Strom erzeugende Heizung: Gasmotor-BHKW für Einfamilienhäuser

Vaillant

Die Kraft-Wärme-Kopplung hat sich als hocheffiziente und umweltschonende Technologie sowohl in den Köpfen der Fachwelt als auch der Endkunden etabliert. Geräte mit minimaler thermischer Leistung für den breiten Einsatz in kleinen Wohngebäuden waren bisher jedoch nicht verfügbar. Jetzt bietet Vaillant erstmals ein Mikro-BHKW mit Gas-Verbrennungsmotor an, das von seinen Leistungsdaten für den Einsatz im Einfamilienhaus prädestiniert ist.

Es hat das Potenzial für eine Initialzündung: Das erste Mikro-BHKW mit Gas-Verbrennungsmotor, das für den Einsatz im Einfamilienhaus geeignete Daten aufweist: Bei einer elektrischen Leistung von 1 kW „müssen“ lediglich 2,5 kW thermische Energie genutzt werden. Durch die geringe Leistung und die leistungsbezogene Stromkennzahl von s = 0,4 (Verhältnis von abgegebener elektrischer Leistung zu abgegebener Nutzwärmeleistung) kann ein hoher Anteil des elektrischen Bedarfs selbst abgedeckt werden.

Für die Wirtschaftlichkeit eines Mikro-BHKWs in Wohngebäuden ist eine hohe Stromkennzahl von entscheidender Bedeutung. Zum Vergleich: Die aktuell auf den Markt kommenden Mikro-BHKWs mit Stirlingmotor benötigen bei einer elektrischen Leistung von 1 kW eine Wärmesenke von rund 6 kW, ihr elektrischer Wirkungsgrad liegt in einem Bereich von 10…15 %. Das neue Mikro-BHKW mit Gas-Verbrennungsmotor Bild 1 erreicht einen elektrischen Wirkungsgrad von 26,3 %¹⁾ und ist vor allem für Ein- und Zweifamilienhäuser mit einem Wärmeverbrauch von 10000…30000 kWh/a und einem Stromverbrauch von 3000 bis 6500 kWh/a konzipiert. Die maximale thermische Leistung kann beim Marktstart bis zu 28 kW betragen.

Gesamtsystem mit hocheffizientem Gas-Verbrennungsmotor

Das Gesamtsystem besteht aus sechs Komponenten Bild 2. Hauptkomponente ist das Mi­kro-BHKW ecopower 1.0, Vaillant setzt hier einen hocheffizienten Gas-Verbrennungsmotor des weltweit größten Motorenherstellers Honda ein. Honda produziert seit 2003 Mikro-KWK-­Module für Einfamilienhäuser. In Japan und in den USA sind bereits über 100.000 Anlagen im Einsatz. Im ecopower 1.0 setzt Honda erstmals die neuartige Motorentechnologie „EXlink Extended Expansion Linkage Engine“ Bild 1 ein, mit der bei deutlich reduzierter Baugröße eine höhere Effizienz erreicht wird. Zum Vergleich: Als Vaillant und Honda auf der ISH 2009 ihre Kooperation bekannt gaben, lag der elektrische Wirkungsgrad für die ersten Feldtestanlagen auf Basis des japanischen BHKW-Moduls bei 22,5 %. Die nun erreichten 26,3 % sind weit mehr als eine Optimierung.

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Die weiteren Systemkomponenten sind ein Wärmeauskopplungsmodul, ein Systemregler, ein Multi-Funktionsspeicher allstor mit Trinkwasserstation sowie das Zusatzheizgerät ecoTEC exclusiv. Die Abwärme aus dem Motorbetrieb wird über einen Kühlkreislauf zum Wärmeauskopplungsmodul transportiert und über einen systemtrennenden Plattenwärmeübertrager im Speicher (Heizungswasser) eingeschichtet. Die Abwärme wird aus dem Motorraum, der Ölwanne und über einen Abgas-Wärmeübertrager abgeführt.

Über ein Regelventil wird eine konstante Rücklauftemperatur für das BHKW von>65 °C sichergestellt, damit der Motor immer im leistungsoptimalen Bereich läuft. Nach dem Start erreicht der Motor über einen kleinen Kühlkreislauf sehr schnell seine ideale Betriebstemperatur; erst anschließend wird der große Kühlkreislauf aktiviert und die Wärme an das Heizungssystem übertragen. Zwei integrierte Pumpen mit geringer Leistungsaufnahme stellen die Umwälzung des Heizungswassers und des Kühlkreislaufs sicher. Ihr Anschluss an den Systemregler erfolgt über einen vorkonfigurierten Kabelbaum.

Die Wärmeabnehmer, wie Trinkwasserstation und Heizkreise „bedienen“ sich am Wärmevorrat des Multi-Funktionsspeichers. Die Steuerung und Regelung des Gesamtsystems erfolgt über den Systemregler. Er verfügt über umfangreiche Funktionen für den Betrieb, die Bedienung und die Fehlerdiagnose des gesamten Systems. Die Speicherfühler im Multi-Funktionsspeicher melden dem Systemregler, wenn die Solltemperaturen für Trinkwassererwärmung und Raumheizung unterschritten werden. Es erfolgt dann eine Wärmeanforderung an die Wärmequelle BHKW und bei Bedarf an das Zusatzheizgerät. Dabei hat die Wärmeerzeugung über das BHKW stets Vorrang – das Zusatzheizgerät wird nur bei Spitzenlastbedarf an kalten Wintertagen benötigt. Der Multi-Funktionsspeicher kann über das BHKW bis zu einer Maximaltemperatur von 80 °C geladen werden.

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Die Bedienung der Gesamtanlage wird über ein 5,7“-Touch-Panel im Systemregler realisiert. Hier kann auf einen Blick die Anlage mit ihrer Funktionalität und hydraulischen Verschaltung gesehen und gesteuert werden. Zahlreiche Analysetools für den Endkunden bewerten u.a. die Laufzeit, die Auslastung und die Stromeinspeisung des BHKW im Tagesverlauf. Systemtemperaturen, Heizkurve, Tag- und Nachtbetrieb sowie Sollwerte können ebenfalls über die Touch-Bedienung eingestellt werden. Zusätzlich ist die Regelung mit einer Ethernet-Schnittstelle zum Anschluss eines WLAN-Routers ausgerüstet. Damit wird eine Fernbedienung über einen Tablet-PC ­ermöglicht.

Eine Wartung des Gas-Verbrennungsmotors ist nach 6000 Betriebsstunden erforderlich. Verglichen mit einem Kfz-Motor kommt dies ­einer Laufleistung von rund 360.000 km gleich.

Gasmotor-BHKW: Zunächst nur als Gesamtystem lieferbar

Im ersten Schritt wird nur ein Gesamtsystem angeboten. „Unser Ziel ist es, generell höchste Qualität zu liefern. Deswegen gehen wir derzeit ausschließlich mit einer festen System­kombination in den Markt. Auch wenn wir ­zahlreiche Feldtests absolviert haben, können wir gerade bei der Markteinführung eines völlig neuen Systems nicht alle denkbaren objekt­spezifischen Einsatzbedingungen antizipieren. Mit der festen Systemkombination können wir aber gewährleisten, dass das neue Mikro-BHKW in allen Fällen robust und hocheffizient arbeitet“, erläutert Andreas Christmann, Leiter Marketing und Produkt bei Vaillant Deutschland, die Unternehmensstrategie. „Wir sehen das aber keinesfalls als Ende der Entwicklung an, sondern arbeiten derzeit beispielsweise aktiv daran, dass künftig alle eBUS-fähigen Wärmeerzeuger als Spitzenlastgeräte in das System eingebunden werden können.“

Mikro-BHKW ecopower 1.0: Wärmegeführtes System

Das Mikro-BHKW ecopower 1.0 ist ein ausschließlich wärmegeführtes System, der Wärmebedarf des Gebäudes bzw. der Nutzer bestimmt die BHKW-Laufzeit und somit auch die Stromproduktion. Es ist besonders für die Heizungsmodernisierung im Bestand geeignet, da es auch hohe Systemtemperaturen zur Verfügung stellen kann. Zwei typische Beispiele auf Basis der Software MiniBHKW-Plan zeigen die Systemmöglichkeiten.

·         Beispiel 1: Zugrunde gelegt wird ein Ein­familienhaus von 1956 mit einer Wohn­fläche von 130m² und einem Strom­verbrauch von 4000 kWh/a sowie einem Wärmeverbrauch von 14.000 kWh/a am Standort Essen. Der KWK-Deckungsanteil Wärme, der im Neubau wichtig für das ­Erreichen eines EEWärmeG-Nachweises² ist und bei mindestens 50% liegen muss, beträgt in diesem Beispiel 83%. Die durchschnittlichen Vollbenutzungsstunden liegen bei rund 4800 h/a, der Anteil der Stromnutzung bei rund 52%. Die CO²-Einsparung gegenüber einem herkömmlichen Gasheizgerät und dem Netz-Strombezug (Strommix) liegt bei ungefähr 1,4 t/a.

·         Beispiel 2: Ein Zweifamilienhaus von 1989 mit einer Wohnfläche von 240 m² und ­einem Stromverbrauch von 6000 kWh/a weist einen Wärmeverbrauch von 21600 kWh/a am Standort Essen auf. Der KWK-Deckungsanteil Wärme liegt bei 66 %, bei Strom ist eine Eigenbedarfs­abdeckung von bis zu 72% möglich. Die durchschnittlichen Vollbenutzungs­stunden betragen rund 5700 h/a. Die CO²-Einsparung gegenüber einem ­herkömmlichen Gasheizgerät und dem Netz-Strombezug liegt bei ca. 3,1 t/a.

Besonders attraktiv für BHKW-Betreiber ist der hohe Anteil der Stromnutzung durch die angepasste Leistung und den hohen elektrischen Wirkungsgrad. Die Eigenverwendung des KWK-Stroms verdrängt Strombezug zum relativ teuren Haushaltstarif. Zudem wird die Abhängigkeit von Strompreiserhöhungen verringert, da ein großer Teil des benötigten Stroms selbst produziert wird. Strom, der über den eigenen Bedarf hinaus erzeugt wird, wird in das Versorgungsnetz eingespeist.

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KWK-Anlagen: Ohne unstete Förderpolitik in den Markt

Die Betreiber von KWK-Anlagen werden mit mehreren Elementen in Abhängigkeit von der erzeugten Strommenge über das KWK-Gesetz gefördert (siehe Info-Kasten). Eine bundesweite Zuschussförderung könnte zwar die Nachfrage erhöhen, wäre aber gleichzeitig auch ein Risiko für die Markteinführung. Angesichts der in der Vergangenheit unsteten Förderpolitik muss heute praktisch jederzeit mit einem sofortigen oder sogar rückwirkenden Förderstopp gerechnet werden, wie beim Impulsprogramm für Mini-KWK-Anlagen 2009/10 geschehen. Solche Schlagzeilen hinterlassen im Markt schnell teure Bremsspuren.

Christmann: „Das Impulsprogramm basiert auf der elektrischen BHKW-Leistung. Da macht es einen deutlichen Unterschied, ob eine Anlage mit 1 kW_el oder mit 10 kW_el gefördert wird. Für Mi­kro-BHKW gewinnen hingegen die regionalen Förderinstrumente der Energieversorger und Stadtwerke sowie die Zuschüsse der KfW an Relevanz. Unseren Fachpartnern hilft dabei das Vaillant Förder-Wunder (siehe Info-Kasten). Und wenn wir die derzeitige Marktsituation mit der von 2008 vor dem Impulsprogramm vergleichen, ist trotzdem ein Absatzwachstum vorhanden, auch bei den größeren BHKW-Leistungen. Steigt künftig der Strompreis weiter, wird die Eigenerzeugung und Nutzung von Strom einen weiteren deutlichen Kostenvorteil liefern. Zusätzliches Potenzial lässt sich heben, wenn große Stromverbraucher im Haushalt, wie Waschmaschine, Wäschetrockner und Geschirrspüler, gezielt dann gestartet werden, wenn der Strom auch durch das BHKW produziert werden kann. Zudem sollte künftig bei den Haushaltsgeräten die Aufnahmeleistung Mikro-KWK-freundlich angepasst werden bzw. anpassbar sein. Dann kann der Kunde entscheiden, ob ein Programm einige Minuten schneller oder aber mit geringeren Energiekosten abläuft.“

Die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) unterstützt Investitionen in Mikro-BHKW-Anlagen durch zinsvergünstigte Kredite. Ab März 2011 können Immobilienbesitzer im Rahmen einer energetischen Gebäudesanierung für ein Mikro-BHKW einen Zuschuss von der KfW-Bank von bis zu 5 % der Investitionskosten beantragen.

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Vaillant: Mehrstufiges Trainingskonzept

Stringent geregelt hat Vaillant die Trainingsmaßnahmen für das Mikro-KWK-System, um höchste Qualität bei der Planung und Installation zu gewährleisten. Voraussetzung, um am eigentlichen Training teilzunehmen, ist die erfolgreiche Prüfung bei einem Online-Training. „Wir wollen im komplexen Bereich der KWK eine gemeinsame Wissensbasis für alle Teilnehmer des eigentlichen Trainings schaffen. Dies erreichen wir durch eine aufwendig gestaltete, interaktive Online-Plattform, die in sieben Kapiteln Basis-Wissen zum neuen ecopower 1.0 vermittelt“, beschreibt Christmann das Schulungskonzept.

Rund 600 Fachhandwerkspartner hatten sich im Rahmen der insgesamt 18 Auftaktveranstaltungen zur Qualifizierung für das neue System bereits angemeldet. Voraussetzung für das erfolgreiche Absolvieren des Online-Trainings und damit für die Anmeldung zum anschließenden Praxis-Training ist das Bestehen der Wissenstests, bei dem die Teilnehmer nach jedem Kapitel das Erlernte unter Beweis stellen. Christmann: „Der große Vorteil ist die freie Zeiteinteilung mit dem Online-Trainingsprogramm. Beim anschließenden zweitägigen Praxis-Training für das Mikro-KWK-System erlernen die Teilnehmer unter anderem die Installation und Wartung. Die ersten fünf Inbetriebnahmen und Wartungen absolviert der Fachhandwerkspartner dann zusammen mit dem Vaillant-Kundendienst.“

Erhältlich ist das ecopower 1.0 „noch vor der Jahresmitte 2011“. Die unverbindliche Preisempfehlung des Herstellers für das SHK-Handwerk liegt bei einem Endkundenpreis von 16.000 Euro inkl. MwSt. •

Mehr Infos zum Thema im TGA-Dossier Mini-KWK 

1) Für den Leistungsbedarf von Einfamilienhäusern kann momentan nur die Brennstoffzellentechnik einen signifikant höheren elektrischen Wirkungsgrad realisieren. Brennstoffzellen-Systeme, die auch unter ­wirtschaftlichen Gesichtspunkten in typischen Einfamilienhäusern ­einsetzbar sind, stehen aber momentan nicht zur Verfügung.

2) Das Gesetz zur Förderung Erneuerbarer Energien im Wärmebereich (Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz – EEWärmeG) (Webcode 305260) schreibt im Neubau eine Nutzungspflicht von erneuerbaren Energien zur Deckung des Wärmebedarfs vor. Die Pflicht gilt laut Gesetz auch als erfüllt, wenn der Wärmeenergie­bedarf zu mindestens 50 % unmittelbar aus KWK-Anlagen gedeckt wird, die in Nummer V der Anlage zum EEWärmeG näher definiert ­(Hocheffizienz-Kriterium) werden.

Förderung nach dem KWKG

Die Bundesregierung fördert dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung mit dem KWK-Gesetz. BHKW-Betreiber profitieren dabei mehrfach: Die gesamte mit einem ecopower 1.0 erzeugte Strommenge wird über zehn Jahre mit einem KWK-Bonus von 5,11 Ct/kWh gefördert, selbstgenutzter Strom ist zeitlich unbegrenzt von der Stromsteuer (2,05 Ct/kWh_el) befreit. Eingespeister Strom wird zusätzlich zum KWK-Bonus auf der Grundlage des aktuellen Strompreises vergütet: Für jede kWh Strom, die ins Versorgungsnetz eingespeist wird, erhält der Anlagenbetreiber eine zusätzliche Vergütung („üblicher Preis“). Sie bemisst sich am Vorquartalswert der Handelspreise an der Leipziger Strombörse (EEX). 2010 lag der Durchschnitt bei 4,47 Ct/kWh, 2009 bei 3,89 Ct/kWh und 2008 bei 6,57 Ct/kWh (Quelle: https://www.bkwk.de/startseite-bkwk/). Hinzu kommt eine Erstattung für vermiedene Netznutzungsentgelte für den eingespeisten Strom. Sie ist vom örtlichen Grundversorger abhängig, in der Praxis werden etwa 0,6 bis 1,5 Ct/kWh vergütet. Zudem kann für das im BHKW eingesetzte Erdgas jeweils rückwirkend für ein Jahr eine Erstattung der ­Energiesteuer von 0,55 Ct/kWh beantragt werden. Die für die Abwicklung zuständige Behörde ist das Hauptzollamt. Bei der Abwicklung können Vaillant-Kunden auf das Service-Wunder zurückgreifen (siehe Info-Kasten). 

Dieser Artikel ist eine Überarbeitung des Artikels „Gasmotor-BHKW für Einfamilienhäuser“ von Martin Schellhorn, erschienen in TGA 03-2011.