Energieeffiziente Versorgung von Mikro-Blockheizkraftwerken

In jeder Hinsicht wirtschaftlich

Blockheizkraftwerk mit Wärmespeicher zum Einbau in Einfamilienhäuser  

Blockheizkraftwerk mit Wärmespeicher zum Einbau in Einfamilienhäuser

Zur energieeffizienten Versorgung kleinerer Gebäude mit Strom und Wärme eignen sich Mikro-Blockheizkraftwerke. Der Energie-Tower der Fuchs Energiespartechnik GmbH erzielt hier einen Wirkungsgrad von 99,5 Prozent. Die Steuerung, Regelung und Überwachung der innovativen Lösung übernimmt die Kleinsteuerung ILC 130 ETH von Phoenix Contact.

Applikation

Bei den meisten im Privatbereich eingesetzten Heizungssystemen handelt es sich um klassische Kessel auf Basis von Öl- oder Gasfeuerung. So heizen in Deutschland 47,7 Prozent der Haushalte mit Gas und 31 Prozent mit Öl, während die verbleibenden 21,3 Prozent auf Fernwärme, Kohle und Strom entfallen. Die mit Gas oder Öl betriebenen Heizungssysteme sind entweder in klassischer Technik oder in moderner Brennwerttechnik ausgeführt. Der Unterschied zwischen den beiden Verfahren besteht darin, dass bei der Brennwerttechnik auch die Kondensationswärme des Wasserdampfs im Abgas ausgenutzt wird. Deshalb sollte der Anwender bei der Betrachtung des Gesamtwirkungsgrads seiner Heizung neben dem Heiz- auch den Brennwert berücksichtigen. Ein Brennwertkessel kommt vor diesem Hintergrund auf einen Wirkungsgrad des Heizwerts von mehr als 100 Prozent, was physikalisch natürlich unsinnig ist.
Lässt sich das Abgas aufgrund hoher Rücklauftemperaturen am Kessel nicht auf 35°C abkühlen, ergibt sich ein weiterer Verlust. Gleiches gilt für die Abstrahlung von Wärmeenergie durch den Kessel. Die Messung der Kondensatmenge eines Brennwertkessels erlaubt hier eine Abschätzung des Gesamtwirkungsgrads. Im praktischen Betrieb haben Brennwertkessel einen latenten Wärmegewinn von maximal elf Prozent und Ölkessel von maximal sechs Prozent. Das resultiert aus dem unterschiedlichen Wasserstoffgehalt des Brennstoffs: Gas enthält mehr Wasserstoff und erzeugt somit auch mehr Wasserdampf, der kondensieren muss.

Lösung

Wirkungsgrad von mehr als 90 Prozent

Um die Effizienz von Heizsystemen zu steigern, bietet sich die Kraft-Wärme-Kopplung an. Das Verfahren wandelt die Energie in mechanische Energie um und verwendet die anfallende Abwärme zum Heizen. Dabei wird sowohl die Wärme im Kühlwasser und im Abgas der Verbrennungsmaschine als Nutzwärme genutzt, die bei der Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie im Generator entsteht. Auf diese Weise erzielt der Anwender bei ortsnaher Installation sowie Einsatz von gasförmigen Brennstoffen einen Gesamtwirkungsgrad von über 90 Prozent. In den letzten Jahren ist die Kraft-Wärme-Kopplung stetig weiterentwickelt worden, sodass heute bereits Mikro-Blockheizkraftwerke (BHKW) für den Einbau in Einfamilienhäuser verfügbar sind.

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Das Herzstück des Mikro-Blockheizkraftwerks: links der Erdgasmotor, rechts der Generator

Mikro-BHKW für Einfamilienhäuser

Mikro-BHKW werden unter anderem von der in Lehrte nahe Hannover ansässigen Fuchs Energiespartechnik GmbH hergestellt. Seit 2005 hat Fuchs über 60 BHKW-Projekte mit einer Leistung zwischen 10 und 1100 kW realisiert. 2006 kam den Mitarbeitern die Idee, ein BHKW für Einfamilienhäuser zu bauen. Anfängliche Versuche mit günstigen chinesischen Motoren scheiterten an deren Haltbarkeit sowie den inakzeptablen Baumaßen. Im September 2008 stellte Fuchs den Energie-Block der Öffentlichkeit vor und installierte das Mikro-BHKW in verschiedenen Pilotanlagen. Im nächsten Schritt meldete das Unternehmen den Energie-Tower im April 2010 zum Patent an. Die Lösung wurde kurz darauf mit großem Erfolg auf der Hannover Messe präsentiert.
Ein neues in einem Privathaus montiertes Mikro-BHKW, das den gesamten Bedarf an Warmwasser und Strom liefert, kommt ohne Netzankopplung aus. Dazu sind jeweils groß dimensionierte Speicher für Wärme und elektrische Energie notwendig. Sie speichern die bei einer Wärmeanforderung anfallende elektrische Energie respektive die bei der Anforderung von elektrischer Energie erzeugte Wärme.

60 Prozent CO2- und Kostenersparnis

Bei den ersten Blockheizkraftwerken handelte es sich zumeist um größere Anlagen, die mehrere umliegende Häuser mit Nahwärme und Strom versorgten. Heutige Mikro-BHKW erzeugen gleichzeitig Strom sowie mit einem integrierten Spitzenlast-Heizsystem auch Wärme. Der Energie-Tower von Fuchs hat einen tatsächlichen Wirkungsgrad von 99,5 Prozent und spart somit etwa 60 Prozent CO2- sowie Energiekosten in ähnlicher Größenordnung ein. Das System besteht aus einem Verbrennungsmotor mit angeschlossenem Generator, die Spitzenlasten werden mit einem zusätzlichen Heizsystem im Vollbrennwert-Wärmetauscher erzeugt. Als vollwertige Energiezentrale eignet sich der Energie-Tower für Ein- und Mehrfamilienhäuser, Schulen, Hotels, kleine Verwaltungsgebäude, Altenheime und Gewerbebetriebe, um die Wärme- und Stromgrundlast abzudecken.

ILC 130 ETH  

Der ILC 130 ETH für Steuerungs- und Überwachungsfunktionen

Kostengünstige und langzeitstabile Automatisierungstechnik

Wirtschaftlichkeit ist nicht nur Voraussetzung bei der Auswahl der einzelnen mechanischen Bestandteile des Mikro-BHKW: Auch die elektronischen Geräte zur Steuerung, Regelung und Überwachung der Anlage müssen langzeitstabil und kostengünstig sein. Vor diesem Hintergrund hat sich die Fuchs Energiespartechnik für Komponenten und Systeme von Phoenix Contact entschieden. Der Energie-Tower setzt sich aus den Funktionseinheiten Verbrennungsmotor, Generator, Kühlsystem für die beiden Einheiten sowie dem Spitzenlastbrenner zusammen. Beim Verbrennungsmotor ist die Drehzahl respektive das Drehmoment zu regeln, sodass der Asynchron-Generator Energie in das Netz einspeisen kann. Wird eine größere Wärmemenge angefordert, muss die Steuerung auch den Spitzenlastbrenner bedienen.

Die beschriebenen Steuerungsaufgaben werden vom Inline Controller ILC 130 ETH von Phoenix Contact umgesetzt.
Nach dem Anlassen des Verbrennungsmotors kontrolliert die Kleinsteuerung, ob die Solldrehzahl erreicht wurde. Ist dies der Fall, schaltet sie den Asynchron-Generator auf das Netz auf. Der Energie-Tower hat eine Bedieneinheit mit Touch Panel. Auf diese Weise kann sich der Betreiber wichtige Prozessdaten wie die eingespeiste Leistung, Ströme, Spannungen, Drehzahl, Betriebsstunden sowie die Zeitspanne bis zur nächsten Wartung anzeigen lassen. Außerdem ist die Bedienung des Systems möglich.

Bedienung und Fernwartung über das Internet

„Wir haben uns für eine industrielle Steuerung von Phoenix Contact ausgesprochen, weil das Gerät einen großen Funktionsumfang zu moderaten Kosten bietet. Darüber hinaus legen wir bei unseren Lösungen großen Wert auf Haltbarkeit und Langzeitstabilität. Da ist es sinnvoll, eine für das raue Industrieumfeld konzipierte Steuerung zu verwenden“, so Stefan Wluka, Geschäftsführer bei der Fuchs Energiespartechnik GmbH. Da für sämtliche Inline-Steuerungen ein großes Spektrum an Erweiterungsmodulen zur Verfügung steht, ist nahezu jede Applikation umsetzbar. Die in alle Steuerungen integrierte Ethernet-Schnittstelle und der eingebaute Webserver erlauben bereits in der 100er Leistungsklasse der Kleinsteuerungen das Erstellen verteilter Applikationen sowie die Bedienung und Fernwartung der Anwendung über den Internet-Browser. Wluka stellt abschließend fest: „Am besten hat uns gefallen, dass sämtliche SPSen von Phoenix Contact – egal zu welcher Leistungsklasse sie gehören – mit einem einzigen Engineering-Tool programmiert werden. Als abgespeckte Version von PC Worx kann der Anwender mit dem kostenfrei erhältlichen PC Worx Express einfach in die IEC61131-Programmierumgebung einsteigen“.

PC Worx Express  

Das durchgängige Engineering mit PC Worx Express

Kostenfreie Engineering-Umgebung

Die Engineering-Umgebung für den ILC 170 ETH 2TX sowie die weiteren Steuerungen der 100er Leistungsklasse stehen kostenfrei zum Herunterladen von der Phoenix-Contact-Website zur Verfügung. Aufgrund seiner geringeren Komplexität bietet PC Worx Express im Vergleich zum Standard-Tool PC Worx einen einfachen Einstieg in die auf der internationalen Norm IEC 61131-3 basierenden Programmiersprachen für Steuerungen. Dabei umfasst PC Worx Express alle Funktionen von PC Worx, die die Programmerstellung komfortabel gestalten. Dazu zählt unter anderem das automatische Einlesen der Buskonfiguration, sodass die Inline-I/O-Module nicht manuell in den Busaufbau gezogen werden müssen.

Fazit

PC Worx Express überzeugt darüber hinaus durch eine vereinfachte Benutzeroberfläche. Folglich können sich Neueinsteiger auf das Wesentliche konzentrieren und haben stets die wichtigsten Funktionen im Blick. Eine integrierte XML-Schnittstelle ermöglicht den Datenaustausch mit vor- und nachgelagerten sowie über- und unterlagerten Software-Lösungen. Auf diese Weise wird der Engineering-Workflow der industriellen Wertschöpfungskette optimal unterstützt.

PHOENIX CONTACT
Deutschland GmbH

Flachsmarktstraße 8
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+49 52 35/3-1 20 00