Bewertung und Perspektiven der Mikro-KWK-Technologie

Die Beschlüsse zum integrierten Energie- und Klimaprogramm (IEKP) der Bundesregierung aus dem Jahr 2007 wurden durch ein umfangreiches Paket von 14 Verordnungen und Gesetzen umgesetzt. Eine besondere Bedeutung wird in diesem Programm der Kraft-Wärme-Kopplung beigemessen. Der Anteil an KWK soll demnach von derzeit ca. 12% auf eine anteilige Strom­erzeugung von 25% erhöht werden. Einen großen Beitrag zu diesem Ziel können die sogenannten Mikro-KWK-Anlagen leisten.

Darunter werden Heizungssysteme verstanden, die mittels Kraft-Wärme-Kopplung zusätzlich Strom erzeugen – sogenannte stromerzeugende Heizungen. Sie sind vorrangig für das Zielsegment der Ein- und kleinen Mehrfamilienhäuser geeignet und umfassen Aggregate in der Leistungsklasse bis ca. 3 kW elektrisch. Anders als KWK-Techniken größerer Ordnung sollen diese Produkte im Massenmarkt der Heizkessel platziert werden, was für Strategien zur Markteinführung von Bedeutung ist. Die Installation soll durch das regionale SHK-Handwerk durch den Austausch von alten Heizkesseln im Bestand oder aber zu kleineren Teilen auch als Erstinstallation im Neubau erfolgen.

Die Frage nach der Wirtschaftlichkeit
Stellt sich bei großen Anlagen häufig die Frage nach einer Wärmesenke zur Nutzung der bei der Umwandlung von chemisch gebundener Energie in Strom anfallenden Abwärme, ist diese bei Mikro-KWK-Anlagen zur Gebäudebeheizung in der Regel gegeben. Im Zusammenspiel mit geeigneten Puffer- bzw. Kombispeichern, welche sowohl heißes Wasser zur Gebäudebeheizung vorhalten, als auch warmes Wasser für den sanitären Einsatz speichern, können diese Anlagen bei guter Planung sehr hohe Laufzeiten erreichen. Dies ist auch eine Grundvoraussetzung für einen wirtschaftlichen Betrieb. Der Betreiber hat die Möglichkeit, den erzeugten Strom im Gebäude selbst zu nutzen und den überschüssigen Strom in das öffentliche Stromnetz einzuspeisen. Diesbezüglich gibt es für KWK-Strom eine sogenannte Abnahmepflicht. Diese sieht vor, dass der dezentral erzeugte Strom in jedem Fall vom Netzbetreiber abgenommen und vergütet werden muss.

Wurde in früheren Zeiten nur der eingespeiste Strom mit einer KWK-Förderung versehen, so ist dies seit 2009 auch für den eigen genutzten Strom möglich. Hierfür wurden unter anderem die Technischen Anschlussbedingungen der Netzbetreiber novelliert, sodass Mikro-KWK-Anlagen jetzt mit einem zusätzlichen Zähler im Gerät bzw. Gerätenähe ausgerüstet werden können. Die Differenz aus erzeugtem und eingespeistem Strom – der selbst genutzte Strom – wird derzeit mit 5,11 Cent/kWh gefördert. Der ins öffentliche Netz eingespeis­te Strom erhält diese Förderung ebenfalls und wird zudem mit dem Baseload-Preis der Leipziger Strombörse vergütet.

Ergebnisse von Feldtestuntersuchungen mit Stirlingmotoren (Projektpartner: DVGW, Erdgas Müns­ter, Gelsenwasser).

Anders als bei großen, zentralen KWK-Anlagen, die über ein Fern- bzw. Nahwärmenetz mit den Verbrauchern verbunden sind, sind bei Mikro-KWK-Anlagen für den häuslichen Einsatz die sogenannten „weichen Faktoren“ von besonderer Bedeutung. Schallemissionen, Baugröße und Bedienung sind nur einige dieser Faktoren. Um Lastspitzen – beispielsweise das Aufheizen eines Trinkwarmwasserspeichers – ausgleichen zu können, werden Mikro-KWK-Anlagen häufig mit einem zusätzlichen Spitzenlastkessel versehen. Dieser kann sowohl als integraler Bestandteil der KWK-Anlage, als auch als externe Lösung ausgeführt sein.

Technologien und Prinzipien
Zu den wichtigsten Technologien im Mikro-KWK-Bereich zählen

• Ottomotoren,
• Stirlingmotoren,
• Dampfmotoren und die
• Brennstoffzellen.

Der Ottomotor, als derzeit wohl bekannteste KWK-Technologie, ist in sämtlichen Leistungsgrößen erhältlich. Hier wird der Generator über eine Welle durch den Verbrennungsmotor angetrieben. Für den häuslichen Einsatz werden Anlagen mit elektrischen Leistungen von ca. 1 bis 5,5 kW eingesetzt. KWK-Anlagen mit Ottomotor sind im großen Leistungsbereich sehr weit verbreitet und technisch ausgereift. Auch im Mikro-KWK-Bereich gibt es bereits marktverfügbare Geräte. Diese profitieren vom Erfahrungsschatz der großen Leistungsklassen und können daher auch im kleinen Leistungsbereich als Stand der Technik angesehen werden. Mit elektrischen Wirkungsgraden von bis zu 30% weisen sie von den motorisch betriebenen KWK-Anlagen die höchste Effizienz bei der Stromerzeugung auf. Durch Nutzung der Abwärme werden Brennstoffnutzungsgrade von ca. 85% erreicht. Ähnlich wie bei den im Automobilbereich verwendeten Ottomotoren ist eine regelmäßige Wartung (Ölwechsel etc.) notwendig. Die Emissionen bei der Verbrennungsreaktion im geschlossenen Brennraum erfordern etwas mehr Aufmerksamkeit als bei anderen Mikro-KWK-Technologien mit externer Wärmezufuhr. Schwingungen beim Betrieb des Motors können Schallemissionen zur Folge haben, welche durch konstruktive Einbauten zwar gemindert aber nicht vollständig ausgeschlossen werden können.
Das Prinzip des Stirlingmotors ist bereits seit dem 19. Jahrhundert bekannt. Er ist damit nach der Dampfmaschine die ältes­te Wärmekraftmaschine. Stirlingmotoren werden durch eine externe Wärmequelle angetrieben. Durch abwechselndes Erhitzen und Abkühlen eines Arbeitsgases wird ein Arbeitskolben in Bewegung gesetzt, welcher mit dem Generator verbunden ist. Neben der eigentlichen KWK-Einheit besitzen die meisten Geräte ein integriertes Brennwertzusatzheizgerät, womit hohe thermische Leistungen erreicht werden können. Aufgrund der guten Modulationsfähigkeit kann ein großer Lastbereich mit einem Gerät bedient werden. Die elektrische Leistung bei Mikro-KWK-Anlagen mit Stirlingprinzip reicht von ca. 0,2 bis 9kW. Ein Großteil der kurz vor der Markteinführung stehenden Geräte weist eine elektrische Leistung von 1 kW auf. Die elektrischen Wirkungsgrade liegen im Bereich von 14 bis 24% und sind damit kleiner als die des Ottomotors. Im Gegensatz zum Ottomotor ist der Brennstoffnutzungsgrad von über 90% höher. Auch die Schadstoffemissionen können durch gezieltes Einwirken auf die außen liegende Verbrennung gering gehalten werden. Zudem ist der Stirlingmotor leiser und wartungsärmer als der Ottomotor.
Auch bei der Dampfexpansionsmaschine wird der KWK-Prozess durch eine außen liegende Verbrennung angetrieben. Mit einem Brenner wird Wasser in einem geschlossenen Kreislauf verdampft. Der entstandene Wasserdampf wird unter hohem Druck einem Arbeitsraum zugeführt und dort entspannt. Durch die Entspannung wird ein Kolben angetrieben, der wiederum den Generator antreibt. Bei diesem Prozess kondensiert der Dampf und wird dem Verdampfer im Kreislauf wieder zugeführt. Die anfallende Wärme wird über einen Wärmetauscher an das Heizsystem abgegeben. Mit elektrischen Leistungen von 0,3 bis 2 kW und thermischen Leistungen von 3,0 bis 16,0 kW ist eine gute Modulationsfähigkeit vorhanden. Der elektrische Wirkungsgrad von ca. 11% fällt etwas geringer als bei den Stirlinggeräten aus. Der Wartungsaufwand ist sehr gering und im Prinzip nicht größer als bei herkömmlichen Gasheizgeräten. Systembedingt sind die Schadstoffemissionen ähnlich niedrig wie beim Stirlingmotor.

KWK-Versuchsstand im GWI-Labor.

Neben den motorisch betriebenen KWK-Anlagen befindet sich derzeit mit der Brennstoffzelle eine weitere Technologie zur gekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme in der Entwicklung. Unterschieden werden hierbei die Hoch- und Niedertemperaturbrennstoffzellen. Merkmal ist das eingesetzte Elektrolyt und die Betriebstemperatur. Das Funktionsprinzip ist in beiden Fällen gleich. Dabei werden zwei Elektroden, die Anode und die Kathode, durch ein Elektrolyt voneinander getrennt. An der Anode wird zugeführter Wasserstoff in seine Bestandteile, Elektronen und Protonen, getrennt. Die Protonen wandern über das Elektrolyt zur Kathode, während die Elektronen über einen externen Stromkreis zur Kathode geleitet werden und dabei elektrische Arbeit verrichten. An der Kathode verbinden sich Protonen und Elektronen unter Zuführung von Sauerstoff zu Wasserdampf. Der Wasserdampf wird über einen Wärmetauscher geleitet und die Abwärme dem Heizsystem zugeführt. Brennstoffzellen zeichnen sich durch die höchsten elektrischen Wirkungsgrade der hier genannten Systeme aus. Bei der Hochtemperaturbrennstoffzelle kann ein elektrischer Wirkungsgrad von 60% erreicht werden. Die elektrische Leistungsfähigkeit der sich in der Entwicklung befindlichen Brennstoffzellen liegt bei 1 bis 5 kW.

Effizienzbewertung
KWK-Anlagen stellen in der Hausenergieversorgung eine hocheffiziente Alternative dar. Während bei konventioneller Gebäudebeheizung die Versorgung mit Wärme und Strom getrennt voneinander stattfindet, können bei der gekoppelten Erzeugung wesentlich höhere Brennstoffnutzungsgrade erreicht werden. Bei dezentralen Mikro-KWK-Anlagen entfallen zudem die Übertragungsverluste, die bei einer zentralen Stromversorgung entstehen. Erste vom Gaswärme-Institut Essen (GWI) durchgeführte Feldtestuntersuchungen mit einem Stirling-Gerät (Status Prototyp) haben gezeigt, dass bei zentraler Erzeugung von Wärme und Strom Primärenergie einge­spart werden kann. Ebenfalls konnten die CO₂-Emissionen gesenkt werden. Geräte­optimierungen, neue Regelstrategien und eine optimierte Integration des Systems in die Hausenergieversorgung lassen zudem erwarten, dass sich diese Werte in der Zukunft noch deutlich verbessern.

Eine Innovation vor der Markteinführung

In den letzten Jahren hat die Mikro-KWK-Technik erhebliche Fortschritte gemacht. Während vor zwei Jahren lediglich eine kleine Zahl von Prototypen verfügbar war, kann inzwischen auf eine wachsende Zahl seriennaher und marktverfügbarer Geräte namhafter Hersteller zurückgegriffen werden. Für eine erfolgreiche Positionierung als innovative Heiztechnik ist es nun erforderlich:

• ein genaues Bild über Leistung und Betrieb der unterschiedlichen Geräte im Praxiseinsatz zu gewinnen,
• das technische Regelwerk, Normen und Standards an die neue Technik anzupassen,
• geeignete Anreizsysteme und Fördermechanismen zu etablieren,
• die Marktpartner im Heizungsmarkt einzubinden und durch angepasste Qualifikationsmaßnahmen auf diese Marktchancen vorzubereiten.

Die E.ON Ruhrgas user group
Um das strategische Potenzial der Mikro-KWK-Technik auszuschöpfen und die Vorteile für die Gaswirtschaft nutzbar zu machen, hat E.ON Ruhrgas das traditionell hohe Engagement in all diesen Bereichen im letzten Jahr deutlich verstärkt. Im September 2009 hat der Konzern mit der Mikro-KWK user group den Rahmen für Deutschlands größten Feldtest mit über 200 Mikro-KWK-Geräten geschaffen. Ende September 2010 zählten knapp 50 Teilnehmer zur Mikro-KWK user group. Bei über 20 dieser Mitglieder konnten mittlerweile rund 50 Anlagen installiert werden. Die Installationen erfolgen kontinuierlich nach Verfügbarkeit der Feldtestanlagen und geeigneten Objekten.

Die E.ON Ruhrgas „Mikro-KWK user group“: Unterstützung der Markteinführung innovativer Gastechnologien.

Die user group verfolgt einen dreistufigen Ansatz:

1. Im Kompetenzcenter Gastechnik der E.ON Ruhrgas wird jeder neue Gerätetyp oder Gerätegeneration einem standardisierten Labortest unterzogen. So werden die Leistungsmerkmale und Wirkungsgrade der unterschiedlichen Produkte erfasst und vergleichbar gemacht.
2. In der zweiten Phase werden Informationen zur Verfügbarkeit, Effizienz unter Realbedingungen und den Betriebserfahrungen in der täglichen Praxis gewonnen. Hierfür werden pro Hersteller wenige Geräte mit ausführlicher Messtechnik in Feldtestobjekten der Energieversorger installiert.
3. In der dritten Phase erfolgt die Markterprobung bei den EVU mit dem Ziel, weiterreichende Betriebserfahrungen zu analysieren und auf dieser Grundlage eigene Konzepte zur Vermarktung von Mikro-KWK-Produkten zu sammeln. Hierfür wird die Zahl der installierten Geräte deutlich erhöht, die zudem mit Smart Meter-Messtechnik ausgerüstet werden. Dadurch werden einerseits die Kosten für die Datenerfassung und das Monitoring gesenkt, andererseits können die teilnehmenden Unternehmen erste Erfahrungen über die Tauglichkeit von im Markt verfügbaren Smart Meter-Lösungen in Kombination mit Mikro-KWK sammeln.

Erfahrungen aus dem Praxistest
Die zentrale Herausforderung für Klimaschutz und Ressourcenschonung im Wärmemarkt ist die Sanierung der Bestandsgebäude, weshalb hier der Schwerpunkt der Feldtestinstallationen liegt. Für die Erschließung des künftigen Massenmarkts sollen so Erfahrungen mit den typischen Merkmalen von Bestandsgebäuden gesammelt werden. In der user group werden deshalb bevorzugt Objekte mit einem repräsentativen Energieverbrauch von ca. 15.000 bis 45.000 kWh/Jahr ausgewählt. Beim Einbau der Mikro-KWK können dabei wichtige Erkenntnisse gewonnen werden, z.B. zur Einbindung in die vorhandenen Installationen und Hydraulik, zum Anschluss an die vorhandene Abgasabführung und zur Kombination der Mikro-KWK-Einheit mit einem Spitzenlastkessel oder integriertem Zusatzbrenner und einem Speicher.

Die Flotte der Feldtestgeräte wird seit Beginn des Jahres 2010 schrittweise erweitert, weshalb für viele Geräte erst kurze Betriebserfahrungen vorliegen. Aussagekräftige Ergebnisse können daher erst nach der kommenden Heizperiode erwartet werden. Wesentliche Erkenntnisse des bisherigen Testbetriebs sind:

• Die Laborversuche im Kompetenzcenter der E.ON Ruhrgas haben die Wirkungsgradziele der Hersteller im Grundsatz bestätigt.
• Die realen Nutzungsgrade im Feld werden durch eine Reihe von Faktoren beeinflusst und weichen von den Idealbedingungen im Labortest ab. Unter optimalen Bedingungen können die Nutzungsgrade jedoch nahe an die im Labor gemessenen Wirkungsgrade heranreichen. Ein Aspekt ist zum Beispiel die Vorbereitung der Installation durch einen hydraulischen Abgleich der Wärmeverteilung.
• Weiterhin zeigt sich Optimierungsbedarf hinsichtlich der Regelung und Speichergröße/-fahrweise. Die in einigen Fällen verwendeten Standardbauteile sind offensichtlich noch nicht für ein Mikro-KWK-Produkt angepasst worden.
• Der Installationsaufwand kann je nach Anlagenaufbau noch sehr hoch sein. Hier zeigen sich Verbesserungspotenziale zur Kostenoptimierung durch standardisierte Installationsabläufe.

Langfristiger Klimaschutzbeitrag
Die bisherigen Erfahrungen deuten darauf hin, dass eine ausgereifte Mikro-KWK-Technik bei sachgemäßer Installation signifikante Energieeinsparungen erzielen kann. Für die Bilanzierung des Klimaschutzvorteils ist dabei die Gutschrift des durch die Eigenerzeugung substituierten Strombezugs wesentlich, bei der die vermiedenen Emissionen aus dem Kraftwerkspark angerechnet werden. In der aktuellen Debatte um eine sinkende CO₂-Intensität der Stromerzeugung aufgrund des steigenden Anteils an Erneuerbaren Energien wird dieser Effekt allerdings gelegentlich kritisch hinterfragt. Das Argument ist, dass bei einer sinkenden durchschnittlichen CO₂-Intensität der deutschen Strom­erzeugung langfristig der Punkt erreicht wird, in dem die Stromerzeugung aus Erdgas-KWK mehr CO₂ produziert als der direkte Kraftwerksmix. Damit wäre das Fens­ter für einen sinnvollen Mikro-KWK-Einsatz entsprechend begrenzt. Doch ist dies die richtige Sichtweise? Richtig ist, dass die CO₂-Intensität der deutschen Strom­erzeugung aufgrund des steigenden Anteils der Erneuerbaren Energien kontinuierlich sinken wird. Diese Stromerzeugungskapazitäten sind allerdings politisch forciert und genießen eine privilegierte Behandlung. Sie gelten als sogenannte „must-run“ Kapazitäten. Die Einspeisung aus Mikro-KWK würde demnach den Strom aus Windkraftwerken oder Solaranlagen gar nicht verdrängen können. Die Substitutionswirkung der KWK wird vielmehr bei dem verbleibenden Restbestand des konventionellen Kraftwerksparks (Residualerzeugung) wirksam, d.h. vor allem bei den restlaufenden Kohlekraftwerken. Sie weisen ohne CCS-Technologie eine sehr hohe spezifische CO₂-Intensität auf, weshalb bis zum vollständigen Ersatz der klassischen Kohlekraftwerksleistung die Erdgas-KWK einen hohen Klimaschutzbeitrag liefert. Für die angemessene Würdigung des ökologischen Potenzials der KWK ist es daher wichtig, die Verdrängungswirkung vor allem mit Blick auf die konventionelle Residualerzeugung zu analysieren.

Flankierende Maßnahmen für eine erfolgreiche Markteinführung
Die Verfügbarkeit funktions- und leis­tungsfähiger Geräte im Markt ist die Grundbedingung für den Erfolg der Mikro-KWK. Hier setzt die Entwicklungspartnerschaft der E.ON Ruhrgas mit den Geräteherstellern und die Arbeit der Mikro-KWK user group an. Für die reibungslose Einführung und Verbreitung im Markt sind allerdings weitere Voraussetzungen zu schaffen, die sich an den spezifischen Merkmalen der Technik orientieren müssen. Anders als KWK-Techniken größerer Leistung werden die Mikro-KWK-Produkte im Massenmarkt der Heizkessel platziert und durch das SHK-Handwerk als Ersatz von alten Heizkesseln im Bestand oder aber zu kleineren Teilen auch als Erstinstallation im Neubau installiert. Ein wichtiger Aspekt ist in diesem Zusammenhang die Weiterentwicklung von technischem Regelwerk und Normung. Beispiele sind:

• DIN 4709 „Normnutzungsgrad für Mikro.KWK-Anlagen bis 70 kW Nennwärmebelastung“: Ermittlung des Normnutzungsgrades mithilfe eines dynamischen Lastprofils nach VDI 4655.
• prEN 50465 (2010) „Combined Heat and Power appliance of nominal heat input inferior or equal to 70 kW”: Produktnorm für Mikro-KWK-Anlagen (Stirling, Gasmotor, Brennstoffzelle). Diese Norm ist eine Erweiterung der bestehenden Produktnorm EN 50456 für Brennstoffzellenanlagen.
• VDI 4656 „Planung und Dimensionierung von Mikro-KWK-Anlagen: Leitfaden für Planer und Installateure. Durch diesen Leitfaden soll u.a. die Effizienz der Anlagen im Betrieb sichergestellt werden.
• VDI 2977 Beiblatt 2 „Verbrauchskosten bei Mikro-KWK-Anlagen“: Erfassung aller Verbrauchskosten für TGA-Anlagen (Energie/Wasser). Zu diesem Zweck sollten die Grundlagen von Messkonzepten festgelegt werden. Das Beiblatt 2 der Richtlinie ist für Einsatz von KWK-Anlagen in MFH/Contracting gedacht.
• Weitere Aktivitäten betreffen stromseitig die „Technischen Anschlussbedingungen für den Anschluss an das Niederspannungsnetz“ sowie die „Richtlinien für Eigenerzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz“, die gegenwärtig in Überarbeitung sind.

Es muss das Ziel aller Regelwerksarbeiten sein, eine verlässliche Grundlage für den sicheren Betrieb der Technik sowie die angemessene Berücksichtigung in politischen Rahmenwerken wie der europäischen Eco-Design-Richtlinie oder der novellierten Energieeinsparverordnung (EnEV) zu schaffen. Darüber hinaus wird es gerade zu Beginn der Markteinführung erforderlich sein, die Attraktivität der neuen Technik für die Endkunden durch entsprechende Förderimpulse zu erhöhen und eventuelle Vorbehalte gegenüber der neuen Technik abzubauen. Insgesamt betrachtet sind intensive Anstrengungen nötig, die Innovation in den ausstehenden Feldtests und Demonstrationsprojekten zu begleiten und gleichzeitig die erforderlichen flankierenden Maßnahmen zur Marktvorbereitung aufzusetzen.

Autoren: Dr. Rolf Albus, Gaswärme-Institut Essen, Dr.-Ing Stephan Ramesohl, E.ON Ruhrgas AG

Bilder: Gaswärme-Institut Essen, E.ON Ruhrgas AG

Mikro-KWK Heizgeräte – Beispiele aktueller Entwicklungen.

Bild: PowerPlus Technologies


Bild: PSanevo Vertriebs-GmbH & Co. KG


Bild: DeDietrichRemeha


Bild: Aisin-Toyota Group


Bild: Kirsch