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Flexible KWK

– aber wie?

Es ist mittlerweile unstrittig, dass Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK-Anlagen) zunehmend flexibel betrieben werden müssen. Nur so kann es gelingen, die Anlagen optimal in das elektrische Energiesystem einzubinden, beispielsweise zur Deckung der Residuallast oder zur Unterstützung der Verteilnetze, und damit zur Umsetzung der Energiewende beizutragen. Auch der Gesetzgeber fordert den flexiblen Betrieb durch die Absenkung der förderfähigen Betriebsstunden im KWK-Gesetz ein. Um vor diesem Hintergrund jedoch parallel die Deckung des erforderlichen Wärmebedarfs unter Gewährleistung der hohen Effizienz der KWK sicherzustellen, ist eine intelligente Steuerung der Geräte erforderlich. Zu diesem Zweck ist an der Hochschule Reutlingen ein vorausschauender Steuerungsalgorithmus zum „stromoptimierten“ und „netzdienlichen“ Betrieb von KWK-Anlagen bei voller Nutzung der KWK-Wärme als Alternative zum standardmäßig anzutreffenden wärmegeführten Betrieb entwickelt worden.

Wenn aktuell von Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) die Rede ist, dann häufig in Verbindung mit den Begriffen „flexibler“ oder „netzdienlicher“ Betrieb. Gemeint ist damit die Fähigkeit der KWK, sich bedarfsgerecht an die Erfordernisse im Energiesystem anzupassen und damit insbesondere bei der Stromerzeugung im Zusammenspiel mit PV- und Windkraft-Anlagen die notwendige Deckung der Residuallast und so die Versorgungssicherheit zu gewährleisten. Dabei gilt es jedoch zu beachten, dass die in der KWK-Anlage erzeugte Wärme nach wie vor vollständig genutzt wird, um den Effizienzvorteil gegenüber der konventionellen Reststromerzeugung zu bewahren. Aus diesem Grund müssen zwei Voraussetzungen für den flexiblen Betrieb von KWK-Anlagen wie folgt gegeben sein:

Zunächst ist ein Energiespeicher erforderlich, um die gekoppelt erzeugten Mengen an Wärme und elektrischer Energie mit den jeweils unterschiedlichen Bedarfsprofilen in Einklang zu bringen. Hier bietet es sich an, den zur Vermeidung des Taktbetriebs ohnehin in KWK-Anlagen verbauten Pufferspeicher zu nutzen. Auf diese Weise kann das KWK-Gerät beispielsweise anlaufen, um eine elektrische Lastspitze bzw. einen hohen Strombedarf zu decken oder einen Engpass im Verteilnetz auszugleichen, auch wenn zu diesem Zeitpunkt kein oder nur ein geringer Wärmebedarf vorliegt. Die erzeugte Wärmemenge wird in den Pufferspeicher eingebracht und steht damit zu einem späteren Zeitpunkt als Nutzwärme zur Verfügung. Ebenso kann das KWK-Gerät bei Vorliegen eines Wärmebedarfs auch ausgeschaltet bleiben, weil der KWK-Strom aktuell zum Beispiel aufgrund von hoher PV-Stromerzeugung nicht benötigt wird. Der Wärmebedarf wird zu diesen Zeiten aus dem Pufferspeicher gedeckt.

Die zweite Voraussetzung ist ein intelligenter Steuerungsalgorithmus, der den Betrieb des KWK-Gerätes nicht allein am Wärmebedarf ausrichtet, wie dies beim klassischen „wärmegeführten“ Betrieb der Fall ist, sondern zusätzlich die elektrische Residuallast oder den Netzzustand berücksichtigt. Während die Deckung der elektrischen Last beim wärmegeführten Betrieb rein zufällig erfolgt, sorgt der intelligente Steuerungsalgorithmus für eine bestmögliche Abstimmung des Betriebs der KWK-Anlage auf die stromseitigen Erfordernisse bei – wie zuvor angedeutet – vollständiger Nutzung der in der Anlage parallel erzeugten Wärme.

Ein entsprechender Steuerungsalgorithmus ist an der Hochschule Reutlingen im Rahmen von verschiedenen Forschungsprojekten entwickelt und optimiert worden [1 bis 3]. Der Algorithmus arbeitet prognosebasiert und damit vorausschauend, das heißt, es werden sowohl die Entwicklung des Wärmebedarfs als auch der Stromlast oder des Netzzustandes über den Prognosehorizont einbezogen. Auf Basis dieser Daten ermittelt der Algorithmus unter Berücksichtigung weiterer gerätetechnischer Spezifika, wie den Mindestbetriebs- und -ruhezeiten des Gerätes und der Anzahl der Gerätestarts, einen optimalen Fahrplan. Dieser Fahrplan gewährleistet die bestmögliche Erfüllung der Zielgröße, die, je nach Anwendung, über die Deckung der Residuallast oder die Stützung des Verteilnetzes bei gleichzeitig vollständiger Wärmenutzung definiert ist. Die Funktionsweise des Algorithmus wird im Folgenden näher erläutert.

Grafik: Schematische Funktionsdarstellung der Steuerung.
Quelle: Patrick Haase und Bernd Thomas, Reutlinger Energiezentrum (REZ), Hochschule Reutlingen
Schematische Funktionsdarstellung der Steuerung.

Funktionsweise des KWK-Steuerungsalgorithmus

In Abbildung 1 ist das bislang an einer Mikro-KWK-Anlage umgesetzte Funktionsprinzip der Steuerung schematisch dargestellt. Die Zielgröße dieser Anwendung stellt die Maximierung des selbst erzeugten und vor Ort genutzten KWK-Stroms, die sogenannte Eigenstromdeckung, dar. Die Implementierung an der realen Anlage kann dabei auf zwei unterschiedlichen Wegen erfolgen. Eine Möglichkeit besteht in der lokalen Ausführung des Algorithmus auf einer SPS, beispielsweise dem internen Steuergerät des KWK-Gerätes. Eine weitere Möglichkeit stellt die Bereitstellung des Algorithmus auf einem Webserver dar, sodass lediglich ein Datenaustausch zwischen KWK-Anlage und Algorithmus vorliegt. Eine lokale Umsetzung der bedarfsorientierten Steuerung entfällt damit; stattdessen steht dem Anwender eine flexibel über das Internet aufrufbare Serviceanwendung zur Verfügung.

Freitag, 08.10.2021

Galerie

  • Schematische Funktionsdarstellung der Steuerung.
  • KWK-Prüfstand der Hochschule Reutlingen.
  • Stromoptimierter KWK-Fahrplan im Vergleich zum wärmegeführten Betrieb in der praktischen Anwendung.
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