Wärme und Strom nach Plan

Kompakt informieren

• BHKWs müssen sehr genau dimensioniert werden. Besonders kritisch ist die Überdimensionierung: Der Wirkungsgrad sinkt und häufiges Takten erhöht die Wartungskosten und verringert die Nutzungsdauer.
• Bei der Planung/Integration eines BHKWs muss auch immer die Gesamtanlage betrachtet werden, damit alle wirtschaftlichen Auswirkungen ein­fließen.
• Neben VDI-Richtlinien unterstützen Simulationsprogramme die BHKW-Auslegung. Eine intensive Auseinandersetzung mit der Technik und den rechtlichen Aspekten ist allerdings Grundvoraussetzung für die korrekte Bedienung und Ergebnisinterpretation.

Als „wirtschaftliche, ökologische und dezentrale Energieerzeugung, die unabhängiger von den Energieversorgern macht“, wird die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) gepriesen. Wirkungsgrade von 90 % und mehr versprechen Anbieter von Mini- und Mikro-KWK-Anlagen, wobei letztere aufgrund kompakter Abmessungen von einigen Herstellern schon als Alternative zur getrennten Strom- und Wärmeerzeugung für Einfamilienhäuser bezeichnet werden. Ihren Brennstoff werden die allermeisten KWK-Anlagen jedoch auf absehbare Zeit auch von „den Energieversorgern“ erhalten.

Physikalisch betrachtet, sprechen die Fakten für sich: Während zentrale Kraftwerke ohne (Fern)Wärmeauskopplung lediglich zwischen 30 und maximal 60 % der zugeführten Primärenergiemenge als Elektrizität abgegeben können, nutzen dezentrale KWK-Anlagen die eingesetzte Primärenergie zu 80 bis über 90 %. Der Primärenergieeinsatz kann im Vergleich zur getrennten Strom- und Wärmeerzeugung (bei gutem elektrischen Wirkungsgrad der verwendeten Technik) bei den heute marktbestimmenden Nutzungspfaden um etwa ein Drittel gesenkt werden.

Ob auch die Treibhausgas-Emissionen reduziert werden, lässt sich hingegen nicht rein technisch-bilanziell beantworten. Damit im Gesamtgefüge die Treibhausgas-Emissionen verringert werden, müssten in entsprechendem Umfang Emissionsberechtigungen eingezogen werden, sonst werden die Treibhausgas-Emissionen lediglich exportiert (Webcode 346809). Werden biogene Brennstoffe in den KWK-Anlagen eingesetzt, muss deren Erzeugung zudem strengen Nachhaltigkeitskriterien unterliegen, damit sich ein ökologischer Vorteil ergibt. Über die Förderung von KWK-Anlagen gibt es hier entsprechende Mechanismen.

Sorgfältige Planung ist ein Muss

Soweit die Theorie. Die Realität relativiert – wie so oft – einiges. Allein die bisher geringe Marktdurchdringung der KWK-Technik im Wärmemarkt belegt, dass viele Details zu beachten sind. So müssen wärmegeführte Blockheizkraftwerke (BHKW) für einen rentablen Betrieb möglichst hohe Laufzeiten erreichen. Mindestens 3000 bis 4000 Volllaststunden pro Jahr gelten bei typischen Kennwerten als Untergrenze, mehr als 6000 Volllaststunden als Zielgröße. Das setzt auch außerhalb der Heizperiode eine ausreichende und möglichst kontinuierliche Wärmeabnahme voraus, z.B. zur Trinkwassererwärmung, für Prozesswärme oder Trocknungsprozesse.

Der wirtschaftliche Betrieb eines BHKWs in einem durchschnittlichen Einfamilienhaus ist kaum nachweisbar – mit steigendem Dämmniveau und sinkender Hausgröße wird dies immer schwieriger. Das liegt auch daran, dass am Markt nicht beliebig kleine Leistungen mit hohem Wirkungsgrad zur Verfügung stehen; zudem sinken die Anlagenkosten nicht proportional zur Leistung. Sinkende Anlagenkosten sind nur bei hohen Stückzahlen zu erwarten.

Deshalb blieb der Einsatz kleinerer (ab 3 bis 5 kW_el) BHKW-Anlagen Abb. 1 bisher vor allem auf Objekte mit großem Warmwasserbedarf beschränkt, beispielsweise Hotels, Krankenhäuser, Schwimmbäder oder Gewerbebetriebe. Mikro-KWK-Anlagen können aber auch gut für Mehrfamilienhäuser mit mehreren Wohneinheiten und zentraler Trinkwassererwärmung verwendet werden.

Die richtige Dimensionierung und Konfiguration ist für den wirtschaftlichen Betrieb entscheidend: Wird ein BHKW zu klein ausgelegt, können nicht alle Potenziale ausgeschöpft werden und die spezifischen Investitionskosten sind höher. Trotzdem ist „im Zweifel eine Nummer kleiner“ eigentlich immer die richtige Entscheidung. Eine zu groß dimensionierte Anlage muss häufig im Teillast- oder Taktbetrieb arbeiten, wobei der Wirkungsgrad sinkt. Häufiges An- und Herunterfahren der Anlage verringert außerdem die Lebensdauer. In den meisten Fällen mindert der Taktbetrieb auch die selbstnutzbare Strommenge und damit die Wirtschaftlichkeit. Trotzdem werden häufig viel zu große Anlagen installiert und dann die Wirtschaftlichkeitsprognosen nicht erfüllt.

Neben dem Gebäudekonzept und den Klimadaten müssen auch die Nutzungsprofile (Lastgänge) sowie alle Systemkomponenten (BHKW, Speicher, Zusatz- oder Hauptheizung, ggf. Solaranlagen) aufeinander abgestimmt sein. Da sich die elektrischen und thermischen Lasten in Wohngebäuden und kleinen Gewerbebetrieben im Tages- und Jahresverlauf erheblich ändern, müssen BHKWs so ausgelegt und integriert werden, dass sich die Gesamtanlage den wechselnden Bedingungen anpassen kann und die Gesamtanlage die Anforderungen an Energieertrag, Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit erfüllt.

Um dies zu gewährleisten und um individuellen Randbedingungen und Nutzungsprofilen gerecht zu werden, müssen BHKW-Anlagen in der Regel objektspezifisch ausgelegt werden, bzw. bei kleinsten Leistungen (Verfügbarkeitsgrenze) der wirtschaftliche Einsatz geprüft werden. Dabei sollten stets während der Nutzungsdauer bzw. der Refinanzierungszeit anstehende Energieeinsparmaßnahmen berücksichtigt werden.

BHKW-Planungssoftware

Dazu werden Planungs- und Berechnungsformalismen, herstellerunabhängige Simulationsprogramme, aber auch kostenlose herstellerspezifische Auslegungsprogramme und Online-Rechner offeriert. Sobald man Anlagen individuell auslegen, allen Wechselwirkungen zwischen den Systemkomponenten gerecht werden und realistische Wirtschaftlichkeitsprognosen erstellen will, sind zeitlich hochaufgelöste Berechnungen unabdingbar. Das setzt spezielle Simulationssoftware voraus, da eine manuelle Berechnung zu zeitaufwendig, fehleranfällig und unwirtschaftlich wäre. Folgende Simulationsprogramme unterstützen die BHKW-Planung derzeit:

BHKW-Plan / MiniBHKW-Plan

Zu den Pionieren gehört BHKW-Plan, das Programm wurde bereits 1997 in seinen Grundzügen konzipiert. Das Programm liefert Aussagen zur Auslegung, Laufzeit und Wirtschaftlichkeit von BHKW-Anlagen von 1 kW_el bis zu mehreren MW_el für ganze Siedlungen oder Gemeinden. Das daraus entwickelte Programm MiniBHKW-Plan Abb. 2 ist auf Mini- und Mikro-Anlagen (1 bis 50 kW_el) mit bis zu sechs Modulen für Ein- und Mehrfamilienhäuser spezialisiert. Neben Verbrennungsmotoren können Stirling- und Dampfmotoren, Gasturbinen und Brennstoffzellen berechnet werden. Simuliert wird die Wärme- und Stromproduktion mehrerer Module in Stundenschritten, unter Berücksichtigung des Speicherbetriebes sowie des Spitzenkessels. Zu den weiteren Funktionen gehören Wirtschaftlichkeitsvergleiche, eine Schadstoffbilanz, eine Berichterstellung und mehr.

CO2PRA

CO2PRA Abb. 3 unterstützt die BHKW-Auslegung, erkennt Schwachstellen und ermittelt den wirtschaftlichen und ökologischen Nutzen. Dabei werden örtliche Wetter-, Schadstoff-, Brennstoff- und Stromtarifdaten ebenso berücksichtigt wie der jahreszeitliche Verlauf des Heizwär­me-, Trinkwarmwasser- und Prozesswärmebedarfs. Simuliert wird der stündliche Verlauf des Betriebszustands der Anlage auf Grundlage des berechneten Gesamtwärme- und Stromverbrauchs mit den dazugehörigen Lastgängen. Die jährlichen Betriebsstunden der BHKW-Module werden ebenso ermittelt, wie die Energie-, Kosten- und Schadstoffbilanz. Variantenvergleiche berücksichtigen Laufzeiten, Stromeinspeisungen oder Brennstoffkosten.

EnergyPRO

EnergyPRO Abb. 4 versteht sich als flexible Simulationssoftware für die Analyse und Optimierung von dezentralen Energiesystemen zur Versorgung mit Strom, Wärme und Kälte. Einsatzschwerpunkt ist die kommunale oder industrielle Nah- und Fernwärmeversorgung mit großen KWK-Anlagen im Megawatt-Bereich in Verbindung mit Kesseln und thermischen Speichern zur Versorgung mit Strom, Heiz- und Prozesswärme sowie Kälte. Weitere Einsatzmöglichkeiten sind mit Biogas oder Biomasse betriebene KWK-Anlagen. Auch Wärmepumpen, Kälteanlagen, Photovoltaik, Solarthermie, Windenergie und Stromspeicher können in die Berechnungen eingebunden und im Detail simuliert werden.

Home Energy Simulator

Home Energy Simulator simuliert Gebäude samt Heizungs- und Energieversorgungsanlagen auf Basis physikalischer Modelle im Rahmen einer Jahressimulation in Minutenauflösung. Dabei werden konventionelle Anlagen ebenso berücksichtigt wie Wärmepumpen, Mikro-KWK-, Holz- und Pellet- sowie Solarthermie und Photovoltaik-Anlagen. Zu den Ergebnisdaten zählen die Wärme- und Stromgenerierung, Anlagenbetriebsdaten, Nutzungsgrade, Vollbenutzungsstunden, CO₂-Emissionen, Investitions- und Betriebskosten, eine Wirtschaftlichkeitsanalyse etc. Für Simulationen von KWK-Geräten ist die VDI 4656-Software (siehe unten) aus gleichem Hause modular eingebunden.

VDI 3985 und VDI 4656

Mit den Richtlinien VDI 3985 [1] und VDI 4656 (Entwurf) [2] existieren zwei Regelwerke für die Planung, Ausführung und Abnahme von KWK-Anlagen respektive die Planung und Dimensionierung von Mikro-KWK-Anlagen. Während VDI 3985 eher für große Wärme-Kopplungsanlagen im Megawattbereich konzipiert ist, konzentriert sich die VDI 4656 auf Mikro-KWK-Anlagen mit einer Brennstoffleistung bis 70 kW für den Einsatz in Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie im Kleingewerbe. Bei Verwendung sogenannter Referenzlastprofile nach VDI 4655 [3], die das Nutzerverhalten abbilden, ist unter anderem auch ein Wirtschaftlichkeitsvergleich von Mikro-KWK-Anlagen möglich. Zur Richtlinie gehört eine VDI-4656-Software Abb. 5, die eine Auslegung, Konfiguration und Optimierung von Mikro-KWK-, aber auch konventionellen Heizungsanlagen ermöglicht. Gebäudetypen, klimatische Bedingungen, Nutzungsprofile, Kosten und Emissionen werden ebenso berücksichtigt, wie Wechselwirkungen zwischen den unterschiedlichen Systemen.

Weitere BHKW-Auslegungsprogramme für Fachplaner, Energieberater, Heizungsinstallateure, BHKW-Hersteller und Betreiber sind in Vorbereitung (ua. Hottgenroth / ETU und Velasolaris).

Die Preise für obige Simulationswerkzeuge liegen zwischen 100 Euro (VDI 4656), mehreren hundert Euro (CO2PRA, MiniBHKW-Plan etc.) und über 1000 Euro (BHKW-Plan). Deutlich tiefer in die Tasche greifen muss man für Lösungen, die das Blockheizkraftwerk als Teil eines Gesamtsystems verstehen (DK-Integral, TRNSYS etc.). Sie sind dann sinnvoll, wenn es um besondere Nutzungen (Thermalbad, Gewächshaus etc.) eine besondere Raum-/Gebäudeform (Hochhaus mit mehrgeschossiger Eingangshalle etc.) und die Wechselwirkungen zwischen mehreren Konzepten zur Heizung, Kühlung oder Stromgewinnung geht. Daneben gibt es auch herstellerspezifische Planungswerkzeuge (z.B. Vaillant plansoft Abb. 6) und Online-Rechner (z.B. http://www.energieagentur.nrw.de/index.php ).

Und so wird simuliert…

Maßgeblich für die BHKW-Dimensionierung ist der Gebäude-Energiebedarf. Je präziser der zeitliche Verlauf des Wärme- und Strombedarfs des zu versorgenden Objektes ermittelt werden kann, umso genauer lässt sich die Größe, Laufzeit und letztlich die Wirtschaftlichkeit einer BHKW-Anlage abschätzen. Bei Altbauten wird der Jahreswärme- und -stromverbrauch über Abrechnungen ermittelt. Bei Neubauten muss der Wärme- und Strombedarf für jede Stunde des Jahres simuliert werden.

Insbesondere der Wärmebedarf für Raumwärme unterliegt starken jahreszeitlichen Schwankungen, deshalb liefert nur eine stündliche Berechnung verlässliche Werte. Anhand einer dynamischen thermischen Simulation auf Basis der Gebäudehüllflächen werden Wärmeverluste durch Transmission und Lüftung sowie solare und innere Gewinne durch Personen und Geräte berücksichtigt. Wie präzise dies geschieht, differiert von Programm zu Programm. Um den Eingabeaufwand zu minimieren, werden jedoch meist Vereinfachungen vorgenommen, etwa einheitliche Raum-/Gebäudezonen oder konstante U-Werte für alle Gebäudebauteile.

Bei der Bestimmung der Wärmebedarfs-Stundenwerte werden typische nutzungsspezifische Tagesverläufe (Wohnen, Büro, Gewerbe etc.) ebenso berücksichtigt, wie Klimadaten für den jeweiligen Standort, Verluste eines Pufferspeichers und / oder eines des Nahwärmenetzes. Als Ergebnis erhält man den gesamten Wärmebedarf für Heizwärme, Trinkwasser­erwärmung und Prozesswärme sowie die maximale Wärmelast. Auch der Strombedarf wird über Stromverbraucher auf Stundenbasis über ein Kalenderjahr mehr oder weniger individuell simuliert.

Werden alle während eines Jahres erforderlichen Leistungen nach Größe und Dauer sortiert und grafisch dargestellt, ergibt sich die objektspezifische Jahresdauerlinie , die für die BHKW-Auslegung und -Dimensionierung eine zentrale Rolle spielt. Nachdem die Betriebsweise des BHKW (wärme- oder stromgeführt etc.) bestimmt, ein BHKW-Modell und ggf. ein Spitzenlastheizkessel aus der Datenbank ausgewählt wurde, kann die Simulation gestartet werden.

Ausgegeben werden in den gewünschten Zeitschritten die Wärme- und Stromproduktion, die Laufzeit, der Brennstoffverbrauch, die Kosten- und Schadstoffbilanz, der thermische Deckungsanteil und weitere Parameter. Werden einzelne Anlagekomponenten verändert, können Varianten verglichen und damit die BHKW-Anlage nach ökonomischen oder ökologischen Gesichtspunkten optimiert werden.

Stichwort Wirtschaftlichkeit – sie wird von mehreren Faktoren beeinflusst: den Investitions- und Brennstoffkosten, den Betriebsstunden, den Servicekosten, den Kosten/Erlösen für (nicht)bezogenen/eingespeisten Strom, der rückerstatteten Energie- und Stromsteuer sowie staatlichen Förderungen. Je günstiger der Anschaffungs- und Instandhaltungspreis und je höher die Arbeitspreise für nicht in Anspruch genommenen Strom und je günstiger die Brennstoffpreise sind, desto wirtschaftlicher kann die Anlage betrieben werden. Zu den Ergebnissen der Wirtschaftlichkeitsberechnung zählen Wärmegestehungskosten, aufgeteilt nach Grund- und Arbeitspreis, die Stromkosten sowie ein Vergleich mit konventionellen Heizungssystemen und Strombezug aus dem Netz. Darüber hinaus sind teilweise auch Wirtschaftlichkeitsvergleiche mit alternativen BHKW-Anlagen möglich.

Keine Simulation ohne Fachwissen

Wirtschaftlich interessant wird die Kraft-Wärme-Kopplung bei kleinen Anlagen und den ­momentanen Förderanreizen erst, wenn ausreichende Laufzeiten erzielt und der produzierte Strom nicht vollständig eingespeist, sondern möglichst vollständig selbst verwendet wird. Für eine rentabel arbeitende Anlage, werden an die Planung und an den Planer besondere Anforderungen gestellt. Dabei ist nicht nur besondere Sorgfalt bei der Auslegung der elektrischen und thermischen BHKW-Leistung, des Spitzenlastheizkessels, der Pufferspeichergröße und gegebenenfalls zusätzlicher Energiesysteme und Anlagenkomponenten erforderlich. Die BHKW-Planung erfordert zusätzlich eine intensive Auseinandersetzung mit dem mehr oder weniger bedienungsfreundlichen Programm, mit den teilweise noch in der Entwicklung befindlichen Regelstrategien für KWK-/BHKW-Anlagen sowie mehreren Gesetzen, die sich häufig ändern. Marian Behaneck

Quellen und Literaturhinweise

[1] VDI 3985 Grundsätze für Planung, Ausführung und Abnahme von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen mit Verbrennungskraftmaschinen, Beuth-Verlag, Berlin, März 2004.

[2] VDI 4656 Planung und Dimensionierung von Mikro-KWK-Anlagen, Berlin: Beuth-Verlag, April 2011, Entwurf.

[3] VDI 4655 Referenzlastprofile von Ein- und Mehrfamilienhäusern für den Einsatz von KWK-Anlagen. Berlin: Beuth Verlag, Mai 2008

[4] Krawinkler, R.: Mini- und Mikro-Blockheizkraftwerke, Technologiebeschreibung, Standortplanung mittels Planungs­software BHKW-Plan und Ausblick auf die weitere Umsetzung dieser Technologie. Wien: TU Wien, 2006

[5] Schaumann, G.; Schmitz, K.W. (Hrsg.): Kraft-Wärme-Kopplung (VDI-Buch), Springer-Verlag, Heidelberg 2010

Programme und Anbieter (Auswahl)

BHKW-Plan / MiniBHKW-Plan, http://www.minibhkw.de

DK-Integral, http://www.dk-integral.de

CO2PRA, http://www.valentin.de

EnergyPro, http://www.emd.dk

Home Energy Simulator, http://www.eutech-scientific.de

Software VDI 4656, http://www.vdi.de, http://www.eutech-scientific.de

TRNSYS, http://www.transsolar.com

Weitere Infos (Auswahl)

https://www.blockheizkraftwerk.org/ BHKW-Verbraucherportal

BHKW-Beratung und -Infos

http://www.bhkw-infozentrum.de BHKW-Informationszentrum

https://www.bkwk.de/startseite-bkwk/ Bundesverband KWK

http://www.kwk24.de KWK-/BHKW-Forum und Blog

Mehr Infos zum Thema im TGAdossier Mini-KWK: Webcode 716

TGA-Planer: Für die Dimensionierung und Planung einer BHKW-Anlage sind hochaufgelöste Daten für den Wärme- und Strombedarf eine Grundbedingung. Zudem muss geprüft werden, ob innerhalb der Nutzungszeit / Amortisationszeit Änderungen an den Lastprofilen bereits absehbar sind.

Anlagenbauer: Damit ein richtig dimensioniertes BHKW auch die geplante Laufzeit erreicht, sind eine sorgfältige hydraulische und regelungstechnische Integration und eine Datenaufzeichnung zur Optimierung erforderlich. Um den fast immer erforderlichen Pufferspeicher auszunutzen, muss die Heizungsanlage hydraulisch abgeglichen sein.

Bauherren: An den Kosten für die BHKW-Planung sollte man nicht sparen. Bei einem stetigen Wärmebedarf kann sich ein gut ausgelegtes BHKW schnell amortisieren und die Betriebskosten deutlich senken. Ein schlecht ausgelegtes BHKW rechnet sich eventuell nie.

…bezeichnet einen thermodynamischen Prozess, bei dem in einer technischen Anlage aus Brennstoffen (fossil oder biogen) gleichzeitig mechanische Energie, die in elektrischen Strom umgewandelt wird, und thermische Energie für Heizzwecke gewonnen werden. Das Besondere ist der Gesamtwirkungsgrad von rund 90 %, der aus der kombinierten Erzeugung von Strom und Wärme und der Wärmenutzung direkt vor Ort resultiert. Blockheizkraftwerke (BHKW) setzen die Kraft-Wärme-Kopplung technisch um. Der dabei als Antriebsaggregat offerierte Otto-, Diesel-, Stirling- oder Dampfmotor unterscheidet sich hinsichtlich der Gerätetechnik, den nutzbaren Brennstoffen, dem elektrischen Wirkungsgrad der Lärmemission oder dem Wartungsaufwand teilweise erheblich. Auch die vor der Marktverfügbarkeit stehenden Brennstoffzellen­-Heizgeräte werden zu den BHKWs gezählt, sie arbeiten jedoch ohne mechanische Zwischenstufe und wandeln die chemische Reaktionsenergie des zugeführten Brennstoffes mithilfe eines Oxidationsmittels in elektrische Energie. Die marktverfügbare BHKW-Leistung liegt zwischen 1 und 5000 kW_el. Bei einer Leistung unter 50 kW_el spricht man auch von Mini-BHKWs, unter 15 kW_el von Mikro-BHKWs. In der TGA/SHK-Branche erfolgt die Grenzziehung mitunter für Mini-BHKWs bei 20 oder sogar nur 5 kW_el für Mikro-BHKWs bei 1 kW_el.