Energiezentrale mit Regelungskompetenz

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1 Planungstipps für Mini-BHKW-Anlagen: Energiezentrale mit Regelungskompetenz Mini-Blockheizkraftwerke produzieren auf effiziente Weise aus einem Primärenergieträger Wärme und gleichzeitig elektrischen Strom. Das hat bereits der Autor des Beitrags Innovative Blockheizkraftwerke kleiner Leistung in der Ausgabe 1/06 deutlich gemacht. Da die Anlagen meist bivalent zusammen mit Gas-Brennwertgeräten betrieben werden, liefert die Kraft-Wärme-Kopplung im Kleinformat als Einzel- oder Kaskadenanlage die Wärmegrundlast. Moderne Mini-BHKWs können durch ihre fortschrittliche Regelung das Energiemanagement für das gesamte Heizungssystem übernehmen. Obschon die Installation von Mini-BHKWs einige Gemeinsamkeiten mit Gas-Heizkesseln aufweist, müssen für die Einbindung in das Heizsystem einige wichtige Fakten in die Planung einfließen. Darum geht es in diesem Artikel. Mini-BHKWs bieten im Vergleich mit konventionellen Wärmeerzeugern den entscheidenden Vorteil, dass sie nicht nur zu einer Optimierung der Betriebskosten beitragen, sondern darüber hinaus für den Betreiber Gewinn erwirtschaften. Der erzielbare Überschuss setzt sich aus den eingesparten Strombezugskosten samt Stromsteuer, der Vergütung für den eingespeisten Strom sowie der Rückerstattung der Mineralölsteuer zusammen. Da die Einsparung von Energiekosten aktuell bei der Auswahl des Heizsystems mehr denn je im Vordergrund steht, diskutieren Bauherren und Fachplaner bei der Suche nach dem optimalen Energiekonzept häufig intensiv über maximale Energieeffizienz und mögliche Alternativen. Trend zum modulierenden Betrieb Der Einsatz eines oder mehrerer Mini-BHKWs kann die Energiekosten eines Objektes um bis zu einem Drittel reduzieren. Gleichzeitig arbeiten die Hersteller kontinuierlich daran, die technischen Möglichkeiten der kleinen Kraftwerke sinnvoll auszuweiten. Eine umfassende, technische Unterstützung vonseiten des Herstellers trägt dazu bei, die Einbindung eines Mini-BHKWs in die Gebäudetechnik schnell und einfach zu realisieren. So entwickelt sich inzwischen auch bei diesen Geräten die stufenlose Leistungsanpassung, wie bei modernen Wärmeerzeugern längst gängig, zum Standard. Mini-BHKWs mit konstanter Motordrehzahl benötigen eine große Zahl von (Volllast-)Betriebsstunden und eine möglichst gleichmäßige Abnahme der Wärme, damit eine hohe Wirtschaftlichkeit erreicht werden kann. Daher beschränkte sich deren Einsatz vorwiegend auf Gebäude mit gleichbleibend hohem Wärmebedarf wie beispielsweise Krankenhäuser, öffentliche Freizeiteinrichtungen oder landwirtschaftliche Betriebe. Durch die stufenlose Anpassung der Wärmeproduktion über die Motordrehzahl gestatten Geräte mit Leistungsmodulation darüber hinaus auch den Einsatz unter Betriebsbedingungen, die im Tagesverlauf einen schwankenden Wärmebedarf erwarten lassen. Hierdurch werden die Einsatzmöglichkeiten dieser effizienten und Kosten sparenden Technik vor allem für Planer wesentlich erweitert. Drehzahlanpassung über den Generator Ziel des modulierenden Betriebes ist es, das Mini-BHKW so lange wie möglich in Betrieb zu halten und so einen hohen Jahresnutzungsgrad zu erreichen. So beruht beispielsweise das Regelungsprinzip des ecopower-mini-bhkws darauf, dass die Motordrehzahl direkt über die Last des Stromgenerators bedarfsabhängig angepasst werden kann. Damit entfallen mechanische Einrichtungen wie etwa Drosselklappen vollständig. Damit kann die hohe Geräteeffizienz auch im Teillastbetrieb beibehalten werden. Die Geräteleistung des ecopower-gerätes kann im Bereich von 4,0 12,5 kwth und 1,3 4,7 k Wel stufenlos moduliert werden. Regelungstechnisch wird das Mini-BHKW so in das Heizungssystem eingebunden, dass Führungsgrößen wie Vorlauf- oder Speichertemperatur direkt auf die Wärmeerzeugung wirken. Anstatt nur ein- oder auszuschalten, erzeugt das Gerät so viel Wärme wie nötig wobei es weiter Strom produziert. Daher ermöglichen modulierende Mini-BHKWs im Jahresverlauf auch eine deutlich höhere Stromproduktion als Geräte mit konstanter, nicht veränderbarer Motordrehzahl. Integrierte Heizungsregelung Mini-BHKWs werden in den meisten Fällen zur Deckung der Wärmegrundlast eines Objektes eingesetzt. Im bivalenten Betrieb wird das Gerät parallel zu einem Heizkessel eingebunden, der dann je nach Bedarf die Spitzenlasten abdeckt. Dieser kann direkt über die Mini-BHKW-Regelung angesteuert werden, sodass der parallelen Wärmeund Stromproduktion Vorrang 12 IKZ-FACHPLANER Heft 2 /2006

2 eingeräumt wird. Optimalerweise wird der Spitzenlastkessel anstelle eines einfachen Einschaltbefehls durch eine bedarfsabhängige Leistungsanforderung angesprochen, wodurch dieser ebenfalls im modulierenden Betrieb startet. Eine fortschrittliche Regelungstechnik garantiert so das bestmögliche Zusammenspiel von Leistungsmodulation und der Einbindung in das Heizsystem des Gebäudes. Berechnet wird die jeweils optimale Motordrehzahl des Mini- BHKWs dabei anhand der Außentemperatur (witterungsgeführt), der eingestellten Heizkurve und des zu erwartenden Strombedarfs. Günstig für einen effizienten Mini-BHKW-Betrieb sind niedrige Rücklauftemperaturen (bei ecopower min. 35 C, max. 60 C). Bei einem höheren Bedarf an elektrischer Energie wird die noch vorhandene Wärmeenergie idealerweise in einem Pufferspeicher aufgefangen. Falls diese Möglichkeit nicht besteht oder der Pufferspeicher geladen ist, geht die Leistungsmodulation aufgrund des niedrigen T von einem geringeren Wärmebedarf aus und regelt die Motordrehzahl herunter. Für die Wärme- und Stromerzeugung in größeren Leistungsbereichen können auch mehrere Mini-BHKWs parallel betrieben werden. Hierbei arbeitet eine Anlage als Master und übernimmt die Ansteuerung der anderen Geräte. Die Hauptkomponenten des erdgasbetriebenen ecopower-mini-blockheizkraftwerks mit Leistungsmodulation. Auslegung nach Wärmegrundlast Mini-BHKW-Anlagen werden üblicherweise so ausgelegt, dass sie die Grundlast sowohl des Wärme- als auch des Strombedarfs abdecken. Für die gekoppelte Erzeugung von Wärme und Strom gilt der Grundsatz: Je höher die jährliche Betriebsstundenzahl, desto mehr Strom wird produziert. Entsprechend schneller amortisiert sich die Investition. Hierbei ist zu beachten, dass der Stromeigenverbrauch im Objekt für den Betreiber wesentlich rentabler ist als die Einspeisung in das öffentliche Netz. Dies bedeutet, dass für die Auslegung sowohl der Wärme- und Warmwasserbedarf als auch die Kenndaten für die Stromproduktion (anhand der Grundlast-Verbrauchsdaten) herangezogen werden sollten. Empfohlen wird, ein Mini- BHKW so in das Heizkonzept zu integrieren, dass die maximale Wärmeleistung möglichst immer an das Heizsystem abgegeben werden kann. In diesem Punkt liegt das wesentliche Unterscheidungsmerkmal zur konventionellen Ein- oder Mehrkesselanlage und damit auch der Grund, weshalb ein Mini-BHKW nicht wie ein Heizkessel auszulegen ist. In einem Hotel können die kleinen Kraftwerke beispielsweise die konstant benötigte Wärme für das Schwimmbad oder den Wellnessbereich liefern, die Trinkwarmwasserversorgung für Zimmerduschen und Küche übernehmen und gleichzeitig auch den ständig anliegenden Strombedarf abdecken. Breites Anwendungsgebiet Die leistungsoptimierte Einbindung in das Heizsystem gestattet es, die Stromund Wärmeproduktion eines Mini-BHKWs den Schwankungen des Taglastprofils mit gleichbleibendem Wirkungsgrad anzupassen. Dabei beschränken sich die Einsatzmöglichkeiten für Mini- BHKWs bei weitem nicht nur auf Neubauten. Die kleine Kraft-Wärme-Kopplung eignet sich besonders für Modernisierungen. Die Einbindung in das Heizsystem erfolgt vorzugsweise dabei ebenfalls parallel, d.h. ein oder mehrere Geräte arbeiten auf einen Pufferspeicher. Vom Speicher wird die Wärme an die Heizkreise abgegeben. Die Warmwasserbereitung kann entweder über einen separaten indirekt beheizten Speicher oder durch einen Kombispeicher erfolgen. Aber auch bei der Erweiterung bestehender Gebäude oder bei einer Zunahme des Strom- und Wärmebedarfs aufgrund einer veränderten Nutzung stellt die Mini-BHKW-Technik eine in- Mini-BHKWs lassen sich in einem weiten Objektspektrum sowohl im Neubau als auch bei der Modernisierung einsetzen. Voraussetzung ist lediglich ein ausreichend hoher, ganzjähriger Strom- und Wärmebedarf. Heft 2 /2006 IKZ-FACHPLANER 13

3 teressante Alternative dar. Anstatt hierfür die gesamte Heizungsanlage zu erneuern, bietet sich an, zusätzlich ein oder mehrere Mini- BHKWs zur Anhebung des Heizungsrücklaufs einzusetzen. Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass bei der Nachrüstung nur geringfügige Anpassungen am bestehenden Heizungssystem erforderlich werden und diese daher Kosten sparend und ohne lange Stilllegungszeiten erfolgen kann. Gleichzeitig erleichtert der geringe Platzbedarf aufgrund der kompakten Abmessungen die nachträgliche Einbindung der anschlussfertigen Geräte. Gemeinsamkeiten mit Gas- Heizkesseln Ohnehin unterscheiden sich Mini-BHKWs installationstechnisch gesehen nicht wesentlich von einem gewöhnlichen Gas-Heizkessel. Unter der Voraussetzung, dass es sich beim zusätzlichen Spitzenlastkessel um ein Gas-Brennwertgerät handelt und vorbehaltlich des Einverständnisses des zuständigen Schornstein- Wirtschaftlichkeitsberechnung. Wirtschaftlichkeitsberechnung anhand des 4-Sterne-Superio-Hotels Thalfried im thüringischen Ruhla: Nachträgliche Installation von zwei ecopower-mini-bhkws nach Gebäudeerweiterung. Die BHKW-Betriebsweise ist wärmegeführt. Mit der gekoppelten Wärmeerzeugung (BHKW) wird die Wärmegrundlast abgedeckt. Für die Zeitabschnitte mit höherem Warmwasserbedarf wird ein zusätzlicher Spitzenlastkessel eingesetzt. Energiebedarf (Strom und Wärme) Wohn-/Nutzfläche 1458 m 2 Wärmebedarf Heizung Wärmebedarf Warmwasser Prozesswärmebedarf Gesamtwärmebedarf Strombedarf Wärmeenergie-Produktion kwh/a kwh/a kwh/a kwh/a kwh/a BHKW kwh/a Geräteleistung je: BHKW kwh/a 12,5 kw th Spitzenlastkessel Wärmeerzeugung gesamt Stromproduktion BHKW 1 BHKW 2 Stromerzeugung BHKW gesamt Laufzeit BHKW 1 Laufzeit BHKW kwh/a kwh/a kwh/a kwh/a kwh/a 8431 h/a 7464 h/a BHKW-Deckungsanteil Wärme 47,5 % Jahresnutzungsgrad 82,1 % (bezogen auf H o ) In den Wirtschaftlichkeitsvergleich fließen die durch den selbst erzeugten Strom eingesparten Stromkosten, die Vergütung für eingespeisten Strom sowie Steuervergünstigungen ein (eingesparte Stromsteuer und Mineralölrückerstattung). Wirtschaftlichkeitsvergleich Mini-BHKW mit Spitzenlastheizkessel Konventionelles Heizsystem und Strombezug aus der öffentlichen Energieversorgung Betriebskosten einschl. Kapitalkosten /a /a eingesparte Strombezugskosten 9468 /a eingesparte Stromsteuer 723 /a Stromeinspeisung inkl. KWK-Bonus 39 /a* Mineralölsteuerrückerstattung 1769 /a Gesamterlös /a Nettokosten 7096 /a /a Erwirtschafteter Überschuss einschl. Kapitalkosten 6538 /a Der Wirtschaftlichkeitsvergleich bezieht sich auf die beiden Mini-Blockheizkraftwerke ohne den zusätzlichen Spitzenlastkessel. Beurteilungsmaßstab: Das BHKW-System ist wirtschaftlich, wenn die Nettokosten gleich hoch oder niedriger sind als die des zum Vergleich herangezogenen konventionellen Heizsystems. * In diesem Objektbeispiel wird aufgrund des hohen Strombedarfs der durch das Mini-BHKW erzeugte Strom im Gebäude nahezu vollständig verbraucht (99,38 %). Entsprechend niedrig fällt die erwirtschaftete Einspeisevergütung aus. 14 IKZ-FACHPLANER Heft 2 /2006

4 4-Tages-Verlauf der Wärmeerzeugung eines Mini-BHKWs mit konstanter Drehzahl. 4-Tages-Verlauf der Wärmeerzeugung des ecopower-mini-bhkws mit Leistungsmodulation. fegermeisters, kann für Mini- BHKW und Kessel ein gemeinsames Abgassystem installiert werden. Die Verwendung von LAS-Systemen ist hierbei jedoch nicht zu empfehlen, da das Abgasrohr verbrennungsluftumspült ist und somit die dem Mini-BHKW zuströmende Frischluft vorgewärmt würde. Dies ist bei KWK-Anlagen allgemein von Nachteil, da der Verbrennungsmotor umso effizienter arbeitet, je kühler (und damit auch trockener) die Verbrennungsluft zugeführt wird. Mit demselben Effekt wäre zu rechnen, wenn das Mini-BHKW raumluftabhängig betrieben wird, die Luft also dem Aufstellraum entnommen würde. Um eine optimale Geräteleistung zu erzielen, wird daher empfohlen die Verbrennungsluftversorgung durch eine eigene Luftzuführung (Kanal, Rohrleitung) von außen herzustellen. Da beim Betrieb des Mini- BHKWs Vibrationen entstehen, sollten im Aufstellraum außerdem Maßnahmen zur Vermeidung von Körperschallübertragung getroffen werden. Daher ist es zweckmäßig, bauseitig ein für das Gewicht der Anlage geeignetes Fundament herzustellen. Das Gerät selbst wird auf Schwingungsdämpfer gestellt, deren Eigenschaften vom Hersteller vorgegeben werden. Produkt-Info: ecopower Mini-BHKW. Elektrische Leistung (je nach Luftdichte und Gasqualität) Thermische Leistung 1,3 bis 4,7 kw, modulierend 4,0 bis 12,5 kw, modulierend Gesamtwirkungsgrad konstant > 90% Variable Motordrehzahl Brennstoff Abgastemperatur < 90 C Abmessungen (Höhe x Breite x Tiefe in cm) Einsatzgebiete Hersteller Aufgrund der Vibrationen ist außerdem das Sichern gegen Verrutschen notwendig. Um solche Bewegungen notfalls auszugleichen und um Schallübertragung auf die angeschlossenen Rohrleitungen (Heizwasser, Gas, Zuluft) zu vermeiden, müssen die Leitungsanschlüsse mit flexiblen, zugelassenen Schläuchen ausgeführt werden. Im Heizraum oder in der Technikzentrale sollte darüber hinaus ausreichend Platz für die ungehinderte Durchführung von Wartungsarbeiten eingeplant werden. Fernüberwachung reduziert Wartungsaufwand Die Serviceintervalle sind je nach Hersteller und verwendetem Energieträger unterschiedlich. Beispielsweise muss die Wartung bei U/Min. Erdgas, Flüssiggas (Propan) 108 x 74 x 137 Große Ein- und Zweifamilienhäuser Mehrfamilienhäuser Gewerbebetriebe Hotels, Pensionen und Gasthöfe Fitnessstudios, Gesundheits- und Therapiezentren Pflege- und Seniorenwohnheime Kindergärten, Schulen und Sporthallen Verwaltungsgebäude Weitere Gebäude mit ganzjährigem Strom- und Wärmebedarf PowerPlus Technologies GmbH Fasaneninsel Gera Telefon: Web: Mail: info@ecopower.de einem gasbetriebenen, modulierenden Mini-BHKW etwa alle 4000 Betriebsstunden oder zumindest einmal jährlich erfolgen. Diese beschränkt sich in erster Linie auf den Verbrennungsmotor (Ölwechsel, Austausch von Öl- und Luftfilter, Erneuerung der Zündkerze, Abgasmessung). Die Arbeiten können von speziell geschultem SHK-Montagepersonal durchgeführt werden. Heft 2 /2006 IKZ-FACHPLANER 15

5 Einbindungsschema 1: Mini-BHKW und Spitzenlastkessel werden im Neubau oder bei der Umstellung des Energieträgers parallel eingebunden und versorgen zwei Heizkreise über einen Pufferspeicher. Der Betrieb eines Mini- BHKWs kann weiterhin durch eine entsprechende Software in Verbindung mit einem im Gerät integrierten Modem über das Telefonnetz überwacht werden. Ist der zusätzlich installierte Heizkessel ebenfalls mit der Möglichkeit zur Fernüberwachung ausgerüstet, können so für Mini-BHKW und Kessel von einer externen Servicestelle aus Betriebsdaten abgefragt, Einstellungen verändert oder Parameter und Software-Updates aktualisiert werden. Im Fall einer Störung meldet sich die Anlage selbsttätig bei der zuvor eingerichteten Servicestelle. Bestenfalls kann die Störung dann direkt per Fernüberwachung behoben werden. Sollte dennoch ein Serviceeinsatz notwendig sein, verfügt der Techniker schon vorab über alle relevanten Informationen und ist so bestens vorbereitet. Eingesparte Stromkosten und weniger CO 2 -Emissionen Die hohe Flexibilität von Mini-BHKWs aufgrund der Modulation bzw. des Parallelbetriebs mehrerer Anlagen gestattet den Einsatz in einem weiten Objektspektrum vom Neubau bis hin zu den verschiedenen Formen der Modernisierung. Anschaulich lassen sich die Vorzüge dieser fortschrittlichen Technik am besten im Rahmen eines Wirtschaftlichkeitsvergleichs darstellen. Im Info-Kasten findet sich daher eine entsprechende Berechnung anhand des Beispiels eines Hotels, in dem zwei Mini-BHKWs zur Unterstützung der Heizungsanlage nachgerüstet wurden. Diese liefern knapp 50 % des gesamten Wärmebedarfs und erreichen durch die Leistungsmodulation sehr hohe Gesamtlaufzeiten pro Jahr. Für den Betreiber war hierbei unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten vor allem interessant, dass der selbst erzeugte Strom zu einem hohen Anteil auch selbst genutzt wird. In das öffentliche Versorgungsnetz eingespeister Stromüberschuss wird zudem auf der Grundlage des KWK-Gesetzes vergütet. Die effiziente Erzeugung von Strom und Wärme nach dem Prinzip der Kraft- Wärme-Kopplung trägt darüber hinaus auch erheblich zur Verringerung der CO2-Emissionen bei. B i l d e r : PowerPlus Technologies GmbH, Gera Einbindungsschema 2: Nachträgliche Einbindung eines Mini-BHKWs in eine bestehende Heizungsanlage mittels Rücklaufanhebung. Der bisherige Heizkessel wird zum Spitzenlastkessel. 16 IKZ-FACHPLANER Heft 2 /2006