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Enerige & Management > KWK - Fraunhofer-Anlage ist BHKW des Jahres 2020
Bild: Kurt Fuchs
KWK:
Fraunhofer-Anlage ist BHKW des Jahres 2020
Aus den „BHKW des Monats“, die E&M während des Jahres vorstellt, wählt der BKWK eine Anlage als Jahressieger aus. Claus-Heinrich Stahl* begründet die Auswahl.
 
In diesem Jahr standen KWK-Konzepte von mit Erd- und Biogas betriebenen Motorblockheizkraftwerken zwischen 4,7 kW und 2 MW elektrischer Leistung zur Wahl. Es wurden überzeugende und zukunftsweisende KWK-Lösungen für sehr unterschiedliche Aufgabenbereiche gefunden:
  • sowohl für die Lösungskonzepte der Anlagen,
  • die beteiligten Partner als auch
  • für die Planung,
  • technische Ausführung und den
  • Betrieb.
Darunter sind auch Anlagen in Kombination mit Photovoltaik und Power-to-Heat sowie Abhitzekessel zur Dampferzeugung und eine Anlage mit Abwasserwärmepumpe bis zu einer Kälteleistung von 300 kW.
In die Gesamtanlagen sind Heiß- und Warmwasserspeicher integriert. Blockheizkraftwerke, Stromspeicher und notstromfähige BHKW sorgen in verschiedenen Projekten für eine gesicherte Strom- und Wärmeversorgung. Die Anlagen der monatlichen Vorstellung dienen zur Eigenversorgung der Betreiber als auch zur Versorgung von Wohn- und Gewerbeobjekten, Nah- und Fernwärmesystemen sowie Industrieunternehmen.

Die BHKW erzeugen Strom und Wärme (als Warmwasser, Heißwasser oder Dampf). Es werden in den Systemen Wirkungsgrade bis 93 % und Primärenergiefaktoren bis 0,21 erreicht. Die Senkung der CO2-Emissionen durch die KWK-Anlagen beträgt bei den Betreiberunternehmen zwischen 86 und 5.000 Tonnen pro Jahr. Einige BHKW-Anlagen sind auch mit einem SCR-Katalysator ausgerüstet, der beispielsweise bei einer Biogassatellitenanlage den NOx-Gehalt im Abgas von 700 mg/Nm³ auf 100 mg/Nm³ reduziert und die CO2-Emissionen um 10 % senkt.

Keine leichte Entscheidung der Jury

Die Entscheidung ist der Jury in diesem Jahr nicht leicht gefallen, denn neben klassischen KWK-Anlagen − mit herausragenden Parametern − gab es auch interessante Lösungen, die in neue Richtungen weisen.

Auf dem diesjährigen Kongress des Bundesverbands Kraft-Wärme-Kopplung (BKWK) wurde über die Zukunft der Gaswelt gesprochen und in den Vorträgen war auch iKWK ein Thema, die die Wärmeversorgung erneuerbar macht. Es wurde betont, dass bis 2025 25 % Erneuerbaren-Gase (Biomethan, Wasserstoff und P-to-X) im Gasnetz sein sollten, damit die komplette Umstellung bis 2050 gelingen kann. Heutige Gas-KWK-Anlagen lassen sich jetzt schon mit Erd- und Biogas, Biomethan, Wasserstoff und P-to-X zu betreiben.

Siegeranlage steht in Erlangen

Nach intensiven Diskussionen kamen die Experten der Jury zu einem einstimmigen Votum zugunsten des BHKW des Monats vom Juni 2020. Es handelt sich um ein BHKW mit Energiezentrale, die mit Strom- und Wärmespeicher für einen flexiblen Anlagenbetrieb intelligent gesteuert wird.

Der Betreiber, das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB aus Erlangen, hat darin eine neu entwickelte intelligente Betriebsstrategie zur Lastspitzenreduktion umgesetzt. Die Lastspitzen des Strombezugs können um bis zu 20 % reduziert werden, was bei Industriestromtarifen zu einem erheblich geringeren Leistungspreis führt. Dieser berechnet sich anhand des größten Leistungsbezugs im betrachteten Abrechnungszeitraum. Die Lastspitzenreduktion gelingt durch die optimierte Steuerung eines vor Kurzem integrierten Erdgasblockheizkraftwerks in Verbindung mit einem Warmwasserspeicher und einem elektrischen Batteriespeicher.

Das neue Erdgas-BHKW des Herstellers Tuxhorn mit 150 kW elektrischer und 210 kW thermischer Leistung steht seit dem Frühjahr vergangenen Jahres im Keller des Fraunhofer IISB. Zusätzlich wurde ein Wärmespeicher mit 24 m3 installiert. Am Institut wird die neue Anlage primär zur Wärme- und Stromversorgung betrieben, jedoch auch zu Forschungszwecken genutzt. Das Institut betreibt klimatisierte Büro- und Laborräume, dadurch ist auch eine Demonstrationsplattform für andere Projekte vorhanden. Zur optimalen Lastspitzenreduktion wird ein Teil der Wärmekapazität zurückgehalten, um das BHKW in den Bedarfszeiten für eine definierte Mindestdauer betreiben zu können. Zu diesen Lastspitzen wird das BHKW unabhängig vom wärmegeführten Normalbetrieb zeitlich flexibel zwangsbetrieben und die Wärme in dem 24 m3 Wärmespeicher zwischengespeichert. Dadurch lässt sich die Jahreslaufzeit maximieren und die Heizkesselbetriebszeit verringern.

Die Kombination mit einem Batteriespeicher von 60 kWh ist sinnvoll, um bei Lastspitzen und gleichzeitigem BHKW-Kaltstart (während der Anlaufzeit in der Warmlaufphase von einigen Minuten bis zum Normalbetrieb) die reguläre Stromversorgung sicherzustellen.

Gleichzeitig kann das Batteriesystem kurzfristige Lastspitzen selbstständig abdecken. Diese Kombination mit einem Mess-/Regelsystem erhöht die Dynamik der Strom- und Wärmeversorgung. Die Verknüpfung von Blockheizkraftwerk, Batterie und Wärmespeicher spart Betriebskosten und kombiniert gleichzeitig Ökonomie und Ökologie durch die Minderung von Treibhausgasemissionen.
Der durchschnittliche Gesamtwirkungsgrad betrug von Juli 2019 bis April 2020 86,5 % bei 4.813 Betriebsstunden.

Das ausgewählte KWK-Konzept hat die Jury besonders durch folgende Aspekte überzeugt:

1. Das hervorragende Zusammenspiel von Anlagentechnik, Strom- und Wärmeversorgung sowie intelligenter Betriebsstrategie einerseits und Wissenschaft andererseits hat zu diesem überzeugenden Ergebnis beim Anlagenkonzept geführt.

2. Die Erweiterung des BHKW mit Wärme- und Batteriespeicher sowie die Nutzung der Stromnetzbezugsdaten führen zu einer Stromnetzentlastung durch Spitzenlastkappung.

3. Durch die elektrische Lastspitzenreduktion wird der Ausstoß von Treibhausgasen in die Umwelt erheblich gesenkt.

4. Am IISB wurden Auslegungsalgorithmen entwickelt, mit denen Batteriespeicher, Blockheizkraftwerk und thermischer Speicher für eine Lastspitzenreduktionsanwendung individuell dimensioniert werden können.

5. Das hier gewählte Energieversorgungskonzept kann eine Vorbildwirkung für Anlagen zur Energiewende entfalten. Die künftige Energieversorgung mit dem Atom- und Kohleausstieg braucht Energiespeicher in der Wärmeversorgung und elektrischen Lastglättung, um Netzschwankungen auszugleichen.
Zugleich bietet das Anlagenkonzept auch vorbildliche Lösungsansätze für die Planung neuer KWK-Anlagen nach den wissenschaftlichen Erkenntnissen aus der Testanlage. E&M

* Claus-Heinrich Stahl, Präsident des BKWK, Berlin

Die Jury des BKWK
Gebhard Gentner (Stadtwerke Schwäbisch Hall GmbH), Karl Meyer (BTB Berlin), Marek Preißner (Infracon Service GmbH, Leipzig), Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas (Reutlingen Research Institute), Claus-Heinrich Stahl (BKWK)

 
Blockheizkraftwerk und Warmwasserspeicher im Keller des Fraunhofer IISB: Die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage wurde im Rahmen des Erweiterungsbaus B in die Infrastruktur des Instituts integriert. Dort wird sie sowohl zur Wärme- und Stromversorgung als auch zu Forschungszwecken genutzt
Bild: Fraunhofer IISB/Kurt Fuchs

BHKW des Jahres
Die Anlage auf einen Blick
Betreiber: Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB, Erlangen
Anlage: Erdgas-BHKW von Tuxhorn (150 kWel und 210 kWth), kombiniert mit einem Batteriesystem mit 60 kWh und einem Wärmespeicher mit 24 m3
Besonderheit: Die Anlage ist optimiert auf Lastspitzenreduktion um bis zu 20 %. Sie dient zur Versorgung und Forschung und spart zugleich Kosten
Daten von Mitte Juli 2019 bis Ende April 2020:
• Laufzeit: 4.813 Stunden von
6.685 Stunden entsprechen 72 %
• Energiebilanz: 718 MWh elektrische
Energie, 1,1 GWh Wärmeenergie
• benötigte Erdgasenergie: 2,08 GWh
• durchschnittlicher Gesamtwirkungsgrad: 86,5 %
Ansprechpartner: Christopher Lange, Energietechnik IISB, christopher.lange@iisb.fraunhofer.de

 
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