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Großes Potenzial zur Reduzierung des Energieverbrauchs Kleinst-KWK-Geräte für gasförmige Brennstoffe (Bio-, Erd- und Flüssiggas etc.)

Die Nachfrage nach dezentraler Strom- und Wärmeerzeugung mittels Kleinst-Wärme-Kraft-Kopplungsgeräte für Ein- und Mehrfamilienhäuser und Kleingewerbe hält an. Der wachsende Marktanteil innovativer Entwicklungen im kleineren Leistungsbereich erschließt Effizienzpotenziale die sich rechnen lassen.

Kleinst-KWK-Aggregat Typ „ecopower 3.0“.

 

Die Entwicklungen der Kleinst KWK-Aggregate erstrecken sich neben den Geräten mit festen Brennstoffen (Pellets, Stückholz, etc.) und flüssigen Brennstoffen (Diesel, Heizöl, Pflanzenöl, etc.) im größeren Umfang über die Geräte mit gasförmigen Brennstoffen (Bio-, Erd- und Flüssiggas, etc.).
Derzeit werden auf dem Markt die Konstruktionsvarianten der KWK-Geräte mit gasförmigen Brennstoffen als verbrennungsmotorische (Otto-Motoren) und stirlingmotorische sowie über dampfexpansionmotorische Systemlösungen angeboten.

Bessere Primärenergienutzung

In Deutschland entfällt mehr als ein Drittel des gesamten Primärenergiebedarfs auf die Raumheizung und Warmwasserbereitung, wobei gemäß der Verbraucherstruktur bis ca. 90% als Endenergie verwendet werden. Gerade hier liegt ein großes Potenzial zur Reduzierung des Energieverbrauchs und infolge dessen auch zur Verringerung der CO2-Schadstoffemissionen.
Für die Raumheizung und Warmwasserversorgung in Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie im Kleingewerbe haben sich bereits energieeffiziente und umweltschonende Techniken etabliert. Anders sieht es  beim Strom aus, der aus dem öffentlichen Netz bezogen werden muss. Eine wesentlich bessere Nutzung der eingesetzten Primärenergie als bei der zentralen Stromerzeugung lässt sich erreichen, wenn die Wärme und der Strom direkt, also dezentral, erzeugt werden. Hierbei sollte primär auf die Nutzung der bei der Stromproduktion entstehenden Abwärme gerichtet werden. Den technischen Stand definieren heute netzparallel arbeitende KWKs mit Gas-Ottomotoren und Katalysator. Die Kleinst-KWK-Aggregate in Form der „stromerzeugenden Raumheizung“ haben einen hohen Wirkungsgrad und ermöglichen eine erhebliche Energieeinsparung. Zudem resultiert durch die Verwendung des umweltschonenden Erdgases sowie aus der Nutzung der bei der Stromerzeugung anfallenden Wärme eine Minderung der CO2-Schadstoffemission. Kleinst-KWK-Aggregate mit einer elektrischen Leistung bis zu 10 kW werden bisher überall dort vorteilhaft eingesetzt, wo der Betreiber die erzeugte elektrische und thermische Energie möglichst zeitgleich nutzen kann und die Geräte in der Grundlast betrieben werden können, d.h. Laufzeiten von mehr als 5000 Vollnutzungsstunden pro Jahr erreichen.


Kleinst-KWK-Aggregat Typ „Green Two“.


Gesetzliche Regelungen

Als Basis für den Einsatz der Kleinst-KWK-Aggregate sind nachfolgend aufgeführte Gesetze zu beachten:

  • KWK-Gesetz: Gesetz für die Erhaltung, die Modernisierung und den Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung,
  • EEG-Erneuerbare-Energien-Gesetz: Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien,
  • EnEV: EnergieEinsparVerordnung.


Die o.a. Gesetze geben einerseits einen verpflichtenden Rahmen vor und wirken gleichzeitig als Investitionsanreiz für zukunftsweisende Maßnahmen in die Energieeffizienz sowie in den Einsatz der Erneuerbaren Energien.


Kleinst-KWK-Aggregat Typ „PowerTherm“.

Hersteller und Entwicklungsstand

Die PowerPlus Technologies, ein Tochterunternehmen von Vaillant, Remscheid, bietet nun mit dem Typ „Ecopower e3.0“ neben dem etablierten KWK-Aggregat vom Typ „e4.7“ mit einem Gas-Ottomotor und 1,3 bis 4,7 kWel sowie 4,0 bis 12,5 kWth eine leistungsreduzierte Variante mit bis zu 3,0 kWel und bis 8,0 kWth an, das mit Erd- oder Flüssiggas betrieben werden kann. Die „Ecopower“ sind stufenlos nach dem Wärmebedarf regelbar, reduzieren die Motorstarts und erhöhen die Betriebsstunden.
Die „Ecopower“ vom Typ „e3.0“ und „e4.7“  können zudem modulierend betrieben werden. Nach Herstellerangaben erreicht das KW vom Typ „e3.0“ über den gesamten Modulationsbereich einen elektrischen Wirkungsgrad von 23 bis 25%. Die Leistungsfähigkeit ist auf das Kleinst-KWK-Impulsprogramm, das sich nach den Betriebsstunden orientiert, abgestimmt worden.
Die eingesetzten Gasmotoren bei Green energy solutions sollen zusammen mit den Synchrongeneratoren und der vollautomatischen Steuerung eine sichere und stabile Elektroversorgung ermöglichen. Spannung und Frequenz sind auch bei schnellen Lastwechseln, wie sie durch unregelmäßiges Ein- und Ausschalten der unterschiedlichen elektrischen Verbraucher verursacht werden, konstant. Durch effizientes Nutzen des Erdgases (bis zu 92% Brennstoffnutzungsgrad) werden im Vergleich zu der konventionellen Stromerzeugung im Großkraftwerk und Heizwärmeerzeugung im Wärmeerzeuger etwa 30% Primärenergie eingespart. Darüber hinaus werden Schadstoffemissionen von fast 60% CO2 und etwa 20% NOx vermieden.
Das modulierende KWK-Aggregat „PowerTherm“ von Spilling Energie Systeme deckt einen weiten Teil des Jahreswärmebedarfs ab und erzeugt parallel Strom mit konstant hohem Wirkungsgrad. Der Motor des KWK-Aggregats wird drehzahlvariabel gefahren, d.h. im Betrieb nicht gedrosselt. Der Motor läuft stets konstant im Leistungsoptimum bei optimalem Kolbenmitteldruck. Das sorgt dafür, dass die Energie Erdgas optimal genutzt wird und der elektrische Wirkungsgrad im gesamten Regelbereich konstant bleibt.
Ein weiterer Vorteil: Der Kunde erhält zum Jahresende die Mineralöl- und Ökosteuer zurück.
Vaillant vertreibt im Kooperationsvertrag mit Honda ein Erdgas-Kleinst-KWK-Gerät für den europäischen Markt. Seit November 2009 werden diese Kleinst-KWK-Anlagen mit 1 kWel und 2,8 kWth in Feldversuchen in Ein- und Zweifamilienhäuser integriert. Der ergänzende Spitzenlast-Wärmeerzeuger ist auf eine Heizleistung von 13 kW ausgelegt. Diese Stromleistung wurde gewusst ausgewählt, da die Marktuntersuchungen ergeben haben, das hiermit rund 70% des Strombedarfs eines Einfamilienhauses abgedeckt wird. Zudem bestätigt sich der Zusammenhang: Je besser das Stromverhältnis ist (hier 1:3), desto länger sind die Laufzeiten des KWK-Aggregats und umso mehr Strom kann produziert werden.


Kleinst-KWK-Aggregat Typ „WhisperGen DE1“.

Ökologische Vorteile der KWK mit Stirlingmotoren

Im kleineren Leistungssegment unter 10 kWel stellt die Verwendung des Stirlingmotors eine attraktive Alternative dar, die u.a. nachfolgende Vorteile bewirken:

  • Die wartungsfrei erreichbaren Laufzeiten sind mit über 5000 Stunden länger als bei den verbrennungsmotorischen Motoren. Damit sind die Wartungsintervalle analog zu den Heizungsanlagen möglich.
  • Die Schadstoffemissionen mit modernen Brennerkonzepten sind nochmals deutlich geringer als mit Katalysator. Sie liegen im Bereich der modernen Brennwerttechnologie.


Eine zusätzliche Verbesserung der heute erreichten Werte an wartungsfreier Betriebslaufzeit, Wirkungsgrad und Schadstoffbelastung kann zudem aufgrund der verbrennungstechnischen Innovationen für die nächsten Jahre erwartet werden.
Beim Stirlingmotor handelt es sich um eine thermodynamische Maschine, in der ein Gas als Arbeitsmedium in einem geschlossenen Raum erwärmt wird und hierbei die Volumenänderungsarbeit auf einen Arbeitskolben überträgt und in mechanische Arbeit umsetzt. Das Gas wird danach abgekühlt und wieder komprimiert. So entsteht ein Kreisprozess. Gekühlt wird das unter Druck als Arbeitsgas im Motor eingesetzte Helium durch den Heizungsrücklauf. So kann die abgegebene Wärmeenergie des Motors an das Heizungsnetz übertragen und zur Raumheizung genutzt werden.
Die Freikolbenmaschine vereint das Prinzip des konventionellen Stirlingmotors mit einem modernen Liniengenerator zur Stromerzeugung unter Nutzung der Abwärme zur Raumheizung und Warmwasserbereitung. Aufgrund der laufenden Innovationen verzeichnet die Stirlingtechnologie eine größere Verbreitung, wobei zur Entscheidungsfreundlichkeit und Investition nicht ohne Grund das Image der hohen Umweltverträglichkeit eine weitere Rolle spielt.
Das mit Erdgas H betriebene und mit 4-Zylindern doppelt wirkende Stirling-KWK-Aggregat „WhisperGen DE1“ von Sanevo wurde für Ein- bis Zweifamilienhäuser konzipiert und leistet 1 kWel und 7 kWth. Mit dem integrierten Zusatzbrenner von 5 kW erreicht es eine thermische Gesamtleistung von 12 kW.
Durch die Stromproduktion vor Ort reduziert sich der Gesamtprimärenergiebedarf für das Ein- bis Zweifamilienhaus um über 12%, mit dem zusätzlichen Nebeneffekt, dass die Umweltbelastung um über 1 t pro Jahr an CO2-Schadstoffemissionen entlastet wird.
Die Firma Otag, Olsberg, produziert mit dem „Lion-Powerblock“ und integriertem Dampfexpansionsmotor über einen Gasbrenner (Erdgas oder Flüssiggas) 16 kWth (Modulationsspanne ca. 1:10). Zudem wird über den Lineargenerator (Linator) mit freischwingendem Doppelkolben elektrischer Strom mit 2,2 kWel erzeugt.

Impulsprogramm für Mini-KWK-Anlagen

Beim Impulsprogramm handelt es sich um die einmalige Förderung der Investition. Das 2008 gestartete Förderprogramm für hocheffiziente kleine Kraft-Wärme-Kopplung wurde im Jahr 2009 außerordentlich stark nachgefragt. Die starke Nachfrage hat jedoch seitens des Bundesumweltministeriums (BMU) dazu geführt, dass im Jahr 2010 keine weiteren Mittel mehr verfügbar sind. Das Förderprogramm für Kleinst-KWK musste aus diesem Grund rückwirkend zum 1. August 2009 vollständig ausgesetzt werden. Natürlich erhält jeder Betreiber einer Kleinst-KWK-Anlage immer noch die Förderung von 5,11 Cent je kWh elektrisch. Die Neue Förderung (KWK-Gesetz seit dem 01-01-2009) mit 5,11 Cent für eigenverbrauchten Strom bleibt erhalten. Diese Förderung gilt ab der Inbetriebnahme für eine Dauer von 10 Jahren. Die Rückerstattung der Energiesteuer für das eingesetzte Erdgas sowie die Vergütung (nach EEX) auf die eingespeiste Kilowattstunde Strom in das öffentliche Netz bleiben erhalten. Zusätzlich bietet die KfW-Bank auch Finanzierungsmöglichkeiten und Investitionszuschüsse.

Mindestlaufzeit erforderlich

Der Einsatz von dezentralen Kleinst-KWK-Aggregaten trägt unumstritten zu einer effizienten Umwandlung der Primärenergie in Strom und Wärme bei. Gleichzeitig bedeutet der Einsatz dieser Technologie eine Ressourcenschonung bei gleichzeitiger Reduzierung der Schadstoffemissionen.
Die KWK-Aggregate im kleinsten Leistungsbereich sind zwar einerseits den Großgeräten hinsichtlich des elektrischen Wirkungsgrades unterlegen, aber dafür entfallen hier die aufwendigen Wärmeverteilnetze.  Für einen wirtschaftlichen Betrieb der Kleinst-KWK-Aggregate ist es jedoch erforderlich, dass eine gewisse jährliche Mindestlaufzeit erreicht wird, um eine Refinanzierung der erhöhten Investitionskosten über die Stromproduktion zu gewährleisten.

Autor: Eric Theiß


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