Auf diesen Seiten finden Sie Beispiele für typische Anwendungsfälle von Energiesimulationen mit energyPRO. Unten finden Sie eine Übersicht, auf den jeweiligen Unterseiten eine kurze Beschreibung der Beispiele. Die Projektdateien stehen Ihnen in unserer Datenbank zur Verfügung, sodass Sie selbst die Beispiele direkt in energyPRO öffnen und variieren können.
Um neben der Erzeugung von Wasserstoff auch die nötige Infrastruktur abzubilden, wurden in diesem Projektbeispiel zusätzlich zum Elektrolyseur einige denkbare Umwandlungs- und Speicherelemente in die Energiesimulation implementiert.
Der Elektrolyseur wurde so modelliert, dass der benötigte Wasserbedarf, die anfallende Sauerstoffmenge sowie die nutzbare Abwärme mitberücksichtigt werden. Zusätzlich wurde eine detaillierte Teillastkennlinie hinterlegt, welche partiell bessere Teillastwirkungsgrade bei der Wasserstoffproduktion ermöglicht.
Im Anschluss befindet sich ein Kompressor, welcher den Wasserstoff auf einem höheren Druckniveau bereitstellt, um eine flexible Zwischenspeicherung zu ermöglichen. Auf der Seite der Abnehmer wurden ein verbindlicher und ein unverbindlicher Wasserstoffbedarf in der Energiesimulation hinterlegt. Der fest vorgegebene verbindliche Bedarf könnte für einen industriellen oder chemischen Prozess stehen, während der unverbindliche Bedarf Einspeisung in eine Pipeline bei Überproduktion abbilden könnte. Zur Überbrückung von Engpässen der eigenen Wasserstoffproduktion wurde zur Absicherung ein zusätzlicher externer Wasserstoffimport vorgesehen.
Ein kurzes Video zur Vorstellung des Beispiels finden Sie hier.
Wärmepumpensysteme sind besonders effizient, wenn die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und -senke möglichst gering ist. Aus diesem Grund werden Wärmepumpen häufig in Reihe geschaltet, wenn unterschiedliche Temperaturen z.B. für Heizung und Warmwasser benötigt werden. Dadurch können höhere COPs erreicht werden. Das hier dargestellte Modell stellt ein solches System in einer energyPRO- Energiesimulation dar.
Im Beispiel handelt es sich um eine kleines Nahwärmenetz, das zum großen Teil mit einer Luftwärmepumpe versorgt werden soll. Zur Abdeckung von höheren Lasten wurde ein Elektrokessel installiert. Ein Gaskessel sichert die Versorgung im Bestand.
Eine Luft-Wärmepumpe stellt Heizwärme auf einem Temperaturniveau von 50°C zur Verfügung. Dies ist ausreichend, um den Neubau zu versorgen, jedoch nicht heiß genug, um Trinkwarmwasser bereit zu stellen und den Altbau zu beheizen. Für die Trinkwarmwasserbereitung wurden dezentrale Wärmepumpensysteme in die Energiesimulation integriert, die die Heizwärme als Wärmequelle verwenden und Trinkwarmwasser auf 60°C bereitstellen. Dies wurde mit einer benutzerdefinierten Anlage in energyPRO umgesetzt, bei der Inputs und Outputs frei definiert werden können. In diesem Beispiel hat die Booster-Anlage einen COP von 6, benötigt also einen Teil Strom und 5 Teile Heizwärme, um das hohe Temperaturniveau für TWW bereitzustellen.
Der Bestand muss mit einem noch höheren Temperaturniveau von 70°C versorgt werden, da dort niedrigere Dämmstandards und schlechtere Heizkörper zur Verfügung stehen. Der Gaskessel kann dies bewerkstelligen, wobei der Energiebedarf sich aus der Temperaturdifferenz zwischen der Niedertemperatur der Wärmepumpe und der benötigten Temperatur des Vorlaufs im Bestand ergibt. Eine Zeitreihenfunktion wurde erstellt, die den Anteil des Kessels in jedem Zeitschritt berechnet. Die Temperaturen sind in diesem Beispiel konstant und damit auch der Anteil des Kessels. Jedoch können variable Temperaturzeitreihen hinterlegt werden, sodass dann eine dynamische Energiesimulation des Kessel-Anteils erfolgt.
Im Ergebnis erlaubt dieses Beispiel die Einschätzung des zusätzlichen Strom- und Gasbedarfs zur Bereitstellung von höheren Temperaturen. Zusätzlich wird aufgezeigt, wie in energyPRO mehrere Temperaturniveaus abgebildet werden können.
Dieses Beispiel ist gut geeignet, um die vielfältigen Möglichkeiten der Integration von Wärmepumpen in energyPRO aufzuzeigen. Bei der vorliegenden Energiesimulation handelt es sich um ein Low-Ex-Netz (auch Kalte Nahwärme genannt), welches von einer Wärmepumpe, einem Solarkollektor und einem elektrischen Kessel gespeist wird. Der Bedarf an Warmwasser wird zusätzlich über einen Heizstab ergänzt.
Im Modell gibt es einige Details, für die sich eine nähere Betrachtung lohnt. Die Wärmepumpe nutzt neben dem elektrischen Input einen Eisspeicher als Quelle für Umweltwärme. Hierbei wurde in der energyPRO-Energiesimulation ein Brennstoff angelegt, welcher mit „Eisspeicher“ bezeichnet wurde. Die Wärmepumpe ist keine Standard-Anlage, sondern wurde in diesem Fall als „benutzerdefinierte Anlage“ angelegt. Diese bieten die Möglichkeit, flexibel auch mehrere In- und Outputs festzulegen. Die Leistungen können dann über sogenannte Zeitreihenfunktionen hinterlegt werden. Auch der Coefficient of Performance (COP) der Wärmepumpe lässt sich damit flexibel abbilden. So können beispielsweise Herstellerkennlinien für COPs ein- oder mehrdimensional abhängig von Vorlauf- und Quellentemperatur dargestellt werden. Für den Eisspeicher wird zudem an einem zweiten Standort (REGION Modul) eine Regeneration im Sommer über einen Solarkollektor modelliert.
Die Abbildung des Brauchwasserbedarfs wird über einen weiteren Standort in der Energiesimulation realisiert. Ein elektrischer Heizstab erhöht dort die Temperatur auf das entsprechende Niveau. Die zusätzlich benötigte Leistung ist dabei abhängig von den Temperaturen im Wärmenetz und der Kaltwassertemeperatur.
Ein Großteil des Wärmebedarfes kann dabei im Winter über die Wärmepumpe gedeckt werden, im Sommer sorgt der Solarkollektor überwiegend für Bedarfsdeckung. Die Nutzung des Eisspeichers im Winter und dessen Regeneration im Sommer kann mit einer energyPRO Energiesimulation sehr gut abgebildet werden.
Eine detaillierte Betrachtung des Modells wird auch in folgendem Video durchgeführt.
Diese Energiesimulation stellt eine mögliche Wärme- und Kälteversorgung eines Industriegebiets dar. Es ist ein recht komplexes System, das gut die Vielfältigkeit von energyPRO aufzeigt. Einerseits wird ein Kältebedarf, der im Winter durch „freie Kälte“ und im Sommer, je nach Gestehungskosten, durch eine elektrische Kältemaschine oder durch eine Absorptionskältemaschine gedeckt wird, abgebildet. Andererseits ist ein Wärmebedarf entweder durch einen großen Pufferspeicher zu decken oder durch eine fossile Kesselanlage. Der Pufferspeicher wird entweder über ein BHKW oder durch Solarkollektoren beladen. Weiterhin wird sowohl der im BHKW erzeugte Strom, als auch der Strom der Photovoltaik-Anlage über den EPEX Spot Day Ahead Markt direkt vermarktet.
Anhand dieses Beispiels ist besonders die berechnete Energiesimulation der Betriebsstrategie interessant. Hier kann sowohl für den Wärme- als auch den Kältebedarf gut nachvollzogen werden, wie energyPRO, teilweise abhängig von den Erlösen an der Strombörse, die einzelnen Erzeugungsanlagen priorisiert.
Unabhängig von den Wärmegestehungskosten kann energyPRO auch für die Auslegung und Energiesimulation von Hybridsystemen genutzt werden, die verschiedene Erzeuger wie Generatoren und PV-Anlagen sowie Batteriespeicher integriert. In dem Beispiel für einen Gewerbepark in Afghanistan sind mit dem Modul COMPARE vier verschiedene Szenarien angelegt:
Referenz: Rein konventionelles System mit zwei Dieselgeneratoren in Kaskade
Low penetration: Dieselsystem, ergänzt durch eine kleine PV-Anlage, auch „fuel saving“-Option genannt
Medium penetration: Dieselsystem, ergänzt durch eine PV-Anlage, die einen Großteil des Dieselverbrauchs verdrängt sowie eine kleine Batterie für geringfügige PV-Überschüsse
High penetration: PV-System, in dem Generatoren nur noch als Back-Up fungieren. PV-Überschüsse am Tag werden in einer großen Batterie für die Grundlast bei Nacht genutzt.
In diesem Beispiel wird unter Verwendung des Moduls COMPARE untersucht, ob für bestehende Biogas-Anlagen, die bisher ein BHKW als Dauerläufer betrieben haben, also mit mindestens 6.000 Vollbenutzungsstunden pro Jahr, die Möglichkeit eines flexiblen Betriebs eines zusätzlichen, größeren BHKWs wirtschaftlich interessant ist. Dafür ist neben einem Referenzfall eine Variante in der Energiesimulation angelegt, in der ein BHKW mit 1,5 MWel den produzierten Strom direkt an der Börse vermarktet und die Wärme an einen groß dimensionierten Pufferspeicher abgibt. Durch Flexibilitätsprämie und höhere Erlöse der Direktvermarktung an der Strombörse im Vergleich zur EEG-Festvergütung ist der Zubau von flexiblen BHKWs ein Business-Case der in energyPRO hervorragend analysiert werden kann.
Dieses Beispiel zeigt einen möglichen Fall, in dem eine jährlich zur Verfügung stehende Menge an Biomethan in einem BHKW in Abhängigkeit der Strombörsenpreise optimal eingesetzt wird, um möglichst hohe Erlöse zu erzielen. Dafür ist in den Projekteinstellungen die „Länge der Optimierungsperiode“ auf „Jahr“ gesetzt und über den Brennstoff Biomethan kann die jährlich zur Verfügung stehende Menge in der Energiesimulation vorgegeben werden. Für eine korrekte Berechnung in energyPRO wird die Zeitreihe der EPEX Day Ahead Preise von 2018 anhand der Monats- und Jahresmittelwerte angeglichen, um die monatlichen Mehrerlöse einer Direktvermarktung an der Strombörse im Vergleich zum anzulegenden Wert korrekt abzubilden. Dabei beschränkt sich die Anpassung der Börsenpreise ausschließlich auf die Betriebsstrategie, über die Funktion Prognosefunktion in der Marktkomponente, die tatsächlichen Erlöse richten sich nach wie vor nach den originalen Börsenpreisen.
In diesem Beispiel wird basierend auf der Publikation „Über die Wirtschaftlichkeit von Blockheizkraftwerken in Hotels“ des ASUE aufgezeigt welches Potential in der Installation von BHKW in Hotels liegt. Der Aufbau der Energiesimulation erfolgt möglichst exakt anhand den in der Publikation verwendeten Zahlen für das Hotel mit ca. 60 – 120 Betten, um eine Vergleichbarkeit herzustellen. Dabei wurde das Beispiel mit dem Modul COMPARE erstellt, das hier optimal verwendet werden kann, um die Vorteile eines BHKWs gegenüber einem Referenzsystem aufzuzeigen. Die Ergebnisse, die gut im Bericht „Vergleich Cash-Flow“ eingesehen werden können, sind denen der Publikation sehr ähnlich. Die größten Unterschiede der Energiesimulation liegen vermutlich in den verwendeten Lastprofilen des Wärme- und Strombedarfs, sowie der Vermarktung. Es zeigt sich trotzdem eine gute Übereinstimmung, beispielsweise in der BHKW-Laufzeit von 6.000 h/a und auch in der jährlichen Kosteneinsparung von rund 40.000 €/a, aus der eine Amortisationszeit von unter 3 Jahren resultiert.
Analog zu dem obigen Beispiel wird auch hier die Broschüre des ASUE als Grundlage verwendet. Im Gegensatz dazu werden in dieser Energiesimulation die Daten für das große Hotel mit 120 – 250 Betten verwendet. Neben der vorgeschlagenen Auslegung des BHKWs mit einer elektrischen Leistung von 140 kWel und einer jährlichen Laufzeit von rund 6.500 h/a, wird auch ein BHKW mit einer Größe von 600 kWel in einer Variante abgebildet. Der nicht vom Hotel selbst verbrauchte Strom wird in das Netz eingespeist und direkt vermarktet. Höhere Erlöse durch die Direktvermarktung, sowie höhere KWK-Zuschläge führen bei einer Betrachtung über 10 Jahre zu einem insgesamt besseren Betriebsergebnis. Weitere Grafiken zu diesem Beispiel finden sich auch online in der Präsentation die EMD Deutschland im Rahmen der Infokampagne Flex-KWK gehalten hat.
In diesem Beispiel wird ein größeres Gewerbegebiet durch einen Contractor versorgt. Das Ziel der Energiesimulation ist eine möglichst hohe Eigenversorgung durch das BHKW sowie die PV-Anlage. Das BHKW ist so dimensioniert, dass die elektrische Nennleistung unter 1 MW liegt, um nicht in den Ausschreibungsbereich zu fallen und stattdessen KWK-Zuschlag für eingespeisten, sowie selbstverbrauchten Strom zu erhalten. Im Ergebnis läuft das BHKW knapp 7.700 Vollbetriebsstunden pro Jahr und rund 88 % des erzeugten Stroms wird selbst verbraucht. Der erzeugte Strom der PV-Anlage wird zu rund 86 % selbst verbraucht, sodass insgesamt eine Eigenstromabdeckung von knapp 73 % erreicht wird.
In diesem Beispiel wird die vom BHKW erzeugte Wärme zweigeteilt. In energyPRO kann ein Teil, hier die Motorabwärme, als „Wärme“ bezeichnet bestimmten Wärmebedarfen zugeführt werden. Der zweite Teil, die „Prozesswärme“ ist in dieser Energiesimulation Dampf der aus dem Abgas des BHKWs erzeugt wird und einem Dampfbedarf zugeführt wird. Überschüssiger Dampf wird über einen „Wärmetauscher“ in „Wärme“ gewandelt und dem Wärmespeicher zugeführt. Für die Nutzung von zwei Temperaturniveaus muss in energyPRO in der Projektbeschreibung unter „erweitert“ der Haken bei „Wärmeverteilung in sowohl Nieder- als auch Hochtemperaturnetzen“ gesetzt werden. Daraufhin kann in der Parametrierung des BHKWs zwischen „Wärme“ und „Prozesswärme“ unterschieden werden, wobei „Prozesswärme“ beliebig genutzt werden kann. Neben Hochtemperatur und Dampf könnte so beispielsweise auch Druckluft abgebildet werden.
In diesem Beispiel wird das Modul FINANCE genutzt, um aufzuzeigen welche Erlöse durch das aktuelle KWK-Gesetz bei einer Direktvermarktung von BHKW-Strom zu erzielen sind. Es wird ein Betrachtungszeitraum von 10 Jahren gewählt. Das BHKW kommt jährlich auf rund 3.800 jährliche Vollbenutzungsstunden. Bei einer maximalen Förderdauer von 30.000 h fällt der KWK-Zuschlag für die Einspeisung im Laufe des 8. Jahres weg, wie im Bericht „Cash-Flow Übersicht“ zu sehen ist. In „Cash-Flow grafisch“ ist zu erkennen, dass die Amortisationszeit für BHKW und Speicher 3 Jahre beträgt. Weiterhin ist es interessant, die ersten Jahre mit KWK-Zuschlag über „Erzeugung grafisch“ mit den letzten beiden Jahren ohne KWK-Zuschlag zu vergleichen. Als Ergebnis der Energiesimulation ist zu erkennen, dass die Wärmegestehungskosten bei BHKW-Betrieb ohne KWK-Zuschlag ansteigen und sich daher die Laufzeiten des BHKWs auf unter 3.000 Vollbenutzungsstunden verringern. Als Erweiterung des Beispiels gibt es auch eine Version in der mit Hilfe des Moduls COMPARE das vorher beschriebene System mit einem Referenzsystem ohne BHKW und einem BHKW (50 kWel) als Dauerläufer verglichen wird, um auch die wirtschaftlichen Mehrerlöse durch größere, flexibel betriebene und direktvermarktete BHKWs aufzuzeigen.
Dieses Beispiel ist eine Erweiterung der anderen Energiesimulation zur KWK-Direktvermarktung. Hier wird jedoch das Modul REGION genutzt, um eine Solarthermie-Anlage an einem anderen Standort abzubilden. So kann die maximal zu übertragende Leistung der Solarkollektoren und der Heizzentrale getrennt und klar begrenzt werden. Die Solaranlage führt dazu, dass sich die Vollbenutzungsstunden des BHKWs weiter reduzieren und somit der KWK-Zuschlag länger bezahlt würde. Neben der Senkung der Betriebsstunden des BHKW ist die Substitution von fossil erzeugter Wärme im Kessel durch Solarwärme ein weiterer Vorteil, was auch im Bericht „Umwelt“ durch geringere CO2-, NOx– und SO2-Emissionen sichtbar wird.
Diese Energiesimulation zeigt ein System, das als innovative Kraft-Wärme-Kopplung gesetzlich gefördert werden könnte. Innovative KWK-Systeme müssen neben einer hocheffizienten KWK-Anlage, einen elektrischen Erzeuger mit mindestens 30 % der Nennwärmeleistung des BHKWs, sowie eine erneuerbare Energiequelle enthalten, in diesem Fall eine elektrische Wärmepumpe. Für die Effizienz der elektrischen Wärmepumpe ist die Solltemperatur der Senke entscheidend. Es wird hier ein Wärmenetz der 4. Generation angenommen mit einer Vorlauftemperatur von 65 °C, was zu einer Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe von rund 3,9 führt. Jeweils rund 21 % der benötigten Gesamtwärmemenge wird vom BHKW und der Wärmepumpe gedeckt. Der elektrische Wärmeerzeuger steuert rund 10 % der Jahreswärmemenge bei, da je nach Börsenpreis die Wärmegestehungskosten geringer sein können, als bei Betrieb der konventionellen Erzeuger.
Dieses Beispiel ist ähnlich der Energiesimulation darüber. Die erneuerbare Energiequelle ist hier allerdings Solarthermie mit einer Fläche von 10.000 m2 die in einen 1.600 m3 großen Wärmespeicher einspeist und so auf einen Anteil von rund 40 % an der Referenzwärme kommt. Das BHKW kommt in diesem Beispiel jährlich auf rund 3.100 Vollbenutzungsstunden. Bei einer Förderdauer von 45.000 Vollbenutzungsstunden sollte für eine wirtschaftliche Betrachtung ein Zeitraum von mindestens 15 Jahren herangezogen werden. In diesem Beispiel ist ein Betrachtungszeitraum von 20 Jahren gewählt. Über diese Zeit wird deutlich, welche Mehrerlöse durch hohe Zuschläge für die iKWK momentan möglich sind und die Investitionskosten von Solarthermie inkl. Speicher und Power-to-heat-Anlagen übertroffen werden.
