TGA Kraft-Wärme-Kopplung

TGA Ausgabe 01-2009
Mikro-KWK-Experten:

„Mehr Mut zu kleineren Leistungen“

Abb. 1
Das Interesse an Mikro- und Mini-KWK-Geräten ist groß. Die Planung und Ausführung von Strom erzeugenden ­Heizungen gilt in Fachkreisen jedoch als „nicht banal“.

Im Oktober fand in Augsburg die Renexpo, Internationale Fachmesse für Regenerative Energien und energieeffizientes Bauen und Sanieren, zusammen mit einem umfangreichen Kongressprogramm statt. Im Rahmen der Fachtagung „Klein- und Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung“ wurden einige Statements vom Vorjahr zur Marktentwicklung revidiert (Sunmachine) und Einsparmöglichkeiten korrigiert (Whispergen) – aber auch eine vielversprechende Neuheit vorgestellt (Adaturb). In Bezug auf Markteinführungstermine von Stirlingmotor-Mikro-KWK-Geräten ist weiterhin eine gesunde Portion Skepsis angebracht. Obwohl im Vorfeld der ISH 2009 mit zahlreichen „Neuheiten“ zu rechnen ist, werden die Geräte voraussichtlich erst 2011 in Serie gehen.

Bei den Herstellern und Vertriebsgesellschaften von Mikro- und Mini-BHKW – auch Klein- und Mikro-KWK genannt – herrscht Aufbruchstimmung. Gleich eine ganze Reihe von Gesetzen, Vorschriften und Impulsprogrammen sollen künftig den Markt für Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) positiv beeinflussen und somit den Absatz von Blockheizkraftwerken (BHKW) – von Mikro über Mini bis hin zu Großanlagen – begünstigen. Der Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung (B.KWK), Berlin, hat zur Novellierung des Kraft-Wärme-Kopplungsgesetzes einen ausführlichen Überblick erstellt (siehe Kasten). Weitere positive Marktimpulse für die Kraftzwerge werden erwartet von:

der Richtlinie zur Förderung von Mini-KWK-Anlagen (weitere Infos: Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle, http://www.bafa.de )

dem Erneuerbare Energiengesetz (EEG)

dem Erneuerbare Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG)

der Biogaseinspeisung in das Erdgasnetz mit entsprechenden Änderungen in der Gasnetzzugangsverordnung (GasNZV), der Gasnetzentgeltverordnung (GasNEV) und der Anreizregulierungsverordnung (ARegV)

dem integrierten Klimaschutz- und Energieprogramm II (IKEP II), verabschiedet am 17. Juni 2008 vom Bundestag.

Millionen Mikro-KWK bis 2030

Wie sehr die politische und die wirtschaftliche Förderung der Kraft-Wärme-Kopplung den Markt für Wärmeerzeuger womöglich ­verändern werden, verdeutlichen die sogenannten Bullensee-Thesen1), einem gemeinsam von Wissenschaftlern und Vertretern der Energiewirtschaft erarbeiteten Strategiepapier. Unter geeigneten Rahmenbedingungen könnten beispielsweise Mikro-KWK-Anlagen bis zum Jahr 2030 ein Marktvolumen von „mehreren Millionen Anlagen“ erreichen, so das Thesen­papier.

Brennstoffzellen-Mikro-KWK-Anlagen böten zwar die größten ökologischen Vorteile, seien ­bislang aber noch nicht marktreif. Als Über-gangslösung kämen motorisch angetriebene BHKW in Betracht. Speziell bei den Mikro-KWK-Anlagen ­bestehe jedoch noch Forschungs­bedarf, insbe­sondere für deren Peripherie wie Steuerung und Regelung bzw. Pufferspeicher. Als weitere Schwachstellen werden in den Bullensee-Thesen die eher ungünstigen Rahmen­bedingungen für BHKW in Mehrfamilienhäusern (Abrechnung gegenüber Mietern) sowie die Ver­gütung für ein­gespeisten Strom genannt. All­gemein solle sich die Stromrückspeisung aus ­privaten KWK-Anlagen am übergeordneten Strombedarf der Energieversorgungsunternehmen (EVU) bzw. Netzbetreiber orientieren. Contracting Angebote seien besonders geeignet, breite Kundengruppen für die kombinierte Kraft-Wärme-Erzeugung zu gewinnen und gleichzeitig einen energiewirtschaftlich optimierten Betrieb sicherzustellen.

Markterschließung mit Contracting

Ob die SHK-Unternehmen schon „reif“ sind für den kommenden Markt für Mini- und Mikro-KWK, muss nach den Erfahrungen der letzten Jahre mit dem Einbau von Solar-, Wärmepumpen- und Wohnungslüftungsanlagen kritisch hinterfragt werden. Aus gutem Grunde will der Energieversorger E.on Ruhrgas deshalb dem SHK-Fachhandwerker das Kooperationsmodell „Mini- bzw. Mikro-KWK-Contracting“ anbieten, das auf standardisierten Verträgen, einem Leistungsverzeichnis nach dem Baukastenprinzip und einem modularen Systemangebot basiert. Begründet werden die Aktivitäten damit, dass die Marktdurchdringung mittels Contracting rascher erfolgen und Risiken für Kunden und SHK-Handwerker fast ausgeschlossen werden könnten.

Auch das Thema „höhere Investitionen“ wäre vom Tisch, da der Kunde ein „Rundum-sorglos-Paket“ bekomme, das ihn zusätzlich zum ­Wärmepreis nur etwa einen halben Euro pro Tag mehr koste als die Eigenfinanzierung bzw. der ­Eigenbetrieb. Martin Dobslaw von E.on Ruhrgas sieht das Kleinanlagen-Contracting auch als ­probates Mittel, dem Endkunden die Skepsis ­gegenüber komplexen Produkten wie den Mikro-KWK-Geräten zu nehmen und damit Hürden bei der Markteinführung innovativer Produkte ab­zubauen.

Betrieb nach EVU-Fahrplan

Doch die EVU sorgen sich nicht nur um die Qualität der Installation, sie befürchten auch negative Rückkopplungseffekte auf ihr Lastmanagement, wenn „Millionen“ von Mikro-KWK-Geräten unkoordiniert hausgemachten Strom in das Netz einspeisen oder dafür sorgen, dass weniger entnommen wird. Nach einer Untersuchung der TU Braunschweig sei eine Strategie „Connect & forget“ aus Sicht der EVU „nicht sonderlich sinnvoll“.

Besser – für das EVU – sei eine netzorientierte Betriebsweise nach EVU-Fahrplan, da damit „wertvollerer Strom“ erzeugt werden könne. Magnus Pielke von der TU Braunschweig räumt jedoch ein, dass die Wirtschaftlichkeit der netzorientierten Betriebsweise kaum nachweisbar sei und somit für den KWK-Betreiber keinen Anreiz böte. Die Vorteile für den Netzbetreiber und das EVU seien dagegen gravierend, z.B. durch kalkulierbare Rückspeisungen, planbare Lastkurven und reduzierte Netzlastspitzen. Es mache für EVU also durchaus Sinn, über Sonderpreise für den Erdgasbezug und Sondertarife für die Vollwartung der BHKW nachzudenken.

Komplexe Planungsaufgabe

Aus vielen Tagungsbeiträgen und Referenzbeschreibungen ist herauszuhören, dass die Strom erzeugende Heizung mittels Mikro- und Mini-BHKW eine besondere Herausforderung für Planer und ausführende Firmen darstellt. Volkmar Schäfer von der eta Energieberatung, Pfaffenhofen, gab in seinem Vortrag einen realistischen Einblick in die Komplexität einer solchen Planung, zumal neben den gesetzgeberischen und verordnungspolitischen Rahmenbedingungen auch Tariffragen, Genehmigungen und nicht zuletzt die elektrische, hydraulische und regelungstechnische Einbindung der KWK-Geräte neue Denkansätze verlangen.

Schäfer stellte gleich sieben Möglichkeiten der hydraulischen Einbindung von BHKW in eine Heizungsanlage und vier Optionen für die elektrische Verknüpfung vor. Um alle Fördertöpfe, Umlagen, Abgaben und Entgelte kundenoptimal zu berücksichtigen, bedürfe es eines vergleichsweise hohen administrativen Aufwandes, egal ob die Anlage 5, 50 oder 500 kWel leiste. Daraus lässt sich unschwer ableiten, dass die Branche zunächst einmal in Fortbildungsmaßnahmen investieren muss, will sie marktschädigenden Entwicklungen entgegenwirken.

Wirtschaftlicher im virtuellen Verbund

Noch einen Tick komplexer ist die Einbindung eines Mini-BHKW in ein virtuelles Kraftwerk. Hans Otto Mieth, Geschäftsführer der Spilling Energie Systeme GmbH, Hamburg, umschreibt die Aufgabenstellung dezent als „nicht banal“, will heißen, der Planer müsste jetzt auch noch mögliche Erlöse aus der Stromabgabe zu Spitzenlastzeiten in seinen Wirtschaftlichkeitsberechnungen berücksichtigen. Da der Spitzenstrombedarf nicht zwangsweise zu Zeiten anfällt, in denen die parallel erzeugte Wärme im Gebäude auch direkt genutzt werden kann, müsse über entsprechende Speicherkonzepte nachgedacht werden.

Die Auflösung dieses Zielkonflikts sieht Mieth in einem Wärmesenkenmanagement in Form von „intelligent geregelten Schichtlade- und Hoch­temperaturspeichern“. Dass das Speicherver­mögen einer Heizungsanlage und nicht zuletzt das Gebäude selbst zumindest während der Heizzeit mithilfe einer intelligenten Einzelraum­regelung als Energiepuffer dienen könnte, wird bei der Diskussion um die Notwendigkeit und ­Dimensionierung von Speichern bislang ignoriert. Aus Sicht von Mieth entspricht das von Spilling angebotene Powertherm BHKW heute am ehesten den Ansprüchen wechselnder Lasten und der ­Spitzenstrombereitstellung. Es sei das einzige BHKW seiner Klasse mit Drehzahlmodulation und nahezu gleichem elektrischen Wirkungsgrad von 5 bis 20 kWel (10 bis 43 kWth). Bei Spitzenstrombedarf könne das BHKW über die Dauer von 30 bis 60 Minuten bei Maximalleistungen von bis zu 30 kWel betrieben werden, so Mieth. Diese Funktion hätte den Vorteil, dass der Betreiber ­seinen Spitzenstrom weitgehend selbst erzeuge und somit über die ­eingesparten Spitzenstrom­entgelte zusätzliche Amortisationserlöse erwirtschafte.

Stromoptimierter Betrieb

Ein erfahrener Spezialist für Dimensionierung und Betriebsstrategien von Mini- und Mikro-BHKW ist Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas von der Hochschule Reutlingen, wo er auch einen Prüfstand für Mini-/Mikro-KWK unterhält. Er empfiehlt, Mini-BHKW möglichst kontinuierlich zu betreiben und das Takten in jedem Fall zu vermeiden. Ohne Pufferspeicher – Thomas empfiehlt mindestens 1000 l – und Spitzenlastkessel sei das mit heutiger Technik kaum zu bewerkstelligen. Orientierungspunkt für die Dimensionierung sei der Wärmebedarf, jedoch dürfe man die Stromseite nicht außer Acht lassen.

Mit Blick auf die Wirtschaftlichkeit hält Thomas einen stromoptimierten Betrieb für ratsam, da nur so der Interessenkonflikt zwischen Strom- und Wärmebedarf gelöst werden könne. Thomas bezieht sich auf verschiedene Simulationsrechnungen auf der Basis der „VDI-Richtlinie 4635 Referenzlastprofile von Ein- und Zweifamilienhäusern für den Einsatz von KWK-Anlagen“. Durch die Einbindung eines Pufferspeichers sei es möglich, die Anlage wärmegeführt zu betreiben und dennoch das KWK-Gerät in Zeiten hohen Strombedarfs im Haushalt „stromoptimiert“ zu fah­ren.

Mit drei Betriebsintervallen pro Tag und einem Pufferspeichervolumen von mindestens 1000 l sei mittels stromoptimierter Betriebsweise sowohl eine hohe Wärmebedarfsdeckung als auch eine hohe Eigenstromdeckungsrate zu erzielen. Bei niedrigem Wärmebedarf sei es wirtschaftlicher, von vornherein ein Mikro-KWK-Gerät, z.B. mit 1 kWel / 2,6 kWth mit Zusatzbrenner zur Spitzen­wärmelastabdeckung zu installieren.

„Freikolben-Stirling ist erste Wahl“

Nicht auf das Niedrigenergiehaus, sondern auf bestehende Ein- und Zweifamilienhäuser mit einem etwas höheren Energiebedarf zielt Bosch Thermotechnik, Wetzlar, mit der Entwicklung einer Stirlingmotor-Kompaktheizzentrale. Durch die Entscheidung für die Stirlingmotorbauart „Freikolben“ sei im Vergleich zu konventionellen Heizgeräten nur eine geringe Zusatzinstallation erforderlich, betonte Lucas Ronzheimer auf der Fachtagung. Das hätte den Vorteil, dass praktisch alle Zusatzkomponenten des Gerätes den Heizgeräte-Servicetechnikern vertraut seien. Der eigentliche Stirlingmotor sei völlig wartungsfrei.

In den Jahren 2009/10 will Bosch Thermotechnik rund 500 Stirling-Kompaktheizzentralen – Leistung 1 kWel, 3 bis 7 kWth (nur Stirlingmotor) bzw. 3 bis 31 kW thermische Gesamtleistung – in Feldtests auf ihre Alltagstauglichkeit prüfen. Das Unternehmen geht davon aus, dass etwa 40 bis 50 % des benötigten Haushaltsstroms im Einfamilienhaus mit dem Stirling-Heizgerät selbst erzeugt werden kann. Die Ergebnisse der Feldtests sollen in die Entwicklung der 2. Gerätegeneration einfließen, die voraussichtlich im Jahr 2011 verfügbar sein wird.

Der verwendete Freikolben-Stirlingmotor wird zusammen mit den Projektpartnern MTS-Group, Italien (Marken Elco, Ariston, Chaffoteaux & Maury), Enatec micro-cogen b.v. (Eigentümer sind das niederländische Energieunternehmen Eneco und das Energieforschungszentrum ECN) sowie der japanischen Rinnai Corporation, Nagoya, zur Marktreife entwickelt. Produziert wird der Stirlingmotor von Rinnai.

Sunmachine rudert zurück

Ursprünglich wollte Sunmachine im Jahr 2008 rund 4000 Geräte des Holzpellet-gefeuerten Mikro-Blockheizkraftwerkes ausliefern (3 kWel/ 10 kWth). Qualitätsprobleme bei Zulieferteilen sowie eine weitere „Finetuning“-Runde aufgrund wachsender Praxiserfahrungen machten dem Stirling-Motor-Pionier einen Strich durch die Rechnung. Seit Beginn der Produktionsaufnahme im März 2008 seien erst 45 Maschinen gebaut und ausgeliefert worden, so Rudy Betz auf der Renexpo 2008.

Angepeilt werde jetzt für 2008 eine Stückzahl von 200 Maschinen. Probleme bereiteten dem Stirling-Mikro-KWK-Gerät zum Beispiel die unterschiedlichen Anschlüsse an Abgasanlagen und damit wechselnde Druckverhältnisse in den Maschinen. Wichtig sei auch, ausschließlich „DIN plus“-Pellets einzusetzen. Nur so könne der Feuerraum frei von Asche gehalten werden. Laut Simulationsberechnungen von Sunmachine soll die Maschine rund 8000 Stunden ohne Wartung auskommen. Die Kosten für das Aggregat werden mit rund 23000 Euro angegeben, ein Gesamtsystem mit Pufferspeicher soll etwa 34000 bis 35000 Euro kosten.

Feldtest: Geringe Kosteneinsparung

Eher ernüchternd sind die Ergebnisse eines Whispergen-Feldtests (1 kWel / 14 kWth) in 20 typischen holländischen Reihenhäusern durch den Vertriebspartner Magic Boiler Company. Der dort eingebaute Pufferspeicher (nur 80 l) führte unter anderem zu häufigem Takten und damit zu Effi­zienzeinbußen. Offenbar wurde auch der Einfluss des Nutzers auf den Anteil des Eigenstromverbrauchs unterschätzt. Deshalb seien die durchschnittlichen Energiekosteneinsparungen von etwa 100 Euro/a auch relativ gering.

Durch eine verbesserte Regelung und einen größeren Pufferspeicher (120 l) will man das Takten um rund 60 % reduzieren und damit die Gesamteffizienz des Gerätes erhöhen. Der Marktstart der modifizierten Geräte ist für Januar 2009 ge­plant. Der Systempreis mit Installation soll – bezogen auf die Niederlande – bei rund 12000 Euro liegen. In Deutschland wird unter anderem die Sanevo Vertriebs-GmbH & Co. KG, Offenbach, den Vertrieb der neuseeländischen Whispergen-Geräte übernehmen.

„Expeditionen ins Reich der Technik“

Dass sich die Mikro-KWK im realen Einsatz noch im Stadium der Pionierinstallationen befindet, verdeutlichte der Erfahrungsbericht von Reinhard Welker, Besitzer eines Dreifamilienhauses und Geschäftsführer der Alcoin Energieberatungsdienste, Karlsruhe. Zunächst hatte der Physiker viel Ärger mit seiner Ecopower-Anlage (4,7 kWel / 12,5 kWth), sodass er sich gezwungen sah, „ausgiebige Expeditionen ins Reich der Technik vorzunehmen“.

Heute sei das Mikro-KWK-Gerät das beste Spielzeug im Haus, an dem sich immer etwas einstellen ließe, so Welker. So ein Gerät sei genial – wenn es nur funktioniere. Doch hätte sich der Lieferant in jeder Hinsicht kulant gezeigt und sogar einen Spitzenheizkessel und einen neuen Motor spendiert. Welker empfiehlt bei Geräten dieser Leistungsklasse einen Pufferspeicher von 1000 l sowie einen Trinkwassererwärmer mit 350 l. Durch die Option „Drehzahlregelung“ kann sein BHKW sowohl wärme- als auch stromgeführt betrieben werden.

Welker empfiehlt, Mikro-KWK-Geräte mit möglichst kleiner Wärmeleistung und hohem elektrischen Wirkungsgrad zu wählen; ein Spitzenlastkessel sei unumgänglich. Probleme bereiteten ihm anfänglich die Abrechnung von selbsterzeugtem Strom und Wärme gegenüber den Mietern, da dieser Fall in den einschlägigen Verordnungen nicht vorgesehen sei. Er empfiehlt deshalb, den BHKW-Betrieb als eigenständige Firma beim Finanzamt anzumelden, schon wegen der Umsatzsteuer-Rückerstattung. Welker präferiert eine Finanzierung über einen KfW-Kredit mit einer Laufzeit von zehn Jahren, denn „spätestens nach dieser Zeitspanne erwartet das Finanzamt Gewinne“.

Kleine ORC-Anlagen im Feldtest

Wenig zu tun mit dem allgemeinen Thema Mikro- und Mini-KWK-Geräte hat die auf die industrielle Anwendung ausgerichtete Mini-Turbine der LTi Adaturb GmbH, Dortmund. Ab Frühjahr 2009 will das Unternehmen nach einer Pilotphase mit der Auslieferung ihrer neuen ORC-Turbinen TG30 und TG50 beginnen. Antriebsenergie ist Abgas- bzw. Motor-Wärme aus vorhandenen Blockheizkraftwerken.

Aus der Abgaswärme von bestehenden Gas- und Dieselmotoren-BHKW der Leistungsklasse 250 bis 500 kWel ließen sich mit den ORC-Turbinen eine zusätzliche Leistung von 30 bzw. 60 kWel gewinnen, so Klaus-Peter Priebe, Geschäftsführer von LTi Adaturb. Der Anlagenwirkungsgrad des ORC-Prozesses2) liege bei Nutzung der Motorabwärme von bis zu 95 °C bei rund 10 %, bei Nutzung der BHKW-Abgaswärme oberhalb 200 °C seien bis zu 20 % Anlagenwirkungsgrad möglich. Durch nachgeschaltete ORC-Anlagen könne die Stromerzeugungsquote bei mit Biogas angetriebenen BHKW allein bei der Nutzung der Abgaswärme auf 44 %, bei Nutzung von Abgaswärme plus Motorwärme auf 48 % gesteigert werden. Je nach Anlagenkonstellation und Brennstoff lägen die Amortisationszeiten zwischen drei und sechs Jahren.

Fazit

Die günstigen Rahmenbedingungen für Mikro- und Mini-BHKW-Geräte sind eine Sache, die Genehmigung und Planung solcher Anlagen sind eine eher komplexe Angelegenheit mit vielen Unbekannten. Ob sich der Aufwand für den Planer und Betreiber überhaupt lohnt, muss bei dem keinesfalls banalen Anlagendesign kritisch hinterfragt werden. Am ehesten überzeugen Contracting-Modelle mit standardisierten Lösungen, eindeutigen Betreiberstrategien unter der Ägide der EVU sowie klarer Risikozuordnungen. Auch wenn die Politik die Weichen für einen zügigen Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung gestellt hat darf nicht übersehen werden, dass das Ziel 25 % KWK-Strom bis zum Jahr 2020 nur mit zuverlässig und wirtschaftlich arbeitenden Anlagen sowie mit hochqualifizierten und risikofreudigen Fachplanern zu erreichen sein wird.

http://www.adaturb.lt-i.com

http://www.bkwk.de

http://www.bosch-thermotechnik.de

http://www.ecopower.de

http://www.eta-energieberatung.de

http://www.magicboiler.com

http://www.sanevo.de

http://www.spilling.de

http://www.sunmachine.de

http://www.whispergen.com

1) Aus den nach ihrem Entstehungsort benannten Bullensee-Thesen leiten die Autoren drei Punkte zur Entwicklung von Handlungsanweisungen ab. Zitat von der Webseite der EWE: „Wenn wir die Umwelt schützen und Energie nachhaltig konsu­mieren wollen, ohne unsere Lebensweise radikal zu verändern, müssen die Energieerzeugung aus den fossilen Rohstoffen Kohle, Öl und Erdgas sowie ihr Transport wesentlich effizienter werden; die Verbraucher effizienter und sparsamer mit Energie umgehen, z.B. durch Energiesparlampen, Solardächer etc.; die erneuerbaren Energieträger Wind, Sonne und Biomasse in deutlich größerem Umfang genutzt werden.“ Bezug und Download bei der EWEAktiengesellschaft, Oldenburg, http://www.ewe.de

2) Beim ORC-Prozess (Organic-Rankine-Cycle) werden Kohlenwasserstoffe, Kältemittel (fluorierte Kohlenwasserstoffe) oder neuerdings auch synthetische Arbeitsmittel auf Siliconbasis eingesetzt.

Inhaltsübersicht

  1. Teil: „Mehr Mut zu kleineren Leistungen“
  2. Teil: Das novellierte KWK-Gesetz
  3. Teil: Wolfgang Schmid
  • Feldtestgerät der Bosch Thermotechnik. Das Mikro-KWK-Gerät mit Freikolben-Stirlingmotor (1 kWel / 3…7 kWth) ist noch nicht frei am Markt verfügbar.
  • Fast alle namhaften ­Heizkessel-Hersteller führen inzwischen auch BHKW in ihrem Programm. Die Wolf-Gruppe, Mainburg, hat erst vor kurzem die Energietechnik Kuntschar+Schlüter GmbH, Wolfhagen, übernommen.
  • Ende 2009 will Sunmachine das solarbeheizte Stirling-KWK-Gerät testen. Optional soll das Stirling-Aggregat zusätzlich mit einem Gasbrenner ausgerüstet werden können.
Bosch Thermotechnik
JV
Margot Dertinger-Schmid
  • Zurück
  • Druckansicht
  • Versenden

Weitere TGA online Inhalte

Weitere Links zum Thema: