Die Komponente BHKW
Die Komponente BHKW repräsentiert ein Blockheizkraftwerk oder eine andere Kraft-Wärme-Kopplungskomponente, bei der aus Brennstoff als Koppelprodukte Wärme (kein Dampf) und Strom erzeugt werden.
Komponentenvorlage
Die Komponentenvorlage BHKW.e-ctpl befindet sich im Komponentenvorlagen-Ordner Gekoppelte Erzeugung.
Einbindung in ein Schema
Funktionsweise der Komponente
Bitte beachten Sie die wichtigen Hinweise zum Stoffmodell und zur Einblendung der Pins im Artikel Besonderheiten Brennstoff. Die Komponente wandelt die im Brennstoff enthaltene Energie durch Verbrennung in Strom und Wärme um. Die Energie, die weder in Form von Strom noch in Form von Wärme die Komponente verlässt, wird dem Abgasstrom zugeschlagen.
Die Umwandlungswirkungsgrade werden in der Komponente vorgegeben. Dabei ist die direkte Eingabe der Wirkungsgrade oder die Vorgabe der Nennleistungen möglich. Des Weiteren kann ein Teillastverhalten über Kennlinien hinzugefügt werden.
Berechnung der Wirkungsgrade in Volllast
Die Bestimmung der Wirkungsgrade in Volllast erfolgt entweder über eine direkte Eingabe des thermischen und elektrischen Nennwirkungsgrades oder über die Vorgabe der thermischen Nennleistung und der Brennstoffnennleistung. Die Brennstoffleistung und alle Wirkungsgrade sind immer auf den unteren Heizwert (Hi) des Brennstoffs bezogen. Wenn für das Teillastverhalten die Option Kennlinie eingeben (absolute Werte) gewählt wird, werden die Nennleistungen direkt aus den Kennlinien ermittelt.
Wenn die Anlage in der Lage ist, den Brennwert des Brennstoffs auszunutzen, kann ein Wirkungsgrad von über 100 % eingegeben werden. Dieser geht aber nicht in die Berechnung der Abgastemperatur ein. Da die Kondensation des Wassers im Abgas nicht in die Berechnung eingeht, treten in diesem Fall sehr niedrige Abgastemperaturen auf. Dies hat allerdings nur dann negative Auswirkungen auf das Ergebnis, wenn dem Abgas in einem Wärmeübertrager noch einmal Wärme entzogen wird. Ansonsten können die entstehenden Fehlermeldungen ignoriert werden.
Teillastverhalten
Zur Vorgabe des Teillastverhaltens gibt es drei verschiedene Möglichkeiten. Voreingestellt ist die Vorgabe eines Konstanten Wirkungsgrades in Teillast. Wenn das Teillastverhalten davon abweicht, ist in den meisten Fällen die Vorgabe absoluter Werte zu empfehlen.
Bei der Auswahl Konstanter Wirkungsgrad in Teillast werden entweder die Wirkungsgrade (\(\eta_{el}\), \(\eta_{th}\)) direkt vorgegeben und daraus die Leistungen im Nennzustand bestimmt, oder es werden die Nennleistungen (\(P_{el,N}, \dot{Q}_{th,N}, \dot{m}_{B,N} H_i\)) vorgegeben, aus denen dann die Wirkungsgrade berechnet werden:
\(P_{el,N}=\eta_{el} \dot{m}_{B,N} H_i\),
\(\dot{Q}_{th,N}=\eta_{th} \dot{m}_{b,N} H_i\).
Diese sind dann im gesamten Betriebsbereich der Komponente konstant:
\(P_{el}=\eta_{el} \dot{m}_B H_i\),
\(\dot{Q}_{th}=\eta_{th} \dot{m}_B H_i\).
Bei der Auswahl Kennlinie eingeben (absolute Werte) wird der Zusammenhang zwischen thermischer Leistung \(\dot{Q}_{th}\), elektrischer Leistung \(P_{el}\) und Brennstoffleistung \(\dot{m}_{B} H_i\) direkt über zwei Kennlinien \((f_{el, abs}\), \(f_{th, abs})\) hergestellt. Da mit diesen Kennlinien absolute Leistungen vorgegeben werden, ist eine zusätzliche Vorgabe der Nennleistungen oder der minimalen Teillast nicht erforderlich:
\(P_{el}=f_{el, abs}(\dot{m} H_i)\),
\(\dot{Q}_{th}=f_{th, abs}(\dot{m} H_i)\).
Exemplarisch ist im folgenden Screenshot die Vorgabe der Teillast für ein BHKW mit 70 kW elektrischer Nennleistung, 100 kW thermischer Nennleistung und 200 kW Brennstoffnennleistung dargestellt. Die minimale Teillast beträgt 50 %, und die Wirkungsgrade in Teillast sind schlechter als die Nennwirkungsgrade.
Bei der Wahl Kennlinie eingeben (relativ zur Nennleistung) wird der Zusammenhang zwischen thermischer Leistung \(\dot{Q}_{th}\), elektrischer Leistung \(P_{el}\) und Brennstoffleistung \(\dot{m}_{B} H_i\) über zwei Kennlinien (\(f_{el,rel}\), \(f_{th,rel}\)) hergestellt. Diese Kennlinien repräsentieren den Zusammenhang zwischen den relativen Teillasten der verschiedenen Energieformen. In diesem Fall sind sowohl die Kennlinien als auch die Teillastkurven als Eingabe erforderlich. Zur Berechnung des Teillastverhaltens werden die folgenden Formeln verwendet:
\(\frac{P_{el}}{P_{el,N}}=f_{el,rel}(\frac{\dot{m}_B}{\dot{m}_{B,N}})\),
\(\frac{\dot{Q}_{th}}{\dot{Q}_{th,N}}=f_{th,rel}(\frac{\dot{m}_B}{\dot{m}_{B,N}})\).
Exemplarisch ist im folgenden Screenshot die Vorgabe der Teillast für ein BHKW mit 70 kW elektrischer Nennleistung, 100 kW thermischer Nennleistung und 200 kW Brennstoffnennleistung dargestellt. Die minimale Teillast beträgt 50 %, und die Wirkungsgrade in Teillast sind schlechter als die Nennwirkungsgrade. Diese Eingabe erzeugt das gleiche Ergebnis wie die Vorgabe im Screenshot unter absolute Kennlinie.
Minimale Teillast und modulierender Betrieb
Eine Minimale Teillast kann grundsätzlich bei der Eingabe eines Konstanten Wirkungsgrades in Teillast vorgegeben werden.
Zusätzlich kann die Option Modulieren unter minimaler Teillast mit einem Häkchen in der Checkbox aktiviert werden. Ist diese Option gewählt, erscheinen bei der Vorgabe des Teillastverhaltens über Kennlinien zusätzliche Formlets zur Eingabe der Minimalen Teillast. Beachten Sie dann den Hinweis: Bitte vervollständigen Sie das Teillastdiagramm bis zum Wert 0/0 gemäß dem Betriebsverhalten während der Taktung der Anlage.
Modulierender Betrieb bedeutet, dass die Komponente innerhalb eines Simulationszeitschritts mehrfach an- und ausgeschaltet werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, im Mittel Teillasten abzufahren, die unterhalb der minimalen Teillast liegen. Eine Komponente mit 100 kW thermischer Nennleistung und einer minimalen Teillast von 50 % kann in einer Stunde im Mittel 25 kW erzeugen, indem die Komponente 15 Minuten 100 kW erzeugt und 45 Minuten ausgeschaltet ist.
Wenn kein modulierender Betrieb erlaubt ist, kann die Komponente keine Leistungen erzeugen, die unter der minimalen Teillast liegen. In diesem Fall ist sicherzustellen, dass Bedarfe in diesen Teillastbereichen durch andere Anlagen gedeckt werden können oder Energie abgeführt werden kann, damit die Anlage oberhalb der minimalen Teillast betrieben werden kann.
Das Zuschalten des modulierenden Betriebs führt dazu, dass die Komponente auch unter minimaler Teillast fahren kann. In diesem Fall sind die Betriebsstunden geringer als bei normalem Teillastbetrieb. Im oben beschriebenen Fall hat die Komponente innerhalb einer Stunde nur 15 Betriebsminuten.
Verbrennungsrechnung
Zur Berechnung der Abgastemperatur und des Abgasmassenstroms gibt es drei verschiedene Möglichkeiten. Alle drei Möglichkeiten basieren auf der Annahme einer vollständigen Verbrennung.
Bei Eingabe der Luftzahl (\(\lambda\)) wird aus der Zusammensetzung des Brennstoffs die mindestens erforderliche Luftmenge für die Verbrennung bei einer vollständigen Verbrennung bestimmt. Die minimale Luftmenge (\(\dot{n}_{O_2,min}\)) ergibt sich aus der Zusammensetzung des Brennstoffs folgendermaßen:
\(\dot{n}_{O_2,min} = \dot{n}_B ( 2 x_C+\frac{1}{2} x_H + 2 x_S -x_O ) \).
Daraus folgt die tatsächlich benötigte Luftmenge (\(\dot{n}_{O_2}\)) durch Multiplikation mit der Luftzahl:
\(\dot{n}_{O_2}=\lambda \dot{n}_{O_2,min} \).
Aus dem Stoffmengenstrom der Frischluft (\(FL\)) und der Brennstoffmenge und -zusammensetzung kann unter Einbeziehung des Ascheanteils die Zusammensetzung der Abluft bestimmt werden. Aus dieser ergibt sich dann die spezifische Wärmekapazität der Abluft. Mit Hilfe der Energiebilanz kann die Enthalpie des Abgases (\(\dot{H}_{AG,out}\)) bestimmt werden:
\(\dot{H}_{AG,out}-\dot{H}_{FL,in} = \dot{m}_B H_i – P_{el} – \dot{Q}_{th}\).
Aus dieser wiederum ergibt sich die Temperatur des Abgases.
Die Berechnung bei Vorgabe eines konstanten Luftmassenstroms erfolgt analog zur Vorgabe der Luftzahl. Allerdings wird in diesem Fall die Luftzahl aus dem zugeführten Massenstrom (bzw. Stoffmengenstrom) und dem minimalen Sauerstoffbedarf bestimmt und nicht umgekehrt. Ansonsten erfolgt die Berechnung analog über die Energiebilanz und die spezifische Wärmekapazität des Abgases.
Bei Vorgabe einer geschätzten Abgastemperatur erfolgt die Berechnung des Abgasmassenstroms und der Luftzahl über einen festen Wert für die spezifische Wärmekapazität des Abgases. Diese beträgt \(1,045 \frac{kJ}{kg K}\). Die Berechnung ist ansonsten analog zur Berechnung unter Luftzahl.
Vorgabe der Austrittstemperatur
Wie in allen Komponenten der Wärmenetze ist auch bei dieser Komponente die Austrittstemperatur anzugeben. Diese wird verwendet, um nach der Optimierung der Energiebilanz Mischungstemperaturen auszurechnen. Dieses Verhalten ist in diesem Artikel beschrieben.
Betriebs- und Volllaststunden
Die Volllaststunden werden auf die elektrische Nennleistung bezogen berechnet. Sie werden als Zeitreihe ausgegeben. Jeder Wert in der Zeitreihe ist dabei die Teillast bezogen auf die elektrische Nennleistung. Umgerechnet in die Einheit h/a ergibt sich somit die Volllaststundenzahl. 75 % Teillast zu einem bestimmten Zeitpunkt bedeutet also, dass zu diesem Zeitpunkt 0,75 Volllaststunden pro Stunde aufgetreten sind. Wird dieser Lastzustand das ganze Jahr gefahren, ergeben sich 6570 Volllaststunden pro Jahr (h/a).
Wirtschaftliche Daten
Die folgende Tabelle zeigt die Investitionskosten für BHKW, ermittelt auf der Basis von Daten der ASUE Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e. V. (BHKW-Kenndaten 2014/2015. Module, Anbieter, Kosten, Berlin 2014) und der Danish Energy Agency (Technology Data catalogues, 2024).
Erdgas
| Elektrische Nennleistung (kW) | Investitionskosten inklusive Installation (EUR/kW) | Investitionskosten inklusive Installation (EUR) | Investitionskosten (EUR) | Spezifische Investitionskosten (EUR/kW) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 15 240 | 15 240 | 9 585 | 9 585 |
| 4 | 6 827 | 27 309 | 18 086 | 4 521 |
| 11 | 3 398 | 37 383 | 25 781 | 2 344 |
| 101 | 1 466 | 148 115 | 98 089 | 971 |
| 351 | 998 | 350 186 | 218 866 | 624 |
| 501 | 913 | 457 529 | 275 620 | 550 |
| 751 | 830 | 623 420 | 358 287 | 477 |
| 1001 | 810 | 811 074 | 415 936 | 416 |
| 1501 | 731 | 1 097 246 | 619 913 | 413 |
| 5001 | 657 | 3 286 098 | 2 028 456 | 406 |
Biogas
| Elektrische Nennleistung (kW) | Investitionskosten inklusive Installation (EUR/kW) | Investitionskosten inklusive Installation (EUR) | Investitionskosten (EUR) | Spezifische Investitionskosten (EUR/kW) |
|---|---|---|---|---|
| 11 | 4 521 | 49 732 | 34 298 | 3 118 |
| 101 | 1 441 | 145 524 | 96 373 | 954 |
| 351 | 1 018 | 357 470 | 223 419 | 637 |
| 501 | 941 | 471 560 | 284 072 | 567 |
| 751 | 865 | 649 594 | 373 330 | 497 |
| 1001 | 869 | 869 887 | 446 096 | 446 |
| 1501 | 752 | 1 129 180 | 637 955 | 425 |
| 5001 | 598 | 2 991 037 | 1 846 319 | 369 |
Klärgas
| Elektrische Nennleistung (kW) | Investitionskosten inklusive Installation (EUR/kW) | Investitionskosten inklusive Installation (EUR) | Investitionskosten (EUR) | Spezifische Investitionskosten (EUR/kW) |
|---|---|---|---|---|
| 11 | 4 931 | 54 246 | 37 411 | 3 401 |
| 101 | 1 481 | 149 553 | 99 042 | 980 |
| 351 | 1 040 | 365 091 | 228 182 | 650 |
| 501 | 960 | 480 749 | 289 608 | 578 |
| 751 | 880 | 660 923 | 379 841 | 505 |
| 1001 | 871 | 871 507 | 446 926 | 446 |
| 1501 | 756 | 1 134 494 | 640 957 | 427 |
Flüssiggas
| Elektrische Nennleistung (kW) | Investitionskosten inklusive Installation (EUR/kW) | Investitionskosten inklusive Installation (EUR) | Investitionskosten (EUR) | Spezifische Investitionskosten (EUR/kW) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 16 496 | 16 496 | 10 375 | 10 375 |
| 4 | 6 819 | 27 277 | 18 064 | 4 516 |
| 11 | 3 388 | 37 266 | 25 700 | 2 336 |
| 101 | 1 510 | 152 502 | 100 995 | 1 000 |
Holzhackschnitzel
| Elektrische Nennleistung (kW) | Investitionskosten inklusive Installation (EUR/kW) | Investitionskosten inklusive Installation (EUR) | Investitionskosten (EUR) | Spezifische Investitionskosten (EUR/kW) |
|---|---|---|---|---|
| 23 860 | 3 573 | 85 250 265 | 57 087 164 | 2 393 |
| 100 000 | 3 600 | 360 000 000 | ||
| 200 000 | 3 575 | 715 000 000 |
Heizöl
| Elektrische Nennleistung (kW) | Investitionskosten inklusive Installation (EUR/kW) | Investitionskosten inklusive Installation (EUR) | Investitionskosten (EUR) | Spezifische Investitionskosten (EUR/kW) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 19 609 | 19 609 | 12 333 | 12 333 |
| 4 | 6 512 | 26 046 | 17 249 | 4 312 |
| 11 | 2 332 | 25 651 | 17 690 | 1 608 |
