Technologie

Lastmanagement mit Blockheizkraftwerk

22.11.2019 - Lastspitzenreduktion um zwanzig Prozent durch optimierte Steuerung.

Blockheizkraftwerke eignen sich nicht nur zur Verringerung des externen Strom- und Wärme­bezugs, sondern auch zur Reduktion elektrischer Last­spitzen: Forscher des Fraunhofer-Instituts für integrierte Systeme und Bau­elemente­techno­logie erreichten jetzt eine Last­spitzen­reduktion um zwanzig Prozent. Das gelang ihnen durch die optimierte Steuerung eines neu integrierten Erdgas-Block­heiz­kraft­werks in Verbindung mit einem Warm­wasser­speicher und einem elektrischen Batterie­speicher. Last­spitzen­reduktion führt bei industriellen Strom­tarifen mit Leistungs­preisen zu erheblichen Kosten­erspar­nissen. Die Last­spitzen­reduktion ist eines der Ergebnisse der experi­men­tellen Energie­forschung am Fraunhofer-IISB zur Unter­suchung dezentraler Energie­systeme hinsicht­lich Einspar­potenzial und Effizienz.

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

Am Fraunhofer-IISB 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 Block­heiz­kraft­werk 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 Block­heiz­kraft­werks zu erreichen. Die zusätzliche Erweiterung der Anlage am Fraunhofer-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.

Neben der üblichen Nutzung eines dezentralen Block­heiz­kraft­werks zur Verringerung des Fremd­bedarfs an Energie wird die Anlage am Fraunhofer-IISB auch zur Reduktion von elektrischen Last­spitzen verwendet. Eine Reduktion dieser Last­spitzen ist sinnvoll, da Versorgungs­netz­betreiber den Industrie­unter­nehmen oftmals Strom­tarife anbieten, bei denen ein Leistungs­preis in Rechnung gestellt wird. Eine Reduktion dieser Spitzen senkt deshalb deutlich die Strom­kosten.

Am Fraunhofer-IISB wurde eine Betriebs­strategie entwickelt, um durch den Betrieb des Block­heiz­kraft­werks 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.

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 Kraft­werks 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 Euro pro kWh aufweisen, ist das thermische Äquivalent für etwa ein Zehntel des Preises erhältlich.

Um ein optimales Zusammenspiel der energie­technischen Anlagen zu gewähr­leisten, ist eine geeignete Dimensio­nierung essenziell. Am Fraunhofer-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.

Fh.-IISB / RK

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