TGA Management

TGA Ausgabe 09-2013
Produktvergleich

Software zur BHKW-Planung

Abb. 1 Eine sorgfältige Planung für ein reibungsloses Zusammenspiel aller Komponenten ist die Grundvoraussetzung für einen rentablen BHKW-Betrieb. (Quelle: Buderus)
Abb. 1 Eine sorgfältige Planung für ein reibungsloses Zusammenspiel aller Komponenten ist die Grundvoraussetzung für einen rentablen BHKW-Betrieb.

Blockheizkraftwerke müssen besonders sorgfältig dimensioniert werden, damit man sie rentabel betreiben kann. Spezielle Simulationssoftware unterstützt die BHKW-Planung. Worin sich die einzelnen Lösungen unterscheiden, zeigt ­dieser Produktvergleich.

Wie hoch ist die optimale elektrische Leistung für das jeweilige Objekt? Das ist die Gretchenfrage bei jeder BHKW-Auslegung. Dimensioniert man die Anlage zu klein, werden die Einsparpotenziale nicht vollständig ausgeschöpft, die leistungsspezifischen Investitions- und Wartungskosten sind unnötig hoch und vom eigenen 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, insbesondere solche ohne Leistungsregelung, schnell in den Taktbetrieb – was den Wirkungsgrad verschlechtert und den Verschleiß erhöht. In beiden Fällen wird die bestmögliche Wirtschaftlichkeit verfehlt. Durch die Nutzung von BHKW-Software wird nicht nur die Auslegung vereinfacht, sondern auch die Wirtschaftlichkeit abgesichert.

Um wirtschaftlich arbeiten zu können, müssen BHKW (ohne den Verkauf von Spitzenlaststrom oder Regelenergie) möglichst hohe Laufzeiten erreichen – mindestens 3000 bis 4000 Volllaststunden pro Jahr. Optimal sind mehr als 6000 h/a, was jedoch voraussetzt, dass die Anlage über zwei Drittel der insgesamt 8760 Jahresstunden in Betrieb ist. Das bedingt, auch außerhalb der Heizperiode, einen ausreichenden Wärmebedarf – etwa für die Trinkwassererwärmung oder für Produktionsprozesse. Auch deshalb hat sich der Einsatz kleinerer BHKW-Anlagen bisher vor allem auf Objekte mit überdurchschnittlichem Trinkwarmwasser- oder Wärmebedarf konzentriert – auf Gewerbebetriebe, Hotels, Krankenhäuser, Altenheime oder Schwimmbäder.

Rentabilität setzt Planung voraus

Elektrische und thermische Lasten unterliegen in diesen Objekten, aber auch in Wohngebäuden im Tages- und Jahresverlauf, erheblichen Schwankungen. BHKW-Anlagen müssen deshalb so ausgelegt werden, dass sie diesen wechselnden Bedingungen sowie den Anforderungen an den Energieertrag, die Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit der Anlage sowie dem Nutzungskomfort genügen.

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

Da eine manuelle Simulationsrechnung viel zu zeitaufwendig, fehleranfällig und unwirtschaftlich wäre, werden Simulationspro­gramme eingesetzt. Prinzipiell lassen sich zwei Programmkategorien unterscheiden: Zum einen herstellerübergreifende Planungsprogramme unabhängiger Software-Unternehmen. Diese auf die Berechnung und Simulation von BHKW-Anlagen spezialisierten Programme, respektive allgemeinen Lösungen für die Simulation thermisch-dynamischer Pro­zesse ermöglichen eine präzise Auslegung, Simulation und Berechnung von Blockheizkraftwerken unterschiedlicher Anbieter.

Daneben gibt es herstellerspezifische kostenfreie Planungsprogramme von BHKW-Herstellern wie Brötje, Vaillant oder Viessmann. Diese für Fachhandwerker, Fachingenieure und Fachhandelspartner kostenfreien, teilweise auf Excel basierenden Programme, ermöglichen eine Auslegung und Wirtschaftlichkeitsprognose konkreter Geräte des jeweiligen Herstellers. Mit dem BHKW-Rechner der EnergieAgentur.NRW gibt es inzwischen auch einen kostenfreien Online-Rechner. Allerdings eignet er sich nicht zur exakten Berechnung – sondern vielmehr zur Prüfung, ob sich für ein Objekt ein BHKW lohnen könnte und als überschlägige Auslegungshilfe zur Kostenschätzung.

Welche Lösungen gibt es?

BHKW-Plan von Steinborn innovative Gebäude-Energieversorgung gehört zu den BHKW-Softwarepionieren. Das Programm liefert seit 1997 Aussagen zur Auslegung, Laufzeit und Wirtschaftlichkeit von Geräten mit 1 kWel bis zu BHKW-Anlagen mit mehreren MWel für ganze Siedlungen oder Gemeinden. Das daraus entwickelte Programm MiniBHKW-Plan ist auf Mini- und Mikro-Anlagen bis zu 50 kWel spezialisiert. Berücksichtigt werden alle gängigen 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, eine Schadstoffbilanz, eine Berichterstellung und mehr. Vorgabewerte beschleunigen die Eingabe – Eingabeassistenten, konfigurierbare Schemapläne oder Plausibilitätskontrollen fehlen jedoch.

Co2pra von Dr. Valentin EnergieSoftware unterstützt ausschließlich die Auslegung wärmegeführter BHKW-Anlagen, erkennt Schwachstellen und ermittelt den wirtschaftlichen und ökologischen Nutzen. Dabei werden lokale Daten ebenso wie der jahreszeitliche Verlauf des Heizwärme-, Trinkwarmwasser- und Prozesswärmebedarfs berücksichtigt. Simuliert wird der stündliche Verlauf des Betriebszustands der Anlage mit den dazugehörigen Lastgängen. Berechnet werden jährliche Betriebsstunden der BHKW-Module, sowie die Energie-, Kosten- und Schadstoffbilanz.

DK-Integral von Delzer Kybernetik gehört zu den allgemeinen Lösungen für die Simula­tion thermisch-dynamischer Prozesse. Mit Ausnahme von netzgeführten BHKW werden alle Betriebsarten berücksichtigt. Anlagen-Kombinationen sind wie auch bei Co2pra nur eingeschränkt möglich. Berechnet werden die Wärme- und Stromproduktion, Laufzeiten oder die Jahresdauerlinie – Erlöse, Betriebskosten oder die Wirtschaftlichkeit jedoch nicht.

EnergyPRO Abb. 3 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 MW-Bereich in Verbindung mit Kesseln 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- oder Windenergieanlagen sowie Stromspeicher werden berücksichtigt und im Detail simuliert.

Auch der Home Energy Simulator von EUtech Scientific Engineering berücksichtigt mit Ausnahme von Batteriespeichern zahlreiche Kombinationen wärmegeführter BHKW-Anlagen bis 500 kWel und simuliert diese samt Gebäude im Rahmen einer Jahressimulation in Minutenauflösung. Zu den Ergebnisdaten zählen die Wärme- und Stromgenerierung, 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.

Die KWK Simulation von Hottgenroth Software dient der Auslegung, Simulation und ­Optimierung von wärmegeführten, mono- oder bivalenten KWK-Anlagen bis 500 kWel mit nahezu allen Brennstoffen. Kombinationen mit Spitzenlast-Heizkesseln und Wärmespeichern sind möglich. Nach der Ermittlung des Heizenergiebedarfs und anderer Basisdaten, respektive der Übernahme von mit dem haus­internen CAD-Modul aufgenommenen Gebäudedaten, werden technische Parameter in stündlicher Auflösung simuliert. Die Simulation liefert quantitative Aussagen zur BHKW-Leistung, Laufzeiten, Brennstoffeinsparung ­sowie Stromerlöse.

Mit der Richtlinie VDI 4656 [1] wurde ein Regelwerk für die Planung und Dimensionierung von Mikro-KWK-Anlagen für den Einsatz in Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie KIeingewerbebetrieben vom Verein Deutscher Ingenieure herausgegeben. Zur im September 2013 neu erschienenen Richtlinie gehört eine VDI-4656-Software, die eine Auslegung, Konfiguration und Optimierung von Mikro-KWK-, aber auch konventionellen Heizungsanlagen ermöglicht und in Teilen dem oben vorgestellten, vom gleichen Software-Anbieter stammenden Home Energy Simulator entspricht. Gebäudetypen, klimatische Bedingungen, Nutzungsprofile, Kosten und Emissionen werden ebenso berücksichtigt, wie Wechselwirkungen zwischen den Systemen.

Zu den herstellerspezifischen Planungswerkzeugen gehört EcoGen von Brötje Abb. 2. Dabei handelt es sich um eine ausschließlich für das Mikro-BHKW EcoGen 20.1 einsetzbare Wirtschaftlichkeitsberechnung für Kunden, Fachhandelspartner oder Fachingenieure. Neben einer wärmegeführten ist auch eine „stromoptimierte“ Betriebsweise möglich, die aufgrund eines Zeitprogramms auch ohne externe Wärmeanforderung das Gerät in Betrieb nimmt.

Auch der BHKW-Rechner des EnergieSparChecks von Viessmann dient der überschlägigen Wirtschaftlichkeitsberechnung von Viessmann-BHKW-Modulen bis 50 kWel. Er simuliert auf Stundenbasis gemäß VDI 2067 und DIN 4701 den Wärme- und Stromertrag sowie Laufzeiten, berechnet Erlöse, Betriebskosten und die Wirtschaftlichkeit. Kombinationen mit Spitzenlast-Heizkessel und Wärmepumpe sind möglich.

Die zum integrierten Vaillant-Planungspaket plansoft gehörenden Programme KWK-Plan respektive BHKWExperte bieten für Fachpartner eine Simulationsumgebung, mit der Vaillant-BHKW von 1 bis 50 kWel umfassend ausgelegt und berechnet werden können. Die Software berücksichtigt nahezu alle Gesetze, Förderungsrichtlinien und Regelwerke. Simuliert und berechnet werden wichtige Parameter, Erlöse, Betriebskosten und die Wirtschaftlichkeit.

Mit dem online aufrufbaren und optional in jeden Internet-Auftritt integrierbaren BHKW-Rechner Abb. 4 der Energieagentur NRW ( http://www.energieagentur.nrw.de/bhkw-rechner ) kann man überprüfen, ob der Einsatz eines Mini-BHKWs in einem Wohngebäude oder Unternehmen sinnvoll ist. Als Ergebnis erhält man eine grobe Abschätzung der wirtschaftlichen Rahmenbedingungen.

Worauf solle man achten?

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? Abb. 5 Abb. 6 Werden alle wichtigen Betriebsarten, wie wärme-, strom- und 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 einer Wärmepumpe, Wärme- und Batteriespeichern, Solarthermie-, Photovoltaik- oder anderen Anlagen Abb. 7 nicht bei allen Programmen möglich. Die gängigen Einsatzbereiche und entsprechenden Nutzungsprofile von Alt- und Neubauten, Ein- und Mehrfamilienhäusern, Gewerbebetrieben oder öffentlichen Gebäuden decken mit Ausnahmen alle Programme ab.

Als Inselsystem, also für die autonome Versorgung eines Objektes mit elektrischer und thermischer Energie, oder als Notstromaggregat (Netz­ersatz) lassen sich BHKW hingegen nur bei einigen Lösungen simulieren. Sehr unterschiedlich ist bei den Lösungen auch die Berücksichtigung des Kraft-Wärme-Kopplungsgesetzes (KWKG), des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG), der Energie- und Stromsteuer sowie der KfW- und BAFA-Programme. Contracting-Modelle, also die BHKW-Bereitstellung, -Wartung oder -Betriebsführung durch externe Anbieter zur Vermeidung von Investitionsrisiken, unterstützen nur die beiden Steinborn-Programme sowie energyPRO. Auch Richtlinien, wie VDI 4656 und VDI 2067 oder relevante DIN-Normen werden von den Programmen nur teilweise, nicht oder nur in Anlehnung berücksichtigt.

Über Datenbanken für eine komfortable Eingabe und Auswahl von BHKW-Modellen, den örtlichen Klimadaten und Tarifen sowie unterschiedlichen Gebäuden mit ihrem spezifischen Heizung-, Warmwasser- oder Strombedarf verfügen die meisten Programme. Unterschiedlich ist der Komfort bei der Suche und Auswahl. 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 Abb. 8. Die Bandbreite der Ausgabe reicht von der Druckausgabe bis zur Unterstützung wichtiger Datenformate, wie ASCII, RTF, DOC, XLS oder PDF zur Weiterbearbeitung, Präsentation Abb. 9 oder für den E-Mail-Versand. Einen kostenfreien oder im Wartungsvertrag enthaltenen Telefon- und/oder E-Mail-Support bieten alle Produkte. Sehr unterschiedlich sind bei den kostenpflichtigen Programmen der von der Programmkonzeption abhängige Preis, ebenso die Update/Upgrade-Konditionen.

Ohne Software geht es nicht…

…ohne Wissen und Erfahrung aber auch nicht! Zusammenhänge und Abhängigkeiten bei der BHKW-Auslegung und -Berechnung sind komplex und vielschichtig. Im Rahmen der Planung ist nicht nur besondere Sorgfalt bei der Auslegung der elektrischen und thermischen Leistung, des Spitzenlastkessels, der Größe des Speichers und gegebenenfalls zusätzlicher Energiesysteme und Anlagenkomponenten erforderlich, sondern auch Expertenwissen und eine kontinuierliche Auseinandersetzung mit der teilweise noch in der Entwicklung befindlichen Technik. Zur Sorgfaltspflicht gehört aber auch der Kundenhinweis, dass es sich um Prognosen handelt, die nur dann realistisch sein können, wenn Lastprofile innerhalb der Nutzungs-/Amortisationszeit konstant bleiben, also keine wesentlichen Nutzungsänderungen eintreten. Marian Behaneck

Fach- und Produktberichte zum Thema enthalten die TGAdossiers Mini-KWK und Mini-KWK-Produkte: Webcode 716 bzw. 848

Quellen, Literatur

[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

Weitere BHKW-Infos (Auswahl)

http://www.bhkw-info.de BHKW-Beratung und Infos

http://www.bhkw-infothek.de Infos für BHKW-Betreiber

http://www.bhkw-infozentrum.de BHKW-Informationszentrum

http://www.bhkw-planung.de Planung, Berechnung, Links

http://www.bkwk.de Bundesverband KWK

http://www.blockheizkraftwerk.org BHKW-Verbraucherportal

http://www.kwk24.de KWK-/BHKW-Forum und Blog

http://www.wikipedia.de Suchwort: Blockheizkraftwerk etc.

  • Abb. 2 Die Bandbreite der Lösungen reicht von einfachen, auf Excel basierenden Wirtschaftlichkeitsrechnern…
  • Abb. 3 …bis zu umfassenden Lösungen für die Simulation dynamischer Prozesse.
  • Abb. 4 Frei zugängliche Online-Rechner ­ermöglichen lediglich eine überschlägige ­Ertrags- und Renditeabschätzung.
  • Abb. 5 Während einige Simulations­programme eher für KWK-Anlagen im Megawattbereich ausgelegt sind…
  • Abb. 6 …haben andere Stärken bei der Mini- und Mikro-BHKW-Planung.
  • Abb. 7 Will man Anlagen individuell auslegen, allen Wechselwirkungen zwischen den ­Systemkomponenten gerecht werden oder Ertrags- und Wirtschaftlichkeits­prognosen erstellen…
  • Abb. 8 …sind zeitlich hochaufgelöste Simulationen unabdingbar.
  • Abb. 9 Ergebnisberichte schaffen Übersicht, ­ermöglichen Vergleiche und vereinfachen die Kundenberatung.
Brötje
A/S / EMD Deutschland
EnergieAgentur.NRW
Steinborn innovative Gebäude Energieversorgung
Vaillant
Hottgenroth/ETU
Hottgenroth/ETU
Steinborn innovative Gebäude Energieversorgung
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