Optimierte Nutzung eingesetzter Primärenergie

Bauherren stehen heute mehr denn je vor der Frage, welche der am Markt angebotenen Heizungstechniken für sein Objekt die richtige ist. Gut beraten ist, wer trotz aller Versprechen in Print- und TV-Werbekampagnen einen klaren Kopf behält, die Spreu vom Weizen trennt und seine Entscheidung nur nach objektiven Aspekten trifft. Eine solche Entscheidung des Bauherrn könnte lauten: „Da ein Blockheizkraftwerk (BHKW), basierend auf dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), den eingesetzten Brennstoff in der Regel zu einem höheren Grad ausnutzt als andere Wärmeerzeuger und also besonders energieeffizient arbeitet, ist diese Technik für mich die erste Wahl.“
Die bessere Brennstoffausnutzung ist ein wesentliches Merkmal der KWK. Sie kommt dadurch zustande, dass der Umwandlung der chemisch gebundenen Energie eines Brennstoffs in heißes Rauchgas (Brennstoffkonversion) und der sich anschließenden Stromerzeugung ein dritter Schritt folgt, nämlich die Nutzung der Abwärme zu Heizzwecken oder anderen Wärmeanwendungen (Bild 2). Dank der Einbeziehung der bei der Stromerzeugung anfallenden Abwärme wird der Gesamtwirkungsgrad von KWK-Anlagen wesentlich erhöht. Ein wichtiger Aspekt, denn immerhin hat nach Ansicht vieler Experten und Energiepolitiker die Erhöhung der Energieeffizienz die gleiche Priorität wie der Ausbau der Erneuerbaren Energien.
Konventionelle Wärmekraftwerke wandeln von der eingesetzten Primärenergie im Schnitt nur rund 40 % in Strom um, die restlichen 60 % fallen als Abwärme an. Da in der näheren Umgebung solcher Kraftwerke für große Wärmemengen meist zu wenig Nachfrage besteht und ein Transport über große Entfernungen zu den Verbrauchsschwerpunkten unwirtschaftlich wäre, wird die Wärme meist ungenutzt an die Umwelt abgegeben.
Um also neben dem Strom auch die Wärme nutzen zu können, braucht man kleinere Kraftwerkseinheiten, die in der Nähe von Strom- und Wärmeabnehmern installiert werden. Das können beispielsweise Mini-BHKWs sein, wie sie schon seit vielen Jahren zur Verfügung stehen. Ihre elektrische Leistung liegt nach gängiger Einteilung unterhalb von 5,5 kWel, bei Geräten bis 15 kWel spricht der BINE Informationsdienst (www.bine.info) von „kleinen“ BHKWs.
Beide Klassen sind sehr gut für die Versorgung von Wohn-, Büro- und Gewerbegebäuden geeignet. Mit ihrem Einsatz wird also die Kraft-Wärme-Kopplung auch abseits der größeren Kraftwerke nutzbar. Mini-BHKWs erreichen in vielen Fällen einen Gesamtwirkungsgrad von 90 %.

Betriebsweisen von KWK-Anlagen
KWK-Anlagen – und damit auch Mini-BHKWs – können entweder nach dem Strombedarf eines Objekts (stromgeführt) oder nach dem Wärmebedarf (wärmegeführt) ausgelegt werden. Die Abstimmung auf den Wärmebedarf ist die häufigste Form und zur Gebäudeversorgung üblich. Dabei arbeitet die KWK-Anlage nur bei Wärmenachfrage, produziert aber auch Strom, der direkt verbraucht oder ins öffentliche Netz eingespeist wird. Eine Orientierung nach dem Strombedarf ist seltener und eher in Produktionsbetrieben zu finden. Meist geht es in solchen Fällen darum, teuren Fremdstrombezug zu ersetzen. Die gleichzeitig erzeugte Wärme lässt sich – wie bei der wärmegeführten Variante der Strom – vor Ort nutzen oder aber in Pufferspeichern für eine spätere Verwendung einlagern.

Anforderungen 
Bei der Planung von Mini-BHKWs ist zu berücksichtigen, dass sowohl für die Bedarfs- als auch die Erzeugerseite bestimmte Bedingungen erfüllt sein müssen, denn nur dann kann eine solche Anlage wirtschaftlich Energie liefern.  Zu diesen Bedingungen zählen die Jahressummen von Strom-, Heizwärme- und Strombedarf, ferner auch die Lastprofile, d. h. die Verteilung des Energiebedarfs über Jahr und Tag.
Energiesparmaßnahmen führen bei neuen Gebäuden ebenso wie bei der Modernisierung von Bestandsgebäuden zu einem immer geringeren Heizwärmebedarf. Dadurch werden entsprechend kleine Heizgeräteleistungen benötigt. Um einen hohen Jahresnutzungsgrad zu erreichen, brauchen die Geräte entweder eine große Modulationsbandbreite (beispielsweise für die monovalente Wärmeversorgung des Gebäudes) oder müssen mit einem Spitzenlastkessel kombiniert werden, da das Mini-BHKW in der Regel an sehr kalten Tagen nicht die gesamte Wärme liefern kann. Der Strombedarf setzt sich aus einer Grundlast, einer erhöhten Dauerlast über längere Zeiträume sowie kurzzeitigen Spitzen zusammen. Die Grundlast ist im Wesentlichen abhängig von der Zahl der Geräte im Haushalt, der Anzahl der Nutzer und – wie beim Heizwärmebedarf – vom Nutzerverhalten.
Die Bedingungen für die Erzeugerseite umfassen das Strom und Wärme liefernde Mini-BHKW mit seinen Nebenaggregaten sowie die Einbindung in die Infrastruktur des Gebäudes. Dabei sind neben der elektrischen und hydraulischen Einbindung auch die Verbrennungsluftzufuhr sowie die Abgasabführung wichtig. Außer der thermischen und elektrischen Leistung des Systems spielen die thermische Leis­tung eines eventuell benötigten Spitzenlastkessels, die Art der Warmwasserbereitung sowie gegebenenfalls die Größe des Wärmespeichers eine Rolle.
In Neubauten ebenso wie in bestehenden Gebäuden muss das Mini-BHKW hinsichtlich Abmessungen und Gewicht ein vergleichbares Handling wie konventionelle Heiztechnik zulassen, die Möglichkeit zur Aufstellung im Keller und Dachgeschoss bieten, die einfache Einbindung in bestehende beziehungsweise neue Heiz- und Warmwassersysteme gewährleisten und den Anschluss an das Stromnetz unter Berücksichtigung der Einspeisefunktion ermöglichen. Eine wichtige Größe spielt auch die Basistechnologie. Denn Otto-, Diesel- und Stirlingmotoren haben je unterschiedlichen Einfluss darauf, wie sich die Anlage einsetzen lässt und welche Schallemissionen entstehen. Um die üblichen Aufstellorte wie Dachgeschoss und Keller zu ermöglichen, sind eventuell schallentkoppelnde Maßnahmen erforderlich, um eine Reduzierung des Schalls auf das Geräuschniveau einer konventionellen Heizungsanlage zu erreichen.

BHKWs mit Gas- oder Dieselmotor
Motorgetriebene BHKWs arbeiten in der Regel mit Gas (Ottomotor) oder Öl (Dieselmotor), wobei die Anzahl der erdgasbetriebenen Aggregate überwiegt. Bei BHKWs in den Leistungsklassen bis 10 kWel, die für die Versorgung von kleineren bis mittleren Gebäuden geeignet sind, kommen als Brennstoff neben Erdgas noch Flüssiggas und Öl zum Einsatz. Bio- und Klärgas sind zum größten Teil den leistungsstärkeren Aggregaten vorbehalten.
Der Otto- oder Dieselmotor ist starr oder über eine Kupplung mit einem Elektrogenerator verbunden und meistens mit diesem auf einem gemeinsamen Trag­rahmen schwingungsarm montiert. Kleinere BHKWs werden als anschlussfertige Einheiten geliefert. Dabei sind in der Regel alle Komponenten wie Motor, Generator und Wärmetauscher für die Auskopplung von Abwärme aus dem Kühlmittel-, Abgas- und Schmierölkreislauf in einem schallgeschützten Gehäuse untergebracht. Auch Regelung und Steuerung sind bei den marktgängigen Modellen in der Kompakteinheit enthalten. Da Antriebsmotoren aus der Serienfertigung der Automobilindustrie nicht für jeden Einsatzbereich geeignet sind, haben die BHKW-Hersteller mittlerweile eigenständige Entwicklungen auf den Markt gebracht.
Je nach Verwendungszweck nutzen sie unterschiedliche Hubkolbenmaschinen: Für Mini-BHKWs genügen fast immer Einkolbenmotoren kleiner Leistung.
Größere BHKWs für gasförmige Brennstoffe werden meistens mit einem Viertakt-Ottomotor betrieben. Er ist in der Regel als Magermotor ausgelegt, weil sich so die vorgegebenen Grenzwerte für Schadstoffemissionen selbst ohne den Einsatz von Katalysatoren einhalten lassen. Er hat zudem den Vorteil, dass er nicht nur sauberes Erdgas verbrennen kann, sondern auch Gas mit Verunreinigungen wie Schwefel, Chlor oder Fluor. Standard für die Verbrennung von Heizöl und anderen flüssigen Stoffen ist der Viertakt-Dieselmotor. BHKWs mit Dieselmotoren erreichen einen dem Gasmotor-BHKW gegenüber höheren elektrischen Wirkungsgrad bei gleichem Gesamtwirkungsgrad. Im Nachteil sind Dieselmotoren bei dem Bemühen um die Verringerung von Schadstoffemissionen. Beide Motortypen lassen beim Einsatz in BHKWs Laufzeiten bis zu 100 000 Stunden erwarten.
Zu den bekanntesten Mini-BHKWs mit Ottomotor zählt der „Dachs“ von Senertec. Ihn gibt es nach Auskunft des Unternehmens schon seit 1986. In der Ausführung mit „Dachs SEplus“ ist das Gerät für die Vollversorgung mit Wärme, Strom und Warmwasser ausgelegt. Mit seiner Leistung und Funktionalität eigne es sich sowohl als Energiezentrale für Einfamilienhäuser als auch für Objekte mit einem großen Heizwärme- und Warmwasserbedarf wie Mehrfamilienhäuser, Verwaltungs- und Bürogebäude oder Gewerbebetriebe, heißt es in der Produktbeschreibung (weitere Informationen: www.derdachs.de).

Stirlingmotor für beliebige Wärmequellen
Neu und zum Teil erst in der Probephase sind Mini-BHKWs mit Stirlingmotor, einer Maschine, die Wärme unterschiedlicher Temperatur, also ein Wärmegefälle, in mechanische Rotationsenergie umwandelt. Dabei wird die thermische Energie von außen an die Zylinder des Motors herangeführt, muss also nicht wie beim Benzin- oder Dieselmotor im Innern durch Verbrennung von Brennstoffen erzeugt werden. Damit öffnet sich eine Reihe von Möglichkeiten: Der Stirlingmotor, auch Heißluftmotor genannt, kann mit beliebigen Wärmequellen arbeiten, z. B. mit Sonnenenergie, mit der Abwärme technischer Prozesse oder mit Wärme aus der Verbrennung von Bio- oder Deponiegas, um nur einige zu nennen. Stirlingmotoren verursachen verhältnismäßig wenig Emissionen und arbeiten praktisch geräuscharm. Neben dem geräuscharmen und vibrationsfreien Lauf zeichnen sie sich durch einen nahezu verschleißfreien Betrieb aus, was die Wartungskosten stark reduziert. Den geringen elektrischen Wirkungsgraden von etwa 15 % stehen dank geringer Wärmeverluste hohe thermische Wirkungsgrade gegenüber, sodass sich Gesamtwirkungsgrade von über 90 % einstellen können. 
Die in Bild 4 gezeigte Funktion gehört zu einem Stirlingmotor vom Typ α , der mit zwei Zylindern und zwei Kolben arbeitet. Er wird vorzugsweise in KWK-Anlagen für mittlere bis große Leistungen eingesetzt. Für kleine bis mittlere Leistungen ist der β-Typ konzipiert. Er besitzt lediglich einen Zylinder, in dem zwei Kolben untergebracht sind, ein Arbeits- und ein Verdrängerkolben. Es lassen sich analog zu dem oben aufgezeigten Prozess folgende Phasen unterscheiden:

• 1. Takt: Expansionsphase: Im oberen Teil des Zylinders wird die Luft erhitzt, der dabei entstehende Druck bewegt den Arbeitskolben nach unten.
• 2. Takt: Der um eine Viertelperiode vorauseilende Verdrängungskolben bewegt sich nach oben, die Luft strömt durch die Kupferwolle des Regenerators in den unteren Teil des Zylinders, gibt dabei ihre Wärmeenergie an die Kupferwolle ab und kühlt sich dadurch ab.
• 3. Takt, Kompressionsphase: Der Arbeitskolben bewegt sich nach oben und komprimiert dabei die Luft. Die bei der Kompression entstehende Wärme wird sofort an den Kühlmantel abgegeben.
• 4. Takt: Der Verdrängungskolben drückt die Luft in den oberen Zylinderteil, wobei sie von der Kupferwolle im Regenerator Wärmeenergie aufnimmt.

BHKWs mit Stirlingmotor werden schon heute von namhaften Herstellern angeboten, so beispielsweise von der Firma Viessmann. Das Mikro-BHKW „Vitotwin“ sei eine echte Alternative zu konventionellen Heizsystemen bei der Modernisierung, heißt es bei dem Unternehmen aus Allendorf (Eder). Mithilfe des integrierten Gas-Brennwertkessels sei das Gerät ein autarker Wärmeversorger. Bei höherem Wärmebedarf liefere das Gas-Brennwertmodul die fehlende Leistung (weitere Informationen: www.viessmann.de).

Brennstoffzellen als BHKW
Wie die zuvor genannten KWK-Anlagen liefern auch Brennstoffzellen sowohl Strom als auch Wärme. Im Wesentlichen bestehen sie aus zwei Elektroden – der Anode und der Kathode – die von einem Elektrolyten getrennt werden. Der der Anode kontinuierlich zugeführte Wasserstoff wird mit einem Katalysator in Elektronen und Protonen zerlegt. Während die Protonen durch den Elektrolyten zur Kathode transportiert werden, verrichten die Elektronen auf ihrem Weg über einen externen Stromkreis zur Kathode elektrische Arbeit. An der Kathode verbinden sich Protonen und Elektronen mit dem zugeführten Sauerstoff zu Wasser (Bild 6). Aufgrund des besonders hohen Wirkungsgrades lassen sich große Mengen an Brennstoff einsparen, weshalb Brennstoffzellen mit die niedrigsten Verbrauchskosten aller Heizungssysteme aufweisen. Sie haben kaum Emissionen und arbeiten weitgehend lautlos.
Im Bereich der stationären Anwendung für den häuslichen Gebrauch befinden sich schon einige Hersteller in der Markteinführung, wie beispiels-weise die Elcore GmbH aus München. Zu ihrem Brennstoffzellen-KWK-Gerät „Elcore 2400“ schreibt Geschäftsführer Dr. Manfred Stefener auf Nachfrage, das Produkt sei marktreif und werde bereits von vielen Handwerksunternehmen und Fachpartnern für jeden Endkunden angeboten. Man plane, mit steigenden Verkaufszahlen die Produktionskapazitäten am Unternehmensstandort München auszubauen. Das „Elcore 2400“ hat eine elektrische Leistung von 300 W, eine thermische Leistung von 600 W und deckt im typischen Einfamilienhaus 50 % des Strombedarfs und 100 % des Bedarfs an Trinkwarmwasser. Auf der ISH 2017 stellte das Unternehmen eine neue Version mit erweitertem Einsatzbereich vor: Die maximale Vorlauftemperatur steigt von 60 °C auf 70 °C, die zulässige Rücklauftemperatur auf 50 °C. Das erweitert den Einsatzbereich auf bestehende Gebäude mit herkömmlichen Heizkörpern und höheren Systemtemperaturen (weitere Informationen: www.elcore.com).

Autor: Wilhelm Wilming, freier Fachautor
Bilder: ASUE

Geld vom Staat
KWK-Anlagen zählen zu den Energieerzeugern, die der Staat fördert, weil sie dank der gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung den eingesetzten Brennstoff sehr viel effizienter nutzen als bei der Erzeugung in getrennten Anlagen und deshalb weniger klimaschädliche CO₂-Emissionen anfallen. Für die Förderung zuständig ist das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhr (BAFA). Es zahlt an den Anlagenbetreiber auf Antrag einen einmaligen Investitionszuschuss, der nach der elektrischen Leistung der Anlage gestaffelt ist. Beispielsweise wird eine Anlage von 1 kWel, die für Ein- und Zweifamilienhäuser geeignet ist, mit 1900 Euro gefördert, eine Anlage mit 20 kWel hingegen mit 3500 Euro, heißt es dazu auf der BAFA-Website (www.bafa.de). Dort gibt es weitere Informationen.