Abbildung 17: Gleichzeitige Erzeugung von Elektroenergie und Wärme mit einer Mikro- KWK-Anlage im Einfamilienhaus (25)
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- Inge Kerstin Hase
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1 5 Mikro-KWK-Anlagen 5.1 Technologie Bei der KWK (Kraft-Wärme-Kopplung) handelt es sich um die gleichzeitige Erzeugung und Nutzung von Wärme und Elektroenergie aus einem Primärenergieträger, die möglichst dezentral in der Nähe der Verbraucher beider Energiearten stattfinden sollte (vgl. Abbildung 17). Neben der Einsparung von Primärenergie und der Vermeidung klimaschädlicher Kohlendioxid-Emissionen, sowie Luftschadstoffemissionen können durch die KWK Übertragungsverluste minimiert werden. Die dafür eingesetzten Anlagen bezeichnet man als Blockheizkraftwerke (BHKW). Durch die gleichzeitige Nutzung von Elektroenergie und Wärme können BHKW Gesamtwirkungsgrade der Energieumwandlung von über 90 % erreichen. Während größere KWK-Anlagen bereits seit den 90er Jahren zunehmend in Betrieben, öffentlichen Einrichtungen, Schwimmbädern, Krankenhäusern eingesetzt wurden, drängen seit einigen Jahren auch Mikro-KWK- Anlagen, die insbesondere für den Einsatz in Ein- und Mehrfamilienhäusern geeignet sind, auf den Markt. Abbildung 17: Gleichzeitige Erzeugung von Elektroenergie und Wärme mit einer Mikro- KWK-Anlage im Einfamilienhaus (25) Mikro-KWK-Anlagen werden auch als Strom erzeugende Heizungen bezeichnet und stellen das niedrigste Leistungssegment der KWK-Anlagen dar. Da es keine allgemeingültige Definition des Leistungsbereiches bei diesen Anlagen gibt, werden gemäß (25) Anlagen mit einer elektrischen Leistung von < 10 kw als Mikro-KWK-Geräte bezeichnet. Mikro-KWK-Technologien können prinzipiell unterschieden werden in konventionelle und in innovative Technologien. Als konventionelle Technologie können
2 insbesondere Verbrennungsmotoren genannt werden. In konventionellen Mikro-KWK- Anlagen kommen insbesondere Gas-Otto-Motoren zum Einsatz, wobei auf Grund der höheren Laufruhe und Lebensdauer überwiegend Vier-Takt-Motoren verwendet werden. Neben den konventionellen Technologien wurden in den letzten Jahren innovative Technologien entwickelt, die teilweise schon in den Markt eingeführt wurden. Diese Technologien sind vorwiegend für den Einsatz in Mikro-KWK-Anlagen konzipiert und für den häuslichen und gewerblichen Einsatz vorgesehen. Hierbei handelt es sich um Stirlingmotoren, Brennstoffzellensysteme und Dampfexpansionsmaschinen. In einer aktuellen Geräteübersicht der ASUE, Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.v. sind 30 Mikro-KWK-Anlagen aufgelistet, die sich derzeit in Entwicklung (18 Geräte) befinden, oder den Markteinstieg (12 Geräte) absolviert haben. Stirlingmotoren nutzen eine äußere Wärmequelle zur Erwärmung von Gas (Stickstoff, Helium, u.a.) in einem Zylinder, der Arbeitskolben wird durch die Ausdehnung des Gases nach unten gepresst und durch die anschließende Abkühlung des Gases und dem resultierenden Unterdruck wieder in die ursprüngliche Position gebracht. Der mit dem Stirlingmotor verbundene Generator dient der Stromerzeugung, die Wärme des Brenners kann zur Beheizung des Gebäudes eingesetzt werden. Die Vorteile von Stirlingmotoren gegenüber den bisher in den KWK-Anlagen eingesetzten Otto- oder Dieselmotoren sind zum einen die Unabhängigkeit von dem eingesetzten Brennstoff zur Wärmeerzeugung, lediglich die kontinuierliche Wärmebereitstellung ist relevant. Durch die außerhalb des Motors stattfindende Verbrennung wird darüber hinaus der Verschleiß und die notwendige Wartung reduziert. Die Schadstoffemissionen liegen im Bereich von modernen Gasbrennern und sind ca. 10-mal geringer als bei gasbetriebenen Ottomotoren. (26) Mikro-KWK-Anlagen mit Stirlingmotoren führen gegenüber den bisher in Österreich genutzten Heizungssystemen und dem zusätzlichen Strombezug zur Reduzierung der Schadstoffemissionen (SO 2 -Äquivalent) von mindestens 40 % (ggü. Erdgas und Solar) und bis zu 93 % (ggü. einer Heizungsanlage mit Holzpellets). Der Primärenergiefaktor (Maß für Energieeffizienz) im Vergleich der verschiedenen Technologie ergibt zusätzlich, dass der Energieträgereinsatz um 8 bis 36 % gesenkt werden kann. (27 S. 46ff) Die Brennstoffzellentechnologie erzielt durch die direkte Umwandlung von chemischer Energie in elektrische und thermische Energie höhere Wirkungsgrade als herkömmliche Mikro-KWK-Anlagen, dies führt zu geringeren Schadstoffemissionen. Mögliche Brennstoffzellentypen für die stationäre Kraft-Wärmekopplung sind SOFC und PEMFC. Der Vergleich der elektrischen Wirkungsrade in Abbildung 18 zeigt vor allem, dass die SOFC insgesamt höhere Wirkungsgrade im Vergleich zu anderen Technologien erzielen können (28).
3 Abbildung 18: Systemvergleich Stromerzeugung (28) 5.2 Entwicklung Analysiert man die unterschiedlichen Technologien hinsichtlich verschiedener Aspekte (einsetzbare Brennstoffe, Vor- und Nachteile, Entwicklungsstand, Kostenvergleich, Lebensdauer), so kann die Schlussfolgerung getroffen werden, dass Verbrennungsmotoren aufgrund der hohen Marktreife und der gesammelten Betriebserfahrungen die geeignetste Technologie für den breiten Einsatz darstellen. Ein hohes Marktreifepotential haben in den letzten Jahren auch die Stirlingmotoren erreicht, die sich auf dem Weg zur Großserienfertigung für den europäischen Markt befinden. Hinsichtlich der genaueren Darstellung der betriebsgebundenen Kosten müssen diese Geräte allerdings noch Betriebserfahrungen sammeln. Bei der Entwicklung der Brennstoffzellentechnologie werden im Wesentlichen zwei unterschiedliche Zellentechnologien verfolgt, die PEM- und die SOFC. In den letzten Jahren wurden diverse Prototypen in Feldversuchen getestet und das hohe Entwicklungspotential aufgezeigt. Im Rahmen des Projekts Callux werden seit 2008 Brennstoffzellen in Eigenheimen in Deutschland getestet (29). Auf europäischer Ebene ist mit ene.field seit September 2012 ein weiteres Projekt zur Erprobung der Brennstoffzellen in der Praxis in zwölf EU-Ländern vorhanden (30). Für eine Markteinführung stellen derzeit auch die hohen Investitionskosten ein wesentliches Hemmnis dar (22), (16). Analysen zum Marktpotential in Österreich (22) zeigen, dass potentielle Kundengruppen in 2 Sektoren unterteilt werden können: Haushaltssektor o Einfamilienhäuser (EFH) o Mehrfamilienhäuser (MFH) Ausgewählte Gewerbe o Bildungseinrichtungen
4 o o o Schwimmbäder Beherbergungsbetriebe Öffentliche Gebäude Das theoretische Potential für den Einsatz von Mikro-KWK-Anlagen im Haushaltssektor liegt in Österreich in einem Bereich von ca % aller Wohnungen und betrifft prinzipiell alle zentral beheizten Wohnungen abzüglich des mit Fernwärme versorgten Wohnungsbestandes. Die Abbildung 19 zeigt neben dem gegenwärtigen Marktpotential (2010) den prognostizierten Potentialrückgang bis 2050 für 6 verschiedene Größen von Wohneinheiten durch einen Rückgang des Wärmebedarfs. Abbildung 19: (22) Potential für den Einsatz von Mikro-KWK-Anlagen im Wohngebäudesektor Das Potential im Gewerbe und Dienstleistungssektor wurde anhand von Analysen des Verbrauchsverhaltens der verschiedenen Bereiche beurteilt und ist in der Abbildung 20 dargestellt. Auch in diesem Sektor wird ein Rückgang des Marktpotentials im österreichischen Energiesystem bis zum Jahr 2050 prognostiziert, dass auf den Ausbau der Fern- und Nahwärmenetze und die Verringerung des Wärmebedarfs zurückzuführen ist. Daraus folgt, dass der Einsatz von Mikro-KWK-Anlagen in Bereichen mit hohem Wärmebedarf und ausreichender Grundlast sinnvoll ist, wobei eine optimale Auslegung des Heizsystems gewährleistet sein muss. Die gegenwärtig verfügbaren Mikro-KWK- Anlagen sind vielfach für den Betrieb mit leitungsgebundenen Brennstoffen (Erdgas, Bioerdgas) vorgesehen und können dadurch insbesondere in Gebieten mit vorhandenen Gasnetzen eine hohe Marktdurchdringung erreichen. Ein Teil der verfügbaren Mikro- KWK-Anlagen kann auch mit nicht leitungsgebundenen Brennstoffen (z.b. Flüssiggas, Heizöl, Biodiesel, Holzhackschnitzel, Pellets) betrieben werden und ist auch in nicht Erdgas versorgten Gebieten einsetzbar.
5 Mit fossilen Brennstoffen betriebene Mikro-KWK-Anlagen sind gegenwärtig in Österreich nur wenig verbreitet. Die Ursachen dafür bestehen in den, im Vergleich zum Strom, hohen Preisen für Gas und daher dem fehlenden wirtschaftlichen Anreiz für den Einsatz von Mikro-KWK-Anlagen sowie den noch fehlenden gesetzlichen Rahmenbedingungen für den Einsatz von KWK-Anlagen im untersten Leistungssegment (z.b. Investitionsförderung, Vergütung des eingespeisten Stroms). Förderungen von neuen Mikro-KWK-Anlagen sind in Österreich gegenwärtig regional begrenzt. Da für den eingespeisten elektrischen Strom aus Mikro-KWK-Anlagen, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, kein geförderter Einspeisetarif in das öffentliche Netz genutzt werden kann, ist eine möglichst hohe Eigennutzung anzustreben. Das KWK-Gesetz fördert nur Anlagen (Investitionszuschuss und Unterstützungstarif für KWK-Strom), deren Wärme zur Fernwärmeversorgung eingesetzt wird, wodurch Mini- und Mikro-KWK-Anlagen ausgeschlossen sind. (31) Bisher gibt es in Österreich auch keine bundesweite Investitionsförderung für Mikro- oder Mini-KWK-Anlagen. (32) Die Förderung für KWK-Anlagen auf Basis von Erdgas oder Flüssiggas ist bisher nur über Kommunalkredite für Unternehmen, gemeinnützige Vereine und Energieversorgungsunternehmen möglich. Gefördert werden hocheffiziente KWK- Anlagen bis zu einer Größe von 2 MW (elektrisch) bei denen die Investitionskosten mindestens Euro betragen. (33) Es besteht jedoch die Möglichkeit, regionale Lösungen zur Unterstützung in Anspruch zu nehmen, wie z. B. in Wien. Dort werden Mikro-KWK-Anlagen mit bezuschusst. In Niederösterreich besteht seit die Möglichkeit einer Förderung von bis zu für Biomasse-Mikro-KWK-Anlagen für 30 Anlagen bis spätestens (34). Abbildung 20: Potential für den Einsatz von Mikro-KWK-Anlagen im Gewerbe und Dienstleistungssektor (22)
6 Innerhalb der Vereinigung Österreichischer Kessellieferanten (VÖK) haben sich verschiedene Firmen aus dem Bereich der KWK- und der Gasindustrie zu einer Arbeitsgruppe (mkwk) zusammengeschlossen. Ziel ist es, die Rahmenbedingungen und die Technik für den Einsatz von Mikro-KWK-Anlagen bis 11 kw (elektrisch) im privaten und gewerblichen Bereich zu forcieren. In Deutschland hat sich im Bereich der Mikro-KWK- Anlagen bereits gezeigt, dass eine entsprechende Förderung einen entscheidenden Anstoß zum Ausbau dieser Technologie geben kann. (32)
7 5.3 Auswirkungen der Anforderungen aus AP 1 Geringe Wasserstoffkonzentrationen (4-5 Vol.-%) lassen keine wesentlichen Auswirkungen auf den Betrieb von Mikro-KWK-Anlagen erwarten. Bei höheren Wasserstoffkonzentrationen sollte bei Bestandsanlagen je nach Grundgas eine Anpassung der Betriebsparameter zur Vermeidung von Leistungs- und Wirkungsgradeinbußen sowie Emissionsanstiegen erfolgen. Bei Neuanlagen sind, bei entsprechender Motorauslegung, aufgrund der guten Brenneigenschaften des Wasserstoffes für Zumischraten bis 20 Vol. % keine wesentlichen Probleme zu erwarten. 5.4 Fazit Mikro-KWK-Anlagen Mikro-KWK-Anlagen bieten für jeden Gebäudetyp eine gute Möglichkeit um Wärme und Strom dezentral und nahe beim Verbraucher zu erzeugen, welche durch die hohen Wirkungsgrade und den kombinierten Einsatz von Erdgas und Biogas zudem THG- Emissionsmindernd wirkt. Der Einsatz von Mikro-KWK-Anlagen wirkt sich durch die Gewinnung von Strom aus Gas Gasabsatzsteigernd aus. Einige Studien sehen sehr großes Potenzial für Mikro-KWK-Anlagen, so dass die Gaswirtschaft bei entsprechender Fokussierung sowohl im Strom- als auch im Wärmebereich Anteile halten bzw. gewinnen kann. Die höheren Kosten für Mikro-KWK- Anlagen sollten durch gezielte Förderungen relativiert werden, um einer sehr effizienten Technologien den Eintritt in den Markt zu ermöglichen. Ein weiterer positiver Aspekt ist mittel- bis langfristig die mögliche Nutzung von Mikro- KWK-Anlagen als Schattenkraftwerke, indem die Stromproduktion entsprechend des Bedarfs im Stromnetz gesteuert wird.
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