Mini-KWK und Mikro-KWK – Prinzip und Vorteile

Mini-KWK und Mikro-KWK ermöglichen eine verbrauchernahe und hocheffiziente Strom- und Wärmeversorgung. Wie funktionieren Mini-BHKW und welche Vorteile weisen Mikro-BHKW auf?

Rund 56% des elektrischen Stroms stammen in Deutschland aus Kraftwerken, die zur Stromproduktion fossile Energieträger wie Braunkohle, Steinkohle, Erdgas oder Heizöl bzw. Kernbrennstoff nutzen (Stand: 2019). Meist geschieht dies in Großkraftwerken, die durchschnittlich nur 41% der eingesetzten Energie in elektrischen Strom umwandeln. Der überwiegende Teil der verwendeten (Primär-)Energie geht als „Abwärme“ für eine weitere Nutzung verloren. Mit dieser Abwärme könnten theoretisch nahezu alle Gebäude in Deutschland beheizt werden.

Nutzt man die Wärme bei der Strombereitstellung z. B. für die Heizung, erzielt man dadurch höhere Nutzungsgrade. Dieses hocheffiziente Prinzip nennt man Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) – und dies gibt es auch für kleine Anwendungsfälle und nennt sich dann Mini-KWK oder Mikro-KWK.

Kraft-Wärme-Kopplung – Was ist das eigentlich?

Bei der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) nutzt man die Abwärme der Stromerzeugung, um Häuser zu heizen, Wasser zu erhitzen oder industrielle Prozesswärme bereitzustellen. Im Prinzip kann man jedes Kraftwerk in ein „Heiz-Kraftwerk“ umwandeln. Besonders geeignet sind dafür aber dezentrale Kraftwerke. In diesen Fällen muss die Wärme nicht so weit transportiert und kann der Strom erzeugernah genutzt werden.

Solche kleinen KWK-Anlagen nennt man „Blockheizkraftwerke“ oder im kleineren Leistungsbereich auch Mini-BHKW. Bei sehr kleinen KWK-Anlagen mit einer elektrischen Leistung bis 3 kW für Ein- und Zweifamilienhäuser spricht man von Mikro-KWK-Anlagen.
Kern eines Blockheizkraftwerkes (BHKW) ist meist ein Verbrennungsmotor. Mit Hilfe eines Plattenwärmetauschers wird die Abwärme des Motorkühlwassers und der Schmierölkühlung entnommen. In einem Abgaswärmetauscher wird auch die Wärme des Abgases entzogen und an das Heizsystem abgegeben.

Im Leistungsbereich der Mikro- und Mini-KWK stehen als Technologien auch Brennstoffzellen, Stirlingmotoren und Mikrogasturbinen zur Verfügung.

In vielen Nachbarländern Deutschlands tragen Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) bereits erheblich zur Energieversorgung bei. Vorreiter sind die Dänen, die schon mehr als die Hälfte ihres Strombedarfs in KWK produzieren. Auch in den Niederlanden spielen KWK-Anlagen eine große Rolle. In Deutschland wurde im Jahre 2017 rund 19% der produzierten Strommenge in KWK-Anlagen produziert.

Kraft-Wärme-Kopplung – hocheffiziente Energiebereitstellung am Ort des Verbrauchs

Ein Gebäude benötigt je nach Baujahr und Heizungsauslegung Heiztemperaturen zwischen 30°C und 90°C. Ein Verbrennungsvorgang in einem Kessel oder Motor liefert aber Wärme von mehreren hundert Grad Celsius. Demnach erscheint es naheliegend, aus dieser großen Temperaturdifferenz für ein Gebäude nicht nur Wärme, sondern auch elektrische Energie verbrauchernah zu gewinnen.

Dabei können Mini-KWK nicht nur einzelne Gebäude mit Strom und Wärme versorgen sondern auch Quartiere oder kleinere Nah- und Fernwärmenetze.

Welche Vorteile bringt eine solche dezentrale Strom- und Wärmeerzeugung mit Mini-KWK?

Die nachfolgende Abbildung verdeutlicht den Unterschied zwischen einer konventionellen Wärme- und Stromversorgung eines Gebäudes (Strombezug und Brennwert-Heizkessel) und einer Versorgung mittels hocheffizienter Mini-KWK-Anlage.

Für die Effizienz der Kondensationskraftwerke wurde der durchschnittliche Effizienzwert des deutschen Kraftwerkparks im Jahre 2017 herangezogen, wobei die im Großkraftwerk bereitgestellte Strommenge noch über das öffentliche Stromnetz, Umspannwerke und Transformatoren-Stationen ihren Weg zum Verbraucher im Gebäude finden muss. Hierfür fallen zusätzliche Stromverluste an. Anders bei kleinen KWK-Anlagen. Durch die Produktion des Stroms direkt beim Verbraucher fallen keine Stromnetzverluste an. Auch der ins Netz der allgemeinen Versorgung (öffentliches Stromnetz) eingespeiste überschüssige KWK-Strom wird erzeugernah in den Nachbargebäuden genutzt.

Das konventionelle Energiesystem benötigt demnach 43% mehr Energierohstoffe („Primärenergie“) als die Mini-KWK-Anlage. Mehr Primärenergie bedeutet aber auch mehr CO2-Emissionen. Daher tragen hocheffiziente Mini-KWK-Anlagen maßgeblich zu einer Reduzierung der Treibhausgase bei.

Viele denken bei KWK-Anlagen gleich an große Heizkraftwerke. Wie bereits in den vorangegangenen Kapiteln erwähnt, existieren aber auch Mini- und Mikro-KWK-Anlagen. Manche bezeichnen besonders keine KWK-Anlagen auch als Nano-KWK-Anlagen. Das BHKW-Infozentrum hält diese zusätzliche Leistungs-Klassifizierung für nicht zielführend.

Kraft-Wärme-Kopplung – zusätzliche Effizienz durch Brennwert-Nutzung

Mini- und Mikro-KWK-Anlagen können – wie (Brennwert-)Heizkessel auch – zusätzliche Wärmeenergie durch eine Kondensierung des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes nutzen. Bei einigen Mini-KWK-Anlagen ist die Brennwert-Nutzung bereits serienmäßig eingebaut – andere benötigen hierfür den Einbau eines zusätzlichen (zweiten) Abgaswärmetauschers, der auch Brennwertwärmetauscher genannt wird. Im oben dargestellten Effizienz-Bild wurde eine Brennwertnutzung bei der Mini-KWK-Anlage noch nicht berücksichtigt. Bei Mini-KWK-Anlagen mit Brennwertnutzung würde sich die Effizienz auf der Wärmeseite noch einmal um einige Prozentpunkte erhöhen.

Kraft-Wärme-Kopplung – Flexibilität als Option für die zukünftige Energieversorgung

Mini-KWK-Anlagen können im Gegensatz zu großen Kondensationskraftwerken schnell „hochgefahren“ werden. Da BHKW-Anlagen innerhalb von wenigen Minuten aus dem Stillstand heraus ihre Nennleistung erreichen, sind solche dezentralen Anlagen geeignet, Lastschwankungen im Stromnetz auszugleichen. Lastschwankungen werden zukünftig aufgrund des Ausbaus regenerativer Energiequellen wie Photovoltaik- und Windkraft-Anlagen deutlich zunehmen.

Noch ein „K“ dazu –  das Prinzip der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK)

Viele Gebäude wie beispielsweise Hotels, Bürogebäude oder Tagungsstätten benötigen nicht nur Wärme, sondern auch die Bereitstellung von Kälte. Zuerst einmal erscheint der Gedanke ungewöhnlich, mittels Wärme ein Gebäude kühlen zu wollen. Neben den bekannten elektrischen Kompressions-Kältemaschinen, wie sie z. B. in Klimageräten aber auch in Kühlschränken zum Einsatz kommen, existieren auch wärmebetriebene Kälteanlagen.

Der eigentliche Kühlprozess bei diesen Anlagen geschieht durch Verdunsten von Wasser. Jeder kennt diesen Effekt, wenn Wasser auf einer warmen Oberfläche (z. B. einem Metallstück) verdunstet und dabei die Oberfläche abkühlt. Damit ein kontinuierlicher Prozess stattfindet, muss der beim Verdunsten anfallende Wasserdampf in einer Kältemaschine wieder „eingefangen“ werden. Dies geschieht durch Stoffe, die das Wasser absorbieren bzw. adsorbieren. Für einen Absorptionsprozess verwendet man z. B. Lithiumbromid. Dieses Salz verwässert aber durch die Wasserabsorption und verliert dadurch die Fähigkeit, weiteres Wasser zu binden. Um den Prozess aufrechtzuhalten, muss daher das Wasser aus der Salzlösung (Lithiumbromid) wieder ausgekocht werden. Eben dies geschieht bei einer Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung durch die Wärme der KWK-Anlage.

Seit mehreren Jahren gibt es Ab- und Adsorptions-Kältemaschinen, die für kleinere Gebäude entwickelt wurden, und mittels einer Mini-BHKW-Anlage betrieben werden. Daher existiert inzwischen auch eine Mini-Kraft-Wärme-Kopplung (Mini-KWKK).
Der Bedarf an einer Gebäudeklimatisierung steigt jahreszeitlich bedingt im Sommer deutlich an. Andererseits entfällt im Sommer der Wärmebedarf für die Gebäudeheizung. Eine wärmebetriebene Kälteanlage ist daher insbesondere in den Fällen wirtschaftlich interessant, wenn sich durch ihren Einsatz die mögliche Betriebsstundenanzahl der KWK- bzw. Mini-KWK-Anlage erhöht. Andererseits ist ein KWKK-Einsatz aber wirtschaftlich kein Selbstläufer, da die Investitionen für kleine wärmebetriebene Kältemaschinen nicht unwesentlich sind.

Weitere Fragestellungen rund um Mikro-KWK und Mini-KWK

In den nächsten Wochen wird das BHKW-Infozentrum weitere Themenfelder rund um Mikro- und Mini-KWK beleuchten.

Hierzu gehören insbesondere die Themenfelder:

Betriebsweisen von Mini-KWK-Anlagen
Mini-KWK-Anlagen werden überwiegend wärmegeführt betrieben. Bei dieser Betriebs-Strategie sind Mini-BHKW immer dann in Betrieb, wenn im Gebäude ein Wärmebedarf (Heizung oder Trinkwarmwasser) existiert. Um die Stromerlöse zu maximieren, kann die Betriebsweise einer Mini-KWK-Anlage durch eine intelligente Steuerung oder einen Dienstleister optimiert werden.
Planung und Auslegung
Der Wärmebedarf eines Wohngebäudes ist sehr stark abhängig vom Dämmstandard und der Nutzungsstruktur. Je besser die vorhandene Datenbasis, desto optimaler können kleine KWK-Anlagen ausgelegt und geplant werden. Daher ist es sinnvoll, möglichst frühzeitig Wärme- und Strombedarfswerte zu ermitteln.
Technische Einbindung
Die technische Einbindung von Mini-BHKW umfasst die Bereiche Hydraulik, Brennstoffversorgung, Abgas, Elektro und Schallschutz. Für ein erfolgreiches Mini-BHKW-Projekt ist eine hochwertige technische Einbindung zwingend erforderlich. Dabei spielen auch ausreichende Dimensionierungen der technischen Einbindung eine entscheidende Rolle.
Technologien
Vor wenigen Jahren dominierte noch die Stirlingmotoren den Nano- und Mikro-KWK-Bereich. Inzwischen dominiert im elektrischen Leistungsbereich bis rund 3 kW die Brennstoffzellenheizung den KWK-Markt.
Weitere Berichte folgen in Kürze:
Anwendungsfelder und Markt
Brennstoffe
Preise und Kosten
Wirtschaftlichkeit
Gesetzliche Regelungen
Anmeldung und Betrieb
Mythen rund um Mini-KWK

Markus Gailfuß, BHKW-Infozentrum Rastatt
Stand: 01.04.2020

 

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