Was bewirkt die BHKW-Steuerung

Blockheizkraftwerke sind effektive Strom- und Wärmeerzeuger, die besonders effizient, aber auch komplex arbeiten. Wie die BHKW-Steuerung funktioniert, erklären wir hier.

Inhalt des Blogartikels

• Was ist ein Blockheizkraftwerk (BHKW)?
• Betrieb eines BHKW: Welche Steuerungsarten gibt es?
• Schaltanlage für die BHKW-Steuerung: Ein komplexes System
• Vorteile einer effizienten BHKW-Steuerung
• Fazit

Was ist ein Blockheizkraftwerk (BHKW)?

Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) ist eine technische Anlage, die gleichzeitig Strom und Wärme für die Heizung erzeugt. Dabei sind alle Bestandteile in einem kompakten Aggregat, gewissermaßen in einem Block, vereint. Das klassische BHKW besteht aus einem Motor und einem Generator, die miteinander verbunden sind. Der Motor wird meist mit Verbrennungs- oder Gasmotor angetrieben und erzeugt durch seine Drehbewegung Strom im Generator.

Im Betrieb eines Verbrennungs- oder Gasmotors entsteht Wärme, die normalerweise ungenutzt bleibt. Im BHKW wird jedoch auch diese Abwärme genutzt, indem Wärmetauscher im Kühlkreislauf, Ölkreislauf und an der Abgasanlage die Wärme aufnehmen und in eine Heizungsanlage einspeisen. So wird die Abwärme sinnvoll genutzt und nichts geht verloren.

Betrieb eines BHKW: Welche Steuerungsarten gibt es?

Ein BHKW produziert also sowohl Strom als auch Wärme. Beide können als Führungsgröße zur Steuerung eines BHKW genutzt werden. Was eine Führungsgröße ist, lässt sich leicht erklären: Dabei handelt es sich um eine physikalische Größe, nach der sich die Steuerung einer Anlage richtet. Bei einer normalen Heizung ist dies die Temperatur. Dieser Mechanismus findet sich in den meisten Haushalten: Wenn die Temperatur in einem beheizten Raum unter einen gewünschten Wert fällt, springt der Heizkessel an und heizt den Raum, bis die Temperatur den Sollwert wieder erreicht bzw. leicht überschreitet. Dann schaltet das Steuerungssystem den Kessel wieder ab.

Bei einem BHKW kann sowohl die Temperatur bzw. der Wärmebedarf als auch der Strombedarf als Führungsgröße für die Steuerung dienen. In einigen Anwendungsfällen werden beide gemeinsam genutzt, um das BHKW zu steuern. Ein BHKW arbeitet optimal, wenn es konstant nahe an der Volllast läuft – im Teillastbereich hingegen sinkt der Wirkungsgrad. Deshalb werden Blockheizkraftwerke in der Regel so ausgelegt, dass sie die Grundlast abdecken. Für Spitzenlastanforderungen steht dann ein anderer Energieerzeuger zur Verfügung.

Sehen wir uns im Folgenden genauer an, wie die Steuerung und Regelung funktioniert.

Der wärmegeführte Betrieb

Der wärmegeführte Betrieb ist die häufigste Steuerungsart eines BHKW. Dabei wird die Produktion von Wärme durch die Wassertemperatur in einem bestimmten System bestimmt. Ein typisches Beispiel dafür ist ein Schwimmbad, in dem die Wärme so lange produziert wird, bis die Solltemperatur erreicht ist. Ein Wärmepufferspeicher wird genutzt, um das häufige Ein- und Ausschalten der Anlage zu vermeiden. Für Spitzenlasten wird ein Spitzenlastkessel genutzt oder ein zweites kleineres BHKW parallel zur Wärmeerzeugung betrieben. Der parallel erzeugte Strom wird selbst verbraucht oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Das hat einen weiteren Vorteil: Die Einspeisevergütung senkt die Betriebskosten der Anlage ein wenig.

Der stromgeführte Betrieb

Dieser Betriebsmodus ist eher selten und wird hauptsächlich von Stromversorgungsunternehmen genutzt, die auch ein Fernwärmenetz betreiben. Wenn diese Unternehmen kurzfristig zusätzlichen Strom benötigen, müssten sie ihn normalerweise teuer einkaufen. Aber in diesem Fall können sie den zusätzlichen Strom selbst mit dem BHKW erzeugen und die gleichzeitig produzierte Wärme in das Fernwärmenetz einspeisen oder in einem Speicher zwischenspeichern. Dies ist zwar nicht sehr effizient, aber es spart den Unternehmen Geld, indem sie den teuer einzukaufenden Strom vermeiden.

Kombinierter wärme- und stromgeführter Betrieb

Die kombinierte wärme- und stromgeführte Betriebsart erfordert eine relativ konstante, hohe Grundlast an Wärme und Strom, wie es zum Beispiel in einem Krankenhaus der Fall ist. Das BHKW wird so ausgelegt, dass es diese Grundlasten sicher abdeckt. Spitzenlasten werden durch ein zweites BHKW abgedeckt, das stromgeführt betrieben wird und in Kaskade geschaltet ist. Der zeitweise produzierte Wärmeüberschuss kann in Pufferspeichern zwischengelagert werden. Diese Betriebsart ist die effizienteste Art der BHKW-Steuerung, da sie eine optimale Nutzung von Strom und Wärme ermöglicht.

Schaltanlage für die BHKW-Steuerung: Ein komplexes System

Die Schaltanlage für die BHKW-Steuerung ist ein wichtiger Teil des Blockheizkraftwerks, da sie dafür sorgt, dass das BHKW zuverlässig und effizient arbeitet. Denn: Natürlich weiß ein BHKW nicht von sich aus, wann es mehr oder weniger Strom bzw. Wärme liefern muss. Dazu sind moderne und leistungsfähige Steuerungssysteme notwendig. Eine solche Schaltanlage nimmt bei größeren Blockheizkraftwerken einen oder mehrere Schaltschränke in Anspruch. Sie gliedert sich im Wesentlichen in die Bereiche Energieverteilung und Steuerungstechnik.

Die Energieverteilung

Die Energieverteilung, auch Leistungsfeld genannt, kümmert sich um die Einspeisung der elektrischen Energie in das Netz und beinhaltet auch die Sicherungen. Bei großen BHKW können in diesem Feld Ströme von mehreren 1.000 Ampere auftreten. Eine entsprechende Dimensionierung der Kabel und Komponenten und die zuverlässige Absicherung sind daher essenziell.

Die Steuerungstechnik

Die Steuerungstechnik sorgt für den zuverlässigen Betrieb des Blockheizkraftwerks und schafft Bedienungsmöglichkeiten für das Personal. Hier kommt eine sogenannte Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) oder ein Industrie-PC zum Einsatz. Die Steuerung erhält von Sensoren aktuelle Messwerte wie die Vor- und Rücklauftemperatur der Heizkreise oder die Temperatur im Pufferspeicher. Die Messergebnisse werden mit den zu den Messpunkten hinterlegten Sollwerten verglichen und die Steuerung regelt den Betrieb des BHKW so, dass die Sollwerte erreicht und gleichzeitig keine Sicherheitseinstellungen überschritten werden. Dazu steuert die Steuerung zum Beispiel diverse Pumpen und Regelventile an.

Moderne Steuerungen für BHKW verfügen auch über die Möglichkeit der Fernüberwachung und Fernsteuerung. Dazu sind die Systeme entweder über den Router des hauseigenen Internetanschlusses oder über ein eigenes mobiles Web-Gateway mit dem Internet verbunden. Das Bedienpersonal oder auch Servicemitarbeiter des Herstellers können sich aus der Ferne einwählen und den aktuellen Betriebszustand kontrollieren sowie Einstellungen vornehmen. Über die Fernüberwachung sendet die Steuerung auch Alarmmeldungen, wenn Fehler in der BHKW-Anlage auftreten. So kann der Betreiber auch dann rechtzeitig reagieren, wenn momentan kein Personal vor Ort ist.

Vorteile einer effizienten BHKW-Steuerung

Eine effiziente BHKW-Steuerung bietet zahlreiche Vorteile. Zum einen sorgt sie dafür, dass das Blockheizkraftwerk möglichst sparsam mit Brennstoff umgeht, was zu niedrigeren Betriebskosten führt. Zum anderen verlängert sie die Lebensdauer des BHKW und seiner Baugruppen, indem sie den Verschleiß reduziert. Die Steuerung gibt außerdem vorsorgliche Wartungsmeldungen ab und sendet Alarme, wenn ein Fehler auftritt. Die Mitarbeiter können dann schnell entscheiden, wie schwerwiegend der Fehler ist und entsprechend handeln. Durch diese Maßnahmen kann eine zuverlässige und effiziente Strom- und Wärmeerzeugung gewährleistet werden.

Fazit

Blockheizkraftwerke sind aufgrund ihrer Fähigkeit, gleichzeitig Strom und Wärme zu liefern, besonders effiziente Energieerzeuger mit einem Wirkungsgrad von über 90 %.  Allerdings ist es praktisch nie der Fall, dass die gesamte parallel erzeugte Strom- und Wärmemenge gleichzeitig benötigt wird. Daher wird in den meisten Fällen entweder die Wärmeerzeugung oder der Strombedarf priorisiert. Dem werden dann die Betriebsarten und Führungsgrößen entsprechend angepasst.

Beim wärmegeführten Betrieb ist die Temperatur die Führungsgröße. Der parallel erzeugte Strom wird überwiegend ins Netz eingespeist. Ein stromgeführter Betrieb kommt meist dann zum Einsatz, wenn das BHKW zur Abdeckung von Bedarfsspitzen bei Strom benötigt wird und die Wärme in ein Wärmenetz oder einen Pufferspeicher eingespeist werden kann. Ein kombiniert wärme- und stromgeführter Betrieb ist dort sinnvoll, wo für beide Energiearten ein hoher Grundbedarf vorliegt.

Um diese unterschiedlichen Betriebsarten zu gewährleisten und eine stabile, effiziente und langfristige Funktion des BHKWs zu gewährleisten, hat die Industrie moderne, spezialisierte Steuerungssysteme entwickelt, die Leistungselektronik und moderne Regelungselektronik inklusive Fernüberwachung und -steuerung miteinander vereinen. Die Anpassung an die Anwendung ist entscheidend, da sie sicherstellt, dass die Wärme- und Stromerzeugung bedarfsgerecht gesteuert werden.