Mikro-BHKWs – eine Technologieübersicht
Ursprünglich beruhen BHKW-Anlagen auf Verbrennungsmotoren. Inzwischen sind – zumindest für den Mikro-KWK-Bereich – auch andere Systeme im Einsatz. Auf der diesjährigen ISH werden die Aussteller dieses Produktbereiches neue Systeme und Entwicklungen vorstellen. Ein Überblick über Techniken und Anbieter.
Von leistungsstarken KWK-Anlagen über Mini-KWK- bis hin zu Mikro-KWK-Anlagen präsentieren die Aussteller dieses Produktbereiches auf der ISH Frankfurt ihre aktuellen Systeme und Entwicklungen. Im Bild: Das neue Mikro-KWK-System „Vaillant ecoPOWER 1.0“, das neben dem Honda-KWK-Modul (links) über ein Wärmeauskopplungsmodul (mit Wärmübertrager für die Systemtrennung von Heizwasser und Motorenkühlmittel einschl. Pumpen und Bedieneinheit) verfügt. Weitere Systemkomponenten sind ein Multi-Funktionsspeicher und ein Gas-Brennwertgerät zur Abdeckung der Wärmebedarfsspitzen.
Blockheizkraftwerke sind Strom und wärmeerzeugende Anlagen. Für die Warmwasserbereitung nutzen sie in der Regel die thermische Energie, die beim Verbrennen eines Brennstoffs bzw. beim Kondensieren von Wasser oder Wasserdampf entstehen. Die elektrische Energie wird dagegen durch einen mechanischen Prozess erzeugt, in der Regel durch die Kolbenbewegung in einem Motor, der wiederum einen Generator antreibt. Eine Ausnahme bildet die Brennstoffzelle. BHKWs eignen sich dort, wo sowohl ein Strom- als auch ein Wärmebedarf herrscht. Große Anlagen mit einer Leistung über 50 kW sind in der Regel stromgeführt, d. h. ihre Hauptfunktion ist es, Strom zu erzeugen bzw. als Notstromaggregat zu agieren. Die zusätzlich zum Strom erzeugte Wärme kann zur Gebäudeheizung oder als Prozesswärme für die Produktion genutzt werden. Sogenannte Mini- und Mikro-BHKW-Anlagen weisen einen wesentlich geringeren Leistungsbereich auf.
Mini-BHKWs arbeiten im Leistungsbereich bis 50 kW, sind daher für große Einfamilienhäuser, Mehrfamilienhäuser und kleine Gewerbebetriebe geeignet. Mikro-BHKWs leisten bis 15 kW, sie gehören damit zur kleinsten Leistungsklasse der KWK-Technologie. Sie werden in Ein- und Zweifamilienhäusern eingesetzt. Sowohl Mini- als auch Mikro-BHKWs sind in der Regel wärmegeführt, d. h. sie dienen vorrangig als Heizung. Der zusätzlich erzeugte Strom kann entweder im Haus verwendet oder ins öffentliche Netz eingespeist werden. Beide haben einen hohen Gesamtnutzungsgrad von ca. 90 %.
Beispiele aktueller Entwicklungen im Bereich Mikro-KWK.
Mikro-BHKW mit Ottomotor
Der Ottomotor ist ein Verbrennungsmotor. Durch Zünden eines komprimierten Gas-Luft-Gemisches wird ein Kolben bewegt, der einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Zum Erhitzen des Heizwassers nutzt das BHKW die Wärme aus dem Abgas und dem Kühlwasserkreislauf.
Die Technik mit Ottomotoren hat den höchsten Entwicklungsstand, ist sie doch seit über 100 Jahren im Einsatz. Der elektrische Wirkungsgrad liegt bei ca. 25 %, der Gesamtwirkungsgrad bei 85 - 90 %.
Mikro-BHKW mit Stirlingmotor
Beim Stirlingmotor, auch Heißgasmotor genannt, wird ein beliebiger Kraftstoff eingesetzt, um ein Arbeitsgas im Zylinder abwechselnd zu erhitzen und abzukühlen. Durch die Bewegung des Kolbens entsteht mechanische Energie, die einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Das Arbeitsgas wird von außen erwärmt, deshalb kann ein Stirlingmotor auch mit beliebigen Wärmequellen betrieben werden.
Der erste Stirlingmotor wurde bereits um 1820 entwickelt, der erste Einsatz im BHKW erfolgte Anfang der 1990er-Jahre in Neuseeland. Der elektrische Wirkungsgrad liegt bei ca. 15 %, der Gesamtwirkungsgrad bei ca. 90 %.
Mikro-BHKW mit einer Freikolbendampfmaschine
In der Freikolbendampfmaschine wird Wasser in einem geschlossenen Kreislauf durch eine beliebige Wärmequelle erhitzt und verdampft. Der Wasserdampf gelangt in einen separaten Arbeitsraum, wird dort entspannt und kondensiert wieder. Die frei werdende Wärme wird für das Heizsystem verwendet. Durch das Entspannen dehnt sich der Wasserdampf zusätzlich aus und treibt damit einen Kolben mit nachgelagertem Generator zur Stromerzeugung an.
Dampfmaschinen sind die ältesten Wärmekraftmaschinen. Bisher bietet allerdings nur die Firma Otag ein Gerät auf Basis der Technik an. Der elektrische Wirkungsgrad liegt bei ca. 15 %, der Gesamtwirkungsgrad ca. 90 %.
Mikro-BHKW mit einer Brennstoffzelle
Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren wandelt ein BHKW mit Brennstoffzelle den Brennstoff nicht in mechanische, sondern direkt in thermische und elektrische Energie um. In einem Reformer wird die Energie eines Brennstoffs durch elektrochemische Prozesse „abgespalten“ (z. B. wird Wasserstoff aus Erdgas erzeugt). Den Wasserstoff lässt man anschließend mit Sauerstoff reagieren, dabei entsteht Wasser. Während des Prozesses entsteht Abwärme und elektrische Energie.
Die Brennstoffzellen-Technik ist zwar sehr effizient (elektrischer Wirkungsgrad von 30 - 40 %, keine Aktivierungsenergie notwendig), allerdings ist die Technik noch nicht vollständig ausgereift und mit hohen Kosten verbunden. Einige Geräte befinden sich derzeit in der Feldtestphase, allerdings wird ihre Markteinführung noch etwas dauern.
Tabellen zu diesem Artikel im Anhang als PDF-Datei.
Autorin: Mandy Nickel, VNG-Verbundnetz Gas AG, Leipzig
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