Blockheizkraftwerk und Wärmepumpe, Teil 3: Energiezentralen optimal auslegen und betreiben
Dezentrale KWK Anlagen als Lösung
Betreiber wären durchaus bereit den Mehrpreis für (noch) teuren Wasserstoff zu zahlen. Allerdings müsste dann das Strommarktdesign entsprechend ausgestaltet werden, dass diese gesicherte Leistung auch gewürdigt wird. Die aktuellen Rahmenbedingungen des EEG bzw. KWKG lassen eine Wirtschaftlichkeit noch nicht in der Form zu, wie es sein müsste. Stattdessen konzentriert sich die Politik auf die Ausschreibung von großen Kraftwerken. Diese Strategie gilt es aus Sicht des Autors zu überdenken, ob nicht viele kleinere bis mittlere dezentrale KWK Anlagen, durch Wirtschaftsunternehmen investiert und betrieben, die geeignetere Wahl sein könnte. Laut Branchenauskunft ist ein Zubau von 6 GW jährlich möglich, eine Entlastung des Stromnetzes wäre die Folge. Somit hätten wir bereits in nur vier Jahren von heute an die gemäß Bundesnetzagentur erforderliche Kapazität hinzugebaut – das ganze zudem hocheffizient und mit grünen Treibstoffen komplett klimaneutral. Wie eine resiliente Sektorenkopplung mit Wasserstoff in der Zukunft aussehen könnte, zeigt Bild 3.
Vom Dauerläufer zum Sprinter: Optimierte Fahrweise einer zukunftsfähigen Energiezentrale
Ein BHKW ist ein Arbeitstier und kann die Grundlastdeckung übernehmen. Jährliche Laufzeiten von größer 5.000 Stunden sind dabei keine Seltenheit. Ähnlich einem PKW mit Verbrennungsmotor sind auch beim BHKW feste Wartungsintervalle mit vorgeschriebenen Servicearbeiten einzuhalten. Je nach Motor sind Wartungsintervalle etwa alle 2.000 Betriebsstunden durchzuführen. Bei regelmäßiger Wartung erzielen BHKW-Motoren eine Lebensdauer von zehn bis 20 Jahren.
Mit Bezug auf die aktuelle Situation betreffend Zeiten reduzierter Stromerzeugung, volatiler Strompreise und definierter Förderlandschaft, u.a. durch das KWKG 2023, wird jedoch eine andere Fahrweise empfohlen. Um diese optimierte Fahrweise umzusetzen, ist eine Gesamtbetrachtung der Energiezentrale notwendig.
Als weiterer Wärmeerzeuger wird hier, nicht wie oft in der Vergangenheit ein Gaskessel, sondern eine effiziente Großwärmepumpe eingesetzt. Laut GEG ist jede kWh erzeugte Wärme durch eine Wärmepumpe als 100% regenerativ anzusehen. Dies ist ein wichtiges Bauteil um die Dekarbonisierungsziele der Unternehmen um zu setzen. Eine zukunftsfähiges KWK-Wärmepumpenkonzept besteht somit aus einer KWK-Anlage, einer Wärmepumpe, einem ausreichend groß dimensionierten thermischen Pufferspeicher und einer übergeordneten Steuerung und Regelung. Diese Komponenten laden und entladen dann optimiert das Wärme- und Stromnetz, siehe Bild 4.
Mit dieser Komponentenkonstellation wird empfohlen, das BHKW nicht mehr wärmegeführt, sondern Strommarkt-geführt zu betreiben. Die Betriebszeiten passen sich flexibel an den Bedarf und somit an die Marktpreise von Strom an. Steht ausreichend Strom im Netz zur Verfügung, so wird der Wärmebedarf über die Wärmepumpe erbracht, der notwendige Strom wird zugekauft. Das anderslautende Szenario ist, aufgrund hoher Nachfrage und geringerer Strom-Erzeugungsleistung bzw. hoher -Erzeugungskosten, dass dann das Blockheizkraftwerk Strom und Wärme erzeugt. Der Begriff Residuallast beschreibt den Teil des Stromverbrauchs in Deutschland, der nach Abzug der Einspeisung von fluktuierenden Erneuerbaren Energien ins Stromnetz übrig ist. Es geht also um den Restbedarf an Strom, der nicht durch Wind– und Solarenergie abgedeckt werden kann. Durch den Betrieb dezentraler BHKWs findet eine Reduzierung dieser Residuallast statt.
Der Strom wird dank hoher Marktpreise gewinnbringend verkauft. Durch die Kombination von KWK und Wärmepumpe kann immer flexible und schnell auf die jeweilige Marktsituation reagiert werden. Die Anforderungen an die Steuerung sind sehr hoch: Mit PV-Anlage, Wärmepumpe, Speicherlösungen und weiter möglichen Erzeugern sind zunehmend mehr Komponenten zu integrieren. Gleichzeitig hat eine netzdienliche Steuerung der Gesamtanlage Priorität. Die Fahrweise ist vorausschauend auf Netz- und Marktsignale zu optimieren, dies ist nur durch eine Vernetzung möglich. Durch die Implementierung von KI kann davon ausgegangen werden, dass die Prozesse durch akkurate Datenverarbeitung von Wetter, Bedarf und Marktpreisen kontinuierlich verbessert werden.
Praxisbeispiel Kostendarstellung Kombi BHKW und Wärmepumpe
Die Investitionskosten für ein BHKW/WP-System sind höher als für konventionelle Heizsysteme. Jedoch amortisiert sich die Investition durch:
- Reduzierte Energiekosten
- Einnahmen aus Stromeinspeisung
- Staatliche Förderungen für effiziente Technologien
Die baulichen Maßnahmen sind breit gestreut und lassen sich nicht pauschal preislich benennen. Dennoch kann für die Installation einer KWK ca. 15-20 % der Investitionskosten und für die Wärmepumpe aufgrund der Außenaufstellung und der örtlichen Gegebenheiten (Fundament, Länge der Leitungen, Schallschutz, Sicherheitsvorkehrungen wg. Vandalismus etc.) zw. 30 – 50 % der Investitionskosten gerechnet werden. Ein Brennwertkessel ist in der Investition (=Produktpreis) günstig und liegt bei weiteren Kosten für die Installation bei ca. 10 – 15 % der Investition. Die hydraulischen Anforderungen sind bei einem Hybrid aus KWK + Wärmepumpe (+ Kessel) im Vergleich zu einem Hybrid aus Kessel + Wärmepumpe in den Kosten geringfügig höher.
Im Vergleich zu einem Hybridsystem aus Gasbrennwertkessel und Wärmepumpe erreicht ein Hybrid aus KWK + Wärmepumpe (+ Kessel) nennenswerte Einsparungen. Begründet liegt dies unter den aktuellen gesetzlichen und marktwirtschaftlichen Rahmenbedingungen durch den eigenerzeugten Strom, der den Zukauf vom Strom aus dem Netz reduziert und beim Einspeisen als auch beim Selbstverbrauch eine Vergütung erzielt. Nachfolgend finden Sie dazu einen Vergleich, der die Betriebskosten und die Einsparung gegenüberstellt. Die Gas- und Wartungskosten steigen bei Nutzung einer KWK, jedoch werden die Vergütungen hier der Stromseite angerechnet, die folgerichtig deutlich sinkt. In Kombination mit einer PV können weitere Potentiale für eine Kostenoptimierung und Autarkie erschlossen werden.
Bild 5 zeigt beispielhaft die Betriebskosten der unterschiedlichen Systeme für einen Gewerbebetrieb mit 100.000 kWh/a Wärmebedarf und 20.000 kWh/a Strombedarf.
Überdimensionierte Pufferspeicher bei der Wärmequelle und Wärmesenke
Im Betrieb vom BHKW fällt Abwärme auf niedrigem Temperaturniveau ab. Diese Abwärme wurde in der Vergangenheit oft über Tischrückkühler oder Kühltürme ohne weiteren Energie-Entzug an die Umwelt abgegeben. Neue, energieoptimierte Konzepte sehen vor, diese Wärme in einem Solewärmespeicher als Wärmequelle zu nutzen. Je nach Projektierung, steht somit ein konstantes Temperaturniveau von 20-30°C zur Verfügung, mit Hilfe der Wärmepumpe wird die Wärmesenke mit Vorlauftemperaturen bis zu 90°C versorgt. Bei der Wahl des Kältemittels, ist neben den ökonomischen und ökologischen Aspekten unbedingt das Betriebsfenster mit den maximalen Verflüssigungstemperaturen zu betrachten.
Auf der Abnehmerseite ist ein überdimensionierter Pufferspeicher zu installieren, dadurch ist eine zeitliche Kompensation zwischen Erzeugung und Abnahme möglich, Spitzen im Bedarf können geglättet werden. Die Dimensionierung des Pufferspeichers soll eine Deckung des Wärmebedarfs über acht Stunden gewährleisten.
Wie genau die Kombination aus Größe der Wärmepumpe und Größe des BHKW aussieht, ist in hohem Maße abhängig von den Stromerlöspotenzialen auf der einen sowie Höhe und Verlauf des Wärmebedarfs auf der anderen Seite. Besonders im Hinblick auf das BHKW gibt es zwei grundsätzlich mögliche Varianten, nach denen die Auslegung erfolgen kann:
Der Kunde steht vor der Wahl ein tendenziell eher kleineres BHKW zu integrieren, wodurch sich die Investitions- und Genehmigungskosten reduzieren lassen – allerdings nur wenig Erlöspotenzial am Strommarkt besteht. Auf der anderen Seite steht die Installation eines größeren, teureren BHKW mit größerem Wärmespeicher und erhöhten Genehmigungspflichten – aber auch deutlich höheren Potenzialen bei der Stromvermarktung. Hier gilt es, jedes Projekt individuell zu kalkulieren und entsprechend auszulegen.
Auswirkung bei Preisänderungen von Primärenergien
Die Auswirkungen von Preisänderungen bei Primärenergien auf die Kosten von BHKW und Wärmepumpen sind unterschiedlich.
BHKWs sind stärker von Schwankungen der Brennstoffpreise betroffen. BHKWs benötigen kontinuierlich Brennstoffe wie Erdgas, Biogas oder Wasserstoff für den Betrieb. Steigende Gaspreise erhöhen direkt die Betriebskosten eines BHKW. Die Wirtschaftlichkeit eines BHKW hängt stark vom Verhältnis zwischen Brennstoff- und Strompreis ab.
Wärmepumpen sind weniger anfällig für Preisschwankungen bei Primärenergien, da sie hauptsächlich Umweltwärme als kostenlose Energiequelle nutzen. Es muss „nur“ der Antriebsstrom zugekauft werden. Steigende Strompreise wirken sich zwar auf die Betriebskosten aus, aber in geringerem Maße als Gaspreiserhöhungen bei BHKWs. Eine Kombination beider Technologien kann helfen, die Risiken zu minimieren und die Versorgungssicherheit zu erhöhen.
Fazit
Die Kombination von BHKW und Wärmepumpe bietet eine zukunftssichere, hocheffiziente Lösung für die Energieversorgung von Gebäuden. Trotz höherer Anfangsinvestitionen überzeugen diese Systeme durch deutlich reduzierte Betriebskosten, hohe Flexibilität und signifikante CO2-Einsparungen. Mit fortschreitender Technologieentwicklung wie z.B. prädiktiven Steuerungsalgorithmen basierend auf KI und steigenden Energiepreisen wird die Attraktivität dieser Hybridlösung weiter zunehmen.
