb an der Erzeugereinheit

• elektrische Verbindung über kodierte Stecker

� Bauteilschutz gegen Temperatur-

überschreitung sichergestellt


Highlights

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Rahmen

• zweiteilige Schweißkonstruktion

• eingeschweißte Verrohrung

Peripherie

• Pumpe, Regel- und Doppelmagnetventil außerhalb des Heißraumes angebracht


Innenraumkühlung

• gekoppelter Innenraum-WT vor der Luftansaugung der Asynchronmaschine


Inhalt

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Materialkostenverteilung bei BHKW

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• Bei mikroBHKW´s sehr hoher Elektronik Anteil > ¼ der MK

• Elektronik und Steuerungskosten sind aber fast unabhängig von der BHKW-Größe

• Einheitliche Steuerung sinnvoll Skaleneffekte von „Großserien“ nutzen

• Mit modernen Elektronik können Entwicklungskosten für neue Anforderungen reduzieren werden


BHKW Anlagensteuerung BHKW-CtrlVW EcoBlue 2.0

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Anwendungen

• Betriebssteuerung der KWK Anlage

• Betriebssteuerung Heizungsanlage

• Betriebssteuerung Trink-Warmwasser

• Kommunikation zur Leitzentrale

• Diagnose der gesamten Sensorik und Aktorik

• Anschluss abgesetzte Bedieneinheit

• Integration SD Karte (z.B. Datenlogger)

• CAN Kommunikation mit allen SG´s

• Sicherheitsgerichtet Softwareupdate wie im Fahrzeug möglich


BHKW Anlagensteuerung VPSVW EcoBlue 2.0

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Anwendungen

• Galvanische Trennung von Niederspannung und Kleinspannung

• Hochauflösende Erfassung der Sensoren im BHKW

• Ansteuerung Aktuatoren (z.B. Lüfter, Pumpen, Ventile,…)

• Redundante Regelabschaltung der KWK Anlage

• Softwareupdate über BHKW-Ctrl. via CAN


BHKW Sicherheitssteuerung EGSVW EcoBlue 2.0

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Anwendungen

• Sicherheitsüberwachung für BHKW

• Gasventilansteuerung

• Generatorschützansteuerung

• Überwachungsfunktionen

Normen

EN 298: Feuerungsautomat für Gasbrenner und Gasgeräte mit und ohne Gebläse

prEN 50465 Gasgeräte - Gerät mit Kraft-Wärme-Kopplung und einer Nennwärmebelastung kleiner oder gleich 70 kW

DIN EN 13611: Sicherheits-, Regel- und Steuereinrichtungen für Gasbrenner und Gasgeräte

DIN EN 60335: Sicherheit elektrischer Geräte für den Hausgebrauch und ähnliche Zwecke

DIN EN 60730: Automatische elektrische Regel- und Steuergeräte für den Hausgebrauch und ähnliche Anwendungen


IAV BHKW-Plattform

IAV BHKW-SteuerungsplattformDas Prinzip

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Netzschutz-steuerung

Motor-steuerung

Heizungs-steuerung

Hauptplatine mit Energieversorgung

Gas-steuerung

Zentral-einheit

230V 12V 24V

WLAN

LAN

USB

� Synchronisierung� Frequenzumrichter� Länderspezifisch

� Zündung� Motor-Sensorik� Abgas-Sensorik� Gemischbildung

� Notaus-Funktion� Temperatur-Überwachung� Gasmagnet-Ventil

� Kesselfreigabe� Fehlerspeicherverwaltung� Diagnose� Kommunikationsschnittstellen� Fernwartung

� Pumpen, Mischer� Temperatur-Regler

ExternerFrequenz-umrichter


IAV BHKW-SteuerungsplattformZiele

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• kostengünstig

• einfache Montage

• Montagefehlersicherheit

• Leistungsteil auf Steuerungsplatine integriert

• saldierende Nullsummenreglung am Hauseingang für die Lastregelung

• Motorsteuergerät auf Platine integriert

• Sanftstarter auf Platine integriert

• auch für fremderregter Synchrongeneratoren geeignet (Starterrelais wird vorgehalten)

• kostengünstige Visualisierung für Tablet, Smartphone, etc.


IAV BHKW-SteuerungsplattformUmsetzung

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Ziel:

• Kostenoptimierung der Hardwarekomponenten

• Verdrahtungsaufwand reduzieren

• Sanftstarter integrieren

• Sicherungen on Board

Umsetzung

• eine Basisplatine

• eine Steuerungsplatine

• eine Sicherheitsplatine

� Designmuster


IAV BHKW-SteuerungsplattformBeispiel Einsparpotential

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Herkömmliche Lösung

• 3 Steuerungsplatinen

• Motorsteuergerät

• Netzschutzeinrichtung

• Gassicherheitssteuergerät

• 1 Sanftstarter

• 4 Schütze / Sicherungen/ Klemmen

IAV Lösung

• 3 Steuerungsplatinen

• Schütze integriert

• Sicherungen integriert

• Sanftstarter integriert

• Netzschutz integriert

• Motorsteuergerät integriert

• Gassicherheit integriert


IAV BHKW-SteuerungsplattformHMI

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Ziel:

• kundenspezifisches HMI integrierbar

• zusätzliche Bedienoberfläche über Tablet möglich

• Schnittstelle der Visualisierung zu BHKW-Steuerung

• Darstellung von Signalflüssen

Umsetzung:

• Mini-Linux Controller

• Tablet von ASUS

• Kopplung BHKW-Steuerung

• Kommunikation über WLAN

� Eine Darstellung und Bedienung ist über

das Tablet möglich.


IAV BHKW-SteuerungsplattformSoftware Entwicklung

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Wärme- und Stromregelung

• der Stromverbrauch wird vom BHKW gedeckt

• Wärmeanforderung hat vorrang

• Einschaltgrenzen für Stromerzeugung

saldierende Nullsummenregelung

• die Stromproduktion des BHKWs wird am Hausanschlusspunkt auf Null-Watt-Bezug vom EVU geregelt

Servicevisualisierung

• Darstellung von Messwerten und Parametern

• Sitz der Fühler und Komponenten visualisiert

• Protokolle Online ausfüllen


IAV BHKW-SteuerungsplattformVorteile

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Modularer Aufbau

• Fertige Komponenten für die wichtigsten Funktionen eines BHKWs: Netzschutz, Motorsteuerung, Gassteuerung, Heizungssteuerung und Bedienung

• Einzelne Komponenten auch modular aufgebaut, z.B. Motorsteuerung mit oder ohne Zündsystem

• Qualifiziertes Sicherheitskonzept über alle Komponenten im Verbund

• Alleinstellungsmerkmale durch kundenspezifische Anpassungen

Alle Komponenten aus einer Hand

• Zentrale Fehlerdiagnose für alle elektronischen Komponenten

• Einheitliche Wartung und gleiche Elektronik-Ersatzteile für aller BHKW-Typen eines Herstellers

Expertise aus dem Automotive-Umfeld

• Erfahrung hinsichtlich Verbrauch, Abgase und Langlebigkeit

• Erfahrungen im modularen Aufbau von Steuergeräten in der Automobilindustrie

• Kostenoptimiertes Systemdesign mit hohem Anspruch an Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit


Einsatzszenarien

Szenario „Integration Erneuerbare Energien“

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CO2 AufbereitungUmwandlung

Methanisierung

Gasnetz

Gasspeicher


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Ein Mikro BHKW ist eine ideale Komponente in einem Smart Home System

Szenario „Smart Home System“


Mikro BHKW

5 kW elektrisch13 kW thermisch

Photovoltaik

Elektr. Energie

Therm. Energie

E-Fahrzeugmit Batterie als Puffer-speicher

Ele

ktr. E

ne

rgie

Steuerung

Vielen Dank

Friedhelm Laubenstein

IAV GmbH

Rockwellstraße 16, 38518 GifhornTel. +49 5371 80-51487

[email protected]

www.iav.com

IAV 05/2015 VS Z-RMM 42

Date post:	12-Aug-2020
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