Kompakt informieren
- Für die deutliche Erhöhung des KWK-Anteils sind neue Konzepte erforderlich: War die Maxime bisher möglichst lange Laufzeiten, kommt es künftig mehr darauf an, KWK-Anlagen laufen zu lassen, wenn Strom benötigt wird. Dazu muss die Wärme gespeichert werden.
- Die Untersuchung, ob der Einsatz von KWK-Anlagen unter Kosten-Nutzen-Aspekten möglich ist, wird obligatorisch. Investoren in neue Kraftwerkskapazitäten und TGA-Planer müssen sich darum intensiv mit KWK auseinandersetzen.
- Im mittleren und größeren Anlagensegment sind KWK-Anlagen mit Brennwertnutzung noch eine Ausnahme, obwohl technisch nichts dagegen spricht. Da mit der Nutzung des Brennwerts die Rentabilität einer KWK-Anlage steigt, ist hier ein Umdenken geboten.
„Das wäre ja jedes Jahr ein Atomkraftwerk.“ Der FAZ-Redakteur am anderen Ende der Telefonleitung war offensichtlich fasziniert von seinem eigenen Rechenexperiment. 600000 neu installierte Heizkessel jährlich und jeder würde außer Wärme im Schnitt zusätzlich 2 kW Strom zur Verfügung stellen. Theoretisch wären es also jährlich 1,2 GW an elektrischer Leistung, die so ganz nebenbei mit an das Netz gehen würde, etwa so viel wie ein Großkraftwerk einspeisen kann. „Das wäre ja gigantisch!“ Der Funke hatte offensichtlich gezündet, nachdem der Journalist sich klar gemacht hatte, welch enormes Potenzial der Einzug der Strom erzeugenden Heizung in deutsche Heizkeller hat.
Anlass des Telefongesprächs war eine Pressekonferenz auf der ISH im März 2005. Zum ersten Mal hatte der Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung (B.KWK) dort auf einem Gemeinschaftsstand mehrere Mikro-KWK-Geräte präsentiert und das Ziel erklärt, mit dieser technischen Innovation schrittweise den Heizungsmarkt zu revolutionieren und den Brennwertheizkessel als Effizienztechnik Nummer Eins abzulösen. Der sachliche Grund: Dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung nutzt erheblich mehr der Brennstoffenergie gegenüber der getrennten Stromerzeugung in zentralen Kraftwerken und der Wärmeerzeugung vor Ort. Hier zahlt sich der im Vergleich zu einem neuen Heizkessel höhere Brennstoffeinsatz durch einen frapant hohen Nutzungsgrad des zusätzlich eingesetzten Brennstoffs aus (siehe Info-Kasten).
In der Heiztechnik wird bisher mit Kanonen auf Spatzen geschossen: Die „Spatzen“ sind die niedrigen Temperaturen von 40 bis 90 °C für die zur Raumheizung und Trinkwassererwärmung benötigten Nutzenergie. Die Kanonen sind die bei der Verbrennung von Erdgas, Flüssiggas, Heizöl und Festbrennstoffen entstehende Temperaturen von bis zu 1100 °C. Darin steckt ein enormes Potenzial an Exergie, die bisher nur zu etwa 10 % genutzt wird. Über die Kraft-Wärme-Kopplung ist, je nach Technik und Brennstoff, eine Verdopplung bis zu mehr als einer Versechsfachung der Exergienutzung möglich, konkret mit Verbrennungsmaschinen und Brennstoffzellen. Wenn wir diese Exergiepotenziale durch KWK künftig zielstrebig verstärkt nutzen, können wir in Deutschland auf neue herkömmliche Kondensationskraftwerke komplett verzichten.
Energiewirtschaft muss umdenken
Eine Entwicklung der Stromkapazitäten „von unten nach oben“, also dezentral von der Wärmeerzeugung in Gebäuden und Wärmenetzen her, setzt allerdings ein Umdenken in der Energiewirtschaft, aber auch bei den Planern und Anlagenbetreibern voraus1).
Voraussetzung ist, dass (schaltbare) KWK-Anlagen künftig nicht mehr wie bisher auf möglichst lange Laufzeiten ausgelegt werden, sondern auf eine Verlagerung der Betriebszeiten in die Stunden mit hohen Strompreisen, also dann, wenn der Markt einen hohen Bedarf signalisiert. Dies gelingt ohne Einbuße bei der Effizienz mithilfe von großen Wärmepufferspeichern. Sie machen es möglich, dass Stromerzeugung und Wärmenutzung für einige Stunden bis zu mehreren Tagen zeitlich entkoppelt werden können.
So kann sichergestellt werden, dass auch dann immer genügend Stromkapazitäten verfügbar sind, wenn die Produktion von Wind- und Solarstrom witterungsbedingt einmal „durchhängt“, und zwar ohne dass die Wärme nutzlos weggekühlt wird. Letzteres sollte die absolute Ausnahme sein und großen Kondensations-Entnahme-Heizkraftwerken vorbehalten bleiben, die im reinen Kondensationsbetrieb den Strom dann wenigstens mit relativ hoher Effizienz erzeugen.
Sowohl auf internationaler als auch auf nationaler Ebene hat die Politik inzwischen erkannt, dass die klima- und ressourcenpolitischen Ziele ohne einen massiven Strukturwandel in Richtung KWK nicht erreicht werden können. Die Internationale Energieagentur, die EU, die deutsche Bundesregierung und immer mehr Bundesländer setzen auf den KWK-Ausbau, der auch einen Ersatz von immer teureren Energieimporten durch eigene Wertschöpfung bedeutet.
KWK-Einsatzprüfung wird obligatorisch
Die EU hat sich im Juni 2012 beim Trilog zwischen Parlament, Ministerrat und Kommission auf die Inhalte einer neuen Energieeffizienzrichtlinie geeinigt, die ab dem voraussichtlichen Inkrafttreten im Oktober 2012 in den dann folgenden 18 Monaten in nationale Gesetze umgesetzt werden muss. In die neue Richtlinie wird auch die bisherige KWK-Richtlinie von 2004 integriert werden – mit wesentlich anspruchsvolleren Vorgaben. Die Untersuchung der KWK-Einsatzmöglichkeit unter Kosten-Nutzen-Aspekten wird obligatorisch werden2). Dies wird Investoren in neue Kraftwerkskapazitäten und Planer zwingen, sich mit KWK intensiv auseinanderzusetzen. Das wird zusätzliches Know-how generieren und Vielen den Blick öffnen für die enormen wirtschaftlichen Chancen der KWK – Chancen für alle Beteiligten: Investoren, Energieversorger, Planer, Betreiber, Umwelt und Wirtschaft.
Auf Bundesebene besteht inzwischen über alle Parteien Konsens, dass der Anteil der Kraft-Wärme-Kopplung an der Stromerzeugung mit staatlicher Unterstützung verstärkt ausgebaut werden soll. Der Bundestag hat im Mai 2012 eine Novellierung des Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetzes (KWKG) beschlossen, die nach der Zustimmung des Bundesrats schließlich am 19. Juli 2012 in Kraft getreten ist.
Voraussichtlich wird über das novellierte Gesetz das selbstgesteckte Ziel, eine Erhöhung des KWK-Anteils an der Stromerzeugung in Deutschland von derzeit 15,4 % (2010) auf 25 % bis 2020, aber noch nicht erreicht werden können; dazu bedarf es wohl noch einer weiteren Verbesserung nach der für 2014 angesetzten Zwischenüberprüfung. Allerdings ist das Gesetz ein deutlicher Fortschritt und ein klares Signal der Politik an die Wirtschaft, dass sie auf die KWK setzt. Und es enthält eine Reihe neuer Elemente, welche in die richtige Richtung weisen, wie etwa die Aufnahme von Sorptionskälte sowie von Wärme- und Kältepufferspeichern.
Die Zuschlagszahlungen auf den erzeugten KWK-Strom wurden mit 0,3 Ct/kWhel3) etwas zu zaghaft erhöht. Jedoch bringt die Einführung einer neuen Förderkategorie für Anlagen von 50 bis 250 kWel in diesem mittleren BHKW-Bereich einen deutlich höheren Impuls, dessen Stärke sich erst auf den zweiten Blick erschließt Abb. 2. Sie erhalten künftig statt des bisherigen Zuschlags von 2,1 Ct/kWhel einen deutlich höheren Bonus von 4,0 Ct/kWhel. Wegen der (bereits 2009 eingeführten) gleitenden Zuschlagszahlungen nach dem Prinzip des Stufentarifs profitieren davon auch noch deutlich größere Anlagen erheblich, was bisher in der Fachwelt noch kaum registriert wurde. So kommen beispielsweise 1-MW-Anlagen „im Windschatten“ der neuen Kategorie effektiv in den Genuss einer Erhöhung um 0,62 Ct/kWhel statt der nominalen 0,3 Ct/kWhel.
Nur der Mini-KWK-Bereich bis 50 kWel profitiert von diesem Stufentarif-Effekt nicht; und die Erhöhung um 0,3 Ct/kWh verändert bei Kleinstanlagen die Wirtschaftlichkeit kaum. Pro 1 kWel und 8760 Volllaststunden erhöht sich der Zuschlag lediglich um 26,28 Euro/a. Für den Mini-KWK-Bereich wurde immerhin als zusätzliche Fördermaßnahme das Mini-KWK-Förderprogramm ab 1. April 2012 wieder aufgelegt (Webcode 347589), allerdings nur für Anlagen bis 20 kWel und mit einem etwa gedritteltem Förderimpuls im Vergleich zu dem kurzlebigen Vorgängerprogramm 2008/09. Die Fördersumme liegt nun zwischen 1500 Euro (1 kWel) und 3500 Euro (20 kWel). Zu den Fördervoraussetzungen gehört unter anderem die Mitinstallation eines Wärmepufferspeichers mit einem vorgegeben Mindestvolumen je nach BHKW-Leistung. Nähere Informationen finden sich auf der Internetseite des BAFA ( http://www.bafa.de ), die das Programm administriert.
KWK: Brennwert konsequent nutzen
Bei der oben angesprochenen Erhöhung der Brennstoffeffizienz mittels KWK-Technik ging es um die Aktivierung des bisher vernachlässigten Exergiepotenzials. Soll jedoch der Brennstoff wirklich optimal eingesetzt werden, dann muss zusätzlich zu der unmittelbar bei der Verbrennung frei werdenden Wärme auch die latente Wärme im Abgas konsequent genutzt werden. Sie wird bei der gezielten Abkühlung der Abgase bis unter den Wasserdampftaupunkt freigesetzt und beträgt bei Erdgas 11 %, bei Heizöl 6 % und bei Pellets durchschnittlich 8 % des (unteren) Heizwerts (Hi).
Die Brennwerttechnik zur Nutzung der Kondensationswärme im Abgas ist seit Langem verfügbar und auf dem Heizkesselmarkt inzwischen bei Erdgas und Heizöl zum Standard geworden Abb. 3. Allerdings wurde durch eine Untersuchung der Verbraucherzentralen im Jahr 2011 dokumentiert, was ohnehin in der Heizungsbranche schon lange ein offenes Geheimnis war, dass die wenigsten Brennwertheizkessel das Potenzial wirklich konsequent nutzen (können). Die nach Aussage der Autoren repräsentative Untersuchung an rund 1000 Anlagen zeigte, dass die Brennwertnutzung nur bei rund einem Drittel der Geräte akzeptabel ist (Webcode 325080).
Bei der KWK ist der Einsatz der Brennwerttechnik im mittleren und großen Anlagensegment noch die absolute Ausnahme. Immerhin, bei den Kleinst-BHKW-Anlagen hat sich der Marktführer SenerTec schon vor 2000 entschieden, seine Geräte standardmäßig mit einem nachgeschalteten Abgaswärmeübertrager für die Brennwertnutzung anzubieten, was von den Kunden, dort wo es möglich ist4), auch fast immer angenommen wird.
Plädoyer für separate Wärmeübertrager
Im Vergleich zu integrierten Wärmeübertragern, bei denen das Abgas in einem einzigen Wärmeübertrager bis unter den Taupunkt abgekühlt wird, weisen nachgeschaltete Geräte einen entscheidenden Vorteil auf. Da diese Geräte über eigene Vor- und Rücklaufanschlüsse verfügen, kann die auf das Heizwasser übertragene Abgaswärme in einem eigenen Kreis genutzt werden (2-Kreistechnik).
Für die Brennwertnutzung vorteilhaft ist die Verwendung eines Schichten-Pufferspeichers, der bei ausreichendem Platz im Aufstellraum oder Gebäude schon zur Laufzeitoptimierung zu jeder KWK-Anlage gehören sollte. Damit kann praktisch unabhängig vom Heizsystem ganzjährig annähernd der volle Brennwert genutzt werden, wenn für den nachgeschalteten Wärmeübertrager das kältere Wasser aus dem untersten Bereich des Pufferspeichers abgegriffen wird. Das Abgas wird dann im ersten Abgaswärmeübertrager im BHKW nur mit einem Sicherheitsabstand zur Taupunkttemperatur abgekühlt, wodurch hier Werkstoffe mit geringeren Anforderungen eingesetzt werden können.
Ein Wärmeübertrager mit integrierter Brennwertnutzung muss ein Temperaturspektrum des Abgasabkühlprozesses von über 400 °C bis weit unter den Taupunkt abdecken, der je nach Brennstoff bei 57 °C oder deutlich darunter liegt. Er muss darum mit Kompromissen konstruiert werden. Ein nachgeschalteter Wärmeübertrager muss vom Material her hauptsächlich für die speziellen Anforderungen der Kondensatbildung geeignet sein und zudem eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Abb. 4 zeigt die Wärmeleitfähigkeit von gängigen Materialien, die für diese Aufgabe in Betracht kommen.
Als wärmetechnisch besonders geeignet zeigt sich hier mit seiner besonders hohen Leitfähigkeit der Werkstoff Keramik. Das Material weist noch weitere Vorteile auf, die bestens mit Nachhaltigkeitszielen zusammengehen: Die Korrosionsbeständigkeit bewirkt eine lange Lebensdauer und schließt einen Abtrag von Schwermetallen ins Abwasser aus. Zudem sind keramische Werkstoffe unbegrenzt verfügbar.
Ein weiterer Vorteil separater Wärmeübertrager ist der abgasseitige Selbstreinigungseffekt beim Kondensationsbetrieb: Das saure Kondensat entfernt wie ein Reinigungsmittel Verschmutzungen von den Wärmeübertragern, die bei temporärer Kondensation auftreten können. Bei Dauerkondensation verhindert der Kondensatfilm ein Ansetzen von Verbrennungsrückständen.
Vorteilhaft ist bei der Verwendung eines Kondensationswärmeübertragers auch die Ausführung der Abgasleitung (Kamin). In der Regel können preiswerte Kunststoffsysteme aus PP (Polypropylen) verwendet werden, die für Abgastemperaturen bis 120 °C zugelassen und korrosionsbeständig sind. Zu einem ökologisch optimalen Betrieb eines Brennwertwärmeübertragers gehört auch eine Neutralisation des Kondensats, die neben einer Anhebung des pH-Werts auch eine Abscheidung von Schmierölrückständen aus dem Kondensat vornimmt.
Brennwertnutzung erhöht Rentabilität
Ein erheblicher Pluspunkt ist, dass mit der Nutzung des Brennwerts die Rentabilität einer KWK-Anlage steigt. Kommt die Kraft-Wärme-Kopplung schon jetzt in vielen Fällen zu einer attraktiven Wirtschaftlichkeit, so wird diese durch einen nachgeschalteten Wärmeübertrager und die damit ermöglichte Steigerung des BHKW-Jahresnutzungsgrads um 8 bis 15 Prozentpunkte weiter verbessert. Für ein konkretes BHKW-Beispiel mit 20 kW elektrischer und 40 kW thermischer Leistung ergibt sich:
- ohne Brennwertwärmeübertrager: 4021 Euro Überschuss im ersten Jahr; kalkulatorische Amortisationszeit 4,5 Jahre
- mit Brennwertwärmeübertrager: 5309 Euro Überschuss; kalkulatorische Amortisationszeit 4,1 Jahre
In dem Berechnungsbeispiel amortisieren sich die 2500 Euro Mehrkosten für einen nachgeschalteten keramischen Wärmeübertrager infolge der Erhöhung des Gesamtnutzungsgrads von 90 auf 100 %5) nach 1,9 Jahren. Abb. 5 zeigt die Ergebnisse einer Erhebung der ASUE über die spezifischen Zusatzkosten für Brennwertnutzung bei Erdgas-BHKW in Abhängigkeit von der elektrischen Leistung.
Mit dem Anspruch, Effizienztechnik Nummer Eins zu sein, sollte KWK künftig nach Möglichkeit immer mit Brennwerttechnik zum Einsatz kommen. Und möglich ist das im Prinzip fast überall. Selbst für Prozesswärme steht mit der last- und rücklauftemperaturabhängigen Hochtemperatur-Brennwerttechnik (Abgase erwärmen die Verbrennungsluft) eine geeignete Technik zur Verfügung, die bisher aber noch auf eine breite Praxisumsetzung wartet.
Den Apfel ganz aufessen
„KWK ist so abstrakt und komplex, man müsste sie den Leuten durch ein einfaches Bild anschaulich machen.“ Das war die wichtigste Erkenntnis in einem Strategiegespräch, das 2004 im B.KWK stattfand. Daraus „reifte“ die Idee mit dem Apfel, der heute jedem Besucher meiner Webseite als erstes ins Auge springt. „Nimm einen Apfel!“ steht daneben. „Beiß` einmal rein und wirf den Rest weg. Das ist, was in bisherigen Kraftwerken und Heizkesseln passiert. Kraft-Wärme-Kopplung bedeutet, den Apfel ganz aufzuessen.“ Ganz aufessen heißt in die Praxis übersetzt: mit Brennwertnutzung.
„Den Apfel ganz aufessen“, also Exergiepotenzial und Brennwert nutzen, ist quasi wie die Erschließung einer neuen Energieressource; nennen wir sie „die Ressource Grips“. Sie besteht aus dem Wissen darüber, wie man aus der Flamme möglichst viel Nutzenergie herausholt. Diese Ressource wurde in Deutschland über Jahrzehnte aufgebaut und ist sofort verfügbar. Wir müssen sie nur nutzen. Grips ist übrigens die einzige Ressource, die nicht nur erneuerbar, sondern auch noch vermehrbar ist. •
1) Die Koordination von dezentraler Stromerzeugung und Stromlastabdeckung vor dem Hintergrund wachsender Strommengen aus Windkraft- und Photovoltaik-Anlagen ist Gegenstand der vom Autor fachlich organisierten Tagung „Dezentrale flexible Stromerzeugung und virtuelle Kraftwerke in künftigen Kapazitäts- und Spotmärkten am 27. und 28. September 2012 im Haus der Technik in Berlin.
2) In der EU-Gebäuderichtlinie WEBCODE 296893 befindet sich in Abschnitt 6 für neue Gebäude eine entsprechende Vorgabe, die von dem Mitgliedstaaten bis zum 9. Juli 2012 in Rechts- und Verwaltungsvorschriften umzusetzen waren, die spätestens ab dem 9. Januar 2013 auf Gebäude, die von Behörden genutzt werden und spätestens ab 9. Juli 2013 auf alle übrigen Gebäude anzuwenden sind. Anmerkung der TGA-Redaktion: Die deutsche Übersetzung ist fehlerhaft und nennt zweimal den 9. Juli 2013 für die Anwendung.
3) Emissionshandelspflichtige Anlage erhalten ab 2013 weitere 0,3 Ct/kWhel als Nachteilsausgleich in der dritten Emissionshandelsphase.
4) Ein Hemmnis kann Denkmalschutz sein, der eine grundlegende Schornsteinsanierung verhindert.
5) Wirkungsgrad und Nutzungsgrad beziehen sich definitionsgemäß auf den (unteren) Heizwert.
Weitere Fachartikel zum Thema enthält das TGAdossier Mini-KWK: Webcode 716
KWK-Effekt: Nutzungsgrad des zusätzlichen Brennstoffs
Das enorme Potenzial der Kraft-Wärme-Kopplung zur Effizienzsteigerung wird am „Nutzungsgrad des zusätzlichen Brennstoffs“ deutlich. Ersetzt man Wärme aus einem Brennwertheizkessel mit einem guten Nutzungsgrad von beispielsweise 100 % durch Wärme aus einem BHKW mit beispielsweise 35 % Stromnutzungsgrad und 65 % Wärmenutzungsgrad – also ebenfalls mit Brennwertnutzung – so erhöht sich der Brennstoffeinsatz um 54 %. Mit den zusätzlichen 54 Einheiten Brennstoff pro 100 Einheiten Nutzwärme werden aber nun zusätzlich 54 Einheiten Strom erzeugt (154 × 0,35). Der zusätzliche Brennstoff, bei gleicher Nutzwärme, hat also einen elektrischen Nutzungsgrad von 100 %. Davor verblassen selbst die besten Kondensationskraftwerke (ohne Wärmeauskopplung an externe Verbraucher), die maximal auf einen elektrischen Nutzungsgrad von knapp über 60 % kommen.
Wichtig für TGA-Planer, Anlagenbauer und Bauherren
TGA-Planer: Mit einem steigenden KWK-Stromanteil werden sich die Auslegungskriterien verändern. Für Gebäude zeichnen sind zwei Trends ab: Mikro-KWK-Anlagen mit sehr hohen elektrischen Wirkungsgraden (Brennstoffzellen) im Grundlastbetrieb und nach heute üblicher wärmegeführter Betriebsweise überdimensionierte KWK-Anlagen, die Bedarfsspitzen im Netz decken. Beide benötigen Pufferspeicher.
Anlagenbauer: Im gesamten BHKW-Anwendungsbereich ist eine Brennwertnutzung technisch möglich und in der Regel sehr wirtschaftlich. Nachgeschaltete Abgas-Wärmeübertrager haben mehrere Vorteile und lassen sich besonders effektiv über den unteren Bereich von Schichten-Pufferspeichern in das Heizsystem integrieren.
Bauherren: Werden bei einer BHKW-Anlage die Investitionskosten für eine zusätzliche Brennwertnutzung eingespart, verringert sich die Rentabilität und die Amortisationszeit verlängert sich.
Adi Golbach
ist Inhaber des freien Beratungsbüros „KWK kommt“. Er war 2001 Mitgründer des Bundesverbands Kraft-Wärme-Kopplung (B.KWK) und dort bis 2011 Geschäftsführer, Berlin-Heiligensee, https://kwkkommt.de/
