Ein neuer Trend ist unverkennbar

In den letzten Jahren hat sich einiges in der Kraft-Wärme-Kopplung geändert. Der Artikel beschreibt die aktuellen Trends.

Kraft-Wärme-Kopplung, kurz KWK, ist ein Mega­trend für die Energieversorgung der Zukunft. Durch die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme ist KWK die effizienteste Lösung für eine zukünftige dezentrale Stromerzeugung.

KWK ist nicht gleich KWK
Zur Beurteilung der Einsatzgebiete werden Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung in unterschiedliche Leistungsklassen unterteilt (Tabelle 1). Diese Einstufung ist in keiner Norm festgelegt, sondern orientiert sich am KWK-Gesetz. Dabei beziehen sich die angegebenen Leistungen auf die elektrische Leistung.

Förderprogramme sind aufgelegt
Das ursprünglich aus dem Jahr 2002 stammende KWK-Gesetz wurde letztes Jahr novelliert. In diesem Gesetz werden vor allen Dingen die Vergütungen für den erzeugten Strom, die Erstattung von Energiesteuern und der Netzzugang für KWK-Anlagen <2000 kW geregelt. Dadurch soll der Anteil des Stroms aus Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen bis 2020 auf 25% erhöht werden. Heute liegt er bei rund 16%.
Flankierend dazu hat der Bund beim BAFA (Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle) ein Zuschussprogramm für KWK-Anlagen bis 20 kWel aufgelegt. Die Förderung ist an Bedingungen geknüpft. So müssen die Anlagen über einen Wartungsvertrag betreut werden, über einen Pufferspeicher hydraulisch eingebunden sein und Strom- und Wärmezähler verfügen. Die weiteren Anforderungen können auf der Internetseite des BAFA abgerufen werden. Auf der gleichen Internetseite kann eine Liste der förderfähigen Anlagen eingesehen werden. Diese Liste kann als gute Marktübersicht für KWK-Aggregate bis zu einer Leistung von 20 kW herangezogen werden.
Auch manche Bundesländer fördern den Einsatz von KWK. Besonders gut wird KWK derzeit in Nordrhein-Westfalen über das KWK-Impulsprogramm gefördert. Flankiert werden diese Zuschuss­programme durch zinsgünstige Kredite der KfW (Kreditanstalt für Wiederaufbau) und der Landesbanken. Einige lokale Ener­gieversorger fördern ebenfalls den Einsatz von KWK-Anlagen.

Langläufer rechnen sich schneller
Für den wirtschaftlichen Betrieb sollten KWK-Anlagen möglichst lange Laufzeiten aufweisen. Unter 5000 Betriebsstunden lohnt sich der Einsatz von KWK-Anlagen nur selten. Grund dafür sind die erhöhten Wartungs- und Investitionskosten.
Die Wirtschaftlichkeit solcher Systeme ist von vielen Faktoren abhängig. Einer der wichtigsten ist der Ertrag aus der Stromerzeugung. Dabei ist der Wert des Stroms davon abhängig, ob er ins öffentliche Netz eingespeist wird oder ob der Strom im eigenen Gebäude oder Betrieb verbraucht werden kann. Für den Betreiber einer KWK-Anlage ist es wirtschaftlicher, den erzeugten Strom selbst zu verbrauchen.

Ein neuer Trend
Seit einigen Jahren zeigt sich ein neuer Trend zu KWK-Einheiten mit immer niedrigeren Leistungen. Die Anlagen von weniger als 2 kWel (elektrische Leistung) werden auch als „Stromerzeugende Heizungen“ bezeichnet. Einhergehend mit der niedrigen elektrischen Leistung ist auch die thermische Leistung so gering, dass lange Laufzeiten erreicht werden. 5000 Betriebsstunden pro Jahr sind zwar nicht realisierbar, durch Wartungskosten in Höhe einer normalen Heizungswartung ist das für diese Geräte auch gar nicht nötig. Damit wird KWK auch für das Einfamilienhaus interessant.
Die Anlagen werden durch die Bauart des stromerzeugenden Aggregats unterteilt:

• Verbrennungsmotoren,
• Stirlingmotoren,
• Dampfkolbenmotoren,
• Brennstoffzellen.

Stromerzeugende Heizungen auf Verbrennungsmotorbasis
Vaillant hat dazu eine Kooperation mit Honda als Motorlieferanten geschlossen. Das Aggregat verfügt über eine elektrische Leistung von 1 kW und einer thermischen Leistung von 2,5 kW. Das gesamte System besteht aus dem „eco-power 1.0“, einem Wärmeauskopplungsmodul und einem Spitzenlastkessel als normales Brennwertgerät. Die hydraulische Anbindung an die Heizungs- und Trinkwasseranlage erfolgt über einen Pufferspeicher mit Frischwasserstation.
Weitere Motorhersteller bieten ebenfalls Aggregate mit Verbrennungsmotoren an. So setzt die Firma Kirsch auf einen luftgekühlten 2-Zylinder Motor, der monovalent über einen Pufferspeicher angebunden wird. Das Gerät „micro BHKW L 4.12“ moduliert über 2, 3 und 4 kWel und liefert 12 kW thermische Leistung.

Stromerzeugende Heizungen auf Stirlingmotorbasis
Das Prinzip des Stirlingmotors beruht auf unterschiedlichen Temperaturen, die mittels Arbeits- und Verdrängerkolben in Bewegungsenergie umgesetzt werden. Diese bewegt einen magnetischen Kolben mit 50 Hertz an einer Spule vorbei, in der dann die elektrische Energie erzeugt wird. Die heiße Seite des Stirlingmotors wird mit Temperaturen um 500°C betrieben, die Heizungsanlage übernimmt die Kühlung der „kalten“ Seite.
Die stromerzeugenden Heizungen der großen Markenhersteller beinhalten den Stirlinggenerator und ein Brennwertgerät zur Deckung der Spitzenlast und sind dabei kaum größer als ein normales Wandheizgerät. Die stromerzeugenden Heizungen mit Stirlingmotoren haben eine elektrische Leistung von 1 kW und im Generatorbetrieb eine thermische Leistung von etwa 5,5 kW. Über das Brennwertgerät werden dann 20 bis 25 kW Wärmeleis­tung bereitgestellt. Die hydraulische Anbindung erfolgt auch hier über einen Pufferspeicher.

Stromerzeugende Heizungen auf Basis von Dampfkolben
Der „lion Powerblock“ arbeitet mit einem Lineargenerator, der mit Dampf angetrieben wird. Der Dampf wiederum wird über einen Brenner erzeugt. Das Gerät moduliert elektrisch von 0,3 kW bis 2 kW bzw. thermisch 3,0 kW bis 16,0 kW.

Stromerzeugende Heizungen auf Brennstoffzellenbasis
Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Sauerstoff elektrochemisch direkt in Wärme und Strom. Dabei entfällt der Zwischenschritt der Umwandlung von Wärme in Bewegungsenergie und der Umwandlung von Bewegungsenergie in Strom. Hierdurch erlangen Brennstoffzellen den höchsten elektrischen Wirkungsgrad in der KWK.
Theoretisch könnten Brennstoffzellen verschleißfrei arbeiten, jedoch ist die Lebensdauer durch die Standzeiten des Brennstoffzellenstacks sowie der eingesetzten Materialien begrenzt. Als Energieträger wird Erdgas verwendet.
Bisher gibt es nur einen Hersteller, der eine Brennstoffzelle marktreif anbietet: Der „Blue Gen“ von Ceramic Fuel Cells ist seit 2011 auf dem Markt. Seine elektrische Leistung liegt zwischen 0,5 und 1,5 kW. Die maximale Wärmeabgabe beträgt lediglich 625 W.
Weitere Geräte befinden sich in Feldtests und es wird damit gerechnet, dass diese ab 2015 zur Verfügung stehen. Brennstoffzellen eignen sich hervorragend für die Eigenstromversorgung im Wohngebäudebereich. Lediglich der Preis und die Verfügbarkeit müssen in Zukunft ihre Praxistauglichkeit beweisen.

Fazit
Bei der Wärmeerzeugung stellt die Brennwerttechnik das physikalische Maximum dar. Mit der stromerzeugenden Heizung aber ist die Kraft-Wärme-Kopplung im Einfamilienhaus angekommen und wird sich dort etablieren. In schon fünf Jahren werden stromerzeugende Heizungen so selbstverständlich eingebaut wie heute Brennwerttechnik. Denn was ist die Nano-KWK anderes als wörtlich genommen eine Heizungsanlage, die nebenbei noch etwas Strom erzeugt?

Autor: Peter Lückerath, Energieagentur NRW