Mikro-KWK

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Die Mikro-KWK steht für eine Klasse von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, die das unterste Leistungssegment der KWK abdeckt. In Anlehnung an eine dreiphasige Einspeisung ins Niederspannungsnetz (16 A, 400 V) wird eine Abgrenzung von <15 kW_el vorgeschlagen. Sie ist für den Einsatz in Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie für das Kleingewerbe geeignet.

Die Mikro-KWK erlaubt den Einsatz der energieeffizienten Kraft-Wärme-Kopplung auch ohne kapitalintensives Fernwärmenetz und verringert die Übertragungsverluste durch dezentrale Stromerzeugung.

Inhaltsverzeichnis 1 Technik 1.1 Motorisches BHKW 1.2 Stirling-Motor 1.3 Dampfmotor 1.4 Brennstoffzelle 2 Marktübersicht 2.1 Siehe auch 2.2 Weblinks 2.3 Literatur

[Bearbeiten] Technik

Bei einem Mini-BHKW wird der Energieträger, meist Erdgas, in einem thermodynamischen Kreisprozess genutzt, um mechanische Energie und daraus elektrische Energie zu generieren. Die Abwärme wird in das Heizungssystem des Gebäudes eingekoppelt. Der Strom wird selbst genutzt, der Saldo über das Netz ausgeglichen.

Um auch im Sommer auf Laufzeiten des KWK-Aggregats zu kommen, ist es wichtig, dass auch die Warmwassererzeugung zentral erfolgt. In der Regel erfolgt die Auslegung so, dass die Grundlast an Wärme (Warmwasser + Übergangszeit) durch das BHKW bereitgestellt wird und der Spitzenwärmebedarf für die kalten Wintertage durch einen Zusatzbrenner geliefert wird. Ein Wärmespeicher entkoppelt die Wärme- von der Stromlieferung und erlaubt neben einer taktungsarmen Fahrweise den Betrieb zu Zeiten mit hohen Eigenstrombedarf.

[Bearbeiten] Motorisches BHKW

Das motorische Blockheizkraftwerk ist eine ausgereifte Technologie, die von der hundertjährigen Entwicklungsgeschichte von Otto- und Dieselmotoren profitiert. Auch bei Kleinst-KWK sind mehrjährige Anwendungserfahrungen vorhanden. Neben Erdgas und Flüssiggas werden Heizöl (technisch das gleiche wie Dieselkraftstoff) und neuerdings auch Pflanzenöl eingesetzt.

Neben der erprobten Technik ist beim Motor-BHKW der hohe elektrische und thermische Wirkungsgrad positiv hervorzuheben (elektrisch etwa 20 bis 25%, gesamt etwa 80-90%). Negativ an den Motor-BHKW sind die hohen Wartungskosten, die hauptsächlich durch die Ölwechselintervalle begründet sind. Weiterhin sind die im Vergleich zu anderen Typen hohen Emissionen zu nennen, was sich durch die interne Verbrennung begründet. Darüber hinaus auch die Entwicklung von Lärm und Schwingungen, was man durch Kapselung auf ein akzeptables Maß einzudämmen versuchen kann.

[Bearbeiten] Stirling-Motor

Der Stirling-Motor ist vom Konzept her älter als die Verbrennungskraftmaschinen, wurde aber durch deren Erfolg als Fahrzeugantrieb in ein Nischendasein getrieben. Als Maschine für den Einsatz als Heizkraftblock zur Energieversorgung von Gebäuden erlebt er eine Renaissance.

Dies ist vor allem der äußeren Verbrennung zuzuschreiben. Hier kann mit kontinuierlicher Flamme gearbeitet werden, was sehr geringe Abgasemissionen mit sich bringt und auch verschiedenste gasförmige, flüssige und feste Brennstoffe zulässt. Des Weiteren ist ein geräuscharmer Betrieb möglich. Zudem sind die Wartungskosten im Vergleich zum Verbrennungsmotor aufgrund des fehlenden Schmierölbedarfs geringer. Der Stirling-Motor kann über einen weiten Bereich modulieren, allerdings erreicht er nicht die guten elektrischen Wirkungsgrade der Verbrennungsmaschine. Im Gesamtwirkungsgrad kommt er allerdings auf über 90%.

[Bearbeiten] Dampfmotor

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. Allerdings sind bei den kleinen Dimensionen im Bereich der Mikro-KWK beim Dampfkreislauf nicht dieselben elektrischen Wirkungsgrade wie beim Großkraftwerk oder einer Mikro-KWK-Anlage erreichbar, sondern nur um die 10 bis 15%. Positiv für das Konzept sprechen die geringen Wartungskosten ähnlich einer Brennwerttherme und der Gesamtwirkungsgrad von etwa 90%.

[Bearbeiten] Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle wandelt im Gegensatz zu den obigen Technologie den eingesetzten Energieträger nicht über einen thermodynamischen Zwischenschritt in elektrische Energie um, sondern direkt per elektrochemischer Reaktion. Dabei anfallende Abwärme durch elektrischen Widerstand oder durch vorbereitende Reformierung des Brenngases kann als Nutzwärme abgegeben werden. Für die Mikro-KWK sind die Typen PEFC und SOFC von Interesse.

Die Brennstoffzelle hat das höchste technische Potential mit elektrischen Wirkungsgraden von 30-40%. Sie ist aber die jüngste Technik, die erst seit kurzer Zeit (10 Jahre) im Fokus der Entwicklung zur Massenanwendung steht. Neben noch bestehenden technischen Problemen wie der Standzeit des Stacks, sind weiterhin konstruktions- und fertigungstechnische Fortschritte notwendig, um die Kosten der Herstellung auf ein marktfähiges Niveau zu senken. Bei der Energieversorgung für einzelne Häuser verfügt die Brennstoffzelle über weitere Vorteile: kaum bewegte Teile, das heißt wartungsarm (ähnlich einem Brennwertkessel) und leise im Betrieb.

[Bearbeiten] Marktübersicht

1. Blockheizkraftwerke mit Verbrennungsmotor sind seit einigen Jahren als kleinste KWK-Anlagen verfügbar. Die Firma Senertec bietet ihren Dachs seit Mitte der 90er Jahre an. Er leistet 5,5 kW_el und liefert 12,5 kW Wärme [1]. Eine vergleichbare Größe stellt das Ecopower [2] von PowerPlus Technologies da, mit 4,7 kW_el und 12,5 kW_th. Dieses Gerät kann ohne große Wirkungsgradverluste auf ein Drittel seiner Leistung heruntermodulieren. Für das Einfamilienhaus ist das Mini-BHKW von Honda [3] interessant, es liefert 1 kW Strom und 3,25 kW Wärme und hat einen Wirkungsgrad von 85%. In Japan wird es schon seit 2003 verkauft, in Europa ist es noch im Feldtest.
2. Die Firma Solo hat ein Stirling-BHKW zur Marktreife gebracht. Die Leistungsdaten sind mit 9 kW_el und 26 kW_th für größere Gebäude geeignet. Die Maschine zeichnet sich durch Modulationsfähigkeit auf ein knappes Viertel aus [4]. In Großbritannien werden momentan die Stirling-Motoren der Marke Microgen [5] und Whispergen [6] erprobt. Sie eignen sich mit rund einem kW elektrischer Leistung für den Einsatz im Einfamilienhaus. Des Weiteren gibt es die pellet beheizte Sunmachine mit einer elektrischen Dauerleistung von bis zu 3kW_el und 10,5kW_th. [7]. Eine weitere Kombination einer pellet-Heizung mit einem Stirling-Generator ist das Stirling-Power-Modul [8]
3. Bei den BHKW mit Dampfmotor sind die Firmen OTAG und enginion zu nennen. Letztere hatte die Entwicklung der sogenannte Steamcell zum Ziel, ist jedoch seit November 2005 in Insolvenz. Die Firma OTAG [9] liefert in Vorserie (Serienfertigung ab Q3/2006) den lion Powerblock, der per Lineargenerator aus einem freischwingenden Doppelkolben elektrischen Strom erzeugt (3 kW_el, 16 kW_th, Modulationsspanne ca. 1:10).
4. Mini-BHKWs mit Brennstoffzellen befinden sich bei vielen Heizgeräteherstellern in der Entwicklungs- und Feldtestphase. Zu nennen sind hier Vaillant [10], european fuel cell (Baxi) [11], Viessmann [12], Buderus [13]. Als Brennstoffzellentyp wird bei diesen die Niedertemperatur-BZ PEFC eingesetzt, Hexis [14] arbeitet an Hochtemperatursystemen vom Typ SOFC. Mit einer Markteinführung der stationären Brennstoffzelle ist nicht vor 2010 zu rechnen.

[Bearbeiten] Siehe auch

• Blockheizkraftwerk
• virtuelles Kraftwerk
• Kraft-Wärme-Kopplung
• Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz
• dezentrale Energieeinspeisung
• Dezentrale Energieerzeugung

[Bearbeiten] Weblinks

• BHKW-Forum für Betreiber und Interessenten
• BHKW-Infozentrum Rastatt
• Broschüre der ASUE e.V (2001)
• Geräteliste des Bundesverbands KWK e.V.
• Stromerzeugende Heizung
• Infoserver zu Mini-BHKW

[Bearbeiten] Literatur

• Pehnt et al.: Micro Cogeneration. Springer-Verlag, Berlin, 2006, ISBN 3540255826.