Inhaltsverzeichnis
- Einleitung und Thema
- Von der Idee zur Lösungsentwicklung, ein Praxisweg
- Ergebnisse Zusammenfassung (Auszug)
- Ausblick / Future Work
- Über die elbe bioenergie GmbH
Einleitung und Thema
Im Rahmen einer Studienarbeit wurde eine technische und wirtschaftliche Untersuchung für den Einsatz von Großwärmepumpen (Luft/Wasser und Wasser/Wasser) in Kombination mit einem BHKW durchgeführt. Das Thema wurde an einer konkreten Projektidee und Bestandsanlage entwickelt.
Die Ergebnisse konnten dem Kunden vorgestellt werden. Dieser gewann daraus Erkenntnisse wie und unter welchen Umständen sich eine Großwärmepumpe in die Wärmeversorgung zur Steigerung der CO2-Neutralität realisieren ließe. Eine zusätzliche Schätzung der Investitionskosten und eine ROI-Kalkulation (Kapitalrendite) untermauerten die Ergebnisse.
Von der Idee zur Lösungsentwicklung, ein Praxisweg
Jedes Projekt beginnt mit einer vorgelagerten Bedarfsermittlung. Darauf folgen die Grundlagenermittlung und Vorplanung, siehe HOAI. Innerhalb dieser Phasen werden wesentliche Projektparameter für die Entwurfsplanung und Genehmigungsplanung definiert. Durch die Analyse der Bestandsanlagen wurde eine mögliche Integration neuer technischer Anlagen ermittelt. Durch die zusätzliche grobe Bestimmung der Dimensionierungen notwendiger technischer Gebäudeausrüstung (TGA):
- Rohrleitungen
- Ventile
- Pumpen
- Wärmespeicher
- Großwärmepumpen (Luft/Wasser, Wasser/Wasser)
konnten verschiedene Fabrikate unterschiedlicher Hersteller abgefragt und mit Budgetkosten konkretisiert werden. Diese wurden innerhalb eines ROI auf 15 Jahre finanziell mit Prognostizierung der Eigenkapitalrendite betrachtet.
Ergebnisse Zusammenfassung (Auszug)
Verlustberechnung und Kostenoptimierung
Durch eine Verlustberechnung mittels Betrachtung der zugeführten Brennstoffenergie und Aufteilung in Strom- und Wärmeerzeugung konnte der Wirkungsgrad des BHKW in der Bestandanlage des Kunden ermittelt werden. Auf Basis dieser Erkenntnisse war eine Untersuchung der internen elektrischen Energieverwertung durch eine Großwärmepumpe möglich. Die interne Verwertung von eigener elektrischer Energie hat eine große Auswirkung auf das ROI-Ergebnis, dar z.B. Netzentgelte pro kWh entfallen. Dies senkt die Betriebskosten der Wärmepumpe pro kWh erheblich. In einer solchen Kombination ist die Wärmepumpe der direkte Verbraucher des elektrischen Stromes vom Generator am BHKW.
Wird zusätzlich der Strompreis pro kWh am Strommarkt im Anlagensteuerungsprogramm berücksichtigt, ist eine weitere Optimierung des Gesamtbetriebspunktes der TGA möglich. Dadurch können Negativpreise am Strommarkt für die Wärmeerzeugung direkt berücksichtigt werden, sodass die Wärmepumpe auch bei niedrigerem COP immer noch wirtschaftlich betrieben werden kann. Weitere Betriebskostenoptimierungen sind durch Annäherung der unterschiedlichen optimaleren Anlagen-Betriebspunkte als Gesamt-Sweet-Spot (optimaler Wirkungspunkt) möglich.
Betrachtung Preisdynamiken
Einer der wesentlichen Entscheidungsfaktoren für Investitionen sind die Wärmegestehungskosten pro kWh. Sind also die Betriebsbedingungen für eine Wärmepumpe besser, sinken auch die Kosten pro erzeugter Wärme kWh. Der effiziente Betrieb einer Wärmepumpe Luft-Wasser ist dabei durch die Außentemperaturen und Temperatur-Spreizung bestimmt. Wodurch sich der COP (Wirkungsgrad) drastisch durch die Außentemperatur verändern kann.
Durch eine genaue Analyse der Wärmebedarfe über mehrere Heizjahre hinweg war eine Abschätzung des notwendigen monatlichen Wärmebedarfes möglich. Es folgte eine Betrachtung der Betriebspunkte der Wärmepumpe zur Steigerung des COP. Die laufenden Kosten einer Gas- und Wärmepumpen-Wärmeanlage wurden monatsweise gegenübergestellt.
Alle Ergebnisse der Studie zeigen, dass durch eine angepasste monatliche Betriebsweise die Wärmepumpe besonders in den Sommermonaten effizient ist. Wird die Steigerung CO2-Bepreisung als preisdynamischer Faktor über 15 Jahre auf den Gaspreis pro kWh aufgeschlagen, verändert sich die Wirtschaftlichkeit zwischen Wärmepumpe und Gasverbrennung deutlich. Bereits eine geringe Steigerung der Brennstoffkosten Gas zeigte eine deutlich schlechtere Wirtschaftlichkeit gegenüber einer Großwärmepumpe. Somit ist die Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe stark an den Gaspreis pro kWh gebunden.
In den Übergangszeiten und Wintermonaten weist eine Kombination zwischen BHKW und Wärmepumpe eine höhere Wirtschaftlichkeit auf, wenn weitere Faktoren z.B. aktuelle Strompreise am Strommarkt berücksichtig werden. Diese sind in diesem Blog-Artikel nicht grafisch dargestellt worden, da sich diese durch unterschiedliche Betriebsweisen der Wärmeerzeugungsanlagen deutlich verändern können. Hierfür muss eine Einzelfallprüfung durchgeführt werden, sowie die ungefähren internen Kosten des Kunden für den Betrieb bekannt sein.
Zusammenfassend ist eine Optimierung auf Basis vernetzter Steuerungen der Wärmeerzeugungsanlagen für die Wärmeerzeugung bei entsprechend abgestimmten Betriebspunkten zu erwarten.
Ausblick / Future Work
Weitere preisdynamische Untersuchungen wurden definiert, aber nicht abschließend betrachtet. Für Bestandsanlagen hat insbesondere die konkrete bereits vorhandene Anlagentechnik einen großen Einfluss auf die Kostenoptimierung. Die gewonnen Erkenntnisse können auf jede Art von Wärmeerzeugungsanlage angewendet werden. Durch die Betrachtung weiterer Wärmequellen, z.B. Geothermie oder Industrieabwärme, könnten weitere Betriebsmodelle um einen Sweet-Spot herum mit zugehörigen ROI entwickelt werden.
Über die elbe bioenergie GmbH
Auf der Suche nach technologieoffenen und nachhaltigen Lösungen suchen wir ständig nach Optimierungspotenzialen und Technologiekombinationen. Wir freuen uns an konkreten praktischen Projekten die berechneten Lösungen zu realisieren. Dafür betrachten wir gemeinsam im Team die bestmöglichen Lösungen für unsere Kunden.
Unser Team steht für konkrete Projektideen von der Bedarfsermittlung bis hin zur Bauleitung und Inbetriebnahme, inkl. Beratung für Ihr Projektanliegen gerne zur Verfügung: Kontaktdaten
Hinweis: Die Studie entstand im Rahmen eines Pflichtpraktikumes einer Studentin der Verfahrenstechnik von der Otto von Guericke Universität Magdeburg . Die Betreuung erfolgte durch die Fachbereiche Wärmeerzeugungsanlegen (Thermodynamik) und Automatisierung & Elektrotechnik. Wir danken Frau M. Ahmadizadehtourzani für die erbrachten Leistungen.