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Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung


Die Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung (Mikro-KWK) steht für eine Klasse von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK), die das unterste Leistungssegment der KWK abdeckt. Sie ist vor allem für den gebäudeintegrierten Einsatz bei Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie im Kleingewerbe geeignet.

Die Mikro-KWK erlaubt den Einsatz der energieeffizienten Kraft-Wärme-Kopplung auch ohne Fernwärmenetz zur dezentralen Stromerzeugung und verringert elektrische und vor allem thermische Übertragungsverluste durch dezentrale Energiewandlung.

Abgrenzung:

In Anlehnung an eine dreiphasige Einspeisung ins Niederspannungsnetz schlägt [Pehnt et al. 2006] eine Abgrenzung von <15 kWel vor.

Eine zweite Möglichkeit besteht in der Differenzierung nach eingespeister Jahresstrommenge, da unter 100.000 kWh/a kein Lastgangzähler erforderlich ist.

Als Drittes bietet sich ein zweidimensionales Kriterium an: <11 kWel und <70 kW Brennstoffwärmeleistung. Dies resultiert aus der Gasgeräterichtlinie 90/396/EWG, die für die Erteilung eines CE-Zertifikates bei Gasgeräten bis 70 kWth von Bedeutung ist. Die 11 kWel ergeben sich als kleinster gemeinsamer Nenner im europäischen Binnenmarkt.

Weiterhin beschränkt die KWK-Richtlinie 2004/8/EG den Begriff "KWK-Kleinstanlage" auf eine Leistung kleiner 50 kWel.

Technik:

Bei einem Blockheizkraftwerk (BHKW) wird der Energieträger, meist Erdgas, aber auch Heizöl und Pflanzenöl in einem thermodynamischen Kreisprozess genutzt, um mechanische Energie und daraus elektrische Energie zu generieren. Die Abwärme wird in das Heizungssystem des Gebäudes eingekoppelt. Der Strom wird selbst genutzt, der Saldo über das Netz ausgeglichen.

Um auch im Sommer auf Laufzeiten des KWK-Aggregats zu kommen, ist es wichtig, dass auch die Warmwassererzeugung zentral erfolgt. In der Regel erfolgt die Auslegung so, dass die Grundlast an Wärme (Warmwasser + Übergangszeit) durch das BHKW bereitgestellt wird und der Spitzenwärmebedarf für die kalten Wintertage durch einen Zusatzbrenner geliefert wird. Ein Wärmespeicher entkoppelt die Wärme- von der Stromlieferung und erlaubt neben einer taktungsarmen Fahrweise den Betrieb zu Zeiten mit hohem Eigenstrombedarf.

Verbrennungsmotor:

Das motorische Blockheizkraftwerk ist eine ausgereifte Technologie, die von der hundertjährigen Entwicklungsgeschichte von Otto- und Dieselmotoren profitiert. Auch bei Kleinst-KWK sind mehrjährige Anwendungserfahrungen vorhanden. Neben Erdgas und Flüssiggas werden Heizöl und neuerdings auch Pflanzenöl eingesetzt.

Neben der erprobten Technik ist beim Motor-BHKW der hohe elektrische und thermische Wirkungsgrad positiv hervorzuheben (elektrisch 20 bis 25 %, gesamt etwa 80-90 %). Negativ an den Motor-BHKW sind die hohen Wartungskosten, die hauptsächlich durch die Ölwechselintervalle begründet sind. Weiterhin sind die im Vergleich zu anderen Typen hohen Emissionen zu nennen, was sich durch die interne Verbrennung begründet. Darüber hinaus stören die Lärmentwicklung und Schwingungen, die man durch Kapselung auf ein akzeptables Maß eindämmt.

Stirlingmotor:

Der Stirlingmotor ist vom Konzept her älter als Kraftmaschinen mit interner Verbrennung. Er wurde jedoch durch deren Erfolg als Fahrzeugantrieb in ein Nischendasein getrieben, da er für schnelle Lastwechsel ungeeignet ist. Als Maschine für den Einsatz als Heizkraftblock zur Energieversorgung von Gebäuden erlebt er eine Renaissance.

Dies ist vor allem der äußeren Verbrennung zuzuschreiben. Hier kann mit kontinuierlicher Flamme gearbeitet werden, was sehr geringe Abgasemissionen mit sich bringt und auch verschiedenste gasförmige, flüssige und feste Brennstoffe zulässt. Der Motor kann je nach Brennerkonstruktion beispielsweise Erdgas oder Flüssiggas, Heizöl, Pflanzenöl oder auch Holzpellets nutzen. Darüber hinaus ist ein geräuscharmer Betrieb möglich. Zudem sind die Wartungskosten im Vergleich zum Verbrennungsmotor aufgrund des fehlenden Schmierölbedarfs geringer. Der Stirlingmotor kann über einen weiten Bereich moduliert werden; allerdings erreicht er nicht die guten elektrischen Wirkungsgrade der Verbrennungsmaschine. Im Gesamtwirkungsgrad kommt er allerdings auf über 90 %.

Dampfmotor:

Im Dampfmotor wird Wasser in einem geschlossenen Kreislauf erhitzt und verdampft, in einem Expansionsmodul verrichtet der Wasserdampf Arbeit, kondensiert und gibt dabei Wärme an den Heizkreis ab und wird anschließend zum Verdampfer zurückgepumpt.

Der Dampfmotor arbeitet wie der Stirling mit externer Verbrennung und kommt daher auch auf ähnlich gute Abgaswerte und Brennstoffflexibilität. Allerdings sind bei den kleinen Dimensionen im Bereich der Mikro-KWK beim Dampfkreislauf nicht dieselben elektrischen Wirkungsgrade wie beim Großkraftwerk erreichbar, sondern nur um die 10 bis 15 %. Positiv für das Konzept sprechen die geringen Wartungskosten ähnlich einer Brennwerttherme und der Gesamtwirkungsgrad von über 90 %.

Brennstoffzelle:

Die Brennstoffzelle wandelt im Gegensatz zu den obigen Technologie den eingesetzten Energieträger nicht über einen thermodynamischen Zwischenschritt in elektrische Energie um, sondern direkt per elektrochemischer Reaktion. Dabei anfallende Abwärme durch elektrischen Widerstand oder durch vorbereitende Reformierung des Brenngases kann als Nutzwärme abgegeben werden. Für die Mikro-KWK sind die Typen PEFC und SOFC von Interesse.

Die Brennstoffzelle hat das höchste technische Potential mit elektrischen Wirkungsgraden von 30-40 %. Sie ist aber die jüngste Technik, die erst seit kurzer Zeit (10 Jahre) im Fokus der Entwicklung zur Massenanwendung steht. Neben noch bestehenden technischen Problemen, wie der Standzeit des Stacks, sind weiterhin konstruktions- und fertigungstechnische Fortschritte notwendig, um die Kosten der Herstellung auf ein marktfähiges Niveau zu senken. Bei der Energieversorgung für einzelne Häuser verfügt die Brennstoffzelle über weitere Vorteile: kaum bewegte Teile, das heißt wartungsarm (ähnlich einem Brennwertkessel) und leise im Betrieb.

Weiter zum Thema "Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung" bei Wikipedia, wikipedia.org/wiki/ aus der freien Enzyklopädie Wikipedia unter der Doppellizenz GNU-Lizenz für freie Dokumentation und Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported Kurzfassung, in der Wikipedia ist eine Versionsgeschichte / Liste der Autoren verfügbar.


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