Eine innovative Kombination, die über iKWK hinausdenkt

Traditionell trat die fünfköpfige Expertenjury im November zusammen, um das BHKW des Jahres 2023 zu wählen. Zur Wahl standen elf herausragende KWK-Konzepte, die in den Monaten Januar bis November von E&M als „BHKW des Monats“ vorgestellt wurden. Mit dem BHKW des Jahres kürt die Fachjury ein besonders zukunftsweisendes Konzept anhand folgender Kriterien:

• Lösungskonzepte der Anlagenkombination,
• beteiligte Partner,
• Planung,
• technische Ausführung und Betrieb.

Selten hatte die Wahl eine derart politische Relevanz wie dieses Jahr − nicht zuletzt durch das Gebäudeenergiegesetz und die kommunale Wärmeplanung ist die Dekarbonisierung der Wärmeversorgung aktueller denn je. Wie keine andere Technik steht die Kraft-Wärme-Kopplung in einer Zeit wie dieser für den Anspruch, durch die kombinierte Gewinnung von Wärme und Strom sichere Energie bereitzustellen und durch den ressourcenschonenden Brennstoffeinsatz gleichzeitig die Umwelt zu schützen.

Elf vielfältige KWK-Konzepte zwischen 14,8 kW und 4,5 MW elektrischer Leistung standen dieses Jahr zur Wahl; angetrieben mit Biomethan, Biogas aus Abfall- und Reststoffen oder Erdgas, mit der Perspektive auf Wasserstoffnutzung. Darunter Kombinationen von BHKW und (Fluss-)Wärmepumpen, PV oder Solar- und Geothermie, Gas- und Hackgutkessel sowie Power-to-Heat. Batteriespeicher ergänzen die Projekte in der Objekt-, Quartiers- und Wärmenetzversorgung.
 
Stromspeicher und BHKW sorgen in mehreren Fällen für eine gesicherte Strom- und Wärmeversorgung sowie Notversorgung. Die monatlich von E&M präsentierten Anlagen dienen zur Eigenversorgung der Betreiber oder auch zur Versorgung von Wohn- und Gewerbeobjekten, Nah- und Fernwärmesystemen. In den hocheffizienten Anlagen werden hohe Systemwirkungsgrade und Primärenergieeinsparungen erreicht. Die Senkung der CO2-Emissionen durch KWK-Anlagen beträgt bei den Betreiberunternehmen bis zu 1.600 Tonnen pro Jahr.

KWK-Konzept der Stadtwerke Stralsund ist BHKW des Jahres 2023

Die Entscheidung fiel der Jury nicht leicht. Neben klassischen KWK-Anlagen mit herausragenden Parametern fanden sich unter den elf zur Wahl stehenden BHKW innovative Lösungen mit hochflexiblen Anlagen und Kombinationslösungen mit erneuerbaren Energietechnologien und Speichern. Nach intensiver Begutachtung der Projekte und ausführlicher Diskussion kamen die Experten zu einem einstimmigen Votum für das BHKW des Monats April 2023. Bei dem ausgezeichneten Projekt der Stadtwerke Stralsund handelt es sich um eine hocheffiziente Kombination aus zwei Jenbacher Blockheizkraftwerken mit Ammoniak-Wärmepumpen von Johnson Controls. Was auf den ersten Blick nach einer iKWK-Anlage aussieht, ist eine technische Innovation, die in ihrer Raffinesse über die iKWK hinausgehen dürfte.

Unkonventionelle Verknüpfung von Wärmepumpe und BHKW

Die Stadtwerketochter SWS Energie GmbH hat ihren Kraftwerksstandort in der Prohner Straße erneuert. Für den Umbau wurde in dem bestehenden Heizkraftwerk die komplette Technik ausgetauscht und neu installiert. Es wurden unter anderem zwei Blockheizkraftwerke mit Wärmepumpen so innovativ miteinander kombiniert, dass nun deutlich mehr Abwärme für die Fernwärmeversorgung genutzt werden kann. Das geschieht, indem die Wärmepumpen zur Kühlung der Generatoren und zu einer dritten Abgasstufe eingesetzt werden − laut den Stralsundern ein Novum.

Mit der Modernisierung des Standorts ist die thermische Gesamtleistung von 6,5 auf 11,6 MW und die elektrische von 6 auf 9 MW erhöht worden. Mit der Kapazitätserhöhung läuft die Anlage nun zugleich weniger Stunden, und zwar zwischen 3.500 und 5.300 Vollbenutzungsstunden jährlich. Die Gesamtwärmemenge soll jährlich 61 Millionen kWh betragen, auf der Stromseite werden 48 Millionen kWh produziert. Damit wird deutlich mehr Wärme als vor dem Umbau gekoppelt.

Die Besonderheit der Anlage liegt in der unkonventionellen Verknüpfung der beiden Jenbacher Motoren des Typs JMS 624 mit zwei Ammoniak-Wärmepumpen von Johnson Controls. Mit dieser Kombination wurde eine hocheffiziente und somit auch wirtschaftliche Lösung installiert. Auch wenn hier Wärmepumpen mit BHKW kombiniert wurden, ist die Anlage keine förderfähige innovative KWK-Anlage (iKWK).

Bei iKWK-Anlagen, wie sie der Bund seit 2018 fördert, liefern zum Beispiel Wärmepumpen in der Regel den geforderten regenerativen Wärmeanteil (Flusswasser oder Umgebungsluft) von mindestens 30 Prozent − technisch getrennt vom BHKW. In Stralsund greifen die Wärmepumpen die Abwärme aber direkt an der Anlage ab. Damit ist diese zwar vergleichbar mit einer innovativen KWK-Anlage, jedoch ohne zusätzliche Unterstützung der Regierung, weil der Umweg über die Umgebungsluft vermieden wird. Eine technische Innovation, die bereits über die bestehende Gesetzeslage der iKWK hinausdenkt.

Folgende weitere technische Besonderheiten weist die Anlage darüber hinaus auf:
1. Die Gemischkühlung in der neuen Anlage wird mit dem Rücklauf des Fernwärmenetzes betrieben. Dadurch steigt der thermische und somit der Gesamtwirkungsgrad. Trotz einer erhöhten Gemischtemperatur liegt der elektrische Wirkungsgrad bei 46 Prozent. Beim alten Kraftwerken ging die thermische Energie der Gemischkühlung hingegen via Tischkühler in die Atmosphäre verloren.

2. Es wurde ein dritter Abgaswärmetauscher eingebaut. Er wird mittels der Wärmepumpen mit je 1.055 kW thermischer Leistung gekühlt, sodass das Abgas kondensiert und eine Brennwertnutzung ermöglicht wird. Zuvor war eine solche Nutzung nicht möglich, da die Abgastemperatur oberhalb des Abgastaupunkts lag. Üblicherweise liegen die Abgastemperaturen über 60 Grad Celsius. Die neue Anlage liegt mit unter 40 Grad Celsius deutlich darunter. Die Wärmepumpen sind außerdem umschaltbar zwischen den beiden BHKW-Modulen. Damit wird zusätzlich die Versorgungssicherheit erhöht.

3. Die Generatoren werden mit Wasser gekühlt. Das Wasser zusammen mit dem dritten Abgaswärmetauscher dient den Wärmepumpen als Quelle. Sie erzeugen daraus ein nutzbares Temperaturniveau von 66 Grad Celsius Vorlauf. Bei der alten Anlage waren die Synchrongeneratoren noch luftgekühlt, damit ging die Wärme über das Lüftungssystem der Maschinenhalle verloren.

Die Kunden auf der Wärmeseite sind unter anderem die Deutsche Rentenversicherung, ein Schwimmbad, Gewerbekunden, ein Krankenhaus sowie weitere öffentliche Gebäude und verschiedene Immobilienunternehmen, die Mietwohnungen für mehr als 10.000 Haushalte haben. Der Anlagenbau oblag der Energieanlagen Nord GmbH, die Jenbacher KWK-Anlage stammt von Innio. Alle anderen Gewerke wurden vorrangig von Unternehmen aus der Region abgedeckt.
 
Das prämierte KWK-Konzept hat die Jury besonders durch folgende Aspekte überzeugt:
1. Innovation: Auch wenn hier Wärmepumpen mit BHKW kombiniert wurden, ist die Anlage keine förderfähige iKWK. In Stralsund greifen die Wärmepumpen die Abwärme nämlich direkt an der Anlage ab, statt den regenerativen Wärmeanteil getrennt vom BHKW zu liefern. Damit ist die Anlage zwar vergleichbar mit einer iKWK-Anlage, jedoch wird der Umweg über die Umgebungsluft vermieden.
2. Effizienz: Durch technische Verbesserungen der Anlage können die Wärmepumpen sowohl die Brennwertwärme als auch die Generatorenwärme auf ein für das Wärmenetz nutzbares Temperaturniveau bringen. Diese Abwärme, also die hohe Abgastemperatur von rund 70 Grad Celsius und die Generatorkühlluft von etwa 35 Grad Celsius, geht sonst bei vergleichbaren KWK-Anlagen in der Regel verloren.
3. Vorbildcharakter: Das gewählte Energieversorgungskonzept dient als gutes Beispiel für andere Betreiber und zeigt insbesondere für Stadtwerke von Mittelstädten, wie hocheffiziente und somit ökologisch und wirtschaftlich nachhaltige Versorgung durch ein gelungenes Zusammenspiel von BHKW, Wärmepumpen, Kälteanlagen und lokalen Gegebenheiten funktionieren kann.

Die Jury

• Claus-Heinrich Stahl (B.KWK)
• Professor Bernd Thomas (Hochschule Reutlingen)
• Marek Preißner (Infracon Infrastruktur Service GmbH & Co. KG, Leipzig
• Gebhard Genter (Stadtwerke Schwäbisch Hall)
• David Weiblein (BTB Berlin)

Die Gewinner-Anlage auf einen Blick
Betreiber: SWS Energie GmbH
Anlage: Jenbacher BHKW von Innio, zwei Module des Typs JMS 624 mit jeweils 4,5 MW elektrischer und 4,8 MW thermischer Leistung, drei Abgaswärmetauscher von Aprovis, zwei Wärmepumpen mit je 1.055 kW thermischer Leistung von Johnson Controls, vier Wärmespeicher von Dehoust mit insgesamt 600 Kubikmeter Volumen, Power-to-Heat-Anlage mit 6,5 MW
Besonderheiten: Ammoniak-Wärmepumpe zur Temperaturanhebung der Niedertemperaturwärme sowie gleitende Rücklauftemperaturen des Nahwärmenetzes, basierend auf der jeweiligen Jahreszeit
Ansprechpartner: Basilian Drans, Erzeugung SWS Energie GmbH, basilian.drans@energie-stralsund.de; Mario Lübcke, Geschäftsführer Energieanlagen Nord GmbH, luebcke@ean-online.de; Jörn Riemann, Vertriebsingenieur der Jenbacher GmbH, jorn.riemann@innio.com; BLS Energieplan GmbH, Berlin, info@bls-energieplan.de
 
* Claus-Heinrich Stahl ist Präsident des Bundesverbands Kraft-Wärme-Kopplung (B.KWK), Berlin