Kraft-Wärme-Anlagen zur Strom- und Wärmeerzeugung (Grundlagen).Kraft-Wärme- und Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung, Blockheizkraftwerke, Funktion, Kosten, elektrische Wirkungsgrade, Förderung und Gesetze.

Kraft-Wärme- und Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung, Blockheizkraftwerke, Funktion, Kosten, elektrische Wirkungsgrade, Förderung und Gesetze.

Grundlagen Kraft-Wärme-Anlagen & BHKWs

Kraft-Wärme-Kopplung KWK)

Definition Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

Anlagen mit einer Kopplung von Kraft und Wärme bezeichnet man als Kraft-Wärme-Anlagen (KWA) oder auch Heiz-Kraft-Anlagen (HKA).

Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist eine Technik, bei der die Wärme, die bei der Stromerzeugung thermodynamisch unvermeidbar anfällt, noch zu Heizzwecken nutzbar gemacht wird:

Z. B. durch die Nutzung der Abwärme, die beim Stromerzeugungsprozess in herkömmlichen Kraftwerken (Kondensationskraftwerken) ungenutzt an die Umgebung über Kühltürme abgegeben wird, lässt sich der Energienutzungsgrad durch KWK entscheidend erhöhen.

Energienutzungsgrad

- Herkömmliche Kraftwerke 30 bis 45 %

- Kraft-Wärme-Kopplung 80 bis >90 %

In Heizkraftwerken wird mit KWK gearbeitet.

Temperaturniveau

Damit diese Abwärme auch tatsächlich genutzt werden kann, ist es wichtig, dass sie auf einem zu Heizzwecken sinnvollen Temperaturniveau ausgekoppelt wird.

Bei Blockheizkraftwerken und Brennstoffzellen wird die Wärme in d. R. bei einer Temperatur von 70 bis 90°C abgegeben und kann somit für viele Heizungsanwendungen direkt genutzt werden.

Bei einem konventionellen Kraftwerk hingegen wird die Abwärme meist bei 20 bis 40 °C über den Kühlturm an die Umgebung abgegeben.

Diese Wärme lässt sich durch eine veränderte Prozessführung dennoch zu Heizzwecken bei Temperaturen zwischen 80 und 130°C nutzen, allerdings muss dann eine geringere Stromausbeute in Kauf genommen werden.

Klassifizierung der KWK nach der elektrischen Leistung

1. Klein KWK ≤ 2.000 kWel

2. Mini-KWK ≤ 50 kWel

3. Mikro-KWK ≤ 10 kWel

4. Nano-KWK,

stromerzeugende Heizung 1 bis 5 kWel

Wirtschaftlichkeit und Voraussetzung

Die eingesetzten Brennstoffe werden zu mehr als 95% ausgenutzt. Vergleiche auch Energienutzungsgrad.

Optimale Voraussetzungen für den effizienten Einsatz der KWK sind grundsätzlich:

- der gleichzeitige Bedarf an Strom und Wärme

- und eine möglichst große Nähe des BHKW zum Endverbraucher

- sowie eine ganze Reihe von weiteren günstigen Randbedingungen, die vor der Planung zu überprüfen sind.

Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungssysteme (KWKK) - Stand und Entwicklung

Informationsdefizite bei der Erzeugung von Kälte aus Wärme

Im gesamten KWK-Bereich, und besonders bei KWK-Anlagen mit Kältefunktion (z. B. Einbindung thermisch angetriebener Kältesysteme), bestehen noch erhebliche Informationsdefizite.

Mit der Motoren- und Prozesswärme kann man nicht nur Absorptions- und Adsorptionskältemaschinen antreiben, sondern auch Dessicant Cooling Systeme, Flüssigsorptionssysteme und Rankine Cycle Turbinen.

Auch die Entwicklungen bzgl. Solar Cooling - bestens geeignet für die BHKW-Kopplung - sind in der BHKW-Branche anscheinend noch nicht angekommen.

Der etwas schwierigere Nachweis der Wirtschaftlichkeit der Kältefunktion bei Kraft-Wärme-Kälte-Verbundlösungen, (höhere Investkosten) kann nicht allein der Grund für das geringe Interesse der BHKW-Branche sein, da verstärkt Nachfragen seitens Investoren, Bauherren und industriellen Betreibern bestehen.

Abwärmenutzung bei Biogasanlagen?

Das geringe Interesse an KWKK ist nach Ansicht von BHKW-Modullieferanten auch ein Ergebnis des Booms bei Biogasanlagen der 500 kWel-Klasse (z. Z. ca. 2.700 Anlagen in Betrieb!).

Durch die guten Rahmenbedingungen* nach EEG gibt es nur wenig Anreize, die Motorabwärme aus der Biogasverstromung ganzjährig zu nutzen (2 Ct/kWh).

*) Grundvergütung 9,9 ct/kWh, Nawaro-Bonus 6 ct/kWh und wenn die Motorenabwärme ausgekoppelt wird (nur) weitere 2 Ct/kWh als KWK-Bonus.

Bei den meisten Biogasanlagen wird die Wärme mehr oder weniger immer noch abgefackelt.

Allerdings besteht auch ein Zielkonflikt zwischen dem Aufstellungsort und seine Nähe zu Wohnsiedlungen oder Gewerbe als Wärmeabnehmer.

Geruchsbelästigung und hoher Lärmpegel durch Versorgungs- und Entsorgungsfahrzeuge sprechen eher für eine Platzierung der Biogasanlage in der Nähe der Rohstoffquellen als bei den Wärmeabnehmer.

Quelle: TGA Fachplaner 1-2007, Wolfgang Schmidt, Freier Fachjournalist für TGA, München

BHKW-Abwärme ganzjährig nutzen

Bei vorhandenen Kühlbedarf lassen sich die Vollbenutzungsstunden eines heizungsgeführten BHKWs durch die Kopplung des BHKWs mit einer Sorptionskältemaschine um ca. 1000 bis 2.000 h/a erhöhen.

Z. B. bietet die Yazaki Europe Ltd. Köln thermisch angetriebene Kältemaschinen (Absorptionskältemaschinen) von 17,5 bis 105 kW Nennkälteleistung.

Die beiden kleinsten angebotenen Absorber mit 17,5 und 35 kW eignen sich hervorragend in Verbindung mit Mini-BHKWs.

Ein animierbares Funktionsschema einer Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlage finden Sie unter www.yazaki-airconditioning.com.

Quelle: TGA Fachplaner 10-2010, www.yazaki-airconditioning.com.

Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage und Blockheizkraftwerk

Der Unterschied zwischen BHKW und KWK-Anlage

Blockheizkraftwerke (BHKWs) stellen eine Art Untergruppe des Oberbegriffes Kraft-Wärme-Kopplung dar.

Im Rahmen des BHKW-Infozentrums werden alle stationär betriebenen Motoren und Gasturbinen bis zu einer Größenklasse von 10 MWel (Modulleistung) als Blockheizkraftwerke betrachtet.

Hinzu kommen Brennstoffzellen und Stirlingmaschinen.

Alle Gasturbinen- und Motorenanlagen über dieser Leistungsgrenze sowie Dampfturbinen werden nicht als Blockheizkraftwerke sondern als Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWA) bezeichnet.

Definition BHKW

Anlage zur lokalen Erzeugung von Energie (Wärme und Strom) nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK).

Mit einem stationären Verbrennungsmotor (auch Motorenheizkraftwerk bzw. MHKW), einer Mikro-Gasturbine, Sterlingmotor, Linearen-Dampf-Motor oder einer Brennstoffzelle wird durch einen angekoppelten Generator Strom erzeugt.

Die dabei entstehende Abwärme wird zur Warmwasserbereitung und zu Heizzwecken genutzt.

Brennstoffe

Als Brennstoffe können z. B. Dieselkraftstoff, Erd- und Flüssiggas, Pflanzenöle, Biomasse etc. eingesetzt werden.

Das BHKW ist eine wirtschaftliche, umweltfreundliche sowie mineral- und ökosteuerbefreite Alternative zur herkömmlichen Energieversorgung.

Gesamtnutzungsgrade

Der dezentrale Einsatz des MHKW–System (Kraft-Wärme-Kopplung) nutzt mit der gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme effizient den Brennstoff,

spart bei geringeren Erzeugungsverlusten Kosten und Energie und entlastet hiermit unsere Umwelt von Schadstoff-Emissionen.

MHKWs erreichen Gesamtnutzungsgrade bis über 90%.

> Schema KWK

Mini-BHKW

Definition Mini-/Mikro-BHKW

Als Mini-BHKW werden KWK-Anlagen im kleinen Leistungsbereich bezeichnet:

- Mini-BHKW ≤ 50 kWel

- Mikro-BHKW ≤ 10 kWel

(auch Mikro- oder Klein-BHKW genannt).

Optimaler Einsatz für Mehrfamilienhäuser, Hotels etc.) zur eigenen Energieversorgung mit Strom und Wärme.

Wachsender Markt für Klein-BHKWs

Offenbar haben es die Anbieter von Klein-BHKWs geschafft, die z. T. schon euphorische Begeisterung des Endverbrauchers für (nicht lieferbare bzw. nicht bezahlbare) Brennstoffzellen-Heizgeräte auf das Mikro- und Klein BHKW zu übertragen.

Neben BHKWs mit Otto- und Dieselmotoren kommen jetzt verstärkt Mikro-BHKWs mit Stirlingmotor (z. B. von Solo Stirling, Viessmann, Bosch Thermotechnik) und mit Freikolbendampfmaschine mit integrierten Lineargenerator von Otag auf den Markt.

Interessant ist auch die extrem schadstoffarm arbeitende Mikrogasturbine von Capstone im Leistungsbereich 30/65 kWel und 70/125 kWth mit Luftlagerung.

Die Abgastemperatur beträgt ca. 300°C und bietet sich somit auch zum Antrieb einer Absorptionskältemaschine an.

Notstromfunktion und Inselbetrieb bei Klein-BHKWs?

Speziell die Besitzer von Ein- und Zweifamilienhäusern gehen in d. R. davon aus, dass ein Mikro-BHKW bei einer Netzabschaltung weiterläuft.

Da die Netzsynchronisation aber bei den kleinen Leistungen durch zusätzliche Bauteile (Batteriesatz, Batteriewechselrichter, Notkühler etc.) unverhältnismäßig teuer ist (ca. doppelter Preis), sind z. Z. praktisch nur wenige serienmäßig mit Notstromfunktion bzw. Inselbetrieb ausgestatteten Geräte am Markt.

Stromvergütung

Sei Anfang 2008 Prämie auch für selbstgenutzten KWK-Strom von 5,11 Ct/kWh.

Die Funktion des MHKWs/BHKWs

Kraft-Wärme-Kopplungs–Prinzip

Das Motorheizkraftwerk (MHKW) bzw. Blockheizkraftwerk (BHKW), ein kompaktes Modul mit einem Verbrennungsmotor (Diesel- oder Ottomotor) treibt einen Generator an und erzeugt gleichzeitig elektrischen Strom und Wärme.

Brennstoffe für den Verbrennungsmotor

Der Verbrennungsmotor wird z. B. mit Heizöl, Erd- oder Flüssiggas betrieben.

Bei Verwendung von Biodiesel aus Rapsöl oder anderen erneuerbarer Energien wird die Öko-Bilanz zu 100% ausgeglichen.

Wärme

Die anfallende Wärme des Motors (Kühlwasser, Abgase) wird, vergleichbar wie beim Auto, nicht ungenützt an die Umwelt abgegeben, sondern über mehrere Wärmetauscher direkt ins Heizsystem (Raumwärme, Prozesswärme) eingespeist.

Die Wärme wird in d. R in einem Pufferspeicher* zur kurzfristigen Entkopplung der beiden Produkte Wärme und Strom zwischengespeichert.

*) auch hydraulische Weiche oder Rücklaufanhebung sind möglich

Strom

Der erzeugte Strom wird in das Netz eingespeist oder z. T. selbst genutzt.

Stromkennzahl

Verhältnis von elektrischer Leistung zu Wärmeleistung

Regel- und Steuerungsanlage

Eine Regel- und Steuerungsanlage (Kraftwerkssoftware) überwacht alle Funktionen im System (z. B. SPS-Regelung).

Sie sorgt dafür, dass die Strom- und Wärmeproduktion, vollautomatisch ohne Aufsicht im Dauerbetrieb, den vorgegebenen Bedarf abdeckt.

! Zu beachten ist, dass im Sommer, wenn weniger Wärme benötigt wird, eine Leistungsmodulation oder Takten (wechselweises Abschalten, vorrangig nachts) ermöglicht wird.

Kosten (Beispiele)

Das Investitionsvolumen für eine BHKW-Anlage ist abhängig von den Begebenheiten vor Ort.

Sofern eine Anlage in eine bestehende Heizzentrale einfach eingebaut werden kann, sind die Einbindungskosten natürlich viel geringer als wenn eine neue Heizzentrale errichtet werden muss.

Richtpreise

Ungefähre Richtpreise für eine BHKW-Anlage (Öl oder Gas, ohne Spitzenlastkessel, Wärmespeicher und Brennwertnutzung):

5 kWel-Anlage

Investitionsvolumen ca. 13.500 €

spezifisches Investitionsvolumen 2.700 €/kWel

50 kWel-Anlage

Investitionsvolumen ca. 65.000 €,

spezifisches Investitionsvolumen 1.300 €/kWel

500 kWel-Anlage

Investitionsvolumen ca. 325.000 €,

spezifisches Investitionsvolumen ca. 650 €/kWel

Quelle: BHKW-Infozentrum

Arten der Kraft-Wärme-Kopplung

Bei der Kraft-Wärme-Kopplung unterscheidet man drei Techniken:

1. Wärmeauskopplung aus Kraftwerken

In Dampfkraftwerken mit Wärmeauskopplung wird die Heizwärme durch Kondensation von Wasserdampf gewonnen.

Funktion:

Mit Wasserdampf werden mehrstufige Turbinen angetrieben, die mit einem Generator zur Stromerzeugung gekoppelt sind.

In den Turbinen wird der Wasserdampf stufenweise entspannt (Druck nimmt ab). Der Dampf zur Erzeugung der Heizwärme wird vor der letzten Turbine (Niederdruckturbine) abgenommen und in einem Wärmetauscher kondensiert.

In Abhängigkeit des Kondensationsdruckes, kann somit Wärme bei verschiedenen Temperaturen erzeugt werden.

Durch die Dampfentnahme vor der Niederdruckturbine sinkt natürlich die Stromausbeute des Kraftwerks.

2. Blockheizkraftwerke

Blockheizkraftwerke können mit unterschiedlichen Techniken der Wärme- und Stromerzeugung betrieben werden.

Das Energieeinsparpotential ist sehr groß, und die Entwicklung neuer Technologien schreitet zügig voran.

Die meiste Erfahrungen wurden bisher mit Verbrennungsmotoren gemacht, aber auch Gasturbinen sind ziemlich weit verbreitet.

In letzter Zeit gibt es auch neue Entwicklungen mit Stirlingmotoren, Brennstoffzellen und auch die guten altbekannten Dampfmotoren versprechen neue Varianten der KWK mit hohen Effizienzgraden.

Als Blockheizkraftwerke werden kleinere (< 10 MWel), motorisch betriebene Heizkraftwerke bezeichnet, deren Motoren öl- oder gasbetriebene (oder andere) Verbrennungskraftmaschinen sind.

Funktion:

Die Abwärme und auch der Abgase des Motors (z. B. Diesel- oder Ottomotor, Gasturbine etc.) wird über einen Wärmetauscher zu Heizzwecken verwendet.

In d. R. werden auch die Abgase über einem Wärmetauscher noch weiter abgekühlt und als Heizwärme genutzt.

Beim BHKW wird die Stromausbeute durch die Verwendung der Motorabwärme nicht beeinflusst, aber das Temperaturniveau der Abwärme auf 70 bis 90°C festgelegt.

3. Brennstoffzellen-BHKW

Als neue Technologie u. a. für die Nutzung in der Kraft-Wärme-Kopplung wird die Brennstoffzelle angesehen, die besonders im Fokus des öffentlichen Interesses steht.

BHKW-Technologien

Verbrennungsmotoren-BHKW (MHKW)

Entwicklungsstand

Das motorische Blockheizkraftwerk (auch Motorenheizkraftwerk bzw. MHKW genannt) ist eine ausgereifte Technologie, die von der hundertjährigen Entwicklungsgeschichte der Otto- und Dieselmotoren profitiert.

Brennstoffe

Als Brennstoffe werden z. B. neben Erd- und Flüssiggas, Heizöl und Pflanzenöle etc. eingesetzt.

Leistungsbereiche

Verbrennungsmotoren (Gasmotoren) kommen sowohl im Mikro- und Mini-BHKW- Bereich zum Einsatz, als auch in größeren Leistungsbereichen bis zu 5 MWel.

Das Leistungsspektrum von Motoren beginnt bei so kleinen Leistungen (Heizleistung ca. 3 kWth und 1 kWel), dass sie sich für dezentrale Einsätze z. B. in Ein- und Zweifamilienhäuser sehr gut eignen.

Nutzbare Abwärme

Die nutzbare Abwärme der Motoren fällt an verschiedenen Stellen an.

Die Wärme wird aus dem Zylinderkühlwasser, dem Ölkühlsystem, den Abgasen und bei aufgeladenen Motoren aus dem Ladeluftkühler gewonnen.

Durch eine geschickte Auskopplung der Abwärme von Motor-Kühlwasser, Schmieröl und Abgas kann der Wärmeträger Wasser leicht auf 90 bis 110 °C aufgeheizt werden.

Einsatz

Durch das nutzbare Temperaturniveau von 90 bis 110 °C eignen sich solche Anlagen zur Gebäudeheizung.

Der Bedarf an Heizwärme ist hier besonders groß und unterliegt bekanntlich starken Tages-, Wochen und Jahresschwankungen.

Auch hier erweist sich die Motorentechnik gegenüber den Gasturbinen als günstig, weil die Teillastwirkungsgrade bei Motoren deutlich schwächer abfallen als bei Gasturbinen.

Die angebotenen BHKW-Größen reichen fast ohne Übergang bis zu mehreren MW, so dass auch Wohnblocks, Wohnanlagen und öffentliche und private Einrichtungen wie Schwimmbäder, Krankenhäuser und gewerbliche und industrielle Abnehmer in Frage kommen.

Wirkungsgrade

Positiv hervorzuheben ist bei dieser Technik der hohe Gesamtwirkungsgrad von > 90 %.

Der elektrische Wirkungsgrad liegt bei 25 bis 35 %.

Mit zunehmender Größe wird der elektrische Wirkungsgrad besser.

Vor- und Nachteile

Motor-BHKWs haben den Vorteil, dass nahezu alle gasförmigen und flüssigen Brennstoffe zum Einsatz kommen können.

Nachteilig sind die hohen Wartungskosten (Ölwechselintervalle) sowie auch die im Vergleich zu anderen Typen die hohen Emissionen, die Lärmentwicklung und die Schwingungen (bei den neuesten Modellen auf ein akzeptables Maß eingedämmt).

In den letzten 20 Jahren konnten gerade in dieser BHKW-Technik enorme Fortschritte erzielt werden: gestiegener Wirkungsgrad, Absenkung der Emissionen, hohe Verfügbarkeit, lange Lebensdauer der Anlagen und Vollautomatisierung des Betriebs.

Motoren

Das Angebot für Gas- und Dieselmotoren im Leistungsbereich bis 30 kWel ist inzwischen sehr groß.

Die Aggregate sind teilweise nicht größer als zwei handelsüblichen Waschmaschinen.

Die Lebensdauer der in Serie produzierten Motoren reicht von 40.000 bis über 60.000 Nutzungsstunden und erreicht damit – in Abhängigkeit von der jährlichen Nutzungsdauer - eine Zeitspanne von 10 - 20 Jahren und länger.

(Z. T. laufen Motoren inkl. Motorrevision mehr als 80.000 Betriebsstunden, entspricht ca. der Fahrleistung eines PkW-Motors von 3 bis 5 Mill. km)

Preise

Je nach Ausstattung werden Mini-BHKWs im unteren Leistungsbereich ab einem Modulpreis von ca. 12.000 bis 30.000 € angeboten.

Gasturbinen-BHKW

Entwicklungsstand

Die Gasturbine stellt eine "jüngere" Technologie dar. Diese Strömungsmaschinen werden vor allem im industriellen Bereich eingesetzt. Neue Entwicklungen machen diese BHKW-Technologie aber auch für den Einsatz im Raumwärmesektor interessant (Mikro-Gasturbine).

Funktion

Gasturbinen sind Verbrennungskraftmaschinen, bei der die Energie direkt in drehende Bewegung umgesetzt wird.

Nach der Arbeitsleistung in der Turbine erzeugen die expandierten heißen Rauchgase Nutzwärme.

Sie verlassen die Turbine mit einem sehr hohen Luftüberschuss und einer Temperatur zwischen 450–600 °C.

Vor- und Nachteile

Der wesentliche Vorteil der Gasturbine für die Kraft-Wärme-Kopplung ist die Wärmeabfuhr über das Abgas auf hohem Temperaturniveau.

Die spezifische Stromausbeute und der Gesamtnutzungsgrad sind niedriger als bei Verbrennungsmotoren.

Leistungsbereiche

Gasturbinen gibt es in Leistungsgrößen von 0,5 bis 150 MWel.

Wirkungsgrade

Anlagen > 5 MWel erreichen einen elektrischen Wirkungsgrad von 30 bis 35 %.

Nur bei Leistungen < 1 MW sinkt der Wirkungsgrad auf ca. 20 %.

Mikro-Gasturbinen

Entwicklungsstand

Erst seit einigen Jahren werden auch kompakte Gasturbinen bis herunter zu 30 kWel angeboten.

Diese Mikroturbinen sind neu entwickelte Produkte, welche sich u. a. zum Einsatz in der dezentralen Stromversorgung und der Kraft-Wärme-Kopplung eignen und im Leistungsbereich unterhalb von 500 kWel angesiedelt sind.

Funktion

Basis für die Entwicklung der Mikroturbinen war die Turboladertechnologie und die Entwicklungen in der Luftfahrtindustrie.

Der Strom wird über einen schnelllaufenden Permanentmagnet-Generator (ohne Zwischenschaltung eines mechanischen Getriebes) erzeugt.

Der Permanentmagnet des Generators ist hierbei direkt auf der Antriebswelle der Turbine angeordnet, so dass der Generator mit der gleichen Drehzahl wie die Turbine (z. B. 96.000 U/min) betrieben wird.

Der so erzeugte hochfrequente Wechselstrom mit einer Frequenz von 1.600 Hz wird in der Leistungselektronik der Turbine zunächst gleichgerichtet und dann in Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz und einer Spannung von 400 V gewandelt.

Zum Start der Turbine dient der Generator als Motor, der die Turbine zunächst auf eine bestimmte Startdrehzahl antreibt.

Im Netzparallelbetrieb übernimmt dann nach der Zündung der Turbine der Generator die Last.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Industriegasturbinen erfolgt die Leistungsregelung der Turbinen durch das "elektronische Getriebe" über die Drehzahl.

Demzufolge weist die Mikrogasturbine im Teillastverhalten nur geringe Wirkungsgradverluste auf.

Wirkungsgrade

Dank der Rekuperatortechnik kann ein elektrische Wirkungsgrad von 25 bis 28 % erreicht werden.

Ein Rekuperator nutzt die Wärmeenergie aus den Turbinenabgasen und wärmt damit die Verdichteraustrittsluft auf, bevor diese in die Brennkammer gelangt.

Dadurch vermindert sich der benötigte Brennstoffeinsatz und es können höhere elektrische Wirkungsgrade erzielt werden.

Trotzdem fallen die Wirkungsgrade von Motorenanlage derselben Größenklasse noch um einige Prozentpunkte höher aus.

Einsatz

Mikro-Gasturbinen haben ein großes Potential zum Einsatz vor allem in EVUs zur dezentralen Stromerzeugung, aber auch die Industrie könnte ein wichtiges Einsatzfeld sein.

Sie sind insbesondere für Anwendungsfelder interessant, welche für Trocknungsprozesse oder zur Realisierung einer Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung ein höheres Temperaturniveau der Abwärme benötigen.

Vor- und Nachteile

Mikrogasturbinen zeichnen sich gegenüber Motorenanlagen durch deutlich niedrigere Wartungskosten aus.

Aufgrund des hohen Investitionsvolumens von ca. 62.000 € für eine Aggregat mit 28 kWel und dem gegenüber Motoren gleicher Leistungsgröße um einige Prozentpunkte geringeren elektrischen Wirkungsgrad erscheint ein wirtschaftlicher Betrieb aber nur bei wenigen Anwendungsfeldern möglich.

Denkbar wäre aber z. B. ein verstärkter Einsatz im Contracting-Bereich, da in diesem Fall die Vorteile der Mikrogasturbinen aufgrund des geringeren Wartungsaufwandes besonders zum Tragen kämen.

Stirlingmotoren-BHKWs

Entwicklungsstand

Der Stirlingmotor ist vom Konzept her älter (ca. 190 Jahre) als Kraftmaschinen mit interner Verbrennung.

Er fristete lange Zeit ein Nischendasein. Als Maschine für den Einsatz als BHKW zur Energieversorgung von Gebäuden erlebt er aber z. Z. eine Renaissance.

Marktreife Anlagen für Öl und Erdgas gibt es schon seit einigen Jahren.

Stirling-BHKWs werden derzeit in verschiedenen Tests in geringen Stückzahlen erprobt. Dabei werden auch verschiedene Brennstoffe in Kombination mit den Stirling-BHKW getestet, wie z. B. Erdgas, Grubengas, Biogas und Holz.

Erste Kleinserien sind schon oder könnten in den nächsten Jahren noch auf den Markt kommen.

Es gibt z. Z. ca. 6 verschiedene Ausführungen von Stirling-Maschinen.

(z. B. von Whisper Tech eine 4-Zylinder-Maschine mit Taumelscheibe etc.)

Funktion

Der Stirling-Motor ist wie der Dampfturbinenprozess eine Wärmekraftmaschine mit externer Verbrennung, in der eine konstante Gasmenge (z. B. Luft, Wasserstoff, Helium) in einem geschlossenen Raum erwärmt, komprimiert und wieder expandiert wird.

Diese Volumenänderungsarbeit wird auf einen Arbeitskolben übertragen und in mechanische Arbeit umgesetzt.

Das Gas wird danach abgekühlt und wieder komprimiert (Kreisprozess).

Geschlossene Arbeitsräume und Wärmezufuhr von außen sorgen beim Stirlingmotor für die Unabhängigkeit von der Art des Brennstoffes bzw. von der externen Wärmequelle: Öl, Gas, Biogas etc. oder konzentrierte Sonnenstrahlung können so zum Einsatz gebracht werden.

Dadurch eröffnen sich die Möglichkeiten, durch Auswahl geeigneter Verbrennungstechniken eine schadstoffärmere Verbrennung zu erreichen.

Brennstoffe

Neben Öl und Erdgas können auch z. B. Grubengas, Biogas, Holz

sowie fast alle Arten von Biomasse angewendet werden.

Wirkungsgrade

Stirlingmotoren haben einen Gesamtwirkungsgrad von > 85%.

Die elektrischen Wirkungsgrade liegen bei min. 10-12 % bei den kleinsten Anlagen und maximal 26 % bei Anlagen von 9,5 kWel.

(gegenüber den Mikro-BHKW mit Verbrennungsmotoren im Schnitt schlechtere Effektivität).

Vor- und Nachteile

Der Stirlingmotor weist eine lange wartungsfreie Laufzeit auf.

Schadstoffemissionen (insbesondere NOx) können bis zu 10mal niedriger liegen als bei Gas-Otto-Motoren mit Katalysator.

Die CO2-Einsparung der Stirlingmotoren ist abhängig vom Brennstoffeinsatz.

Stirling-Motoren sind leiser bzw. vibrationsärmer und haben ein gleichmäßigeres Drehmoment als Verbrennungsmotoren.

Mit den hohen Temperaturdifferenzen und -drücken (100 bis 190 bar) auf engstem Raum sind Material- und Dichtungsprobleme verbunden.

Leistungsbereiche

Weltweit versuchen seit kurzem Firmen Stirling-Motoren als BHKW-Anlagen auf dem Markt einzuführen.

Der Leistungsbereich der entwickelten Motoren reicht von 1 kWel bis 40 kWel.

Stromvergütung

Seit Anfang 2008 gab es eine Prämie für selbstgenutzten KWK-Strom von 5,11 Ct/kWh.

Beispiele (gasbefeuerte Stirlingmotoren)

1. WhisperGen EU 1

Fa. Whisper Tech Ltd. Neuseeland (www.whispergen.com),

4-Zylinder-Maschine mit Taumelscheibe (Wobbel Yoke).

Im Einsatz sind bis jetzt ca. 1.500 Stck., besonders in England.

Leistungen im Dauerbetrieb: elektrisch 1 kWel,

thermisch 7,5 bis 14 kWth.

Ein 4,5 kW Gasbrenner kann bei Bedarf zugeschaltet werden, arbeitet bei RL-Temperaturen < 55 °C im Brennwertbereich.

Leistungsregelung: zweistufig.

Systempreis mit Puffer und Installation ca. 12.000 €.

Ein Feldtest in 20 typischen holländischen Reihenhäusern brachte u. a. durch den nur 80 l großen Pufferspeicher (-> häufiges Takten) nur eine bescheidene Energiekosteneinsparung von ca. 100 €/a.

Durch einen 120 l Puffer und eine verbesserte Regelung will man das Takten um ca. 60% verringern.

2. Viessmann

Leistungsmodulierende Freikolbenmaschine mit Lineargenerator und Gasbrenner.

Bekanntgabe der Markteinführung auf der ISH Frankfurt 2008.

Leistungen ca.: elektrisch 1,1 kW, thermisch 5,5 kW.

3. Bosch Thermotechnik

Leistungsmodulierende Feikolbenmaschine mit Lineargenerator und Gasbrenner.

Beginn Feldtest Ende 2008.

Leistungen ca.: elektrisch 1,1 kW, thermisch 8 kW.

Dampfmotoren-BHKW

Entwicklungsstand

Dampfmotoren gehören eigentlich nicht zu den BHKW-Technologien. Allerdings handelt es sich um die einzige typische Technologie, welche auch im Bereich < 1 MWel eine Kraft-Wärme-Kopplung mittels Dampferzeugung bei annehmbaren elektrischen Wirkungsgraden ermöglicht.

Mikro-BHKW-Anlagen mit Dampfmotor sind auf dem Weg zur Serienfertigung.

Es sind bis jetzt ca. 350 Stck. verkauft worden.

Die Firma OTAG in Olsberg produziert den lion Powerblock, der per Lineargenerator (Linator) mit freischwingendem Doppelkolben elektrischen Strom erzeugt (2,2 kWel, 16 kWth, Modulationsspanne ca. 1:10).

Durch Verändern der Gasflamme werden die Dampfparameter verändert (bei Volllast 30 bar, 300 °C), modulierende Leistungsregelung. Dadurch ist auch nur ein kleinerer Puffer erforderlich.

Leistung: elektrisch 2 kW, thermisch 16 kW

Für 2008 ist die Fertigung von 500 "lion® Powerblock" geplant, der mittlerweile gemeinsam mit einem traditionsreichen mittelständischen Unternehmen aus dem Sauerland gefertigt wird.

Die Markteinführung eines Pelletbrenners steht bevor.

Funktion

Im Dampfmotor wird Wasser in einem geschlossenen Kreislauf erhitzt und verdampft, in einem Expansionsmodul verrichtet der Wasserdampf Arbeit, kondensiert und gibt dabei Wärme an den Heizkreis ab und wird anschließend zum Verdampfer zurückgepumpt.

Der Dampfmotor arbeitet wie der Stirling mit externer Verbrennung und kommt daher auch auf ähnlich gute Abgaswerte und Brennstoffflexibilität.

Wirkungsgrade

Der Gesamtwirkungsgrad beträgt > 90 %.

Bei den kleinen Dimensionen im Bereich der Mikro-KWK sind beim Dampfkreislauf elektrische Wirkungsgrade nur von ca. 10 bis 15 % erreichbar (beim Großkraftwerk etwas höher).

Vor- und Nachteile

Positiv sind die geringen Wartungskosten ähnlich einer Brennwerttherme und der hohe Gesamtwirkungsgrad (> 90 %), aber ein relativ kleiner elektrischen Wirkungsgrad (10 bis 15 %).

Brennstoffzellen-BHKW

Entwicklungsstand

Als neue Technologie u. a. für die Nutzung in der KWK wird die Brennstoffzelle angesehen, die besonders im Fokus des öffentlichen Interesses steht.

Derzeit sind fünf erfolgsversprechende Brennstoffzellen-Typen in der Entwicklung, die sich u. a. auch in Bezug auf das Temperaturniveau der anfallenden Wärme erheblich unterscheiden (> mehr...).

Einige Brennstoffzellen-Technologien stehen bereits an der Schwelle der kommerziellen Anwendung.

Kommerziell verfügbar und wirtschaftlich ist schon die Karbonatschmelzen-Brennstoffzelle (MCFC) der Firma MTU (HotModule) mit einer elektrischen Leistung von 250 kW (weltweit knapp 20 Anlagen in Betrieb).

Für die Gebäudeheizung im untersten Leistungssegment von 1 bis 5 kWel sind die PEMFC und die SOFC die aussichtsreichsten Systeme. Diese Anlagen sind noch nicht käuflich (u. U. in ca. 10-15 Jahren).

Funktion

Brennstoffzellen sind elektrochemische Zellen, die (ähnlich einer Batterie) die chemisch gebundene Energie des Brennstoffs direkt in elektrische Energie umwandeln.

In einer Brennstoffzelle wird der Strom direkt auf elektrochemischem Weg aus dem Energieträger Wasserstoff gewonnen.

Bei der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser (als Abfallprodukt) entsteht Wärme, die ausgekoppelt wird und zu Heizzwecken genutzt werden kann.

Der erzeugte Gleichstrom kann in einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden.

Die Potentialdifferenz (Spannung) einer einzelnen Brennstoffzelle beträgt nur ca. 0,7 Volt.

(für höhere nutzbare Spannung werden mehrere Brennstoff(mini)zellen zu einem Stapel (Stack) in Reihe geschalten)

Die anfallende Abwärme durch elektrischen Widerstand oder durch vorbereitende Reformierung des Brenngases wird über einen Kühlkreislauf ausgekoppelt und kann zu Heizzwecken an einen Verbraucher abgegeben werden.

Die Stromausbeute wird durch die Wärmeentnahme nicht beeinflusst, aber das Temperaturniveau der Abwärme festgelegt (z. B. ca. 70 °C bei PEM-Zelle).

Wirkungsgrade

Bei stationären Einzelanlagen sind elektrische Wirkungsgrade von 40 bis 50 % die Obergrenze.

Vor- und Nachteile

Gegenüber konventionellen Systemen weisen Brennstoffzellen Vorteile hinsichtlich des elektrischen Systemwirkungsgrad auf, welcher auch im Teillastbetrieb erhalten bleibt (bei Teillast fällt der Wirkungsgrad kaum ab und in den im Vergleich zu allen anderen KWK-Systemen treten deutlich geringeren Stickoxid- und Kohlenmonoxid-Emissionen auf.

Durch den modularen Aufbau der Stacks ist eine optimale Leistungsanpassung realisierbar.

Grundsätzlich sind Brennstoffzellen sehr gut regelbar und weisen einen geringen Wartungsaufwand auf.

Problematisch sind noch die geringen Betriebserfahrungen, der fehlende Nachweis einer hohen Lebensdauer und die hohen spezifischen Investitionen.

Leistungsbereiche

Aufgrund ihrer modularen Bauweise sind Brennstoffzellen-Anlagen von wenigen Watt bis mehrere Megawatt denkbar.

Quelle: www.thema-energie.de

Motorheizkraftwerk (MHKW)–System als technische Lösung mit ökologischer wirtschaftlicher Zukunft

In jahrelangen Versuchen wurde der Otto– und der Dieselmotor für verschiedene Brennstoffe bzw. Kraftstoffe getestet. Die Erfahrungen werden nun erfolgreich in die Praxis umgesetzt.

Je nach Qualität der Brennstoffe aus erneuerbarer Energie wurden der Gasmotor und der Dieselmotor oder auch im Zündstrahlmotor entsprechend technisch modifiziert, um auch hohe Motornutzungsstunden bzw. Standzeiten zu erreichen.

Das MHKW–System erzeugt nach dem Prinzip der KWK Ökostrom & Biowärme.

Der im Generator erzeugte Ökostrom wird ins öffentliche Stromnetz nach dem Ökostromgesetz eingespeist bzw. verkauft.

Die im Verbrennungsmotor anfallende Bio-Abwärme (Abgase, Kühlwasser) wird über Wärmetauscher direkt ins Heizsystem als Raum- oder Prozesswärme abgegeben bzw. verkauft.

Vor- und Nachteile der MHKW–Technologie

Die Vorteile der MHKW–Technologie:

- hoher erreichbarer elektrischer Wirkungsgrad bis zu 40 %

- geringere spezifische Investitionskosten

- geringe Wartungs- und Instandhaltungskosten;

Der Nachteil beim MHKW

ist, dass der Verbrennungsmotor einen spezifischen Kraftstoff mit hohem Energieinhalt verlangt, der in reinem gasförmigem oder flüssigem Zustand relativ teuer in der Herstellung ist.

Mit der bewährten modifizierten Motortechnik ist es mit den Brennstoffen der erneuerbaren Energie wie Pflanzenöle und Holzgas möglich, Ökostrom & Biowärme wirtschaftlicher zu erzeugen als dies mit anderen KWK–Technologien geringerer elektrischer Wirkungsgrade möglich ist.

Ein Vergleich elektrischer Wirkungsgrade von KWK-Alternativen

KWK - Technologie	Eta–elektr.	Betriebswirtschaftliche Vor- und Nachteile
Dampf-Gegendruckturbine	10 – 20%	Vorteil: Verbrennung preisgünstiger Energieträger zur Dampferzeugung als Antriebsmedium Nachteil: Kesselwärter, Wasseraufbereitung erforderlich, spez. Investition in kleineren Leistungsbereich relativ hoch
Dampf–Kolbenmotor	6 - 20%
Dampf-Schraubenmotor	10 – 15 %
ORC-Prozess	10 – 20%	Vorteil: Kein Kesselwärter, keine Wasseraufbereitung, geringe Wartungs- u. Instandhaltungskosten, Einsatz preisgünstiger Brennstoffe Nachteil: spez. hohe Investition kleinerer Leistungen
MHKW bzw. BHKW mit Diesel- und Gasmotoren	28 – 40%	Vorteil: Strom & Wärme vor Ort, hoher Nutzungsgrad, geringe Emission und Wartungsaufwand Nachteil: Gleichzeitige Abnahme von Strom & Wärme, exakte Planung erforderlich

MHKW bzw. BHKW mit Diesel- und Gasmotoren

Die Erzeugung von Ökostrom und Biowärme mit Motorheizkraftwerken (MHKW) bzw. Blockheizkraftwerken (BHKW) ist auf Grund des vergleichsweise relativ hohen elektrischen Wirkungsgrades und des Brennstoff-Gesamtnutzungsgrades, vor allem für energieintensive Betriebe, eine gewinnbringende Notwendigkeit.

Dazu zählen insbesondere

- Fernwärmebetreiber bzw. Fernwärmeunternehmen

- Holzverarbeitende Betriebe

(Sägewerke, Papierindustrie, Tischlerei)

- Landwirtschaftliche Betriebe (Tierzucht, Gärtnerei)

- Öffentliche Institutionen

(Krankenhäuser, Kuranstalten, Altersheime)

Nach dem Österreichischen Ökostromgesetz – Bundesgesetz BGBl I Nr.149/2002 bzw. Deutschen EEG (Erneuerbaren Energiegesetz) vom 1.8. 2004 über die Abnahme elektrischer Energie aus Ökostromanlagen bieten sich mit dem Einsatz des MHKW auf Grund der vergleichbar hohen erreichbaren elektrischen Wirkungsgrade besondere Ertragskraft bei den Ökoprojekten.

Entwicklungstand und Probleme

Die wenigsten Probleme mit geringem Wartungsaufwand gibt es z. Z. bei den relativ ausgereiften Konstruktionen mit Gasmotor (Erd- oder Flüssiggas) bzw. Heizöl.

Bei Biodiesel, Biogas, Holzgas etc. wird an der Lösung technischer Probleme (höherer Wartungsaufwand etc.) gearbeitet.

wird fortgesetzt

Staatliche Förderung, Gesetze und Finanzierung (Beispiele)

Aktuelle Angaben

Antrag und den Gesetzestext > Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle

Energiewirtschaftsgesetz (EnWG)

- Vermiedene Nutzungsentgelte

Ökosteuer (Strom- und Mineralölsteuer)

- Befreiung von der Stromsteuer für selbsterzeugten Strom, Regelsatz 2,05 Ct/kWh
- bei Eigenstromverbrauch aus Anlagen bis 2 MWel Befreiung

von der Mineralölsteuer (Antrag bei Hauptzollamt)

- bei Erdgas 0,55 Ct/kWhel

- bei Propangas 60 €/1.000 kg

Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz* (KWKMod Gesetz)

- 5,11 Ct/kWh bis 50 kWhel,

- 2,25 - 1,94 Ct/kWh (2010) bis 2.000 kWhel

Erneuerbare Energien-Gesetz (EEG)

- Vergütung 2 Ct/kWh bei KWK mit Biogas oder Biomasse

- zzgl. Technologiebonus bei SFC- oder Stirling-Technologie

Aktuelle Daten EEG-Quote (Durchschnittsvergütung) > www.vdn-berlin.de/

Energieeinsparverordnung (EnEV)

- wirkt z. Z. den KWK-Anlagen entgegen

TA Luft

- Überwachung der Abgaswerte der KWK-Anlage

TA Lärm

- Lärmüberwachung gemäß gesetzlicher Vorschriften

Finanzierung

UmweltBank AG, Abt. Projektfinanzierung, > www.umweltbank.de

*) Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz

Das Gesetz für die Erhaltung, die Modernisierung und den Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung vom 19. März 2002 (Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz) ist am 22. März 2002 im Bundesgesetzblatt verändert worden (BGBl. IS. 1092).

Das Gesetz ist am 01.04.2002 in Kraft getreten.

Die Zulassung der KWK-Anlagen zum Begünstigungssystem des KWK-Gesetzes erfolgt durch das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA). Die Zulassung ist kostenpflichtig.

Das Gesetz schützt befristet bestehende Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen und schafft besondere Anreize, sie rasch zu modernisieren.

Darüber hinaus wird der Zubau von kleinen KWK-Anlagen bis 2 MW, insbesondere der Zubau von kleinen KWK-Anlagen bis 50 Kilowatt und von Brennstoffzellen-Anlagen durch das Gesetz in besonderem Maße vorangetrieben.

Die Betreiber begünstigter Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen können Zuschlagszahlungen nach diesem Gesetz von voraussichtlich insgesamt 4,448 Milliarden €; bis zum Jahr 2010 erhalten.

Förderzuschläge für kleine Anlagen bis 50 kW elektrischer Leistung:

5,11 ct/kWh für 10 Jahre bei Inbetriebnahme zwischen dem 1.4.02 und dem 31.12.05.

Für wesentlich mehr Informationen stehen wir Ihnen mit einer persönlichen Fachberatung jederzeit gerne zur Verfügung.

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