Nano-KWK und Mikro-KWK-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.

Gemäß Definition des BHKW-Infozentrums werden kleine KWK-Module bis rund 3 kW elektrischer Leistung als Mikro-KWK-Anlagen bezeichnet. Manche bezeichnen kleine Blockheizkraftwerke bis 2,5 kW auch als Nano-BHKW oder stromerzeugende Heizung.

Im kleinen Leistungsbereich bis 3 kW kamen in den Jahren 2010 bis 2015 vorrangig Stirlingmotoren zum Einsatz. Inzwischen wird dieser Leistungsbereich von Brennstoffzellenheizungen dominiert. Aber auch Verbrennungsmotoren werden in diesem Leistungsbereich eingesetzt. Potentielle Kunden konnten im Mai 2020 im Mikro-KWK-Segment u. a. zwischen 24 Verbrennungsmotoren und 11 Brennstoffzellen-Modulen wählen (Quelle: BHKW-Kenndaten 2020/2021).

Mikro-KWK-Anlagen mit erdgas- oder flüssiggasbetrieben Stirlingmotoren werden seit 2020 von keinem Hersteller mehr angeboten. Ein BHKW-Anbieter bietet noch einen Stirlingmotor an, der mit Holzpellet betrieben wird.
Im Bereich der Mikrogasturbinen existiert ein BHKW-Anbieter.

Die unterschiedlichen Mikro-KWK-Technologien werden im Folgenden erläutert.

 

Verbrennungsmotor – auch als Mikro-KWK-Technologie einsetzbar

Verbrennungsmotoren sind den meisten als Antrieb für Automobile und Lastkraftwagen bekannt. Wie auch im PkW-Bereich unterscheidet man zwischen Ottomotoren und Dieselmotoren. Beiden gemeinsam ist, dass Kraftstoff mit Luft vermischt und dieses brennbare Gemisch in einem Verbrennungsraum (Zylinder) zur Explosion gebracht wird. Bei Dieselmotoren, die flüssige Brennstoffe wie Heizöl oder Pflanzenöl verwenden, kommt es aufgrund des hohen Drucks zu Selbstzündungen. Bei Ottomotoren werden gasförmige Brennstoffe wie Erdgas oder Flüssiggas verwendet und durch eine Zündkerze das Gemisch zur Explosion gebracht (Fremdzünder).

Der entstehende Überdruck bei der Explosion bewegt den Hubkolben. Dessen Bewegungsenergie wird auf eine Kurbelwelle übertragen, die einen Generator antreibt. Bei der Verwendung eines Verbrennungsmotors wird bei Mikro-KWK-Anlagen bzw. Nano-BHKW-Anlagen Wärme aus dem Kühlwasser, dem Motoröl sowie aus dem Abgas ausgekoppelt, um das Heizungswasser zu erwärmen.

Abbildung 1: Ottomotor (Quelle: ASUE)

Dieselmotoren mit flüssigen Brennstoffen (Heizöl, Pflanzenöl) werden in dem Leistungsbereich bis rund 3 kW elektrischer Leistung gemäß den Erhebungen der aktuellen BHKW-Kenndaten 2020/2021 nicht mehr angeboten.Gemäß den BHKW-Kenndaten 2020/2021 wurden im Mai 2020 im deutschsprachigen Markt 24 Verbrennungsmotor-Module im elektrischen Leistungsbereich bis rund 3 kW angeboten. 14 angebotene Mikro-KWK können mit Erdgas und 10 Module mit Flüssiggas betrieben werden.

Die durchschnittliche elektrische Effizienz der aktuell angebotenen Mikro-KWK-Anlagen liegt bei 28,7% und die Gesamteffizienz gemäß technischem Datenblatt durchschnittlich bei rund 99%. Demnach weisen (nahezu) alle Module eine Brennwertnutzung auf. Die Daten beziehen sich auf Rücklauftemperaturen von 30-35°C.

 

Stirlingmotor – als Mikro-KWK-Technologie inzwischen vom Markt verschwunden

Das Prinzip eines Stirlingmotors beruht im Wesentlichen auf der Volumenänderung von Gas. Heißes Gas dehnt sich aus und kaltes Gas zieht sich zusammen. Beim Stirlingmotor wird ein Arbeitsgas (z.B. Helium), das unter hohem Druck in einem Kolben eingeschlossen ist, im Wechsel erhitzt und abgekühlt. Die Erwärmung des Arbeitsgases erfolgt von außen z. B. durch die Flamme eines Erdgasbrenners. Theoretisch kann dabei jede beliebige Wärmequelle verwendet werden, sofern diese eine ausreichend hohe Temperatur zur Verfügung stellen kann. Das Arbeitsgas dehnt sich aus und strömt in den Bereich des Stirlingmotors, der mit dem Wasser aus dem Rücklauf der Heizungsanlage gekühlt wird. Dort zieht sich das Gas zusammen. Durch diese wechselweise Expansion und Kompression werden Kolben in Bewegung versetzt, die wiederum über einen Generator Strom erzeugen. Aufgrund der Wärmeabfuhr in dem gekühlten Teil des Stirlingmotors erwärmt sich das Heizungswasser, mit dem das Gebäude beheizt wird.

Abbildung 2: Stirlingmotor (Quelle: ASUE)

Der durchschnittliche elektrische Wirkungsgrad der vier am Markt verfügbaren erdgasbefeuerten Stirlingmotoren im Jahre 2017 betrug gemäß Erhebungen der vom BHKW-Infozentrum aktualisierten BHKW-Kenndaten 2014/2015 weniger als 15%. Im Jahr 2017 wurden noch 4 erdgasbetriebene Stirlingmotoren und 1 holzpelletbefeuerter Stirlingmotor angeboten. Im Jahr 2020 bietet kein Hersteller mehr einen erdgasbetriebenen Stirlingmotor an. Weiterhin angeboten wird aber ein Stirlingmotor, der seine Wärme aus einem Holzpellet-Kessel zur Verfügung gestellt bekommt.

 

 

Brennstoffzelle – Marktführer aufgrund hoher Investitionsförderung

In einer Brennstoffzelle dreht sich kein Generator. Strom und Wärme werden auf elektrochemischem Weg erzeugt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Wärme-Kraft-Maschinen (Motoren, Gasturbinen, Dampfturbinen Stirlingmotoren) wandelt die Brennstoffzelle die chemische Energie des Brennstoffs direkt in Elektrizität um. Für die Stromproduktion benötigt eine Brennstoffzelle Wasserstoff (H2), der direkt vor Ort aus Erdgas (CH4) oder Flüssiggas gewonnen wird.

Im Wesentlichen besteht eine Brennstoffzelle aus Elektroden (Anode und Kathode), welche durch ein Elektrolyt voneinander getrennt sind. Das Elektrolyt kann aus einer dünnen Kunststoff-Membran, einer Karbonatschmelze, einer Säure, einer Lauge oder einer Keramik bestehen.
Es wird Wasserstoff an der Anodenseite und Sauerstoff an der Kathodenseite zugeführt. Die Wasserstoffmoleküle werden zuerst in Atome gespalten und dann in Protonen und Elektronen zerlegt.

Die Protonen können durch die Membran wandern und sich auf der Kathodenseite mit dem Sauerstoff unter Wärmeabgabe zu Wasser verbinden. Die auf der Anodenseite entstandenen Elektronen wandern über einen externen Leiter zur Kathode. Dadurch entsteht ein elektrischer Strom, der als Nutzstrom verwendet werden kann.

Abbildung 3: Brennstoffzelle (Quelle: ASUE)

Im Mai 2020 werden 11 Module auf dem Nano-/Mikro.BHKW-Markt angeboten. Davon können 9 Module mit Erdgas und 2 Module mit Flüssiggas betrieben werden.Insbesondere aufgrund der hohen Investitions-Förderung durch die Förderprogramme „KfW 433 – Energieeffizient Bauen und Sanieren – Zuschuss Brennstoffzelle“ sowie dem KWK-Gesetz wurden in den Jahren 2017 bis 2020 im Bereich der Nano-KWK und Mikro-KWK vorrangig Brennstoffzellenheizungen installiert.

Die durchschnittliche elektrische Effizienz der elf Module beträgt rund 38,4 % – und ist damit fast 10 Prozentpunkte höher als bei den Verbrennungsmotoren. Die Gesamteffizienz (Summe aus elektrischer und thermischer Effizienz) liegt bei rund 91 %.

 

Mikrogasturbine – nur ein Modul im Mikro-KWK-Bereich

Die Mikrogasturbine stammt ursprünglich aus der Luftfahrtindustrie und besteht aus drei Hauptbestandteilen: Verdichter, Turbine und Generator. Diese Bauteile sind in der Regel auf einer gemeinsamen Welle befestigt, welche sich mit 70.000 – 100.000 Umdrehungen pro Minute dreht.

Bei der Mikrogasturbine wird Verbrennungsluft verdichtet und in der Brennkammer mit Brennstoff verbrannt. Dabei dehnt sich das Luft-Brennstoff-Gemisch aus und der Druck erhöht sich. Im dahinterliegenden Turbinenteil werden die heißen Verbrennungsgase entspannt. Die Turbine dreht sich und treibt den Generator und Verdichter an. Das bei diesem Prozess entstehende heiße Abgas wird im Abgaswärmetauscher zur Bereitstellung von Heizwärme und Brauchwarmwasser verwendet.

Abbildung 4: Mikrogasturbine (Quelle: ASUE)

Im Mai 2020 wird im elektrischen Leistungsbereich knapp oberhalb 3 kW eine Mikrogasturbine angeboten, die mit Erdgas betrieben werden kann. Diese Mikro-Gasturbine weist eine elektrische Effizienz von rund 16% und eine Gesamteffizienz in Höhe von 94% auf.

 

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

Diskussionsforum zu Mikro- und Mini-KWK

Seit Anfang Juni 2020 existiert ein moderiertes Diskussionsforum über KWK- und Energiewende-Themen.
Fragen und Diskussionsbeiträge zu Nano- und Mikro-KWK-Technologien können in der Rubrik „Technologien, Auslegung und Wirtschaftlichkeit“ veröffentlicht werden. Außerdem stehen die Rubriken „Technische Einbindung von Mikro-KWK-Anlagen“ sowie „Fragen zum Micro-KWK-Einsatz in unterschiedlichen Versorgungsobjekten“ zur Verfügung.

 

Autor: Markus Gailfuß (BHKW-Infozentrum)
Stand: 12.06.2020

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