AKE Sitzung März 2019

In der März-Sitzung des AKE referierte Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas, Hochschule Reutlingen, über das Thema „KWK – aktuelle Situation und zukünftige Entwicklungen“. Ausgehend von der Tatsache, dass die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) eine effiziente Technologie ist, da sie nicht nur Strom, sondern auch Wärme produziert und somit einen hohen Nutzungsgrad erzielt, legte Prof. Thomas dar, dass diese Technologie im Kontext der Energie-Wende mit einem kleinen Nachteil behaftet ist: Die erzeugte Energie stammt nicht aus erneuerbaren Quellen, da BHKW derzeit noch überwiegend mit fossilen Brennstoffen, vorzugsweise Erdgas, betrieben werden. Dennoch liegen die Vorteile der KWK klar auf der Hand, und es kann festgehalten werden, dass die KWK keine Brückentechnologie darstellt, die sich in Bezug auf geeignete Objekte „rechnet“ und somit auch keiner besonderen Fördermaßnahmen bedarf. „Geeignete Objekte“ sind in dieser Hinsicht große Industriebetriebe, die über die KWK ihre benötigte Strommenge zu einem großen Teil günstig selbst erzeugen können. Die Vorteile der KWK müssen jedoch auch in einem weiteren Kontext gesehen werden: dem der zu erreichenden Energiewende. Vor diesem Hintergrund betrachtet, verwies Prof. Thomas auf drei Bereiche der KWK als Zukunftstechnologie: Blockheizkraftwerke eignen sich nicht für den Bereich Grundlast; die KWK muss als flexible und komplementäre Ergänzung zur mit signifikanten Schwankungen behafteten Stromerzeugung durch Photovoltaik und Wind betrachtet werden; die Umweltbilanz der KWK verbessert sich deutlich durch den Einsatz von „grünem Wasserstoff“ und durch den Betrieb mit synthetischem Erdgas, das aus Strom-Überschüssen erzeugt wird („power-to-gas“). Für die Zukunft der KWK gilt: Sie bleibt wichtig für die Strom- und Wärmeerzeugung, jedoch wird die Stromerzeugung aus KWK abnehmen durch den Ausbau der Strom- und Wärmeerzeugung aus erneuerbaren Energien. Das Zukunftspotenzial der KWK liegt in flexiblen Anlagen, die kurzfristig sowohl auf Wärme- wie auch auf Strombedarf reagieren können. Es liegt auf der Hand, dass Strom und Wärme aus der KWK entsprechend vergütet werden muss, damit sich diese Anlagen auch rechnen. Ein wichtiger Aspekt ist hier der CO2-Preis. Wenn der Preis für das ausgestoßene CO2 kräftig steigt, wird die Strom- und Wärmeerzeugung auf der Basis besonders der Braunkohle deutlich abnehmen und die zumeist auf der Basis von Erdgas betriebene KWK zählt zu den Gewinnern. Soweit das Szenario für die KWK mit Blick auf die Energiewende.

Bevorzugte Einsatzgebiete einer flexiblen KWK erläuterte Prof. Thomas anhand eines Planungsbeispiels auf der Basis eines Mehrfamilienhauses. Da bei einem solchen Objekt der Verbrauch an Strom und Wärme bekannt ist, kann die Versorgung eines solchen Objekts über ein BHKW mit KWK optimiert werden. Ein wichtiger Gesichtspunkt für die Planung ist die Dimensionierung der neuen Anlage, für die in jedem Fall ein Wärmespeicher erforderlich ist. Für die Dimensionierung ist zum einen der Wärmebedarf und zum anderen der Strombedarf des Objekts zentral. Ein nicht zu vernachlässigender Faktor sind die Betriebskosten, in die auch die Wartungskosten für eine solche Anlage einfließen müssen. Die Wirtschaftlichkeitsberechnung auf der Basis der drei am Markt erhältlichen Anlagen mit unterschiedlicher Leistung zeigt deutlich, dass die kleinste Anlage nach 20 Jahren Betrieb noch keinen Gewinn abwirft. Anders bei den größeren Anlagen und bei der größten Anlage ist die Wirtschaftlichkeit am besten. Wie Prof. Thomas weiter ausführte, gibt es ein Förderprogramm des Landes Baden-Württemberg für KWK-Anlagen in Form der BHKW-Begleitberatung. Es lohnt sich also, sich bei der Errichtung eines BHKW nach diesem Programm zu erkundigen.

Im dritten Teil seines Vortrags ging Prof. Thomas auf einen neuen Ansatz für den Betrieb von BHKWs ein – den des flexiblen, stromoptimierten Betriebs. Hierbei werden die Profile für den Wärmebedarf und den Strombedarf parallel betrachtet und aus den unterschiedlichen Bedarfen über den Tag hinweg der günstigste Fahrplan für den Betrieb des BHKWs errechnet. Hinzu kommen noch externe Daten, vor allem die Prognose mit Blick auf das Wetter (Wärme, Kälte) – ein zentraler Aspekt in Sachen Bedarf. In einem komplexen Steuerungsalgorithmus wird der Fahrplan für die Anlage berechnet. Hierfür wurde bereits eine Feldanlage gebaut, um die Stimmigkeit des Ansatzes prüfen zu können. Betont man mit Blick auf den erzeugten Strom einer solchen Anlage den sog. elektrischen Deckungsgrad, dann kann im wärmegeführten Betrieb ein Wert von 18,2 % erreicht werden; beim stromoptimierten Fahrplan beträgt der Wert immerhin 24,9 % und wenn man zusätzlich noch die augenblicklichen Bedarfe berücksichtigt, denn kommt man auf stolze 31 % – ein beachtliches Ergebnis.

Der flexible Betrieb von Wärmepumpen lässt sich ebenfalls über ausgeklügelte Algorithmen steuern, indem man die über den Tag verteilten Bedarfe analysiert und in ein Steuerungsmodell einfließen lässt. Von besonderer Bedeutung ist bei diesem Konzept das optimierte Zusammenspiel der Komponenten Wärmepumpe, hauseigene Photovoltaik-Anlage, hauseigener Batterie- und Wärmespeicher. Auf der Basis einer Speicherbatterie mit 7,7 kWh lassen sich über eine optimierte Steuerung bis zu 50 % des Solarstroms nutzen – ein sehr beachtliches Ergebnis, wenn man bedenkt, dass er eingesetzte Strom von der hauseigenen PV-Anlage sozusagen zum Nulltarif zur Verfügung steht.

Aus den Ausführungen von Prof. Thomas wurde vor allem deutlich, dass es bei der KWK vor allem um ausgeklügelte Steuerungen für das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten geht. Unerlässlich ist bei solchen Anlagen ein ausreichend dimensionierter Pufferspeicher, und es muss auch gewährleistet sein, dass das BHKW nicht – wie in der Vergangenheit – als Dauerläufer betrieben wird, und größere Anlagen mit geringerer jährlicher Betriebszeit gefragt sind. Eine solche Anlage muss auch nach dem Kriterium des stromoptimierten Betriebs eingesetzt werden, unter dem Aspekt der Erhöhung der Eigenstromdeckung. Für die Zukunft kann die KWK mit optimierten Steuerungen auch zur Deckung der Stromlast im Netz, z.B. an windstillen Tagen und bedecktem Himmel, und zur Erbringung von Netzdienstleistungen (Netzstabilisierung) eingesetzt werden. Anders gesagt: KWK ist eine Technologie mit Zukunft!

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