HEMMNISSE, POTENTIALE UND ZUKÜNFTIGE BETRIEBSWEISEN VON MINI-KWK- ANLAGEN

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1 Zum Jahresende 2013 bieten wir folgende Themen an: Hemmnisse, Potentiale und zukünftige Betriebsweisen von Mini-KWK-Anlagen Vitovalor 300-P für den europäischen Markt Materialien und Medien zur Ausbildung für Brennstoffzellen-Heizgeräte KWK-Berichte in Fachzeitschriften Methanisierung ein Lösungsansatz mit Perspektive HEMMNISSE, POTENTIALE UND ZUKÜNFTIGE BETRIEBSWEISEN VON MINI-KWK- ANLAGEN Ein Workshop des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit im Rahmen der wissenschaftlichen Begleitforschung zum Mini-KWK-Impulsprogramm Mit der Richtlinie zur Förderung von KWK-Anlagen bis 20 kw el (siehe Info s für Lehrkräfte 3/2013) hat die Bundesregierung eine wissenschaftliche Begleitforschung initiiert, die zum einen die Auswirkungen der Förderung beobachten soll, zum anderen vorhandene Hemmnisse und Potentiale aufzeigen und Vorschläge zur weiteren Verbreitung der Mikro-KWK entwickeln will 1. Teil des Forschungsauftrags ist die Einbeziehung der Fach-Öffentlichkeit, was u. a. mit der Durchführung von verschiedenen Workshops erreicht werden soll. Am 09. August 2013 fand in Berlin der erste dieser Workshops statt, in dem es um Hemmnisse und Potentiale der Mini-KWK ging. Vertreter von Herstellerfirmen, Versorgungsunternehmen, Contractoren, Wohnungsbau-Gesellschaften, Verbraucherschutz-Organisationen, Handwerksverbänden und anderen mit der KWK beschäftigten Einrichtungen brachten ihre Erfahrungen und Einschätzungen ein. Es entstand ein umfassendes Bild der heutigen Situation der Mini-KWK. Mini-KWK-Anlagen sind sowohl im technischen als auch im administrativen und rechtlichen Bereich deutlich komplexere Produkte als z. B. Brennwertkessel. Daraus ergibt sich ein erheblicher Bedarf an Beratung für Endkunden, vor allem aber an Aus- und Weiterbildung für Handwerker. Diese Einschätzung wurde weitgehend von allen Anwesenden geteilt, teilweise wurden auch Forderungen nach der Zertifizierung von Betrieben, die KWK installieren, geäußert. Auf der anderen Seite lassen sich aber auch komplexe Zusammenhänge vereinfachen, insbesondere bei der Förderung, der Besteuerung, dem bürokratischen Aufwand und der Vergütung. Hier ist vor allen Dingen der Gesetzgeber gefragt. Die Wirtschaftlichkeit von KWK-Anlagen war ein weiteres wichtiges Thema: die Investitionskosten sind hoch, die Vergütungen gering. Viele Vorteile, die Mini-KWK bietet, können zurzeit noch nicht genutzt werden, da wirtschaftliche Anreize fehlen. Hier ist vor allem der Beitrag zur Netzstabilität zu nennen, den KWK-Anlagen bieten können. Mini-KWK könnte insbesondere zur Stabilisierung kleiner Netzbereiche eingesetzt werden, wenn Stadtwerke und regionale Versorger die Möglichkeiten nutzen und diese auch vergüten würden. Es ließen sich Einsparungen im Bereich Netzausbau und Netzmanagement erzielen. 1 Informationen dazu finden Sie unter: 1 von 8

2 Insbesondere durch die Vertreter der Wohnungsbau-Gesellschaften wurde das Problem der Strom-Eigennutzung in Mehrfamilienhäusern aufgeführt: Mehrfamilienhäuser bieten oft optimale Bedingungen für den Betrieb von Mini-KWK-Anlagen. Aber der eigenerzeugte Strom muss an mehrere Eigentümer oder Mieter abgegeben werden, was zu einem erheblichen Aufwand führt. Hier bieten BZH einen wesentlichen Vorteil, da sie als Geräte mit kleinen Leistungen verfügbar sind, so dass z. B. pro Wohnung ein einzelnes Gerät möglich ist. BRENNSTOFFZELLEN-HEIZGERÄT VON VIESSMANN: VITOVALOR 300-P FÜR DEN EUROPÄISCHEN MARKT Viessmann gehört in Deutschland zu den Herstellern von Wärmeerzeugern, die sich auch mit der Entwicklung von befassen. Nun hat das international aufgestellte Unternehmen gemeinsam mit dem japanischen Partner Panasonic Corporation die Entwicklung des Geräts Vitovalor 300-P für den europäischen Markt abgeschlossen und bietet es ab April 2014 in Serienfertigung an. Vitovalor 300-P im Überblick Die Daten zum Brennstoffzellen-Heizgerät Vitovalor 300-P lesen sich wie folgt: Quelle: Viessmann Aufbau und Funktion Vitovalor 300-P besteht zum einen aus der Brennstoffzelleneinheit und zum anderen aus dem Spitzenlastmodul mit integriertem Gas-Brennwertkessel, Heizwasserpuffer- und Trinkwasserspeicher sowie Hydraulik, Sensorik und Regelung. Es bildet insgesamt eine kompakte Einheit, deren beide Module zum Zweck des Transports, für die Installation etc. einzeln handhabbar sind. Die optisch aufeinander abgestimmten Module benötigen zusammen eine Aufstellfläche von nur 0,65 m 2. Das Brennstoffzellenheizgerät Vitovalor 300-P bietet mit 20 kw genügend thermische Leistung, um für ein Einfamilienhaus den Wärmebedarf über das ganze Jahr abzudecken. Die im 2 von 8

3 Tagesverlauf produzierte elektrische Energie von 15 kwh deckt nach Angaben von Viessmann über 50 % des Bedarfs eines Haushalts ab. Das integrierte Gas-Brennwertgerät schaltet sich automatisch zu, wenn die Wärme aus dem Brennstoffzellenmodul nicht ausreicht. Etwa in Spitzenlastzeiten, oder wenn innerhalb kurzer Zeit viel warmes Wasser benötigt wird. Wie Vitovalor 300-P im Haus installiert werden kann und welche Funktionen wahrgenommen werden können, ist in der folgenden Abbildung beispielhaft angedeutet. Quelle: Viessmann Betrieben wird Vitovalor 300-P mit Wasserstoff und Luft, wobei der Wasserstoff in einem dem Stack vorgelagerten Prozess (Reformer) aus Erdgas gewonnen wird. Das Brennstoffzellen-Heizgerät benötigt genau wie ein Gas-Heizkessel einen Gasanschluss, eine Verbrennungsluftzufuhr und ein Abgasrohr. Die bei der Stromerzeugung entstehende Wärme wird für die Heizung und Trinkwassererwärmung genutzt. Benutzer von Tablet-PCs oder Smartphones erhalten über entsprechende Apps Informationen zum Systemstatus. Das System kann zudem ferngesteuert werden. Außerdem lassen sich Daten zur Stromerzeugung, Wärmeerzeugung, Statistik und zum Umweltnutzen abrufen sowie Wartungsinformationen anzeigen. Erfahrungen nutzen und weiterentwickeln Für Deutschland und Europa gilt, dass bisher nur wenige Brennstoffzellen-Heizgeräte installiert sind. Im Callux-Projekt, an dessen Planung Viessmann beteiligt war, wird mit Stand 3 von 8

4 2013 davon gesprochen, dass sich etwa 300 Geräte für Labor- und Feldtests im Betrieb befinden. Ganz andere Zahlen werden zur Brennstoffzelleneinheit des Partners Panasonic aus Japan gemeldet. Dort sind mittlerweile allein von Panasonic (die bereits 2009 mit dem Verkauf von brennstoffzellenbasierten KWK-Systemen für Eigenheime begonnen haben) weit mehr als in Serie gefertigte PEM-Brennstoffzellenheizgeräte (Polymer Elektrolyt Membran) im Einsatz. Das war auch die Basis für die Vereinbarung zwischen Viessmann und Panasonic, gemeinsam das Gerät auf die Voraussetzungen und Bedingungen des europäischen Marktes abzustimmen. Panasonic war für die Entwicklungsarbeit der Brennstoffzelleneinheit zuständig. Sie wird in Japan gebaut und dann an Viessmann geliefert. Die Einheit mit dem Gas-Spitzenlastkessel und der hydraulischen Anbindung wurde von Viessmann entwickelt. Auch der Zusammenbau zum Komplettsystem erfolgt durch Viessmann. Trotz der serienmäßigen Stückzahlen in Japan und den damit verbundenen Erfahrungen beim Partner Panasonic war die Anpassung des Geräts an europäische Anforderungen unumgänglich. Diese besteht vor allem darin: Anpassung an deutsche Gasqualitäten Anpassung an Innenraumaufstellung Anpassung von stromgeführten auf wärmegeführten Betrieb Einbindung von Gebäudebeheizung und Trinkwassererzeugung (in Japan nur Trinkwassererzeugung) Anpassung an EU-Stromnetz. Vitovalor 300-P ein Beitrag für den Erfolg der Energiewende Viessmann und Panasonic gehen in Hinblick auf Vitovalor 300-P davon aus, dass hocheffiziente Systemlösungen für die Kraft-Wärme-Kopplung angesichts der zunehmenden Dezentralisierung der Energieversorgung eine große Rolle spielen. Durch die Kombination mit intelligenten Stromnetzen (Smart Grids) leisten solche Systeme einen wirkungsvollen Beitrag zur Entlastung der Stromnetze. In einer gemeinsamen Pressemitteilung von Viessmann und Panasonic heißt es u. a.: Mikro-KWK-Systeme auf Brennstoffzellenbasis schaffen die perfekte Grundlage, um Besitzer von Ein- und Zweifamilienhäusern auf breiter Basis zu bedienen. Vergleicht man die CO 2 -Emissionen des neuen Systems mit denen der getrennten Erzeugung von Wärme und Strom, sind die Werte um die Hälfte niedriger, ihr Gesamtwirkungsgrad ist mehr als doppelt so hoch wie der der konventionellen Stromerzeugung. Daher schützen die brennstoffzellenbasierten Mikro-KWK-Systeme nicht nur Umwelt und Klima, sondern verbessern auch die Energieeffizienz und leisten einen großen Beitrag zum Erfolg der Energiewende. Diese Faktoren waren ausschlaggebend für die Entscheidung beider Unternehmen, sich in der Forschung und Entwicklung von brennstoffzellenbasierten KWK-Systemen für Ein- und Zweifamilienhäuser zu engagieren. Das Ziel beider ist es, ein zukunftsfähiges Energieversorgungssystem zu entwickeln und möglichst schnell in den Markt zu bringen. Panasonic und Viessmann gehen davon aus, dass in Europa bis zum Jahr 2020 also in wenigen Jahren eine fünfstellige Zahl von Vitovalor-Anlagen installiert sein wird. Markteinritt und Vertrieb Nach Angaben von Viessmann ist die Adaption der japanischen Brennstoffzelleneinheit für den europäischen Markt erfolgt. Nach Abschluss der Erprobung und Weiterentwicklung des Gerätes in einem derzeit stattfindenden Feldtest erfolgt die Markteinführung in Deutschland im April von 8

5 Interessenten an dem Brennstoffzellen-Heizgerät Vitovalor 300P steht ein dichtes und zuverlässiges Vertriebsnetz zur Verfügung ein zu beachtendes Kriterium für eine innovative Technik. Da Viessmann ankündigt, ein in Großserie produziertes Brennstoffzellen-Heizgerät im europäischen Markt ein(zu)führen, kann die Reputation von Viessmann als starkes Argument bei der Entscheidung für ein Brennstoffzellen-Heizgerät gelten. Kontakt Leiter der Öffentlichkeitsarbeit Jörg Schmidt Phone: 06452/ Mail: AUSBILDUNGSMATERIALIEN ZU BRENNSTOFFZELLEN-HEIZGERÄTEN Nicht nur Ankündigungen, auch Messen und Ausstellungen zeigen, dass die Zeit für Brennstoffzellen-Heizgeräte gekommen ist. Es gibt kaum mehr einen großen Hersteller von Wärmeerzeugern, der die Entwicklung und Erprobung von nicht im Programm hat. Erste Geräte sind bereits im Markt, andere werden für 2014 angekündigt; spätestens 2017 wollen so die Planungen alle dabei sein. Auch wenn die massenhafte Nachfrage bei noch aussteht, müssen Lehrkräfte frühzeitig wissen, was in der Ausbildung für Anlagenmechaniker/innen für Sanitär-, Heizungs- und Klimatechnik sowie für Elektroniker/innen für Gebäude- und Energietechnik zukünftig dazu gehören wird. Dazu ist im November 2013 bei Christiani in Konstanz ein Angebot mit dem Titel Brennstoffzellen-Heizgeräte. Wärme und Strom gekoppelt und dezentral nutzen in Form einer Broschüre und einer CD-ROM (siehe Abbildung) erschienen. Zu sieben Lern- und Ausbildungssituationen wurden Materialien und Medien ausgearbeitet: 1) Kompetente Fachhandwerker 2) Aufbau und Arbeitsweise von Brennstoffzellen- Heizgeräten 3) Planung und Auslegung von Brennstoffzellen- Heizgeräten 4) Einbindung von in die Haustechnik 5) Inbetriebnahme und Übergabe des Brennstoffzellen- Heizgerätes 6) Auswertung des Einbaus und Betriebs von 7) Wartung und Service bei Brennstoffzellen- Heizgeräten. Die neuen Ausbildungsmaterialien und -medien zu wurden zwischen 2010 und 2012 im europäischen Programm Leonardo da Vinci entwickelt. In der Begutachtung nach Abschluss des Projekts wurde durch die Nationale Agentur u. a. ausgeführt: 5 von 8

6 Brennstoffzelle ein sehr innovatives Thema mit viel Weiterbildungsbedarf, wurde für die Zielgruppe pädagogisch sehr gut aufbereitet... Die inhaltliche Qualität, die Funktionalität und die grafische Aufbereitung der erstellten Lernbausteine ist mit Sicherheit eine Stärke der erarbeiteten Ergebnisse. Eingesetzte Methoden, Lernansätze, leichte Bedienbarkeit, zielgruppengerechte Gestaltung und die angestrebte Ganzheitlichkeit des Lernens in der beruflichen Bildung auch in technischen Handwerksberufen sind... Pluspunkte des vorgelegten Arbeitsergebnisses, umso mehr als das Handwerk i.d.r. nicht als Vorreiter von pädagogischen Innovationen zu betrachten ist (Assessment Summary Final Report, S. 2 und 3). Die Lern- und Ausbildungssituation 1 (die hier als Beispiel genannt wird) bietet insgesamt vier Aufgaben, die auf der Basis von zwei Info-Blättern (mehrseitig) und von drei spezifischen Medienangeboten (zwei PP-Präsentationen / eine Animation) zu lösen sind. Alle Lösungen werden ebenfalls mitgeliefert Zum Kennenlernen werden unter Auszüge aus der Lern- und Ausbildungssituation 1 angeboten: Aufgabenblatt LS -01-AB-01 Info-Blatt LS-01-IB-01 Info-Blatt LS-01-IB-02 Folien LS-01-PP-01 Löser LS-01-LÖ-01 Nach dem Muster der Auszüge aus Lern- und Ausbildungssituation 1 sind alle Angebote ausgearbeitet. Das Ausbildungsangebot Brennstoffzellen-Heizgeräte. Strom und Wärme gekoppelt und dezentral erzeugen finden Sie bei Interesse unter Broschüre und CD-ROM sind bei Einzelplatzlizenzen für 39,80 EUR erhältlich. Wenn die Materialien in Klassen eingesetzt werden, ist eine Mehrplatzlizenz für 12,90 EUR ab 12 Nutzern zu erwerben. KWK-BEITRÄGE IN FACHZEITSCHRIFTEN Der Herbst ist Heizungszeit heißt es in einem Leitartikel der sbz. Das ist auch sehr gut an den Beiträgen in den Fachzeitschriften zu erkennen, wie die SHT aufzeigt. SHT In Heft 10/2013 finden sich gleich mehrere Artikel rund um die KWK-Technik. Auf S. 30/31 heißt es Energiewende zu Hause: Installation von Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen und befasst sich mit der Zielsetzung in Hessen, in den kommenden drei Jahren 400 Mikro- KWK-Anlagen zu installieren. Den Bericht Märchenschloss des Münsterlandes. BHKW und Gas-Brennwertgeräte sichern effiziente Versorgung findet man auf den S. 58 bis 61. Dargestellt wird ein Konzept der intelligenten Energieoptimierung in der Praxis. Als Ein wahrer Goldesel Betriebsstunden ohne Motorwechsel wird ein BHKW in einem weiteren Bericht tituliert (S. 79), das sich seit Jahren bewährt hat. 6 von 8

7 Auf den Seiten 84/85 folgt dann noch Stört nicht den Klang der Harfe [...] Musikinternat heizt mit Flüssiggas-Blockheizkraftwerk und stellt dar, dass KWK-Anlagen vielen Ansprüchen genügen. HeizungsJournal Unabhängig von der Jahreszeit wird KWK im HeizungsJournal als eigenständige Rubrik mal mehr und mal weniger umfänglich stets thematisiert. Auf die letzten Hefte bezogen heißt das: Heft 09: Seite 48 bis 53 Heft 10: Seite 52 bis 69 Heft 11: Seite 42 bis 49 Heft 12: Seite 28 bis 35. In Heft 10 wird ausführlich auf einen besonderen KWK-Antrieb eingegangen: Der Stirlingmotor: Gescheiterte Innovation, Nischenprodukt oder Technologie mit Zukunft? (S. 52 ff.). Ab S. 66 schließt sich direkt ein Praxisbeispiel unter dem Titel Mikro-KWK auf Stirlingbasis im Einfamilienhaus an. Hzwei Die Erforschung und Entwicklung von Brennstoffzellen in Deutschland ist noch jung. Wenn man von Anfängen, wie von Jules Verne (1874) in der Folge der Entdeckung der Brennstoffzelle durch William Grove (1839) beschrieben absieht, handelt es sich um die letzten zwei bis drei Jahrzehnte. Im großen Stil wird die Forschung und Entwicklung erst seit den vergangenen Jahren betrieben. Unter dem Titel Was macht eigentlich...? wird in der Hzwei aufgezeigt, was ehemals ambitionierte Brennstoffzellen-Unternehmen in der stationären Anwendung gemacht haben und welche Rolle und Bedeutung sie heute noch einnehmen (S ). Außerdem wird auch in diesem Heft wieder in mehreren Beiträgen dargestellt, wie überschüssiger erneuerbarer Strom gespeichert werden kann. Hierzu wird auf die Seiten 8 bis 17 verwiesen. Dort findet man Aussagen wie diese: Die Power-to-gas-Anlage... kann zu einem Leuchtturmprojekt der gesamten Energiewende werden (S. 17), oder : Erneuerbare Energien sind nicht zu denken ohne Energiespeicher (S.8). Siehe zu diesem Thema auch den folgenden Beitrag. WAS BEDEUTET METHANISIERUNG? Methanisierung ist ein Prozess, bei dem aus Wasserstoff und Kohlendioxid bzw. Kohlenmonoxid Methan hergestellt wird. In gewisser Weise ist dies ein Umkehrprozess dessen, was im Reformer der Brennstoffzelle geschieht: Aus Erdgas (Methan) wird Wasserstoff, der der Brennstoffzelle zugeführt wird. Die chemische Reaktionsformel sieht wie folgt aus: CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O Aus Kohlendioxid und Wasserstoff wird Methan und Wasser 2. Notwendig für diesen Prozess sind ein Katalysator-Material und Temperaturen von über 300 C. Während des Prozesses wird Wärme frei, das heißt, die Ausgangsstoffe geben Energie ab. 2 In anderer Mengenzusammensetzung gilt eine ähnliche Formel für Kohlenmonoxid und Wasserstoff 7 von 8

8 Welche Vorteile bietet eine Methanisierung von Wasserstoff, wenn dabei Energie verloren geht? Zum einen kann das entstehende Methan wie Erdgas behandelt werden und im vorhandenen Erdgasnetz transportiert und gespeichert werden. Zum anderen hat Methan eine wesentlich höhere Energiedichte als Wasserstoff: Bei gleichem Druck und gleicher Behältergröße lässt sich gegenüber Wasserstoff die 3- bis 4-fache nutzbare Energiemenge in Form von Methan oder Erdgas speichern. Darüber hinaus ist Methan deutlich einfacher zu handhaben: da H 2 -Moleküle kleiner sind als CH 4 -Moleküle, ist es technisch aufwendiger, Wasserstoff-Anlagen abzudichten. Die Methanisierung ist ein wichtiger Baustein für die technische Umsetzung der Speicherung von überschüssigem, regenerativ erzeugtem Strom: Im Elektrolyseverfahren wird Strom zur Herstellung von Wasserstoff genutzt, dieser wird methanisiert und in das Erdgasnetz eingespeist. Durch die Verwendung von Erdgas in kann dann bedarfsgerecht Strom (und Wärme) erzeugt werden. Mittlerweile gibt es einige Pilotprojekte, die Elektrolyse und Methanisierung industriell betreiben, eine gute Übersicht gibt die Strategieplattform der Deutschen Energie-Agentur dena 3. Zum Jahresende wünschen die Handwerkskammer Osnabrück-Emsland-Grafschaft Bentheim und die Forschungsgruppe Praxisnahe Berufsbildung erholsame und friedliche Feiertage. Die Ausgabe 1/2014 der erscheint im März von 8