TGA Energietechnik

TGA Ausgabe 01-2015
Fachtagung Mini- und Mikro-KWK

Mikro-KWK-Geräte: „zu groß und nicht rentabel“

1 Die Wirtschaftlichkeit von BHKW hängt von vielen Variablen ab. Für Krankenhäuser lohnt sich die Investition durch hohe Renditen; für Wohngebäude kann in den meisten Fällen keine Wirtschaftlichkeit nachge

1  Die Wirtschaftlichkeit von BHKW hängt von vielen Variablen ab. Für Krankenhäuser lohnt sich die Investition durch hohe Renditen; für Wohngebäude kann in den meisten Fällen keine Wirtschaftlichkeit nachgewiesen werden.

Das KWK-Gerät muss künftig nicht nur besser zum Gebäude passen, der Betreiber wird auch angehalten, möglichst viel des erzeugten Stroms selbst zu verbrauchen. Dies erfordert eine neue Herangehensweise bei der Geräteaus-wahl und der Dimensionierung der elektrischen und thermischen Leistung sowie bei der Bemessung von Wärmespeichern. Wegen der noch fehlenden Wirtschaftlichkeit von Stromspeichern bieten sich Wärmepumpen zur Nutzung von Stromüberschüssen an. Energiewirtschaftler empfehlen, die kommenden Veränderungen am Strommarkt, wie Smart-Grid-Funktionen, schon jetzt einzuplanen.

Kompakt informieren

Die Rahmenbedingungen für den Zubau von KWK-Anlagen sind momentan für klassische Anwendungen so ungünstig, dass damit das Ziel, 25 % KWK-Stromerzeugung bis 2020, nicht erreichbar ist.

Damit Mikro-KWK-Anlagen für Einfamilienhäuser attraktiver werden, muss Bürokratie abgebaut werden. Außerdem müssen die Entwickler die Wirtschaftlichkeit erhöhen, kleinere Leistungsbereiche erschließen und die Betriebskosten senken.

Bei Wohngebäuden ist eine Selbstvermarktung von BHKW-Strom an die unmittelbaren Mieter ohne rechtlichen Beistand kaum möglich. Die rechtliche Komplexität erschwert auch die Wirtschaftlichkeitsberechnung und die optimale Dimensionierung von Anlagen.

Wer aktuell eine Kraft-Wärme-Kopplungs(KWK)-Anlage plant, muss mit vielen Variablen und Eventualitäten rechnen. Während bisher die Erlöse durch die Stromeinspeisung im Vordergrund standen, liegen künftig die Prioritäten auf Selbstvermarktung oder Selbstnutzung. Dies erfordert teilweise komplett neue Ansätze bei Dimensionierung, Anlagenkonzeption und Betreiberstrategie, je nachdem, ob eine Anlage netzdienliche Funktionen übernehmen oder den Eigenstrombedarf möglichst vollständig abdecken soll.

Unklar ist jedoch, welche Auswirkungen die Einführung von Smart-Grid-Funktionen sowie netzdienliche Betreiberstrategien auf die Dimensionierung des Anlagendesigns haben werden. Ein Stimmungsbild von der Fachtagung Mini- und Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung, die im Rahmen der Energiefachmesse Renexpo im Oktober 2014 in Augsburg stattfand.

25-%-KWK-Ziel bis 2020 steht in Frage

Die Kraft-Wärme-Kopplung ist ein weites Feld; Mikro- und Mini-Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen spielen dabei eine eher untergeordnete Rolle. Wulf Binde, Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung ( http://www.bkwk.de ) stellte in seinem Vortrag das gesamte KWK-Leistungsspektrum vor: vom Heizkraftwerk über die Eigenstromversorgung von Industrie und Gewerbe bis hin zu Mini- und Mikro-KWK-Geräten in Wohnhäusern. Ob solche breit angelegten Übersichten den Tagungsbesuchern die gewünschten Informationen vermitteln, sei dahingestellt. Der interessierte Tagungsteilnehmer erwartet eher detaillierte Antworten auf die Frage, ob ein Engagement im Bereich Mini- und Mikro-BHKW sinnvoll ist und inwieweit potenziellen Kunden die Wirtschaftlichkeit ihrer Investition in Aussicht gestellt werden kann.

Binde zitierte überwiegend aus der vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie in Auftrag gegebenen Studie „Potenzial- und Kosten-Nutzen-Analyse zu den Einsatzmöglichkeiten von Kraft-Wärme-Kopplung – Umsetzung der EU-Energieeffizienzrichtlinie sowie Evaluierung der KWK im Jahr 2014“ (Download auf http://www.bmwi.de ). Der von der Prognos AG, Berlin, dem Fraunhofer-Institut IFAM, Bremen, dem Institut für Ressourceneffizienz und Energiestrategien (IREES), Karlsruhe, und der BHKW-Consult, Rastatt, erstellte Endbericht gilt inzwischen als Leitlinie für Entscheidungen im KWK-Bereich. Die wichtigsten Ergebnisse:

Die KWK hat heute einen Anteil von 16,2 % an der gesamten Nettostromerzeugung in Deutschland. Die Hälfte davon entfällt auf KWK-Anlagen der allgemeinen Versorgung und knapp ein Drittel auf die Industrie. Die restliche KWK-Stromerzeugung wird durch biogene KWK-Anlagen und dezentrale Kleinanlagen bereitgestellt.

Aufgrund der aktuell eher ungünstigen Rahmenbedingungen gehen die Marktforscher davon aus, dass die KWK-Stromerzeugung bis zum Jahr 2020 eher stagnieren wird. Das Ziel, 25 % KWK-Stromerzeugung bis 2020 könne nicht erreicht werden, so die Studie.

Die künftigen Potenziale für KWK liegen in erster Linie in der Fernwärme und in der Industrie, aber auch in Objekt-KWK-Anlagen. Voraussetzung dafür seien hohe Anschlussgrade und eine entsprechende politische Flankierung.

Eher ernüchternd wird die Rolle der Mikro-KWK-Geräte im Wohnbau beschrieben. In Fallstudien über den Einsatz von Mikro-KWK-Geräten in Ein-/Zweifamilienhäusern, Mehrfamilienhäusern mit 12 beziehungsweise 60 Wohneinheiten, in Gewerbeobjekten, Schulen, Krankenhäusern und Hotels wurde deren Projektrendite analysiert. Dabei schnitten die Wohnhäuser durchweg negativ ab. Auch Impulsprogramme verbessern die Wirtschaftlichkeit der Kleingeräte nur unwesentlich, so die Studie. Als Grund geben die Wissenschaftler eine zu niedrige Stromeigennutzungsquote und die sehr hohen spezifischen Investitionskosten an. Allenfalls bei Einzelhandelsobjekten könne mit moderaten Renditen gerechnet werden. Interessant für KWK seien dagegen Krankenhäuser, Hotels sowie Industriebetriebe, die im Einzelfall auf bis zu 50 % Rendite kommen Abb. 1.

Wichtig für den Erfolg von Mikro- und Mini-KWK-Anlagen ist, die Bürokratie rund um Vergütungsmodelle, Boni, EEG-Umlagen und Stromselbstvermarktung abzubauen und transparente und kalkulierbare Rahmenbedingungen zu schaffen. Unabhängig davon müsse bei künftigen KWK-Anlagen die Eigenstromquote erhöht und die Wege für die Direktvermarktung von selbsterzeugtem Strom verbessert werden.

KWK-Gerät muss zum Gebäude passen

Die Energiewende muss bezahlbar bleiben, beschwören Politiker und Energiewirtschaftler landauf landab. Ob Mikro-KWK-Geräte künftig zur Kategorie „besonders wirtschaftlich“ zählen, muss nach der Prognos-Studie bezweifelt werden. Doch es gibt zum Glück die Bevölkerungsgruppe „Early Adapters“. Das sind Menschen mit einer positiven Einstellung zum Wandel und Risiko, die nicht auf jeden Euro schauen müssen.

Das Brennstoffzellen-Heizgerät ist mit Sicherheit eine Innovation, das der besonderen Einstellung der „frühzeitigen Anwender“ gerecht wird. Überzeugend in der breiter werdenden Palette Endverbraucher-tauglicher Geräte ist derzeit am ehesten das Brennstoffzellen-Heizgerät Vitovalor P 300-P von Viessmann, das fertig installiert zwischen 36 000 und 38 000 Euro kostet. Zum Vergleich: In Japan soll der Preis des von Panasonic entwickelten und von Viessmann übernommenen reinen Brennstoffzellengeräts bei rund 16 000 Euro liegen.

Frank Pawlak-Sturm, Vertriebsingenieur Regenerative Energiesysteme bei Viessmann, räumt ein, dass im derzeitigen Entwicklungsstadium das Gerät nicht für jedermann verfügbar ist. „Das Gerät muss zum Gebäude passen, darauf legen wir großen Wert. Am liebsten sind uns Leute, die nicht so sehr nach den technischen Details fragen, sondern das Gerät ganz einfach haben wollen.“ Auch gebe es derzeit in Deutschland erst etwa 120 Installateure, die sich für Einbau und (Teil-)Wartung des Vitovalor-Geräts zertifiziert haben. Für die Hauptwartungszyklen sei vorläufig allein der Werkskundendienst zuständig.

Positiv vermerkt Pawlak-Sturm die langjährige Erfahrung, über die Panasonic als Lieferant des Brennstoffzellen-Moduls in Japan verfügt. Rund 35 000 Geräte sollen dort bereits installiert sein. Ideale Gebäude für das Vitovalor-Gerät seien Neubauten oder sanierte Altbauten ab einem Wärmebedarf von 8000 kWh/a und einem Strombedarf von rund 3000 kWh/a. Hier passe das Brennstoffzellen-Heizgerät bedeutend besser zum Haus als ein Stirling-Aggregat, das für Neubauten normalerweise überdimensioniert sei. Mit den Leistungsdaten 750 Wel / 1000 Wth könne das Gerät im typischen Tagesverlauf etwa 15 kWh Strom erzeugen und – zumindest in der Übergangszeit – einen Großteil des Wärmebedarfs liefern. Zusätzliche Wärme stellt ein 19-kW-Gas-Brennwertheizgerät zur Verfügung. Pawlak-Sturm weist noch auf einige Besonderheiten des Brennstoffzellen-Moduls hin:

die maximale Laufzeit beträgt 20 h pro Tag, darauf folgen 3 h Regenerationszeit und 1 h Aufheizzeit

schaltet das Gerät ab, weil keine Wärmeabnahme erfolgt, kann es erst am folgenden Tag wieder in Betrieb gehen. Kurzfristige Schaltphasen sind nicht möglich

steigt die Heizungsrücklauftemperatur auf über 45 °C, schaltet das Gerät ab (um die Brennstoffzelle vor Überhitzung zu schützen) und erst am folgenden Tag wieder ein

aktuell sind mit dem Gerät weder Inselbetrieb noch Modulation möglich

der Leistungsverlust des Brennstoffzellenstapels liegt bei rund 15 % in zehn Jahren

Bei optimalen Rahmenbedingungen könnte das Brennstoffzellen-Heizgerät Abb. 2 rund 6000 Betriebsstunden pro Jahr erreichen und dabei etwa 36 % Primärenergie einsparen, maximal 60 % des Eigenstrombedarfs abdecken und damit dem Betreiber bis zu 1000 Euro/a an Stromkosten einsparen. Der Gasverbrauch liegt allerdings höher als bei einer konventionellen Gasheizung. Hinzu kommen Pflichtwartungstermine, die das Einsparergebnis schmälern. Künftig sei auch ein modulierendes Gerät denkbar, da damit die Deckung des Eigenstrombedarfs erhöht werden könne, so Pawlak-Sturm.

Strommarkt diktiert die Betriebsweise

Weniger zum Thema Mikro-KWK-Anlagen als zum Gesamtkomplex BHKW und Stromvermarktung passte der Beitrag von Peter Ritter, Cube Engineering ( http://www.cube-engineering.com ). Am Beispiel des BioEnergiedorfs Jühnde erklärte Ritter, wie man mit der Direktvermarktung von Strom aus erneuerbaren Energien trotz des Wegfalls von Boni und Kappung der Vergütungen für Biogas-angetriebene BHKW zusätzliche Erträge generieren kann.

Die Lösung liegt, so Ritter, in einem flexibilisierten Anlagenbetrieb mit marktorientierter Stromeinspeisung. Dadurch seien Mehrerlöse von 1 bis 5 Ct/kWhel sowie eine Flexibilisierungsprämie in Abhängigkeit der installierten BHKW-Leistung möglich. Immerhin hätte diese Prämie eine Größenordnung, um BHKW-Leistung, Gasspeicher, Wärmespeicher und Transformator an die Bedingungen einer marktorientierten Stromeinspeisung aufzurüsten. Wichtig seien die Entkopplung von Stromerzeugung und Wärmenutzung durch Wärmespeicher oder Fernwärmeeinspeisung sowie der Ausbau der Gasspeicher. In jedem Fall lohne es sich, die BHKW-Kapazität durch zusätzliche Module oder ein größeres Aggregat auszubauen Abb. 3. Eine fünffach höhere Leistung als bei Anlagen mit Festvergütung nach EEG könnte durchaus wirtschaftlich sein.

Die Herausforderungen der Strom-Direktvermarktung sieht Ritter in den unklaren Rahmenbedingungen, den zusätzlichen Auflagen sowie dem hohen Investment. Wichtig sei deshalb eine Variantenrechnung, um herauszufinden, welche BHKW-Leistung im jeweiligen Fall wirklich zu Mehrerlösen führt. Cube Engineering hat dazu eine spezielle Software entwickelt, die die Mehrerlöse und Flexibilitätsprämie dem Investitionsvolumen in BHKW-Leistung und zusätzlicher Anlagenperipherie gegenüberstellt, um daraus das Optimum zu errechnen.

Allerdings dürfe die Komplexität solcher Anlagen nicht unterschätzt werden. Typische Schwachstellen netzdienlicher Anlagen seien das hydraulische Zusammenspiel von BHKW und Wärmespeicher beziehungsweise die Wärmeübergabe an ein Nahwärmesystem. Oft würden auch die versteckten Kosten unterschätzt, zum Beispiel Gutachterkosten für den Nachweis der flexiblen Fahrweise. Es herrschte Einigkeit darüber, dass Juristen vom EEG und der marktorientierten Stromeinspeisung am meisten profitieren.

Viele Hürden bei Selbstvermarktung „Strom aus BHKW selbst zu vermarkten ist von Vorteil, aber mit vielen rechtlichen Problemen verbunden“, meint auch Rechtsanwalt Florian Brahms von der Maslaton Rechtsanwaltsgesellschaft, Leipzig ( http://www.maslaton.de ). Brahms betreut primär Mandanten in Fragen des Energierechts, der erneuerbaren Energien, der Kraft-Wärme-Kopplung mit Schwerpunkt EEG, des Energiewirtschaftsgesetzes und des KWK-Gesetzes sowie die Wohnungswirtschaft bei Strom-Direktvermarktungsverträgen.

Sein Exkurs über die rechtlichen Fallstricke der Strom-Direktvermarktung verdeutlichte, wie stark die peripheren Gesetze, Verordnungen und Richtlinien sowie die damit verbundene Bürokratie den Zubau von KWK-Anlagen und die Selbstvermarktung hemmen. Dies gilt besonders dann, wenn es in einem Wohnobjekt um den Verkauf von BHKW-Strom an die unmittelbaren Mieter geht Abb. 4. „Mieter können nicht zum Bezug von BHKW-Strom gezwungen werden“, resümiert Brahms am Ende seines Vortrags, und weiter: „eine Selbstvermarktung von BHKW-Strom ohne rechtlichen Beistand ist kaum möglich.“

Wer sich kompetent ohne „Rechtsbeistand“ über die komplexen Rahmenbedingungen des selbsterzeugten Stroms und die verschiedenen Vergütungsmodelle und Deckelungen informieren will, dem sei die Internetseite der Verbraucherzentrale Nordrhein-Westfalen empfohlen ( http://www.vz-nrw.de/bhkw-verguetung ). Aber auch hier heißt es: Die Umlagebelastung für BHKW-Betreiber in Mehrfamilienhäusern wird weiter ansteigen.

Bis zu 60 % weniger Fremdstrombezug

Was vor ein paar Jahren noch als kontraproduktiv galt, wird heute als Zukunftsmodell gepriesen: Die Kombination von BHKW und Photovoltaik-Anlage, gerne auch gekoppelt mit Wärmepumpe oder Stromspeicher. Friedhelm Steinborn, Steinborn innovative Gebäude-Energie-Versorgung, Stuttgart, ( http://www.ihr-bhkw-berater.de ) sieht durch die gegenwärtigen Entwicklungen am Strommarkt und die rückläufigen Energievergütungen für BHKW- und PV-Strom gute Chancen für Kombianlagen aus BHKW-Gerät und PV-Anlage. „Die Anlagen ergänzen sich ideal: Das BHKW liefert Strom und Wärme im Winter und in der Übergangszeit; im Sommer übernimmt die PV-Anlage die Stromversorgung.“

Mithilfe von Stromspeichern könne (bezogen auf einen 4-Personen-Haushalt mit einem Jahresstromverbrauch von 4500 kWh, PV-Anlage 5 kWp, nutzbare Speicherkapazität 4 kWh) allein mit der PV-Anlage die Eigenstromnutzung auf bis zu 60 % gesteigert werden, so Steinborn. Er räumt allerdings ein, dass es aktuell wirtschaftlicher sei, Stromüberschüsse über eine Wärmepumpe zur Trinkwassererwärmung zu nutzen.

Wichtig sei es, BHKW und PV-Anlage netzoptimiert auszulegen und zu betreiben Abb. 5. Insbesondere gelte es, die bei konventionellen PV-Anlagen typische Netzeinspeisung um die Mittagszeit zu vermeiden und stattdessen den Überschussstrom in Stromspeichern oder als Wärme (über Wärmepumpe) zu puffern. Steinborn empfiehlt Bauleuten außerdem die Option „BHKW und PV-Anlage“ als Alternative zur Dämmung bei der energetischen Sanierung von Bestandsgebäuden durchrechnen zu lassen. „Die Werte eines KfW-Effizienzhauses könnten damit oftmals einfacher und wirtschaftlicher erreicht werden“, weiß Steinborn. Trotz der bürokratischen Hemmnisse sieht er die Entwicklung bei BHKW positiv. „Wir stellen fest, dass der Wunsch nach Anlagen zur Eigenstromerzeugung weiter wächst.“

Mikro-KWK-Geräte immer noch zu groß

Die Art und Weise der Wärmespeicherung, die Strategie des Wärmespeichermanagements und die Dimensionierung von Mikro-KWK-Gerät und Wärmespeicher werden die Wirtschaftlichkeit dieser Gerätekombination in Ein- und Zweifamilienhäusern entscheidend beeinflussen. „Künftig müssen solche Anlagen ganz auf die Eigenstromoptimierung abgestimmt werden, alles andere ist unwirtschaftlich“, fordert Dr.-Ing. Peter Tzscheutschler vom Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik (IfE) der Technischen Universität München ( http://www.ewk.ei.tum.de ).

Verschiedene Untersuchungen mit Mikro-KWK-Geräten hätten gezeigt, dass klassische Trinkwassererwärmer oder reine Pufferspeicher bei der Optimierung der Eigenstromnutzung wenig zielführend sind. Ideal sei der Einsatz von Kombispeichern und deren Beladung in Abhängigkeit des elektrischen Leistungsbedarfs des Gebäudes. Wichtig seien Kenntnisse der voraussichtlichen Lastkurve und der Lastspitzen des Haushalts, die je nach Lebensgewohnheiten der Nutzer stark variierten. „Der Wärmespeicher ist künftig die Kernkomponente für einen flexiblen BHKW-Betrieb. Bei richtiger Auslegung ermöglicht dieser – zumindest zeitweilig – eine stromgeführte Fahrweise“, resümiert Tzscheutschler.

Felduntersuchungen des IfE hätten ergeben, dass die abgeforderten elektrischen Leistungen in einem Einfamilienhaus eher unter 1 kW liegen. Will heißen, die meisten Mikro-KWK-Geräte für diese Zielgruppe sind in ihrer elektrischen Leistung zu groß. Deutlich erkennbar sei bei den Nutzern der Wunsch, den Eigenstromanteil weiter zu erhöhen. Die Motivation für den Kauf eines Gerätes sei in den meisten Fällen nicht die Wirtschaftlichkeit, sondern das Bedürfnis nach mehr Strom-Autonomie. In einem nächsten Schritt könnten Mikro-KWK-Anlagen durch PV-Systeme und Batteriespeicher ergänzt werden, wobei aus Sicht des Energiewirtschaftlers eine Poolbildung mit PV-Strom-Anbietern in der Nachbarschaft sinnvoller als eine Anlage auf dem eigenen Haus ist.

Fazit

Die Rahmenbedingungen von Mikro- und Mini-KWK-Geräten ändern sich rasant. Mehr und mehr diktiert der Strommarkt die Dimensionierung, die Anlagenperipherie und die Betriebsweise. Aktuell wird empfohlen, den Eigenstromanteil durch eine eher knappe Geräteauslegung und optimal zur Lastkurve passende Wärme- und Stromspeicher zu erhöhen. Künftig sind bei größeren BHKW-Anlagen jedoch auch Strommarkt-orientierte Auslegungen und Betriebsweisen denkbar, um mit Regelenergieangeboten den wachsenden Anteil von volatilem Strom zu kompensieren. Deutlich zeichnet sich ab, dass es langfristig wohl keinen gesicherten Absatz von BHWK-Strom und damit auch keine fest kalkulierbaren Erlöse geben wird.

Inhaltsübersicht

  1. Teil: Mikro-KWK-Geräte: „zu groß und nicht rentabel“
  2. Teil: Wolfgang Schmid
  • 2  Das Vitavalor-Brennstoffzellen-Heizgerät von Viessmann spricht eher Bauleute an, bei denen der Neuheitswert höher bewertet wird als die Wirtschaftlichkeit.

  • 3  Wer mit einem Biogas-BHKW am Strommarkt teilnehmen will, muss seine Anlagen radikal umbauen. In manchen Fällen lohnt es sich sogar, die Leistung des BHKW zu verfünffachen.

  • 4  Mieter müssen Strom, der im Wohnblock über ein BHKW erzeugt wird, nicht abnehmen. Ohne rechtlichen Beistand ist die Vermarktung von selbsterzeugtem Strom im Mietwohnungsbau kaum möglich.

Bild: Viessmann

Bild: Margot Dertinger-Schmid

Bild: Margot Dertinger-Schmid

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