Energiemanagement für Gebäude

Blockheizkraftwerke (BHKW) nutzen das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung für die gemeinsame Produktion von elektrischer und thermischer Energie und stellen damit eine kompakte Einheit zur effizienten und emissionsarmen Energieversorgung dar. Sie eignen sich daher für den Einsatz in den unterschiedlichsten Bereichen, so haben BHKWs beispielsweise bereits vor einigen Jahren den Einzug in den Versorgungsmarkt von Wohngebäuden gefunden und können in Zukunft zusätzlich auch die Energieversorgung in Elektrofahrzeugen unterstützen.

Der effiziente Betrieb eines BHKWs erfordert den Einsatz eines geeigneten Energiemanagements, das die Steuerung von BHKW und seiner Nebenaggregate im Gesamtversorgungssystem am Energiebedarf orientiert. Die Herausforderung liegt dabei in der gleichzeitigen bedarfsgerechten Produktion von Strom und Wärme, da die Verbräuche in Gebäuden starken sowohl saisonalen als auch tageszeitabhängigen Variationen unterliegen. Zudem stimmen die thermischen und elektrischen Verbräuche in den meisten Fällen weder betragsmäßig noch zeitlich überein (vgl. Abb. 1).

Am Markt verfügbare BHKWs werden bei ihrem Einsatz in Ein- und Mehrfamilienhäusern klassischerweise wärmgeführt betrieben, d.h. Einschaltzeitpunkt und -dauer richten sich nach dem Wärmebedarf im Gebäude.

Für den gleichzeitig erzeugten Strom wird ein Abnehmer im Haus gesucht, überschüssige elektrische Energie wird in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Das BHKW kann bei dieser Betriebsweise aufgrund der vergleichsweise geringen Schwankungen des Wärmebedarfs zwar gleichmäßiger und damit schonender betrieben werden, die Stromproduktion erfolgt jedoch häufig außerhalb der Spitzenlastzeiten, wodurch die Eigenstromnutzung und folglich auch die Wirtschaftlichkeit des BHKWs eingeschränkt werden.

Umgekehrt führt eine Ausrichtung der Energieproduktion an der elektrischen Last zu einem häufigen Ein- und Ausschalten des BHKWs und damit zu einem erhöhten Verschleiß der Anlage. Zudem besteht bei dieser Betriebsweise die Gefahr, dass speziell in der warmen Jahreszeit ein hoher Anteil an thermischer Leistung erzeugt wird, der nicht verbraucht werden kann, was wiederum dem Grundgedanken einer effizienten Energieversorgung widerspricht. Um das Potential eines BHKWs voll ausschöpfen zu können, ist es deshalb notwendig den Betrieb der Anlage statt an nur einer Lastgröße am wirtschaftlichen Nutzen für den Kunden zu orientieren.

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines geeigneten Energiemanagements, das zu einer Minimierung der Betriebskosten führt. Die geplante Steuerstrategie beinhaltet im Wesentlichen zwei Bausteine: eine modellprädiktive Steuerung und eine Lastprognose (vgl. Abb. 2). Die Steuerung basiert auf einem Modell des Energieversorgungssystems und besitzt als Eingangsgrößen u.a. die Energie- und Wartungskosten sowie einen prädizierten Lastverlauf. In Abhängigkeit dieser Eingangsdaten werden am Ausgang Stellgrößen für die einzelnen Energieerzeuger und weiteren Stelleinrichtungen berechnet, die zu einer Deckung des elektrischen und thermischen Bedarfs im Versorgungsobjekt führen und gleichzeitig die Gesamtkosten minimieren.