Praxistest und Optimierung des Mikro-KWK-Anlagenbetriebs - Fraunhofer-Institut forscht an einer konkreten Anlage im eigenen Haus am Standort Duisburg

Abgesehen davon, dass die KWK-Technik noch nicht allen potenziellen Nutzern bekannt ist, wird der flächendeckende Einsatz bisher oft durch die Kosten behindert. Der Grund liegt in der oft wärmegeführten Betriebsweise, durch die der Anlagenbetrieb in manchen Anwendungsfällen nicht wirtschaftlich ist.
Ziel der Weiterentwicklung muss also eine Verbesserung der Kostensituation sein. Obwohl die Investitionskosten vermutlich erst mit höheren Stückzahlen sig­nifikant sinken werden, kann die Gesamtbilanz schon jetzt durch eine Optimierung des Anlagenbetriebs verbessert werden. Ein Ansatzpunkt ist dabei, dass die Ersparnis bei selbst verbrauchtem Strom deutlich oberhalb der Vergütung liegt, die man bei einer Einspeisung ins öffentliche Stromnetz erhält. Eine Erhöhung des Eigenverbrauchsanteils durch eine geschickte Ansteuerung der KWK-Anlage senkt also die Energiekosten des Betreibers.
Hinzu kommen in naher Zukunft die Auswirkungen aus dem Umbau des Strom­netzes. Durch den höheren Anteil an Erneuerbaren Energien steigt die benötigte Übertragungsleistung über Fernstrecken, außerdem schwankt die Netzauslastung stark. Eine lokale Stromerzeugung kann die insgesamt zu übertragende Energiemenge verringern, während die gezielte Einspeisung oder Entnahme aus dem Netz die Netzspitzenlast und deren Schwankungen senkt. Die Einbindung von dezentralen KWK-Anlagen in das sogenannte Smart Grid kann diese Aufgaben erfüllen, und zwar ohne die beim Demand-Side-Management typischerweise auftretenden Einbußen für den Endnutzer. Denkbar ist dabei entweder eine direkte Steuerung der KWK-Anlagen durch den Netzbetreiber oder eine indirekte Steuerung über eine Variation des Stromtarifs je nach Netzanforderung.

In-Haus-Zentrum dient als Entwicklungslabor

Das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS) forscht gemeinsam mit der RWE Effizienz GmbH am Thema Mikro-KWK. Bei der Vorbereitung und produktbegleitenden Weiterentwicklung des Mikro-KWK-Produkts „RWE HomePower“ sowie dem Test unter realen Bedingungen steht die Optimierung der Betriebsführungsstrategien im Vordergrund, gefolgt von der Realisierung der Mikro-KWK-Anbindung im Smart-Grid-Umfeld.
Zur Bearbeitung der Themen wurde eine Testanlage im Forschungsgebäude „inHaus 2“ des Fraunhofer-in-Haus-Zentrums aufgebaut. Deren Hauptbestandteil ist eine Mikro-KWK-Anlage des Typs „ecoPOWER 4.7“ von Vaillant (Bild 1). Sie liefert mit ihrem Erdgasmotor 4,7 kW elektrische und 12,5 kW thermische Leistung. Dabei ist ein modulierender Betrieb im gesam­ten Drehzahlbereich möglich. Im optimalen Arbeitspunkt liegt der Gesamtwirkungsgrad bei ca. 90%. Die erzeugte Wärme wird in einem 850-l-Speicher zwischengepuffert. Zu Forschungszwecken sind außerdem zwei Elektroheizstäbe eingebaut, die den Speicher mit jeweils 9 kW Wärme aufladen können.
Das Forschungsgebäude „inHaus 2“ dient nicht nur als Aufstellort für die KWK-Anlage, sondern ist gleichzeitig als Wärmesenke (Wärmeabnehmer) in den Testaufbau mit eingebunden (Bild 2). Das Heizsystem des Hauses kann Wärme aus dem Pufferspeicher entnehmen, um so den Wärmeverbrauch eines beliebigen Gebäudes zu nachzubilden. Hauptziel ist es, den Wärmebedarfsverlauf eines Wohnhauses mindes­tens auf die Viertelstunde genau nachzufahren, um den Anlagenbetrieb mit unterschiedlichen Steuerungsalgorithmen realitätsnah zu testen. Die Entnahmeleis­tung im „inHaus 2“ reicht jederzeit im Jahr aus, sodass man bei den Tests nicht auf die winterliche Heizperiode beschränkt ist.
Bei der Testanlage werden alle relevanten Energieströme über Messgeräte erfasst. Wie aus Bild 3 ersichtlich, handelt es sich dabei um die erzeugte und verbrauchte Wärme sowie den Gasverbrauch und die Stromflüsse zwischen Stromnetz, KWK-Anlage und Haushalt. Die Messtechnik ist an ein Gateway angeschlossen, das sowohl die Sammlung und Aufbereitung der Daten als auch Steuerungsaufgaben übernimmt. Dazu sind verschiedene Kommunikationsschnittstellen integriert, vor allem für M-Bus und die KWK-Anlage. Über das Gateway wurden die Testläufe abgewickelt und die Wärmeentnahme geregelt. Außerdem dient es als Schnittstelle zum Smart Grid. Für die Erfassung und Auswertung der Testvorgaben und -Ergebnisse wird eine Datenbank verwendet, die auf einem getrennten Server läuft.

Genaue Planung ist unverzichtbar

Die KWK-Anlage selbst läuft zuverlässig, allerdings bot die Nutzung als Forschungsanlage einige Herausforderungen. So sind beispielsweise die Steuerungsmöglichkeiten des BHKWs für Endanwender und Servicetechniker ausgelegt und müssen für Testläufe sehr gezielt eingesetzt werden.
Schwieriger waren gebäudespezifische Eigenheiten. Beispielsweise führte ein extrem langer Abgasweg zu einer komplizierten und zunächst nicht funktionstüchtigen Kondensatabfuhr. Das sorgte für einen erhöhten Abgasgegendruck, der aber nur sporadisch zur Abschaltung der Anlage führte und daher als Ursache nicht leicht zu ermitteln war. Durch Integration von Wärmezählern veränderten sich die Widerstände im Hydrauliksystem und damit Ansprüche an die Pumpen. Auch bei Elektrik und Messtechnik waren mehrere Anpassungen bis zum reibungslosen Betrieb notwendig. Als allgemeingültiger Lösungsratschlag lässt sich ableiten, dass eine sehr gründliche, auf das entsprechende Gebäude abgestimmte Planung und nachträgliche Prüfung aller Gewerke notwendig ist, um Fehler auszuschließen.

Optimierung durch angepassten Betrieb

Wie bereits erwähnt, liegt der erste Ansatzpunkt für die Optimierung des KWK-Betriebs in der Maximierung des Eigenverbrauchsanteils. Diese erreicht man, wenn die KWK-Anlage möglichst genau die Energie bereitstellt, die im Haushalt benötigt wird. Dazu ist zunächst eine Prognose des Strom- und Wärmebedarfs notwendig, die sich statistisch aus zurückliegenden Mess­daten erstellen lässt, im Fall der Heizwärme mit zusätzlicher Berücksichtung des Wetters.
Da der Strom sich mit dem bisherigen Anlagenkonzept nicht speichern lässt, muss die Stromerzeugung dem prognostizierten zeitlichen Verlauf angepasst werden. Bei der Wärme ist es dank des gro­ßen Pufferspeichers etwas einfacher: Sie kann auch einige Stunden vorab produziert und später abgerufen werden. In dieser Entkopplung von Strom- und Wärmeproduktion liegt beträchtliches Potenzial, weil beide an den tatsächlichen Bedarf angepasst werden können. Es soll möglichst wenig Strom bei ungünstigen Vergütungsbedingungen ins Netz eingespeist oder zu hohen Kosten aus dem Netz entnommen werden. Dabei muss der Wärmebedarf des Gebäudes für Heizung und Brauchwasser jederzeit gedeckt sein.
Mit der Einführung zeitvariabler Tarife kommt an dieser Stelle eine weitere, zu berücksichtigende Komplexität hinzu, nämlich der Tagesverlauf des Strompreises. Dieser spielt sowohl für die Eigenverbrauchsmaximierung als auch besonders bei der Smart-Grid-Einbindung eine wichtige Rolle.

Dass trotz der Optimierung keine hundertprozentige Abdeckung des Eigenverbrauchs möglich ist, liegt einerseits an einzuhaltenden Randbedingungen wie der Minimal- und Maximalleistung des BHKWs, aber auch daran, dass der Verbrauch natürlich nicht exakt mit den Prognosen übereinstimmt. Außerdem hat selbst ein guter Wärmespeicher gewisse Wärmeverluste sowie eine maximale Speicherkapazität, wodurch der Wärmepufferung Grenzen gesetzt sind.

Einstieg in den Markt

Einige der aufgeführten Ansätze wurden von der RWE Effizienz GmbH in dem Produkt „HomePower Mikro-KWK“ umgesetzt. Dabei handelt es sich um ein Gemeinschaftsprojekt von Vaillant und RWE, das unter Einbeziehung des qualifizierten Fachhandwerks beim Endkunden abgewickelt wird.
Zwei Geschäftsmodelle werden angeboten: Zum einen kann der Endkunde selbst die Anlage kaufen und von RWE betreiben lassen, andererseits ist es auch möglich, dass RWE als Eigentümer und Betreiber fungiert. In beiden Fällen optimiert die RWE Effizienz GmbH den Anlagenbetrieb zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und kümmert sich um Steuerung und Messtechnik.

Schritte in die Zukunft

Einer der nächsten Schritte ist die Smart-Grid-Anbindung von Mikro-KWK-Anlagen, etwa in Form eines virtuellen Kraftwerks. Dafür werden neben einem ausgefeilten Management sichere und zukunftstaugliche Kommunikationsstandards benötigt. Aber auch innerhalb des Gebäudes bestehen noch Optimierungsspielräume. Über die Kopplung mit der restlichen Anlagentechnik (z.B. Photovoltaik) kann die Stromerzeugung besser an den Haushaltsverbrauch angepasst werden. Mit sinkenden Preisen bieten sich außerdem Stromspeicher für die Pufferung von Lastspitzen und damit eine weitere Erhöhung des Eigenverbrauchs an.
Generell ist ein gesamtheitliches Energiemanagement im Gebäude erforderlich, um die Energieeffizienz zu maximieren. Dazu können auch eine Vereinheitlichung der Mess- und Steuerungstechnik sowie die Abstimmung mit der sonstigen Anlagentechnik beitragen. Neben den Herstellungs-, Installations- und Wartungskos­ten, die bei steigenden Stückzahlen weiter sinken sollten, besteht vor allem Bedarf an für den Endanwender übersichtlichen Technikpaketen, die Planungssicherheit bieten. Zusammen mit einer steigenden Wirtschaftlichkeit wird die Etablierung der Mikro-KWK-Technik im Markt sicherlich fortschreiten.

Autor: Dipl.-Ing. Markus Walter, Fraunhofer IMS (Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme), Duisburg

Bilder: Fraunhofer-inHaus-Zentrum

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