Elektrotechnik
BHKW contra Brennstoffzelle: KWK zur gebäudenahen Energieversorgung auf zwei Wegen
ep5/2002, 4 Seiten
BHKW sind langzeiterprobt Bereits vor mehr als 100 Jahren wurde in einer Zuckerfabrik in Baden die erste KWK realisiert. Ihr folgten weitere, die ebenfalls in Industriekraftwerken unmittelbar vor Ort Prozesswärme zur Verfügung stellten. Etwa vor drei Jahrzehnten kamen die ersten dezentral einsetzbaren KWK unter der Bezeichnung BHKW auf den Markt. Anstelle dieses Begriffes spricht die Branche auch häufig vom HKW (Heizkraftwerk) oder beim Antrieb über Verbrennungs- bzw. Dieselmotor vom MKW (Motorheizkraftwerk). Ziel war die Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades - also der Brennstoffausnutzung - auf derzeit mehr als 90 %. BHKW treten an die Stelle von Kondensationskraftwerken, deren Abwärme in Kühltürmen nutzlos in die Atmosphäre entweicht. Um das zu vermeiden, wird in Kraft-Wärmegekoppelten Systemen die entstehende Verlustwärme (aus Antrieb, Generator, Schmieröl und Abgasen) zur Heizung, Warmwasserbereitung und als Prozesswärme vor Ort in Industrie und Gewerbe genutzt. Die nutzbare Temperatur liegt zwischen 90°C und 110°C und reicht z. B. aus, um die Wärmeenergie in einer Absorptionsanlage in Klima-Kälte zu transformieren. Derartige Systeme werden u. a. für Gebäudekomplexe, in Krankenhäusern, Kühlhäusern usw. eingesetzt und erhöhen die Wirtschaftlichkeit wie auch die Umweltfreundlichkeit [1]. Kennzeichen der KWK ist bekanntlich die zeitgleiche Bereitstellung von Strom und Wärme mit einem vorgegebenen Leistungsverhältnis. Davon abweichend kann das Mini-BHKW von Ecopower dieses Leistungsverhältnis ändern und so dem Verbrauch besser anpassen [2]. In der Regel verzichtet die Mehrzahl der Hersteller auf den damit verbundenen Mehraufwand innerhalb der BHKW-Elektrik und setzt auf eine Entkopplung des Wärmebedarfs durch Installation eines ohnehin sinnvollen Warmwasserspeichers. Um kurze Amortisationszeiten von wenigen Jahren zu erreichen, soll das BHKW mindestens 5000 h bis 6000 h pro Jahr betrieben werden. Damit wird sichergestellt, dass der Stromeigenbedarf so weit wie möglich abgedeckt und ein Maximum an elektrischer Energie in das Netz eingespeist wird. Ausgangspunkt bei der Leistungsbestimmung des BHKW ist aber nicht der Spitzenbedarf, sondern der ganzjährige Grundlastbedarf an thermischer und elektrischer Energie. Zur Deckung der thermischen Spitzenlast ist in der Regel eine Zusatzheizung unverzichtbar. Die Mehrzahl der Anwendungsfälle im gebäudenahen Bereich liegt weit unter der MW-Grenze und betrifft in besonderem Maß die kommunalen Stromversorgungsunternehmen. In den letzten zwei Jahrzehnten wurden nicht zuletzt mit der Versorgung größerer Gebäudekomplexe einschließlich kommunaler Verwaltungen bzw. beim Zusammenschluss bedeutender Wärmeverbraucher Erfahrungen gesammelt. Als typisch gilt die Zusammenfassung von Hallenbad, Wohngebäuden, Dienstleistungszentren und Kleingewerbe zu Energieversorgung Elektropraktiker, Berlin 56 (2002) 5 394 Dipl.-Ing. Helmut Kabisch ist freier Fachjournalist, Berlin. Autor BHKW contra Brennstoffzelle Kraft-Wärme-Kopplung zur gebäudenahen Energieversorgung auf zwei Wegen H. Kabisch, Berlin Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist nach der Windenergie in Deutschland der zurzeit bedeutendste umweltfreundliche Stromlieferant. Sie erlaubt sowohl die optimale Ausnutzung fossiler Brennstoffe als auch organischer Reststoffe. Zusammen mit der Warmedämmung soll sie im Rahmen des von der Bundesregierung beschlossenen Klimaschutzprogramms den Hauptteil der geplanten CO2-Minderung erbringen. Im mittleren und unteren Leistungsbereich stehen dafür Blockheizkraftwerke (BHKW) zur Verfügung, die zunehmend in die Gebäude integriert werden. Sie bilden heute die reale Alternative zu der noch nicht serienreifen Brennstoffzellen-Technologie. Das Power Baby von Kuntschar und Schlüter genannte BHKW mit Wärmepumpe liefert etwa 5 kW Strom und 12 kW thermisch (BHKW-Betrieb). Bei Bedarf kann auf rund 9 kW thermisch zur Warmwasserbereitung und etwa 8 kW Kälteleistung zur Raumklimatisierung z. B. über vorhandene Heizkörper (überwiegend Wärmepumpenbetrieb) bzw. rund 2 kW Strom und 20 kW Heizwärme (kombinierter Betrieb) umgeschaltet werden Quelle: Kabisch 100 Wärmebedarf 2000 4000 6000 8000 Betriebsstunden pro Jahr Spitzenklasse Modul 4 Modul 3 Modul 2 Modul 1 100 Wärmebedarf 2000 4000 6000 8000 Betriebsstunden pro Jahr Spitzenklasse Modul 4 Modul 3 Modul 2 Modul 1 Geordnete Jahresdauer einer Heizzentrale mit 4 BHKW-Modulen und einem Spitzenkessel Quelle: MDE einem eigenständigen Nahwärmezentrum. Auch die Versorgung von Technologieparks und Gewerbezentren zählt dazu. Hier empfehlen sich Heizzentralen mit mehreren BHKW-Modulen, die nach Bild kostengünstig stufenweise zu- und abgeschaltet werden [3]. Darüber hinaus wurden zahlreiche BHKW in Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie in landwirtschaftlichen Betrieben und Verwaltungsgebäuden installiert. Bereits Anfang der 90er Jahre erreichten mehrere BHKW in Deutschland eine Betriebsdauer von mehr als 100000 Stunden. Der nachgewiesene Qualitätsstandard hat nach Erhebungen des Stuttgarter Uni-Instituts IER dazu beigetragen, dass bereits Ende der 90er Jahre annähernd 5000 BHKW mit einer elektrischen Gesamtleistung von rund 35 GW installiert wurden. Dazu gehören auch Gebäude, die nach VDE 0107 bzw. 0108 oder aus anderen Sicherheitsbedürfnissen über eine gesicherte Stromversorgung verfügen müssen. Bekannt sind nicht zuletzt Krankenhäuser und Regierungsbauten, die kostengünstig und umweltfreundlichauchim Dauerbetriebmit Strom versorgt werden, thermische Energie speichern und mit Wärmeenergie kühlen. Energieversorgung Anschlussfertige HKA für 5 bis 5,5 kWel und 10,4 bis 12,5 kWth - hier ohne Gehäuse - mit 1 m2 Grundfläche. Zusammen mit dem notwendigen Freiraum reichen 3,4 m2 Kellerfläche zur Installation des 520 kg schweren Gerätes aus. Quelle: Sener Tec Mini-BHKW mit hohen Zuwachsraten und neuen Konzepten Im Ergebnis der Förderung von KWK, der Nutzung von Biomasse und der in [4] dargelegten Zielstellungen einer neuen, vorzugsweise dezentralen Stromversorgung hat sich die Nachfrage vor allem nach Mini-BHKW im elektrischen Leistungsbereich bis 35 kW erhöht. Der Schwerpunkt liegt im Bereich von 5 kW [2]. Dazu gehört auch die Neuentwicklung nach Bild . Von besonderem Interesse ist das Programm für Mini-BHKW des Marktführers Sener Tech, der in Deutschland 75 % des Bedarfs abdeckt. Angeboten werden anschlussfertige, vom Hersteller als Heiz-Kraft-Anlage (HKA) bezeichnete, Geräte im Leistungsbereich von 5 bis 5,5 kWel sowie BHKW-Typenreihen für 13 bis 33 kW. Im Mittelpunkt stehen aber die HKA, die seit 1996 in Serie gefertigt werden (Bild ). Anfang dieses Jahres wurde das 5000ste HKA ausgeliefert. Mit einer Lebensdauer von mehr als 80000 h und der Eignung für Erdgas, Flüssiggas, Heizöl und Biodiesel erfüllt die Kompakteinheit weitgehend die heutigen Anforderungen einer KWK. Zur Erhöhung von Leistung, Wirtschaftlichkeit und Versorgungssicherheit sind bis zu 6 HKA starr oder in Stufen parallelschaltbar. Nach Information des Herstellers wurde z. B. in einem 30-Betten-Hotel im Salzburger Land im Juli 1998 eine Anlage mit drei 5,3-kW-HKA in Betrieb genommen. Die mit Heizöl betriebene Anlage deckt auch den Spitzenbedarf ab und verzichtet auf eine zusätzliche Wärmequelle. Einschließlich Installation kostet die Gesamtanlage etwa 39000 Euro und amortisiert sich in rund 5 Jahren. In modifizierter Ausführung übernehmen die HKA bei Bedarf die Funktion einer Ersatzstromanlage (Bild ). Das bedeutet, dass das BHKW in netzfernen Regionen auch im Inselbetrieb eingesetzt werden kann und - wie bereits nachgewiesen - ggf. mit anderen Stromerzeugern wie PV-Anlagen die Gebäudestromversorgung sicherstellt. Insgesamt rechnen die Sener-Tech-Experten mit einem Absatzvolumen in Deutschland von „mindestens 250000 Mini-BHKW“. Dabei muss davon ausgegangen werden, dass mittelfristig andere Konzepte - wie beispielsweise die Brennstoffzelle - als Konkurrenz auftreten. Auch die radikale Neuentwicklung der guten alten Dampfmaschine kann die Monopolstellung des Mini-BHKW zumindest teilweise gefährden. In den letzten Monaten wurde erstmals das Modell eines patentgeschützten „Mikro-Dampftriebwerkes“ vorgestellt, das die Funktionalitäten des Heizungsbrenners, der Warmwasserbereitung und der 5-kW-Stromerzeugung in einem einzigen „Gerät von der Größe eines Pilotenkoffers“ vereint. Die in Berlin ansässige Enginion AG will ausgewählten Kunden und Partnern 2003 erste Geräte ausliefern und plant den Start der Massenproduktion (!) für Ende 2004. Sie sollen „deutlich weniger kosten als herkömmliche Anlagen einschließlich Turbinen-, Stirling- oder Brennstoffzellensysteme“. Damit wäre der Dampfmotor - hier „Zero Emission Micro Power Unit“ genannt - vielleicht der aussichtsreichste Konkurrent zum heutigen Mini-BHKW. Wesentlich geringere elektrische Leistungen erbringt die etwa zeitgleich erwartete Mikro-Wärme-Kraft-Kopplung (µWK) der Brennwerttechnik produzierenden ATAG aus Holland. Das neue Gerät, das die bisherigen Brennwertgeräte ablösen soll, ist eine Kombination aus Brennwertkessel und Stirlingmotor (Wärmekraftmotor). Ziel ist die Erzeugung von Wärme (6 bis 24 kW) und zusätzlich die Bereitstellung einer elektrischen Leistung von 1 kWel. Gleichzeitig werden nach Firmenangaben die CO2-Emissionen gegenüber der Brennwerttechnik um weitere 15 % reduziert. Nach einer unabhängigen Studie der Unternehmensberatung Frost & Sullivan werden sich Mini-BHKW bis 10 kWel in den Jahren 2005 bis 2007 in Privathaushalten als Alternative zum derzeit dominierenden Brennwertkessel durchsetzen. Der Umsatz im europäischen Markt steigt danach auf etwa 500000 Anlagen im Jahr 2010. Brennstoffzellen contra BHKW Auch die Brennstoffzelle (BZ) ist bekanntlich ein KWK-System, das Strom und Nutzwärme liefert und deshalb beim Einsatz in der stationären Energieversorgung häufig als BZ-BHKW bezeichnet wird (s. [5] bis [10]). Während sich letztere zunächst noch im Feldtest bewähren müssen, erweitert das vorgenannte Mini-BHKW ständig die Marktpräsenz. Seine größte Schwäche ist aber der relativ geringe elektrische Wirkungsgrad, der bei den gegenwärtig marktfähigen Mini-BHKW kaum die 30 %-Grenze überschreitet. Energieversorgung Elektropraktiker, Berlin 56 (2002) 5 396 Niederspannungsnetz des EVU jederzeit zugängliche Schaltstelle nach VDRW-RL Abschnitt 4 kann an dieser Stelle entfallen, wenn der Hausanschlusskasten dem EVU-Personal uneingeschränkt zugänglich ist Hausanschlussleitung Hausanschlusskasten Eigentumsgrenze Bezug Rückspeisung HKA SRM Zählerkasten Stromkreisverteiler EVU Betreiber nicht ersatzstromberechtigte Stromkreise Ersatzstromschiene Absicherung mit FI-Schutzschalter und Sicherung Kuppelschalter mit zwangsgeführten Kontakten, einschließlich Hilfskontakte Spannungsrückgangsschutz Spannungssteigerungsschutz Frequenzrückgangsschutz Frequenzsteigerungsschutz Kurzschlussschutz Überlastschutz SRM - Spannungs-Regelungs-Modul Einbindung einer HKA als Ersatzstromlieferant in das Verbrauchernetz Quelle: Sener Tec Zwar arbeiten Forscher an der Verbesserung, orientieren sich dabei aber vor allem auf den MW-Bereich. Mit einem auch im Teillastbereich hohen elektrischen Wirkungsgrad von 35 bis 60 %, je nach verwendeter BZ-Technologie, könnte sie deshalb die motorisch betriebene BHKW eines Tages ablösen, sofern sie preislich konkurrieren kann. Dem höheren Stromangebot der BZ stehen aber auch Nachteile entgegen. So reicht das Temperaturniveau der bevorzugten Niedertemperaturzelle PEMFC kaum zur Warmwasseraufbereitung und Fußbodenheizung und keinesfalls zur Raumkühlung mit Wärmeenergie aus. Hochtemperaturzellen haben zwar in dieser Beziehung keine Probleme und können bei Bedarf sogar Dampf liefern - der aber nur in leistungsstärkeren Einheiten zur erweiterten Stromversorgung oder für technologische Prozesse in der industriellen Fertigung genutzt wird. Das Motor-BHKW kann diese Aufgaben nicht erfüllen. Andererseits sind Hochtemperatur-BZ für intermittierenden (zeitweilig aussetzend) Betrieb nicht geeignet, weil sie erst nach einer mehrstündigen Anheizzeit betriebsfähig sind. Das schränkt auch ihre Eignung als Ersatzstromquelle ein. Werden sie allerdings dauernd betrieben, kann die Notstromversorgung im Störungsfall über parallel geschaltete Aggregate bzw. vom Netz gesichert werden - eine wirtschaftliche Betriebsart, die zurzeit auch mit Hochtemperatur-BZ erprobt wird. Für Motor-BHKW und Niedertemperaturzellen sind der intermittierte Betrieb und die Ersatzstromversorgung uneingeschränkt möglich. Alle drei Systeme sind für die Speisung mit Erdgas geeignet, jedoch benötigt die Niedertemperatur-BZ eine bessere Gasreinigung. Sondergase werden mit geringerem Mehraufwand von Hochtemperatur-BZ in Strom umgewandelt. Gleiches gilt für Motor-BHKW, wenn aus drei Varianten der richtige Motortyp ausgewählt wird. Der Vergleich zeigt, dass die Einsatzbreite des gebäudeintegrierten Mini-BHKW in etwa dem eines vergleichbaren BZ-BHKW entspricht. In beiden Fällen wird bis auf Ausnahmen die Wärmeleistung auf die Grundlast beschränkt. Potentielle Hersteller wie Vaillant, Sulzer Hexis und HGC setzen auf BZ-BHKW, die mit Zusatzheizern zu einem anschlussfertigen Heizgerät für den Kellereinbau gefügt werden. Bis zu ihrer Massenproduktion vergehen noch einige Jahre, so dass sie nur begrenzt für die bis 2006 (in Ausnahmefällen 2008) abzuschliessende Erneuerung veralteter Heizkessel zur Verfügung stehen. Der Elektrofachbetrieb für Gebäudetechnik sollte sich dennoch im Rahmen der geplanten BZ-Testläufe profilieren - eine Chance, vergleichbar mit der Installation erster PV-Anlagen im Rahmen des 1000-Dächer-PV-Programms Anfang der 90er Jahre. Die Möglichkeit aber, das Geschäftsfeld schon kurzfristig zu erweitern, bietet ausschließlich die Mini-BHKW-Technologie. Die Chancen sind gut. Die Energieeinsparverordnung eröffnet vor allem im Altbau durch die notwendige Auswechslung alter Heizanlagen neue Zwänge und bietet finanzielle Unterstützung (vgl. „Marktplatz Altbau“ auf S. 407 und 408). Die Mineralölsteuer wird vollständig zurückerstattet: 6,14 Cent pro Liter Heizöl, 0,348 Cent pro kWh bei Erdgas, 3,84 Cent pro kg Flüssiggas. Zusätzlich wird die durch Eigennutzung fällige Stromsteuer gespart - für die vorgestellte HKA zurzeit 1,79 Cent pro kWh. Schließlich gilt entsprechend dem neuen „Gesetz für die Erhaltung, die Modernisierung und den Ausbau des KWK“: Zusätzlich zur marktüblichen Einspeisevergütung gibt es für neuerrichtete Anlagen für jede ins Netz eingespeiste kWh 10 Jahre lang einen Bonus von 5,11 Cent - vorausgesetzt, die Anlage ist nach dem 1.4.02 in Dauerbetrieb gegangen und die KWK-Anlage leistet nicht mehr als 50 kW. Das bisher gültige KWK-Vorschaltgesetz ist außer Kraft gesetzt. Literatur [1] Kabisch, H.: Umweltverträgliche Kühlverfahren in der Gebäudetechnik - heute und morgen. Elektropraktiker, Berlin 53(1999)1, S. 50-55 [2] Steinborn,F.: Mini-BHKW für Handwerker. Elektropraktiker, Berlin 55(2001)12, S. 988-990 [3] Kabisch, H.: Blockheizkraftwerke unterstützen umweltfreundlich die Versorgung mit Strom und Wärme. Elektropraktiker, Berlin 53(1999), S. 228-232 [4] Kabisch, H.: Umbau auf umweltfreundliche Versorgung möglich. Elektropraktiker, Berlin 56(2002)1, S. 18-19 [5] Kabisch, H.: Brennstoffzellen für dezentrale Energieversorgung. Elektropraktiker, Berlin 54(2000)l, Lernen und Können S. 11-13 [6] Kabisch, H.: Brennstoffzellen für hohe Betriebstemperaturen. Elektropraktiker, Berlin 54(2000)l0, Lernen und Können S. 12-14 und 22 [7] Kabisch, H.: Brennstoffzellen - der lange Weg vom Dauertest zur Marktreife. Elektropraktiker, Berlin 54(2000)12, S. 1069-1074 [8] Kabisch, H.: Brennstoffzelle und Wasserstoff: Energiekonzept der Zukunft. Elektropraktiker, Berlin 55(2001)4, S. 314-318 [9] Kabisch, H.: Brennstoffzellen mit hoher Betriebstemperatur - Überblick. Elektropraktiker, Berlin 55(2001)10, S. 824-827 [10] Geitmann, S.: Brennstoffzellen in der Hausenergieversorgung. Elektropraktiker, Berlin 56(2002)2, S. 113-115 Energieversorgung Elektropraktiker, Berlin 56 (2002) 5 397 Weitere Infos finden sich unter www.bmwi.de sowie www.bhkw-infozentrum.de Infos
Autor
- H. Kabisch
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