Innovative Blockheizkraft- werke kleiner Leistung

Innovative Blockheizkraft- werke kleiner Leistung

Heizung
Strom und Wärme für kleine Versorgungsobjekte
Innovative Blockheizkraftwerke kleiner Leistung
Markus Gailfuß*
Blockheizkraftwerke (BHKW) sind stationäre Motoren oder Gasturbinen, die dezentral für
Versorgungsobjekte oder Versorgungsgebiete Strom und Wärme bereitstellen. Ausgelegt
werden BHKW-Anlagen in der Regel nach dem Wärmebedarf des Versorgungsobjektes. Der
Strom wird im Versorgungsobjekt genutzt und lediglich der Überschussstrom in
das Netz der allgemeinen Versorgung eingespeist.
W
ichtig für die Wirtschaftlichkeit von BHKW-Anlagen ist eine hohe Betriebsstundenzahl sowie ein hoher
Anteil in Bezug auf die Nutzung der im BHKW produzierten Strommenge im jeweiligen Versorgungsobjekt. Ein
gigkeit vom Versorgungsobjekt rund 40 bis 70 % des gesamten Wärmebedarfs ab.
Lediglich bei Ein- oder Zweifamilienhäusern kann ggf.
auf einen Spitzenlastkessel
verzichtet werden. In diesen
Fällen übernimmt die BHKWAnlage die gesamte Wärmeversorgung des Objektes (monovalenter BHKW-Betrieb).
Derzeit dominiert in dem
für diesen Anwendungsbereich interessanten Leistungssegment unter 10 kWel die Verbrennungsmotoren-Technologie. Marktführer mit mehr
als 13 000 produzierten Modulen ist hierbei der „Dachs“,
ein Einzylinder-Motor mit
einer elektrischen Leistung
von knapp über 5 kW sowie
einer thermischen Leistung
von ca. 12 kW. Rund die
Hälfte der im Jahre 2005
von SenerTec (Schweinfurt) produzierten 2900
Module wurde in Einund Zweifamilienhäusern installiert.
Das von dem Unternehmen PowerPlus
Technologies (Gera)
hergestellte „ecopower“-Modul (1,34,7 kWel / 4,0-12,5
kWth) gehört zu
den
∂ Funktionsweise einer dezentralen
Strom- und Wärmebereitstellung mittels Kraft-Wärme-Kopplung (KWK).
Bild: BHKW-Consult
Spitzenlastkessel ist in den allermeisten Fällen notwendig,
um die Lastspitzen insbesondere im Winter abdecken zu
können (bivalenter BHKW-Betrieb). Dabei wird das BHKW
so ausgelegt, dass ca. 10 bis
20 % der benötigten Spitzenleistung durch die thermische
Leistung des Blockheizkraftwerkes realisiert wird. Eine
BHKW-Anlage deckt bei einer
solchen Auslegung in Abhän-
*) Markus Gailfuß,
BHKW-Consult Rastatt
12
∂ Besitzer von BHKW-Anlagen mit einer Gesamteffizienz
von mindestens 70 % bekommen die gesamte Mineralölsteuer des
im BHKW eingesetzten Brennstoffs auf Antrag vom Hauptzollamt
zurückerstattet.
Bild: BHKW-Consult
IKZ-FACHPLANER · Heft 1 /2006
Heizung
modernen Mini-BHKW-Anlagen, die leistungsmodulierend betrieben werden können. Dadurch sind solche
BHKW-Module dazu prädestiniert, ohne Spitzenkessel eingesetzt zu werden. Inzwischen
sind mehr als 1500 leistungsmodulierende Aggregate installiert, wobei aber der überwiegende Teil dieser Anlagen
zusammen mit einem Spitzenkessel realisiert wurde.
Steigende Strompreise verbessern die Wirtschaftlichkeit
Ursächlich für den Zuwachs in diesem Marktsegment sind drei Faktoren. Einerseits erhalten BHKW-Anlagen mit einer Gesamteffizienz
(produzierte Strom- und Wärmemenge der BHKW-Anlage geteilt durch eingesetzte
Brennstoffmenge) von mindestens 70 % die gesamte Mineralölsteuer des im BHKW
eingesetzten Brennstoffs auf
Antrag vom Hauptzollamt
zurückerstattet. Andererseits
wird nach dem KWK-Gesetz
für den eingespeisten Strom
zzgl. zu der Stromeinspeisevergütung (derzeit rund 4,5
Cent/kWh) ein gesetzlich festgeschriebener KWK-Zuschlag
in Höhe von 5,11 Cent/kWh gewährt. Die steigenden Strompreise tragen weiterhin zu einer verbesserten Wirtschaftlichkeit einer BHKW-Anlage
bei, da der produzierte BHKWStrom in erster Linie zur Minderung des teuren Strombezugs eingesetzt wird.
Im Bereich der Strom- und
Wärmeversorgung von Einfamilienhäusern sind die derzeit angebotenen BHKW-Anlagen technisch einsetzbar,
aber in Bezug auf die abgegebene Leistung tendenziell
zu groß, um eine zügige Refinanzierung des eingesetzten
Kapitals, welches bei einem
5-kW-Motor rund 25 000,Euro beträgt, gewährleisten
zu können. Meist weisen die
Anlagen lediglich 1500 bis
Heft 1 /2006 · IKZ-FACHPLANER
∂ Blockheizkraftwerke (BHKW) mit Gasmotoren sparen gegenüber der getrennten Strom- und Wärmeerzeugung mehr
als ein Drittel der Primärenergie ein.
Bild: ASUE
2500 Betriebsstunden pro Jahr
auf. Neue Anlagenkonzepte
im Bereich der so genannten
Mini-BHKW-Anlagen werden
derzeit entwickelt und stehen
unmittelbar vor der Marktreife.
Der derzeit wohl kleinste stationäre Verbrennungsmotor mit einer elektrischen
Leistung von 1 kW (thermisch:
3,25 kW) ist der Honda-Motor GE160V. Seit 2003 ist dieses
Aggregat in Japan erhältlich. Zwar erhielt dieses MiniBHKW-Modul im Jahre 2004
bereits den Innovationspreis
der Deutschen Gaswirtschaft,
wird voraussichtlich aber erst
Ende 2006 in Deutschland erhältlich sein.
Seit November 2005 liefert das Unternehmen OTAG
(Olsberg) seinen Dampfmotor
Lion an Endkunden aus. Die
erd- oder flüssiggasbetriebene
Anlage arbeitet nach dem
Dampfprinzip und generiert
über eine Freikolben-Wechselrichter-Einheit Strom. Die
elektrische Leistung beträgt
0,2 bis 3 kW bei einer ther-
mischen Leistung von 2 bis
16 kW. Nach Herstellerangaben zeichnet sich das Gerät
durch ein sehr geringes Geräuschniveau aus (ca. 42 dB).
Inzwischen liegen dem Unternehmen rund 600 Vorbestel-
∂ Marktführer im Bereich der MiniBHKW mit mehr als 13 000 produzierten Modulen ist der „Dachs“, ein
Einzylinder-Motor mit einer elektrischen Leistung von knapp über 5 kW
sowie einer thermischen Leistung von
ca. 12 kW. Bild: SenerTec
13
Heizung
∂ Die neue Generation der Blockheizkraftwerke (BHKW) für Ein- und
Zweifamilienhäuser kann auch im
Wohnbereich untergebracht werden.
Bild: MicroGen Energy Limited
lungen vor, sodass die Produktionskapazitäten bis Ende
2006 bereits nahezu ausgebucht sind.
Das Berliner Unternehmen Enginionⁱ kündigte an,
im Jahre 2007 mit der SteamCell auf den Markt zu kommen. Derzeit beginnt die Feldtestphase der ersten Aggregate. Bei der SteamCell wird
eine kleine Wassermenge verdampft und mit dieser entweder direkt Wärme erzeugt oder
über einen Motorexpander
Strom produziert. Relativ unabhängig voneinander kann
das Modul eine elektrische
Leistung von 0,5 bis 4,6 kW
sowie eine thermische Leistung von 2 bis 25 kW zur Verfügung stellen.
Insgesamt 80 000 Aggregate
wurden von dem zweitgrößten britischen Gasversorger
Powergen für die nächsten
fünf Jahre bestellt. Der Vierzylinder-Stirlingmotor weist
eine elektrische Leistung von
1,2 kW sowie eine thermische
Leistung von 8 kW auf. Die
vier Zylindern sind im Kreis
angeordnet und übertragen
ihre Kraft auf eine kreisrunde
Scheibe (Wobble Yoke). Aufgrund einer Phasenverschiebung von je 90° zwischen den
einzelnen Zylindern wird die
axiale Zylinderkraft in eine
radiale Bewegung und mittels
Generator in Elektrizität umgewandelt. Die mit 50 x 60 x
85 cm Abmessung und 138 kg
Gewicht sehr kompakten
Anlagen sollen in Großbritannien zum Preis von rund
5000,- Euro verkauft werden.
In Deutschland wird dieser
Mini-Stirlingmotor unter dem
Produktnamen „Whispergen“
voraussichtlich ab Ende 2006
angeboten.
Weitere Anbieter von Stirlingmotoren sind das britische
Unternehmen BG (Produkt:
MicroGen, 1 kWel, 15 kWth) sowie das in Sindelfingen ansässige Unternehmen Solo Stirling
GmbH (Produkt: mikroKWK
161, 2 - 9,5 kWel, 8 - 26 kWth). Außerdem bietet das Unternehmen Sunma­chine (Nürnberg)
eine holzpelletbetriebene Stirlingmotor-Variante mit einer
elektrischen Leistung von 1,5
bis 3 kW bei 4,5 bis 10,5 kW
thermischer Leistung an.
Immenses Marktpotenzial
Das Anwendungspotenzial für die kleinen Stirlingmotoren scheint immens zu sein:
allein in Europa werden rund
6 Mio. Heizungsanlagen je-
Kleinst-Stirlingmotoren
Nahezu vibrationsfrei verrichtet der Kleinst-Stirlingmotor des neuseeländischen Herstellers Whispertech seine Arbeit. In diesem Jahr wurden
nahezu 2000 Module für den
britischen Markt produziert.
ⁱ) Die Enginion AG hat am 10.
November 2005 beim Amtsgericht Charlottenburg Insolvenz
angemeldet. Ob und wie es mit
dem Unternehmen weitergeht,
stand zum Redaktionsschluss
noch nicht fest.
14
des Jahr installiert – weltweit
sind es Schätzungen zufolge
sogar mehr als 10 Mio. Holzheizungen sowie Elektroheizungen (insbesondere USA)
werden in dieser Zahl nicht
berücksichtigt. Zudem weisen viele südliche Länder keine ausgeprägten Heizungsstrukturen auf.
Im Gegensatz zum Stirlingmotor ist mit einer kommerziellen Markteinführung
der Brennstoffzelle im kleinen Leistungsbereich frühestens im Jahre 2010 zu rechnen.
Im Rahmen der Hannover
Messe hat das Unternehmen
Sulzer Hexis sein neues Modul seiner HochtemperaturMini-Brennstoffzelle vorgestellt. Weitere Hersteller wie
z. B. Vaillant (mit Plug Power), Viessmann, Buderus (mit
RWE und Idatech) sowie EFC
präsentieren sich mit Niedertemperatur-Brennstoffzellen im Leistungssegment zwischen 2 kW und 5 kW. Indes
sickerte aus dem Hause Vaillant durch, dass man sich von
der Niedertemperatur-Brennstoffzelle verabschieden und
zukünftig auf die Hochtemperaturtechnik setzen werde.
Jedoch befinden sich all diese Produkte in einem relativ
frühen Entwicklungsstadium
bzw. in der Feldtestphase und
weisen noch erhebliche Probleme auf. So beträgt z. B. die
Verfügbarkeit der in der Firmenzentrale der MVV Energie
AG in Mannheim installierten PEM-Brennstoffzelle von
Vaillant lediglich 63 %. Inzwischen hat das Unternehmen Sulzer aus Kostengründen die Brennstoffzellen-Entwicklung eingestellt und sucht
nach einem Investor für diese
Technologiesparte.
Teilweise bedarf es beim
Einbau von Stirlingmotoren
und Brennstoffzellen erheblicher Aufwendungen in Bezug auf die Anpassung des
∂ Der Whispergen-Stirlingmotor wird in Großbritannien bis zum Jahre 2010
rund 80 000 Mal installiert und in Deutschland voraussichtlich ab Mitte/Ende
2006 verfügbar sein.
Bild: WhisperTech
IKZ-FACHPLANER · Heft 1 /2006
Heizung
∂ Leistungsmodulierende Motoren-Anlagen erschließen den Markt der Mehrfamilienhäuser und bei kleinerer Leistung
auch der Einfamilienhäuser. hydraulischen Heizsystems,
da die Vor- bzw. Rücklauftemperaturen dieser Technologien deutlich unter den
technischen Spezifikationen
konventioneller Heizsysteme
einzuordnen sind.
Heft 1 /2006 · IKZ-FACHPLANER
Bild: Spilling/Miturbo
Lieferzeiten von bis zu
6 Monaten einkalkulieren
Allgemein zieht derzeit
die Nachfrage für BHKWAnlagen bis zu einer Leistung von 50 kWel aufgrund
der positiven Rahmenbedingungen kräftig an. Potenzielle
BHKW-Betreiber müssen zum
Teil Lieferzeiten von bis zu 6
Monaten einkalkulieren. Dies
gilt insbesondere für den boomenden Markt der mit Pflanzenöl betriebenen Motoren.
Da Strom aus regenerativen
Energiequellen (wie z. B. Rapsöl) nach dem ErneuerbareEnergien-Gesetz (EEG) mit bis
zu 19,16 Cent/kWhel vergütet wird, erhoffen sich viele
BHKW-Betreiber hiervon einen hohen jährlichen Gewinn. An dieser Stelle sei aber
darauf hingewiesen, dass sich
Pflanzenöl von fossilem Heizöl
in vielen Eigenschaften maßgeblich unterscheidet und daher eine Modifikation des Motors notwendig ist. Außerdem
sind insbesondere die Wartungskosten aber auch die
Bezugskosten für den Treibstoff bedeutend höher als bei
einem heizölbetriebenen Dieselmotor anzusetzen. Da derzeit sehr viele neue Anbieter
in den Markt der PflanzenölBlockheizkraftwerke hinein
drängen, erscheint es ratsam,
sich nach Referenz-Anlagen
zu erkundigen und dort auch
direkt Informationen über
die Verfügbarkeit der Anlage
einzuholen.
Prinzipiell gilt, dass auf
ein Versorgungsobjekt angepasste BHKW-Anlagen im
Leistungsbereich bis 10 kWel re­
alistisch betrachtet eine Refinanzierungszeit von 8 bis 14
Jahren aufweisen. Wirtschaftlichkeits-Prognosen, die diesen Zeithorizont deutlich unterschreiten, sollten kritisch
hinterfragt werden.
15
Heizung
Übersicht Mikro-KWK-Anlagen
Bezeichnung des
Gerätes
ecopower
Steamcell
MicroGen
lion Powerblock
Dachs Heiz-KraftAnlage
Solo Stirling 161
mikroKWK-Modul
Sunmachine Pellet
Whisper Gen
Technik
Gasmotor
Dampf/
Kraftmaschine
Free Piston
Stirling Engine
Freikolben DampfKraftmaschine
Otto- und Dieselmotor
Stirlingmotor
Stirlingmotor
Stirlingmotor
elektrische
Leistung
1,3 - 4,7 kW
0,5 - 4,6 kW
1 kW
0,2 - 3 kW
5 - 5,5 kW
2 - 9,5 kW
(stufenlos modulierbar)
1,5 -3 kWh
1,2 kW
thermische
Leistung
4,0 - 12,5 kW
2,5 - 25 kW Heizbetrieb
3 -22 kW KWK/Betrieb
3 Modelle von 15 kW,
24 kW und 36 kW
2 - 16 kW
10,3 - 12,5 kW
17,2 - 20,3 kW
8 - 26 kW
(stufenlos modulierbar)
4,5 - 10,5 kWh
8 kW
Brennstoffe
Erdgas,
Flüssiggas
(Propan)
Erdgase nach
EN437
andere auf
Anfrage
Erdgas, Flüssiggas
Erdgas, Flüssiggas
Erdgas, Flüssiggas,
Heizöl, RME
Erdgas, Flüssiggas
Pellet
Erdgas, Flüssiggas,
Diesel, Kerosin
Brennstoffleistung,
Leistungsbereich
8,8 -19 kW
2,7 - 27,8 kW
(Heizbetrieb)
3,7 - 28 kW KWK/
Betrieb
steht noch nicht
endgültig fest
2,3 25 kW
17,6 - 20,5 kW
16 - 40 kW
6,25 - 15 kWh
9,6 kW
Maße (Höhe/Breite/Tiefe)
in mm
1085 x 762 x 1370
850 x 800 x 400
Serie: 600 x 750
x 400
920 x 450 x 480
1260 x 620 x 830
100 x 72 x 107
980 x 700 x 1280
1500 x 800 x 1200
500 x 850 x 600
Leergewicht
390 kg
170 kg
Serie: 100 kg
90 kg
120 kg
520 kg
460 kg
ca. 350 kg
130 kg
voraussichtl.
Markteinführung
bereits verfügbar
2007
2007
bereits verfügbar
bereits verfügbar
bereits verfügbar
bereits verfügbar
2006 in Deutschland
Einsatzbereiche
Ein-, Mehrfamilienhäuser, Kleingewerbe, Landwirtschaft
Ein-, Merhfamilienhäuser, kleinere Geschäfts- und öffentliche Gebäude
Einzelwohnungen,
Einfamilienhäuser,
Kleingewerbe
Ein-, Mehrfamilienhäuser, Kleingewerbe
Ein-, Mehrfamilienhäuser, Hotels,
Landwirtschaft
mittlere bis große
Gebäude
Ein-, Zweifamilienhaus als Komplettheizung, bei größeren Gebäuden
als renditestarkes
Grundlastgerät
Einzelwohnungen,
Einfamilienhäuser,
Kleingewerbe
Internetadresse
www.ecopower.de
www.enginion.com
www.microgen.com
www.otag.de
www.senertec.de
www.stirling-engine.de
www.sunmachine.com
www.whispertech.
co.nz
Quelle: Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung e. V., Aufzählung nicht vollständig.
Zwei Module reichen
Bei Versorgungsobjekten
wie z. B. größere Mehrfamilienhäuser, kleinere Altenheime, Fitness-Clubs, kleinere
Schwimmbäder oder Schulen
bestehen BHKW-Anlagen teilweise aus mehreren MotorAggregaten (Modulen). Das
breite Angebot an BHKW-Motoren, welches auch im Leistungsbereich bis 30 kWel deutlich zugenommen hat, sowie
die hohe Verfügbarkeit der
Motoren ermöglichen es heute, BHKW-Anlagen mit einer
geringeren Modulanzahl zu
realisieren. Aus wirtschaftlichen Gründen sollte deshalb
von der Realisierung von Anlagen mit mehr als zwei Modulen Abstand genommen
16
Infos im Internet
∑ Umfangreiche kostenlose Informationen über die aktuellen Rahmenbedingungen, zu Gesetzen und Verordnungen, den Planungsgrundlagen sowie neue Technologien im BHKW-Bereich bietet das virtuelle BHKW-Infozentrum, das im Internet unter der Adresse www.
bhkw-infozen­trum.de erreichbar ist.
∑ Zahlreiche Grafiken und Veröffentlichungen zum Themenkomplex BHKW bietet die Arbeitsgemeinschaft für
sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch
e. V. auf ihrer Homepage unter www.asue.de.
∑ Das Portal des Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung
e. V. findet sich unter www.bkwk.de. Der B.KWK versteht
sich als eine Interessenvertretung der Kraft-Wärme-Kopplung. Insbesondere eine Verbesserung der politischen und
wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für einen KWKAusbau sowie eine gezielte Öffentlichkeitskampagne sind
Ziele des B.KWK.
∑ Die ICA ist eine weltweit tätige Interessengemeinschaft zur
Förderung der Kraft-Wärme-Kopplung. Dabei beschäftigt
sich die ICA vor allem mit größeren KWK-Anlagen. Die
ICA bietet unter www.localpower.org einige (englischsprachige) Publikationen zum Thema Kraft-Wärme-Kopplung an.
werden. Lediglich wenn aus
technischen Gründen, aus
Redundanzgründen oder aufgrund der Service-Sicherheit
eine unmittelbare Notwendigkeit besteht, sollte von dieser
Regel abgewichen werden.
Neben Motoren werden
auch Gasturbinen in BHKWAnlagen eingesetzt. Sofern
die elektrische Leistung dieser Gasturbinen unter 100 kW
angesiedelt ist, spricht man
von Mikro-Gasturbinen. Im
Gegensatz zum US-amerikanischen Markt spielen MikroGasturbinen im deutschen
Markt eine absolut untergeordnete Rolle. Lediglich ca. 25
solcher Anlagen mit einer kumulierten Leistung von rund
1250 kW wurden bisher installiert.
∂
IKZ-FACHPLANER · Heft 1 /2006