Einschaltreihenfolge für Wärmeerzeuger im nPro-Tool

Auf dieser Seite erfahren Sie, wie Sie über die Vorgabe einer Einschaltreihenfolge in nPro den Einsatz Ihrer Wärmeerzeuger manuell und regelbasiert statt durch die Optimierung festlegen. Anhand von zwei Praxisbeispielen – bivalente Wärmepumpen-Betriebsarten und BHKW-Vorrangschaltung – zeigen wir, wie sich reale Betriebsstrategien abbilden lassen.

Was ist die Einschaltreihenfolge in nPro?

Standardmäßig bestimmt die Optimierung in nPro für jeden Zeitschritt automatisch, welcher Wärmeerzeuger wie viel Wärme liefert – entsprechend der gewählten Zielgröße, etwa minimalen Kosten oder minimalen Emissionen.

In der Praxis folgen viele Anlagen jedoch keiner rein wirtschaftlichen Logik, sondern einer festen, nicht-prädiktiven Rangfolge, die sich aus technischen, regulatorischen oder betrieblichen Gründen ergibt: Bivalenzpunkte bei Hybridheizungen, Vorrangregelungen für KWK-Anlagen oder vertraglich zugesicherte Deckungsanteile. Über die Optimierung sind solche Fälle nur mit erhöhtem Modellierungsaufwand und teils künstlich gesetzten Nebenbedingungen abbildbar.

Mit der Einschaltreihenfolge bilden Sie genau diesen Betrieb ab: Sie legen selbst fest, in welcher Reihenfolge die Erzeuger einspringen, und verfeinern das über weitere Randbedingungen. Erst wenn ein vorrangiger Erzeuger seine Kapazität ausgeschöpft hat oder durch eine Betriebsbeschränkung gesperrt ist, wird der nächste zugeschaltet. Abbildung 1 zeigt die zugehörige Eingabemaske.

Abbildung 1: Eingabemaske für die Einschaltreihenfolge in nPro

Die Reihenfolge wird dabei jeweils für eine Bedarfsart festgelegt, beispielsweise für den Niedertemperatur-Wärmebedarf. Erreichbar ist die Einstellung über die Betriebsbeschränkungen der einzelnen Erzeuger oder über das allgemeine Einstellungsmenü der Energiezentrale.

Zusammenspiel mit den Betriebsbeschränkungen

Einschaltreihenfolge und Betriebsbeschränkungen beantworten zwei unterschiedliche Fragen und ergänzen einander:

Die Betriebsbeschränkungen legen fest, wann ein Erzeuger überhaupt laufen darf – etwa nur oberhalb oder unterhalb einer bestimmten Außenlufttemperatur, nur in bestimmten Monaten oder innerhalb vorgegebener Volllaststundengrenzen.
Die Einschaltreihenfolge legt fest, in welcher Rangfolge die freigegebenen Erzeuger zur Deckung der Last herangezogen werden.

Die folgenden Beispiele nutzen beides gemeinsam.

Beispiel 1: Bivalente Wärmepumpen-Betriebsarten

Bei Hybridheizungen aus Wärmepumpe und fossilem oder elektrischem Zusatzerzeuger wird der Betrieb üblicherweise über einen Bivalenzpunkt gesteuert – jene Außentemperatur, ab der der zweite Erzeuger zugeschaltet wird. Unterschieden werden drei Betriebsarten (s. Abbildung 2):

Bivalent alternativ: Oberhalb des Bivalenzpunkts deckt die Wärmepumpe den Bedarf allein, unterhalb übernimmt ausschließlich der zweite Erzeuger. Es gibt keinen Parallelbetrieb.
Bivalent parallel: Die Wärmepumpe läuft durchgehend, unterhalb des Bivalenzpunkts deckt der zweite Erzeuger den zusätzlichen Bedarf.
Bivalent teilparallel: Zwischen Zuschalt- und Abschaltpunkt laufen beide Erzeuger parallel, wobei der Leistungsanteil der Wärmepumpe mit fallender Außentemperatur abnimmt.

Schema der bivalenten Betriebsarten — Abbildung 2: Bivalent alternativer, paralleler und teilparalleler Betrieb

Die Wahl der Betriebsart hat unmittelbare Folgen für Wirtschaftlichkeit und Effizienz: Je tiefer der Bivalenzpunkt liegt, desto größer muss die Wärmepumpe ausgelegt werden und desto häufiger arbeitet sie bei niedrigen Außentemperaturen mit ungünstigem COP. Genau diesen Zielkonflikt können Sie in nPro durchrechnen.

So bilden Sie die Betriebsarten ab (s. Abbildung 3; im Beispiel handelt es sich um ein Energiezentralen-Projekt mit bereits vorliegendem Wärmebedarf):

Legen Sie ein Projekt an, etwa für ein Einzelgebäude.
Lassen Sie den Wärmebedarf berechnen oder laden Sie ein temperaturabhängiges Bedarfsprofil hoch.
Wählen Sie als Erzeuger die Luftwärmepumpe und den elektrischen Heizstab aus. Setzen Sie die Nennleistung der Wärmepumpe so, dass für den Heizstab noch ein Deckungsbeitrag verbleibt. Je nach Betriebsart unterscheiden sich die weiteren Einstellungen:
- Bivalent alternativ: In den Betriebsbeschränkungen für den Spitzenlasterzeuger die Außenlufttemperatur vorgeben, unterhalb derer er betrieben werden soll, und für den Grundlasterzeuger die Außenlufttemperatur, oberhalb derer er betrieben werden soll.
- Bivalent parallel: Nur für den Heizstab eine Bivalenztemperatur setzen, unterhalb derer er zugeschaltet wird.
- Bivalent teilparallel: Zusätzlich zur Bivalenztemperatur des Heizstabs einen Abschaltpunkt für die Wärmepumpe in deren Betriebsbeschränkungen hinterlegen.
Über die Betriebsbeschränkungen der Wärmepumpe oder über die allgemeinen Optimierungseinstellungen gelangen Sie zur Einschaltreihenfolge und weisen der Wärmepumpe den ersten Rang zu.

Einstellungsfolge für einen bivalent parallelen Betrieb von Wärmepumpe und Heizstab — Abbildung 3: Einstellung für einen bivalent parallelen Betrieb von Wärmepumpe und Heizstab

Beispiel 2: BHKW-Vorrangschaltung

Für Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung gilt in der Praxis häufig eine feste technische Vorrangregel: Das BHKW soll möglichst nahe am Nennbetriebspunkt und mit langen, durchgehenden Laufzeiten arbeiten, um Wirkungsgradverluste und Verschleiß durch häufige Starts zu vermeiden. Ein Spitzenlastkessel darf diesen Betrieb nicht unterbrechen und übernimmt nur den Bedarf, den das BHKW nicht decken kann.

Diese Vorrangregel gilt unabhängig vom aktuellen Strom- oder Gaspreis. Ein rein wirtschaftlicher Optimierer würde das BHKW bei ungünstigen Preisverhältnissen zeitweise abschalten – die reale Anlage tut das aus betrieblichen Gründen nicht.

Mit der Einschaltreihenfolge weisen Sie dem BHKW den ersten Rang zu. Der Spitzenlastkessel bleibt in seiner Nennleistung frei und wird vom Optimierer zur Deckung der Residuallast eingesetzt und entsprechend dimensioniert. Ergänzend lassen sich über die Betriebsbeschränkungen Mindest- und Höchstvolllaststunden vorgeben, um die angestrebte Laufzeit des BHKW abzusichern. Abbildung 4 zeigt die Jahresdauerlinie und das Optimierungsergebnis.

Einschaltreihenfolge für BHKW-Vorrangschaltung — Abbildung 4: Jahresdauerlinie: BHKW-Vorrangschaltung mit Spitzenlastkessel als Residuallastdecker

An der Jahresdauerlinie wird die Arbeitsteilung unmittelbar sichtbar: Das BHKW deckt die Grundlast über einen großen Teil des Jahres, der Kessel springt nur in den Stunden hoher Last ein. Das entspricht der klassischen Aufteilung in Grund-, Mittel- und Spitzenlast, wie sie in der Wärmeversorgung üblich ist.

Weitere Anwendungsfälle

Über die beiden Beispiele hinaus eignet sich die Einschaltreihenfolge überall dort, wo der Betrieb nachvollziehbar geregelt statt kostenoptimal gefahren werden soll:

Vorrang für Abwärme: Eine ohnehin anfallende Abwärmequelle soll stets zuerst genutzt werden, unabhängig von der Preissituation.
Bestandsanlagen im Übergang: Ein vorhandener Kessel bleibt vorerst Grundlasterzeuger, bis er im Rahmen eines Transformationsplans ersetzt wird.
Nachvollziehbarkeit gegenüber Dritten: Eine regelbasierte Fahrweise lässt sich Betreibern und Genehmigungsbehörden leichter vermitteln als das Ergebnis einer Optimierung.

Sind die Deckungsanteile einzelner Technologien vorgegeben – etwa ein Mindestanteil erneuerbarer Wärme – ist statt der Einschaltreihenfolge häufig der Deckungsanteil von Erzeugergruppen das passende Werkzeug. Beide Vorgaben lassen sich auch kombinieren.