BHKW-Planung: Erst simulieren, dann installieren

11.09.2013 | Veröffentlicht in Ausgabe 09-2013 | Druckvorschau

Wirkungsgrade von 90 % und mehr versprechen Anbieter von Mini- und Mikro-Blockheizkraftwerken. Damit die Anlagen rentabel betrieben werden können, müssen sie besonders sorgfältig dimensioniert werden. Spezielle Simulationsprogramme unterstützen die BHKW-Planung.

Aufgrund kompakter Abmessungen werden Mini- und Mikro-Blockheizkraftwerke (BHKW) von den Herstellern zunehmend als Alternative zur getrennten Strom- und Wärmeerzeugung auch für Mehrfamilienhäuser beworben. Rein physikalisch betrachtet, sprechen die Fakten für sich: während konventionelle, zentrale Kraftwerke lediglich Wirkungsgrade zwischen 30 und 60 % erzielen, nutzt die Blockheizkraftwerken zugrunde liegende Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) die eingesetzte Primärenergie zu 80 bis über 90 % – vorausgesetzt Strom und Wärme werden ohne Leistungsverluste direkt an Ort und Stelle genutzt. Dank hoher Brennstoffnutzungsgrade kann der Einsatz an Primärenergie im Vergleich zur getrennten Strom- und Wärmeerzeugung um etwa ein Drittel gesenkt werden.

Sorgfältig planen für wirtschaftlichen Betrieb

Der Teufel steckt, wie so häufig, im Detail. Besonders kritisch ist bei Blockheizkraftwerken eine Überdimensionierung, weil dann der Wirkungsgrad sinkt. BHKWs müssen möglichst lange Laufzeiten erreichen, um wirtschaftlich arbeiten zu können. Mindestens 3000 bis 4000 Volllaststunden pro Jahr gelten als Untergrenze, mehr als 6000 Volllaststunden als Zielgröße. Das setzt auch außerhalb der Heizperiode einen ausreichenden Wärmebedarf voraus, z. B. für Warmwasser, Prozesswärme oder Trocknungsprozesse. Für einen Großteil der gewöhnlichen Einfamilienhäuser lohnt sich ein BHKW in der Regel nicht – erst recht nicht für einen Neubau nach EnEV- oder Passivhaus-Standard. Hinzu kommt, dass beliebig kleine Leistungen mit hohem Wirkungsgrad bisher kaum erhältlich sind. Auch deshalb blieb der Einsatz kleinerer BHKW-Anlagen bisher vor allem auf Objekte mit großem Warmwasserbedarf beschränkt, wie etwa Gewerbebetriebe, Hotels, Krankenhäuser oder Schwimmbäder.

Angeregt durch den Erfolg der Wärmepumpen-Technik, versucht die BHKW-Branche jetzt auch im Massenmarkt für Wohngebäude Fuß zu fassen. Mikro-KWK-Anlagen gelten als ideal für Mehrfamilienhäuser mit mehreren Wohneinheiten. Allerdings spielt die richtige Dimensionierung, Konfiguration und Planung für den wirtschaftlichen Betrieb eine entscheidende Rolle: Wird ein BHKW zu klein ausgelegt, können Energieeinsparungspotenziale nicht optimal ausgeschöpft werden. Eine zu groß dimensionierte Anlage muss dagegen häufig im Teillast- oder Taktbetrieb arbeiten, was den Wirkungsgrad verschlechtert. Das ständige An- und Herunterfahren der Anlage im Taktbetrieb verringert außerdem die Anlagen-Lebensdauer.

Neben dem Gebäudekonzept oder den jeweiligen Klimadaten müssen auch das Nutzungsprofil sowie alle Systemkomponenten (BHKW, Speicher, Zusatzheizung) aufeinander abgestimmt sein. Da sich die elektrischen und thermischen Lasten in Wohngebäuden und kleinen Gewerbebetrieben im Tages- und Jahresverlauf erheblich ändern, müssen BHKW-Anlagen so ausgelegt werden, dass sie diesen wechselnden Bedingungen ebenso genügen wie den Anforderungen an Energieertrag, Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit der Anlage sowie an den Komfort der Bewohner bzw. Nutzer. Um dies zu gewährleisten und auch um individuellen Randbedingungen und Nutzungsprofilen gerecht zu werden, sollten BHKW-Anlagen daher individuell ausgelegt werden.

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. Zudem sollte geprüft werden, ob innerhalb der Nutzungs-/Amortisationszeit Änderungen an den Lastprofilen absehbar sind. Bei Altbauten wird der Jahreswärme- und -stromverbrauch über Abrechnungen präzise ermittelt. Bei Neubauten muss der Wärme- und Strombedarf für jede Stunde des Jahres simuliert werden.

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

Bei der Bestimmung der Wärmebedarfs-Stundenwerte werden typische nutzungsspezifische Tagesverläufe (z. B. Wohnen, Büro, Gewerbe) ebenso berücksichtigt wie Klimadaten für den jeweiligen Standort, Verluste des Speichers oder des Nahwärmenetzes. Als Ergebnis erhält man den gesamten Wärmebedarf für Heizwärme, Brauchwassererwärmung 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 (wärme- oder stromgeführt) bestimmt, ein BHKW-Modell und ggf. ein Spitzenlastkessel 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 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 oder Erlösen für nicht bezogenen bzw. eingespeisten Strom, der rückerstatteten Energie- und Stromsteuer sowie staatlichen Förderungen. Je günstiger der Anschaffungs- und Instandhaltungspreis, 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.

Welche Berechnungshilfen gibt es?

Für die Berechnung werden unterschiedliche mehr oder weniger präzise Berechnungshilfen angeboten. Will man Anlagen individuell auslegen, allen Wechselwirkungen zwischen den Systemkomponenten gerecht werden und realistische Wirtschaftlichkeitsprognosen erstellen, sind zeitlich hochaufgelöste Simulationen erforderlich. Das setzt eine spezielle Software voraus, da eine manuelle Berechnung zu zeitaufwendig, fehleranfällig und unwirtschaftlich wäre. Folgende, BHKW-herstellerunabhängige Programme unterstützen die Planung:

Zu den Pionieren, da bereits 1997 konzipiert, gehört BHKW-Plan von Steinborn innovative Gebäude-Energieversorgung. Das Programm liefert Aussagen zur Auslegung, Laufzeit und Wirtschaftlichkeit von BHKW-Anlagen von 1 kW bis mehreren MW für ganze Siedlungen oder Gemeinden. Das daraus entwickelte MiniBHKW-Plan ist auf Mini- und Mikro-Anlagen mit bis zu sechs Modulen für Ein- und Mehrfamilienhäuser spezialisiert. Neben Verbrennungsmotoren können auch Stirling- und Dampfmotoren, Gasturbinen und Brennstoffzellen berechnet werden. Simuliert wird die Wärme- und Stromproduktion mehrerer Module in Stunden-, teilweise auch Minutenschritten, unter Berücksichtigung des Speicherbetriebes sowie des Spitzenkessels. Zu den weiteren Funktionen gehören Wirtschaftlichkeitsvergleiche, eine Schadstoffbilanz, eine Berichterstellung und mehr.

CO2PRA von Dr. Valentin EnergieSoftware 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-, Brauchwasser- und Prozesswärmebedarfs. Simuliert wird der stündliche Verlauf des Betriebszustandes der Anlage mit den dazugehörigen Lastgängen. Jährliche Betriebsstunden der BHKW-Module werden ebenso ermittelt, wie die Energie-, Kosten- und Schadstoffbilanz. Variantenvergleiche berücksichtigen Laufzeiten, Stromeinspeisungen oder Brennstoffkosten.

EnergyPRO vom dänischen Hersteller A/S ist eine 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. Aber auch Wärmepumpen, Kälteanlagen, Photovoltaik, Solarthermie, Windenergie und Stromspeicher können in die Berechnungen eingebunden und im Detail simuliert werden.

Home Energy Simulator von EUtech Scientific Engineering 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 Photovoltaikanlagen. Zu den Ergebnisdaten zählen die Wärme- und Stromgenerierung, Anlagenbetriebsdaten, Nutzungsgrade, Vollbenutzungsstunden, CO₂-Emissionen, Investitions- und Betriebskosten, eine Wirtschaftlichkeitsanalyse. Für Simulationen von KWK-Geräten ist die VDI-4656-Software (siehe unten) aus gleichem Hause modular eingebunden.

Auch die KWK Simulation von Hottgenroth Software dient der Auslegung, Simulation und Optimierung von KWK-Anlagen. Nach der Ermittlung des Heizenergiebedarfs und anderer Basisdaten bzw. der Übernahme von Gebäudedaten, die mit dem hausinternen CAD-Modul aufgenommenen wurden, können technische Parameter in stündlicher Auflösung simuliert werden. Dabei werden unter anderem Klima- und Gebäudedaten sowie Nutzungsprofile berücksichtigt. Die KWK-Simulation liefert quantitative Aussagen zur BHKW-Leistung, Laufzeiten, Brennstoffeinsparung und Stromerlösen. Sie simuliert den Betrieb der BHKW (von 4 kW bis 50 kW) sowohl mit fossilen Brennstoffen als auch mit Biogas, Bioerdgas und Rapsöl. Alle Ergebnisse und Nachweise lassen sich als Dokument für die Beratung ausdrucken.

Mit den Richtlinien VDI 3985 [1] und VDI 4656 (Entwurf) [2] hat der Verein Deutscher Ingenieure zwei Regelwerke für die Planung, Ausführung und Abnahme von KWK-Anlagen sowie für die Planung und Dimensionierung von Mikro-KWK-Anlagen herausgegeben. Während die VDI 3985 für große Wärme-Kopplungsanlagen im Megawattbereich konzipiert ist, konzentriert sich die VDI 4656 auf Mikro-KWK-Anlagen mit einer Heizleistung bis 70 kW für den Einsatz in Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie Kleingewerbebetrieben.

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, 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 Systemen.

Neben den vorgestellten Programmen gibt es auch herstellerspezifische Berechnungswerkzeuge für Fachplaner, Energieberater, Heizungsinstallateure und potenzielle Betreiber (z. B. EcoGen von Brötje, Vaillant planSOFT oder EnergieSparCheck von Viessmann) sowie Online-Rechner für eine erste Ertragsabschätzung (beispielsweise http://www.energieagentur.nrw.de/bhkwrechner ).

Die Preise für die oben beschriebenen Simulationswerkzeuge liegen zwischen 100 (VDI 4656), mehreren Hundert (CO2PRA, MiniBHKW-Plan etc.) und über 1000 Euro (BHKW-Plan). Etwas teurer sind Lösungen, die das Blockheizkraftwerk als Teil eines Gesamtsystems verstehen (z. B. DK-Integral). Sie sind dann sinnvoll, wenn es um besondere Nutzungen, besondere Raum- oder Gebäudeformen und die Wechselwirkungen zwischen mehreren Konzepten zur Heizung, Kühlung oder Stromgewinnung geht.

BHKW-Planung setzt Fachwissen voraus

Auch für Mehrfamilienhäuser wird die Kraft-Wärme-Kopplung zunehmend zu einer Alternative zu Wärmepumpen. Wirtschaftlich interessant wird sie allerdings erst dann, wenn ausreichende Laufzeiten erzielt und der produzierte Strom größtenteils selbst verbraucht wird – etwa für Produktionsanlagen im gewerblichen oder für Elektroautos im privaten Bereich. Soll die Anlage wirtschaftlich arbeiten, werden an die Planung besondere Anforderungen gestellt. Dabei ist nicht nur besondere Sorgfalt bei der Auslegung der elektrischen und thermischen BHKW-Leistung, des Spitzenlastkessels, der Größe des Speichers und gegebenenfalls zusätzlicher Energiesysteme und Anlagenkomponenten erforderlich. Die BHKW-Planung erfordert zusätzlich eine intensive Auseinandersetzung mit der zugrunde liegenden, teilweise noch in der Entwicklung befindlichen Technik, den Förderbedingungen sowie den gesetzlichen Vorgaben.

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. Beuth Verlag, Berlin, Mai 2008

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

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

Info

Als „Kraft-Wärme-Kopplung“ (KWK) …

… bezeichnet man einen thermodynamischen Prozess, bei dem in einer technischen Anlage aus fossilen oder biogenen Brennstoffen gleichzeitig mechanische Energie, die in elektrischen Strom umgewandelt wird, und thermische Energie beispielsweise für Heizzwecke gewonnen wird. Das Besondere ist der Gesamtwirkungsgrad von rund 90 %, der aus der kombinierten Nutzung von Strom und Wärme und deren Einsatz direkt vor Ort resultiert. Blockheizkraftwerke (BHKW) setzen die Kraft-Wärme-Kopplung technisch um. Die als Antriebsaggregat benutzte Otto-, Stirling-, Dampfmotor- oder künftig auch BrennstoffzellenTechnologie unterscheidet sich hinsichtlich der Gerätetechnik, den nutzbaren Brennstoffen, der Lärmemission oder dem Wartungsaufwand teilweise erheblich. Die Leistung konventioneller Blockheizkraftwerke 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-Branche liegt die Grenze für Mini-BHKWs meist bei 20 oder gar nur 5 kW_el, für Mikro-BHKWs bei 1 kW_el.