Kraft-Wärme-Kopplung – viel Potenzial für das SHK-GewerbeTeil 2: Technologien und verfügbare Geräte sowie deren Einsatzgebiete

KWK-Technik
Kraftwärmekopplungsanlagen werden in unterschiedliche Kategorien unterteilt. Die Einteilung der Leistungsgrenzen, wie sie in Tabelle 1 zu sehen ist, hat sich in der allgemeinen Fachterminologie durchgesetzt, ist aber bisher nicht normativ hinterlegt. Der Begriff „stromerzeugende Heizung“ wurde von der ASUE1 eingeführt und beschreibt wärmegeführte KWK-Anlagen mit einer elektrischen Leistung bis hinunter auf 1 kW. Man spricht hier auch von Nano-KWK.

In der dezentralen KWK im Gebäudebereich kommen üblicherweise Geräte mit einer elektrischen Leistung von unter 10 kW zur Anwendung. Im Marktsegment der Mikro-KWK können vier Technologien identifiziert werden:
• Verbrennungsmotoren,
• Stirlingmotoren,
• Dampfmotoren,
• Brennstoffzellen.

Kraft-Wärme-Kopplung – viel Potenzial für das SHK-Gewerbe

Teil 1  
Die Rolle der KWK im heutigen und zukünftigen energiepolitischen Umfeld   
Heft 18/2011

Teil 2   
Technologien und verfügbare Geräte sowie deren Einsatzgebiete   
Heft 20/2011

Teil 3 
Einflussfaktoren für einen wirtschaftlichen Einsatz   
Heft 22/2011

Teil 4   
Anforderungen an das Heizungswasser   
Heft 24/2011

Die zurzeit am weitesten verbreitete Technologie in der Mikro-KWK ist der Verbrennungsmotor in Ausführung als Otto- oder Dieselmotor. Am bekanntesten dürfte wohl der „Dachs“ von der Schweinfurter Firma Senertec sein. Als Ottomotor wird er mit Erd- oder Flüssiggas betrieben und erreicht dann eine elektrische Leistung von 5,5 kW und eine thermische Leistung von 12,5 kW. Alternativ wird das Gerät als Diesel-Maschine angeboten und mit Heizöl oder Biodiesel (RME) betrieben. In dieser Ausführung leistet das Gerät 5,3 kW_el² und ca. 10,5 kW_th³.
Senertec bietet rund um den Dachs ein ausgeklügeltes Zubehör. Die einzelnen Komponenten werden dann als Gesamtsys­tem angeboten. Mit Abgaswärmetauscher kann bei allen Brennstoffen der Brennwertnutzen aus den Abgasen gewonnen werden. Die „SE“-Ausführung beinhaltet einen 750-l-Heizungspufferspeicher mit angeschlossener Frischwasserstation. Um auf ein zusätzliches Spitzenlastheizgerät zu verzichten, kann in den Pufferspeicher eine elektrische Heizpatrone eingebaut werden, die über die Regelung gesteuert wird. Eine zugegeben einfache und damit kostengünstige Lösung, die aber energetisch nicht zufriedenstellend sein kann. Daher gibt es bei der Variante „SEplus“ ein Brennwertgerät, das an den Pufferspeicher installiert ist. Diese Kombination gibt es jedoch nur für Erd- oder Flüssiggas. Das System aus KWK-Gerät, Abgaswärmetauscher, Puffer und Brennwertgerät liefert dann eine thermische Leistung von 34 kW. Der Dachs selbst liefert konstante Leistung. Sowohl thermisch als auch elektrisch. Er moduliert nicht.
Vaillant bietet mit der „ecoPOWER“- Reihe gleich drei motorbetriebene Mikro-BHKWs an, wobei die Geräte „ecoPOWER 3.0“ und „ecoPOWER 4.7“ annähernd baugleich sind. Die Geräte werden mit Erdgas oder Flüssiggas betrieben. Öl wird als Brennstoff nicht unterstützt. Die „ecoPOWER 3.0“- und „ecoPOWER 4.7“-Anlagen sind modulierend, sie passen also ihre Ausgangsleistungen dem Wärmebedarf an. So liefert das Modell „ecoPOWER 3.0“ 1,3 bis 3,0 kWel und 4,0 bis 8,0 kWth bzw. das Gerät „ecoPOWER 4.7“ 1,3 bis 4,7 kWel und 4,0 bis 12,5 kWth. Vaillant hat seine KWK-Geräte in das Vaillant-System integriert. Daher stehen diverse Speicher und Spitzenlastheizgeräte zur Verfügung, die über eine Systemregelung gesteuert werden.

Tabelle 1: Klassifizierung der Kraft-Wärme-Kopplung.

Klein-KWK    ≤ 2000 kW_el
Mini-KWK    ≤ 50 kW_el
Mikro-KWK    ≤ 10 kW_el
Nano-KWK, stromerzeugende Heizung    1 – 5 kW_el

Neu in der Vaillant-Angebotspalette ist das „ecoPOWER 1.0“-System. Darin sorgt ein erdgasbetriebener Vier-Takt-Ottomotor der Firma Honda für eine elektrische Leistung von 1 kW und eine thermische Leistung von ca. 3 kW. Angekoppelt wird das Gerät über ein Wärmeauskopplungsmodul mit integriertem Systemregler an einen Pufferspeicher mit Frischwassermodul. An diesen Speicher wiederum werden Heizungsanlage, Trinkwarmwasser und Spitzenlastkessel angeschlossen. Mit der kleinen Leistung des Motors können nun auch in Einfamilienhäusern hohe Laufzeiten des KWK-Moduls realisiert werden.
Zurzeit werden von unterschiedlichen Herstellern weitere verbrennungsmotorische KWK-Module im Markt eingeführt. Über den aktuellen Stand der Entwicklungen auf dem Markt der Mikro-KWK informiert die Internetseite der ASUE4.

Voranschreitende Miniaturisierung
Die konsequente Weiterentwicklung der Miniaturisierung der KWK führt zu einer neuen Gerätegeneration und zu einem völlig neuen Markt: der Nano-KWK oder auch stromerzeugenden Heizung. Unter diesen Geräten versteht man Wärmeerzeuger, in denen das KWK-Modul und der Spitzenlastkessel in einem Gehäuse vereint sind. Der Installationsaufwand ist kaum größer als der eines Brennwertgerätes.
Auf der Stromseite sind neben den offensichtlichen Komponenten wie Kabel und Leitungsschutzschalter nur kleinere Umbauarbeiten am Zählerkasten nötig. Der konventionelle Stromzähler muss gegen einen Zweirichtungszähler ausgetauscht werden. Dieser meist elektronische Zähler misst den bezogenen und den ins öffentliche Netz eingespeisten Strom. Hierzu ist jedoch nicht unbedingt ein neuer Zählerplatz nötig.
Zur Abrechnung des gesamten erzeugten Stroms wird ein weiterer Zähler in der Anschlussleitung der KWK-Anlage benötigt. Dieser kann in den meisten Fällen als Hutschienenzähler ausgeführt werden. Bei einigen Geräten ist er aber auch schon integriert.

Das eigene Kraftwerk im Keller verschafft dem Betreiber ein Stück weit Unabhängigkeit von lokalen Energieversorgern, senkt den Primärenergiebedarf und spart Geld. Bild: SenerTec

Stirlingmotor
Die neue Gerätegeneration wird zurzeit in den Markt eingeführt. Alle Hersteller setzen in diesem Marktsegment auf Stirlingmotoren als Antriebstechnologie. Lediglich die Firma Otag aus Olsberg treibt ihren „Lion Powerblock“ mit einer Freikolbendampfmaschine an.

Die Stirlingtechnologie beruht auf einem Verfahren, das 1816 von Robert Stirling erfunden wurde. Vereinfacht beschrieben benötigt der Stirlingmotor zur Funktion nur eine heiße und eine kalte Seite. Grundsätzlich kann zum Erhitzen jede Ener­giequelle genutzt werden. Derzeit stehen aber nur Geräte für den Einsatz mit Erdgas zur Verfügung. Gekühlt wird der Stirlingmotor durch das Heizungswasser. Die Ankopplung des Heizungs- und Trinkwarmwassernetzes des Gebäudes erfolgt bei allen Herstellern über Pufferspeicher.

Den Markt für Stirlingmotoren teilen sich drei Hersteller bzw. Zulieferer untereinander auf. Der „WhisperGen Stirling“ wurde ursprünglich in Neuseeland entwickelt. Für Europa werden die Maschinen in Spanien gebaut und in Deutschland von 2G-home und Sanevo über das eigene Fachpartnernetz vertrieben. Die Besonderheit an diesem Gerät ist sein 4-Zylinder-Stirlingmotor. Alle anderen Anbieter setzen auf Einzylinder Stirlingmotoren. Die Stirlingeinheit liefert 1 kWel und ca. 7,5 kWth. Schaltet sich bei entsprechendem Wärmebedarf das integrierte Gasbrennwertgerät ein, beträgt die Wärmeleistung insgesamt 14,5 kW.

Brötje, Remeha, Senertec, Vaillant und Viessmann setzen in ihren Geräten den Stirlingmotor der Firma Microgen ein. Diese Stirlingeinheit liefert 1 kWel und rund 5 kWth. ELCO, Buderus und Junkers verarbeiten den Stirlingmotor der Firma Enatec. Leistungsdaten dieser Einheit: 0,3 – 1,0 kWel und 3 - 10 kWth.

Alle Unternehmen bauen ihre Technik um die entsprechende Stirlingeinheit herum. Das bedeutet, dass Stirlingmotor, Brennwertgerät, Gas- und Abgasführung sowie alle sicherheitsrelevanten Einrichtungen in einem Gehäuse integriert werden. Das Prinzip der stromerzeugenden Heizung. Die thermische Leistung des gesamten Heizgeräts ist schließlich vom integrierten Spitzenlastbrennwertgerät abhängig und unterscheidet sich von Hersteller zu Hersteller.
Wie bereits erwähnt, geht die Firma Otag einen anderen Weg. Sie setzt in ihrem „Lion Powerblock“ auf eine Freikolbendampfmaschine, in der in zwei gegenüberliegenden Zylindern alternierende (abwechselnde) Dampfstöße für die Bewegung eines Kolbens sorgen. Über diesen Kolben erfolgt dann die Stromerzeugung. Nach anfänglichen Schwierigkeiten ist dieses Gerät mittlerweile in den Markt eingeführt. Zurzeit gibt es eine mit Erd- bzw. Flüssiggas betriebene Variante. Eine Öl- und Pelletvariante wird derzeit entwickelt. Der „Lion Powerblock“ moduliert in einem Leis­tungsbereich von 0,3 – 2,0 kWel bzw. 3,0 – 16,0 kWth.

Weg zur Serienreife
Zurzeit sind in der Nano-KWK die Geräte der Firmen Otag, Remeha und Whispergen verfügbar. Die anderen Hersteller werden im Herbst 2011 oder Frühjahr 2012 auf den Markt kommen.
Mit der Nano-KWK hält die Kraftwärmekopplung Einzug in Ein- und Zweifamilienhäuser. Die Technik ist neu, und damit es nicht zu ähnlichen Problemen wie bei der Einführung der Brennwerttechnik kommt, sind umfangreiche Untersuchungen notwendig.
E.ON Ruhrgas hat 2009 eine User-Group gegründet, in der mittlerweile über 200 stromerzeugende Heizungen untersucht werden. Zuerst wurden die Geräte einem Labortest unterzogen und werden nun in einem der wohl größten Feldtests im realen Betrieb untersucht. Die Erfahrungen werden innerhalb dieser Gruppe diskutiert und die Ergebnisse an die Hersteller weitergegeben.
Klassische KWK und Nano-KWK müssen unterschiedlich betrachtet werden. Während bei verbrennungsmotorischen Anlagen lange Laufzeiten gefordert sind (mehr als 5000 Stunden pro Jahr), kann diese Forderung bei Nano-KWK nicht aufrechterhalten werden. Die stromerzeugende Heizung muss als das gesehen werden, was sie tatsächlich ist: eine Heizung, die nebenbei noch etwas Strom erzeugt. Dies hat Konsequenzen auf die Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen solcher Anlagen. Dies soll im nächsten Artikel untersucht werden.

Brennstoffzellen
Eine weitere KWK-Technologie sind Brennstoffzellen. Hier wird Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser „verbrannt“. Und da zeigt sich schon das derzeitige Problem dieser Technologie. Deutschland besitzt kein Wasserstoffnetz. Daher sollen die ers­ten Brennstoffzellen mit Erdgas betrieben werden, in denen ein Reformer aus dem Erdgas (hauptsächlicher Bestandteil CH4) den Wasserstoff trennt.
In den Brennstoffzellen, die heute in der Entwicklung sind, verstopfen die eingebauten Membranen zu schnell. Das führt zu geringen Standzeiten. Es ist auch nicht abzusehen, wann Brennstoffzellen für den Betrieb in Gebäuden verfügbar sein werden. Sollten solche Geräte dereinst verfügbar sein, werden sie lediglich eine weitere KWK-Technologie sein.

Fazit
Kraftwärmekopplung ist heute in Wohngebäuden angekommen. So wie heute Brennwerttechnik als Standardheiztechnik bezeichnet werden kann, so wird in zehn Jahren bei der Sanierung von Heizungsanlagen kein Heizgerät mehr eingebaut werden, das nicht auf welche Art auch immer, nebenbei auch noch ein wenig Strom erzeugt.

¹ ASUE: Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V.

² kWel: elektrische Leistung

³ kWth: thermische Leistung

⁴ www.stromerzeugende-heizung.de

Im Anhang die Geräteübersicht als PDF.

Autor: Dipl.-Ing. Peter Lückerath, Dozent für Energie- und Umwelttechnik

www.stromerzeugende-heizung.de