Damit wird die Kraft-Wärme-Kopplung zur dezentralen Systemeinheit von Stromerzeugern und Stromverbrauchern sowie Wärmeerzeugern und Wärmeverbrauchern. Die vorrangige Aufgabe der Systemeinheit besteht darin, durch eine flexible Einspeisung und Ausspeisung zur Netzstabilität beizutragen. Mit dem Ausbau der alternativen Energieerzeugung und ihrem wetterabhängigen Leistungsangebot kommt solchen Kombinationen aus BHKW plus Wärmepumpe sowie ergänzend einem Elektro-Heizmodul im Wärmekreis regelungstechnisch eine steigende Bedeutung zu.
In Dänemark hat diese Gerätearchitektur schon mehrfach ihre Funktionalität in Richtung Spannungshaltung unter Beweis gestellt. Auch der Betreiber profitiert davon: Es verbessert sich die Gesamteffizienz der KWK-Anlage sowohl durch eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads als auch durch die Anhebung der Jahresbetriebsstunden. Die optimierte Systemflexibilität führt zur weitgehenden Abdeckung des Objektbedarfs an Strom und Wärme.
Ein Fallbeispiel
Beispielsweise besteht die installierte Einheit aus:
einem BHKW XRGI 6 mit 6/13 kW elektrisch/thermisch (mit Brennwertnutzung) und einer Leistungsmodulation von 2,5 bis 6 kW;
einer Wärmepumpe mit 2/7 kW Kompressorleistung/Wärmeabgabe und
einem Elektro-Heizmodul.
Die Wärmepumpe erhöht die Rücklauftemperatur im separaten Heizungsrücklaufsammler. Als Ausgangssituation beträgt die Stromlast des Objekts 3 kW. Die liefert der Powerblock und zusätzlich 8 kW thermisch. Da zurzeit kein nennenswerter Wärmebedarf besteht, fließt die thermische Energie in den Pufferspeicher, aus dem sich die Heizung bei Bedarf bedient. Die Wärmepumpe arbeitet momentan nicht. Sie hatte zuvor den Speicher bis zur Minimumreserve aufgeladen. Minimumreserve heißt: Im Pufferspeicher bleibt regelmäßig genügend freie Kapazität, um über einen be-stimmten Zeitraum die BHKW-Wärmeenergie einlagern zu können. Erkennt der Regler, dass es momentan sehr wirtschaftlich ist, den Strom selbst zu produzieren, steht dann durch die Minimumreserve eine gesicherte BHKW-Laufzeit zur Verfügung. Der äquivalente Gasverbrauch entspricht in der Ausgangssituation dem für 12 kW. Der Gesamtwirkungsgrad des Systems beläuft sich damit auf 91,6 Prozent.
Gegen Nachmittag ändert sich der Strombedarf des Objekts nicht, es steigt aber der Wärmebedarf auf über 8 kW, nämlich auf 12 kW. Den deckt die Heizung zunächst bis zur Minimumreserve aus dem Pufferspeicher, anschließend springt zusätzlich zum BHKW die Wärmepumpe an. Das BHKW regelt auf 5 kW elektrisch hoch, um auch die 2 kW für die Wärmepumpe zu generieren. Seine Wärmeleistung steigt auf 11 kW und die thermische Gesamtleistung der Kombination (+7 kW Wärmepumpe) auf 18 kW.
Das Regelungsmanagement schiebt den aktuellen Wärmebedarf von 12 kW direkt in die Heizung und mit den restlichen 6 kW belädt es den Speicher. Der äquivalente Gasverbrauch entspricht dem für 17 kW. Obwohl gegenüber der Ausgangsposition die Wärmeleistung des Systems um 10 kW gestiegen ist, erhöht sich durch die von der Wärmepumpe gewonnene Umweltenergie der Gasverbrauch nur um 5 kW, von ehedem 12 auf die genannten 17 kW. Damit klettert wärmeseitig der Wirkungsgrad auf 106 Prozent. Abzüglich der 2 kW für die Wärmepumpe speist das BHKW darüber hinaus weiterhin die von anderen Verbrauchern angeforderten 3 kW ins Objektnetz, sodass der Gesamtwirkungsgrad des Systems 123,5 Prozent beträgt.
Regelstrategie: Strom-Eigennutzung zuerst
Das BHKW und die Wärmepumpe kommunizieren über eine Spezialapplikation miteinander. Hierarchie und Strategie orientieren sich an einer maximalen Eigennutzung des KWK-Stroms. Das gilt ebenfalls in Verbindung mit einer eventuellen Photovoltaik-Anlage. Falls die BHKW-Leistung nicht ausreicht, die Gesamtstromlast abzudecken, entnimmt die Anlage wie üblich die Restmenge aus dem öffentlichen Netz.
Auf das greift sie vorrangig auch dann zu, wenn zukünftig negative Regelenergie (Stromüberschuss) zur Verfügung steht. Das Digitalisierungsgesetz vom 1. Januar 2017 schreibt den Aufbau solcher Smart-Grid-Netze vor. Je nach externem Angebot und Bedarf bzw. Tages- und Stundentarif, nach internem Wärme- und Strombedarf sowie nach Pufferkapazität bilanziert auch in solch einer Infrastruktur der EC-Power-Regelungsmanager selbsttätig und steuert je nach Ergebnis entweder das BHKW oder die Wärmepumpe oder/und das Elektro-Heizmodul Energiekosten minimierend an.
Bernd Genath,
freier Journalist, Düsseldorf