Blockheizkraftwerk BHKW Simulation
Mit Polysun können Blockheizkraftwerke (BHKW) realitätsnah simuliert und optimiert werden. Die Software unterstützt Planer und Ingenieure bei der Berechnung von BHKWs für Ein- und Mehrfamilienhäuser sowie Industrieanlagen. Dabei werden technische Aspekte wie Leistungsmodulation, Wirkungsgrad und steuerungstechnische Betriebsweisen umfassend berücksichtigt. Mit Polysun können Blockheizkraftwerke (BHKW, Kraft-Wärme-Kopplung, KWK, Co-Generators) simuliert werden.
Grundlagen der BHKW Simulation
Blockheizkraftwerke arbeiten nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und erzeugen gleichzeitig elektrische und thermische Energie. Polysun bildet diese Prozesse detailliert ab, um eine möglichst realistische Simulation zu gewährleisten. Besonders die gleichzeitige Erfassung von Wärme- und Stromerzeugung ist entscheidend bei der Auslegung von BHKWs, zum Beispiel für ein Mehrfamilienhaus.
Leistungsmodulation und Wirkungsgrad
Eine Vielzahl von BHKWs arbeitet im nicht modulierenden On-/Off-Betrieb. Sobald das BHKW durch die Steuerung angefordert wird fährt es auf einen BHKW-spezifischen Betriebspunkt hoch und wandelt die zugeführte Brennstoffenergie in einem festen Verhältnis in thermische und elektrische Energie um. Daneben existieren BHKW-Modelle, welche in einem gewissen Bereich leistungsmodulierend betrieben werden können. Durch die Leistungsmodulation können das Taktverhalten und die Betriebsdauer positiv beeinflusst werden, was sich wiederum positiv auf die Wartungsintervalle und die Wirtschaftlichkeit auswirkt.
Der Leistungsbereich des jeweiligen BHKWs lässt sich im Katalog über zwei Stützstellen definieren, den auf die zugeführte Brennstoffleistung bezogenen maximalen und minimalen Betriebspunkt. Pro Stützstelle werden die aufgenommene Brennstoffleistung, der thermische Wirkungsgrad und der elektrische Wirkungsgrad benötigt. Sollte es sich um ein BHKW handeln, das nicht leistungsmodulierend betrieben werden kann, so sollen die minimalen den maximalen Werte gleich eingetragen werden.
Je nach Wahl der Modulation rechnet das Modell mit den fixen Leistungsdaten oder interpoliert bedarfsgerecht zwischen den beiden Stützstellen.
Betriebsweisen eines BHKWs
Ein Blockheizkraftwerk kann grundsätzlich nach zwei verschiedenen Regelstrategien betrieben werden; wärmegeführt und stromgeführt. Bei der wärmegeführten Betriebsweise wird das BHKW strikt nach dem Wärmebedarf betrieben. Die dabei abgegebene elektrische Energie wird wahlweise für die Deckung des Eigenbedarfs verwendet oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist. Bei der stromgeführten Betriebsweise dient der Bedarf an elektrischer Energie als Führungsgrösse für den Anlagenbetrieb. Dabei muss jedoch sichergestellt werden können, dass die abgegebene Wärme jederzeit direkt oder indirekt über Speichermodule abgenommen werden kann. Ist dies nicht gewährleistet, so muss die Wärme über Notkühlvorrichtungen weggekühlt werden. Dies wirkt sich jedoch negativ auf den Gesamtnutzungsgrad aus und sollte möglichst vermieden werden. Eine interessante Alternative ist daher die kombinierte Betriebsweise. Bei dieser wird primär auf eine Deckung des Wärmebedarfs geachtet und nebenbei versucht, möglichst viel elektrische Energie bereitzustellen, ohne jedoch überschüssige Wärme ungenutzt an die Umgebung abführen zu müssen.
Die Betriebsweise der BHKWs lassen sich in Polysun über den Steuermodus definieren. Über die frei programmierbare Steuerung kann das BHKW sowohl nach dem Wärmebedarf, wie auch nach dem Strombedarf oder einer beliebigen Kombination daraus betrieben werden.
Steuerungsoptionen für die Simulation des Blockheizkraftwerks
Die BHKW-Komponente lässt sich sowohl mit der Wärmeerzeugersteuerung, wie auch mit der frei programmierbaren Steuerung betreiben. Es ist zu beachten, dass bei der Wärmeerzeugersteuerung als Default-Einstellung direkt und ausschliesslich die wärmegeführte Betriebsweise zur Verfügung steht. Wahlweise kann entweder nur der Status oder zusätzlich die geregelte Leistung des BHKWs für den entsprechenden Modulationsbetrieb angesteuert werden. Es ist zu beachten, dass ein BHKW nur geregelt betrieben werden kann, falls in der Datenbank die Stützstellen entsprechend parametriert wurden. Ansonsten wird es trotz der Ansteuerung der geregelten Leistung nicht modulierend betrieben.
Bei der frei programmierbaren Steuerung steht mit dem Steuermodus ein weiterer Ausgang zur Verfügung, den man wahlweise auf den Wert „1“, wärmegeführter Betrieb, oder den Wert „2“, stromgeführter Betrieb, setzt. Nach wie vor muss sowohl der Status wie auch die geregelte Leistung angesteuert werden. Mit dem Steuermodus definiert man, ob es sich bei der angeforderten Leistung um eine thermische (1) oder eine elektrische (2) Leistung handelt. Entsprechend rechnet das Modell wahlweise mit den thermischen oder den elektrischen Werten aus der Datenbank. Als dritter Steuermodus steht der Modus „0“ zur Verfügung. Ist dieser aktiv, so wird das BHKW nicht-modulierend betrieben, auch wenn es dies grundsätzlich könnte. Dies erlaubt den Einfluss der Modulation zu untersuchen.
Tabelle: Steuerungsoptionen für das Blockheizkraftwerk
| Beschreibung | Steuerungs-Wert | Weitere Steuerungs-Ausgänge | Funktionsbeschreibung |
| Fix maximale Leistung | 0 | – | Das BHKW läuft auf der maximalen Leistungsstufe |
| Wärmegeführt | 1 | „Geregelte Leistung Wärmeerzeuger“ | Das BHKW gibt möglichst die über den Steuerungswert „Geregelte Leistung Wärmeerzeuger“ gewünschte thermische Leistung ab. (Default-Modus) |
| Stromgeführt | 2 | „Geregelte Leistung Wärmeerzeuger“ | Das BHKW gibt möglichst die über den Steuerungswert „Geregelte Leistung Wärmeerzeuger“ gewünschte elektrische Leistung auf. |
Video: Simulation und Eingabeparameter Blockheizkraftwerk mit Grundlastkessel und Spitzenlastkessel
Was versteht man unter „BHKW Simulation“ ?
Eine BHKW Simulation ist ein rechnerisches Modell zur Vorhersage der Strom- und Wärmeproduktion eines Blockheizkraftwerks über einen definierten Zeitraum (z. B. ein Jahr). Sie hilft dabei, das Verhalten des Systems unter verschiedenen Lastprofilen zu bewerten, Wirkungsgrade zu berechnen und Wirtschaftlichkeit (Kosten vs. Ertrag) abzuschätzen.
Wie erfolgt eine Blockheizkraftwerk-Mehrfamilienhaus-Berechnung?
Bei der Simulation für ein Mehrfamilienhaus wird zuerst der Wärme- und Strombedarf über das Jahr hinweg analysiert (Ganglinien). Daraus ergibt sich, wie viele Vollbenutzungsstunden zu erwarten sind und wie groß die elektrische und thermische Leistung sein muss, damit das BHKW sinnvoll dimensioniert ist. Ziel ist ein guter Kompromiss zwischen Kapitalkosten, Wirkungsgrad und Eigenstromnutzung.
Wie wirkt sich der Wirkungsgrad des BHKW auf Simulationsergebnisse und Kosten aus?
Der elektrische und thermische Wirkungsgrad BHKW bestimmt, wie viel Energie aus dem eingesetzten Brennstoff herauskommt. In der BHKW Simulation beeinflusst er direkt die Brennstoffkosten, die erzeugte Strom- und Wärmeenergie und damit Rentabilität und Amortisationszeit. Höhere Wirkungsgrade führen zu besseren Wirtschaftlichkeitskennzahlen, sind aber oft mit höheren Investitionskosten verbunden.
Welche Brennstoffarten und Modulvarianten sollte man in der Simulation berücksichtigen?
Planer fragen in der Simulation nach möglichen Brennstoffen (z. B. Erdgas, Biogas, Holz, Öl) sowie verschiedenen BHKW-Modulen (elektrisch/thermisch), unterschiedlichen Größen und Betriebsweisen. Unterschiedliche Brennstoffe und Modulvarianten ändern Wirkungsgrad, Emissionen und Kosten erheblich.
Wie erfolgt die Wirtschaftlichkeitsberechnung eines simulierten BHKW Systems in Polysun?
In Polysun wird die Wirtschaftlichkeit eines BHKW anhand detaillierter Simulationsergebnisse berechnet. Neben den technischen Kennzahlen wie erzeugte Wärme- und Strommengen berücksichtigt die Software Investitionskosten, laufende Betriebskosten (z. B. Brennstoff, Wartung) sowie Einnahmen durch Eigenstromnutzung oder Netzeinspeisung. Förderprogramme können ebenfalls integriert werden. Über integrierte Auswertungen wie Amortisationszeit, Kapitalwert oder spezifische Energiekosten liefert Polysun eine transparente und nachvollziehbare Wirtschaftlichkeitsberechnung für verschiedene BHKW-Szenarien.