Strom und Wärme im Verbund produzieren

Für medienwirksame Aufmerksamkeit sorgten Lichtblick und Volkswagen vor einem Jahr bei der Unterzeichnung einer Energie-Partnerschaft. Volkswagen liefert dabei Blockheizkraftwerke (BHKW) auf Basis eigener Gasmotoren mit einer Leistung von 20 kWel und 34 kWth. Lichtblick vertreibt die Anlagen als „Zuhausekraftwerke“ zur kombinierten Strom- und Wärmeversorgung (Kraft-Wärme-Kopplung / KWK). Dabei scheint es dem Energieversorger darum zu gehen, die Anlagen zu einem virtuellen Großkraftwerk zu vernetzen. So würde z.B. aus 100 000 dezentralen Minikraftwerken quasi ein Gaskraftwerk mit 2 GWel.

Vom Leistungsspektrum der Anlagen her angesprochen seien z.B. Gewerbetreibende, Wohnungsbaugesellschaften oder Kommunen. Um die wetterbedingt schwankende Stromeinspeisung aus Windrädern oder Photovoltaik auszugleichen, sollen die Anlagen auf Nachfrage binnen einer Minute Strom erzeugen und ins Netz einspeisen.

Ein Wärmespeicher soll es dem Energieversorger dabei ermöglichen, den Betrieb an die Nachfrage im Strommarkt anzupassen und vom aktuellen Wärmebedarf im Gebäude zu entkoppeln. Durch die KWK liege der Wirkungsgrad bei 92 %. Gegenüber herkömmlicher getrennter Wärme- und Stromerzeugung werde so bei Einsatz von Erdgas bis zu 60 % weniger CO2 erzeugt. Mit steigender Verfügbarkeit soll „klimaneutrales“ Biogas zum Einsatz kommen.

BHKW sind beileibe nicht neu. Einige Tausend finden jedes Jahr ihre Anwendung. Doch sind die Anlagen meist größer – u.a. von MTU Onsite Energy (Tognum), MAN Diesel, GE oder MWM. Mit mehreren Hundert Kilowatt sowohl elektrischer als auch thermischer Leistung versorgen sie Industrie, Gewerbe und z.B. auch Krankenhäuser mit Strom, Wärme und oft auch mit Kälte (z.B. mit Hilfe einer Absorptionskältemaschine). Bei notstromfähiger Auslegung der Anlage erhöhen sie zudem die Betriebssicherheit. Der Brennstoffeinsatz reicht von Ölen bis zu Gasen – neben dem klassischen Erdgas auch Sondergase wie Klärgas, Biogas und Deponiegas.

Beispielhaft bieten Krankenhäuser ideale Einsatzbedingungen für KWK, weil sie Strom und Wärme in großen Mengen und oft zeitgleich benötigen. So setzten bei dem mit dem Gütesiegel „Energie sparendes Krankenhaus“ des Bund für Umwelt und Natur Deutschland (BUND) ausgezeichneten Krankenhäusern auch viele innerhalb ihres Energiekonzeptes auf BHKW. Z.B. nimmt ein BHKW beim Klinikum Konstanz mit einer thermischen Leistung von 1 280 kW eine wichtige Rolle innerhalb des Wärmekonzepts ein und deckt mit einer elektrischen Leistung von 835 kW die Grundlast des Strombedarfs. Beim Krankenhaus Mühlacker der Enzkreis-Kliniken (Regionale Kliniken Holding – RKH) deckst das erdgasbetriebene BHKW mit einer Leistung von 524 kWel und 640 kWth über 80 % des Strombedarfs ab.

Unterbrechungsfreier Dauerbetrieb, hohe Nutzwärme, keine Schadstoffe, niedriger Geräuschpegel – so preist MTU Onsite Energy (beschäftigt sich innerhalb der Tognum Gruppe mit der dezentralen Energieerzeugung) das Brennstoffzellensystem HotModule: „Die Brennstoffzelle liefert permanent Energie. Bei Netzausfall schaltet die Brennstoffzelle automatisch vom Netzparallelbetrieb auf autarken Inselbetrieb.“ Die Technologie bewährt sich bereits in vielfältigen Praxisbeispielen, von der Telekommunikation (bei DeTeImmobilien in München) oder einer Brauerei (bei Erdinger Weißbräu) bis hin zu Krankenhäusern (u.a. beim Rhön-Klinikum).

Im Sprachgebrauch unterscheidet man KWK-Anlagen nach ihrer elektrischen Leistung. BHKW haben dabei Leistungen oberhalb von 50 kWel. Darunter liegt der Bereich der Mini-KWK. Z.B. sind die Produkte von SenerTec (BDR Thermea) oder Vaillant mit 3 bis 5 kWel besonders für kleine Gewerbeobjekte und Mehrfamilienhäuser ausgelegt. Bei der Mikro-KWK schließlich reicht die Leistung bis max. 3 kWel, typische Anwendungen liegen hier im Ein- und Mehrfamilienhaus.

Mikro-KWK-Systeme auf Basis von Gasmotoren weisen einen elektrischen Wirkungsgrad um 20 % auf, darauf verweist Heinz-Dieter Corsten, Marketingspezialist bei E.ON Ruhrgas. Hier engagiert sich hierzulande derzeit Vaillant mit einem Otto-Motor von Honda. Stirlingmotoren liegen bei 10 % bis 15 %. Hier finden sich Kerntechnologien, die von verschiedenen Geräteherstellern in ihre Systemlandschaft integriert werden. So bietet 2G Home die Stirling-Technik von WhisperGen an. Auf den Motor von Infinia/Enatec setzen Bosch Thermotechnik (Buderus/Junkers) und Elco. Hingegen präferieren Viessmann, Vaillant und BDR Thermea (Baxi/Remeha) die Technik von Microgen.

Wichtig für den wirtschaftlichen Einsatz der Mikro-KWK ist das Verhältnis der Strom/Wärme-Produktion. Für lange Jahreslaufzeiten sollte die erzeugte elektrische und thermische Energie vom Betreiber zeitgleich genutzt werden. Ein entsprechender Warmwasserbedarf ist dabei unabdingbar, unterstreicht Corsten. Motor-Geräte (Otto oder Stirling) würden sich daher für die Modernisierung in Bestandsgebäuden empfehlen, jedoch könnten sie im Sommer durch ihre vergleichsweise hohe thermische Leistung unter Umständen im gut gedämmten Neubau Probleme bekommen. Sie seien dann weniger geeignet – anders als Brennstoffzellenheizgeräte. Diese kämen mit 1 kWel und „nur“ rund 2 kWth auch im Neubau auf ausreichende Laufzeiten.

Brennstoffzellen-Systeme weisen einen elektrischen Wirkungsgrad von 30 bis 40 % auf. Die Hersteller Baxi Innotech, Hexis und Vaillant sind gemeinsam mit den Energieversorgern EnBW, E.ON Ruhrgas, EWE, MVV Energie und VNG derzeit an Callux beteiligt, dem bundesweit bislang größten Praxistest von Brennstoffzellen-Heizgeräten fürs Eigenheim. Derweil hat das australische Unternehmen Ceramic Fuel Cells Limited, CFCL, in Heinsberg (Rheinland) eine Serienfertigung für Brennstoffzellenstacks aufgebaut. Als wichtigen Schritt für die europäische Markteinführung hebt Frank Obernitz, Geschäftsführer der deutschen Tochter CFC, die jüngst erfolgte CE-Zertifizierung ihres Systems BlueGen hervor. Die Mikro-Anlage BlueGen erreicht eine Leistung bis zu 2 kWel und knapp 1,2 kWth, bei einem elektrischen Wirkungsgrad von 56 %. Bei optimierter Betriebsweise, d.h. 1,5 kWel und knapp 0,7 kWth, konnte der elektrische Wirkungsgrad auf 60 % gesteigert werden, betont Obernitz. Der Systemwirkungsgrad erreicht durch die KWK bis zu 85 %. „Durch den hohen elektrischen Wirkungsgrad von bis zu 60 % befinden wir uns in einem neuen Marktsegment, in dem wir gegen Strom antreten und nicht mehr gegen Wärme.“ BlueGen enthält neben dem Stack auch einen integrierten Wärmetauscher.

Robert Donnerbauer Fachjournalist in Frankenberg