Mehrere Millionen Mikro-KWK bis 2030

Bei den Herstellern und Vertriebsgesellschaften von Mikro- und Mini-BHKW – auch Klein- und Mikro-KWK genannt – herrscht Aufbruchstimmung. Gleich eine ganze Reihe von Gesetzen, Vorschriften und Impulsprogrammen sollen künftig den Markt für Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) positiv beeinflussen und somit den Absatz von Blockheizkraftwerken (BHKW) – von Mikro über Mini bis hin zu Großanlagen – begünstigen.

Positive Marktimpulse

Der Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung e.V., Berlin, hat zur Novellierung des Kraft-Wärme-Kopplungsgesetzes einen ausführlichen Überblick erstellt (siehe Kasten: „Das novellierte KWK-Gesetz im Überblick“). Weitere positive Marktimpulse für die Kraft­zwerge werden erwartet von:

– der Richtlinie zur Förderung von Mini-KWK-Anlagen (http://www.bafa.de)

– dem Erneuerbaren Energiengesetz (EEG)

– dem Erneuerbare Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG)

– der Biogaseinspeisung in das Erdgasnetz mit entsprechenden Änderungen in der Gasnetzzugangsverordnung (GasNZV), der Gasnetzentgeldverordnung (GasNEV) und der Anreizregulierungsverordnung (ARegV)

– dem integrierten Klimaschutz- und Energieprogramm II (IKEP II), verabschiedet am 17. Juni 2008 vom Bundestag.

Ausführliche Informationen zum Gesamt­aspekt „Rahmenbedingungen für BHKW“ sind unter https://www.bkwk.de/startseite-bkwk/ abrufbar.

Noch nicht marktreif

Wie sehr die politische und wirtschaftliche Förderung der Kraft-Wärme-Kopplung den Markt für Wärmeerzeuger womöglich verändern wird, verdeutlichen die so genannten „Bullensee-Thesen“, einem gemeinsam von Wissenschaftlern und Vertretern der Energiewirtschaft erarbeiteten Strategiepapier (siehe z.B.: http://www.ewe.com/geschaeftsbereiche/bullensee-thesen.pdf). Unter geeigneten Rahmenbedingungen könnten z.B. Mikro-KWK-Anlagen bis zum Jahr 2030 ein Marktvolumen von „mehreren Millionen Anlagen“ erreichen, so das Thesenpapier. Brennstoffzellen-Mikro-KWK-Anlagen böten zwar die größten ökologischen Vorteile, seien bislang aber noch nicht marktreif. Als Übergangs­lösung kämen motorisch angetriebene BHKW in Betracht.

Speziell bei den Mikro-KWK-Anlagen bestehe jedoch noch Forschungsbedarf, insbesondere für deren Peripherie wie Steuerung und Regelung bzw. Pufferspeicher. Als weitere Schwachstellen werden in den Bullensee-Thesen die eher ungünstigen Rahmenbedingungen für BHKW in Mehrfamilienhäusern (Abrechnung gegenüber Mietern) sowie die Vergütung für eingespeisten Strom genannt. Allgemein solle sich die Stromrückspeisung aus privaten KWK-Anlagen am übergeordneten Strombedarf der EVU bzw. Netzbetreiber orientieren.

Contracting-Angebote seien besonders geeignet, breite Kundengruppen für die kombinierte Kraft-Wärme-Erzeugung zu gewinnen und gleichzeitig einen energiewirtschaftlich optimierten Betrieb sicherzustellen.

Kooperationsmodell Contracting

Ob die SHK-Unternehmen schon „reif“ sind für den kommenden Markt für Mini- und Mikro-KWK, muss kritisch hinterfragt werden. Aus gutem Grund will der Energieversorger Eon/Ruhrgas deshalb dem SHK-Fachhandwerker das Kooperationsmodell „Mini- bzw. Mikro-KWK-Contracting“ anbieten, das auf standardisierten Verträgen, einem Leistungsverzeichnis nach dem Baukastenprinzip und einem modularen Systemangebot basiert. Begründet werden die Contracting Aktivitäten damit, dass die Marktdurchdringung mittels Contracting rascher erfolgen und Risiken für Kunden und SHK-Handwerker fast ausgeschlossen werden könnten. Auch das Thema „höhere Investitionen“ wäre vom Tisch, da der Kunde ein „Rundum-sorglos-Paket“ bekomme, das ihn zusätzlich zum Wärmepreis nur etwa 50 Cent pro Tag mehr koste als die Eigenfinanzierung bzw. den Eigenbetrieb. Martin Dobslaw von E-On/Ruhrgas sieht das Kleinanlagen-Contracting auch als probates Mittel, dem Endkunden die Skepsis gegenüber komplexen Produkten wie z.B. den Mikro-KWK-Geräten zu nehmen und damit Hürden bei der Markteinführung innovativer Produkte abzubauen.

Betrieb nach Fahrplan

Doch die EVU sorgen sich nicht nur um die Qualität der Installation, sie befürchten auch negative Rückkopplungseffekte auf ihr Lastmanagement, wenn „Millionen“ von Mikro-KWK-Geräten unkoordiniert hausgemachten Strom in das Netz einspeisen. Nach einer Untersuchung der TU Braunschweig sei eine „Connect & forget-Strategie“ aus Sicht der EVU „nicht sonderlich sinnvoll“. Besser – für das EVU – sei eine netzorientierte Betriebsweise nach EVU-Fahrplan, da damit „wertvollerer Strom“ erzeugt werden könne. Magnus Pielke von der TU Braunschweig räumt jedoch ein, dass die Wirtschaftlichkeit der netzorientierten Betriebsweise kaum nachweisbar sei und somit für den KWK-Betreiber keinen Anreiz biete. Die Vorteile für den Netzbetreiber und das EVU seien dagegen gravierend, z.B. durch kalkulierbare Rückspeisungen, planbare Lastkurven und reduzierte Netzlastspitzen. Es mache für EVU also durchaus Sinn, über Sonderpreise für den Erdgasbezug und Sondertarife für die Vollwartung der BHKW nachzudenken.

Komplexe Planungsaufgabe

Aus vielen Tagungsbeiträgen und Referenzbeschreibungen ist herauszuhören, dass die Strom erzeugende Heizung mittels Mikro- und Mini-BHKW eine besondere Herausforderung für Planer und ausführende Firmen darstellt. Volkmar Schäfer von der eta Energieberatung, Pfaffenhofen, gab in seinem Vortrag einen realistischen Einblick in die Komplexität einer solchen Planung, zumal neben den gesetzgeberischen und verordnungspolitischen Rahmenbedingungen auch Tariffragen, Genehmigungen und nicht zuletzt die elektrische, hydraulische und regelungstechnische Einbindung der KWK-Geräte neue Denkansätze verlangen. Schäfer stellte gleich sieben Möglichkeiten der hydraulischen Einbindung von BHKW in eine Heizungsanlage und vier Optionen für die elektrische Verknüpfung vor. Um alle Fördertöpfe, Umlagen, Abgaben und Entgelte kundenoptimal zu berücksichtigen, bedürfe es eines vergleichsweise hohen administrativen Aufwandes, egal ob die Anlage 5, 50 oder 500kWel leistet. Daraus lässt sich unschwer ableiten, dass die Branche zunächst einmal in Fortbildungsmaßnahmen investieren muss, will sie marktschädigenden Entwicklungen entgegenwirken.

Virtueller Kraftwerksverbund

Noch einen Tick komplexer ist die Einbindung eines Mini-BHKW in ein virtuelles Kraftwerk. H. O. Mieth, Geschäftsführer der Spilling Energy Systeme GmbH, Hamburg, umschreibt die Aufgabenstellung dezent als „nicht banal“, will heißen: Der Planer müsste jetzt auch noch mögliche Erlöse aus der Stromabgabe zu Spitzenlastzeiten in seinen Wirtschaftlichkeitsberechnungen berücksichtigen. Da der Spitzenstrombedarf nicht zwangsweise zu Zeiten anfällt, in denen die parallel erzeugte Wärme im Gebäude auch direkt genutzt werden kann, müsse über entsprechende Speicherkonzepte nachgedacht werden. Die Auflösung dieses Zielkonflikts sieht Mieth in einem Wärmesenken-Management in Form von „intelligent geregelten Schichtlade- und Hochtemperaturspeichern“. Dass das Speichervermögen einer Heizungsanlage und nicht zuletzt das Gebäude selbst zumindest während der Heizzeit mithilfe einer intelligenten Einzelraumregelung als Energiepuffer dienen könnte, wird bei der Diskussion um die Notwendigkeit und Dimensionierung von Speichern bislang ignoriert. Aus Sicht des Spilling-Geschäftsführers Mieth entspricht das Powertherm BHKW heute am ehesten den Ansprüchen wechselnder Lasten und der Spitzenstrombereitstellung. Es sei das einzige BHKW seiner Klasse mit Drehzahlmodulation und nahezu gleichem elektrischem Wirkungsgrad von 5 bis 20 kW_el (10 bis 43 kW_th). Bei Spitzenstrombedarf könne das BHKW über die Dauer von 30 bis 60 Minuten bei Maximalleistungen von bis zu 30 kW_el betrieben werden, so Mieth. Diese Funktion hätte den Vorteil, dass der Betreiber seinen Spitzenstrom weitgehend selbst erzeuge und somit über die eingesparten Spitzenstromentgelte zusätzliche Amortisationserlöse erwirtschafte.

Stromoptimierter Betrieb

Ein erfahrener Spezialist für Dimensionierung und Betriebsstrategien von Mini- und Mikro-BHKW ist Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas von der Hochschule Reutlingen, der auch einen Prüfstand für Mini-/Mikro-KWK unterhält. Er empfiehlt, Mini-BHKW möglichst kontinuierlich zu betreiben und das Takten in jedem Fall zu vermeiden. Ohne Pufferspeicher – Thomas empfiehlt mindestens 1000 l – und Spitzenlastkessel sei das mit heutiger Technik kaum zu bewerkstelligen. Orientierungspunkt für die Dimensionierung sei der Wärmebedarf, jedoch dürfe man die Stromseite nicht außer Acht lassen. Mit Blick auf die Wirtschaftlichkeit hält B.Thomas einen stromoptimierten Betrieb für ratsam, da nur so der Interessenkonflikt zwischen Strom- und Wärmebedarf gelöst werden könne. Thomas bezieht sich auf verschiedene Simulationsrechnungen auf der Basis der „Richtlinie VDI 4635 – Referenzlastprofile von Ein- und Zweifamilienhäusern für den Einsatz von KWK-Anlagen“. Durch die Einbindung eines Pufferspeichers sei es möglich, die Anlage wärmegeführt zu betreiben und dennoch das KWK-Gerät in Zeiten hohen Strombedarfs im Haushalt „stromoptimiert“ zu fahren. Mit drei Betriebsintervallen pro Tag und einem Pufferspeichervolumen von mindestens 1000 l sei mittels stromoptimierter Betriebsweise sowohl eine hohe Wärmebedarfsdeckung als auch eine hohe Eigenstromdeckungsrate zu erzielen. Bei niedrigem Wärmebedarf sei es wirtschaftlicher, von vornherein ein Mikro-KWK-Gerät z.B. mit 1 kW_el/2,6 kW_th mit Zusatzbrenner zur Spitzenwärmelastab­deckung zu installieren.

Freikolben-Stirling ist erste Wahl

Nicht auf das Niedrigenergiehaus, sondern auf bestehende Ein- und Zweifamilienhäuser mit einem etwas höheren Energiebedarf zielt die Bosch Thermotechnik (BTT) mit der Entwicklung ihrer Stirlingmotor-Kompaktheizzentrale ab. Durch die Entscheidung für die Stirlingmotorbauart „Freikolben“ sei im Vergleich zu konventionellen Heizgeräten nur eine geringe Zusatzinstallation erforderlich, betonte Lucas Ronzheimer auf der Fachtagung. Das hätte den Vorteil, dass praktisch alle Zusatzkomponenten des Gerätes den Heizgeräte-Service­technikern vertraut seien. Der eigentliche Stirlingmotor sei völlig wartungsfrei.

In den Jahren 2009/2010 will BTT rund 500 Stirling-Kompaktheizzentralen – Leistung 1 kW_el, 3 bis 7 kW_th (nur Stirlingmotor) bzw. 3 bis 31 kW thermische Gesamtleistung – in Feldtests auf ihre Alltagstauglichkeit prüfen. BTT geht davon aus, dass etwa 40 bis 50 % des benötigten Haushaltsstromes im Einfamilienhaus mit dem Stirling-Heizgerät selbst erzeugt werden kann. Die Ergebnisse der Feldtests sollen in die Entwicklung der 2. Gerätegeneration einfließen, die voraussichtlich im Jahr 2011 verfügbar sein wird.

Der Freikolben-Stirlingmotor wird zusammen mit den Projektpartnern MTS-Group, Italien, Enatec Micro-cogen B.V. sowie der japanischen Rinnai Corporation, Nagoya, zur Marktreife entwickelt. Produziert wird der Stirlingmotor von Rinnai.

Sunmachine rudert zurück

Ursprünglich wollte Sunmachine im Jahr 2008 rund 4000 Geräte des Holzpellet-gefeuerten Mikro-Blockheizkraftwerkes ausliefern (3 kW_el/10 kW_th). Qualitäts­probleme bei Zulieferteilen sowie eine weitere „Finetuning“-Runde aufgrund wachsender Praxiserfahrungen machten dem Stirling-Motor-Pionier einen Strich durch die Rechnung. Seit Beginn der Produktionsaufnahme im März 2008 seien erst 45 Maschinen gebaut und ausgeliefert worden, so Rudy Betz auf der Renexpo 2008 in Augsburg. Angepeilt werde jetzt für 2008 eine Stückzahl von 200 Maschinen. Probleme bereiteten dem Sunmachine Stirling Mikro-KWK-Gerät z.B. die unterschiedlichen Anschlüsse an Abgasanlagen und damit wechselnde Druckverhältnisse in den Maschinen. Wichtig sei auch, ausschließlich „DIN plus“-Pellets einzusetzen. Nur so könne der Feuerraum frei von Asche gehalten werden. Laut Simulationsberechnungen von Sunmachine soll die Maschine rund 8000 Stunden ohne Wartung auskommen. Die Kosten für das 3 kW_el/10 kW_th-Gerät werden mit rund 23000 Euro angegeben, die für ein Gesamtsystem mit Pufferspeicher mit etwa 34000 bis 35000 Euro.

Ernüchternde Feldtests

Eher ernüchternd sind die Ergebnisse eines Whispergen-Feldtests (1 kW_el/14 kW_th) in 20 typischen holländischen Reihenhäusern durch den Vertriebspartner Magic Boiler Company. Der dort eingebaute Pufferspeicher (nur 80 l !) führte unter anderem zu häufigem Takten und damit zu Effizienzein­bußen. Offenbar wurde auch der Einfluss des Nutzers auf den Anteil des Eigenstromverbrauchs unterschätzt. Deshalb seien die durchschnittlichen Energiekosteneinsparungen von etwa 100 Euro/Jahr auch relativ gering.

Durch eine verbesserte Regelung und einen größeren Pufferspeicher (120 l) will man das Takten um rund 60 % reduzieren und damit die Gesamteffizienz des Gerätes erhöhen. Der Marktstart der modifizierten Geräte ist für Januar 2009 geplant. Der Systempreis mit Installation soll – bezogen auf die Niederlande – bei rund 12 000 Euro liegen.

In Deutschland wird unter anderem die Sanevo Vertriebs-GmbH, Offenbach, den Vertrieb der neuseeländischen Whispergen-Geräte übernehmen.

Kleine ORC-Anlagen im Feldtest

Wenig zu tun mit dem allgemeinen Thema Mikro- und Mini-KWK-Geräte hat die auf die industrielle Anwendung ausgerichtete Mini-Turbine der LTi Adaturb GmbH, Dortmund. Ab Frühjahr 2009 will das Unternehmen nach einer Pilotphase mit der Auslieferung ihrer neuen ORC-Turbinen TG30 und TG50 beginnen. Antriebsenergie ist Abgas- bzw. Motor-Wärme aus vorhandenen Blockheizkraftwerken. Aus der Abgaswärme von bestehenden Gas- und Dieselmotoren-BHKW der Leistungsklasse 250 kW_el bis 500 kW_el ließen sich mit den ORC-Turbinen zusätzlich 30 bzw. 60 kW_el an Strom gewinnen, so Klaus-Peter Priebe, Geschäftsführer von LTi Adaturb. Der Anlagenwirkungsgrad des ORC-Prozesses liege bei Nutzung der Motorabwärme von bis zu 95 °C bei rund 10 %, bei Nutzung der BHKW-Abgaswärme oberhalb 200 °C seien bis zu 20 % Anlagenwirkungsgrad möglich. Durch nachgeschaltete ORC-Anlagen könne die Stromerzeugungsquote bei mit Biogas angetriebenen BHKW allein bei der Nutzung der Abgaswärme auf 44 %, bei Nutzung von Abgaswärme plus Motorwärme auf 48 % gesteigert werden. Je nach Anlagenkonstellation und Brennstoff lägen die Amortisationszeiten zwischen drei und sechs Jahren.

Beim ORC-Prozess (Organic-Rankine-Cycle) werden Kohlenwasserstoffe, Kältemittel (fluorierte Kohlenwasserstoffe) oder neuerdings auch synthetische Arbeitsmittel auf Silicon­basis eingesetzt.

Lohnt sich der Aufwand?

Die günstigen Rahmenbedingungen für Mikro- und Mini-BHKW-Geräte sind eine Sache, die Genehmigung und Planung solcher Anlagen eine eher komplexe Angelegenheit mit vielen Unbekannten. Ob sich der Aufwand für den Planer und Betreiber überhaupt lohnt, muss bei dem keinesfalls banalen Anlagendesign kritisch hinterfragt werden. Am ehesten überzeugen Contracting-Modelle mit standardisierten Lösungen, eindeutigen Betreiberstrategien unter der Ägide der EVU sowie klarer Risikozuordnungen.

Auch wenn die Politik die Weichen für einen zügigen Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung gestellt hat, darf nicht übersehen werden, dass das Ziel 25% KWK-Strom bis zum Jahr 2020 nur mit zuverlässig und wirtschaftlich arbeitenden Anlagen sowie mit hochqualifizierten und risikofreudigen Fachplanern zu erreichen.

Der folgende Überblick über das novellierte KWK-Gesetz wurde vom Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung (B.KWK) erarbeitet:

Eckpunkte

• Förderung bestehender Anlagen läuft wie im KWKG 2002 ­vorgesehen bis 2010 aus

• Novellierung zielt auf Neubau und Modernisierung von KWK-­Anlagen ohne Größenbegrenzung (bisher Neubau nur bis 2 MW)

• Ausbauziel 25 % KWK-Strom bis 2020

• Zuschläge auf den gesamten erzeugten KWK-Strom (nicht wie bisher nur auf den in ein öffentliches Netz eingespeisten Strom)

• Fördervoraussetzungen:

- Inbetriebnahme 1. Januar 2009 bis 31. Dezember 2016

- Sachverständigengutachten über die relevanten Eigenschaften der Anlage (z.B. nach AGFW-FW 308)

- hocheffizient nach EU-KWK-Richtlinie; Nachweis durch Sachver­ständigengutachten

- bei serienmäßig hergestellten Anlagen bis 2 MW genügen ­geeignete Unterlagen des Herstellers

- bei Modernisierung Höhe der Kosten mindestens 50 % der Kosten einer Neuerrichtung

• Begrenzung („Deckelung”) der jährlichen Fördersumme auf 750 Mio. Euro, davon bis 150 Mio. Euro für Wärmenetzausbau, bei Überschreitung erfolgt nachträgliche Kürzung für Anlagen über 10 MWel, aber Flexibilisierung des Deckels: eventuelle Kürzungen bei Überschreitung werden später nachgezahlt

• Inkrafttreten 1. Januar 2009

• Überprüfung der Gesetzeswirkung 2011

• Verbesserte KWK-Statistik

Zuschläge für Neu-/Ausbau von Wärmenetzen (ohne Hausanschlüsse)

Bis 20 % der Investitionskosten, Voraussetzungen:

• An das Wärmenetz muss mindestens ein Abnehmer angeschlossen sein, der nicht gleichzeitig ­Eigentümer oder Betreiber der in das Wärmenetz einspeisenden KWK-Anlage ist

• Beginn Neu-/Ausbau ab 1. Januar 2009, Inbetriebnahme bis 31. Dezember 2020

• Mindestens 50 % der Wärmeerzeugung in KWK, im Endausbaustadium mindestens 60 %

Unser Autor Wolfgang Schmid ist freier Fachjour­nalist für technische Gebäudeausrüstung, München; E-Mail: wsm@tele2.de