Mikro-KWK-Heizgeräte Ergebnisse aus dem Feldtest der E.ON Ruhrgas. Heinz-Dieter Corsten, E.ON Ruhrgas AG Frankfurt,

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1 Mikro-KWK-Heizgeräte Ergebnisse aus dem Feldtest der E.ON Ruhrgas Heinz-Dieter Corsten, E.ON Ruhrgas AG Frankfurt,

2 Agenda Warum ein Mikro-KWK-Anlage? Was ist ein Mikro-KWK-Heizgerät? E.ON Ruhrgas-Unterstützung bei der Markteinführung Praktische Erfahrungen Ergebnisse ausgewählter Labortests Ergebnisse aus dem Feldtest Marktreife und Fazit 2

4 Energie- und Klimapaket der EU 10. Jan von Kommission vorgelegt, 17. Dez durch Parlament zugestimmt Senkung der Treibhausgasemissionen um mindestens 20% bis 2020 gegenüber dem Stand von 1990 Steigerung der Nutzung erneuerbarer Energiequellen (Wind, Sonne, Biomasse usw.) auf 20% bis 2020 der Gesamtenergieproduktion (derzeit ca. 8,5%) Senkung des Energieverbrauchs um 20% des voraussichtlichen Niveaus von 2020 durch Verbesserung der Energieeffizienz

5 Ziele der Bundesregierung IEKP Integriertes Energie- und Klimaprogramm Verdoppelung des Anteils von Strom an KWK von derzeit ca. 12 % auf etwa 25 % bis 2020 (KWKG) Ausbau des EE-Anteils an der Stromerzeugung von derzeit gut 13 % auf % bis 2020 (EEG) Erhöhung des EE-Anteils an der Wärmebereitstellung auf 14 % bis 2020 Minderung der CO 2 -Emissionen bis 2020 um 40 % gegenüber 1990 (EEWG) Quelle: Das Integrierte Energie- und Klimaprogramm der Bundesregierung

6 Elektrischer Wirkungsgrad von KWK-Technologien auf Erdgasbasis 70 SOFC/GT 60 elektrischer Wirkungsgrad [%] Stirlingmotor HT-Brennstoffzelle 1) NT-Brennstoffzelle 2) Gasmotoren dezentrale KWK Gasturbinen reine Stromerzeugung GuD Kraftwerke 4087/ kw 10 kw 1 ) Hochtemperaturbrennstoffzelle 2 ) Niedertemperaturbrennstoffzelle 100 kw 1 MW 10 MW 100 MW elektrische Leistung 1 GW 6

7 Energieeffizienz durch KWK 7

8 Primärenergie- und CO 2 -Einsparungen (EFH im Bestand) gegen Kraftwerksmix und BWK 100 % BWK + Strombezug aus dem Netz Stirling KWK BZ- KWK BWK + Strombezug aus dem Netz Stirling KWK BZ- KWK 226 g CO 2 /kwh Gas Brennwert Eta BWK = 95 % Eta mkwk Stirling = 95 % Eta mkwk BZ = 89 % 573 g CO 2 /kwh Strommix nach gemis 4.6 (2010) Primärenergie-Einsparung CO 2 -Einsparung 6108/01 8

9 Primärenergie- und CO 2 -Einsparungen (EFH im Bestand) gegen GUD und BWK 100 % BWK + Strombezug aus dem Netz Stirling KWK BZ- KWK Primärenergie-Einsparung BWK + Strombezug aus dem Netz Stirling KWK CO 2 -Einsparung BZ- KWK 220 g CO 2 /kwh Erdgas Eta BWK = 95 % Eta mkwk Stirling = 95 % Eta mkwk BZ = 89 % 366 g CO 2 /kwh Strom Eta GUD = 60 % 6109/00 9

10 Innovationsschritte für mehr Klimaschutz Mehr Effizienz und Klimaschutz Mikro-KWK Brennstoffzelle Brennwerttechnik & Solar Gaswärmepumpe 6220/04 Bisher Heute Morgen 10

12 Mikro-KWK Anlagen sind stromerzeugende Heizungen Begriffsbestimmung: Mikro-KWK-Systeme sind Stromerzeugende Heizungen, d. h. Heizungssysteme, die mittels Kraft- Wärme-Kopplung zusätzlich Strom erzeugen Zielsegment: primär Ein- und kleine Mehrfamilienhäuser in der Leistungsklasse bis ca. 3 kw el Marktrahmen: - Produkt-Massenmarkt der Heizkessel 6012/01 Bildquelle: ASUE Speicher Erdgas Strom Mikro-KWK Heizgerät - Installation durch das SHK-Handwerk im Bestand durch Austausch von alten Kesseln oder im Neubau 12

13 Mikro-KWK: Systemaufbau Luft Abgas ~ 1 kw el P el Stirling-Motor, Otto-Motor, Dampf- Maschine, Zusatz- Brenner Turbine 2-7kW th + Zusatzbrenner T Rück oder Brennstoff- Zelle Wärme- Tauscher Heizungs- System P th Gas Kondenswasser T vor 13

14 Mikro-KWK Systeme relevante Technologien für den deutschen Markt in 2011 Otto-Motor Zündkerze Wärme Ventil Prinzip: Interne Verbrennung Maßgebliche Entwicklungen: - Vaillant ecopower kw el - Kirsch L kw el Benzin-Luft- Gemisch ansaugen Benzin-Luft- Gemisch verdichten explosive Verbrennung 1. Takt 2. Takt 3. Takt 4. Takt Kurbelwelle Heiße Abgase werden ausgestoßen Kraft Stirling-Motor Prinzip: externe Verbrennung Maßgebliche Entwicklungen: - Microgen 1 kw el Arbeitskolben Kraft Wärmeabfuhr Wärmezufuhr Verdrängerkolben mit Regenerator - Infinia/Enatec 1 kw el - WhisperGen 1 kw el Wärme 14

15 Mikro-KWK Heizgeräte Übersicht über aktuelle Entwicklungen Otto-Motor Infinia/Enatec Stirling-Motor Vaillant Kirsch BT / Buderus BT / Junkers Ariston / elco WhisperGen Stirling Microgen Stirling-Motor ehe 2G-home, Sanevo Viessmann Brötje Remeha Senertec Vaillant Bei den aktuellen Geräteentwicklungen gibt es insbesondere bei den Stirling-Systemen Kerntechnologien, die von verschiedenen Heizgeräteherstellern in deren entsprechende Systemlandschaft integriert werden. 15

17 Mikro-KWK user group im Überblick Mikro-KWK user group Kooperation mit Stadtwerks- und Herstellerpartnern User Group Mikro-KWK: Groß angelegte Feld- und Demotests von Mikro-KWK- Anlagen Zielsetzung: Erfahrungsaustausch z.b. über Entwicklungsstand und Betrieb der Mikro-KWK-Anlagen Der user group sind verschiedene Labor- und Feldtests mit Mikro-KWK- Anlagen vorangegangen 56 Kunden der ERG (Stadtwerke und E.ON Vertriebsgesellschaften) beteiligt Alle großen Hersteller bei der user group eingebunden 8320/01 Innerhalb von drei Jahren sollen mehr als 200 Mikro-KWKs von E.ON und seinen Partnern in Einfamilienhäusern in der Praxis getestet werden 17

18 Mikro-KWK user group Unterstützung der Markteinführung innovativer Gastechnologien wer E.ON Ruhrgas EVU s E.ON Ruhrgas EVU s E.ON Ruhrgas Hersteller was Labortest Feldtests bei EVU s wenige Geräte ausführliche Messtechnik Markterprobung bei EVU s viele Geräte Smart Meter breite Markteinführung wie viel 1 Gerät pro Hersteller ~ 5 Geräte pro Hersteller > 10 Geräte pro Hersteller >> 100 Geräte pro Hersteller Stand 2011 läuft, weitere in Vorbereitung läuft, weitere in Vorbereitung läuft, weitere in Vorbereitung Ziel ab /00 18

19 Mikro-KWK user group Standorte Mitglieder Sierksdorf Hamburg Schwerin Bremen Buchholz Berlin Osnabrück Helmstedt Fürstenwalde Münster Rinteln Kamp Lintfort Gelsenkirchen Oberhausen Dortmund Essen Kempen Ratingen Schwerte Grefrath Meerbusch Willich Neuss Düsseldorf Mönchengladbach Dormagen Grevenbroich Wipperfürth Leverkusen Langenfeld Gummersbach Köln Siegen Bonn Haiger Euskirchen Wetzlar Paderborn Nordhausen Kassel Mühlhausen Erfurt Fulda Zeitz Görlitz Weilburg Koblenz Mainz Wiesbaden Frankfurt Kitzingen Nürnberg Regensburg Rastatt Stuttgart München Stand: 6. Oktober 2011 (57 Mitglieder) 8337/14grau 19

20 Mikro-KWK user group Installierte Feldtestanlagen Bargteheide E.ON Hanse Papendorf Osnabrück Münster Helmstedt Groß Ammensleben Rinteln Berlin Bottrop Gladbeck Kamp Lintfort Gelsenkirchen Oberhausen Dortmund Paderborn Grefrath Kempen Essen Ratingen Meerbusch Düsseldorf Mönchengladbach Neuss Grevenbroich Leverkusen Langenfeld Wipperfürth Siegen Windeck Bonn Rösrath Mittenaar Fulda Wetzlar Nordhausen Zeitz Wiesbaden Abensberg Hutthurm Ruhstorf Pfaffenhofen 8338/14 Stand: 11. Oktober2011 (126 Anlagen) Starnberg Feldafing Lenggries Oberau Hohenlinden Sauerlach Bruckmühl

22 Mikro-KWK Prüfstandspotenzial: Bewertung der Funktionstüchtigkeit und Effizienz: ηel und ηth als Funktion von: - verschiedenen Gasarten (H-Gas, L-Gas, Testgase) - Teillastverhalten - versch. Vor- und Rücklaufpaarungen Emissions-Messung (C x H y, CO, NO x ) Belastung/therm. elektr. Leistung in kw 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 Nutzungsgradmessung nach DIN 4702, Teil 8 EG-H Boost 55/45 EG-H Boost 46/39 EG-H Boost 42/36 EG-H Boost 37/32 EG-H Boost 27/ Nutzungsgrad in % Simulation eines Jahresnutzungsgrades Strom Qualität (VDE 0126; DIN X) Schall (DIN EN 15036) Vibration (DIN ) 22

23 Laborergebnisse WhisperGen Testzeitraum: verschiedene Generationen `05-`10 Gerätegeneration: Mk4 DE1 KWK-Wirkungsgrade des Mk5b Eta : 9,6-10,7% el Eta th : 80,1-92,8% Eta ges : 91,5-98-8% Kondensat: Emissionen EN297 CO : BImSchV NO x : 23

25 Mikro-KWK Feldtests Übersicht über laufende und abgeschlossene Feldtest-Projekte Feldtest Vaillant-EU Beendet (Laufzeit ) Geräteumfang: 15 Gerätehersteller: Vaillant Beteiligte E.ON Unternehmen: ERG, EEA, EMI Feldtest BZ zur Hausenergieversorgung Beendet (Laufzeit ) Geräteumfang: 12 Gerätehersteller: Hexis, Baxi Beteiligte E.ON Unternehmen: EEA, EBY, EHA, EWA, EHA, ERG BZ Callux-Projekt WhisperGen Feldtest Beendet (Laufzeit ) Geräteumfang: 7 Gerätehersteller: WhisperTech Beteiligte E.ON Unternehmen: ERG, EAV, EMI, EHA Usergroup Erdgas.on Laufend (Laufzeit ) aktuell in weiterer Abstimmung Geräteumfang: ~260 Gerätehersteller: diverse Beteiligte E.ON Unternehmen: ERG, EVD/EEA-VG, weitere direkte ERG Kunden Laufend (Laufzeit ) Geräteumfang: >>100 Gerätehersteller: Baxi, Hexis, Vaillant Beteiligte E.ON Unternehmen: ERG, EEA, EHA, EWA, EMI 25

26 Eckdaten WhisperGen Feldtest: Laufzeit WhisperGen Gasverbrauch der Gebäude zwischen kwh/a und kwh/a 5,3 9,92 % elektrische KWK Nutzungsgrade 60,4 82,9 % thermische KWK Nutzungsgrade 64,9 92,2 % Gesamt KWK Nutzungsgrade 26

27 Mikro-KWK user group - Status Gerätetest Otto WhisperGen Microgen-Stirling Infinia/ Enatec-Stirling Otto Hersteller Vaillant/ Honda ehe (2G Home) Brötje (BAXI) Remeha Senertec Vaillant Stirling Viessmann BT Buderus Junkers Elco Kirsch Labortest abgeschlossen abgeschlossen abgeschlossen abgeschlossen abgeschlossen in Vorbereitung abgeschlossen abgeschlossen siehe BT läuft Feldtest läuft läuft läuft läuft läuft geplant läuft läuft läuft Demo läuft läuft geplant läuft geplant geplant geplant - - läuft - Stand: September /02 27

28 Mikro-KWK user group Beispiel: Grevenbroich Mikro-KWK: Vaillant/Honda 6173/kr 28

29 Mikro-KWK user group Beispiel: Oberhausen Mikro-KWK: Viessmann 6176/kr 29

30 Mikro-KWK user group Groß Ammensleben Mikro-KWK: WhisperGen 6176/Kr 30

31 Mikro-KWK-Feldtestobjekt incl. aller relevanten Energieströme 31

32 Schaltbild für eine Mikro-KWK-Feldtestanlage 32

33 Übersicht Flottenergebnisse Erkenntnisse aus dem Feldtest: Kinderkrankheiten bei den Prototypen wurden erkannt und an die Hersteller zurückgespiegelt. Fehlerrate sinkt bei Geräten neuerer Generation Legende: mkwk spezifisch z.t. sind deutliche Effizienzsteigerungen bei jeder neuen Gerätegenerationen zu sehen. Heizungskomponenten 45 Anlagen Inbetriebnahmedaten vom bis Feldtestmonate mit insgesamt 30 Reparaturen Ø 0,8-Reparaturen je Betriebsjahr der Prototypen Betriebsstunden und kwh erzeugte elektrische Energie 33

34 Feldtesterfahrungen zum Nettostromertrag Die elektrischen Leistungen der Feldtest M-KWKs liegt im Jahresmittel < 1kW durch taktendes Verhalten der Geräte und Bedarfsdeckung von mkwk spezifischen Verbrauchern Die M-KWK user group zeigt, dass mit verbesserten Systemlösungen (optimierte Regelung mit angepasstem Speicher) und energieeffizienten peripheren Verbrauchern (z.b. Hocheffizienzpumpen) die durchschnittlich zu erwartende Leistung deutlich gesteigert werden kann. Leistung in kw Anlaufverhalten eines Stirling ~35min bis P th_nenn ~12min bis P el_nenn : :07 12:14 12:21 12:28 12:36 12:43 Zeitraum P El Q Therm Q Gas 34

35 Kernergebnisse aus der Mikro-KWK user group Labortests im Technologiecenter der E.ON Ruhrgas bestätigen im Grundsatz die Wirkungsgradziele der Hersteller Die Feldtests demonstrieren die generelle Praxistauglichkeit der Geräte Die realen Nutzungsgrade werden durch viele Faktoren beeinflusst und können von Laborwerten abweichen (z. B. Einbindung, Nutzerverhalten,...) Hydraulischer Abgleich erforderlich/hydraulische Trennung empfehlenswert Maßnahmen zur Körperschallvermeidung sollten getroffen werden Optimierungsbedarf bei Anlagenregelung, Speicherauslegung, Fahrweise der Speicher etc. Verbesserungspotenziale beim Installationsaufwand (z. Zt. teilweise noch sehr hoch) 8373/00 35

37 M-KWK Übersicht über lieferfähige Geräte in Deutschland 2011 seit Herbst 2010 lieferbar lieferbar ab Herbst 2011 Remeha WhisperGen Brötje Kirsch lieferbar ab Juni 2011 Vaillant ecopower 1.0 Viessmann SENERTEC 37

38 Stromverbrauch am Gesamtenergiebedarf [kwh el /kwh th ] Einsatz von Mikro-KWK-Anlagen 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Mikro-KWK morgen: kleine therm. Leistung, hohes η el z.b. Brennstoffzelle Stromkennzahl Mikro-KWK heute: stromerzeugende Heizung z.b. Stirling Passivhaus derzeitiger Baustandard Altbau Raumheizung 50 kwh/(a m²) 220 kwh/(a m²) Warmwasser 12,5 kwh/(a m²) Strombedarf 29,5 kwh/(a m²) Gesamtwärmebedarf (Raumheizung + Warmwasser) [kwh/(a m²)] 38

39 Fazit Systeme werden komplexer Investitionen werden höher aber mit vorhandener und neuer Erdgastechnik - wirtschaftliche Lösung zur Einhaltung der Gesetze - Primärenergieeinsparung - CO 2 -Einsparung - Energiekosteneinsparung Interesse der Endverbraucher wächst SHK-Handwerk sieht neue Geschäftsfelder Energiewirtschaft unterstützt die Markteinführung Neue Erdgastechnologien steigern die Energieeffizienz und sind eine ideale Ergänzung zur regenerativen Energie 6160/00_kos 39

40 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

41 Mikro-KWK Heizgeräte Übersicht über lieferfähige Geräte in Deutschland Remeha evita Techn. Daten Nennwärmeleistung therm. Leistung elektr. Höhe Breite Tiefe Montagegewicht 3,8 bis 26,3 KW 1 KW 910 mm 490 mm 471 mm 110 kg Lieferfähigkeit Herbst /00 41

42 Mikro-KWK Heizgeräte Übersicht über lieferfähige Geräte in Deutschland WisperGen Techn. Daten Nennwärmeleistung therm. 7,5 bis 14,5 KW Leistung elektr. 1 KW Normnutzungsgrad > 90 % Höhe Breite 838 mm 491 mm Tiefe 563mm Montagegewicht 42 kg Lieferfähigkeit Herbst /00 42

43 Mikro-KWK Heizgeräte Übersicht über lieferfähige Geräte in Deutschland 2011 Dachs Stirling SE Techn. Daten Nennwärmeleistung therm. (Zusatzheizger. 18 KW) 6,1 KW Leistung elektr. 1 KW Normnutzungsgrad > 92 % Pufferspeicher 530 l Höhe Breite mm 860 mm Tiefe mm Montagegewicht 350 kg Lieferfähigkeit vorauss. ab Herbst /00 43

44 Mikro-KWK Heizgeräte Übersicht über lieferfähige Geräte in Deutschland Brötje Techn. Daten Nennwärmeleistung therm. Leistung elektr. Höhe Breite Tiefe Montagegewicht 24 KW 1 KW 950 mm 450 mm 790 mm 110 kg Lieferfähigkeit vorauss. ab Herbst /00 44

45 Mikro-KWK Heizgeräte Übersicht über lieferfähige Geräte in Deutschland 2011 microbhkw L 4.12 Techn. Daten Nennwärmeleistung therm. 12 KW Leistung elektr. 4 KW Normnutzungsgrad > 92 % Höhe Breite mm 675 mm Tiefe 790 mm Montagegewicht 200 kg Lieferfähigkeit vorauss. ab Herbst /01 45