Lastmanagement mit Block­heiz­kraft­werk

Block­heiz­kraft­werke (BHKW) sind mittlerweile weit verbreitet, sei es im privaten Bereich zur Beheizung von Wohnanlagen oder in der Industrie zur Versorgung energieintensiver Prozesse. In gängigen BHKW treibt ein Verbrennungsmotor einen elektrischen Generator an. Die Abwärme des Verbrennungsmotors wird dabei zur Unterstützung der Wärmeversorgung vor Ort genutzt. Block­heiz­kraft­werke gehören zu den so genannten Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen: Da neben der Nutzwärme auch elektrischer Strom erzeugt wird, besitzen BHKW einen günstigen Gesamt­wirkungsgrad. Die zusätzliche Integration eines Wärmespeichers ermöglicht eine flexiblere Nutzung des BHKW. So lassen sich gezielt Lastspitzen im Stromverbrauch und damit Kosten reduzieren, auch wenn gerade kein Wärmebedarf vorhanden ist.

Am Fraunhofer IISB in Erlangen wurde bei der jüngsten räumlichen Erweiterung unter anderem ein erdgasbetriebenes Block­heiz­kraft­werk in die Infrastruktur des Instituts integriert, was sowohl den Bedarf an Fernwärme als auch den externen Strombedarf reduziert. Bei einem typischen BHKW in einem Industriebetrieb erfolgt die Auslegung wärmegeführt. In der Regel wird dazu die Wärmegrundlast des Versorgungs­bereichs als Massstab herangezogen, um eine möglichst hohe Jahreslaufzeit des BHKW zu erreichen. Die zusätzliche Erweiterung der Anlage am IISB um einen Wärmespeicher ermöglicht die zeitliche Entkopplung von Wärme­erzeugung und Wärme­verbrauch. Da sich überschüssige Wärme relativ unkompliziert speichern lässt, wird generell der Betrieb des Block­heiz­kraft­werks flexibilisiert und die Jahreslaufzeit gesteigert. So können komplexe Betriebs­strategien erprobt werden, was zusätzlich eine erhebliche Senkung der Amortisations­zeit ermöglicht.

Ein wesentlicher Forschungs­bereich am Fraunhofer IISB ist die Optimierung der energetischen Infrastruktur von Betrieben im Industriemassstab. Da das Institut neben Büroräumen auch klimatisierte Reinräume und Labore mit grossen Energieverbrauchern betreibt, ist es hervorragend als Demonstra­tions­plattform für mittel­ständische Unternehmen geeignet. Die Optimierungs­mass­nahmen sind hierbei nicht nur auf die einzelnen vorhandenen Energiesektoren – Wärme, Strom und Kälte – bezogen, sondern haben über eine Kopplung der verschiedenen Sektoren auch das Gesamt­energiesystem im Blick.

Geringere Lastspitzen, geringere Kosten

Neben der üblichen Nutzung eines dezentralen Block­heiz­kraft­werkes zur Verringerung des Fremdbedarfs an Energie wird die Anlage am IISB auch zur Reduktion von elektrischen Lastspitzen verwendet. Als Lastspitze wird ein temporär auftretender hoher Strombedarf bezeichnet. Eine Reduktion dieser Lastspitzen ist sinnvoll, da Versorgungs­netzbetreiber den Industrie­unternehmen oftmals Stromtarife anbieten, bei denen ein Leistungspreis in Rechnung gestellt wird. Dieser berechnet sich anhand des grössten Leistungs­bezugs im betrachteten Abrechnungs­zeitraum. Eine Reduktion dieser Spitzen senkt deshalb deutlich die Stromkosten.

Am IISB wurde eine Betriebsstrategie entwickelt, um durch den Betrieb des Block­heiz­kraft­werkes den Fremdbedarf an elektrischer Energie speziell im Lastspitzenfall zu verringern. Die Idee ist, dass im Normalbetrieb ein Teil der Kapazität des Wärmespeichers zurückgehalten wird. Das stellt im Fall des Auftretens einer Lastspitze sicher, dass das Block­heiz­kraft­werk auch bei fehlendem Wärmebedarf für eine zuvor definierte Mindestdauer betrieben werden kann. Die überschüssige Wärme wird dabei in den Puffertanks zwischen­gespeichert. Unabhängig vom wärme­geführten Normalbetrieb kann so das Block­heiz­kraft­werk auch kurzfristig zu elektrischen Hochlastzeiten betrieben werden.

Batterie für Anfahrvorgänge

Besonders Block­heiz­kraft­werke ohne Vorheizsystem benötigen einige Minuten, um aus dem Bereitschaftszustand ihre Nennleistung zu erreichen. Deshalb ist die Kombination mit einem Batteriesystem sinnvoll. Das Batteriesystem kann den Anfahrvorgang des Kraftwerkes überbrücken, es bei Spitzenlasten unterstützen sowie kleine Lastspitzen selbstständig abdecken. Im Vergleich zu Reduktions­strategien, die nur auf einem elektrischen Batterie­speicher basieren, spart die Verknüpfung von Block­heiz­kraft­werk, Batterie und Wärme­speicher zusätzlich Investitionskosten bezüglich der Batteriekapazität. Während elektrische Batteriespeicher hohe Kosten im Bereich von 500 € pro kWh aufweisen, ist das thermische Äquivalent für etwa ein Zehntel des Preises erhältlich.

Die richtige Anlagen­dimensio­nierung

Um ein optimales Zusammenspiel der energie­technischen Anlagen zu gewährleisten, ist eine geeignete Dimensio­nierung essenziell. Am IISB wurden Auslegungs­algorithmen entwickelt, mit denen Batteriespeicher, Block­heiz­kraft­werk und thermischer Speicher für eine Last­spitzen­reduktions­anwendung individuell dimensioniert werden können. Anhand dieser Simulationen kann die Dimensionierung für verschiedene Anlagen und Unter­nehmen vorgenom­men werden. Wichtige Einfluss­grössen sind neben den Investitions­kosten und dem Leistungspreis des Stromanbieters auch die Verlaufsdaten der elektrischen Last des Nutzers, um die Höhe und die Dauer zukünftiger Lastspitzen abschätzen zu können. Über die Algorithmen kann nicht nur eine Empfehlung zur Dimensio­nierung der Anlagen abgeleitet werden. Ebenso ist es möglich, das Einspar­potenzial, das durch ein intelligentes Last­mana­gement mit einem Block­heiz­kraft­werk erreicht werden kann, abzuschätzen.