Neues aus den Fachbereichen Heizung, Lüftung, Klima, Sanitär, Energie, Umwelt, Wissenschaft.

Wir informieren Sie über interessante Neuigkeiten, Pilotprojekte etc. Ältere Beiträge finden Sie im Archiv.

"Schwarmstrom"-Konzept - Dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung mit "Volks-BHKW" von "Lichtblick" und VW

Bericht 25.10.09

Mit zunächst 100.000 eigenen ferngesteuerten Mini-BHKWs als "Zuhause"-Kraftwerk will der Hamburger Ökostromanbieter Lichtblick AG (www.lichtblick.de) bis 2020 den Energiemarkt aufmischen.

Die Gasmotoren liefert die Volkswagen AG als Partner.

Da schnell regelbare Kraftwerkskapazitäten nicht ausreichend vorhanden sind, ist Spitzenlast-Strom sehr teuer.

(Regellasten=schnell zuschaltbare Stromerzeuger für das Abfahren von Verbraucherspitzen.

Konventionelle Großkraftwerke sind hierfür konstruktiv nicht geeignet, sodass diese Kapazitäten von Stromanbietern, die keine eigenen Kraftwerke betreiben (wie Lichtblick), teuer hinzu gekauft werden müssen.

BHKW-Leistung und Preis

Das Mini-BHKW (elektrische Leistung 20 kW, thermische Leistung ca. 34 kW) , welches inkl. mit einem 5.000 l-Pufferspeicher beim Kunden aufgestellt wird, soll dem Kunden nur ca. 5.000 € Investitionsbeteiligung kosten.

Das "Schwarmstrom"-Konzept der Lichtblick AG

Bei z. B. 100.000 Geräten verfügt Lichtblick somit über einen Kraftwerkspark mit einer schnell zuschaltbaren Leistung von 2.000 MW.

Lichtblick steuert das Kraftwerk im Keller des Kunden fern und schaltet es somit ein, wann immer Spitzenlasten im Netz benötigt werden.

Der Kunde wird aber nur mit Wärme aus dem 5.000 l-Pufferspeicher versorgt. Der Puffer wird in weniger als 7 h durchgeladen.

(d. h., ein EFH mit 140 m² kann bei 3°C Außentemperatur ca. 1,5 Tage aus dem Puffer beheizt werden)

Trotz Kraftwerk im eigenen Keller wird ein Stromanbieter benötigt, da der Strom ausnahmslos von Lichtblick in das öffentliche Netz eingespeist und verkauft wird.

Kundenvergütung für den Zeitraum von 10 Jahren

Je eingespeiste kWh erhält der Kunde von Lichtblick 5 € Miete/kWh für den zur Verfügung gestellten Platz

und eine Stromvergütung von 5 ct/kWh.

Einsatz und Einsatzgrenzen

Unter Annahme einer optimalen wärmegeführten thermischen BHKW-Leistung von 30 bis 40% der Gebäude-Heizlast (Grundlast) kommt man bei 34 kW thermischer Leistung des "Volks-BHKWs" auf eine Gebäude-Heizlast von ca. 90 bis 100 kW (-> beheizte Gebäudefläche von ca. 1.200 bis 1.500 m²).

-> optimal für z. B. große Pflegeheime etc.

Lt. Lichtblick AG soll das Mini-BHKW als "Zuhause"-Kraftwerk aber auch in Ein- und Zweifamilienhäusern eingesetzt werden können.

Für diesen Einsatz ist der Gasmotor mindestens um das 10-fache überdimensioniert und die BHKW-Laufzeit liegt damit nur bei ca. 1.000 bis 1.300 h.

Einschätzung

Der Vorteil einer hohen Kraftwerkskapazität für die Lichtblick AG wird durch eine geringe BHKW-Effizienz zum Nachteil für den Verbraucher.

Umgekehrt (mit wärmegeführten Grundlastbetrieb) wäre es die nachhaltigere Lösung!

In Verbindung mit einer Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (Absorbertechnologie für Kühlung/Klimatisierung) würden sich Stromspitzen im Sommer (wenn weniger Wärme benötigt wird) vermeiden lassen.

Kostenvergleich zwischen Volks-BHKW und Mini-BHKW mit Spitzenlastkessel

Die konventionelle Auslegung eines Mini-BHKWs mit Spitzenlastkessel ist für den Verbraucher deutlich günstiger.

Siehe IBS intern BHKW-Fachplanung (Seite nur intern verfügbar!)

Quelle: IKZ FACHPLANER Oktober/2009

Langzeit-Energiespeicher versorgt Gas-Absorptionswärmepumpe im Winter mit Wärme und kühlt im Sommer mit Eis

Lösungsansatz

Bericht 26.3.08

Gebäude mit hohen Klimatisierungs- und Warmwasserbedarf (z. B. Hotels mit gehobenen Standart) sind extrem energieintensiv.

Für den Hotelneubau Riva in Konstanz (52 Zimmer, Schwimmbad) wurde von Isocal ein völlig neuer Ansatz umgesetzt, um den Energiebedarf drastisch zu reduzieren (weltweit erstes kommerziell genutztes Projekt).

Lösungsansatz

Mittels eines im Erdreich versenkten Langzeit-Energiespeichers mit Latentwärmenutzung auf Wasserbasis ("Solar-Eis-Speicher" von Isocal) wird eine Gas-Absorptionswärmepumpe (GAHP) im Winter mit Wärme versorgt und dabei im Energiespeicher ein Eisvorrat für die Gebäudekühlung im Sommer gebildet.

In der Übergangszeit dient überwiegend ein  60 m² Flachdachabsorber als Wärmequelle für GAHP.

Die Basis zur Grundlastabdeckung bildet eine 4-stufige Gas-Absorptionswärmepumpe (160 kW Heizleistung, 70 kW Kälteleistung, Hersteller Robur) mit Abgaswärmetauscher.

Die  Spitzenlast deckt ein Gasbrennwertkessel ab.

Zusätzlich wird über einen Abwärmetauscher (für Sole- oder WW-Kreislauf) die Abwärme diverser kleinerer Kompressionskälteaggregate (Tiefkühlung, Küche, Lebensmittellager) für die Wärmepumpe genutzt.

Da die Wärmepumpen gleichzeitig Wärme und Kälte erzeugen können, muss möglichst lange ein energetisches Gleichgewicht zwischen diesen beiden Hauptenergieströmen erreicht werden ( z. B. beim Kühlen der Zimmer wird die anfallende Abwärme zur Brauchwasserbereitung und zur Schwimmbaderwärmung genutzt).

Quelle: IKZ FACHPLANER 3/2008; A. v. Rohr, Isocal Heizkühlsysteme GmbH

Die besonderen Vorteile beim Einsatz von Gas-Absorptions-Wärmepumpen (GAHP)

Siehe auch > Grundlagen GAHP

Da der mechanische Kompressor entfällt, können die Verluste der Stromerzeugung (in Deutschland ca. 70% des Primärenergieaufwandes) vermieden werden.

Die hohe primärenergetische Effizienz bei der gleichzeitigen Erzeugung von Wärme und Kälte liegt bei ca. 245% bzgl. eingesetzter Primärenergie.

D. h. mit 1 kWh Erdgas können gleichzeitig ca. 1,7 kWh Wärme und 0,75 kWh Kälte erzeugt werden.

Da durch den Gasbrenner grundsätzlich ein höheres Temperaturniveau vorliegt, kann die Vorlauftemperatur ohne Verringerung der Arbeitszahl (im Gegensatz zur elektrischen Kompressions-WP) 65 °C erreichen.

Wird Geothermie als Wärmequelle verwendet, kann im Vergleich zur Elektro-WP bei gleicher Heizleistung z. B. die Sondenlänge auf mindestens 50% verkürzt werden.

Problem Gleichgewicht von benötigter Wärme und Kälte

Da sich das Gleichgewicht von benötigter Wärme und Kälte jedoch nur an wenigen Tagen des Jahres exakt einstellt, wurde das Konzept um einen saisonalen Latentwärmespeicher ergänzt.

Im Winter wird in unseren Breiten mehr geheizt als gekühlt.

Wärmepumpen liefern während der Heizperiode zwar ausreichend Wärme, können aber, wenn nicht oder nur wenig gekühlt werden muss, die gleichzeitig erzeugte "Kälte" nicht nutzbar machen.

Der "Solar-Eis-Speicher" löst dieses Problem, da er die im Winter erzeugte Kälteenergie verlustarm über Monate speichert und im Sommer wieder nutzbar macht.

Der "Solar-Eis-Speicher" - Wärmequelle und Kältespeicher

Als innovative Wärmequellenanlage wurde auf dem Gelände des Hotelneubaus anstelle einer Erdsondenanlage ein unterirdischer saisonaler Latentwärmespeicher mit 170 m³ Wasserinhalt errichtet, der mit einem speziell entwickelten patentierten Wärmetauschersystem ausgerüstet ist.

Der "Solar-Eis-Speicher" erfüllt mehrere Aufgaben:

Er ist erstens im Winter die Wärmequellenanlage für die Gas-WP.

Zweitens übernimmt er im Sommer die Aufgabe als Kältespeicher.

Die im Winter dem Wasser entzogene Wärme führt zum gezielten Durchfrieren des gesamten Wasservolumens (ohne Sprengwirkung).

Das somit während des Heizbetriebes gebildete Eis (170 t)  kann im folgenden Sommer zur Kühlung genutzt werden.

Da beim Gefrieren des Wassers der Aggregatzustand von flüssig  zu fest wechselt, kann durch den Latentwärmeanteil eine sehr hohe Energiedichte genutzt werden.

Die WP kann somit während der Heizperiode lange Zeit Wärme entziehen, ohne dass die Temperatur der Wärmequelle unter 0 °C absinkt.

Im Sommer bleibt die Temperatur des Speichers so lange bei 0 °C, bis das Eis seinen Aggregatzustand von fest zu flüssig (Wasser) komplett vollzogen hat.

Zur Kühlung im Sommer kann somit eine konstante Kältequelle von 0 °C genutzt werden, ohne zusätzlichen Energieaufwand.

Zum Kühlen wird dem "Solar-Eis-Speicher" also 0 °C kaltes Wasser entnommen und dem Gebäude auf entsprechenden Temperaturniveau zugeführt (Kaltwasser-VL/RL 7 °C/12 °C).

Die bei der Kühlung dem Gebäude im Sommer entzogene Wärme führt dem Eisspeicher die zum Auftauen und Regenerierung notwendige Energiemenge für die nächste Heizperiode wieder zu.

In der Heizperiode werden ca. 2000 h geheizt und somit auch 2000 h Kälte erzeugt, die zum großen Teil in den Speicher eingelagert wird.

Die  Kühlperiode im Sommer dauert aber nur ca. 600 bis 1000 h.

Bei entsprechend großen Speicher kann also mehr Eis (Kälte) gebildet werden, als im Sommer zum Kühlen benötigt wird.

Im Gegensatz zur Geothermie ist die erzeugte Kälte hier in einem isolierten Speicher thermisch geschützt, so dass der größte Teil bis zum Sommer überdauert und zum Kühlen zur Verfügung steht.

Grundsätzliche Funktion und Energiebilanzen von Eispeichern mit GAHP im Winter und im Sommer

Winter

Ca. 40% der benötigten Heizwärme werden dem Solar-Eis-Speicher" entnommen. Der Speicher kühlt dabei ab und das Wasser wird zu Eis, welches zu diesem Zeitpunkt zunächst ein thermisches Abfallprodukt ist.

Kann das Eis aber im Sommer zum Kühlen nutzbar gemacht werden, geht es in die Energiebilanz ein.

Heizeffizienz bzgl. Gaseinsatz: -150%).

Energiebilanz:

100% Heizwärme (Gebäude) = 42% regenerative Energie (Eisspeicher)

+ 68% Gasinput (GAHP) - 10% Abgasverluste (GAHP)

Einsparpotential: 33% der Heizkosten

Sommer

Im Sommer kann das Eis nahezu ohne energetischen Zusatzaufwand zum Kühlen nutzbar gemacht werden .

Der Speicher nimmt dabei die dem Gebäude entzogene Solarwärme auf, welche im nachfolgenden Winter wieder zu Heizen genutzt wird.

Da das Eis im vorausgegangenen Winter durch die GAHP erzeugt wurde, verbessert sich die Gesamtenergiebilanz.

Kühleffizienz bzgl. Gaseinsatz im Winter: -60%).

Energiebilanz:

100% Entzugsleistung/Kälteleistung (Gebäude)

= 100% Sonnenenergie (Eisspeicher)

Einsparpotential: -100% der Kühlkosten*

Gesamteffizienz (Winter und Sommer) bzgl. Gaseinsatz : > 200%

*) Die Kälteleistung kann, solange das Temperaturniveau des Speichers entsprechend niedrig ist, aus dem Eisspeicher ohne weitere Energiezufuhr gedeckt werden (bis auf Energie für Umwälzpumpe, GAHP in d. Regel nicht in Betrieb).

Flachdachabsorber für die Übergangszeit und weitere Komponenten zur Abwärmenutzung

Da aus Platzgründen der "Solar-Eis-Speicher" in ausreichender Größe nicht auf dem Gelände untergebracht werden konnte, wurde zusätzlich ein 60 m² großer Luftabsorber in Flachdachbauweise (ähnlich Schwimmbadabsorber) installiert.

Dieser kann die WP in der gesamten Übergangszeit mit Umweltwärme auf relativ hohem Temperaturniveau versorgen und so die fehlende Größe des Eisspeichers kompensieren.

Da er mit einer Glykol/Wasser-Gemisch betrieben wird, auch ohne Sonneneinstrahlung.

Der Flachdachabsorber kann in der Übergangszeit (auch bei viel Regen und Wind) die Entzugsleistung der WP voll abdecken.

Der "Solar-Eis-Speicher" steht somit fast ausschließlich für die Wärmeversorgung an kalten Tagen (< 0 °C) oder bei Schneefall zur Verfügung.

Außerdem wurden zur Nutzung vorhandener Wärmequellen ein Abgaswärmetauscher in den Abgasleitungen der WP installiert und auf den Entzugsseiten der WP eingebunden.

Auch die Abwärme diverser kleiner Kältemaschinen wird in einer ersten Stufe zur Brauchwasservorwärmung genutzt.

Erst in einer zweiten Stufe entzieht die GAHP die noch verbliebene Restwärme, sodass die Effizienz der GAHP und gleichzeitig die der Kleinkälteaggregate erhöht wird.

Zusammenfassung

Der Betrieb der GAHP in Kombination mit der innovativen Wärmequelle "Solar-Eis-Speicher" ermöglicht die Versorgung von Wärme und Kälte bei niedrigen Betriebskosten (hohe Jahresarbeitszahl) und vergleichsweise geringen Investkosten.

Kann die Entzugsleistung nicht komplett durch den Eisspeicher gedeckt werden, kann durch Flachdachabsorber, Abgaswärmetauscher der WP und Abwärmenutzung der Kleinkältemaschinen die fehlende Wärmemenge ergänzt werden.

Im Fall, dass am Ende des Sommers der Eisspeicher keine Kälte mehr liefern kann, kann die GAHP im Kühlmodus aktiv kühlen.

Die Abwärme wird dann nicht vernichtet, sondern im Speicher eingelagert und steht in der Übergangszeit als Wärmequelle für die GAHP wieder zur Verfügung.

Amortisation:

Je mehr Kälte im Sommer benötigt wird, desto kürzer die Amortisationszeit.

Da die Investkosten nicht höher als bei vergleichbaren geothermischen Elektrowärmepumpenanlagen, zusätzlich aber die nahezu energie- und kostenneutrale Kältenutzung im Sommer hinzukommt, liegt die Amortisation bei wenigen Jahren.

Mit intelligenten und innovativen Lösungen kann also Umweltschutz und Wirtschaftlichkeit gleichzeitig erreicht werden, ohne auf die Annehmlichkeiten einer Kühlung etc. zu verzichten.

Themen im  > Archiv:

- Brennstoffzellen zur Wärme- und Stromerzeugung

- Legionellen in Trink- oder Brauchwassersystemen

- Gasbrennwert-Wandkessel mit Modulationsverhältnis 1:10 

Weiter/zurück zu Aktuelles