Energiezentrale: Anlagen auslegen und Betrieb simulieren

Vom Bedarf zur optimalen Deckung

Sind die Energiebedarfe berechnet – für ein ganzes Quartier oder für ein Einzelgebäude –, beantwortet das Energiezentralen-Modul die Frage nach deren optimaler Deckung. Liegen die Bedarfe bereits vor, etwa als Vorgabe des Kunden oder als Ergebnis einer anderen Software, lassen sie sich ebenso einfach weiterverwenden (s. dafür das Energiezentralen-Projekt). Wie nPro die Bedarfe selbst ermittelt, ist unter Lastprofile und Bedarfssimulation beschrieben.

Der Weg dorthin führt über fünf Schritte, die diese Seite der Reihe nach beschreibt:

1. Erzeugerpark zusammenstellen: Welche Technologien kommen überhaupt in Frage?
2. Anlagen konfigurieren: Wie werden sie an die realen Gegebenheiten angepasst?
3. Randbedingungen festlegen: Welche Kosten, Förderungen und Ziele gelten?
4. Anlagen dimensionieren: Welche Kapazitäten sind optimal?
5. Betrieb simulieren und auswerten: Wie wird das System über das Jahr gefahren?

Umfangreicher Erzeugerpark

Im ersten Schritt wird festgelegt, welche Erzeuger überhaupt berücksichtigt werden sollen. In nPro geschieht das intuitiv: Ein Klick auf die Grafik eines Erzeugers wählt diesen hinzu oder ab (s. Abbildung 1).

Wie umfangreich die Auswahl ist, zeigt das Beispiel des Wärmebedarfs. Für dessen Deckung stehen die folgenden Technologiegruppen zur Verfügung (s. Abbildung 2):

• Solare Erzeugung: Solarthermie und PVT-Kollektoren, die Wärme und Strom zugleich bereitstellen.
• Umweltwärme und Geothermie: frei definierbare Wärmequellen wie Abwärme, Fluss- oder Abwasserwärme sowie Geothermie über Erdsonden. Reicht das Temperaturniveau der Quelle nicht aus, hebt eine nachgeschaltete Wärmepumpe die Wärme auf das benötigte Niveau (“Boosterung”).
• Wärmepumpen: in unterschiedlichen Ausführungen, je nach genutzter Quelle – von der Luft-Wärmepumpe bis zur Wärmepumpe an einer zuvor definierten Wärmequelle.
• Abwärme aus der Sektorkopplung: die Abwärme eines Elektrolyseurs oder einer Brennstoffzelle, die als Nebenprodukt der Wasserstoffnutzung ohnehin anfällt.
• Brennstoffbasierte Erzeuger und Strom-zu-Wärme: Kessel, BHKW und Heizstab, typischerweise für Mittel- und Spitzenlast sowie zur Absicherung der Versorgung.
• Netzgebundener Bezug: Fernwärme als extern eingekaufte Wärme.
• Wärmespeicher: zur zeitlichen Entkopplung von Erzeugung und Bedarf, wobei die Speicherverluste mitberechnet werden.

Der Wärmebedarf lässt sich dabei in einen Nieder- und einen Hochtemperaturbedarf aufteilen; in einem Quartiers-Projekt geschieht das auf Wunsch automatisch über eine Grenztemperatur. Nützlich ist diese Trennung immer dann, wenn für die beiden Niveaus unterschiedliche Technologien vorgesehen sind: In einem Neubauquartier mit Flächenheizung deckt beispielsweise eine Wärmepumpe die Raumwärme auf niedrigem Temperaturniveau besonders effizient, während das Trinkwarmwasser ein deutlich höheres Niveau erfordert und über einen separaten Erzeuger – etwa einen Heizstab oder ein BHKW – bereitgestellt wird. Wie nPro mit Temperaturniveaus umgeht, ist unter Heizkurven beschrieben.

Ebenso umfangreich sind die Möglichkeiten zur Deckung von Kälte-, Strom- und Wasserstoffbedarf. Die Kopplung der Sektoren ist dabei durchgängig mitgedacht: Eine Absorptionskältemaschine erzeugt Kälte aus Wärme, die etwa aus einem BHKW oder der Solarthermie stammt; ein Elektrolyseur wandelt überschüssigen PV-Strom in Wasserstoff um und stellt dessen Abwärme dem Wärmenetz bereit; eine Brennstoffzelle erzeugt aus Wasserstoff wiederum Strom und Wärme. Speicher für Wärme, Kälte, Strom und Wasserstoff verschieben die Erzeugung zeitlich dorthin, wo sie am günstigsten ist. Beispiele für solche gekoppelten Systeme finden sich unter Wasserstoff im Quartier und in der Fallstudie Wasserstoff.

Im Folgenden dient die Versorgung einer Siedlung mit Abwärme aus einem Rechenzentrum sowie einer Luft-Wärmepumpe in Verbindung mit einem Wärmespeicher als durchgehendes Beispiel. Dafür werden in nPro eine Wärmequelle, eine Luft-Wärmepumpe und ein Wärmespeicher ausgewählt, wie Abbildung 3 zeigt.

Anlagenkonfiguration im Detail

Steht der Erzeugerpark fest, bietet es sich an, die einzelnen Erzeuger im Detail zu konfigurieren. Alle Parameter sind in nPro bereits mit sinnvollen Standardwerten belegt, lassen sich aber einfach anpassen; zahlreiche Tooltips liefern dabei zusätzliche Erläuterungen. Abbildung 4 zeigt beispielhaft die Eingabemaske für die Wärmequellen-Parameter vor und nach der Konfiguration.

So lassen sich die Erzeuger Schritt für Schritt an die realen Gegebenheiten heranführen. Im Beispiel soll die Abwärme aus der Luftkühlung eines Rechenzentrums genutzt werden, weshalb zunächst die Bezeichnung des Erzeugers geändert wird. Die Potenziale hat der Betreiber des Rechenzentrums abgeschätzt; sie werden direkt in die Maske eingetragen. Statt eines konstanten Potenzials ließe sich auch eine Zeitreihe hochladen – sinnvoll etwa bei witterungsabhängigen Quellen wie einem Fluss. Genauso kann mit der Quellentemperatur verfahren werden.

Da die Quellentemperatur für die Deckung des Wärmebedarfs nicht ausreicht, wird eine Wärmepumpe zur Boosterung eingesetzt. Deren COP wird im Beispiel über den Carnot-Wirkungsgrad bestimmt; alternativ könnten Herstellerangaben hinterlegt werden. Die thermische Leistung am Kondensator bleibt zunächst unbekannt und wird später durch die Anlagen-Dimensionierung ermittelt, während die Leistung am Verdampfer über das Wärmequellenpotenzial und die Wärmeübertragerkapazität eingegrenzt wird.

Neben diesen erzeugerspezifischen Einstellungen erlaubt nPro auch die Vorgabe von Betriebsbeschränkungen (s. Abbildung 5), die den Betrieb erheblich beeinflussen können.

So kann beispielsweise ein Betriebsprofil hochgeladen werden, um geplante Betriebsausfälle abzubilden, oder es lassen sich Bedingungen festlegen, unter denen der Erzeuger allein betrieben werden darf.

Ökonomische und ökologische Randbedingungen

Ebenso umfangreich wie die technischen sind die ökonomischen und ökologischen Einstellungen. Abbildung 6 zeigt die zugehörigen Schaltflächen. Konfigurieren lassen sich:

• Energiebezüge: Wie teuer ist der Bezug? Welche Vergütung gibt es für die Einspeisung? Bestehen Bezugs- oder Einspeisebeschränkungen?
• Technologiekosten: Investitions- und Wartungskosten, Förderungen, Lebensdauer sowie die Frage, ob eine Anlage zum Bestand gehört.
• Allgemeine ökonomische Einstellungen: Parameter der Kapitalwertberechnung, jährliche Preisänderungen, CO₂-Preis und die Betriebskostenförderung nach BEW.
• Allgemeine ökologische Einstellungen: Emissions- und Primärenergiefaktoren, Einsparziele für die Optimierung sowie Deckungsanteile für Erzeugergruppen.
• Allgemeine Optimierungs-Einstellungen: unter anderem die zu minimierende Zielgröße und die Vorgabe einer Einschaltreihenfolge; die Hintergründe dazu beschreibt das Optimierungsmodell.

Diese Einstellungen bestimmen ganz konkret, welche Lösung die Anlagen-Dimensionierung und die nachgelagerte Betriebssimulation liefern. Vier von ihnen seien im Folgenden herausgegriffen: die spezifischen Investitionskosten, der Deckungsanteil von Erzeugergruppen, die Einschaltreihenfolge und die Wahl des Optimierungsziels.

Die spezifischen Investitionskosten lassen sich in nPro linear oder nicht-linear vorgeben. Linear bedeutet, dass die Investitionskosten proportional mit der Anlagengröße steigen. In der Realität treten jedoch häufig Skaleneffekte auf, durch die die spezifischen Kosten mit wachsender Anlagengröße sinken. Für eine nicht-lineare Kostenfunktion genügt ein Klick auf den kleinen Button neben dem Feld für die linearen Kosten; dahinter liegen die änderbaren Standardwerte der Kostenfunktion (s. Abbildung 7).

Über den Deckungsanteil von Erzeugergruppen lassen sich mehrere Erzeuger zu einer Gruppe zusammenfassen und dieser Gruppe ein Anteil an der Gesamterzeugung zuweisen (s. Abbildung 8). Die Vorgabe wirkt als Nebenbedingung in der Optimierung: Die Gruppe muss den geforderten Anteil einhalten, auch wenn eine andere Aufteilung kostengünstiger wäre. Typische Anwendungsfälle sind der Nachweis eines Mindestanteils erneuerbarer Wärme, wie ihn gesetzliche Vorgaben oder Förderprogramme wie die BEW verlangen, oder umgekehrt die Begrenzung eines Anteils – etwa wenn für ein Biomasse-BHKW nur eine bestimmte Brennstoffmenge pro Jahr verfügbar ist. Erreichbar ist die Einstellung über die ökologischen Parameter.

Die Einschaltreihenfolge legt fest, in welcher Reihenfolge die Erzeuger zur Deckung der Last herangezogen werden: Erst wenn der vorrangige Erzeuger seine Kapazität ausgeschöpft hat, schaltet sich der nächste hinzu. Anstelle einer rein kostenoptimalen Fahrweise ergibt sich so ein regelbasierter und damit gut nachvollziehbarer Betrieb, wie er der üblichen Aufteilung in Grund-, Mittel- und Spitzenlast entspricht. Abbildung 9 zeigt dies für ein System aus Biomasse-BHKW, Erdgaskessel und Heizstab: Das BHKW deckt die Grundlast, der Kessel springt bei höherer Last ein, der Heizstab sichert die Spitzen ab. Einstellen lässt sich die Reihenfolge über die Betriebsbeschränkungen der einzelnen Erzeuger oder über das allgemeine Einstellungsmenü – allerdings nur für Wärmeerzeuger, deren Kapazität beschränkt ist.

Auch das Optimierungsziel für die Anlagen-Dimensionierung und die Betriebssimulation wird über die allgemeinen Einstellungen gewählt (s. Abbildung 10). Zur Auswahl stehen:

• Kapitalwert bzw. annualisierte Gesamtkosten
• Mehrzieloptimierung: Kapitalwert und CO₂-Emissionen
• CO₂-Emissionen
• Minimaler Strombezug aus dem Stromnetz (maximale Autarkie)

Anlagen dimensionieren

Für die optimale Anlagen-Dimensionierung genügt ein Klick auf die entsprechende Schaltfläche (s. Abbildung 6). Abhängig von den technischen Parametern und den hinterlegten Kosten der verschiedenen Bezugsquellen ermittelt das Optimierungsmodell die optimalen Kapazitäten der verfügbaren Technologien zur Deckung der Energiebedarfe. Ein beispielhaftes Ergebnis für ein System aus Erdgas-Kessel, Luft-Wärmepumpe, Solarthermie, Photovoltaik und Wärmespeicher zeigt Abbildung 11; die Solarthermieanlage soll in diesem Beispiel mindestens 250 m² Kollektorfläche aufweisen.

Zu beachten ist, dass eine sehr weitgehende Verwendung von Beschränkungen dazu führen kann, dass keine gültige Lösung mehr existiert. In diesem Fall weist nPro auf die verantwortlichen Beschränkungen hin.

Ändern sich im Projektverlauf die Anforderungen – etwa an den Anteil erneuerbarer Energien – oder die Rahmenbedingungen – etwa die verfügbaren Flächen für Photovoltaik oder die Raumkapazitäten für den Wärmespeicher –, lassen sich die einzelnen Anlagen schnell nachjustieren und neu dimensionieren.

Betriebssimulation

Ist die Anlagendimensionierung zufriedenstellend, wird über Systembetrieb simulieren die Simulation des Energiesystems mit fixierten Technologien gestartet und ein Energieschaubild erzeugt.

Die Stärke der Energieflusslinien ist proportional zur übertragenen Energiemenge, die zusätzlich beim Überfahren mit dem Mauszeiger angezeigt wird (s. Abbildung 12).

Der Zeitraum, den das Energieschaubild abbildet, ist frei wählbar: die Jahressumme, das Winter- oder Sommerhalbjahr, die vier Jahreszeiten sowie einzelne Kalendermonate. Im vorliegenden Beispiel stammt die Wärme im Sommer vermehrt aus der Solarthermie und weniger aus dem Erdgas-Kessel – bei Auswahl des Sommerhalbjahres werden die entsprechenden Energieflusslinien also stärker beziehungsweise dünner.

Unterhalb des Schaubilds stehen verschiedene Auswertungen zur Verfügung:

• Strombilanz
• Wärmebilanz
• Wasserstoffbilanz
• Stromnetz: Bezug und Einspeisung
• Erneuerbare Energien
• Energiebedarfe

Auch hier lassen sich die Profile als Monats- oder Jahresprofil, als Jahresdauerlinie sowie als Heatmap darstellen (s. Abbildung 13). Im Monatsprofil ist deutlich zu erkennen, dass der Erdgas-Kessel vor allem im Winter und die Solarthermie hauptsächlich im Sommer betrieben wird, während die Luft-Wärmepumpe ganzjährig arbeitet.

Die Heatmap (s. Abbildung 14) zeigt, dass die Luft-Wärmepumpe im Winter den Erdgas-Kessel unterstützt, im Sommer dagegen vorrangig tagsüber läuft, wenn die Photovoltaikanlage Strom produziert. Nachts ist ihr Betrieb stark reduziert.

Die von nPro simulierte Betriebsführung optimiert in diesem Beispiel also den Einsatz der Luft-Wärmepumpe: Sie läuft bevorzugt in Zeiten hoher und damit günstiger PV-Stromerzeugung. Dadurch wird günstiger Strom genutzt und dank der höheren Außenlufttemperaturen am Tag zugleich ein höherer COP erreicht (s. auch System-COP).

Über die Auswahl weiterer Technologien und Visualisierungen lässt sich das Zusammenspiel der Energiequellen und deren Abhängigkeit von Tages- und Jahreszeit noch genauer nachvollziehen (s. Abbildung 15).

Ergebnisübersicht

Die Ergebnisübersicht fasst die wichtigsten Kennzahlen zusammen und stellt sie grafisch dar. Berücksichtigt werden insbesondere:

• Energiebezug:
  • Strombezug aus Stromnetz
  • Erneuerbare Stromerzeugung
  • Erdgas
  • Wärme aus Solarthermie
• Energieeinspeisung
• Stromerzeugung und Strombezug:
  • Erneuerbare Stromerzeugung (verschiedene Quellen)
  • Strombezug aus Stromnetz
  • Autarkiegrad
  • Eigenverbrauchsquote
• Wärmeerzeugung und Wärmebezug:
  • Verschiedene Technologien
  • Solarthermischer Deckungsgrad (s. Abbildung 16)
• Emissionen:
  • Strombezug
  • Stromeinspeisung
  • Erdgas
• Primärenergie:
  • Strombezug
  • Stromeinspeisung
  • Erdgas
• Energiebedarfe:
  • Strombedarf
  • Wärmebedarf

Die vollständige wirtschaftliche Auswertung des Systems – Kapitalwert, Amortisationsdauer, Wärmegestehungskosten und die Aufschlüsselung aller Kostenpositionen – erfolgt anschließend im Ergebnisbereich; die methodischen Hintergründe beschreibt die Wirtschaftlichkeitsrechnung.