Komplexität erfordert Auslegung per Simulation

Die Voraussetzungen für den schon häufiger prognostizierten BHKW-Boom scheinen ideal zu sein: Die zu Jahresbeginn in Kraft getretene Gesetzesnovelle zum Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG 2016) soll KWK-Anlagenbetreibern finanzielle Vorteile in Form höherer Vergütungen für in das öffentliche Netz eingespeisten Strom bieten. So wurde die zusätzlich zum Marktpreis gezahlte Vergütung für Mikro- und Mini-BHKW-Anlagen von bisher 5,41 Ct/kWh auf 8,0 Ct/kWh erhöht.

Mittlerweile ist die BHKW-Technik auch für den Massenmarkt der Ein- bis Mehrfamilienhäuser gerüstet. Viessmann, Vaillant, Buderus, SenerTec und andere haben kürzlich speziell für dieses Nano-BHKW-Segment auf Brennstoffzellen basierende Geräte vorgestellt, deren Leistungsbereiche auch bei kleinem Leistungsbedarf lange Laufzeiten ermöglichen.

Auch die Planungssoftware hat inzwischen einen hohen Standard erreicht, der die Auslegung und Optimierung von BHKW-Anlagen zuverlässiger macht und die Planungssicherheit verbessert.

Ohne Planung keine Rentabilität

Wie hoch ist die optimale Anlagenleistung für das jeweilige Objekt? Das ist nur eine von vielen Fragen bei jeder BHKW-Auslegung. Dimensioniert man die Anlage zu klein, werden Einsparpotenziale nicht vollständig ausgeschöpft, die leistungsspezifischen Investitions- und Wartungskosten sind unnötig hoch und der eigene Strombedarf wird weniger selbst abgedeckt.

Wird die Anlage zu groß gewählt, reicht die jährliche Betriebsstundenzahl für die geplante Refinanzierungszeit nicht aus. Zudem kommen überdimensionierte Anlagen ohne Leistungsregelung schnell in den Taktbetrieb, was den Wirkungsgrad verschlechtert, den Verschleiß erhöht und die Wartungsintervalle verkürzt. In beiden Fällen ist kein wirtschaftlich optimaler Betrieb möglich.

BHKW-Anlagen müssen so ausgelegt werden, dass sie den klimatischen, tages- und jahreszeitlich bedingten Bedarfsschwankungen, den Anforderungen an den Energieertrag, die Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit der Anlage sowie dem anzusetzenden Nutzungskomfort bestmöglich entsprechen.

Sollen zusätzlich alle Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Anlagenkomponenten berücksichtigt, Anlagen optimiert und Wirtschaftlichkeitsprognosen auf einer realistischen Grundlage erstellt werden, sind komplexe dynamische Simulationen erforderlich. Dabei wird für ein konkretes Betriebsjahr eine BHKW-Anlage für jede einzelne Stunde des Jahres unter Berücksichtigung aller relevanten Faktoren (Standort, Klima, Gebäudeart, Nutzungsprofil, Energiebedarf, Zustand eventuell vorhandener Wärme- und Stromspeicher, Anlagenkennwerte, Betriebsart etc.) durchgerechnet.

Da eine manuelle Simulationsrechnung viel zu zeitaufwendig, fehleranfällig und unwirtschaftlich wäre, werden spezielle BHKW-Planungsprogramme eingesetzt, die nicht nur die Auslegung vereinfachen, sondern auch die Wirtschaftlichkeit absichern.

Welche Lösungen gibt es?

Prinzipiell lassen sich zwei Programmkategorien unterscheiden: Zum einen kostenfreie herstellerspezifische Planungsprogramme von BHKW-Herstellern wie Brötje, Vaillant oder Viessmann. Diese für Fachhandwerker, Fachingenieure und Fachhandelspartner kostenfreien, teilweise auf Excel basierenden Programme, ermöglichen eine Auslegung (Bewertung) und Wirtschaftlichkeitsprognose der vom Anwender ausgewählten Geräte des jeweiligen Herstellers.

Herstellerneutrale Planungsprogramme unabhängiger Software-Unternehmen, respektive Programme für die Simulation thermisch-dynamischer Prozesse, ermöglichen eine präzise Auslegung, Simulation und Berechnung von BHKW und Anlagenkomponenten unterschiedlicher Anbieter sowie Wirtschaftlichkeitsvergleiche. Diese herstellerneutralen Programme werden nachfolgend kurz vorgestellt:

BHKW-Plan von Steinborn unterstützt bereits seit 1996 die Auslegung und Wirtschaftlichkeitsberechnung von BHKW-Anlagen von 1 kW bis mehreren MW elektrischer Leistung. Das daraus entwickelte Programm MiniBHKW-Plan ist auf Mini- und Mikro-Anlagen bis zu 50 kW elektrische Leistung spezialisiert. Berücksichtigt werden gängige Antriebstechniken, inklusive Holzvergaser-BHKW. Simuliert wird die Wärme- und Stromproduktion mehrerer Module in Stunden-, teilweise auch Minutenschritten, unter Berücksichtigung des Speicherbetriebes sowie des Spitzenkessels. Zu den weiteren Funktionen gehören Wirtschaftlichkeitsvergleiche, Schadstoffbilanzen, Berichte etc.

BHKW-Ultimate von Erfurth & Braunholz dient der Auslegung und Simulation von BHKW-Anlagen aller Leistungsklassen. Werden individuelle Realdaten, wie BHKW-Laufzeit, Pufferspeichergröße, Strombezugspreis oder aktuelle Lastprofile, eingegeben, lassen sich BHKW über den gesamten Lebenszyklus stundengenau simulieren. Berücksichtigt werden Wärmespeicher, durch Wartungsvorgänge bedingte BHKW-Ausfallzeiten, Stromeigenverbräuche sowie Mehrmodulanlagen mit mehreren Kesselsystemen, jedoch keine Kombinationen mit Wärmepumpen, Batteriespeichern, Solarthermie- oder Photovoltaik-Anlagen.

Co2pra von Valentin Software unterstützt die Auslegung wärme-, strom- und netzgeführter BHKW-Anlagen mit Verbrennungsmotor, Gasturbine und Brennstoffzelle. Dabei werden lokale Daten ebenso berücksichtigt, wie der jahreszeitliche Verlauf des Heizwärme-, Trinkwarmwasser- und Prozesswärmebedarfs. Simuliert wird der stündliche Verlauf des Betriebszustands der Anlage mit den dazugehörigen Lastgängen. Berechnet werden BHKW-Betriebsstunden, Energie-, Kosten- und Schadstoffbilanzen.

DK-Integral von Delzer Kybernetik gehört zu den allgemeinen Lösungen für die Simulation thermisch-dynamischer Prozesse. Mit Ausnahme netzgeführter BHKW werden alle Betriebsarten berücksichtigt. Anlagen-Kombinationen sind teilweise möglich. Die Kombination Batteriespeicher mit PV ist in Vorbereitung. Berechnet werden mit der Lösung die Wärme- und Stromproduktion, Laufzeiten oder die Jahresdauerlinie.

EnergyPRO vom dänischen Hersteller A/S ist eine flexible Simulationssoftware für die Analyse und Optimierung dezentraler Energiesysteme zur Versorgung mit Strom, Wärme und Kälte. Einsatzschwerpunkt ist die Nah- und Fernwärmeversorgung mit großen KWK-Anlagen im Megawatt-Bereich in Verbindung mit Heizkesseln und thermischen Speichern zur Versorgung mit Strom, Heiz- und Prozesswärme sowie Kälte. Weitere Einsatzmöglichkeiten sind biogas- oder biomassebetriebene KWK-Anlagen. Kombinationen mit Wärmepumpen, Kälte-, Photovoltaik-, Solarthermie- und Windkraft-Anlagen sowie Stromspeicher werden berücksichtigt.

Home Energy Simulator von EUtech Scientific Engineering berücksichtigt diverse Kombinationen von BHKW-Anlagen aller Leistungsklassen und simuliert diese samt Gebäude im Rahmen einer Jahressimulation in Minutenauflösung. Zu den Ergebnisdaten zählen die Wärme- und Stromerzeugung, Anlagenbetriebsdaten, Nutzungsgrade, Vollbenutzungsstunden, CO₂-Emissionen, Investitions- und Betriebskosten, eine Wirtschaftlichkeitsanalyse etc. Für Simulationen von KWK-Geräten ist die VDI-4656-Software (siehe unten) aus gleichem Hause modular eingebunden.

KWK Simulation von Hottgenroth Software dient der Auslegung, Simulation und Optimierung von wärmegeführten, mono- oder bivalenten KWK-Anlagen bis 500 kW mit allen Brennstoffen. Kombinationen mit Spitzenlast-Heizkessel(n), Wärmepumpen und Wärmespeichern sind möglich. Die stundengenaue Simulation liefert quantitative Aussagen zur BHKW-Leistung, zu Laufzeiten, Brennstoffeinsparung und Stromerlösen.

VDI-4656-Software: Zur VDI-Richtlinie 4656 [1] für die Planung und Dimensionierung von Mikro-KWK-Anlagen in Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie Kleingewerbebetrieben gehört eine VDI-4656-Software. Sie ermöglicht eine Auslegung, Konfiguration und Optimierung von Mikro-KWK-Anlagen und auch von konventionellen Heizungsanlagen. Gebäudetypen, klimatische Bedingungen, Lastprofile, Kosten und Emissionen werden ebenso berücksichtigt wie Wechselwirkungen zwischen den Systemen.

BHKW-Rechner: Eine Sonderstellung hat der online unter www.energieagentur.nrw.de/bhkw-rechner aufrufbare und optional in jeden Internet-Auftritt integrierbare kostenlose BHKW-Rechner der Energieagentur NRW inne. Er dient nicht der Planung, sondern der Überprüfung, ob der Einsatz eines Mini-BHKW in einem Wohngebäude oder Unternehmen sinnvoll ist. Als Ergebnis erhält man eine grobe Abschätzung der wirtschaftlichen Rahmenbedingungen.

Wo liegen die Unterschiede?

Neben programmtechnischen Aspekten (Systemvoraussetzungen, Updates / Upgrades, Einarbeitung / Schulung, Support etc.) spielen bei der Auswahl des richtigen Berechnungswerkzeugs vor allem praktische Fragen eine Rolle: Für welche Anlagengröße ist die Software geeignet? Werden alle wichtigen Betriebsarten, wie wärme-, strom-, netzgeführt, modulierend, mono-/bivalent etc. berücksichtigt? Auch hinsichtlich der Antriebstechnologie unterscheiden sich die Programme teilweise erheblich.

Neben diesen Grundsatzfragen spielt die Anlagenflexibilität eine wichtige Rolle. Während ein Spitzenlast-Heizkessel von fast allen Lösungen berücksichtigt wird, sind Kombinationen mit Wärmepumpen, Wärme- und / oder Batteriespeichern, Solarthermie- und Photovoltaik-Anlagen nicht bei allen Programmen möglich. Eine Überprüfung, ob bestimmte Kombinationen technisch und wirtschaftlich sinnvoll sind, kann somit nicht vorgenommen werden. Bei einigen Anwendungen / Aufträgen ist das nicht erforderlich, der Trend zu solchen Anlagen ist aber eindeutig, insbesondere wo der Bestand die Randbedingungen vorgibt und wo sich Vorteile durch die Inanspruchnahme bestimmter Förderprogramme ergeben.

Die gängigen Einsatzbereiche und entsprechende Lastprofile von Alt- und Neubauten, Ein- und Mehrfamilienhäusern, Gewerbebetrieben oder öffentlichen Gebäuden decken mit Ausnahmen alle Programme ab. Als Inselsystem – für die autonome Versorgung eines Objekts mit elektrischer und thermischer Energie oder als Notstromaggregat (Netzersatz) – lassen sich BHKW hingegen nur bei einigen Lösungen simulieren.

Unterschiedlich ist auch die Berücksichtigung aktueller Gesetze und Förderungen, wie dem Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG), dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG), der Energie- und Stromsteuer, KfW- und BAFA-Programme. Die Anfang 2016 in Kraft getretene Gesetzesnovelle (KWKG 2016, siehe Info-Kasten), die Änderungen im Rahmen der Förderung von KWK-Anlagen mit sich bringt, wird noch nicht von allen Programmen berücksichtigt.

Auch aktuelle Contracting-Modelle, d. h. die BHKW-Bereitstellung, -Wartung oder -Betriebsführung durch externe Anbieter zur Vermeidung von Investitionsrisiken, unterstützen nur einige Programme. Richtlinien wie VDI 4656 (Planung und Dimensionierung von Mikro-KWK-Anlagen), VDI 2067 (Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen) oder relevante DIN-Normen werden von den Programmen nur teilweise 1 : 1 berücksichtigt.

Über Datenbanken für die Eingabe und Auswahl von BHKW-Modellen, den örtlichen Klimadaten und Tarifen sowie unterschiedlichen Gebäuden mit ihrem spezifischen Heizungs-, Warmwasser- oder Strombedarf verfügen die meisten Programme. Unterschiedlich sind der Komfort bei der Suche und Auswahl sowie die Aktualität. Eingabehilfen, wie Schemapläne, Eingabeassistenten, Vorgabewerte sowie Plausibilitätskontrollen bietet nur etwa die Hälfte aller Programme.

Hinsichtlich der Simulation und Ausgabe des Wärme- und Stromertrags, von Laufzeiten, der Jahresdauerlinie, den Erlösen, Betriebskosten und der Wirtschaftlichkeit unterscheiden sich die Programme kaum voneinander. Unterschiede gibt es allerdings in Bezug auf die Präzision der Berechnung und Simulation oder die Qualität der tabellarischen und grafischen Ausgabe. Die gesamte Bandbreite der Ausgabe reicht von der Druckausgabe bis hin zur Unterstützung wichtiger Datenformate, wie ASCII, RTF, DOC, XLS oder PDF zur Weiterbearbeitung, Präsentation oder für den E-Mail-Versand.

Große Unterschiede bei den kostenpflichtigen Programmen gibt es beim Kaufpreis, aber auch bei den Update- bzw. Upgrade-Kosten.

KWK benötigt Planungssicherheit

Bei der BHKW-Planung ist nicht nur Expertenwissen und Sorgfalt bei der Auslegung der elektrischen und thermischen Leistung, des Spitzenlast-Heizkessels, der Größe des Speichers und gegebenenfalls zusätzlicher Energiesysteme und Anlagenkomponenten erforderlich, sondern zusätzlich auch moderne Planungshilfsmittel.

Die Zusammenhänge und gegenseitigen Abhängigkeiten sind derart komplex und vielschichtig, dass Fachplaner und Fachbetriebe bei der BHKW-Auslegung und Berechnung auf die Unterstützung durch Planungswerkzeuge angewiesen sind. Software- und BHKW-Hersteller verfügen mittlerweile über zuverlässige Auslegungs- und Simulationsprogramme, die Planungssicherheit bieten und komfortabel bedienbar sind – zugleich aber auch Fachwissen zwingend voraussetzen.

Planungssicherheit ist aber auch aus einer anderen Perspektive wichtig, denn auch die Refinanzierung und staatliche Förderung erfordert Sicherheit und Beständigkeit. Kaum ein Bauherr oder Hauseigentümer wird in die KWK-Technik investieren, wenn der für die Netzeinspeisung wichtige durchschnittliche Baseload-Strompreis an der Leipziger Strombörse EEX („üblicher Preis“) weiter in den Keller geht und der rechtliche Rahmen staatlicher Fördermaßnahmen noch nicht in trockenen Tüchern ist: Die Genehmigung des KWKG 2016 durch die EU-Kommission steht momentan noch aus (Stand: Juni 2016) und somit ist auch die verbesserte Förderung neuer KWK-Anlagen noch in der Schwebe.

Bis die KWK-Technik tatsächlich einen Boom erlebt, kann es also noch etwas dauern, aber dann sollte man mit den richtigen Werkzeugen gewappnet sein.

Groß, Mini, Mikro oder Nano?

Blockheizkraftwerke (BHKW) werden entsprechend ihrer elektrischen Leistung in unterschiedliche Leistungsklassen unterteilt, die zwischen 1 kW und mehreren MW liegen können. Bei einer elektrischen Leistung über 50 kW spricht man von Groß-BHKWs, zwischen 15 und 50 kW von Mini-BHKWs. Mikro-BHKWs verfügen über eine elektrische Leistung zwischen 2,5 und 15 kW, während Anlagen mit weniger als 2,5 kW elektrischer Leistung als Nano-BHKW bezeichnet werden. Mini- und Mikro-BHKWs kommen – je nach individuellem Strom- und Wärmebedarf des Objekts, respektive der Nutzung – vorwiegend in Hotels, Gaststätten, Schwimmbädern, Wohnheimen, Gemeindezentren, Kindergärten, Schulen, Sporthallen, Produktionsbetrieben, Reihenhäusern oder Wohnblocks zum Einsatz. Nano-BHKWs im unteren Leistungsbereich können für Ein- oder Zweifamilienhäuser eine wirtschaftliche Lösung sein.

Was ist neu am KWKG 2016?

Die zum 01. Januar 2016 in Kraft getretene Gesetzesnovelle zum Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG 2016) enthält gegenüber den bisherigen Regelungen nach KWKG 2012 zahlreiche Änderungen hinsichtlich der Förderung von KWK-Anlagen – die allerdings noch durch die EU-Kommission genehmigt werden müssen. Dazu zählen unter anderem neue Regelungen zur Stromvergütung. So soll beispielsweise selbstverbrauchter Strom nur noch mit 4 Ct/kWh für den KWK-Leistungsanteil bis 50 kW gefördert werden, in den höheren Leistungsanteilen sinken die Zuschlagssätze, bis auf 1 Ct/kWh im KWK-Leistungsanteil über 2 MW. Dafür sieht das Gesetz eine höhere Förderung für in ein öffentliches Stromnetz eingespeisten Strom vor: Sie beträgt für den KWK-Leistungsanteil bis 50 kW nun 8 Ct/kWh, im neuen Bereich von 50 bis 100 W sind es 6,0 Ct/kWh, von 100 bis 250 kW beträgt der Zuschlag 5,0 Ct/kWh, von 250 kW bis 2 MW 4,4 Ct/kWh und für den KWK-Leistungsanteil über 2 MW sind es 3,1 Ct/kWh. Die Förderdauer beträgt zukünftig 60 000 Vollbenutzungsstunden bis zu einer elektrischen KWK-Leistung bis 50 kW. KWK-Anlagen über 50 kW werden wie bisher über einen Zeitraum von 30 000 Vollbenutzungsstunden gefördert.

Weitere Infos unter www.kwkg2016.de

[1] VDI 4656 Planung und Dimensionierung von Mikro-KWK-Anlagen. Berlin: Beuth Verlag, September 2013

[2] VDI 4655 Referenzlastprofile von Ein- und Mehrfamilienhäusern für den Einsatz von KWK-Anlagen. Berlin: Beuth Verlag, Mai 2008

[3] VDI 2067 Blatt 1 Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Grundlagen und Kostenberechnung. Berlin: Beuth Verlag, September 2012

[4] VDI 3985 Grundsätze für Planung, Ausführung und Abnahme von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen mit Verbrennungskraftmaschinen. Berlin: Beuth Verlag, März 2004

[5] Krawinkler, R.: Mini- und Mikro-Blockheizkraftwerke, Technologiebeschreibung, Standortplanung mittels Planungssoftware BHKW-Plan und Ausblick auf die weitere Umsetzung dieser Technologie. Wien: TU Wien, 2006

[6] Schaumann, G.; Schmitz, K.W. (Hrsg.): Kraft-Wärme-Kopplung (VDI-Buch). Heidelberg: Springer-Verlag, 2010

[7] Wolfgang Suttor: Blockheizkraftwerke – Ein Leitfaden für den Anwender. Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag, 8. überarbeitete Auflage, 2014

Weitere Infos (Auswahl)

• <a href="http://www.blockheizkraftwerk.org" target="_blank">www.blockheizkraftwerk.org</a> BHKW-Verbraucherportal
• <a href="http://www.bkwk.de" target="_blank">www.bkwk.de</a> Bundesverband KWK
• <a href="http://www.bhkw-forum.de" target="_blank">www.bhkw-forum.de</a> BHKW-Diskussionsforum
• <a href="http://www.ihr-bhkw-berater.de" target="_blank">www.ihr-bhkw-berater.de</a> BHKW-Beratung und -Infos
• <a href="http://www.bhkw-infothek.de" target="_blank">www.bhkw-infothek.de</a> Infos für BHKW-Betreiber
• <a href="http://www.bhkw-infozentrum.de" target="_blank">www.bhkw-infozentrum.de</a> BHKW-Informationszentrum
• <a href="http://www.bhkw-planung.de" target="_blank">www.bhkw-planung.de</a> Planung, Berechnung, Links
• <a href="http://www.wikipedia.de" target="_blank">www.wikipedia.de</a> Suchwort: Blockheizkraftwerk etc.

Dipl.-Ing. Marian Behaneck ist Fachautor zahlreicher Publikationen zu Hardware, Software und IT im Baubereich; 76751 Jockgrim, behaneck@gmx.de