Beispiele und Technologien für Blockheizkraftwerke (BHKW)

Mikro-BHKW BlueGen mit SOFC-Brennstoffzelle

Brennstoffzellen-Modul BlueGen^TM

Das australisch-deutsche Unternehmen Ceramic Fuel Cells Ltd. (CFCL) hat einen SOFC-Generator (Festoxidkeramik-Brennstoffzelle) Gennex^TM entwickelt, der ab 2011 als marktreifes Mikro-BHKW in Serie gehen soll.

Aufbau BlueGen^TM

BlueGen™ ist zur Wärmerückgewinnung (WRG) mit einem integrierten Wämeaustauscher ausgestattet, um die Wärme vom Brennstoffzellenmodul zurück zugewinnen (=BHKW).

Ein optionaler separater Pufferspeicher kann an das Gerät angeschlossen werden, um den Wirkungsgrad des Gesamtsystems weiter zu erhöhen.

Brennstoffzelle (SOFC)

Gennex^TM setzt Wasserstoff und Sauerstoff bei 700 bis 800°C zu 85% in Strom und Wärme um.

Im Vergleich zu traditionellen Kleingeneratoren produziert es bei der gleichen Menge an Brennstoff erheblich mehr Elektrizität als Wärme.

Der elektrische Netto-Wirkungsgrad bei 1,5 kW Leistung von ca. 60% ist Weltspitze.

Wesentlich für den Wirkungsgrad ist die Reformierung (chemischer Prozess), bei dem aus Methan der Brennstoff Wasserstoff abgespalten wird. Normalerweise ist das eine endotherme Reaktion, die die Energiebilanz des Gesamtsystems verschlechtert.

CFCL nutzt dagegen einen Pre-Reformer, der zunächst Propan und Ethan im Erdgas in Methan umwandelt.

Die eigentliche Reformierung findet dann innerhalb der Brennstoffzelle direkt an den Nickel-Anoden statt, wo ein Teil der entstehenden Energie aus der elektrochemischen Umwandlung die Reformierung speist.

Betriebsweisen

Aufheizen
vollautomatisch unter Verwendung der Netzspannung, Dauer ca. 25 h (stromnetzunabhängige Inbetriebnahme nicht möglich)
 

Selbstversorgung
Gerät produziert Eigenverbrauch, jedoch ohne Strom zu exportieren (z.B. bei längerer Stromnetzstörung)

Energieerzeugung
Gerät exportiert Strom; Export kann von 0% bis zu 100% reguliert werden
 

Abkühlung
Netzspannung verwenden (ca. 36 bis 72 Stunden zur sicheren Abkühlung)

Einsatz

Die SOFC-Brennstoffzelle Gennex allein, mit max. 1 kW thermischer Leistung, kann nur den Wärmebedarf von z. B. Passivhäusern abdecken oder 200 l Brauchwasser pro Tag erwärmen.

Als Kombigerät in Verbindung mit einen Gas-Brennwertkessel eignet es sich zur Heizung und Stromerzeugung für Ein- und Zweifamilienhäuser.

Standorte:

- Im Haus (außer Wohnbereiche)
- Im Freien (wettergeschützt und frostfrei)

BlueGen™ kann eingebaut werden als:

- Stromerzeugungssystem

    (keine Wärmerückgewinnung -> nur Stromerzeugung)

- Blockheizkraftwerk

   (mit Wärmerückgewinnung -> Strom und Wärmeerzeugung)

Quellen: www.cfcl.com.au/.pdf; VDI Nachrichten 28.1.2011 Nr. 4, Autor Christa Friedl.

Mini-Blockheizkraftwerk mit Öl- oder Gasmotor > Bild

Ist ein Mini-BHKW auch in einem Einfamilienhaus wirtschaftlich zu betreiben?

Das BHKW-Angebot im Leistungsbereich < 10 kWel (als Mini-, Mikro- oder Klein-BHKW bezeichnet) hat sich deutlich verbessert.

In der Zwischenzeit werden auch leistungsmodulierende Anlagen eingesetzt, welche die abgegebene Leistung an den bestehenden Bedarf anpassen können.

Dadurch kann bei einem Neubau bzw. einer notwendigen Heizungssanierung evtl. auf einen zusätzlichen Heizungskessel verzichtet werden.

Bei einer guten Planung und einem relativ großen Wärme- und Strombedarf des Hauses kann sich eine BHKW-Anlage in 12-15 Jahren und damit innerhalb der Anlagen-Lebensdauer (18-22 Jahre) amortisieren.

Ansonsten erscheint dies, aufgrund der geringen Nutzungsdauer der BHKW-Anlage insbesondere im Sommer und den neuen Wärmedämmstandards, eher schwierig.

Man sollte sich immer vor Augen halten, dass eine Mini-KWK-Anlage überall dort ideal eingesetzt werden kann, wo ein ausreichender Wärmebedarf über das ganze Jahr gewährleistet und ein weitgehend gleichzeitiger Strombedarf vorhanden ist.

Ein Mini-BHKW eignet sich prinzipiell zur kompletten Energieversorgung (Strom und Wärme) von Ein- bis Dreifamilienhäusern > Anlagenschema

Durch die immer noch hohen spezifischen Anlagekosten ist z. Z. eine Wirtschaftlichkeit für eine breite Anwendung bei diesen kleinen Anlagen eher in Frage gestellt.

Für die meisten Anwendungsfälle ist es somit günstiger, auch den produzierten Strom weitgehend selbst zu nutzen.

Dieser Strom ist wesentlich billiger.

Bei optimaler Auslastung amortisiert sich die Anlage mit einer Lebensdauer bei regelmäßiger Wartung von mindestens 80.000 Betriebsstunden (laut Herstelleraussagen).

Leistung

Je nach Brennstoffart haben sie eine elektrische Leistung von 5,0 bis 5,5 kW und eine Wärmeleistung von 10,4 bis 20 kW.

Mini-BHKWs mit Leistungsmodulation rechnen sich bedingt schneller als ohne (sofern nicht mehrere parallele Module eingesetzt werden können).

Variable Drehzahlen ermöglichen die optimale Anpassung der thermischen und elektrischen Leistung innerhalb des Objektes.

Ausstattung Basisversion

Mini-BHKW, 1-Zylinder-Viertaktmotor für Heizöl, Biodiesel oder Erdgas, 750 l-Wärmespeicher, Warmwassermodul

Kosten

Die Anschaffungskosten (Basisversion) ohne Einbindung in das Heizsystem, EV und Montage liegen z. B bei ca. 25.000 &€;.

Die spezifischen Anlagenkosten steigen bei BHKWs mit abnehmender Größe.

Aus diesem Grund bietet sich eine Objektversorgung größerer Wärmeabnehmer (MFH, Hotel etc.) wesentlich besser an.

Auch eine Umrüstung vorhandenen Öl- oder Gasheizungen auf ein Mini-BHKW ist technisch relativ unproblematisch.

(Quelle: Valentin/ ecopower)

Mini-Blockheizkraftwerk mit Mikrogasturbine > Bild

Mikrogasturbinen (MGT) als Klein-HKW zur dezentralen Strom- und Wärmeerzeugung im Vergleich zu klassischen motorgetriebenen BHKWs

sind neu entwickelte Produkte, welche sich u. a. zum Einsatz in der dezentralen Stromversorgung und der Kraft-Wärme-Kopplung eignen und im Leistungsbereich unterhalb von 500 kWel angesiedelt sind.

Aufbau

- Verdichter

- Rekuperator

- Brennkammer

- Turbine

- Generator

Funktion

Bei Heiz-Kraft-Werken (HKW) mit einer Mikrogasturbine ist ohne Zwischenschaltung eines Getriebes der Permanentmagnet des Generators direkt an die Turbine geflanscht, so dass der Generator mit der sehr hohen Drehzahl der Turbine läuft. (Einwellen-Turbinen mit einstufigem Radialverdichter sowie radialer Arbeitsturbine)

Der erzeugte hochfrequente Wechselstrom (max. 1600 Hz) wird zunächst gleichgerichtet und dann in Wechselstrom 400 V/50 Hz umgewandelt.

Zum Start dient der Generator als Motor.

Brennstoffe

Zum Betreiben kann Erd-/ Flüssiggas, Heizöl, Klärgas, Grubengas und Erdölbegleitgas verwendet werden.

Die anfallende Abwärme muss für Heizzwecke etc. immer abgenommen oder gepuffert werden.

Wirkungsgrade

Elektrisch ca. 25 bis 30%, thermisch je nach Temperaturniveau der Nutzwärmeabgabe ca. 75 bis 84%

Nachteile

Der Nachteil der Turbine ist der relativ schlechte elektrische Wirkungsgrad von ca. 12% und mit Rekuperator 26%, also schlechter als bei den klassischen BHKWs.

Gesamtwirkungsgrad ca. 83%.

(Ein Rekuperator nutzt die Wärmeenergie aus den Turbinenabgasen und wärmt damit die Verdichteraustrittsluft auf, bevor diese in die Brennkammer gelangt. Dadurch vermindert sich der benötigte Brennstoffeinsatz und es können höhere elektrische Wirkungsgrade erzielt werden. Trotzdem fallen die Wirkungsgrade von Motorenanlage derselben Größenklasse noch um einige Prozentpunkte höher aus.)

Vorteile

Die Vorteile liegen in den langen Wartungsintervallen (z. B. alle 8.000 h oder einmal im Jahr.)

Die Otto- oder Dieselmotoren bei den klassischen BHKWs müssen im Vergleich ca. alle 2.000 h gewartet werden.

Anwendung

Aufgrund der gasturbinenspezifischen Abwärmecharakteristik, bei der das gesamte Abwärmepotential auf einem hohen Temperaturniveau von rund 275°C anfällt,

eignet sich die Mikrogasturbine vor allem für

- kleinere Industriebetriebe mit Prozesswärmebedarf

  in Verbindung mit einer Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung,

- für Trocknungsprozesse

- sowie als Aggregat zur Klimakälteerzeugung mittels

  Absorptionskältemaschine.

Denkbar wäre aber z. B. ein verstärkter Einsatz im Contracting-Bereich, da in diesem Fall die Vorteile der Mikrogasturbinen aufgrund des geringeren Wartungsaufwandes besonders zum Tragen kämen.

Installation

Für den Betrieb wird ein Kühl- und eine Verbrennungsluftstrom benötigt.

Über ein Lüftungssystem wird die Zu- und Abluft zur Kühlung der MGT außerhalb des Gebäudes angesaugt (Grobfilter) bzw. abgeblasen.

Die Ansaugung der Verbrennungsluft erfolgt über einen Feinfilter aus dem Kühlluftstrom.

Kosten

Aufgrund des hohen Investitionsvolumens von rund  62.000 €; für ein Aggregat mit 28 kWel und dem gegenüber Motoren gleicher Leistungsgröße um einige Prozentpunkte geringeren elektrischen Wirkungsgrad erscheint ein wirtschaftlicher Betrieb aber nur bei wenigen Anwendungsfeldern möglich.

Auf diesem interessanten Gebiet gibt es also noch viel zu tun.

Beispiel Capstone Microturbine

Definition

Mikrogasturbinen sind allgemein kleine schnelllaufenden Gasturbinen < 250 kWel. Es sind Einwellen-Turbinen mit einstufigem Radialverdichter sowie radialer Arbeitsturbine und Permanentmagnet des Generators auf einer luftgelagerten Welle (Capstone).

Brennstoffe (fossil)

Erd-, Flüssig-, Biogas (Fackel- und Klärgas), LPG

Diesel/Heizöl, Kerosin

Technische Daten (z. B. C30)

Leistungen: 27 kWel, 68 kWth

Wirkungsgrad elektrisch 24%, Gesamtwirkungsgrad 83%

(elektrischer Wirkungsgrad bleibt unabhängig von der der Wärmenutzung konstant)

Brennstoffeinsatz (Hu) 115 kW

Abgastemperatur 275 °C, Abgasleistung 80 kW

Kosten

Beispiel C30: ca. 46.000 € bzw. 1.535 €/kWel

ohne Gaskompressor (ca. 4.000 €), Gebäude, Fundament, elektrische und hydraulische Einbindung, Zu- und Abluftanlage, Planung, Inbetriebnahme ->

Gesamtkosten ca. 79.000 €.

Wartungskosten (E-quad: Teilwartung 3 Jahre) ca. 0,79 €/kWel

Vor- und Nachteile gegenüber Verbrennungsmotoren

Vorteile:

- geringere Wartungskosten

  (Wartungsintervalle 6.000 bis 8.000 Bh)

- niedrige Schadstoff- und Schallemission

- fast konstanter Gesamtwirkungsgrad über breites Lastspektrum

- geringes Gewicht und Abmessungen

- keine Schmierstoffe

Eine Dampferzeugung mit Abgas-WT bei Abgastemperaturen von ca. 275°C ist technisch möglich, aber energetisch nicht sinnvoll.

(thermischer Wirkungsgrad wird deutlich schlechter).

Besser ist die Kopplung mit einer Sorptionskältemaschine (Heißwassertemperatur mindestens 94°C), sofern Kälte benötigt wird

oder auch direkte Nutzung des Abgases für Trocknungsprozesse oder zur CO2-Anreicherung/Düngung in Gewächshäusern.

Nachteile:

- höhere spez. Investkosten

- Nennleistung bis Ansaugtemperatur von 15 °C

  (bei 30°C sinkt Wirkungsgrad um ca. 12%)

- größere Leistungsminderung ab ca. 400 m NN Aufstellhöhe

- hoher Brennkammerdruck des Brennstoffes(3,5-6 bar) erforderlich

  (ist Verdichter notwendig, sinkt elektr. Wirkungsgrad ca. 1,7%

- geringerer elektr. Wirkungsgrad

Quellen: E-quad Power Systems GmbH; hessenENERGIE; Bayrisches Landesamt für Umwelt

BHKW mit Dampf-Schraubenmotor

Prinzip

Das Prinzip der Stromerzeugung mittels Schraubenmotor (Schraubenexpansionsmaschine) entspricht dem des konventionellen Ranking-Wasser-Dampf-Prozesses, mit dem Unterschied, dass der Dampf statt in einer Turbine in einem Schraubenmotor entspannt wird.

Der Schraubenmotor treibt einen Generator an, mit dem elektrischer Strom erzeugt wird.

Schraubenmotoren gehören zur Gruppe der mehrwelligen Verdrängermaschinen.

Diese besitzen einen geschlossenen Arbeitsraum, dessen Größe sich während eines Arbeitsspiels zyklisch verändert und stellen die Umkehrung zum Schraubenkompressor dar, der in vielen Industriezweigen seit Jahrzehnten verwendet wird.

Einsatz

Schraubenmotoren können mit Frischdampfzuständen von 10 bis 30 bar sinnvoll betrieben werden und sind ab einer Nennleistung von 100 kW_el bis ca. 2.500 kW_el einsetzbar.
 

Arbeitsweise

Die Arbeitsweise eines Schraubenmotors erinnert an die eines Zweitakt-Kolbenmotors, wenn man die oszillierende Bewegung des Hubkolbens durch eine rotierende ersetzt.

In einem Gehäuse rotieren zwei, im Eingriff stehende, schraubenförmig verwundene Rotoren.

Der V-förmige Arbeitsraum (Hubvolumen) wird von den beiden Schraubenrotoren (Hauptrotor und Nebenrotor) mit der eng anliegenden Gehäuseinnenseite gebildet (> Schema).

Der Wasserdampf gelangt durch die Gehäuseeinlassöffnung in das dahinter liegende Zahnlückenvolumen.

Bei fortschreitender Rotordrehung wächst das Volumen der Profillücke.

Der Füllvorgang ist beendet, wenn dieser Raum bei weiterer Rotordrehung vom Einlassquerschnitt des Gehäuses vollständig getrennt wird.

Während der Expansionsphase vergrößert sich der Arbeitsraum kontinuierlich, wobei das Arbeitsfluid einen Teil seiner Energie auf den Rotor überträgt.

Ist das Arbeitsvolumen maximal, überfahren die Rotorzahnköpfe den Auslassquerschnitt im Gehäuse und der Expansionsvorgang mit dem Ausschieben, also mit dem Verdrängen des energieärmeren Arbeitsfluids, beginnt.

Je nach Anzahl der verwendeten Profillückenräume läuft das beschriebene Arbeitsspiel mehrmals pro Rotorumdrehung ab.

Vorteile

Dampfschraubenmotoren sind sehr robust, sie können sowohl überhitzten Dampf als auch Sattdampf und Nassdampf abarbeiten (keine Tropfenschlagsgefahr), was den flexiblen Einsatz dieser Technologie unterstreicht.

Mini-BHKW mit Stirlingmotor

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) mit Stirlingmotoren

Nach dem Prinzip der KWK wird mit diesem System Strom und Wärme erzeugt.

Moderne Stirling-Konzepte sehen allgemein stationäre Aggregate vor, die über einen angekoppelten Generator Strom erzeugen.

Durch die im Gegensatz zu Otto- und Dieselmotoren geschlossenen Arbeitsräume und die Wärmezufuhr von außen, sind sie unabhängig von der Art der Wärmequelle.

Es können sowohl fossile (Gas, Öl) als auch erneuerbare (Biomasse, Sonne) Energieträger eingesetzt werden.

Rückstände aus der Verbrennung können nicht in das Innere des Stirlingmotors gelangen, was zu geringeren Verschleiß und damit zu langen wartungsfreien Laufzeiten führt.

Stirlingmotoren als Antriebseinheit in kleinen BHKWs weisen gegenüber konventionellen BHKWs Vorteile auf, die besonders bei kleinen Leistungen zum Tragen kommen.

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Entwicklungsstand bei Mini-BHKWs (Beispiele Stand 2007)

Quelle: Heizungsjournal 4/5 2007

Förderpaket für Mini-BHKWs (Beispiel 2008)

Investitionskostenzuschuss (entfällt ab Mai 2010!)

nach Impulsprogramm des BMU ab 1.9.08 bis zu 50 % der Gerätekosten.

Bedingung:

≥ 5.000 Vollbenutzungsstunden/Jahr für den vollen Zuschuss (50%)

KWK-Zuschlag

5,11 Ct/kWh_el (für gesamten erzeugten Strom) für 10 Jahre

(bisher Zuschlag nur für den ins Netz eingespeisten Strom)

Der aktuelle Stand ist bei der BAFA abzurufen.

Für wesentlich mehr Informationen stehen wir Ihnen mit einer persönlichen Fachberatung jederzeit gerne zur Verfügung.

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