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Othmar VerheyenDipl.-Phys.Ing.

ASEW-SeminarDezentrale Energieerzeugung:

Strom und Wärme in Kundennähe

Mikro-Mini-BHKWStand der Technik, Rahmenbedingungen

Marktentwicklung, Erfahrungen aus der Wohnungswirtschaft

Hannover, 06. Sept. 2011

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Mikro-Mini-BHKWHannover, 06. 09. 2011

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Fakultät für Ingenieurwissenschaften - Maschinenbau

Lehrstuhl Energietechnik

Prof. Dr. rer. nat. Angelika Heinzel

• Entwicklung von Materialien und Komponenten von Brennstoffzellen

• Reformerentwicklung

• Test von Peripheriekomponenten

• Design, Aufbau und Optimierung von Brennstoffzellen-Systemen

• Systemsimulationen

• Entwicklung von Hard- und Software zur Systemsteuerung

• Energetische Ist-Analysen

• Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen

• Machbarkeitsstudien

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Präsident (seit 19.05.2011): Bertold Müller-Urlaub, Stadtwerke Halle

Vizepräsidenten: Ullrich Brosziewski, beta-Energie, Hannover; Hagen Fuhl,Senertec, Schweinfurt; Prof. Dr. Martin Maslaton, Leipzig

Gründung des B.KWK am 22.01.200133 Gründungsmitglieder

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Mitgliederentwicklung

Seit März 2009: Projektgruppe „Klein-BHKW in der Gebäudetechnik“

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ReEnergie Niederrhein AG

• 1. Bürgerunternehmen am Niederrhein (ca. 100 Aktionäre)

• Projektentwicklung, Bau undBetrieb von Anlagen mit Erneuerbaren Energien (EE)

• Bürgersolarinitiativen

• Beteiligungsmodelle für EE-Projekte

Vorstand: Dipl.-Kaufmann Fred Heyer

Aufsichtsratsvorsitzender: Othmar Verheyen

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Aus Vortrag Schmieder, Solo Kleinmotoren GmbH

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Agenda

• Erfahrungen aus der Wohnungswirtschaft

• Stand der Technik

• Rahmenbedingungen

• Marktsituation / Potenziale

• Fazit

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KWK-Klassifizierung- keine Defeinition -

• Kleine KWK: ≤ 2000 kWel

• Kleinst-KWK: ≤ 50 kWel

• Mini-KWK: ≤ 15 kWel

• Mikro-KWK: 1 – 2 kWel

auch Stromerzeugende Heizung (SEH)

aber– Mikro-Gasturbinen

30 … 500 kWel

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Agenda





• Fazit

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KWK-Technologien

Quelle: Dr. Lutz Dittmann, Berliner Energieagentur, Mai 2011

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BHKW mit MAN-Motoren

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Mikro-KWK-Anlagen

Quelle: Dr. Lutz Dittmann, Berliner Energieagentur GmbH, Vortrag am 20.05.2011 in Berlin

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Ecopower1.3

• Motor

1-Zylinder-Viertakt-Motormit 272 cm³ Hubraum

• Brennstoff Erdgas, Flüssiggas

• Spannung (Einspeisung) 230 V

• Leistung (modulierend) elektrisch 1,5 bis 3,0 kW

thermisch 4,7 bis 8,0 kW

• Gesamtnutzungsgrad 90 %

• Geräusch 56 dB(A)

• Abmess. (HxBxT) 108 x 74 x 137 cm

• Gesamtgewicht 395 kg

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microBHKW L 4.12

• Motor

1-Zylinder; Viertakt-Mager-Gemisch-Otto-Gasmotor

• Brennstoff Erdgas

• Abgastemperatur

• Leistung elektrisch 2 - 4 kW (η = 25 %)

thermisch 5 - 12 kW (η = 70 %)


• Geräusch 55 dB(A) (1m Abstand)

• Abmess. (HxBxT) 127 x 67,5 x 79 cm


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Honda GE160VHonda MCHP1.0 • Motor

1-Zylinder-Viertakt-Motormit 163 cm³ Hubraum


• Abgastemperatur <90 °C• Leistung

elektrisch 1 kW (η = 26,3 %)thermisch 2,5 kW (η = 65,7 %)(zusätzlich BW-Gerät mit 28 kW)

• Gesamtnutzungsgrad 92 %• Geräusch 46 dB(A) (1 m)

• Abmess. (HxBxT) 118 x 113 x 32 cm• Gesamtgewicht 100 kg• Preise 15.690 Euro netto zzgl. Einbau

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ecoPOWER 1.0Seit März 2003 in Japan über 80.000

Systeme

Seit Herbst 2006 Markteinführung in den USA (heute weltweit über 100.000 Systeme)

Ab 2011 Markteinführung in Deutschland (Produktion in Gelsenkirchen)

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Intelli Heimkraftwerkaus Barleben bei Magdeburg • Motor

1-Zylinder; Viertakt-Mager-Gemisch-Otto-Gasmotor


• Abgastemperatur

• Leistung elektrisch 2,5 kW (η = %)

thermisch 8,75 kW (η = %)





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• Kraftwandler LINATOR®

2-Zylinder-Freikolbendampfmaschine mit integriertem Lineargenerator



• Leistung (modulierend) elektrisch 0,3 kW bis 2,0 kW ± 10 %

thermisch 3,0 kW bis 16,0 kW ± 5 %max. VL/RL-Temperatur 65/58 °C


• Geräusch 48–54 dB(A)

• Abmessungen (HxBxT) 126 x 62 x 83 cm


lion-Powerblock

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WhisperGenPrototyp Layout

• Entwicklung Stirlingmotor seit 1987 (University of Canterbury in Neuseeland)

• Prototypenserien (5)

• Joint Venture: WhisperTech / EHE Spanien hat seit 2010 europ. Produktion

• Brennstoff: Erd- und Flüssiggas

• Kooperation: WhisperTech und IWO in 2011 - WhisperGen Version für Heizöl

• Vertrieb erfolgt in Systempaketen mit Puffer- und WW-Speicher, Steuerung

• Preis für Komplettpaket mit Pufferspeicher inklusive WW-Bereitung, Steuerung, Abgassystem: 12.268 €netto (2G Home).

aus: D.M. Clucas, J.K. Raine, Development of a hermeticallysealed Stirling engine battery charger, IMechE 1994

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• Stirlingmotor

doppeltwirkender Vierzylinder-Motormit außenliegender Verbrennung



• Leistung elektrisch 1 kW

thermisch 5,5 - 12 kW max. VL/RL-Temperatur 20-85/ - °C



• Abmessungen (HxBxT) 85 x 94 x 56 cm


WisperGen

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Navien m-CHP NCM-1130HH

• In Asien und Amerika ist die Marke Navienbekannt

• Unternehmen war in Korea Vorreiter in der Brennwerttechnik (gegründet 1978)

• Microgen KWK-Wandtherme geplant

• 2010 Zulassungen in den Niederlanden

• ersten Feldtests / Marktstart vorbereitet

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Vitotwin 300-W

• Motor

Microgen Stirling


• Abgastemperatur

• Leistung elektrisch 1 kW (η = %)

thermisch 6 kW (η = %)(zusätzlich BW-Gerät mit 20 kW)

• Gesamtnutzungsgrad %

• Geräusch



• Voraussichtlich ab Sept. 2011

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eVita• Motor

Stirling-Motor (microgen)mit 272 cm³ Hubraum



• Leistung (modulierend) elektrisch 1 kW (η = 13 %)

thermisch 3,8 kW (zusätzlich BW-Gerät mit 25 kW)

• Gesamtnutzungsgrad %

• Geräusch dB(A)



• Preis 10.650 Euro netto zzgl. Pufferspeicher und Einbau

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EcoGen WGS 20.1

• MotorMicrogen Stirling

• Brennstoff Erdgas• Abgastemperatur• Leistung

elektrisch 1 kW (η = %)thermisch 5 kW (η = %)(zusätzlich BW-Gerät mit 5,6 - 15 kW)

• Gesamtnutzungsgrad• Geräusch

• Abmess. (HxBxT) 91 x 49 x 47 cm• Gesamtgewicht 134 kg• Preis ca. 14.200 Euro netto inklusive

Pufferspeicher zzgl. Einbau

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• MotorEinzylinder-Freikolben-StirlingmotorMicrogen

• Brennstoff Erdgas, Flüssiggas, • Spannung (Einspeisung) 230 V • Leistung elektrisch 1,0 kW

thermisch 3 - 6,1 kW (zusätzlich BW-Gerät mit 18 kW)

• Gesamtnutzungsgrad 88 %• Geräusch <45 dB(A)• Abmessungen (HxBxT) 100 x 72 x 107 cm• Gesamtgewicht 530 kg• Feldtests seit 2009• Preis mit Pufferspeicher beträgt 14.450

Euro netto zzgl. Einbau

Dachs Stirling SE

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4-Zyklen-Ericssonmotor von Enerlyt

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Brennstoffzellen kleiner Leistung

• Hoher elektrischer Wirkungsgrad

• Woher kommt der Wasserstoff?

• Investitionskosten noch sehr hoch

• Hoher F&E-Aufwand - erste Feldtests vielversprechend

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HXS 1000 Sulzer Hexis AGNachfolger:Galileo 1000 N

• Elektrische Leistung BZ: 0,1 - 1 kW

• Thermische Leistung BZ: 0,6 – 2,6 kW

• Thermische Leistung Zusatzbr.: 4 - 20 kW

• Elektr. Wirkungsgrad BZ: 30 %

Ziel: > 35 %

• Gesamtwirkungsgrad: 90 - 105 %

• BZ-Typ: Hexis SOFC

• Brennstoff: Erdgas, Netzdruck

• Elektr. Anschluss: 230 V AC, 50 Hz

• Abmessungen (HxBxT) : 55 x 55 x 160 cm

• Platzbedarf: 3,0 m2

• Gesamtgewicht installiert: 170 kg

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BlueGen

• Elektrische Leistung BZ: 0 - 2 kW

• Thermische Leistung BZ: 0,3 - 1 kW

• Elektr. Wirkungsgrad BZ: 60 %

(bei 1500 W)

• Gesamtwirkungsgrad: 85 %

• BZ-Typ: SOFC

• Brennstoff: Erdgas, Druck 0,9 bis 2 kPa

• Elektr. Anschluss: 230 V AC, 50 Hz

• Gesamtgewicht installiert: < 200 kg

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Wissenschaftliche Untersuchungen

Messung am Senertec-Gerät auf dem dynamischen Prüfstand am IfE in München

Vergleichende Untersuchung an der Hochschule Reutlingen

2003 - 2005

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Feldtest Otag „Lion Powerblock“ in Berlin

Quelle: GASAG Berliner Gaswerke AG / OTAG Vertriebs GmbH & Co. KG

Praxistest des „WhisperGen Mark V“

Quelle: MVV Energie AG

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FeldtestpartnerStadtwerke Halle GmbH

Erdgas Mittelsachsen

Stadtwerke Neustadt

Stadtwerke Trier

Stadtwerke Annaberg-BuchholzmicroBHKW L 4.12

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Feldtest WhisperGen

Quelle: Markus Buggisch, Gasag Berlin, Vortrag „WhisperGen: die Stromerzeugende Heizung für Berlin“, 11.05.2010

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Insgesamt 800 Brennstoffzellen bis 2015.

Feldtest Brennstoffzellen

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Agenda





• Fazit

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Rahmenbedingungen

Die erfolgreiche Markteinführung/-durchdringung hängt ab:

• Technik

– Zuverlässigkeit, Standzeit, Wartungsaufwand

• Planung

– Nächste Folie

• Rechtsrahmen

– EnWG, KWKG, EnEV, EEWärmeG, TA-Luft, Steuerrecht

• Förderung

• Wirtschaftlichkeit

– Häufig einfacher Überschlag möglich

– komplexe Rechnung für Investitionsentscheidung nötig

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Auslegungskriterien

• Energiebedarf Wärme / Strom / Kälte

• Leistungsanforderung (max. / min. / Profile)

• Gleichzeitigkeit von Strom- und Wärmebedarf (Lastgänge)

• Flexibilität und Dynamik der Energieerzeugung

• Modulationsbereich (Teillastfähigkeit)

• Verfügbarkeit von Speicherkapazität

• Laufzeiten – Ausnutzungsdauer (Jahresvolllaststunden)

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• Ausbauziel 25 % KWK- Strom bis 2020 § 1

• Inkrafttreten 1.1.2009

• Überprüfung Wirkung 2011 § 12

• Deckel jährliche Zuschläge 750 Mio €,

davon bis 150 Mio € für Wärmenetzausbau § 7 + 7a

• aber Flexibilisierung Deckel: Kürzungen wg.

Überschreitung werden später nachgezahlt

KWKG - Eckpunkte

In 2010 bis 2012 werden wahrscheinlich nur 40 Mio. €pro Jahr für Wärmenetze abgerufen (AGFW-Umfrage)

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Leistung ct/kWh Dauer Vollbenutz.std maxBis 50 kW 5,11 10 a -50 kW–2 MW 2,1 6 a 30.000verarbeitendes Gewerbe 2,1 4 a 30.000

> 2 MW 1,5 6 a 30.000verarbeitendes Gewerbe 1,5 4 a 30.000

Glättung Förderstufen:

über 50 kW für erste 50 kW: 5,11 ct/kWh

über 2 MW für erste 2 MW: 2,1 ct/kWh § 7

KWKG – Zuschläge für KWK- Strom1.1.2009 bis 31.12.2016 31.12.2020

„Gesetzes zur Neuregelung energiewirtschaftlicher Vorschriften“(Artikelgesetz), Bundestag 30.06.2011 - Artikel 6 erfüllt bereits zwei wesentliche Forderungen im KWKG.

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6 Punkte für einebeschleunigte Energiewende

Brüderle/Röttgen vom 07.04.2011

1. Erneuerbare Energien zügig voranbringen2. Netze und Speicher zügig ausbauen3. Energieeffizienz konsequent steigern4. Flexible Kraftwerke schnell bauen5. Energieforschung neu ausrichten6. Bürger transparent beteiligen

KWK unter 3. e.

„Auf Grundlage des anstehenden Monitorings zum Kraft-Wärme-

Kopplungs-Gesetz werden wir das Gesetz weiterentwickeln. Dabei

werden wir prüfen, ob und wie Angebote der Energieversorger zur

Effizienzsteigerung beim Verbraucher einbezogen werden können.“

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• Zielformulierung (z.B. 30 % statt 25 % KWK-Strom bis 2020)

• Abnahme- und Vergütungspflicht von KWK-Strom aus Anlagen > 50 kW

• Erweiterung Modernisierungsbegriff (z.B. unterhalb 50 %-Kostengrenze

anteilige Förderung; für Neuanlagen (ab 2002))

• Erhöhung KWK-Bonus (z.B. um 0,7 ct/kWh für alle Stufen);

neue Leistungsklasse (50 – 250 kW - NRW-Entwurf)

Einführung eines Effizienzbezuges (z.B. über Stromkennzahl)

• Bessere Förderung von Wärmenetzen; Neuaufnahme von Speichen

• Starke Vereinfachung für Mikro-KWK-Anlagen (1 und 2 kW)

KWKG – Novelle 2012 - Optionen

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EEWärmeG

§ 5 - Mindestanteile

Solarenergie mind. 15 %, gasförmige Biomasse 30 %, flüssige und

feste Biomasse 50 %, Geothermie 50 % (mit bestimmten Arbeitszahlen)

§ 6 - Ersatzmaßnahmen1. den Endenergiebedarf zu mind. 50 % aus KWK-Anlagen

(diese muss hocheffizient nach EU-Richtlinie 2004/8/EG sein) decken,

2. Maßnahmen zur Einsparung der Energie,3. den Endenergiebedarf aus einem Netz der öffentlichen Nah-

oder Fernwärmeversorgung decken (wenn die Wärme zu einem wesentlichen Teil aus Erneuerbaren Energie, überwiegend (also zu mind. 50 %) aus Abwärme, KWK oder aus einer Kombination stammt)

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Berechnung Primärenergiebedarf

KWK-Lösungen helfen bei der Einhaltungder EnEV und des EEWärmeG

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WirtschaftlichkeitA Jährliche kapitalgebundene Kosten• Investitionskosten (BHKW, Kamin ua.)

• Kapitalmarktkosten (Zinsen)

B Jährliche verbrauchsgebundene Kosten• Brennstoffkosten

• Hilfsenergiekosten

• Kosten von Netzdienstleistungen z.B. Preis für Leistungsreserve

C Jährliche betriebsgebundene Kosten• Instandhaltung

• Wartungskosten: fixer Anteil - betriebsabhängiger Anteil

• - Energiesteuererstattung

D Jahreskosten• Summe A + B +C

– Wert der Eigenstromerzeugung = Wärmeerzeugungskosten

nach VDI 2067

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Wärmepreisäquivalenz

Brennstoffversteuert Wärme

Brennstoffsteuerfrei

KesselNutzungsgrad 93 %

BHKW

gleicher Wert / Wärmegutschrift

Hs/Hi

Hs/HiWärme

Strom

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Berechnungsgrundlagen Strom

• Bezug Haushaltsstrom 16,8 ct/kWh (ca. 21,8 ct/kWh (brutto))

• Einspeisung ins Netz 50,00 €/MW*

• verm. NNE 0,5 ct/kWh

• KWK-Bonus nach KWKG 5,11 ct/kWh* Preisentwicklung

EEX

in €/MWh

73,173Q/2008Maxim.

53,612Q/2011aktuell

48,134 Jahresmittel

47,856 Jahresmittel

42,232 Jahresmittel

29,741Q/2007Minim.

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BHKW- Kenndaten 1 kW-Modul

• elektr. Leistung 1 kW (7,2 %)

•Therm. Leistung 10 kW (72,0 %)

•Brennstoffleistung 13,9/15,4 kW (Hi/Hs)

•Investition1 4.361 €/kW

•Angesetzte Investition2 4.900 € (Angebote bis20.000 €)

•Gaspreis - Grundvariante 6 ct/kWh Hs

•Gaspreis BHKW 5,45 ct/kWh Hs

1 nach Formel BHKW-Kenndaten 2005 [neu: 2011] Stromkennzahl2 incl. 2 % Preissteigerungsrate, aufgerundet 0,10

z.B. z.B. WisperGenWisperGen

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Wirtschaftlichkeitsrechung

Quelle: Othmar Verheyen, Neue Chancen für kleine BHKW in der Gebäudetechnik, Ingenieurspiegel 4/2009, S. 69/70

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Agenda





• Fazit

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KWK-Stromanteil an nationaler Stromproduktion

Source: IEA data and analysis; data merged from years 2001, 2005, 2006.

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KWK-Markt stagniert

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Wirtschaftliches KWK-Potenzial

Quelle: Eikmeier, Schulz, Krewitt, Nast, EuroHeat & Power, 6/2006

Die Potenziale werden nicht „automatisch“ realisiert

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Marktentwicklung KWK bis 2 MW

Quelle: Öko-Institut 2010

Abschätzung für 2011:Weitere Zunahme des Marktvolumens um rund11% in Deutschland, etwas mehr im Export.

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BHKW <50 kW

2006 27 MW

2007 23 MW

2008 28 MW

2009 ca. 64 MW

(nach Öko-Institut 02/2010)

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Ca. 18 Mio. Heizungen in Deutschland

Jährlicher Bedarf an Heizkessel ca. 640.000

25 % durch KWK-Anlagen 160.000

Mit einer elektr. Leistung von 1 kW pro Heizung sind nach 10 Jahren

1.600 MW (installierte Leistung) möglich

entsprechend 6,4 TWh/a > 1 % der Erzeugung

Stromerzeugende HeizungPotenzialabschätzung

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Agenda





• Fazit

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KWK in der Wohnungswirtschaftpositiv

• Reduzierung der Betriebskosten (Mietnebenkosten)

• Ökologische, soziologische Vorteile

• Hilft bei Erfüllung von EEWärmeG und EnEV

• Weniger Leerstand - Wertsteigerung

negativ

• Mieter-Vermieter-Dilemma (Invest, Betrieb)

• Hoher Transaktionsaufwand (Netzbetreiber, Bafa, Zollamt …)

• Stromverkauf ist neues Betätigungsfeld (Verträge, USt.)

B.KWK-Veranstaltungen für die Wohnungswirtschaft (München, Hamburg, Dortmund) mit Praxisbeispielen

Ungewohntes Betätigungsfeld – doch großes Interesse

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Grenze zwischen den Netzen

ZusatzbezugStromlieferant

----------------------- Messung VerbraucherNetzbetreiber

Einspeisung

Verbraucher

BHKWVerbraucher

Eigenbedarf oder

Lieferung an Dritte

Das KWKG ab 01.01.2009

Messung

KWK-Zuschlag

auf gesamte Nettoerzeugung

Quelle: Ullrich Brosziewski,

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Direktverkauf an Mieter

Z

Z

BHKW

Z

ZNetzbetreiberStromlieferanten

Abrechnungsrelevanter Zählpunkt

Quelle: Ullrich Brosziewski

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Freie Wahl des Anbieters

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

BHKW

Z

�

NetzbetreiberStromlieferanten


KWK-Zuschlagauf gesamte

Nettoerzeugung

EigenbedarfLieferung an Dritte

← Einspeisung→ Zusatzbezug

g

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Aufteilung der Kosten für HKVO

nach VDI 2077Bestandteile:

• Brennstoffkosten (ohne Abzug Steuererstattung)

• Wartungskosten (keine Instandhaltungskosten – schwierig bei Vollwartungvertrag)

• Messkosten für Wärme (nicht solche für Strom)


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Fazit für die Wohnungswirtschaft

BHKW-Strom möglichst selbst nutzen bzw. an

Mieter/Eigentümergemeinschaft verkaufen!

– Rechtliche Hürden nicht ganz einfach!

– Praktische Probleme: z. B. freie Anbieterwahl

– Austausch mit Netzbetreiber

– Unsicherheit bei kalkulierter Wirtschaftlichkeit

Hier kann die Wohnungswirtschaft Unterstützung

gebrauchen (Stadtwerke, Contractoren) –

aber Achtung:

Stromerzeugung kann EEG-Umlagepflichtig sein!

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Agenda





• Fazit

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Fazit

– Mini-KWK für MFH und GHD ist

markteingeführt und effizient,

Marktdurchdringung fehlt aber noch.

– Mikro-KWK für EFH im Feldtest,

entwickelt sich gut / Markteinführung

Energiewirtschaftliche Situation

• Preisentwicklung für den Brennstoff einerseits und für Strom und

Wärme andererseits führen zum Öffnen oder Schließen der

Wirtschaftlichkeitsschere (unvorhersehbar).

• Unsicher: Vergütung von Überschussstrom (Einspeisung)

Kosten für Gas und Reststrom

Förderung (KWKG, Förderprogramme)

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Gute Ökobilanz für KWK

Quelle: Nachhaltige Ver- und Entsorgung, BMBF, Bonn/Berlin 2006

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Quelle: EuroHeat&Power, 2010, Heft 9 Trendresearch-Studie „Mikro-KWK“

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Wichtig für MarktdurchdringungMikro-KWK-Anlagen / 1 – 2 kWel

• Reduzierung der Herstellungskosten(z. B. über Stückzahlen)

• Alltagsgeschäft im Handwerk(Plug and play - Schulungen –Standard wie Brennwertkessel)

• Stark vereinfachtes Fördersystem(z. B. kummulierte Bonuszahlung bei Inbetriebnahme (Änderung des KWKG))

• Verbesserte Technik (Erhöhung elektr. Wirkungsgard)

• Umsetzung durch Contractoren, Stadtwerke

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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