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Marktreife-Prototypen-Innovationen

Eric Theiß

Klein-KWK-Aggregate können mit verschiedenen fossilen und erneuerbaren Brennstoffen betrieben werden, wie z. B. Bio-, Erd- und Flüssiggas oder Biodiesel, Heiz-, Pflanzen- und Rapsöl. Der überwiegende Anteil der bereits installierten Klein-KWK-Module wird jedoch mit Erdgas betrieben. Wenn z. B. örtlich kein Erdgasanschluss vorhanden ist, erfolgt der Betrieb in der Regel mittels Biodiesel oder Heizöl.

 

Biodiesel bzw. Heizöl-KWK-Modul "Dachs" Typ "SE-HR 5.3".
Bild: SenerTec

Für eine autarke Strom- und Wärmeversorgung von abseits gelegenen Gebäuden ohne Netzanschluss (alpine Schutzhütten etc.) werden vorzugsweise Klein-KWK-Aggregate im Inselbetrieb mit Pflanzen-, Rapsöl oder mit Flüssiggas eingesetzt, die mit einem oder mehreren bidirektionalen Wechselrichtern kombiniert werden.

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Technologien der Klein-KWK-Module
Verbrennungsmotoren
Bei den Klein-KWK-Aggregaten mit ­Ottomotoren handelt es sich im klassischen Sinne um Weiterentwicklungen der Blockheizkraftwerke (BHKW).

Die KWK-Module nehmen die im Motorkühlwasser, Motoröl, Generator und u. U. im Abgas enthaltene Wärme auf und geben diese mittels Wärmeübertrager an das Heizungs- und Warmwassersystem ab. Damit evtl. Verschmutzungen nicht in den Motor gelangen, wird der Kühlwasserkreislauf in der Regel vom Heizungskreis getrennt. Um die Wärmeübertragungsverluste zu reduzieren, besteht aber auch je nach Modulaufbau die Möglichkeit, den Motor direkt mit Heizungswasser zu kühlen.

Einige Hersteller bieten zur Brennwertnutzung einen zusätzlichen Kondensations-Wärmeübertrager an, mit dem der Gesamtwirkungsgrad des Klein-KWK-Sys­tems, in Abhängigkeit von der Rücklauftemperatur, um bis zu 10 % gesteigert werden kann.

Bei einem Gesamtwirkungsgrad von ca. 90 % wird ein Drittel der eingesetzten Energie in Strom umgesetzt und ca. zwei Drittel als Nutzwärme verwendet.

Der Verbrennungsmotor treibt den Generator zur elektrischen Stromerzeugung an, wobei die freigesetzte Wärme ebenfalls über den Wärmeübertrager ausgekoppelt wird.

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Rapsöl-KWK-Modul "Dachs" Typ "RS 5.0".
Bild: SenerTec

Die in Abhängigkeit von der Drehzahl variierende Wechselspannung des Generators wird zunächst gleichgerichtet und für die Netzeinspeisung in eine dreiphasige Wechselspannung umgewandelt. Die erzeugte Energie soll zu einem möglichst großen Anteil innerhalb des Gebäudes genutzt werden. Für den Fall, dass die produzierte Leistung größer wird, als die benötigte Energiemenge des Eigenbedarfs, wird der Überschuss gegen eine Vergütung in das öffentliche Versorgungsnetz eingespeist. Benötigt der Verbraucher dagegen mehr elektrische Leistung als das Klein-KWK-Aggregat erzeugen kann, dann muss der zusätzliche Strom über den Versorgungsnetzbetreiber (VNB) bezogen werden.

Aus wirtschaftlichen und ökologischen Aspekten sollten die Klein-KWK-Aggregate eine möglichst hohe jährliche Betriebsstundenzahl, d. h. in der Regel 4000 bis 5000 h/a erreichen, um indirekt auch einen hohen Jahresnutzungsgrad zu erzielen. Da zuviel produzierter Strom ins öffentliche Leitungsnetz eingespeist werden kann, ist zur Auslastung der Anlage der Wärmebedarf des Gebäudes entscheidend.

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Heiz- bzw. Pflanzenöl-KWK-Modul Typ "KWE 8P-3 AP".
Bild: KW-Energietechnik

Als Standardlösung für die Verbrennung von Heizöl und anderen flüssigen Brennstoffen wird in der Regel ein Viertakt-Dieselmotor verwendet. Die Klein-KWK-Aggregate mit Dieselmotor erreichen zwar bei gleichem Gesamtwirkungsgrad einen dem Gasmotor Klein-KWK-Aggregat gegenüber höheren elektrischen Wirkungsgrad, wirken sich aber aufgrund der höheren Schadstoffemissionen nachteilig aus. Um die für Magermotoren geltenden Grenzwerte einhalten zu können, müssten die Dieselmotoren mit zusätzlichem Katalysator ausgerüstet werden.

Stirlingmotor
Wie bei allen anderen Wärmekraftmaschinen, so nutzt auch der Stirlingmotor den thermodynamischen Effekt der Druck- und Volumenvergrößerung von Arbeitsgasen bei Temperaturerhöhung aus.

Bei den konventionellen Kolbenmotoren im Otto- oder Dieselprinzip verlässt das Arbeitsgas (warme Luft im Abgas) nach der Expansion die ­Maschine und wird durch neues Gas (kalte Luft mit Brennstoff) ersetzt. Beim Stirlingmotor bleibt das Arbeitsgas in der Maschine und wird bei jeder Umdrehung der Maschine erwärmt und  abgekühlt, wobei die hierbei entstehenden Drücke auf die Kolben wirken. Ein geschlossener Arbeitsraum, der als Arbeitsgas in der Regel Helium oder Stickstoff enthält, wird auf einer Seite von außen erhitzt und auf der anderen Seite gekühlt. Das Arbeitsgas wird im heißen Bereich expandiert und im kalten Bereich komprimiert.

Während der Verdrängerkolben angetrieben wird, gibt der Arbeitskolben mechanische Energie ab. Die daraus resultierende Bewegungsenergie wird über einen Generator in elektrischen Strom umgewandelt.

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Tabelle: Marktübersicht der Klein-KWK-Anlagen für flüssige Brennstoffe bis 15 kW.
(Quelle: IB-THEISS, München)
Größere Datei zum Download siehe unter Dateien.

Flüssige Brennstoffe
Heizöl (EL)
Beim Einsatz von Dieselmotoren in Klein-KWK-Moduleinheiten wird primär Heizöl (EL) verwendet.

Pflanzenöl
Für die energetische Nutzung in Dieselmotoren werden bevorzugt Pflanzenöle verwendet, da diese frei von Schwefel, biologisch vollständig abbaubar und mittlerweile auch konkurrenzfähig zu Benzin und Diesel sind. Als Brennstoff für den ­Einsatz in Klein-KWK-Aggregaten ­kommen vorrangig nachfolgend aufgeführte Pflanzenöle zum Einsatz:

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Rapsöl
Rapsöl wird als Brennstoff  in den Klein-KWK-Aggregaten u.?a. in exponierte Gebäude (Wochenendhäuser, Berghütten, etc.) eingesetzt. Rapsöl ist im Gegensatz zu den konventionellen Kraftstoffen biologisch gut abbaubar. Ein großer Vorteil besteht deshalb auch in der einfachen Handhabung. Rapsöl gilt nicht als Gefahrgut, d.?h. Rapsöl ist nicht wassergefährdend.
Gegenüber dem Heizöl sind hier auch technische Vorteile zu verzeichnen. So fallen die bei den Mineralöltanks vorgeschriebenen Prüfungen der Tankanlage im 5-Jahres-Rhythmus weg, weil ­Rapsöl in die Wassergefährdungsklasse 0 eingestuft ist.
Die Grenzwerte für die Stickoxide und Chlorwasserstoffe sind für Heizöl EL in der TA-Luft vorgegeben. Was nicht in der TA-Luft vorgegeben wird, aber für Heizöl über die Rußzahl bestimmt wird, ist der Anteil der staubförmigen Stoffe des Rußes in
der Luft. Bei einem Vergleich zwischen Heizöl und Rapsöl zeigt sich, dass beim Rapsöl ein geringfügig erhöhter Aschegehalt freigesetzt wird.

Rapsölmethylester (RME)
Seit Jahren etabliert sich Rapsölmethyester (RME) als Handelsbezeichnung ­"Biodiesel". Biodiesel entsteht durch Veresterung von Rapsöl. Bei der "Umesterung" werden zum Rapsöl ca. 10 % Methylalkohol hinzugegeben. Die chemische Struktur von Biodiesel begünstigt eine vergleichsweise schadstoffarme Verbrennung und vermindert damit die Emission von Schadstoffpartkeln.
Bei der Pflanzenöl-Lagerung sollte beachtet werden, dass es weder direkter Sonneneinstrahlung noch Frostgraden ausgesetzt werden darf. Reines Pflanzenöl wird ohne Dieselbeimischung bei ca. 0 °C fest und insofern auch nicht mehr pumpfähig. Zudem sollte der Raum gasdicht ausgeführt sein, d. h. Lichteinfall, Sauerstoff- und Wasserzutritt muss vermieden werden, weil die Vorgänge der Fettoxidation bei Rapsöl und Rapsölmethylester (RME) nicht vorhersehbar sind.

Die besonderen Vorteile liegen innerhalb der physikalisch/chemischen Besonderheiten. Bei einer hohen Energiedichte von Pflanzenöl besteht aufgrund der geringen Abdampfrate weder bei Transport noch bei der Lagerung eine Explosionsgefahr.

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Herstellerprodukte
Verbrennungsmotor KWK

Die neue Dachs-Variante "RS" der SenerTec GmbH offeriert sich als weltweit erstes rapsölbetriebenes Klein-KWK-Modul und wird bereits in Serienfertigung hergestellt. Die Anlage setzt aufgrund des ökologischen Brennstoffs nur so viel Kohlendioxid frei, wie die Rapspflanze während ihres Wachstums aufgenommen hat.

Ein Gebäude mit Mindestdämmstandard, das mit dem rapsölbetriebenen Mini-BHKW "Dachs RS" beheizt wird, erreicht im neuen Gebäudeenergieausweis die höchste Effizienzklasse A.

Die KW Energie Technik aus dem bayerischen Freystadt hat die Inbetriebnahme des 50. Klein-KWK-Moduls in einer alpinen Schutzhütte installiert. Die Klein-KWK-Anlage in der Ansbacher Hütte in 2376 m Höhe im österreichischen Tirol gelegen, arbeitet mit Pflanzenöl und  unterstützt mit 14 kWel eine PV-Inselanlage. Mit weiteren 27 kWth sorgt die Klein-KWK-Anlage für Wärme, die für die  Warmwasserbereitung und Raumheizung genutzt wird.

Stirling Systems GmbH ist Anfang Dezember 2008 von Cleanergy A.B. in Göteborg übernommen worden. Der Service für die in der Praxis bereits eingesetzten Maschinen wird Anfang 2009 wieder aufgenommen; die Produktion neuer Maschinen beginnt Mitte 2009.

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Der Stirlingmotor mit dem Arbeitsgas Helium wurde seit 2002 für den Erdgas­betrieb mit dem Erhitzerkopf/FLOX (Flam-
mloser Oxidationsbrenner) in ­modulierender Betriebsweise mit 8 bis 22 kWth und 2 bis 7,5 kWel in Serie hergestellt und befand sich mit rund 150 verkauften Einheiten gerade in der Markteinführung.

Die Entwicklung der Biomasse-Version wurde im März 2007 unterbrochen, weil diese Arbeiten nicht nur schwierig und kos­tenintensiv waren, sondern weil für Solo Stirling am 21.06.2007 das Insolvenzverfahren eingeleitet wurde. Die Vermögenswerte sowie Rechte und  Patente an der Technologie und insbesondere an dem KWK-Modul "V 161" hat Stirling Systems mit Sitz im schweizerischen Schaffhausen erworben, die ein eigenes 1-kW-Modul mit Freikolben-Stirlingmotor entwickelt hat, das derzeit im Feldtest erprobt wird. Die ehemalige Solo-Fertigung in Sindelfingen blieb bis 8.12.2008 unter dem Namen Stirling Systems GmbH erhalten.

Spezialist für BHKWs: ­Giese Energie und Regelungstechnik aus der Nähe von München.
Bild: Giese

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Stirlingmotor KWK
Das Stirlingmotor-KWK vom Typ "2ZM" der Enerlyt Potsdam GmbH wird als 2-Zyklen-a-Stirlingmotor mit zwei in Reihen liegenden, doppelwirksamen Kolben hergestellt und enthält als Arbeitsgas Stickstoff. Der Stirling-"2ZM" arbeitet mit zwei Ericsson Zyklen, die mit 180 ° Phasenverschiebung laufen, wodurch eine hohe Ener­giedichte und Regelbarkeit erreicht wird. Die Erhitzertemperatur beträgt ca. 700 °C. Die thermische Leis­tung beträgt 3,5 kW und die elektrische Leis­tung 1,0 kW.

Entsprechend den Herstellerangaben erreicht das "2ZM" einen Gesamtwirkungsgrad von 91 %, der elektrische Wirkungsgrad beträgt 20 %.

"2ZM" wurde für Einfamilienhäuser konzipiert und befindet sich als Erdgas betriebene Version in der Entwicklung. Für die Zukunft ist angedacht diesen Motor auch mit Rapsöl zu betreiben. Nach Herstellerangaben soll mit der Serienproduktion 2010 begonnen werden.

Beim "Stirling Energy Module (SEM)" handelt es sich um ein innovatives KWK-Modul mit einem ß-Freikolben-Heißgasmotor, bei dem das erwärmte Medium (Helium) zwei Kolben phasenversetzt bewegt. Die zyklische Erwärmung bzw. Abkühlung wird in mechanische Arbeit und diese in der Folge in elektrischen Strom umgewandelt. Der Prototyp des "SEM"-KWK mit einer Leistung von 1,1 kWel und 4,3 kWth, besteht aus den vier Hauptkomponenten Stirlingmotor, Heizöl- (oder Erdgas-) Brenner, der Steuerung und den ­Peripheriegeräten.

Die "Stirling Energy Module" werden derzeit an fünf Standorten (u. a. in einem Mehrfamilienhaus in Oberwill BL) intensiven Feldtests unterzogen.

In Bezug auf einen Zeitpunkt für die Markteinführung des von der Awtec AG weiterentwickelten 1 kW-Moduls will sich die Stirling Systems AG/ Awtec AG noch nicht äußern.

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Förderungen und Zuschüsse
Das neue KWK-Gesetz regelt die Abnahme und Vergütung von Strom aus KWK-Anlagen, weil diese Technologie als umweltfreundlich gilt und weil aus der zugeführten Primärenergie in einem Umwandlungsprozess hohe Wirkungsgrade und zwei unmittelbar nutzbare Energiearten entstehen. Seit April 2002 erhalten daher die Betreiber von KWK-Anlagen einen gesetzlich definierten Zuschlag für den Strom, den der Generator in das Netz der öffentlichen Elektrizitätsversorgung einspeist. Nach § 5 des KWK-Gesetzes sind die Elektrizitätsversorgungsunternehmen zum Anschluss und zur Abnahme verpflichtet.

Die Preisregelung besteht hierbei aus einem variablen Element und einem gesetzlich fixierten Anteil. Während es sich beim Zuschlag um einen festen Betrag handelt, muss der Preis für die eigentliche Stromvergütung zwischen dem Anlagen- und Netzbetreiber vereinbart werden.

Wer Strom und Wärme möglichst effizient erzeugt, der spart nicht nur Energiekosten, sondern leistet auch einen wesentlichen Beitrag zum Klimaschutz. Aus diesem Grund wird die Anschaffung von hocheffizienten Mini-Blockheizkraftwerken (Mini-BHKW) jetzt erstmals direkt vom Staat gefördert. Mit dieser Technik kann der CO2-Ausstoß eines Gebäudes um bis zu 60 % verringert werden.
Im Rahmen des neuen Impulsprogramms für kleine KWK des Bundesumweltministeriums (BMU) erhalten Privatpersonen und Unternehmer einen beträchtlichen Investitionszuschuss. Dieser kann in der Praxis für kleine, kompakte Kraftwerke bis zu 50 % der Kosten betragen. In Verbindung mit den Einsparungen durch die eigene Stromerzeugung werden die zusätzlichen Ausgaben gegen­über anderen Heizsystemen mehr als aus­geglichen und die Entscheidung für diese kostensparende und umweltschonende Technik dürfte leichter fallen.

Das Impulsprogramm ist Bestandteil der nationalen Klimaschutzinitiative des BMU, mit der die großen Potenziale zur CO2-Einsparung in der Breite erschlossen werden sollen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Maßnahmen, die sich durch ge-
ringere Energiekosten für die ­Verbraucher lohnen. Der Zuschuss für Mini-BHKWs setzt sich aus einer Basisförderung und einem Umweltbonus für einen besonders geringen Schadstoffausstoß zusammen. Die genaue Förderhöhe wird dabei gestaffelt in Abhängigkeit von der Stromproduktion ermittelt.

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Wirtschaftlichkeit

Die Wirtschaftlichkeit einer KWK-Anlage wird neben den Kapitalkosten stets durch die konkurrierenden Kosten für den Brennstoffbezug und die Erlöse für Strom und Wärme bestimmt sein. Hierbei sind zusätzlich die gesetzlichen Vorgaben und Förderungsmaßnahmen zu berücksichtigen. Gerade bei den innovativen Anlagensystemen sind die finanziellen Aufwendungen für die Beschaffung und Ins­tallation der Aggregate sowie für Wartung und Instandhaltung als wesentliche Kos­tenpositionen kennzeichnend.

Autor
Dipl.-Ing. Eric Theiß ist als freier Journalist mit den Themenschwerpunkten Technische Gebäudeausstattung (TGA) und rationelle und Regenerativtechnologien tätig.
81369 München,
dipl.ing.e.theiss@t-online.de

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