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Mini-Kraftwerk von Honda mit Einzylinder-Gasmotor
Der Doppelnutzen: Wer einen Holzofen besitzt, der kann damit heizen und sich gleichzeitig einen Bratapfel dämpfen. Mit dem Aufkommen der Zentralheizung ist dieser im Winter gern gepflegte Kombibetrieb zwar immer stärker in Vergessenheit geraten, außerdem hat ihm längst eine viel effektivere Doppelstrategie die Schau gestohlen. Das gleichzeitige Produzieren von elektrischem Strom und Wärme - und zwar mit ein und demselben Gerät.
Diese unter dem etwas sperrigen Begriff der Kraft-Wärme-Kopplung als KWK firmierende Technik fristet in Deutschland ein Schattendasein. Ihr Anteil, bezogen auf die Stromerzeugung, liegt hierzulande bei nur rund 14 Prozent, während man in den Niederlanden, Finnland und Dänemark deutlich mehr KWK-Strom erzeugt - die Anteile des Kombistroms an der Elektrizitätserzeugung beragen hier zwischen 30 und 50 Prozent.
Daß die "gekoppelte" Produktion von Strom und Wärme in diesen Ländern beliebt ist, liegt vor allem an dem nicht unbedeutenden Beitrag, den diese Technik zum Energiesparen und damit zum Klimaschutz leistet. Nach einer allseits anerkannten Abschätzung lassen sich durch die getrennte Erzeugung von Wärme im Heizkessel und Strom in einem konventionellen Kohle- oder Gaskraftwerk rund 35 Prozent Primärenergie einsparen und damit die Kohlendioxydemissionen um etwa 50 Prozent reduzieren. Dabei profitiert die positive Bilanz der KWK-Technik vor allem von den schlechten Wirkungsgraden, mit denen die Alternativtechnik - die nur Strom produzierenden Großkraftwerke - arbeitet. Als weiteres Manko der zentralen Elektrizitätserzeugung kommen die Übertragungsverluste hinzu, die beim Transport des Stroms zu den Verbrauchern hingenommen werden müssen. Selbst die hohe Effizienz moderner Heizkessel kann die Nachteile der zentralen Elektrizitätserzeugung nicht ausgleichen.
Ein weiterer Grund, warum KWK-Anlagen noch keine größere Verbreitung gefunden haben, ist an der Technik selbst zu entdecken. Bisher sind nur vergleichsweise leistungsstarke Gerätschaften verfügbar. Richtig große KWK-Anlagen mit Leistungen von bis zu 500 Megawatt werden für die Strom- und Fernwärmeversorgung von Städten oder Industriebetrieben eingesetzt. Mittelgroße Anlagen beliefern etwa Industriebetriebe und Schwimmbäder (hier liegt die Leistung bei einigen hundert Kilowatt). Die heute verfügbaren Kleingeräte sind immer noch so leistungsstark, daß sie nur dann wirtschaftlich betrieben werden können, wenn sie einen Gewerbebetrieb wie eine Sauna oder ein Hotel mit warmem Wasser versorgen - und wenn der gleichzeitig produzierte Strom zum einen Teil selbst verbraucht und zum anderen in das öffentliche Netz eingespeist wird.
Doch in dieses lange Zeit festzementierte KWK-Szenario ist Bewegung gekommen. Eine Schlüsselrolle spielt dabei die Brennstoffzelle - allein schon wegen des öffentlichen Interesses, das man dieser Technik entgegenbringt. Kaum hatte die Automobilindustrie verkündet, in wenigen Jahren ihre Karossen mit diesen die Knallgasreaktion zügelnden Aggregaten zu bestücken, tauchte die Idee auf, die Brennstoffzellenautos während ihrer Ruhephasen in den Garagen zur Stromproduktion heranzuziehen. Daraus ist bis heute nichts geworden. Deutlich weiter ist dagegen die Entwicklung sogenannter Brennstoffzellenheizungen. Gleich mehrere namhafte Heiztechnikhersteller haben diese Möglichkeit aufgegriffen. Viessmann setzt dabei auf eine Eigenentwicklung. Das gilt für die Gasaufbereitung und den Stack, das eigentliche Herz der Brennstoffzelle. Erste Prototypanlagen mit zwei Kilowatt elektrischer Leistung und einer damit "korrespondierenden" Wärmeleistung von 4,5 Kilowatt werden zur Zeit erprobt. Einen anderen Weg beschreitet Vaillant. Das Unternehmen bezieht den Brennstoffzellenstack und die Gasaufbereitung (Reformer) komplett von seinem amerikanischen Partner Plug Power. Derzeit sind 55 der 4,6 Kilowatt Strom und 9,0 Kilowatt Wärme erzeugenden Geräte im Testbetrieb. Da diese verbrennungslos arbeitenden Aggregate mit Gas und nicht direkt mit dem von ihren Stacks einzig verdaubaren Wasserstoff "betankt" werden, ist ihr Betrieb nicht so effektiv, wie er eigentlich sein könnte. Die Verluste der Gasaufbereitung müssen berücksichtigt werden. Erst wenn es gelingt, Wasserstoff mit regenerativen Energien wie Sonne und Wind in großem Maßstab wirtschaftlich herzustellen, wird diese Technik zu der Form auflaufen können, die man ihr heute bereits gern attestiert.
Da die "Kleinst"-KWK-Szene jedoch mehr als die Brennstoffzellenheizung zu bieten hat, muß man so lange nicht warten. Technisch bereits ausgereift ist der Dachs von Senertec, in dem ein Verbrennungsmotor für die notwendige Power sorgt. Das Antriebsaggregat blickt auf eine längere Geschichte zurück. Bereits 1978 arbeitete Fichtel & Sachs an einer motorgetriebenen Wärmepumpe, die von einem Einzylinder-Viertakt-Gasmotor mit einem Hubraum von 579 Kubikzentimetern betrieben wurde. Diese Entwicklung wurde dann im Zuge drastisch gesunkener Gaspreise eingestellt und dafür der Motor mit einem Generator gekoppelt. Damit war die technische Basis für den heutigen Dachs gelegt, der schon 10 000 Käufer gefunden hat. Zu einem Preis von 20 000 Euro bekommt man - je nach verwendetem Brennstoff - einen Stromerzeuger mit einer elektrischen Leistung zwischen 5,0 und 5,5 Kilowatt, der gleichzeitig zwischen 10,4 und 12,5 Kilowatt Wärmeleistung abgibt. Direkt mit dem Antrieb ist über ein einstufiges Getriebe ein Asynchrongenerator gekoppelt, der Strom produziert. Die Wärme des Kühlwassers und die Hitze des Schmieröls gelangen über einen Wärmetauscher in den Heizkreislauf des Gebäudes.
Doch mit seinen rund 5 Kilowatt elektrischer Leistung ist der Dachs für das klassische Ein- und Zweifamilienhaus zu groß, um in einem überschaubaren Zeitraum seine Investitionskosten einspielen zu können. Das gilt auch für das von der PowerPlus Technologies GmbH in Gera (gehört seit einem Jahr zu Vaillant) vertriebene Kleinst-KWK-Gerät Ecopower. Auch in diesem 13 000 Euro teuren Aggregat dreht sich ein Viertakt-Einzylinder-Gasmotor. Doch anders als beim Dachs kommt der Strom von einem wassergekühlten Permanentmagnet-Generator, der von einem Wechselrichter zu einspeisbarem Wechselstrom verarbeitet wird.
Im Unterschied zum Dachs läßt sich das Ecopower-Gerät modulierend betreiben. Abhängig vom jeweiligen Strom- oder Wärmebedarf kann so die elektrische Leitung von 1,3 bis auf 4,7 Kilowatt hochgefahren werden. Entsprechend steigt die Wärmeproduktion von 4 auf 12,5 Kilowatt. Doch dieser Vorteil des stufenlosen "Gasgebens" relativiert sich schnell, wenn man weiß, daß diese Geräte nur dann ihren potentiellen Vorteil voll ausspielen können, wenn sie unter Vollast betrieben werden. Das ist bei der Stromproduktion keine Schwierigkeit, können doch die nicht selbst benötigten Mengen verkauft werden. Seit dem 1. August 2004 bekommt man für den hausgemachten KWK-Strom einen "üblichen" Preis (er entspricht dem Strompreis an der Leipziger Strombörse vom zurückliegenden Quartal) und eine KWK-Vergütung von 5,11 Cent je Kilowattstunde. Deutlich schwieriger ist es jedoch, stets die anfallende Wärme loszuwerden. Nur wer hierfür eine sinnvolle Lösung vorweisen kann, kommt auf die attraktiven Amortisationszeiten, die einige Hersteller versprechen. Doch ist ein Wärmeabnehmer gefunden und laufen die Geräte annähernd 8000 Betriebsstunden im Jahr, kann das investierte Geld durchaus in etwa drei Jahren eingespielt sein. Möglich macht das nur zu einem geringen Teil der Stromverkauf. Wichtiger sind die vermiedenen Strombezugskosten, der Preisvorteil der selbst erzeugten Wärme und die rückerstattete Mineralölsteuer. Lediglich die Kosten für den Brennstoff und für die regelmäßigen Wartungen schlagen negativ zu Buche.
Kleinst-KWK-Geräte sind also nicht nur dank ihrer guten Brennstoffausbeute attraktiv. Sie können sich auch bezahlt machen. Grund genug, daß immer mehr Anbieter speziell mit Kleinstgeräten auf den Markt drängen. So ist etwa Honda gerade dabei, eine in Japan bereits 10 000mal verkaufte "Maschine" in Deutschland einzuführen. Das von einem Einzylinder-Gasmotor mit 163 Kubikzentimeter betriebene Gerät ist mit seiner Leistung von einem Kilowatt elektrisch und 3,25 Kilowatt thermisch gerade richtig für den Energiebedarf eines Einfamilienhauses. Daß man das Mini-Gerät nicht ohne weitere Tests in deutsche Häuser einbauen kann, liegt an den Betriebsbedingungen in Japan. Dort stehen die Geräte im Freien; eine Abgas- und Frischluftzuführung wird nicht benötigt. Auch hat man bisher keine Erfahrung mit dem Einspeisen des Stroms ins Netz. Denn das ist für kleine KWK-Anlagen in Japan nicht erlaubt. Die bisher installierten Geräte werden daher rein "stromgeführt" betrieben: Sie springen an, wenn man im Haushalt Strom benötigt. Die gleichzeitig anfallende Wärme kommt in einen Pufferspeicher, aus dem sich die Warmwasserheizung bedient. Oder sie wird ungenutzt an die Umwelt abgegeben.
Kleinst-KWK-Geräte können auch von Stirlingmotoren angetrieben werden. Eine mit 2 bis 9,5 elektrischer und 8 bis 26 Kilowatt thermischer Leistung modulierend zu betreibende Anlage verkauft seit einem guten Jahr das Unternehmen Solo aus Sindelfingen. Das 25 000 Euro teure Gerät, bei dem die für den Antrieb des Motors benötigte "externe" Verbrennung flammenlos und damit schadstoffarm abläuft, ist damit für den Einsatz in Gewerbebetrieben prädestiniert. Bisher konnte Solo 45 Anlagen verkaufen.
Mit deutlich höheren Stückzahlen kalkuliert der neuseeländische Hersteller Whisper Tech, da der zweitgrößte britische Energieversorger, die zur Eon-Gruppe gehörende Powergen, angekündigt hat, bis 2010 etwa 80 000 Geräte, die zwischen 0,4 und 1,2 Kilowatt elektrischer und 4,9 bis 8,0 Kilowatt thermischer Leistung modulierend produzieren, auf dem englischen Markt vertreiben zu wollen. Herzstück des 4500 Euro teuren Geräts ist ein Vierzylinder-Stirlingmotor, der anders als der Solomotor nicht über eine Kurbelwelle, sondern von einer Taumelscheibe gesteuert wird. Eine sehr ähnliche Technik setzt der zu British Gas gehörende Hersteller MicroGen ein. Mit einer elektrischen Leistung von 1,1 Kilowatt und einer damit korrespondierenden Wärmeleistung von 4 Kilowatt ist dieses wandhängende Stirling-KWK-Gerät (das modulierend betrieben werden kann) klein genug für das Einfamilienhaus. Derzeit werden die Geräte erprobt, der Serienstart soll in zwei Jahren folgen.
Auf komplett andere Antriebskonzepte setzen Enginion aus Berlin und das Unternehmen Otag aus Olsberg. Enginion favorisiert seine "Steam Cell": Mit einem modulierend arbeitenden Brenner wird eine kleine Menge reines Wasser in energiereichen Dampf verwandelt, der anschließend entweder über einen Wärmetauscher für Heizzwecke genutzt wird oder mit einer Kleinstturbine Strom produziert. Die Stromabgabe kann nach Bedarf zwischen 0,5 und 6 Kilowatt schwanken, die Wärmeproduktion zwischen 2 und 25 Kilowatt.
Im Lion-Powerblock von Otag arbeitet nicht rotierende Turbine, sondern ein frei schwingender Doppelkolben: Der in einem Rohrverdampfer erzeugte Heißdampf tritt wechselweise in den linken und rechten Arbeitszylinder ein, expandiert und erzeugt dabei Strom, indem eine mit dem Doppelkolben fest verbundene Ankerspule durch ein starkes Magnetfeld getrieben wird. Ein Wechselrichter macht aus dem Gleichstrom verkäuflichen Wechselstrom. Die über einen Wärmetauscher geführte Abwärme kann zum Heizen verwendet werden. Die Leistung dieses Kleinst-KWK-Geräts kann zwischen 0,2 und 3,0 Kilowatt elektrisch und 2,0 bis 16 Kilowatt thermisch eingestellt werden. Sowohl die Enginion-Maschine als auch der Lion-Powerblock befinden sich noch in der Versuchsphase. Wann diese Kleinst-Dampfmaschinen auf den Markt kommen, ist derzeit noch völlig unklar.
