Mikro-KWKMotoren,Turbinen undBrennstoffzellen

Einleitung 3

Einsatzgebiete und -potenzial 4

Verbrennungsmotoren 5Funktion, Technik und Innovationen 5Monovalenter Betrieb 6Netzersatzbetrieb 7Inselbetrieb 7Betriebserfahrungen 8Anbieterübersicht Verbrennungsmotoren 8

Stirlingmotoren 9Funktion, Technik und Innovationen 9Betriebserfahrungen 10Anbieterübersicht Stirlingmotoren 11

Gasturbinen 12Funktion, Technik und Innovationen 12Anbieterübersicht Gasturbinen 13Betriebserfahrungen 14

Brennstoffzellen 15Funktion, Technik und Innovationen 15Betriebserfahrungen 17

Fazit/Ausblick 18

Inhalt

Herausgeber:

ASUEArbeitsgemeinschaft fürsparsamen und umweltfreundlichenEnergieverbrauch e.V.Bismarckstraße 16 . 67655 KaiserslauternTelefon (06 31) 360 90 70E-Mail asue@compuserve.comInternet www.asue.de

Vertrieb:

VerlagRationeller ErdgaseinsatzPostfach 25 47 . 67613 KaiserslauternTelefax (06 31) 360 90 71

Mikro-KWKBest.-Nr. 05 12 01Schutzgebühr 2,00 $

Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist eine inno-vative Technologie zur kombinierten Wärme-und Stromerzeugung, die einen wesentlichenBeitrag zur Reduzierung der CO2-Emissionen leisten kann. Die entscheidenden Vorteile vonerdgasbetriebenen Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung sind ihr großes Energieeinspar-potenzial, verbunden mit einem hohen Maß an Umweltverträglichkeit, sowie ihre vielseitigenEinsatzmöglichkeiten in dezentralen Einheiten.

Die Kraft-Wärme-Kopplung hat sich in den ver-gangenen Jahrzehnten stetig weiterentwickeltund umfasst heute in Deutschland mehrere tausend Anlagen mit

2 Dampfturbinen,2 Gasturbinen und2 Verbrennungsmotoren (BHKW)

in elektrischen Leistungsbereichen von wenigenkWel bis über hundert MWel.

Für den Einsatz von Kraft-Wärme-Kopplungs-anlagen liegen günstige Voraussetzungen vor,wenn ein ganzjähriger gleichzeitiger Strom- undWärmebedarf besteht. Typische Anwendungs-gebiete für Dampf- und Gasturbinenanlagensind daher die Industrie und die Heizwärme-wirtschaft sowie öffentliche Gebäude, Kranken-häuser, Schwimmbäder und das Gewerbe fürgasmotorisch betriebene Blockheizkraftwerke.Zu Beginn der 90er Jahre erlebten die BHKWund Gasturbinenanlagen einen regelrechtenBoom, der durch die Liberalisierung der Strom-märkte und eine einsetzende Marktsättigungam Ende des letzten Jahrzehnts deutlich anGeschwindigkeit verlor.

Vor dem Hintergrund gestiegener Umwelt- undinsbesondere Klimaschutzanforderungen bleibtdie Aufforderung an die Nutzer, die zurVerfügung stehende Energie so rationell undumweltschonend wie möglich einzusetzen,jedoch unverändert bestehen. Um die Vorteileder Kraft-Wärme-Kopplung einem noch breite-ren Anwendungsspektrum zuzuführen, ist der

Bereich der kleinen bis sehr kleinen Leistungen in jüngster Zeit mehr und mehr in das Blickfeldvon Politik, Energiewirtschaft, möglichen An-wendern und Anlagenbauern gerückt.

Eine allgemein akzeptierte Definition desLeistungsbereiches für Mikro-KWK existiert zurZeit noch nicht. Im Rahmen dieser Broschürewerden neue Entwicklungen bei motorischenAnlagen und Brennstoffzellen mit Leistungen < 10 kWel und bei Gasturbinenanlagen mitLeistungen < 100 kWel vorgestellt.

Diese Veröffentlichung gibt einen Überblicküber die Grundlagen der einzelnen Techniken,den aktuellen Entwicklungsstand einschließlichkonkreter Übersichten über das aktuelle Markt-angebot sowie mögliche Potenziale. Hierbeiwerden die Technologien

2 Verbrennungsmotoren,2 Stirlingmotoren,2 Gasturbinen und2 Brennstoffzellen

berücksichtigt, die derzeit viel versprechendeAnsätze im Kleingewerbe und in häuslichenAnwendungsgebieten zeigen.

Einleitung

3

4

Mikro-BHKW werden überall dort vorteilhafteingesetzt, wo ihre elektrische und thermischeNutzenergie möglichst zeitgleich und über mindestens 5.000 h/a zur Versorgung desBetreibers dient. Dies sind im Leistungsbereichum 1 kWel der Einzelhaushalt, im Leistungs-bereich um 5 kWel das Mehrfamilienhaus undder Kleingewerbebetrieb und im Leistungs-bereich ab 30 kWel größere Wohn- undNutzgebäude.

Sehr interessant kann vor allem der Einsatz inder Wohnungswirtschaft und im Gewerbe-bereich sein, insbesondere bei Dienstleistern.Grund: Sowohl die Wohnungswirtschaft als auchder Dienstleistungsbereich (z. B. Wäschereien,Hotels, Krankenhäuser, Verwaltungen) unter-liegen der vollen Ökosteuer für Strom undErdgas. Von beiden Steuern sind der Brenn-stoffeinsatz für und die Stromerzeugung vonKWK-Anlagen jedoch ausgenommen. Dies verbessert die Wirtschaftlichkeit erheblich (vgl.ASUE-Broschüre „Die ökologische Steuer-reform“).

Weiterhin ist im o. a. Einsatzbereich der Effektdes liberalisierten Strommarktes am geringstenausgefallen, und die hier zu ersetzendenStromlieferungen des Energieversorgungsunter-nehmens haben noch einen relativ hohen Preis von zum Teil deutlich über 10 Cent/kWhel(Mischpreis einschließlich Ökosteuer).

Bei weiterhin günstigen Randbedingungen fürkleine dezentrale Energieerzeugungsanlagenkann sich die Mikro-KWK in den nächstenJahren sehr positiv entwickeln. Laut einer aktuellen Analyse der UnternehmensberatungFrost & Sullivan werden sich die Anlagen in den Jahren 2005 bis 2007 als Alternative zukonventionellen Heizungsanlagen etablierenund einen echten Massenmarkt bilden. Bis 2010sollen demnach in Europa Mikro-KWK-Anlagenmit einer Gesamtleistung von 3,5 GWel instal-liert werden. Dabei soll der Umsatz von rd. 20 Mio.$ (weniger als 2.000 Anlagen) im Jahr2000 auf über 2 Mrd.$ (ca. 500.000 Anlagen)im Jahr 2010 ansteigen (Bild 1). Bei dieser optimistischen Prognose wird davon ausge-gangen, dass die Regierungen finanzielleAnreize für eine umweltfreundlichere Energie-erzeugung gewähren, um die gesetzten Klima-schutzziele zu erreichen.

Einsatzgebiete und -potenzial

600,000

500,000

Anzahl

400,000

300,000

200,000

100,000

0

20052000 2002 20042001 2003 2006 2008 2009 20102007

Bild 1: Prognose des Einsatzes von Mikro-KWK-Anlagen bis 2010

Funktion, Technik und Innovationen

Mit gasmotorischen Blockheizkraftwerkenbegann Anfang der 80er Jahre die Kraft-Wärme-Kopplung im Leistungsbereich zwischen10 und 1.000 kWel. Ausführliche Informationenzu den Grundlagen und Einsatzmöglichkeitenvon verbrennungsmotorischen BHKW-Anlagensind der ASUE-Broschüre „BHKW-Grundlagen“und weiteren ASUE-Broschüren zu verschiedenenSpezialthemen dieses Bereiches zu entnehmen.

Inzwischen ist die Leistungspalette sowohl nachoben wie auch nach unten erweitert worden.Die Anlagen bis zu 10 kW elektrischer Leistungentwickelten sich in letzter Zeit in Bezug aufAnzahl und Wirtschaftlichkeit sehr erfreulich.

Als Antriebe dienen z. T. speziell für langeBetriebszeiten entwickelte Otto-Kleinmotoren –überwiegend 1-Zylinder-Aggregate –, die Lebens-dauern bis zu 80.000 h erreichen können (Bild 2).

Erstaunlich sind die langen Wartungsintervallevon bis zu 4.000 h. Verglichen mit einem Pkwentspricht dies einer Fahrstrecke von über

100.000 km! Diese Entwicklung im Bereich derKleinmotoren war eine ganz wesentlicheVoraussetzung zum Erreichen von akzeptablenInstandhaltungskosten.

Zur Senkung der Abgasemissionen kommen beiden Kleinmotoren die gleichen technischenKonzepte (Magermotoren mit Oxidationskata-lysator oder l=1-Maschinen mit Dreiwege-katalysator) zum Einsatz wie bei den größerenBHKW.

Verbrennungsmotoren

Bild 2: Aufbau einer kompakten Mikro-BHKW-Anlage

5

Regler- und Überwachungseinheit

WassergekühlterAsynchron-Generator

Abgaswärmetauscher mitOxidationskatalysator

LiegenderEinzylinder-Viertaktmotormit 579 cm3 Hubraum

6

Monovalenter Betrieb

Mehrere Hersteller bieten inzwischen den mono-valenten BHKW-Einsatz an. Damit ist gemeint,dass das BHKW die alleinige Heizquelle fürdas Gebäude ist. Zeiten geringeren Wärme-bedarfs (im Vergleich zur BHKW-Heizleistung)werden durch einen geeigneten Wärmespeicherüberbrückt, damit der Motor nicht zu häufig taktet (vgl. Bild 3). Der Wärmespeicher ist eben-falls in der Lage, kurzfristig eine thermischeMehrleistung abzugeben (z. B. für ein Dusch-bad). Ist das BHKW nicht leistungsregelbar,müssen Stromüberschüsse an das EVU-Netzabgegeben werden.

Alternativ hierzu gibt es mittlerweile leistungs-regelbare BHKW, deren elektrische Leistung (z. B. im Bereich 2–4,5 kWel) dem tatsächlichenObjektbedarf angepasst werden kann (strom-geführter Betrieb, vgl. Bild 4). Die Leistungsrege-lung erfolgt durch Variation der Motordrehzahl.Der direkt gekoppelte Generator erzeugt eineWechselspannung mit variabler Frequenz, dieüber eine Leistungselektronik zuerst gleich geregelt und dann auf netzkonforme 50 HzWechselfrequenz umgeformt wird (Bild 5).

Mikro-KWK-Anlage

ErdgasSpeicher

Bild 3: Monovalenter Betrieb als Hausenergiezentrale, BHKW nicht leistungsregelbar

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

UhrzeitStrombezug Stromeigenproduktion

012345678

Leist

ung

(kW

)

Bild 4: Fahrweise eines leistungsvariablen BHKW (2–4,5 kWel) mit stromgeführtem Betrieb

Schalldämpfer

Motor

Generator

Gas

Abgas- führung

Abgas- wärme- tauscher

öffentliches Stromnetz

Heizungs- wärmetauscher

Bild 5: Schematischer Aufbau einer netzgekoppelten Mikro-BHKW-Anlage

Netzersatzbetrieb

Verbrennungsmotorische Mikro-BHKW gibt esseit kurzem auch in verschiedenen Ausstattungenfür den Netzersatzbetrieb. Solange das öffent-liche Netz zur Verfügung steht, arbeitet dasBHKW parallel zum Netz. Im Störfall übernimmtdas BHKW die Stromversorgung im Netzersatz-betrieb. Dabei wird über eine externe Trenn-schaltstelle der Netzparallelbetrieb unterbrochen,das BHKW abgeschaltet und dann imleistungsgeregelten Inselbetrieb wieder hochge-fahren (Bild 6).

Bei Bedarf einer unterbrechungsfreien Stromver-sorgung (USV) kann durch Kombination desBHKW mit einer dreiphasigen USV-Online-Anlage ein unterbrechungsfreier Betrieb (mit nichtzeitlich begrenzter elektrischer Versorgungs-dauer im Inselbetrieb) sichergestellt werden.

Zielgruppen für diese Anlagen:

2 Rettungs-, Feuerwehr-, Polizeistationen2 Banken, Verwaltungsgebäude (EDV)2 Produktionsbetriebe mit empfindlichen

Stromverbrauchern

Inselbetrieb

Entlegene Standorte wie z. B.Hütten auf Bergen oder Inselnkönnen von verbrennungsmotori-schen Mikro-BHKW nunmehr imInselbetrieb (d. h. ohne Netz-anbindung) mit Strom versorgtwerden. In diesen Fällen kommthäufig Flüssiggas als Antriebs-energie zum Einsatz. Der Insel-betrieb erfordert zwingend eineLeistungsregelung. Diese lässtsich nach bisherigen Erfahrungenwesentlich besser mit Gas-motoren als mit kleinen Diesel-Aggregaten realisieren.

Mikro-BHKWG

3 ph.

Kurzschlussschutz Überlastschutz

Spannungsrückgangsschutz Spannungssteigerungsschutz Frequenzrückgangsschutz Frequenzsteigerungsschutz

Kuppelschalter mit zwangsgeführten Kontakten, einschl. Hilfskontakten

SRM Spannungs- Regelungs-

modul

Ersatzstrom-SchieneAbsicherung mit FI-Schutz- schalter und Sicherung

nicht ersatzstrom- berechtigte Stromkreise

Zählerkasten Stromkreisverteiler

BezugRück- spei- sung

Eigentumsgrenze

Betreiber

EVUHaus- anschluss-

kasten

Hausanschlussleitung

Niederspannungsnetz des EVU

kann an dieser Stelle entfallen, wenn der Hausanschlusskasten dem EVU-Personal uneingeschränkt zugänglich ist

jederzeit zugängliche Schaltstelle

nach VDEW-RL Abschnitt 4

Bild 6: BHKW mit Netzersatzbetriebsfunktion

7

8

Betriebserfahrungen

Die Gas-Kleinmotoren haben sich im mehr-jährigen Dauerbetriebseinsatz bisher alsäußerst robust und langlebig erwiesen. EinzelneMotoren haben bereits über 80.000 h Laufzeiterreicht! Mittlerweile sind in Deutschland meh-rere Tausend verbrennungsmotorische Mikro-BHKW-Anlagen erfolgreich in Betrieb, über diein der Fachliteratur auch bereits vielfältig berich-tet wurde.

Durch dezentrale Organisation in Zusammen-arbeit mit flächendeckenden Servicepartnern,

durch lange Wartungsintervalle und durch zu-verlässige Bauteile konnten die Instandhaltungs-kosten auf ca. 2 bis 2,5 Cent/kWhel reduziert werden (vgl. ASUE-Broschüre „BHKW-Kenn-daten 2001“).

Die folgende Tabelle enthält Hinweise auf Liefe-ranten von Mikro-BHKW-Anlagen. Es besteht keinAnspruch auf Vollständigkeit. Außerdem erge-ben sich kontinuierlich Änderungen. Eine aktuelleAnbieterübersicht über Blockheizkraftwerke mitden kompletten Anschriften der Anbieter kannjederzeit im Internetauftritt www.asue.de inder Rubrik „Wer bietet an?“ eingesehen werden.

Anbieterübersicht Verbrennungsmotoren

Nr. Produktbezeichnung, Leistungsdaten Besonderes Preise o. MWSt.Hersteller/Kontakt

1 Dachs HKA 5,5 kWel bei TA Luft Magermotor/Oxikat ab 10.000,– R5,0 kWel bei | TA Luft Erdgas, Flüssiggas, HEL

Senertec, Schweinfurt 10,4–12,5 kWthTelefon 0 97 21/6 51-0 Jel = 28–30 % unterschiedliche Betriebsweisen möglich: info@senertec.de 579 cm3 Einzylinder Netzparallel-, Netzersatz-, reiner Insel-www.senertec.de oder monovalenter Betrieb

2 Ecopower 1,3–4,7 kWel modulierbare Leistung, variable Drehzahlen, ab 11.198,– R4,0–12,5 kWth geregelter 3-Wege-Kat, | TA Luft serienmäßig,

Valentin Energie- und Jel = 25 % Gesamtwirkungsgrad immer > 90 %,Umwelttechnik GmbH, Mainz 272 cm3 Einzylinder Inselbetrieb möglichTelefon 0 6131/9135 70 Erdgas/Flüssiggas (HEL ab Herbst 2002)valentin@ecopower.dewww.ecopower.de

3 Energator GB 6 – 15 5,5 kWel bei TA Luft Netzparallelbetrieb und Inselbetrieb12 kWth Erdgas und HEL

Giese Energie- und Regeltechnik, 3-Zylinder-Kubota-MotorenPuchheimTelefon 0 89/8 0015 51haustec@giese-gmbh.dewww.giese-gmbh.de

4 „Plus 10“ 9,0 kWel Erdgas, Flüssiggas, TA Luft ca. 12.000,– R21 kWth Netzparallel- und Netzersatzbetrieb

Höfler BHKW, Lindau leistungsregelbarTelefon 0 83 82/2 50 57 PKW-Motor VW-Skoda 781.136 Ginfo@hoefler-bhkw.de 1.300 cm3

www.hoefler-bhkw.de 4-Zylinder

5 EAW Energieanlagenbau, Westenfeld 6 kWel Inselfähig ab 11.200,– RTelefon 03 69 48/8 4132 8 kWel Erdgas und HEL ab 13.800,– Rinfo@eaw-energieanlagenbau.dewww.eaw-energieanlagenbau.de

Funktion, Technik und Innovationen

Bei einem konventionellen Verbrennungsmotor(mit innerer Verbrennung) erhält man einenArbeitsgewinn, indem man eine bestimmteLuftmenge bei niedriger Temperatur kompri-miert, sie anschließend durch eine schnelleVerbrennung erhitzt und sie danach bei hoherTemperatur expandieren lässt. Dasselbe Prinzip,nämlich ein Arbeitsgas auf einem niedrigenTemperaturniveau zu komprimieren, um esanschließend auf einem hohen Temperatur-niveau zu expandieren, liegt auch dem Stirling-motor zugrunde.

Stirling hatte 1816 erkannt, dass eine perio-dische Änderung der Gastemperatur erreichtwerden kann, indem man das Gas mit Hilfeeines Verdrängerkolbens zwischen einem Raummit konstant hoher Temperatur und einem Raummit konstant niedriger Temperatur hin und herbewegt. Um hierbei möglichst wenig Wärme zu verlieren, wurde zwischen den beidenRäumen ein Regenerator eingefügt, an den dasheiße Gas beim Durchströmen Wärme abgibt,

bevor es in den gekühlten Raum eintritt. BeimZurückströmen des Gases vom kalten Raum inden heißen Raum kann die im Regenerator ge-speicherte Wärme dann wieder aufgenommenwerden. Kombiniert man nun den Verdränger-kolben mit einem Arbeitskolben, so erhält maneinen Stirlingmotor.

Nachdem das Arbeitsgas unter Abgabe vonWärme an den Regenerator vom Verdränger-kolben in den kalten Raum gefördert wurde,erzeugt es durch die mit seiner Abkühlungverbundene Volumenverringerung einen Unter-druck am Arbeitskolben, der sich hierdurch inBewegung setzt und Arbeit verrichtet.Anschließend fördert der Verdrängerkolbendas Arbeitsgas durch den Regenerator zurückin den heißen Raum. Die mit der aus demRegenerator zurückgewonnenen und der vonaußen zugeführten Wärme verbundene Aus-dehnung des Arbeitsgases führt nun zu einemÜberdruck am Arbeitskolben, der jetzt wiederumArbeit verrichten kann. Werden der Ver-drängerkolben und der Arbeitskolben über einTriebwerk oder ein schwingfähiges System im

Bild 7: Funktionsprinzip eines Stirlingmotors

Arbeitskolben

Wärmeabfuhr

Wärmeabfuhr Wärmezufuhr

Verdrängerkolben mit Regenerator

Wärmezufuhr

9

Stirlingmotoren

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richtigen Phasenwinkel zueinander gekoppelt,so kann das gesamte System als selbstständigeWärme-Kraft-Maschine betrieben werden.

Prinzipiell kann jede Wärmequelle zur Behei-zung des heißen Raumes verwendet werden,wodurch die Technik des Stirlingmotors vielseitigeinsetzbar ist. Ein weiterer Vorteil des Stirling-prinzips mit einer externen Verbrennung liegt imVergleich zu herkömmlichen Otto- oder Diesel-motoren in den deutlich niedrigeren Emissions-werten.

Im Laufe der Zeit hat die Weiterentwicklung desStirlingmotorprinzips eine Vielzahl von unter-schiedlichen Bauformen hervorgebracht. Manunterscheidet hierbei neben der Anzahl derKolben und Zylinder auch die Position dieserTeile zueinander bzw. zum Regenerator. Ein 2-Kolben-2-Zylinder-Stirlingmotor mit externemRegenerator wird als R-Typ, ein 2-Kolben-1-Zylinder-Stirlingmotor mit externem Regene-rator als T-Typ und ein Stirlingmotor mit imKolben integriertem Regenerator als H-Typbezeichnet.

Betriebserfahrungen

Der Stirlingmotor hat in Feldversuchen unterBeweis gestellt, dass seine Technologie heute soweit ausgereift ist, dass ein zuverlässiger Betriebmit guten Wirkungsgraden gewährleistet werdenkann. Grundsätzlich lassen sich auch Emissions-werte im Bereich handelsüblicher Gasbrennerrealisieren. Ferner ist bekannt, dass ein Stirling-motor aufgrund der kontinuierlichen externenVerbrennung deutlich leiser arbeitet als ein ver-gleichbarer Gas-Ottomotor.

Bislang wurden bei den Arbeitsgasverlusten vonStirlingmotoren die größten Entwicklungsschwie-rigkeiten gesehen. Die Erfahrungen mit mehrerenStirlingmotoren im Feldtest haben allerdingsgezeigt, dass dieses Problem bisweilen über-bewertet wurde.

Das Stirlingprinzip selbst ist ausgesprochen zuver-lässig, anwenderfreundlich und pflegeleicht. Diegeschlossene Bauweise lässt keine Verbrennungs-rückstände in das Motorinnere gelangen. Es gibtkeinen Ölverbrauch und keinen Ölwechsel. Die

Bild 8: Anordnung von Kolben, Zylinder und Regenerator bei verschiedenen Stirlingmotor-Varianten

a-Typ

b-Typ

g-Typ

Wartungsintervalle liegen bei 5.000 bis 8.000Stunden. Die erreichbaren Wirkungsgrade könnenbereits als konkurrenzfähig bezeichnet werden,obgleich das Optimierungspotenzial noch längstnicht ausgeschöpft ist. Da die Investitionskostenfür Stirlingmotoren zur Zeit noch vergleichsweisehoch sind (Einzelanfertigungen), kann ein wirt-schaftlicher Betrieb derzeit noch nicht erzielt wer-den. In diesem Punkt besteht somit primärEntwicklungsbedarf, dem nachgegangen wird.

Die zukünftigen Entwicklungen im Bereich derStirlingmotoren lassen somit hoffen, dass für denBereich der Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung in Kürzeeine viel versprechende und zukunftsweisendeTechnologie zur Verfügung stehen wird. Ge-messen an den zur Zeit auf dem Markt angebo-tenen verbrennungsmotorischen Anlagen stelltdas Potenzial des Stirlingmotors eine nicht zuunterschätzende Alternative dar.

Bisher ist erst eine Stirling-Entwicklung bis zurSerienproduktion weiterentwickelt worden, die imHerbst 2001 startete.

Anbieterübersicht Stirlingmotoren

Bild 9: Stirlingmotor im Labor

Nr. Produktbezeichnung, Leistungsdaten BesonderesHersteller/Kontakt

1 STIRLING Engine 2–9 kWel Neuer erdgasbetriebener FloxbrennerErdgas-BHKW-Modul 8–24 kWth

stufenlos regelbarSolo, SindelfingenTelefon 070 31/3 01-0info@stirling-engine.dewww.stirling-engine.de

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Funktion, Technik und Innovationen

Mikrogasturbinen sind kleine Hochgeschwindig-keitssysteme zur gekoppelten Strom- undWärmeerzeugung, die derzeit im Leistungs-bereich ab 28 kWel verfügbar sind. Sie bestehenim Wesentlichen aus den HauptkomponentenVerdichter, Brennkammer, Turbine, Generatorund Rekuperator. Der Rekuperator dient zurinternen Luftvorwärmung, wodurch diese kleinenAggregate relativ hohe Wirkungsgrade von 25–30 % erreichen.

Mikrogasturbinen sind als Ein-Wellen-Anlagenohne Getriebeeinheit konstruiert und werden mitDrehzahlen zwischen 70.000 bis über 100.000U/min. betrieben. Der dabei generierte hochfre-quente Wechselstrom wird mit Hilfe eines digita-len Leistungsreglers zunächst in Gleichspannungumgewandelt und anschließend in netzkonformeWechselspannung invertiert. Der erforderliche

Gasversorgungsdruck der Anlagen liegt bei ca. 3,8 bis 8,5 bar. Die meisten Hersteller habenjedoch einen Gasverdichter im Lieferumfang, sodass die Anlagen am Niederdrucknetz betriebenwerden können.

Gasturbinen

G

Turbine

Luft

Verdichter

Rekuperator

Erdgas

Brennkammer

Bild 10: Aufbau einer Mikrogasturbine

Bild 11: Mikrogasturbinen-KWK-Anlage

Die Abgastemperaturen der Aggregate liegen zwi-schen ca. 270 und 680 °C. Dadurch ist es möglich,in einem nachgeschalteten Abhitzekessel Dampf zu erzeugen. Serienmäßig werden die Anlagenjedoch mit einem Wärmetauscher zur Warm-wassererzeugung (90/70 °C) angeboten. Durchdiese Flexibilität erstrecken sich die Einsatz-bereiche über industrielle und gewerblicheAnwendungen zur Strom- und Dampferzeugung, z. B. in Wäschereien und Brauereien oder zurTrocknung in der Keramikindustrie, bis hin zur kon-ventionellen Kraft-Wärme-Kopplung in Kranken-häusern, Hotels und Verwaltungsgebäuden.

Zu den Innovationen dieser Technologie zählenebenso die kompakte Bauweise in schallabsor-bierenden Gehäusen, die Rekuperatortechnik, diemodernen Brennersysteme, wodurch extrem nied-rige Schadstoffemissionen erreicht werden, wieauch die relativ langen Wartungsintervalle von4.000 – 8.000 Betriebsstunden. Ein Herstellerarbeitet auch mit patentierten Luftdichtungen,die ölgeschmierte Gleitlager sowie die Zusatz-komponenten für eine Ölschmierung wie Öl-pumpe und Ölkühler überflüssig machen.

Anbieterübersicht Gasturbinen

Nr. Hersteller/ Technik: Besonderes: Investitions- Vertriebspartner: Ansprechpartner:Produkt: kosten:

1. Capstone µT 28-60/80 L sehr geringe ca. 1.750,– E/kW G.A.S. Herr IhleTurbine für Gaseingangsdruck Emissionen Energietechnik GmbH Tel. 0 2151/52 55-2 00Corperation > 20 mbar (ü) Hessenstraße 57 r.ihle@gas-energie.de

28 kWel/65 kWth 47809 KrefeldBrennstoffeinsatz: 112 kW NOx < 20 mg/Nm3 Herr KorfJel = 25 % bei 15 % Rest-O2 Tel. 0 2151/52 55-235Jges = 83 % CO < 40 mg/Nm3 m.korf@gas-energie.de96.000 U/min bei 15 % Rest-O2Abm.: L x B x H (mm): Ein-Wellen-Konstruktion mit

Tests bei Ruhrgas AG, Herr Dr. Jeken

2.600 x 800 x 1.900 patentierter Luftlagerung,

Dorsten Tel. 0 23 62/93 8518

Schnelllaufender Permanent-magnet-Generator

µT 28-60/80 H ca. 1.000 Starts/Jahr ca. 1.500,– E/kWfür Gaseingangsdruck Netzparallel- und Spitzen-> 3,8 bar (ü) lastbetrieb, konst. 30 kWel/65 kWth VerbrennungsluftvorwärmungBrennstoffeinsatz: 112 kW über integrierten Rekuperator.Jel = 27 % Interner, schmierölfreierJges = 85 % Brenngasverdichter serienmäßig96.000 U/min. für p > 20 mbar (ü),Abm.: L x B x H (mm): optional ohne Verdichter2.600 x 800 x 1.900 für p > 3,8 bar (ü)

µT 60-60/80 H externer Brenngasverdichter ca. 1.200,– E/kWfür Gaseingangsdruck optional für p > 20 mbar (ü)> 5,2 bar (ü)60 kWel/120 kWthBrennstoffeinsatz: 215 kWJel = 27 %Jges = 85 % 96.000 U/min.Abm.: L x B x H (mm):auf Anfrage

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BetriebserfahrungenAufgrund der relativ neuen Technologie sind bisher erst wenige Anlagen in Deutschlandinstalliert. Diese Anlagen bestätigen jedoch die

Zuverlässigkeit dieser Technik. Ebenso könnengeringe Betriebskosten aufgrund wenigerVerschleißteile und langer Wartungsintervallebestätigt werden.

Nr. Hersteller/ Technik: Besonderes: Investitions- Vertriebspartner: Ansprechpartner:Produkt: kosten:

2. Elliot TG 45 sehr geringe NOx- und ca. 1.200,– E/kW Gasturbo GmbH, Herr PaulEnergy Gasvordruck 6,5 bar, CO-Emissionen Büttelborn Tel. 0 6152/94 95 20Systems optional für > 50 mbar Permanentmagnet-Generator

45–48 kWel/ 80–255 kWth Ein-Wellen-Konstruktion Test beim Institut für Herr Dr. KoepselBowman- Brennstoffeinsatz: max. 20 Starts/Jahr Energie- und Umwelt- Tel. 0 20 65/418-2 24Power- 200–320 kW ausschließlich Dauerbetrieb technik e. V. (IUTA),Systems Jel = 16,8–22,5 %, Duisburg

Jges. bis 85 %,116.000 U/min.Abm.: L x B x H (mm):2.000 x 800 x 1.600

TG 60 Luftvorwärmung über ca. 1.250,– E/kWGasvordruck 6,5 bar, Rekuperator mit optional für > 50 mbar stufenlosem Bypass62–68 kWel/102–313 kWth Brenngasverdichter optionalBrennstoffeinsatz:258–439 kWJel = 15,5–24 %,Jges. bis 85 %,105.000 U/min.Abm.: L x B x H (mm):2.300 x 800 x 1.600

TG 80 Luftvorwärmung über ca. 1.100,– E/kWGasvordruck 6,5 bar, Rekuperator mit 80–85 kWel/150–420 kWth stufenlosem BypassJel = 16–27 %,Jges. bis 85 %68.000 U/min.Abm.: L x B x H (mm):3.100 x 880 x 1.950

3. Turbec T 100 CHP sehr geringe NOx- und ca. 995,– E/kW ABB Energiesysteme Herr ItjeshorstGasvordruck 6–9,5 bar, CO-Emissionen GmbH, Essen Tel. 02 01/10 04-6 76optional > 25 mbar Permanentmagnet-Generator100 kWel/152 kWth Ein-Wellen-Konstruktion Pro2 Anlagentechnik Herr WaerdtBrennstoffeinsatz: 333 kW ca. 1.000 Starts/Jahr GmbH, Willich Tel. 0 2154/4 88-110Jel = 30 %, Netzparallel- und Spitzen- (speziell Bio-, Deponie-,Jges.ca. 76 % lastbetrieb, konstante Luftvor- Gruben- und Klärgas70.000 U/min. wärmung über Rekuperator mit reduzierter LeistungAbm.: L x B x H (mm): Brenngasverdichter optional 90–95 kWel)2.900 x 840 x 1.900

Test bei Thyssengas Herr DietzeTel. 02 03/55 55-22 95

Funktion, Technik und Innovationen

Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemischerEnergiewandler, der die im Brennstoff enthalte-ne Energie direkt und ohne Umweg in Stromund Wärme wandelt.

Das Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle ist mitder Umkehrung der Elektrolyse des Wassers ver-gleichbar. Während bei der Elektrolyse durchZufuhr von elektrischer Energie das Wasser-

molekül in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespal-ten wird, reagieren in einer Brennstoffzelle H2 undO2 unter Abgabe von elektrischer und thermi-scher Energie zu Wasser.

Eine Brennstoffzelle besteht im Prinzip aus zweiElektroden (einer Anode und einer Kathode), diedurch einen gasundurchlässigen Elektrolytenvoneinander getrennt sind, wobei der Elektrolytfür bestimmte Ladungsträger, z. B. Protonen,durchlässig ist. Die Elektroden besitzen eineporöse, gasdurchlässige Struktur.

Während des Betriebes einer Brennstoffzelle werden an der Anode Wasserstoff und an derKathode Sauerstoff vorbeigeführt. Zunächst

wird ein Teil des Wasserstoffes in Wasserstoff-Protonen H+ und Elektronen e– aufgespalten.Die bei diesem Vorgang frei werdendenElektronen fließen über den metallischen Leiterzur Kathode und können dabei elektrischeArbeit verrichten.

An der Kathode bildet der Sauerstoff mit denElektronen Sauerstoff-Ionen (O2–). Um den Strom-kreis zu schließen, müssen die Wasserstoff-Protonen (möglich sind auch andere Ladungs-

träger) durch den Elektrolyten zur gegenüber-liegenden Kathode gelangen. Dort verbindensich Wasserstoff-Protonen und Sauerstoff-Ionenzu Wasser.

Die Spannung einer einzelnen Brennstoffzellebeträgt etwa 0,7 V. Um eine sinnvolle Stromaus-kopplung zu ermöglichen, werden mehrere Zellenin Reihe zu einem Brennstoffzellen-Stapel zusam-mengeführt. Dadurch können unterschiedlicheLeistungen erreicht werden.

Da der für die Brennstoffzellen-Reaktionbenötigte Wasserstoff nicht im erforderlichenMaße verfügbar ist, wird in einem Reformer aus Kohlenwasserstoffen ein wasserstoffreiches

Brennstoffzellen

+

Brennstoffzelle

Elektrolyt

e-

O2H2

Wasser-Elektrolyse

KathodeAnode

H2O

O2 H2

-

H2O

KathodeAnode

O2-H+H+O2-

Bild 12: Funktionsprinzipien von Wasser-Elektrolyse und Brennstoffzelle

15

16

Nutzwärme

Abgase Inverter

Erdgas

Erdgas

Brenngas

Reformer

Wasserdampf

Zellenstapel

Luft

H -reiches Gas2

Gleichstrom

WechselstromH2

Wasserdampf

~220 V

Bild 13: Prinzipieller Aufbau einer Brennstoffzellen-KWK-Anlage

Gas erzeugt. Bevorzugt kommt Erdgas zumEinsatz. Gegenüber motorischen BHKW habenBrennstoffzellen höhere elektrische Wirkungs-grade, ein besseres Teillastverhalten und gerin-gere Abgas- und Geräuschemissionen.Ausführliche Informationen über die Grund-

lagen und Einsatzmöglichkeiten von stationärenBrennstoffzellenanlagen sowie über die unter-schiedlichen Brennstoffzellentypen und Entwick-lungslinien finden sich in der ASUE-Broschüre„Stationäre Brennstoffzellen“.

Bild 14: Laboraufbau einer PEM-Brennstoffzellen-Demonstrationsanlage zur Hausenergieversorgung (rechts Brennstoffzellenteil, links Reformerteil)

Betriebserfahrungen

Die Einbindung eines Brennstoffzellen-Heiz-gerätes erfolgt analog zu einem Kleinst-BHKW.Zusätzlich zum Gasanschluss, zur Anbindung an Heizungs- und Stromnetz und zur Abgas-abführung kann eine Wasserzuführung für dieDampfbereitstellung im Reformer erforderlichsein.

Derzeit laufen in Deutschland mehrere Pilot-projekte mit Brennstoffzellen-Heizgeräten. ErsteFeldtests sind für das Jahr 2002 geplant. Da essich bei den verwendeten Geräten um Proto-typen und Vorserienmodelle handelt, könnennoch keine allgemein gültigen Aussagen zuBetrieb und Wartung gemacht werden. Daauch noch nicht absehbar ist, welche Anbieterund Systeme sich durchsetzen werden, wird hier darauf verzichtet, die Entwickler aufzulisten.Mikro-Brennstoffzellenanlagen für den sta-tionären Einsatz als KWK-Anlage sind Ende2001 noch nicht als Serienprodukt kommerziellerhältlich.

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In dieser Broschüre wurden 4 unterschiedlicheMikro-KWK-Entwicklungslinien vorgestellt, dieden Trend der umweltschonenden, dezentralenEnergieversorgung zukünftig abdecken können.Der Entwicklungsstand der einzelnen Technikenist jedoch noch sehr unterschiedlich.

Bislang sind noch keine serienreife Brennstoff-zellen-Anlagen kleiner elektrischer Leistung aufdem Markt verfügbar. Eine Reihe von Herstellernarbeitet (z. T. in Zusammenarbeit mit der Heiz-geräteindustrie bzw. mit Versorgungsunter-nehmen) derzeit an der Entwicklung einesBrennstoffzellen-Heizgerätes für den Einsatz imEin- bzw. Mehrfamilienhaus. Diese Konzeptebasieren entweder auf dem Prinzip der oxid-keramischen (SOFC-) oder Polymerelektrolyt-membran-(PEM-)-Brennstoffzelle. Da insbeson-dere die PEM-Brennstoffzelle auch für denmobilen Einsatz von großem Interesse ist, sind dieForschungsetats hierfür groß und die Entwick-lung verläuft rasant. Nach positivem Abschlussder Felderprobung wird ab 2004/5 mit derMarkteinführung im Bereich der Mikro-KWKgerechnet. Wegen der Komplexität dieserAnlagen und der Vielfalt der noch zu lösendenAufgaben ist derzeit keine verlässliche Prognoseüber den Zeithorizont möglich.

Stirlingmotoren für BHKW-Antriebe befindensich im erweiterten Feldtest. Die Serienproduktioneines Herstellers startete im Herbst 2001. Bei positivem Testverlauf ist zu erwarten, dass derVerkauf an Endkunden in größeren Stückzahlenetwa 2003/4 erfolgt. Aufgrund der kontinuier-lichen äußeren Verbrennung bei diesem Antriebs-konzept liegen die vorteilhaften Anwendungs-bereiche dort, wo Emissionen (Abgas und Lärm)besonders zu berücksichtigen sind. Eine stärkereVerbreitung setzt allerdings zusätzliche Erfolge beikostensenkender Fertigung voraus.

Marktreife haben zwischenzeitlich die verbren-nungsmotorischen BHKW erreicht. Die Mikro-Gasturbinenanlagen befinden sich an derSchwelle zur Marktreife. Diese Anlagen sindaktuell bei den in den beiden Tabellen ausge-

wiesenen Herstellern bzw. Packagern zu bezie-hen. In der Regel bieten die Lieferanten auch dieerforderliche Serviceunterstützung bis hin zum„Full-Service-Vertrag“ an. Unter Berücksichtigungder KWK-Vorteile bei Strom- und Mineralöl-Öko-steuer sowie nicht anfallender Konzessions-abgaben bei objektbezogener Stromeigenerzeu-gung gibt es derzeit Marktnischen (Stromkundenim Haushalts- und vorzugsweise im nicht produ-zierenden Gewerbebereich) mit kostenneutraleroder leicht positiver Gesamtwirtschaftlichkeit. Eine weitere Unterstützung ist durch das KWK-Modernisierungsgesetz möglich, das eine beson-dere Förderung von kleinen BHKW-Anlagen vorsieht. In Verbindung mit der erzielbaren praktischen Umwelt- und Klimaentlastung durchden Einsatz dieser ausgereiften und verfügbarenTechnik begrüßt die ASUE diese Entwicklung ausdrücklich.

Tritt die in Bild 1 prognostizierte Entwicklung ein,könnte eine Vision schon bald Realitätwerden: Viele Mikro-KWK-Anlagen könnenregelungsseitig miteinander verbunden und von einer Zentrale aus gesteuert werden. Damitkönnen Wohn- oder Gewerbegebiete flächen-deckend, umweltschonend und mit hoherVersorgungssicherheit mit Strom und Wärmeversorgt werden. Dieses Modell wird „virtuellesKraftwerk“ genannt, da die kleinen dezentra-len Mikro-KWK-Anlagen die Leistung eines zentralen Kraftwerks erbringen und ggf. erset-zen können. Das „virtuelle Kraftwerk“ verbindetalso die Vorteile des zentralen Großkraftwerks(Leistungserbringung, Stabilisierung des Netzes,Garantie der Versorgungssicherheit) mit denVorteilen kleiner dezentraler KWK-Anlagen(Nähe von Energieerzeugung und -verwen-dung, d. h. die Reduzierung von Transport-verlusten und die Möglichkeit, die bei derStromerzeugung anfallende Wärme zu nutzen).

Fazit/Ausblick

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Die 1977 gegründete ASUE Arbeitsgemeinschaftfür sparsamen und umweltfreundlichen Energie-verbrauch e.V., ein Zusammenschluss von 44 Gasversorgungsunternehmen, fördert die Weiterentwicklung und weitere Verbreitung sparsamer und umweltschonender Technologien auf Erdgasbasis.Solchen Techniken den Weg in die praktischeAnwendung zu ebnen ist das vorrangige Ziel der ASUE.

AktivitätenFachpublikationen und TagungenTransferstelle neue ProduktePreis der deutschen GaswirtschaftMedien- und Öffentlichkeitsarbeit

ArbeitskreiseBrennstoffzellen/BlockheizkraftwerkeEnergiedienstleistungenErdgas und UmweltGasturbinentechnikGaswärmepumpen und KältetechnikHaustechnik

MitgliedsunternehmenBadische Gas- und Elektrizitätsversorgung AG, LörrachBayerngas GmbH, MünchenBEB Erdgas und Erdöl GmbH, HannoverDortmunder Energie- und Wasserversorgung GmbHDREWAG Stadtwerke Dresden GmbHegm Erdgas Mitteldeutschland GmbH, KasselEMB Erdgas Mark Brandenburg GmbH, PotsdamEnergieversorgung Filstal GmbH & Co. KG , GöppingenErdgas Mittelsachsen GmbH, SchönebeckErdgas Schwaben GmbH, AugsburgErdgas Südbayern GmbH, MünchenErdgas Südsachsen GmbH, ChemnitzErdgas-Verkaufs-Gesellschaft mbH, MünsterErdgasversorgungsgesellschaft Thüringen-Sachsen mbH (EVG), ErfurtFerngas Nordbayern GmbH, BambergFerngas Salzgitter GmbHGASAG Berliner Gaswerke AGGasanstalt Kaiserslautern AGGasfernversorgung Mittelbaden GmbH, OffenburgGas-Union GmbH, FrankfurtGasversorgung Main-Kinzig GmbH, GelnhausenGas- und Wasserversorgung Osthessen GmbH, FuldaGasversorgung Süddeutschland GmbH, StuttgartGasversorgung Westerwald GmbH, Höhr-GrenzhausenGasversorgung Westfalica GmbH, Bad OeynhausenGaswerksverband Rheingau AG, WiesbadenHEIN GAS Hamburger Gaswerke GmbHMainova AG, FrankfurtMITGAS Mitteldeutsche Gasversorgung GmbH, HalleNiederrheinische Gas- und Wasserwerke GmbH, DuisburgOberhessische Gasversorgung GmbH, FriedbergRGW Rechtsrheinische Gas- und Wasserversorgung AG, KölnRuhrgas AG, EssenRWE Gas AG, DortmundSaar Ferngas AG, SaarbrückenSpreeGas GmbH, CottbusStadtwerke Essen AGStadtwerke Neuss Energie und Wasser GmbHStadtwerke Paderborn GmbHSüdhessische Gas und Wasser AG, DarmstadtThüga AG, MünchenThyssengas GmbH, DuisburgVNG – Verbundnetz Gas AG, LeipzigWingas GmbH, Kassel