17. August 2021

Anlagenhydraulik bietet großes Energieeinsparpotenzial – KWK-Technologie im Fokus

Für das Gelingen der Energiewende sind Energie- und CO₂-Einsparungen zwei wesentliche Maßnahmen. In diesem Zuge werden sich die Sektoren Strom und Wärme weiter verändern. Was bedeutet das z. B. für die Zukunft der Kraft-Wärme-Kopplung? Und welchen Einfluss hat die Anlagenhydraulik für die Gesamteffizienz einer Anlage? Prof. Dr.-Ing. Alexander Floß, Professor im Studiengang Energieingenieurwesen und Mitglied am Institut für Gebäude- und Energiesysteme der Hochschule Biberach, und Lutz Birnick, Leiter Produktmanagement der YADOS GmbH in Hoyerswerda, erläutern grundlegende Zusammenhänge und zeigen das Potenzial hydraulisch optimierter Gesamtsysteme auf.

IKZ-FACHPLANER: Dr. Floß, eine entscheidende Frage gleich zu Beginn. Wie steht es im Zeitalter der Dekarbonisierung mittelfristig um BHKWs?

Prof. Alexander Floß: Mit ihrer hohen Gesamtenergieausnutzung werden BHKWs, die nah am Ort des Verbrauchers Strom erzeugen und deren entstehende Abwärme genutzt werden kann, weiterhin Erfolgsfaktoren einer erfolgreichen Dekarbonisierung sein. Ein Erdgas betriebenes BHKW spart im Vergleich zum ‚Heizölkessel und Strom-Mix Deutschland‘, sprich der getrennten Erzeugung von Wärme und Strom, knapp 40 % CO₂ ein. Außerdem können BHKWs schon heute problemlos mit Biogas und künftig auch mit Bio- bzw. E-Fuels betrieben werden. Bei Einsatz entsprechender regenerativer Energieträger lässt sich somit effizient CO₂-Neutralität erreichen.

IKZ-FACHPLANER: Welche Bedeutung hat Ihrer Meinung nach die Sektorkopplung im Rahmen der Energiewende?

Prof. Alexander Floß: Eine richtig verstandene und gelebte Verzahnung von Strom, Wärme und Mobilität wird maßgeblich zum Erfolg der Energiewende beitragen. So können in einem holistischen Ansatz der Sektorkopplung wertvolle Synergieeffekte ausgeschöpft werden – wie bei der Kraft-Wärme-Kopplung. Unter den Begriff der Sektorkopplung fallen aber auch ganz andere Modelle. Dazu gehört etwa das bidirektionale Laden, also das Nutzen von Strom aus dem Akku eines parkenden Elektroautos.

So wichtig die Sektorenkopplung ist, wir müssen uns darüber im Klaren sein, dass hier schnell ein sehr komplexes System mit unterschiedlichsten Einzelinteressen entstehen kann. Denn wer lässt schon gerne den Akku seines an der Ladesäule hängenden Autos vom Stromversorger zur Spitzenlastabdeckung entladen, wenn sich dadurch die Ladezyklen des Akkus erhöhen und sich dessen Lebensdauer verkürzt?!

IKZ-FACHPLANER: Worin sehen Sie derzeit das größte Problem bei der Energiewende?

Prof. Alexander Floß: Grundsätzlich sehe ich hier zwei unterschiedliche, große Problembereiche. Zum einen denken wir – wenn wir von Energiewende sprechen – meist nur an die Deckung unseres Energiebedarfs mit Erneuerbaren Energien. Das lässt sich als Jahresbilanz auch relativ leicht darstellen. In Wirklichkeit ist aber nicht nur die Jahresbetrachtung, sondern auch der Blick auf Lastspitzen notwendig. Und hier muss auch an extreme und anhaltende Kälteeinbrüche wie im Februar dieses Jahres gedacht werden. Da die Strominfrastruktur zur Energieversorgung hier allein schlicht überfordert wäre, sind in den nächsten Jahren weiterhin noch Gas- aber auch Öl-Bestandsheizungen zur Spitzenlastabdeckung zu betreiben. In einem nächsten Entwicklungsschritt können dann die konventionellen Wärmeerzeuger (Gas und Öl) auf regenerative Energieträger umgestellt werden.

IKZ-FACHPLANER: …und was ist das zweite Problem, das Sie angedeutet haben?

Prof. Alexander Floß: Das zweite Problem sehe ich in der Tatsache, dass wir in unseren Energiesystemen vielfach die einzelnen Komponenten schlecht aufeinander abstimmen und bestenfalls auf den Nennbetriebspunkt auslegen und optimieren. In der täglichen Praxis laufen die Systeme aber die meiste Zeit im Teillastbereich mit in der Regel deutlich niedrigerer Effizienz. Um bei thermischen Energiesystemen das Optimum erzielen zu können, muss auch die Anlagen-Hydraulik stimmen, was aber oft nicht der Fall ist.

IKZ-FACHPLANER: Herr Birnick, das Unternehmen YADOS gilt als Spezialist für Wärmenetze sowie Wärme- und Energiesysteme. Können Sie das vernachlässigte „Hydraulik-Thema“ so bestätigen?

Lutz Birnick: Leider ja. Bei Projekten im Bestand stoßen wir immer wieder auf Verbundanlagen, die hydraulisch nicht oder nicht korrekt einreguliert sind. Diese Anlagen haben meist auch viel zu hohe Rücklauftemperaturen. Und das kann gravierende Auswirkungen haben – z. B. bei Einsatz von Brennwerttechnik. Denn hier wird, wie allgemein bekannt, zusätzlich zur Verbrennungswärme die durch Kondensation des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes freigesetzte thermische Ener gie genutzt. Das sorgt für die deutlich bessere Brennstoffausnutzung als bei herkömmlichen Heizkesseln. Kurz zur Erinnerung: Damit der Brennwerteffekt eintreten kann, muss über die Anlagenhydraulik sichergestellt sein, dass die Rücklauftemperatur unterhalb der Taupunkttemperatur des im Abgas enthaltenden Wasserdampfes liegt. Bei der Verbrennung von Gas beginnt der Brennwerteffekt bei einer Rücklauftemperatur unter 57 °C. Liegt die Rücklauftemperatur über 60 °C, dann kann der Effekt folglich nicht eintreten.

Natürlich hat die Rücklauftemperatur auch maßgeblich Einfluss auf die thermische Übertragungskapazität, Strömungs- und Wärmeverluste, den elektrischen Pumpenaufwand oder den Wirkungsgrad der Kraft-Wärme-Kopplung. D.h., egal ob wir von einem Brennwert-BHKW oder einem Brennwertkessel sprechen, die niedrige Rücklauftemperatur ist entscheidend für die thermische Effizienz des gesamten Heizungssystems und die wirksame Brennwertnutzung.

IKZ-FACHPLANER: Welches Vorgehen empfehlen Sie Planern und Betreibern in Bezug auf die Anlagenhydraulik?

Lutz Birnick: Standardisierte Hydraulik- und Regelungskonzepte haben sich unserer Erfahrung nach nicht bewährt. Daher empfehlen wir Planern und Betreibern bei Bestandsmodernisierung bzw. Sanierung oder auch bei ineffizienter Anlagenleistung dringend eine bedarfsspezifische und datenbasierte Planung bzw. Überprüfung. YADOS führt hierzu systematische Voranalysen durch, zumal wenn keine erfassten und ausgewerteten Anlagen- und Betriebsdaten vorliegen. In der Umsetzung werden hierzu mittels Wärmezähler die spezifischen Heizlasten der Verbraucher erfasst und anschließend ausgewertet. Für eine „technische Fehlervorwegnahme“ ermitteln wir außerdem, welcher Verbraucher wieviel thermische Energie bezieht. Auch sogenannte „Effizienzkiller“, sprich Verbraucher, die eine niedrige Rücklauftemperatur gefährden, können wir so aufspüren und das Gesamtsystem entsprechend planen.

IKZ-FACHPLANER: Wie sichern Sie in Ihren Planungen niedrige Rücklauftemperaturen?

Lutz Birnick: Die Höhe der Mischwasser-Rücklauftemperatur wird natürlich von zahlreichen Faktoren beeinflusst. Dazu gehören die Rücklauftemperaturen einzelner Verbraucher, die hydraulische Einbindung von Verbrauchern und Wärmeerzeugern sowie in den Rücklauf überströmendes Vorlaufwasser.

Wir realisieren die hydraulische Einbindung über den „YADO|SHARE EnergieEffizienzVerteiler“, kurz EEV. In diesem werden Hochtemperatur-Rückläufe (HT-RL) von 50 bis 70 °C und Niedertemperatur Rückläufe (NT-RL) von 28 bis 35 °C in zwei Rücklaufsammlern getrennt und können als Temperaturströme zweifach verteilt und energetisch genutzt werden.

Die Heizkreise zur Versorgung der Verbraucher und Ladekreise des Trinkwassererwärmers werden dabei nicht nur parallel, sondern teilweise in Reihe geschaltet. Die sogenannte variable Reihen-Parallelschaltung hat sich in der Praxis durchgehend bewährt: Der HT-RL kann so weiter ausgekühlt werden. Das ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Verbraucher bzw. Verbrauchergruppen ohnehin unterschiedliche Vorlauftemperaturen benötigen, z. B. bei Heizkörper- und Fußbodenheizkreisen. Optimal funktioniert das Gesamtsystem bei Wärmeerzeugern ohne Mindestvolumenstrom und mit zwei Rücklaufanschlüssen HTRL und NT-RL. Aber auch bei nur einem Rücklaufanschluss sorgt die niedrigere RL-Temperatur so für einen besseren Brennwerteffekt.

IKZ-FACHPLANER: Eine fehlerhafte Planung bzw. Installation von Komponenten, z. B. Heizkreisverteiler, sind häufig Auslöser einer eingeschränkten Anlagenleistung oder führen gar zu Ausfällen. Wie kann hier eine Lösung aussehen?

Lutz Birnick: Das kann ich nur bestätigen. Wir haben immer wieder mit Anlagen zu tun, in denen Leitungskurzschlüsse das Temperaturniveau nachteilig beeinträchtigten oder Heizkreise schlicht falsch eingebunden sind. 

YADOS setzt daher entgegen der marktüblichen Baukastenweise auf individuell bzw. objektspezifisch konfigurierbare Komponenten. Jeder Heizungsverteiler wird exakt nach Planungsvorgaben maßgeschneidert und mit bereits fertig vormontierten Pumpengruppen ausgeliefert. Bei einer Ausführung mit Elektroschaltschrank werden von uns auch alle Regelbausteine und elektrischen Feldgeräte anschlussfertig verdrahtet.

www.hochschule-biberach.de

www.yados.de