Strom und Wärme aus dem Heizungskeller

Mikro-KWK im Wohngebäude.
Bild: gwi

Mit Brennstoffzellen, Verbrennungs- und Stirlingmotoren sowie anderen Mikro-KWK-Prozessen stehen heute und in naher Zukunft neue Technologien für die Energieversorgung von Wohngebäuden zur Verfügung. Diese Geräte ermöglichen die gekoppelte Erzeugung von Strom und Wärme in einer Größenordnung, die in Ein- und Mehrfamilienhäusern sinnvoll eingesetzt werden kann.

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Strom als Nebenprodukt
Mikro-KWK-Anlagen werden in aller Regel wärmegeführt betrieben und decken den Bedarf für die Heizung und das Trinkwarmwasser. Je nach Gebäudegröße und Heizlast wird eine zusätzliche Wärmequelle wie etwa ein Gasheizkessel benötigt.

Bei der Wärmeerzeugung durch die Mikro-KWK-Anlage entsteht der Strom quasi als Nebenprodukt. Dieser fließt primär in das gebäudeeigene Stromnetz. Überschüssiger Strom wird in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Reicht die aktuelle Stromproduktion dagegen nicht aus, den Bedarf zu decken, wird der Strom aus dem Netz bezogen.

Monovalente Anlagen, also solche Geräte, die ohne eine zusätzliche Wärmequelle auskommen, können bei optimaler Auslegung 50 bis 80 % der elektrischen Energie erzeugen, die ein Einfamilienhaus in der Regel benötigt. Mikro-KWK-Geräte wandeln die in einem Brennstoff - meist Erdgas oder Heizöl - gebundene Energie in Nutzwärme und elektrischen Strom um. Diese grundlegende Funktion ist bei allen Geräten gleich. Der Weg dahin unterscheidet sich jedoch je nach der eingesetzten Technologie erheblich. Nachfolgend ein kurzer Überblick:

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Der Dachs HKA gehört zu den meistverkauften Aggregaten im Mikro-KWK-Bereich. Bild: Senertec

Verbrennungsmotoren
Otto-Motoren sind klassische Mikro-KWK-Geräte in dem Sinne, dass sie als Weiterentwicklung der Blockheizkraftwerke (BHKW) verstanden werden können. Bereits seit Jahrzehnten werden motorische BHKWs in größeren Leistungsbereichen erfolgreich eingesetzt, um etwa Schwimmbäder oder Krankenhäuser mit Wärme und Strom zu versorgen. Als Siedlungs-BHKWs kommen sie oftmals als Wärmeerzeuger für kleinere Nahwärmenetze zum Einsatz.

Die Funktion ist schnell erklärt: Im Verbrennungsmotor wird die Energie des Brennstoffes explosionsartig durch die Zündung im Zylinder freigesetzt, wodurch ein Kolben in Bewegung versetzt wird.
Diese Bewegung kann über einen Generator in elektrischen Strom umgewandelt werden. Das Kühlwasser des Motors sowie die Abgase stehen dann als Wärmeträger zur Verfügung. Ihre Energie wird zur Aufheizung von Warmwasserspeichern oder direkt zur Beheizung von Räumen verwendet.

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Mikro-KWK-Geräte mit Verbrennungsmotoren stehen ab einer Nennleistung von rund 5 kWel zur Verfügung. Sie eignen sich damit in erster Linie für den Einsatz im Mehrfamilienhaus sowie in kleineren Gewerbeobjekten mit sommerlicher Wärme-Grundlast, in Einzelfällen kann auch der Einsatz im Einfamilienhaus sinnvoll sein. Bei Gesamtwirkungsgraden von etwa 90 % wird ein Drittel der eingesetzten
Energie in Strom umgesetzt, knapp zwei Drittel stehen als Nutzwärme zur Verfügung.

Verbrennungsmotoren sind für Erdgas und Heizöl serienmäßig zu haben und können mit geringem Aufwand auf andere flüssige oder gasförmige Brennstoffe angepasst werden. In Deutschland werden Otto-Motoren als Mikro-KWK-Geräte vor allem von Senertec (Dachs HKA) und von PowerPlus Technologies (ecopower) angeboten. SenerTec hat unlängst mit der Serienproduktion eines rapsölbetriebenen Mikro-BHKWs begonnen.

Stirlingmotoren
Bereits 1815 erfunden, hatte der Stirlingmotor bis zum Ende des 19. Jahrhunderts einen recht hohen Stellenwert als kompakte und zuverlässige Arbeitskraftmaschine. Mit der Erfindung des Verbrennungsmotors und dessen weiter Verbreitung wurde diese Technologie jedoch in den Hintergrund gedrängt.

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Funktionsweise eines Stirlingmotors.
Bild: ASUE

Solo Stirlingmotor.
Bild: Solo

Stirlingmotoren arbeiten mit externen Wärmequellen während das Arbeitsgas, in der Regel Stickstoff oder Helium, in einem geschlossenen Raum verbleibt. Das Arbeitsgas wird im heißen Bereich expandiert und im kalten Bereich komprimiert. Die daraus resultierende Bewegungsenergie wird über einen Generator in elektrischen Strom umgewandelt.

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Aufgrund der thermischen Trägheit des Systems eignet sich der Stirlingmotor kaum zum Antrieb von Kraftfahrzeugen. Für die Mikro-KWK bietet er jedoch den Vorteil der externen Verbrennung, sodass beinahe jeder Brennstoff für den Einsatz in Stirlingmotoren geeignet ist. Zudem lassen sich mit der kontinuierlichen Verbrennung wesentlich bessere Emissionswerte erzielen, als in einem herkömmlichen Verbrennungsmotor.

Stirlingmotoren als Mikro-KWK-Geräte gibt es mit Nennleistungen im Bereich von 1 bis 10 kWel. Die Geräte mit niedriger Nennleistung sind besonders gut für Ein- und Zweifamilienhäuser geeignet, während die größeren Aggregate vor allem in Mehrfamilienhäusern sowie in Gewerbebetrieben eingesetzt werden können. Der Gesamtwirkungsgrad liegt mit bis zu 95 % etwas höher als bei den Otto-Motoren. Dagegen ist die Stromausbeute mit weniger als 20 % verhältnismäßig gering.

Der Stirlingmotor des Herstellers Solo sowie die Sunmachine sind als Geräte deutscher Hersteller in diesem Segment erhältlich. Daneben sind besonders die Entwicklungen der Neuseeländischen WhisperTech und der Schweizerischen Stirling Systems hervorzuheben, die beide mit Feldversuchen in Deutschland vertreten sind.

Auch der österreichische Pellet-Heizkessel-Hersteller KWB investiert derzeit in die Stirling-Technologie. Mit dem Projekt "Stirlingpowermodule" wurden beispielsweise bereits 1,5 Mio. Euro in die Entwicklung einer dezentralen Anlage zur Strom- und Wärmeversorgung von Einfamilienhäusern investiert. Durch die Kombination des Pelletkessels mit dem SPM-Motor will man den erneuerbaren, einheimischen
Energieträger Holz auch im Einfamilienhaus optimal zur Erzeugung von Wärme und Strom nutzen. Dazu startete das Unternehmen in Kooperation mit der TU Graz einen Feldtest mit 30 Anlagen. Frühestens 2010/2011 sollen die Stirling-Motoren lieferbar sein und in den 15-kW-Pelletkesseln des Herstellers für die Kraft-Wärme-Kopplung sorgen.

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Dampfprozesse
Dem Stirlingmotor sehr ähnlich sind Dampfmotoren, die ebenfalls als Mikro-KWK-Geräte angeboten werden. Anstelle eines gasförmigen Arbeitsmediums wie beim Stirlingmotor wird hier jedoch bei verhältnismäßig hohen Systemdrücken Wasserdampf erzeugt. Dessen Energieinhalt wird dann bei der Expansion in eine Bewegung umgesetzt, die wiederum zur Stromerzeugung genutzt werden kann.

Wegen der größeren Wärmemenge, die im Wasserdampf gegenüber einem gasförmigen Arbeitsmedium bei der Verdampfung gespeichert wird, fällt die Stromausbeute mit rund 10 bis 15 % nochmal etwas niedriger aus, als bei den Stirlingmaschinen. Der Gesamtwirkungsgrad liegt auf einem vergleichbaren Niveau von 95 %.

Einziger Vertreter dieses Prinzips ist zurzeit das Unternehmen OTAG, das seinen "Lion Powerblock" derzeit in der Kleinserienfertigung herstellt und vertreibt.

Brennstoffzellen
Im Wesentlichen besteht eine Brennstoffzelle aus einem Elektrolyten, der zwei Elektroden voneinander trennt. In der Regel wird die Anode von Wasserstoff umspült, während die Kathode von Luft oder Sauerstoff umgeben ist. Einzelne Wasserstoffionen können die Membran durchdringen und verbinden sich auf der Kathodenseite mit dem Sauerstoff zu Wasser. Die freien Elektronen auf der Anodenseite, die bei der Aufspaltung von Wasserstoffmolekülen zu Wasserstoffionen entstehen, sorgen für den Stromfluss.

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Auch in Pelletheizkesseln sollen Stirling-Motoren in Zukunft für eine Kraft-Wärme-Kopplung sorgen.
Bild: KWB

Brötje-Studie eines Brennstoffzellenheizgerätes für den kleinen Leistungsbereich.
Bild: Brötje

Für die als Brennstoffzellenheizgeräte zurzeit in der Erprobung befindlichen Mikro-KWK-Geräte mit Leistungen zwischen 1 und 10 kWel steht kein Wasserstoff direkt zur Verfügung. Stattdessen wird der Wasserstoff aus einem anderen Brennstoff, in der Regel Erdgas, für die Brennstoffzelle in einem vorgeschalteten Reformer nutzbar gemacht.

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Abhängig von der Art der Brennstoffzelle und der Reformierung können diese Geräte bis zu 45 % des eingesetzten Brennstoffes in Strom umwandeln, weitere 50 % können in Form von Wärme genutzt werden. Brennstoffzellen sind in aller Regel verhältnismäßig schadstoffarm und arbeiten ebenso geräuscharm, wie eine normale Brennwertheizung. Sie sind jedoch recht träge und benötigen lange Zeiten für das An- und Abschalten der Anlage. Brennstoffzellenheizgeräte eigenen sich daher am ehesten auch für kleine Objekte, wenn zur Deckung der thermischen Grundlast ein häufiges An- und Abschalten vermieden werden kann.
Die Entwicklungen in diesem Bereich werden von vielen namhaften Herstellern aus dem Bereich der Heizungstechnik vorangetrieben, daneben gibt es auch einige spezialisierte Unternehmen, die sich hier engagieren.

Nachdem die Marktreife der stationären Brennstoffzelle für die Gebäudebeheizung von diversen Unternehmen immer wieder angekündigt und verschoben wurde, startete das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) gemeinsam mit neun Partnern aus der Wirtschaft im September den bundesweit größten Praxistest von Brennstoffzellen-Heizgeräten für das Eigenheim. Mit dem Projekt "Callux" soll eine neue Ära der dezentralen Energieversorgung in Deutschland beginnen. Im Rahmen des Nationalen Innovationsprogramms "Wasserstoff-und Brennstoffzellentechnologie", investiert die Industrie gemeinsam mit dem BMVBS eine Mrd. Euro, um den Einsatz der innovativen Technologie weiter voranzutreiben.

Funktionsprinzip der Brennstoffzelle.
Bild: gwi

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Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit
Ein Mikro-KWK-Gerät arbeitet immer dann effizient, wenn es weniger Energie verbraucht, als ein Referenzsystem zur Deckung des gleichen Energiebedarfes verbrauchen würde. Im Wohnungsbau bietet sich als Referenzsystem stets die Brennwertheizung an, kombiniert mit dem Strombezug aus dem Netz des Energieversorgers. Für den Strombezug können dann entweder der aktuelle Kraftwerkspark oder moderne Kraftwerke zugrunde gelegt werden.

Schon alleine die gekoppelte Erzeugung und Nutzung von Strom und Wärme verschaffen der Mikro-KWK einen deutlichen Vorteil gegenüber dem Referenzsystem. Selbst mit niedrigen elektrischen Wirkungsgraden kann eine Primärenergieeinsparung erreicht werden, die zu einer gesteigerten Energieeffizienz führt.

Die gesteigerte Effizienz führt auch zu einer reduzierten Emission von CO2. Dieser Effekt wird noch dadurch verstärkt, dass Mikro-KWK-Geräte in vielen Fällen den umweltfreundlichen Energieträger Erdgas nutzen, während in Kraftwerken zur Stromerzeugung vielfach Kohle zum Einsatz kommt. Die deutlichen Unterschiede in den Emissionsfaktoren dieser Brennstoffe reduzieren den CO₂-Ausstoß weiter.

Das setzt allerdings voraus, dass für die Koppelprodukte Strom und Wärme für eine möglichst hohe Anzahl von Jahresstunden (> 5500 h) ein zeitgleicher Bedarf vorhanden ist. Auch die innovativsten KWK-Technologien können nicht wirtschaftlich betrieben werden, wenn der gleichzeitig vorhandene Strom- und Wärmebedarf eines Gebäudes eine hohe Anzahl von Betriebsstunden nicht zulässt.

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Kostensenkung
Die Mikro-KWK hat das Potenzial, die individuellen Energiekosten in einem Wohngebäude deutlich zu senken. Vor allem der Eigenverbrauch der elektrischen Energie senkt die Stromrechnung erheblich. Zusätzlich erhält der Nutzer für jede Kilowattstunde Strom, die er in das Netz einspeist, eine Vergütung. Darüber hinaus wird mit dem seit 1. 1. 2009 in Kraft getretenen novellierten KWK-Gesetz auch eigengenutzter Strom aus KWK-Anlagen befristet vergütet. Wesentlich für die Senkung der eigenen Betriebskosten ist aber auch die Rückzahlung der Ökosteuer für jede Kilowattstunde Brennstoff, die in dem Mikro-KWK-Gerät zum Einsatz kommt.

Impulsprogramm für Mini-KWK
Das Bundesumweltministerium hat in seiner umfassenden Klimaschutzinitiative u.a. ein Impulsprogramm für Mini-KWK-Anlagen bis 50 kW elektrische Leistung aufgelegt. Die zur Verfügung gestellten Mittel stammen aus dem Verkauf von CO₂-Zertifikaten und können über das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) seit dem 1. 9. 2008 beantragt werden.

Voraussetzung für die Inanspruchnahme der lukrativen Zuschussförderung ist, dass die geplante KWK-Anlage wärmegeführt betrieben wird, es sich um eine Neuanlage handelt und ein separater Stromzähler integriert wird. Weitere detaillierte technische Anforderungen, wie beispielsweise der notwendige Abschluss eines Vollwartungsvertrages, können der Richtlinie zur Förderung von KWK-Anlagen entnommen werden.
Die Basis- und Bonusförderung wird als nicht rückzahlbarer Zuschuss gewährt und richtet sich nach der installierten elektrischen Leistung und den Vollbenutzungsstunden der Anlage, die mindestens 5000 h/a betragen müssen, um den vollen Förderbetrag zu erhalten (Vollbenutzungsfaktor = 1). Liegen die geplanten Vollbenutzungsstunden darunter - also beispielsweise bei 4000 h/a, so liegt der Quotient aus tatsächlichen und Soll-Vollbenutzungsstunden bei 0,8. Entsprechend können 80 % des Förderbetrages aus Basis- und Bonusförderung beantragt werden.

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Bonusförderung bei geringen Schadstoff-Emissionen
Ähnlich dem Marktanreizprogramm für Erneuerbare Energien sind neben der Basis- auch Bonusförderungen möglich. Im Falle des Mini-KWK-Impulsprogramms zielt diese Zuschussförderung auf Anlagen mit besonders geringem Schadstoff-Ausstoß. Die dafür einzuhaltenden Grenzwerte entsprechen jeweils den halben Werten der gültigen TA Luft für NOX und CO-Emissionen. Damit will der Gesetzgeber offensichtlich zusätzliche Marktanreize für innovative Technologien wie die Brennstoffzelle oder der Stirling-Motor schaffen.

Mini-BHKWs werden durch diese Förderpolitik nun in vielen Anwendungsbereichen attraktiver. Durch den Zuschuss fällt die Mehrinvestition gegenüber anderen Heizsystemen viel geringer aus, womit die bisherige Einstiegshürde deutlich kleiner wird.

Gleichzeitig steigt der Erlös aus der eigenen Stromproduktion aufgrund des neuen KWK-Zuschlags für eigengenutzten Strom, sodass sich die bisherigen Armortisationszeiten nun deutlich verbessern.
Die Förderanträge können seit dem 1. 9. 2008 bei der BAFA gestellt werden. Dabei ist zu beachten, dass - anders als bei der Förderung von Regenerativen Energien und Wärmepumpen - die Maßnahme vor Antragstellung nicht begonnen werden darf. Zum Nachweis sind entsprechende Planungsunterlagen zur Plausibilitätsprüfung beizubringen, aus denen die geplante elektrische Leistung und die jährlichen Vollbenutzungsstunden hervorgehen. Analog zum Marktanreizprogramm für Regenerative Energien müssen bei der Bewilligungsbehörde vor Auszahlung der Fördermittel geeignete Nachweise über die Betriebsbereitschaft sowie die in Rechnung gestellten Kosten der Anlage eingereicht werden.

Weitere Informationen unter: www.stromerzeugende-heizung.de

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Stirlingmotoren im Feldversuch: positives Zwischenergebnis zur Halbzeit
Bereits seit Februar 2006 führt das Gaswärme-Institut zusammen mit dem DVGW, der Gelsenwasser AG und der Erdgasverkaufsgesellschaft Münster einen Feldversuch mit WhisperGen-Stirlingmotoren in zwei Wohngebäuden durch. Der Test ist über zwei Heizperioden vorgesehen, sodass an dieser Stelle ein kurzes Zwischenergebnis zur Halbzeit präsentiert werden kann. Die Stirlingmotoren sind als monovalente Wärmeerzeuger in den Häusern installiert. Das heißt, dass im regulären Betrieb der Anlagen keine weiteren Wärmequellen zur Verfügung stehen.

Der Stirlingmotor ist wie ein normales Heizgerät an das Heizungssystem gekoppelt. Das erwärmte Wasser kann direkt in das System eingespeist werden, alternativ kann die Wärme auch in einem Speicher zwischengelagert werden. Mit dieser Lösung lässt sich das Betriebsverhalten der Mikro-KWK wesentlich verbessern. Über eine hydraulische Weiche wird dafür gesorgt, dass der Speicher immer ausreichend befüllt ist. Das Abgassystem kann an eine herkömmliche Abgasführung angeschlossen werden, auch in einer Kaskade oder einer anderen zulässigen Kombination mit anderen Wärmeerzeugern im Gebäude.

Geöffnetes WhisperGen-Gerät.
Bild: IKZ-HAUSTECHNIK

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Performance der WhisperGen-Geräte: Der vorliegende Zeitraum von Februar 2006 bis März 2007 war überdurchschnittlich warm, sodass der Wärmebedarf zur Beheizung verhältnismäßig niedrig war. Zur Halbzeit dieses Feldtests hat das Gerät dennoch Strom in einer Größenordnung von mehr als 50 % des Eigenbedarfes produziert. An besonders kalten Tagen erreicht der Stirlingmotor dagegen einen elektrischen Deckungsgrad von 80 % und mehr. Unter normalen klimatischen Bedingungen kann also durchaus mit einer höheren Stromproduktion gerechnet werden.

Das Sankey-Diagramm zeigt, dass trotz der warmen Witterung eine Senkung des Primärenergiebedarfes um 5 %, der CO2-Emissionen um 7 % und der Energieverluste um 20 % möglich ist, jeweils bezogen auf die getrennte Erzeugung von Wärme und Strom.

Sankey-Diagramm für das Einfamilienhaus mit und ohne Mikro-KWK.
Bild: gwi

Die wirtschaftliche Bilanz mit Einsparungen von mehr als 10 % der Betriebskosten in diesem Zeitraum zeigt, dass eine Mikro-KWK-Anlage durchaus in der Lage ist, sich im Einfamilienhaus bezahlt zu machen.

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Energie dreifach nutzen
Leitfaden für Mini-BHKW-Anlagen
Wie eine KWK-Anlage erfolgreich betrieben werden kann, zeigt die neue - vom Bundesumweltministerium herausgegebene - Broschüre "Energie Dreifach Nutzen, Strom, Wärme und Klimaschutz: Ein Leitfaden für kleine Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (Mini-KWK)". Anhand von Praxisbeispielen und einer ausführlichen Darstellung der steuerlichen und rechtlichen Rahmenbedingungen informiert der Leitfaden über die Fördermöglichkeiten von Mini-KWK-Anlagen sowie über die Neuerungen im KWK-Gesetz.

Darüber hinaus werden Schritt für Schritt und mithilfe von Checklisten die Möglichkeiten zur Errichtung und zum Betrieb erläutert. So enthält der Leitfaden gut funktionierende Beispiele aus dem Wohnungsbau und Gewerbebetrieben sowie zur Strom- und Wärmeversorgung durch einen Contractor. Mit Literaturhinweisen und Web-Links zu weiterführenden Informationen schließt der 44-seitige Leitfaden, der auf der Internet-Seite des Ministeriums zum Download bereit steht oder als Druckversion kostenlos im Internet bestellt werden kann. Weitere Informationen unter www.bmu.de/mediathek

Informationen rund um das aktuelle Impulsprogramm für Mini-BHKWs sowie die Novellierung des KWK-Gesetzes bietet der BMU-Leitfaden "Energie dreifach nutzen".