BHKW und Warmwasserspeicher im Keller des Fraunhofer IISB: Die BHKW -Anlage wurde im Rahmen des Erweiterungsbaus B in die Infrastruktur des Instituts integriert und sowohl zur Wärme- und Stromversorgung als auch als Forschungsanlage genutzt. Bild: IISB

Messreihe einer am Fraunhofer IISB durchgeführten Lastspitzenreduktion: Bei einer Vorgabe von einer maximal zulässigen Bezugsleistung von 700 kW konnten die Lastspitzen von 870 KW um ca. 20% auf 695 kW reduziert werden. Bild: IISB

Fraunhofer IISB: Lastspitzen von Blockheizkraftwerk dank Wärmespeicher und Batterie deutlich senken

(IISB) Ein BHKW eignet sich nicht nur zur Verringerung des externen Strom- und Wärmebezugs, sondern auch zur Reduktion elektrischer Lastspitzen. Am Fraunhofer IISB wurde dank optimierter Steuerung eines neu integrierten Erdgas-Blockheizkraftwerks in Verbindung mit einem Warmwasserspeicher und einem elektrischen Batteriespeicher eine Lastspitzenreduktion um 20 % erreicht. Lastspitzenreduktion führt bei industriellen Stromtarifen mit Leistungspreisen zu erheblichen Kostenersparnissen.


Die erzielte Lastspitzenreduktion ist eines der Ergebnisse der experimentellen Energieforschung am IISB zur Untersuchung dezentraler intelligenter Energiesysteme hinsichtlich Einsparpotential und Effizienz. Die zusätzliche Integration eines Wärmespeichers ermöglicht eine flexiblere Nutzung des Blockheizkraftwerks (BHKW). So lassen sich gezielt Lastspitzen im Stromverbrauch und damit Kosten reduzieren, auch wenn gerade kein Wärmebedarf vorhanden ist.

Entkopplung von Wärmeerzeugung und Wärmeverbrauch
Am Fraunhofer IISB in Erlangen wurde bei der jüngsten räumlichen Erweiterung unter anderem ein erdgasbetriebenes Blockheizkraftwerk in die Infrastruktur des Instituts integriert, was sowohl den Bedarf an Fernwärme als auch den externen Strombedarf reduziert. Bei einem typischen BHKW in einem Industriebetrieb erfolgt die Auslegung wärmegeführt. In der Regel wird dazu die Wärmegrundlast des Versorgungsbereichs als Massstab herangezogen, um eine möglichst hohe Jahreslaufzeit des BHKW zu erreichen. Die zusätzliche Erweiterung der Anlage am IISB um einen Wärmespeicher ermöglicht die zeitliche Entkopplung von Wärmeerzeugung und Wärmeverbrauch. Da sich überschüssige Wärme relativ unkompliziert speichern lässt, wird generell der Betrieb des Blockheizkraftwerks flexibilisiert und die Jahreslaufzeit gesteigert. So können komplexe Betriebsstrategien erprobt werden, was zusätzlich eine erhebliche Senkung der Amortisationszeit ermöglicht.

Im Industriemassstab
Ein wesentlicher Forschungsbereich am Fraunhofer IISB ist die Optimierung der energetischen Infrastruktur von Betrieben im Industriemassstab. Da das Institut neben Büroräumen auch klimatisierte Reinräume und Labore mit grossen Energieverbrauchern betreibt, ist es hervorragend als Demonstrationsplattform für mittelständische Unternehmen geeignet. Die Optimierungsmassnahmen sind hierbei nicht nur auf die einzelnen vorhandenen Energiesek-toren – Wärme, Strom und Kälte – bezogen, sondern haben über eine Kopplung der verschiedenen Sektoren auch das Gesamtenergiesystem im Blick.

Geringere Lastspitzen, tiefere Kosten
Neben der üblichen Nutzung eines dezentralen Blockheizkraftwerkes zur Verringerung des Fremdbedarfs an Energie wird die Anlage am IISB auch zur Reduktion von elektrischen Lastspitzen verwendet. Als Lastspitze wird ein temporär auftretender hoher Strombedarf bezeichnet. Eine Reduktion dieser Lastspitzen ist sinnvoll, da Versorgungsnetzbetreiber den Industrieunternehmen oftmals Stromtarife anbieten, bei denen ein Leistungspreis in Rechnung gestellt wird. Dieser berechnet sich anhand des grössten Leistungsbezugs im betrachteten Abrechnungszeitraum. Eine Reduktion dieser Spitzen senkt deshalb deutlich die Stromkosten.

Fremdbedarf an Energie senken
Am IISB wurde eine Betriebsstrategie entwickelt, um durch den Betrieb des Blockheizkraftwerkes den Fremdbedarf an elektrischer Energie speziell im Lastspitzenfall zu verringern. Die Idee ist, dass im Normalbetrieb ein Teil der Kapazität des Wärmespeichers zurückgehalten wird. Das stellt im Fall des Auftretens einer Lastspitze sicher, dass das Blockheizkraftwerk auch bei fehlendem Wärmebedarf für eine zuvor definierte Mindestdauer betrieben werden kann. Die überschüssige Wärme wird dabei in den Puffertanks zwischengespeichert. Unabhängig vom wärmegeführten Normalbetrieb kann so das Blockheizkraftwerk auch kurzfristig zu elektrischen Hochlastzeiten betrieben werden.

Batterie für Anfahrvorgänge
Besonders Blockheizkraftwerke ohne Vorheizsystem benötigen einige Minuten, um aus dem Bereitschaftszustand ihre Nennleistung zu erreichen. Deshalb ist die Kombination mit einem Batteriesystem sinnvoll. Das Batteriesystem kann den Anfahrvorgang des Kraftwerkes überbrücken, es bei Spitzenlasten unterstützen sowie kleine Lastspitzen selbstständig abdecken. Im Vergleich zu Reduktionsstrategien, die nur auf einem elektrischen Batteriespeicher basieren, spart die Verknüpfung von Blockheizkraftwerk, Batterie und Wärmespeicher zusätzlich Investitionskosten bezüglich der Batteriekapazität. Während elektrische Batteriespeicher hohe Kosten im Bereich von 500 € pro kWh aufweisen, ist das thermische Äquivalent für etwa ein Zehntel des Preises erhältlich.

Die richtige Anlagendimensionierung
Um ein optimales Zusammenspiel der energietechnischen Anlagen zu gewährleisten, ist eine geeignete Dimensionierung essenziell. Am IISB wurden Auslegungsalgorithmen entwickelt, mit denen Batteriespeicher, Blockheizkraftwerk und thermischer Speicher für eine Lastspitzenreduktionsanwendung individuell dimensioniert werden können. Anhand dieser Simulationen kann die Dimensionierung für verschiedene Anlagen und Unternehmen vorgenommen werden. Wichtige Einflussgrössen sind neben den Investitionskosten und dem Leistungspreis des Stromanbieters auch die Verlaufsdaten der elektrischen Last des Nutzers, um die Höhe und die Dauer zukünftiger Lastspitzen abschätzen zu können. Über die Algorithmen kann nicht nur eine Empfehlung zur Dimensionierung der Anlagen abgeleitet werden. Ebenso ist es möglich, das Einsparpotenzial, das durch ein intelligentes Lastmanagement mit einem Blockheizkraftwerk erreicht werden kann, abzuschätzen.

Text: Fraunhofer IISB

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