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Für das Gelingen der Wärmewende und des von Klimaschutzminister Robert Habeck eingeforderten Wärmepumpenhochlaufs gilt es mannigfaltige Herausforderungen zu lösen. Welche Chancen in diesem Zusammenhang eine Kombination von Wärmepumpe und Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) eröffnet, wird im folgenden Beitrag erörtert.
Wissen schaffen für klimafreundliche Energietechnik : das Erfolgsgeheimnis der Kraft-Wärme-Kopplung
(2017)
Als hocheffiziente Energieerzeugungstechnologie spielt die KWK eine wichtige Rolle bei der Energiewende und dem Klimaschutz. Gerade für den Gebäudebereich und Unternehmen kann die KWK eine wirtschaftliche und umweltschonende Möglichkeit sein, Strom und Wärme zu erzeugen. Für die Planung, Umsetzung und den Betrieb von KWK-Anlagen werden fachkundige Handwerke und Ingenieure gebraucht. Aus diesem Grund hat das Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft in den Jahren 2015 und 2016 zusammen mit dem Handwerkstag Baden-Württemberg ... den Qualifizierungskurs "Kraft-Wärme-Kopplung - Kompetenz für den Wärme- und Energiemarkt von heute und morgen" durchgeführt... Aufgrund des Erfolges der Seminarreihe wird diese auch 2017 ff. fortgesetzt.
Am Beispiel von zwei Unternehmen mit stark unterschiedlichen Strom- und Wärmebedarfswerten zeigt sich, dass aufgrund einer Amortisationszeit im günstigsten Fall von etwa 2 Jahren der Einsatz von Blockheizkraftwerken in jedem Fall wirtschaftlich lohnenswert ist. Dabei wird deutlich, dass die Auslegung des Blockheizkraftwerkes stark von den Strom- und Wärmebedarfswerten abhängt und dass der Pufferspeicher keinesfalls zu klein ausgelegt werden sollte. Das gute wirtschaftliche Ergebnis gilt bereits für den standardmäßig eingesetzten wärmegeführten Betrieb des Blockheizkraftwerkes, wobei eine intelligente stromoptimierte Steuerung mit Lastspitzenmanagement die Wirtschaftlichkeit weiter verbessert. Grundsätzlich ist darauf zu achten, dass Blockheizkraftwerke auf einen längerfristigen Betrieb ausgelegt sind. Bei jährlichen Betriebszeiten von 4.000 Stunden bis 8.000 Stunden ergibt sich ein Betrieb des Blockheizkraftwerkes über 6 bis 12 Jahre.
Der elektrische Wirkungsgrad stellt eines der wichtigsten Bewertungskriterien für BHKW dar, da über diese Größe ausgedrückt wird, wie viel des Wertproduktes „elektrische Energie“ bezogen auf die eingesetzte oder aufzuwendende Brennstoffenergie produziert werden kann. Ein hoher elektrischer Wirkungsgrad ist somit gleichbedeutend mit hohen Erlösen aus dem Verkauf der erzeugten elektrischen Energie und damit eine grundlegende Voraussetzung für einen wirtschaftlichen Betrieb eines BHKWs. Folglich sind die Hersteller von BHKW bestrebt, den elektrischen Wirkungsgrad ihrer Geräte kontinuierlich zu verbessern und nach oben zu treiben. Dieses Bemühen zeigt sich eindrucksvoll an der Entwicklung der mechanischen Effizienz von Gasmotoren der Firma GE Jenbacher. Während mit Motoren der Baureihe 6 im Leistungsbereich 1,8 – 4,4 MWel im Jahr 1988 eine mechanische Effizienz von 34% erreichbar war, liegt dieser Wert mittlerweile bei etwa 47,5%. Diese enorme Steigerung konnte im Wesentlichen durch eine Erhöhung des mittleren effektiven Zylinderarbeitsdrucks von etwa 10 bar im Jahr 1988 auf derzeit 24 bar erzielt werden. Dabei hilft der Magerbetrieb, der gleichzeitig ein Zurückdrängen der NOx-Emissionen bewirkt, die Klopfgrenze zu höheren Drücken hin zu verschieben. Eine sichere Zündung des Gas-Luft-Gemisches wird durch die Vorkammerzündung erreicht.
Die zunehmende erneuerbare Stromerzeugung erfordert Anstrengungen, um den Angebotsschwankungen und der Verteilungsproblematik entgegen zu wirken. Eine dezentrale und am Bedarf orientierte Stromerzeugung mittels Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) kann einen wesentlichen Beitrag leisten, um diese Schwankungen auszugleichen und die Netze zu entlasten. Zu diesem Zweck ist aber ein Steuerungssystem für die KWK-Anlagen erforderlich, das sowohl für die Deckung des Wärmebedarfs im Objekt sorgt, als auch gewährleistet, dass die elektrische Energie genau zu den Zeiten erzeugt wird, zu denen sie im Objekt benötigt wird. Die Entkopplung von Stromerzeugung und Deckung des Wärmebedarfs kann dabei über den standardmäßig vorhandenen Wärmespeicher erfolgen. Dieser stellt damit das zentrale Element der Gesamtanlage dar, für die das Steuerungssystem zur Eigenstromoptimierung im Rahmen des Forschungsvorhabens entwickelt und erprobt werden soll.
Im Rahmen des vorliegenden Zwischenberichtes werden die Ergebnisse des 2. des auf insgesamt drei Jahre angelegten Forschungsprojektes vorgestellt. Im Einzelnen sind die Themen Prognose, Bestimmung des Energieinhaltes im Wärmespeicher, stromoptimiertes Steuerungssystem, Aufbau der Feldtestanlagen, Simulation und sozialwissenschaftliche Begleitforschung beschrieben.
Bei den umfangreichen Arbeiten zur Wärme- und Strombedarfsprognose hat sich gezeigt, dass die naive Prognose, die auf der Übernahme der Daten der Vortage beruht, aufgrund des starken Einflusses des individuellen Nutzerverhaltens eine nur schwer zu verbessernde Vorhersagegüte aufweist. Zur Bestimmung des Energieinhaltes im Wärmespeicher wird eine Sigmoidfunktion zur Beschreibung des Temperaturverlaufs über der Speicherhöhe verwendet. Schwierig ist dabei die Anpassung der vier Funktionsparameter mit nur drei Temperaturmesswerten, was jedoch durch geeignete Randbedingungen erreicht werden kann. Das stromoptimierte Steuerungssystem verwendet die Wärmebedarfskurven bei minimalem und maximalem Energieinhalt des Wärmespeichers als Begrenzungen des Optimierungsbereiches, um so die Deckung des Wärmebedarfs zu jeder Zeit zu gewährleisten. Die zwei im Projekt zur Verfügung stehenden Feldtestanlagen wurden mit zusätzlicher Mess- und Steuerungstechnik nachgerüstet, um das entwickelte Steuerungssystem implementieren und testen zu können. Das Simulationsmodell ist im Hinblick auf verschiedene Speicherkonfigurationen erweitert und auf Basis am BHKW-Prüfstand der Hochschule gewonnener Versuchsdaten verifiziert worden, und im Zuge der sozialwissenschaftlichen Begleitforschung werden die Ergebnisse einer im Rahmen des Projektes angefertigten Studie zu den Hemmnissen der KWK vorgestellt.
- Verschiebung des KWK-Betriebs in die Phasen mit hohem Stromverbrauch
- Wärme- und Stromlastprognose
- Bestimmung des Wärmeinhaltes im Pufferspeicher
- Erstellung eines optimierten Fahrplans für das KWK-Gerät
- Ergebnisse von praktischen Anlagen im Feldtest
- Simulation der Temperaturen im Pufferspeicher im praktischen Betrieb von KWK-Anlagen
Die zunehmende erneuerbare Stromerzeugung erfordert Anstrengungen, um den damit verbundenen Angebotsschwankungen und der zusätzlichen Netzbelastung entgegen zu wirken. Eine dezentrale und am Bedarf orientierte Stromerzeugung mittels Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) kann hier einen wesentlichen Beitrag leisten, um eine sichere und konstante Stromversorgung zu gewährleisten und die Netze zu entlasten. Zu diesem Zweck ist jedoch ein Steuerungssystem erforderlich, das die KWK-Anlagen in die Lage versetzt, sowohl die Deckung des Wärmebedarfs im Objekt aufrecht zu erhalten, als auch die elektrische Energie genau zu den Zeiten zu erzeugen, in denen sie benötigt wird. Die Entkopplung von Stromerzeugung und Deckung des Wärmebedarfs kann dabei über den standardmäßig vorhandenen Wärmespeicher erfolgen. Dieser stellt damit das zentrale Element der Gesamtanlage dar, für die das Steuerungssystem zur Eigenstromoptimierung im Rahmen des Forschungsvorhabens entwickelt und erprobt wurde.
Der Wärmespeicher einer KWK-Anlage kann genutzt werden, um den Betrieb des BHKWs in die Zeiten des Stromverbrauchs zu verlagern. Die Ad-hoc-Zuschaltfunktion verbessert das Ergebnis gegenüber eines auf Basis von Prognosen erstellten Fahrplans. Zu beachten sind allerdings eine erhöhte Anzahl BHKW-Starts und erhöhte Wärmeverluste am Speicher. Die deutlich besten Ergebnisse werden für BHKW mit Leistungsmodulation erzielt.
Für die erfolgreiche Umsetzung der Energiewende in Deutschland ist die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) aufgrund ihrer hohen Effizienz und Flexibilität nicht mehr wegzudenken. Um die verfügbare Flexibilität einer KWK-Anlage unter Gewährleistung ihrer hohen Effizienz optimal nutzen zu können, ist an der Hochschule Reutlingen in mehrjährigen Forschungsarbeit ein prognosebasierter Steuerungsalgorithmus für Blockheizkraftwerke (BHKW) in Verbindung mit Wärmespeichern entwickelt worden.