Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung

Die Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung (Mikro-KWK) deckt das unterste Leistungssegment von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) ab. Sie ist vor allem für den gebäudeintegrierten Einsatz bei Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie im Kleingewerbe geeignet. Die Anlagen werden meist im Heizungskeller installiert und werden so dimensioniert, dass sie die elektrische Grundlast des Gebäudes oder den Energiebedarf der Warmwassererzeugung abdecken (Strom-, oder Wärmegeführt). Zur Beheizung des Gebäudes im Winter wird in der Regel ein zusätzlicher Wärmeerzeuger benötigt.

Mikro-KWK Anlagen bestehen entweder aus einem Mikro-Blockheizkraftwerke (Mikro-BHKW) oder einer Brennstoffzelle, jeweils mit Abwärmenutzung für die Brauchwassererwärmung und die Raumheizung.

Durch die dezentrale Energiewandlung reduzieren sich elektrische und vor allem thermische Übertragungsverluste. Im Vergleich zu reinen Verbrennungsprozessen für die Bereitstellung von Nutzwärme wird ein hoher exergetischer Gütegrad erreicht.

Abgrenzung In Anlehnung an eine dreiphasige Einspeisung ins Niederspannungsnetz schlagen Pehnt et al. 2006 eine Klassifizierung als Micro-KWK Anlage bis zu einer elektrischen Leistung von 15 kW vor.

Eine Differenzierung kann auch nach eingespeister Jahresstrommenge erfolgen, da für kleine Anlagen in der Regel keine Leistungsmessung erfolgt. Auf der Verbraucherseite haben Netzbetreiber bis zu einer bezogenen Jahresarbeit von 100.000 kWh standardisierte Lastprofile anzuwenden (§ 12 StromNZVhttps://www.gesetze-im-internet.de/bundesrecht/stromnzv/gesamt.pdf).

Auch kann ein zweidimensionales Kriterium verwendet werden: <11 kWel und <70 kW Brennstoffwärmeleistung. Das resultiert aus der Gasgeräterichtlinie 90/396/EWG, die für die Erteilung eines CE-Zertifikates bei Gasgeräten bis 70 kWth von Bedeutung ist. Die 11 kWel ergeben sich als kleinster gemeinsamer Nenner im europäischen Binnenmarkt.

Auch die EN 50438Requirements for micro-generating plants to be connected in parallel with public low-voltage distribution networks; German version EN 50438:2013, eine elektrotechnische Norm für Mikrogeneratoren, beschränkt sich auf einen Nennwert bis zu 16 A pro Phase, d. h. dreiphasig rund 11 kVA Scheinleistung, was bei einem Leistungsfaktor cos φ = 0,9 etwa 10 kWel Wirkleistung ergibt.

Die Unterklasse der stromerzeugenden Heizungen für Ein- und Zweifamilienhäuser wird Nano-KWK (bzw. Nano-BHKW) genannt. Die elektrische Leistung liegt meist bei 1 kW, es sind aber auch andere Anlagengrößen verfügbar. Als Abgrenzung empfiehlt sich ein einphasiger Nennstrom bis 16 A analog zur EN 50438 (Anforderung an Mikrogeneratoren), d. h. einer Scheinleistung 3,68 kVA. Die Geräte werden in Kombination mit einem integrierten oder externen Spitzenlastbrenner (20–30 kWth) ausgeliefert, der die maximale Wärmelast im Winter liefert.

Mini-KWK Weiterhin beschränkt die KWK-Richtlinie 2004/8/EG den Begriff „KWK-Kleinstanlage“ auf eine Leistung kleiner 50 kWel. Auch findet sich im KWK-Gesetz für Anlagen unter 50 kWel eine weitere Stufe im KWK-Zuschlag auf den erzeugten Strom aus Kraft-Wärme-Kopplung. Ebenfalls hatte das erste „Impulsprogramm Mini-KWK-Anlagen“ (September 2008) aus dem Bundesumweltministeriums die 50 kWel als obere Grenze für die Gewährung eines Investitionszuschusses. Daher bietet es sich an, diese etwas weiter gefasste Klasse bis 50 kWel Mini-KWK zu nennen.

Der Unterschied von Mikro-KWK zu Mini-KWK besteht darin, dass erstere überwiegend objektintegriert installiert wird, bei der letzteren aber auch schon kleine Nahwärmenetze versorgt werden können. Beiden ist gemein, dass sie im Gegensatz zur großen BHKW und Heizkraftwerken das Potential haben, als Serienprodukt in die Massenfertigung zu gelangen.

Technik

Bei einem Blockheizkraftwerk (BHKW) wird der Energieträger, meist Erdgas, aber auch Flüssiggas, Heizöl, Pflanzenöl oder Holz in einem thermodynamischen Kreisprozess genutzt, um mechanische Energie und daraus elektrische Energie zu generieren. Die Abwärme wird in das Heizungssystem des Gebäudes eingekoppelt. Der Strom wird selbst genutzt, der Saldo über das Netz ausgeglichen. In der Marktübersicht werden Beispiele aufgezählt, die zu technischen Details der verschiedenen Mikro-KWK-Varianten verlinken. Noch fehlt allerdings ein Massenmarkt, der nicht nur den technischen Fortschritt vorantreibt, sondern auch die Produktionskosten gemäß der Lernrate senkt.

Um auch im Sommer auf genügende Laufzeiten des KWK-Aggregats zu kommen, ist es wichtig, dass auch die Warmwassererzeugung zentral erfolgt. In der Regel sind die Anlagen so ausgelegt, dass die Grundlast an Wärme (Warmwasser + Übergangszeit) durch das BHKW bereitgestellt und der Spitzenwärmebedarf für die kalten Wintertage durch einen Zusatzbrenner geliefert wird. Ein Wärmespeicher entkoppelt die Wärme- von der Stromlieferung und erlaubt neben einer taktungsarmen Fahrweise den Betrieb zu Zeiten mit hohem Eigenstrombedarf.

Verbrennungsmotor

Das motorische Blockheizkraftwerk ist eine ausgereifte Technologie, die von der hundertjährigen Entwicklungsgeschichte von Otto- und Dieselmotoren profitiert. Auch bei Kleinst-KWK sind Anwendungserfahrungen seit den 1990er Jahren vorhanden. Neben Erdgas und Flüssiggas werden Heizöl und auch Pflanzenöl eingesetzt.

Neben der erprobten Technik ist beim Motor-BHKW der hohe elektrische und thermische Wirkungsgrad positiv hervorzuheben (elektrisch 20 bis 25 %, gesamt etwa 80 bis 90 %). Negativ an den Motor-BHKW sind die hohen Wartungskosten, die hauptsächlich durch die Ölwechselintervalle begründet sind. Weiterhin sind die im Vergleich zu anderen Typen hohen Emissionen zu nennen, die die interne Verbrennung mit sich bringt. Darüber hinaus stören die Lärmentwicklung und Schwingungen, die man durch Kapselung auf ein akzeptables Maß eindämmt.

Stirlingmotor Der Stirlingmotor ist als Motor mit externer Wärme-Zuführung vom Konzept her älter als Kraftmaschinen mit interner Verbrennung. Er wurde jedoch durch deren Erfolg als Fahrzeugantrieb in ein Nischendasein getrieben, da er für schnelle Lastwechsel ungeeignet ist. Als Maschine für den Einsatz als Heizkraftblock zur Energieversorgung von Gebäuden erlebt er eine Renaissance.

Das ist vor allem der äußeren Verbrennung zuzuschreiben. Hier kann mit kontinuierlicher Verbrennung gearbeitet werden, was aufgrund der stationären Flamme geringe Abgasemissionen mit sich bringt und auch verschiedenste gasförmige, flüssige und feste Brennstoffe zulässt. Darüber hinaus ist ein geräuscharmer Betrieb möglich. Die Wartungskosten sind im Vergleich zum Verbrennungsmotor geringer, weil er als Heißgasmotor in der Regel ölfrei konstruiert wird. Die Schwierigkeit bei der Herstellung liegt einerseits in der Werkstoffpaarung ölfrei funktionierender Gleitteile (Kolben/Zylinder) und der dauerhaften Dichtigkeit der Arbeitsgas führenden Volumina. Andererseits ist das Design des Wärmetauschers im Kopf des Arbeitszylinders aus hochtemperaturfesten und korrosionsbeständigen Materialien eine Herausforderung.

Ausgeführte Maschinen erreichen in der Praxis nur elektrische Wirkungsgrade um 15–25 Prozent, also deutlich weniger als Motoren mit innerer Verbrennung. Im Gesamtwirkungsgrad kommt der Stirlingmotor jedoch auf über 90 Prozent, wodurch er wegen der zuvor genannten Vorteile für in kleinen Wohngebäuden installierte Nano-BHKWs prädestiniert ist.

Dampfmotor

Im Dampfmotor wird Wasser in einem geschlossenen Kreislauf erhitzt und verdampft. In einem Expansionsmodul verrichtet der Wasserdampf Arbeit, kondensiert und gibt dabei Wärme an den Heizkreis ab. Anschließend wird es zum Verdampfer zurückgepumpt.

Der Dampfmotor arbeitet wie der Stirlingmotor mit externer Verbrennung, ist daher ähnlich flexibel beim Brennstoff und kommt auch auf ähnlich gute Abgaswerte. Allerdings sind bei den kleinen Dimensionen der Mikro-KWK beim Dampfkreislauf nicht dieselben elektrischen Wirkungsgrade wie beim Großkraftwerk erreichbar, sondern nur um die 10 bis 15 %. Positiv für das Konzept sprechen die geringen Wartungskosten ähnlich einer Brennwerttherme und der Gesamtwirkungsgrad von über 90 %.

Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle wandelt im Gegensatz zu den obigen Technologien den eingesetzten Energieträger (Wasserstoff, Erdgas, Methanol) nicht über einen thermodynamischen Zwischenschritt in elektrische Energie um, sondern direkt per elektrochemischer Redoxreaktion. Dabei anfallende Abwärme durch elektrischen Widerstand oder durch vorbereitende Reformierung des Brenngases kann als Nutzwärme abgegeben werden. Für die Mikro-KWK sind die Typen PEFC und SOFC von Interesse.

Die Brennstoffzelle hat das höchste technische Potential mit elektrischen Wirkungsgraden von 30–60 %. Sie ist die jüngste Technik, die erst seit kurzer Zeit (10 Jahre) im Fokus der Entwicklung zur Massenanwendung steht. Neben noch bestehenden technischen Problemen, wie der wegen Degradation noch zu geringen Standzeit der Brennstoffzellen-Stapel, sind weiterhin konstruktions- und fertigungstechnische Fortschritte notwendig, um die Herstellungskosten weiter zu verringern. Beim Einsatz für die Haus-Energieversorgung verfügt die Brennstoffzelle über weitere Vorteile: kaum bewegte Teile, damit wartungsarm (ähnlich einem Brennwertkessel) und nahezu lautlos im Betrieb.

Wirtschaftlichkeit

Eine Mikro-KWK-Anlage ist eine hocheffiziente Heizung mit einem Primärenergiefaktor der Wärmeversorgung unterhalb von eins. Der Standardwert aus der EnEV beträgt – das ist um ein gutes Drittel besser als der PE-Faktor einer Brennwertheizung mit 1,1. In Einzelzertifizierungen von Mini-BHKW-Baureihen lassen sich auch Werte von 0,6 und darunter nachweisen. Die niedrigen PE-Faktoren ergeben sich durch die Verrechnung mit der Stromgutschrift. Im Endeffekt tauscht man einen höheren Anschaffungspreis der Mikro-KWK-Anlage gegen geringere laufende Kosten für die Energieversorgung des Gebäudes.

Neben dem elektrischen Wirkungsgrad und der Stromkennzahl als Verhältnis von elektrischer zu thermischer Leistung spielt bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung auch der differentielle Wirkungsgrad eine Rolle. Er bezeichnet den Quotienten aus Stromertrag zum zusätzlichen Brennstoffbedarf im Vergleich zum Referenzkessel bei der Versorgung der Wärmelast (zur Vereinfachung der Darstellung wird nachfolgend für den Wärmestrom der Punkt weggelassen und geschrieben). Hat der Referenzkessel den gleichen Gesamtwirkungsgrad wie die Mikro-KWK-Anlage , d. h., die Abwärmeverluste beider Wärmeerzeuger sind vergleichbar, so ergibt sich:

Somit kann ein BHKW mit Brennwerttechnik (Gesamtnutzungsgrad ca. 90 %) den zusätzlich benötigten Brennstoff im Vergleich zu einer klassischen Brennwertheizung (thermischer Nutzungsgrad ca. 90 %) ebenfalls mit ca. 90 % Wirkungsgrad verstromen. Als variable Stromerzeugungskosten ergeben sich somit die Brennstoffkosten plus die Wartungskosten. Diese liegen je nach Modulgröße bei aktuell verfügbaren Mini-KWK-Anlagen zwischen 2,5 und 5 ct/kWh. Eine Besonderheit haben die Mikrogasturbinen: Sie zeichnen sich durch geringe Wartungskosten aus, wenn auch ein geringerer elektrischer Wirkungsgrad vorliegt. Die Wärme aus dem Aggregat wird gemäß der Restwertmethode mit den Wärmepreisen bewertet, die ein Referenzkessel mit Brennwerttechnik liefern könnte.