DIE STROMERZEUGENDE HEIZUNG MIKRO-KWK-TECHNOLOGIEN IM ÜBERBLICK

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1 DIE STROMERZEUGENDE HEIZUNG MIKRO-KWK-TECHNOLOGIEN IM ÜBERBLICK Dipl.-Ing. Frank Erler DBI - Gastechnologisches Institut ggmbh Freiberg An-Institut der TU Bergakademie Freiberg Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk Chemnitz, 07. November 2013

2 Standorte Standort Leipzig DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH Karl-Heine-Straße 109/111 D Leipzig Leipzig Freiberg Standort Freiberg DBI - Gastechnologisches Institut ggmbh Freiberg (100 % Tochter der GUT) Halsbrücker Straße 34 D Freiberg Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 2

3 Leistungsportfolio Industrielle Forschung und Entwicklung Gutachten und Beratung Training Aus- und Weiterbildung Engineering und Planung Prüfung und Zertifizierung Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 3

4 Fachgebiete Öl-/Gasförderung/ Gasspeicherung - Exploration und Bewertung von Gas- und Öllagerstätten - Planung und Entwicklung von Untergrundgasspeichern - Modellierung von geologischen Gasspeicherstrukturen - CCS-Technologie Standortbewertungen Gasnetze/Gasanlagen - Planung von Erdgastransport und -verteilnetzen - Technisch-wirtschaftliche Zustandsanalyse von Gasnetzen und Zustandsorientierte Instandhaltung von Druckreglersystemen - Planung von Übertageanlagen an UGS (Verdichtung, Gasaufbereitung) Gasanwendung - Entwicklung und Monitoring von Geräten und Komponenten der dezentralen Energieversorgung - Optimale Technologien zur Kombination von Erdgas und Erneuerbaren Energien - Steigerung Energieeffizienz in industriellen Thermoprozessanlagen (OPTISOS) Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 4

5 Fachgebiete Gaschemie /Gasmesstechnik - Entwicklung von Technologien zur Aufbereitung von Gasen (Trocknung, Entschwefelung) - Planung und Engineering von Verfahren zur Aufbereitung von Gasen und Flüssigkeiten - Gasqualitätsmessungen Freiberger DVGW-Trainingszentrum Erdgas - Aus- und Weiterbildung von Mitarbeitern in Rohrleitungsund Tiefbauunternehmen sowie von Rettungsdiensten - Schulungen für Betreiber von Gasanlagen - Baggerschadendemonstrationsanlage zum Havarietraining an beschädigten Gasleitungen DVGW-Prüflaboratorium Energie - Akkreditiertes Prüflabor für Geräte und Armaturen nach Gasgeräterichtlinie - Prüflabor für Verbrauchseinrichtungen von festen und flüssigen Brennstoffen - Prüflabor für Druckgeräte und Armaturen Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 5

6 Gliederung Kraft-Wärme-Kopplung? Überblick Technologien der Mikro-KWK Motor oder Brennstoffzelle? Betriebsverhalten von Mikro-KWK-Anlagen Aktuelle Anlagensysteme Einbindung der Geräte in die Hausinstallation DVGW-Demonstrationszentrum Gastechnologien am DBI Freiberg Gegenwärtige Gerätetechnik Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 6

7 Was ist Kraft-Wärme-Kopplung? Gleichzeitige Erzeugung und Nutzung von Wärme und Elektroenergie aus einem Primärenergieträger Dezentrale Erzeugung - möglichst in der Nähe der Verbraucher beider Energiearten Mikro-KWK-Anlage im Einfamilienhaus [Quelle: ASUE] Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 7

8 Vorteile der Kraft-Wärme-Kopplung Brennstoffeinsparung Verringerung von Emissionen - Klimaschutz Schonung der Ressourcen - Verringerung der Abhängigkeit von Energieimporten Vergleich des Primärenergiebedarfs bei der zentralen und der dezentralen Erzeugung von Wärme und Elektroenergie [Quelle: ASUE] Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 8

9 Einsatzgebiete der KWK Standorte mit gleichzeitigen Strom- und Wärmebedarf (Kältebedarf) Schwimmbäder Krankenhäuser Industrie und Gewerbe Schulen und öffentliche Gebäude Verwaltungsgebäude Deponiegas- und Biogasanlagen Wohnsiedlungen Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 9

10 Schematischer Aufbau Unterschiedliches Temperaturniveau der Abwärme bei KWK- Technologien C bei innovativen Technologien < C bei motorischen BHKW C bei Mikro- Gasturbinen Schematischer Aufbau einer BHKW-Anlage [Quelle: ASUE] Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 10

11 Überblick Technologien der Mikro-KWK Wärme-Kraft-Maschinen Verbrennungsmotoren (interne Verbrennung) Gas-Otto-Motoren Diesel-Motoren Stirlingmotoren (externe Verbrennung) Dampfexpansionsmaschinen (externe Verbrennung) Mikro-Gasturbinen (interne Verbrennung) Stirlingmotor / Gasmotor [Quelle: ASUE] Brennstoffzellen (elektro-chemische Energiewandlung) SOFC-Brennstoffzelle PEM-Brennstoffzelle Brennstoffzelle Inhouse5000+ [Quelle: RBZ] Mikrogasturbine EnerTwin [Quelle: MTT] Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 11

12 Motor oder Brennstoffzelle? Motor Brennstoffzelle Robust Ausgereift Schnellstart Quelle: ASUE Leise Keine bewegten Teile Hoher Wirkungsgrad Leicht skalierbar Quelle: Sartorius Begrenzter Wirkungsgrad Lärm / Vibrationen Abgasemissionen Komplexe Technologie Langsamer Start Höhere Investitionskosten neues Förderprogramm in Sachsen (SAB) Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 12

13 Betriebsverhalten von Mikro-KWK-Anlagen Betriebsverhalten Beurteilung einer gesamten Betriebsphase 4 Teilphasen - Vorwärmen - Anlauf - Regelbetrieb - Nachlauf Verläufe von Energiebezug und -einspeisung Verläufe der Nutzungsgrade Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 13

14 Betriebsverhalten von Mikro-KWK-Anlagen Betriebsphasen einer Mikro-KWK-Anlage (Stirlingmotor) [Quelle: Messungen DBI-GTI] Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 14

15 Betriebsverhalten von Mikro-KWK-Anlagen Regelbetrieb einer Mikro-KWK-Anlage [Quelle: Messungen DBI-GTI] Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 15

16 Betriebsverhalten von Mikro-KWK-Anlagen Jahresgang Wärme- und Stromerzeugung [Quelle: Messungen DBI-GTI] Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 16

17 Betriebsverhalten von Mikro-KWK-Anlagen Typische Kennziffern Technologie Elektrischer Wirkungsgrad in % Gesamtwirkungsgrad in % Durchschnittliche Kaltstartdauer in min Modulierbarkeit Gas-Ottomotor > 90 < 1 gut Stirlingmotor > nicht oder gering Freikolben- Dampfmaschine > sehr gut Brennstoffzelle (typabhängig) > > 24 h (typabhängig) sehr gut [Quelle: Messungen DBI-GTI] Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 17

18 Aktuelle Anlagensysteme Geräteübersicht der ASUE (Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.v.) Auflistung von 30 Mikro-KWK-Anlagen (elektr. Leistung 0,2 20 kw) Markteinstiegsphase bzw. Markteinstieg absolviert: 13 Geräte In Entwicklung / Testphase: Unterteilung nach Antriebstechnologien 12 Verbrennungsmotoren 11 Stirlingmotoren 5 Brennstoffzellen 1 Freikolben-Dampfmaschine 1 Mikrogasturbine 17 Geräte Quelle: November 2011 Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 18

19 Aktuelle Anlagensysteme Auszug aus der Geräteübersicht Quelle: ASUE Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 19

20 Aktuelle Anlagensysteme Liste der förderfähigen KWK-Anlagen bis einschließlich 20 kw el (BAFA - Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle) Förderung von KWK-Anlagen, die in der Auflistung enthalten sind Serienmäßig hergestellte Geräte (keine Eigenbauanlagen und Prototypen) Voraussetzungen: Einhaltung der Anforderungen der jeweils gültigen TA-Luft. Übertreffen der Anforderungen der EU-Richtlinie für Kleinstanlagen: - Primärenergieeinsparung (gemäß EU-Richtlinie) von mindestens 15 % für Anlagen kleiner 10 kwel. - Primärenergieeinsparung (gemäß EU-Richtlinie) von mindestens 20 % für Anlagen von 10 bis einschließlich 20 kwel. - ein Gesamtnutzungsgrad von mindestens 85 %. Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 20

21 Aktuelle Anlagensysteme Auszug aus der Geräteliste Quelle: BAFA Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 21

22 Aktuelle Anlagensysteme Oben v.l.: BlueGen - CFC GmbH (SOFC Brennstoffzelle); Evita De Dietrich Remeha GmbH (Stirling- Motor mit Brennwertkessel); ecopower 1.0 Vaillant GmbH (Otto-Motor) Unten v.l.: Dachs G5.5 - SenerTec GmbH (Otto-Motor), ecopower 4.7 Vaillant GmbH (Otto-Motor); lion-powerblock - lion energy GmbH & Co. KG (Freikolben- Dampfmaschine) [Quellen: Hersteller] Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 22

23 Einbindung der Geräte in die Hausinstallation Zielgruppe für den gegenwärtigen Einsatz Ein- und Mehrfamilienhäuser Wärmebedarf (Heizung und Warmwasser): Strombedarf kwh/a > kwh/a Einordnung in die Hausinstallation Spitzenlastkessel nicht zwingend erforderlich, der Bedarf ist abhängig vom Nutzerverhalten und Größe der beheizten Fläche (bestehende Geräte können ggf. in Betrieb bleiben) Kombination mit Spitzenlastkessel im Parallelbetrieb oder als Rücklaufanhebung (bei Brennwertnutzung ineffizient) Vorsehen eines Kombispeichers für Heizung und Warmwasser (Speichervolumen von Gerät und Objekt abhängig) Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 23

24 Einbindung der Geräte in die Hausinstallation Regelungstechnische Einbindung Strom- oder wärmegeführte Betriebsweise: Stromgeführt: Leistungsabgabe richtet sich nach dem lokalen Strombedarf, z.b. Abfahren von Lastspitzen, Abgabe nicht nutzbarer Wärme an die Umwelt Wärmegeführt: KWK-Geräte arbeiten in Abhängigkeit vom Wärmebedarf als Grundlastwärmeerzeuger, erzeugte Elektroenergie wird im Objekt genutzt oder in das öffentliche Netz eingespeist Eingesetzte Regelungen: Vielfach in den Geräten integriert oder als Zubehörteil erhältlich z.t. herkömmliche Kesselregelungen oder Heizkreisregler Einbindung in übergeordnete Regelsysteme mit zentraler Heizungsreglung KWK-Gerät bei Wärmebedarf als erstes Gerät angefordert (Zuschaltung Spitzenkessel bei höherem Wärmebedarf) Abschaltung bei Überschreiten der Sollvorlauftemperatur Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 24

25 Einbindung der Geräte in die Hausinstallation Kriterien für den optimalen Betrieb Abstimmung der Pumpenleistungen und Strömungsverhältnisse im Heizungssystem (hydraulischer Abgleich) Häufige Schaltvorgänge vermeiden, möglichst lange Laufzeiten je Schaltvorgang (Einsatz Kombispeicher) Nutzerverhalten Vermeidung von Spitzenverbräuchen Optimale Einstellung der Heizungsthermostaten Spezielle Programmierung des Gerätes, angepasst an das Nutzerverhalten Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 25

26 Einbindung der Geräte in die Hausinstallation Handhabung für den Installateur Einbaumaße sind für übliche Heizungsräume kein Hindernis. Gerätemasse ist deutlich höher als vergleichbare Gaskessel. Einbau der Geräte in vorhandene Heizungssysteme bei gewissenhafter Planung problemlos möglich. Einbau zusätzlicher Kombi- oder Pufferspeicher Etwas höherer Aufwand durch zusätzliche Installationsarbeiten (Rückspeisezähler, bzw. gesonderter Zweiwegezähler, zusätzlicher Gaszähler bei Installation eines zusätzlichen Spitzenlastkessels) Wartung Fernwartung über Internet, oder Telefon (Mobilfunk) ist bei vielen Geräten durch den Installateur möglich, erlaubt zielgerichtete Diagnose für den Austausch von defekten Teilen. Optimierung ist auf dem gleichen Weg möglich. Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 26

27 Einbindung der Geräte in die Hausinstallation Paralleler Anschluss von Wärmeerzeugern und Verbrauchern bei Brennwert- und Niedertemperaturkesseln (für die meisten Anwendungen geeignet) [Quelle: ASUE] Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 27

28 Einbindung der Geräte in die Hausinstallation Quelle: Ceramic Fuel Cells GmbH (CFC) Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 28

29 Einbindung der Geräte in die Hausinstallation Einbindung in das Heizungssystem z.b. Wärmespeicher Installation eines speziellen Zwei- Richtungszählers Quelle: MVV Energie AG Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 29

30 DVGW-Demonstrationszentrum Gastechnologien am DBI Freiberg Im Rahmen der DVGW-Innovationsoffensive wurden innovative Systeme für die Wärme- und Stromerzeugung untersucht. Die Systeme sollten einer breiten Öffentlichkeit vorgestellt werden. Zielstellung: Demonstration moderner Gas-Technologien im laufenden Betrieb Vorstellung der Verfahren sowie ihrer besonderen Vorteile in Bezug auf den Anwendungsfall Zielgruppen: DVGW-Mitglieder, Mitarbeiter von Gasversorgungsunternehmen, Installateure Ausbildung von Schülern und Studenten Mitarbeitern von Behörden Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 30

31 Installationswand DVGW-Demonstrationszentrum Gastechnologien am DBI Freiberg KWK 1 DL GWP 1 KWK 2 KWK 3 KWK 4 KWK 5 KWK 6 DL KWK 7 GWP Gaswärmepumpe KWK Kraft-Wärme-Kopplungsanlage DL Datalogger Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 31

32 DVGW-Demonstrationszentrum Gastechnologien am DBI Freiberg (6) (2) (3) (4) (1) (5) Gaswärmepumpe (1) Viessmann VITOSORP 200-F Brennstoffzelle (2) CFC BlueGen Mikro-KWK (3) Remeha Evita 25s (4) EHE WhisperGen (5) lion energy lion Powerblock (6) microbhkw L 4.12 (KIRSCH homeenergy) Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 32

33 Gegenwärtige Gerätetechnik BlueGEN (Ceramic Fuel Cells) SOFC-Brennstoffzelle Leistung: elektrisch: 0,5 1,5 kw thermisch: < 0,6 kw *) Wirkungsgrad: elektrisch: < 60 % gesamt: < 85 % *) Abgas auf 30 C abgekühlt Quelle: CFC Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 33

34 Gegenwärtige Gerätetechnik inhouse5000+ (Riesaer Brennstoffzellentechnik GmbH) NT-PEM-Brennstoffzelle Leistung: elektrisch: 5 kw thermisch: 7,5 kw Wirkungsgrad: elektrisch: ca. 34 % gesamt: ca. 92 % Quelle: RBZ Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 34

35 Gegenwärtige Gerätetechnik Evita 25s (De Dietrich Remeha GmbH) Stirling-Motor (MicroGen) mit integrierter Zusatzheizung (25 kw) Leistung: elektrisch: 1 kw thermisch: 7 kw (Stirling) 23,7 kw (+BW-Kessel) Wirkungsgrad: elektrisch: 13 % gesamt: 98 % (T RL = 40 C) Quelle: De Dietrich Remeha Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 35

36 Gegenwärtige Gerätetechnik Whispergen EU1 (EFFICIENT HOME ENERGY SL (EHE)) Stirling-Motor mit integriertem Zusatzbrenner (ca. 4 kw) Leistung: elektrisch: 1 kw thermisch: 7,5 8,3 kw Wirkungsgrad: elektrisch: 10 % gesamt: 95 % (T RL = 40 C) Quelle: EHE Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 36

37 Gegenwärtige Gerätetechnik microbhkw L 4.12 (KIRSCH HomeEnergy) Industriemotor von Briggs & Stratton (Vanguard V2-Zylinder-Gasmotor) Leistung: elektrisch: 2 kw, 3 kw, 4 kw thermisch: 8 kw, 10 kw, 12 kw Wirkungsgrad: elektrisch: 25 % gesamt: 95 % Quelle: KIRSCH HomeEnergy GmbH Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 37

38 Gegenwärtige Gerätetechnik lion-powerblock (lion energy GmbH & Co. KG) Freikolbendampfmaschine Leistung: elektrisch: 0,3 2,0 kw thermisch: 3,5-16 kw Wirkungsgrad: elektrisch: 11 % gesamt: 98 % Quelle: lion energy Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 38

39 Gegenwärtige Gerätetechnik VITOSORP 200-F (Viessmann Werke GmbH & Co. KG) Zeolith Gas-Adsorptions-Wärmepumpe Wärmeleistung Grundlast (Wärmepumpenbetrieb): 1,6 4,8 kw Nennbetrieb Heizen: 10 kw Spitzenbelastung WW: 15 kw Umweltwärmenutzung aus Erdwärmesonde Quelle: DBI-GTI Kraft-Wärme-Kopplung als Chance für das Handwerk 39

40 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ihr Ansprechpartner Dipl.-Ing. Frank Erler DBI - Gastechnologisches Institut ggmbh Freiberg Halsbrücker Straße 34 D Freiberg Projektleiter 324 Tel.: (+49) Fax: (+49) Web: frank.erler@dbi-gti.de