BHKW planen

Ohne sorgfältige Planung kein wirtschaftlicher Betrieb

Der Teufel steckt, wie so häufig, im Detail. Besonders kritisch bei Blockheizkraftwerken ist deren Überdimensionierung, weil dann der Wirkungsgrad sinkt. Blockheizkraftwerke müssen möglichst hohe 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 ein gewöhnliches Einfamilienhaus 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 Energieeinsparungspotentiale 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 diesen wechselnden Bedingungen sowie den Anforderungen an den Energieertrag, die Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit der Anlage sowie den Komfort der Bewohner/Nutzer genügen. 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 Heizwarmwasser 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 (Wohnen, Büro, Gewerbe etc.) 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 des BHKW (wärme- oder stromgeführt etc.) 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 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 (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.

Welche Lösungen gibt es?

Dazu werden Planungs- und Be­­rechnungsformalismen, kos­ten­lose herstellerspezifische Auslegungsprogramme oder Online-Rechner offeriert. Will man Anlagen individuell auslegen, allen Wechselwirkungen zwischen den Systemkomponen­ten gerecht werden und rea­lis­tische Wirtschaftlichkeitsprogno­sen erstellen, sind zeitlich hochaufgelöste Simulationen unabdingbar. 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 Betriebstunden 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 etc. Für Simulationen von KWK-Geräten ist die VDI 4656-Software (s.u.) aus gleichem Hause modular eingebunden. Die KWK Simulation von Hottgenroth Software dient der Auslegung, Simulation und Optimierung von KWK-Anlagen. Nach der Ermittlung des Heizenergiebedarfs und anderer Basisdaten, respektive der Übernahme von mit dem hausinternen CAD-Modul aufgenommenen Gebäudedaten, werden technische Parameter in stündlicher Auflösung simuliert. Dabei werden unter anderem Klima- und Gebäudedaten sowie Nutzungsprofile berücksichtigt. Die KWK-Simulation liefert quantitative Aussagen zur BHKW-Leistung, Laufzeiten, Brennstoffeinsparung und Stromerlöse. Es 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] wurden zwei Regelwerke für die Planung, Ausführung und Abnahme von KWK-, respektive der Planung und Dimensionierung von Mikro-KWK-Anlagen vom Verein Deutscher Ingenieure herausgegeben. Während die VDI 3985 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 KIeingewerbebetrieben. Bei Verwendung so genannter 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 Planungswerkzeuge (z.B. „Vaillant planSoft“) und Online-Rechner (z.B. www.energieagentur.nrw.de/bhkw-rechner). Weitere BHKW-Auslegungsprogramme für Fachplaner, Energieberater, Heizungsinstallateure, BHKW-Hersteller und ‑Betreiber sind von diversen Herstellern in Vorbereitung. Die Preise für obige Simulationswerkzeuge liegen zwischen 100 (VDI 4656), mehreren hundert („CO2PRA“, „MiniBHKW-Plan“ etc.) und über 1000 € („BHKW-Plan“). Etwas teuerer sind Lösungen, die das Blockheizkraftwerk als Teil eines Gesamtsystems verstehen („DK-Integral“, „TRNSYS“ etc.). Sie sind dann sinnvoll, wenn es um besondere Nutzungen eine besondere Raum-/Gebäudeform 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 gegenüber 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, die 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.

Literatur