Mikro-KWK-Heizgeräte auf Erdgasbasis. Technische Grundlagen

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1 Mikro-KWK-Heizgeräte auf Erdgasbasis Technische Grundlagen

2 Technische Grundlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung im kleinen Leistungsbereich Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) zählt seit vielen Jahren zu den effizientesten Formen der Energieerzeugung. Wo immer es um Energieeinsparung und die Minderung von CO 2 -Emissionen geht, kann der Ausbau der gekoppelten Wärmeund Stromerzeugung einen wichtigen Beitrag leisten. Mit Mikro-KWK-Heizgeräten auf Erdgasbasis hält diese erprobte Technik nun auch in Ein- und Zweifamilienhäusern Einzug. Im elektrischen Leistungsbereich von 1 kw stehen verschiedene Technologien zur Verfügung. Erneuerbare Energien erfahren zurzeit einen regelrechten Boom. Das Erneuerbare-Energien-Wärme-Gesetz (EEWärmeG) fordert im Neubau einen bestimmten Anteil von Energie aus erneuerbaren Quellen zur Deckung des Wärmebedarfs. Mikro-KWK-Anlagen auf Erdgasbasis sind eine zulässige und sinnvolle Ersatzmaßnahme zur Nutzung Erneuerbarer Energien. Besonders bei der Modernisierung von Ein- und Zweifamilienhäusern sind neue Lösungen gefragt. Aufgrund des höheren Wärmebedarfs im Bestand kommen hier die Vorteile von Mikro- KWK-Heizgeräten in vollem Umfang zum Tragen. Mit der parallel zur Wärmeerzeugung erfolgenden Produktion von Strom bieten sie einen attraktiven und wertvollen Zusatznutzen. Der zukünftige Einsatz intelligenter Messtechnik (so genannte Smart Meter ) könnte helfen, die Eigennutzung des selbst produzierten Stroms zu optimieren und dadurch den größten Nutzen zu erzielen. Der erzeugte Strom sollte nach Möglichkeit selbst genutzt werden. Nicht selbst genutzter Strom wird ins öffentliche Stromnetz eingespeist. Gegenüberstellung Selbstnutzung (Ct/KWh) Einspeisung (Ct/KWh) Vermiedener Strombezug ca. 23,00 EEX-Baseloadpreis 5,18 (letztes Quartal) KWKG*-Zuschlag 5,11 KWKG*-Zuschlag 5,11 Vermiedene Netznutzungskosten (je nach Netzbetreiber) ca. 0,50 Summe 28,11 10,79 * Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz Für den Brennstoffeinsat gibt es zusätzlich eine Energiesteuer- Rückerstattung von 0,55 Ct/KWh beim Einsatz von Erdgas. Stand 05/2011 Als effiziente Alternative zur bewährten Erdgas-Brennwerttechnik bieten sie neue Lösungen für eine hocheffiziente Hausenergieversorgung. Mit Verbrennungs- und Stirling-Motoren sowie zu einem späteren Zeitpunkt auch mit der Brennstoffzellentechnologie werden auf Herstellerseite unterschiedliche Konzepte verfolgt. Manche Technologien sind bereits am Markt verfügbar, andere auf dem Weg dorthin.

3 Das Funktionsprinzip Bei der zentralen Erzeugung von Strom in Großkraftwerken wird die anfallende Wärme oft ungenutzt an die Umgebung abgegeben, wenn sie nicht in ein Nah- oder Fernwärmenetz eingespeist wird. Nur rund 40 % der eingesetzten Primärenergie stehen als nutzbarer Strom zur Verfügung. Neben diesen Verlusten entstehen Leitungsverluste aufgrund langer Transportwege. Die beim Verbraucher benötigte Wärme muss über einen separaten Heizkessel erzeugt werden. KWK-Anlagen können dagegen den Verbraucher gleichzeitig mit Strom und Nutzwärme versorgen, indem die bei der Stromerzeugung anfallende Abwärme zur Bereitstellung von Heizwärme und Trinkwarmwasser genutzt wird. Der Gesamtwirkungsgrad moderner Mikro-KWK-Anlagen beträgt in der Regel über 90 %. Dadurch können die Verluste gegen über der getrennten Erzeugung spürbar reduziert und der Verbrauch an Primärenergie je nach Gerät und Rahmenbedingungen um 30 bis 40 % vermindert werden. Die CO 2 -Emissionen sinken in gleicher Größenordnung. Bei der Betrachtung des Wirkungsgrades von Mikro-KWK-Geräten muss berücksichtigt werden, dass in die Berechnung des Gesamtwerts sowohl der elektrische als auch der thermi sche Wirkungsgrad einfließen. Für einen sinnvollen Vergleich mit herkömmlichen Geräten muss bei letzteren daher der Wirkungsgrad des Stroms berücksichtigt werden, der aus dem öffentlichen Netz bezogen wird. Erst so wird deutlich, wie sich mit Mikro-KWK-Heizgeräten ein niedrigerer Primär- bzw. Gesamtenergieverbrauch erzielen lässt. Mikro-KWK user group E.ON Ruhrgas ist auf vielen Ebenen aktiv, um die Markteinführung von Mikro-KWK-Heizgeräten zielstrebig voranzutreiben. Als zentrales Forum für den fachlichen Austausch wurde Ende 2009 die Mikro-KWK user group ins Leben gerufen. Zu den Mitgliedern zählen von E.ON Ruhrgas versorgte Stadtwerke, Ferngasgesellschaften sowie alle E.ON-Regionalversorgungsgesellschaften. Mehr als 50 Energieversorger (Stand: 05/2011) beteiligen sich daran und bringen ihre Projekterfah- rungen in die user group ein. Sie bildet somit den Rahmen für den bislang größten Feldtest mit Mikro-KWK-Heizgeräten, die unter Praxisbedingungen bei End kunden installiert und getestet werden. Die Ergebnisse aller Tests werden den Teilnehmern zur Verfügung gestellt. E.ON Ruhrgas leitet die Ergebnisse und Erfahrungen an die Hersteller weiter und unterstützt so die Weiterentwicklung. Erste Mikro- KWK-Geräte werden bereits am Markt angeboten (s. S. 4). Ein weiterer Schwerpunkt liegt im Bereich der Kommunikationsarbeit. Neben der Unterstützung der Energieversorger in der Endkundenansprache steht die Zusammenarbeit mit dem Fachhandwerk im Mittelpunkt. Dazu wurde eigens, gemeinsam mit dem Fachverband Sanitär Heizung Klima, ein speziell auf die Bedürfnisse des SHK-Handwerks ausgelegter Fernlehrgang zum SHK-Kraftwerker konzipiert.

4 Die Technik Zu den am häufigsten eingesetzten Technologien für die Kraft-Wärme-Kopplung zählen Verbrennungsmotoren. Sie werden seit über 100 Jahren in mobilen und stationären Applikationen eingesetzt und stellen den Stand der Technik dar. Anlagen mit einer Leistung um 5 kw el werden für Mehrfamilienhäuser beispielsweise von Aisin, PowerPlus Technologies, Senertec und EC Power angeboten. Für erdgasbetriebene Mikro-KWK-Anlagen werden in der Regel Stirling- oder Ottomotoren eingesetzt. Ein Ottomotor bringt mithilfe eines Zündfunkens ein Gemisch aus Kraftstoff und angesaugter Luft zur kontrollierten Explosion. Dabei dehnen sich die entstehenden Verbrennungsgase in der Zündkammer aus und übertragen ihre Überdruckenergie auf einen Kolben. Die Kolbenbewegung wird wiederum auf eine Welle übertragen, die einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Die beim Betrieb des Motors anfallende Wärme steht zu einem großen Teil über Wärmetauscher für Raumheizung und Trinkwarmwasserbereitung zur Verfügung. Der Heizgerätehersteller Vaillant bietet momentan mit dem ecopower 1.0 ein solches Gerät an. Zündkerze Ventil Benzin- Luft Gemisch ansaugen Arbeitskolben Kurbelwelle Benzin- Luft Gemisch wird verdichtet explosive Verbrennung 1. Takt 2. Takt 3. Takt 4. Takt Abgase werden ausgestoßen In den letzten Jahren sind darüber hinaus eine Reihe innovativer Technologien vorangebracht worden. Im Mittelpunkt der Aktivitäten steht dabei der Stirlingmotor. Dabei wird ein Arbeitsgas in einem geschlossenen Raum bzw. Behälter abwechselnd durch eine externe Wärmequelle (in der Regel ein moderner schadstoffarmer Erdgasbrenner) erwärmt und wieder abgekühlt. Bei der Erwärmung dehnt sich das Arbeitsgas aus und treibt den Verdrängungskolben an, der kälteres Arbeitsgas auf die erwärmte Seite drückt. Durch den entstehenden Unterdruck wird der Kolben wieder zurück gesaugt. Hohe thermische Wirkungsgrade und geringe Schadstoff emissionen sowie vor allem der verschleißfreie Betrieb sprechen für Stirlingmotoren. Erste Geräte WhisperGen von ehe sowie evita von Remeha werden am Markt angeboten. Weitere Hersteller wollen noch 2011 in den Markt eintreten. Arbeitskolben Nutzwärmeabfuhr Nutzwärmeabfuhr Wärmezufuhr Verdrängungskolben Arbeitsgas Wärmezufuhr Dampfexpansionsmaschinen nutzen das Medium Wasser, dass ebenfalls über einen externen Brenner erhitzt wird. Der entstehende Dampf zirkuliert dabei in einem geschlossenen System, entspannt und kondensiert. Die dabei anfallende Wärme kann an ein angeschlossenes Heizsystem abgegeben werden, während der Dampf sich bei der Entspannung ausdehnt und über einen Kolben einen Lineargenerator zur Stromerzeugung antreibt. Arbeitskolben Nutzwärmeabfuhr Wasserdampf Verdrängungskolben Wärmezufuhr Brennstoffzellen nutzen die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff miteinander zu Wasser. Diese Reaktion läuft in Brennstoffzellen unter kontrollierten Bedingungen ab. Beide Gase sind durch einen so genannten Elektrolyten voneinander getrennt. Dabei wird der Wasserstoff an der Anode über einen Katalysator in Elektronen und Protonen zerlegt, die auf unterschiedlichen Wegen zu einer zweiten Elektrode (Kathode) wandern und so Strom und nutzbare Wärme erzeugen. Als Wasserstoffquelle kann Erdgas dienen, das in einem Reformer entsprechend aufbereitet wird. Reaktionsprodukt ist reines Wasser. Dadurch arbeiten Brennstoffzellen sehr umweltfreundlich. Grundsätzlich eignen sich Brennstoffzellen für alle Leistungsbereiche. e H H H H H 2 H + H + O 2 Anode Strom Elektrolyt O O O 2 Kathode O O O 2 warmes Wasser

5 1 Hersteller, Technologien und technische Basisdaten Hersteller/Gerät ehe BAXI/ Brötje Remeha SenerTec Vaillant Viessmann BT/ Buderus Vaillant/ Honda Prinzip 4-Zylinderstirling Linear-Freikolbenstirling Otto-Gasmotor Elektrische Leistung (in kw) thermische Leistung (in kw)* Gesamtwirkungsgrad %** > 92 > 92 > 92 > 92 > 92 > 92 > 92 > 85 Abmessungen (H x B x T) 840 x 490 x x 450 x x 490 x x 860 x x 480 x x 600 x 600 verschiedene Einzelkomponenten * einschließlich Zusatzbrenner; **Der Gesamtwirkungsgrad steigt mit sinkenden Heizkreis-Vorlauftemperaturen. Obwohl Otto-Gasmotoren auf den ersten Blick einen etwas niedrigeren Gesamtwirkungsgrad aufweisen, liegt der für den wirtschaftlichen Betrieb wichtige elektrische Wirkungsgrad hier deutlich höher als bei Stirling motoren. Grundsätzlich ist die Nutzung eines Pufferspeichers sinnvoll, soweit kein Schichtenladespeicher im Gerät integriert ist. Damit lässt sich ein Teil der Wärmeenergie zwischenspeichern und so die Laufzeit verlängern. Die Heizung muss nicht takten (abschalten) und die Zahl der Startvorgänge wird auf ein Minimum reduziert. Für den sinnvollen Einsatz bzw. um ein Mikro-KWK- Heizgerät überhaupt installieren zu können, müssen bestimmte Voraussetzungen erfüllt sein.

6 E.ON Ruhrgas AG Brüsseler Platz Essen T dienstleistungsprodukte@eon-ruhrgas.com ER 06/2011