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Mehr Effizienz durch neue Technologie: Die Mikro-WKK-Anlage auf dem Prüfstand

Strom im Haus erzeugen statt verheizen

Hanspeter Guggenbühl / 01. Feb 2017 - Mikro-Wärmekraft-Kopplungsanlagen bieten in kleinen Gebäuden eine Alternative zu Wärmepumpen. Ein Prototyp zeigt: Es funktioniert.

Die meisten Gebäude in der Schweiz werden immer noch mit Öl oder Erdgas beheizt. Inzwischen sind aber Wärmepumpen vor allem in Neubauten im Vormarsch; diese wärmen die Stube mit Elektrizität und Umgebungswärme. Ihr Nachteil: Sie verbrauchen viel Strom in der kalten Jahreszeit, wenn die Schweiz ohnehin wenig Strom erzeugt und viel importieren muss.

Ein Mittel, um die inländische Versorgungslücke im Winter zu stopfen, sind Wärmekraft-Kopplungsanlagen (WKK), die mit einem Motor Strom erzeugen und mit der Abwärme Boilerwasser wärmen sowie Gebäude heizen. Allerdings hat auch diese Technologie zwei Handicaps: Sie benötigt fossile Energie, vorab Heizöl oder Erdgas, die bei der Verbrennung klimaerwärmendes CO2 in die Atmosphäre puffen (solange der Anteil von Biogas klein bleibt). Und sie eignete sich bisher nur für grössere Gebäude oder ganze Siedlungen. Denn Kleinst-WKK-Anlagen mit einer elektrischen Leistung von weniger als fünf Kilowatt gab es bisher nur mit tiefem Wirkungsgrad und in unbefriedigender Qualität.

Der Prototyp einer Mikro-Anlage

Dieses zweite Handicap beseitigt jetzt eine neue Technologie, die der Genfer Ingenieur Jean-Pierre Budliger und die Maschinenbau-Firma Rudolf Schmid AG in Thörishaus gemeinsam entwickelten und international patentierten: Eine Mikro-WKK-Anlage, basierend auf einem «Resonanz-Stirlingmotor». (Für Techniker: Dabei handelt es sich um eine Weiterentwicklung von konventionellen Freikolben-Stirlingsystemen).

Einen Prototyp dieser neuartigen Anlage stellten Planer Budliger und Konstrukteur Schmid kürzlich den Medien in Thörishaus (bei Bern) vor. Sie basiert auf dem Energieträger Erdgas, verfügt über eine elektrische Leistung von 1,8 Kilowatt, eine thermische Leistung von 6,3 Kilowatt und erreicht einen Gesamtwirkungsgrad von 90 Prozent. Das heisst: Mit dem Einsatz von hundert Prozent Gas lassen sich im Heizungskeller rund 20 Prozent Strom und 70 Prozent Heizwärme erzeugen. Im Testbetrieb während tausend Betriebsstunden seien 20 bis 22 Prozent elektrische Leistung erreicht worden, präzisieren Budliger und Schmid. Die Abgasemissionen sind geringer als bei WKK-Anlagen mit konventionellen Motoren. Der erzeugte Strom lässt sich direkt im Haus verbrauchen, der Überschuss ohne Transformator ins lokale Stromnetz einspeisen.

Grosses Potenzial in kleinen Häusern

Diese Mikro-WKK-Anlagen mit Resonanz-Stirlingmotor eignen sich für die Stromproduktion und Wärmeversorgung in Ein- bis Zweifamilienhäusern. Gegenüber modernen Öl- und Gasheizungen, die ebenfalls einen Wirkungsgrad von 90 Prozent allein in Form von Wärme erzielen, haben WKK-Anlagen den Vorteil, dass sie mit der gleichzeitigen Produktion von Strom eine höherwertige Energieform bereitstellen.

Beispiel: Wenn der mit Wärmekraft-Kopplung erzeugte Strom aus dem ersten Gebäude anschliessend in einer Elektro-Wärmepumpe in einem zweiten Gebäude eingesetzt wird, steigt der gesamte Wirkungsgrad dieser Kombination auf weit mehr als hundert Prozent. Grund: Eine effiziente Wärmepumpe erzeugt mit dem Einsatz von einem Drittel Elektrizität plus zwei Dritteln Umgebungswärme drei Drittel Raumwärme; sie ist also dreimal so effizient wie eine direkte Elektroheizung. Und gleichzeitig leisten WKK-Anlagen wie eingangs erwähnt einen Beitrag, um die Stromlücke im Winter zu stopfen, während Wärmepumpen allein diese Lücke ausweiten.

Theoretisch ist das Potenzial für Mikro-WKK-Anlagen riesengross. Denn bei 75 Prozent aller Wohngebäude in der Schweiz handelt es sich um Ein- bis Zweifamilienhäuser; die meisten davon werden mit Öl und Gas beheizt. In diesen Häusern können die Gas- und Heizkessel relativ problemlos mit Mikro-WKK-Anlagen ersetzt werden, allenfalls kombiniert mit Solarkollektoren oder mit Fotovoltaik-Anlagen, die im Sommerhalbjahr weit mehr Strom liefern als im Winter.

Ungewiss ist allerdings, ob sich die neue WKK-Technologie auch in der Praxis durchsetzen wird. Das hängt nicht nur von den Produktions- und Betriebskosten ab, sondern auch von der künftigen Energiepolitik und dem von vielerlei Subventionen verfälschten Energiemarkt. Ebenfalls offen ist, ob und wann Mikro-WKK-Anlagen auf den Markt kommen. Die auf Nischen spezialisierte Firma Rudolf Schmid AG will nicht selber in die Massenproduktion einsteigen, sondern sucht dafür industrielle Partner. So oder so dürfte es darum noch einige Zeit dauern, bis Ein- und Zweifamilienhäuser im Winter mehr Strom erzeugen, als sie verheizen.

Themenbezogene Interessen (-bindung) der Autorin/des Autors

Keine.

Weiterführende Informationen

Trotz geplünderten Stauseen genügend Strom (auf Infosperber)
DOSSIER: Energiepolitik ohne neue Atomkraftwerke

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12 Meinungen

Na ja, mal eine Gegenüberstellung: In Irsching bei Ingolstadt lief ein Gas-und-Dampfkraftwerk mit rund 60% Wirkungsgrad. Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe mit modernster Inverter-Technik erreicht einen SCOP von deutlich über 4, teils fast 5. Die Lebensdauer und Wartungsanfälligkeit der Wärmepumpe dürfte wesentlich besser sein als bei KWK. Auch eine Luft-Luft-Klimaanlage mit Heizfunktion erreicht heute hervorragende Werte. Die Miniaturisierung und Dezentralisierung der Stromerzeugung ist technisch gesehen der falsche Weg. Die Wirkungsgrade (techn. u. ökonom.) bleiben äusserst bescheiden. Die Energiewende scheint die Fehler von Mao und Ghandi zu wiederholen. Der Grosse Sprung nach vorn und Ghandis Spinnräder zeugen von wenig Verstand sowohl bei Technik als auch bei Ökonomie. U.a. wegen der Energiewende wurde Irsching abgestellt. Bei 60% Wirkungsgrad, 5% Leitungsverlusten und einen SCOP von 4 würde man Gas zu 220% in Heizwärme umwandeln können (über 100% da Heizwärme nur eine tiefe Temperatur benötigt und Gas mit sehr heisser Flamme verbrennt, der Rest wird der Umgebung entzogen). Aus der Thermodynamik folgt, dass Wärmepumpen grundsätzlich die beste Heizung darstellen. Heute ist die Technik soweit, dass dies auch überlegen einsetzbar ist. Gaskrafwerke wären eine äusserst günstige Brückentechnologie, um CO2-Emissionen sehr rasch deutlich zu senken!
Alessandro Meier, am 01. Februar 2017 um 12:22 Uhr
Auf die Mikro-WKK mit Stirling-Motor warte ich schon lange. Ich frage mich allerdings: Würde man die mechanische Energie nicht besser direkt zum Antrieb einer Wärmepumpe nutzen statt damit Strom zu erzeugen? Also eine fossil betriebene Wärmepumpe schaffen, die ihre Abwäreme vollständig nutzt? Ich nehme an, dass der Motor dann aber noch viel kleiner sein müsste.
Alf Arnold, am 02. Februar 2017 um 22:23 Uhr
@Alessandro Meier
Dort, wo ein Fernwärmenetz besteht, um die Abwärme auszunützen, ist ein grosses Gaskraftwerk natürlich überlegen. Es gibt allerdings sehr viele Orte, wo diese Möglichkeit nicht gegeben ist.
An Orten ohne Fernwärmenetz ist der Vergleich der beschriebenen klein-WKK mit einem grossen Kraftwerk unsinnig. Dort sollte nur mit anderen kleinen Anlagen verglichen werden.
Daniel Heierli, am 03. Februar 2017 um 18:32 Uhr
@Alf Arnold: Das Ziel ist die Stromproduktion, insbesondere zu Zeiten, in denen andere Systeme wenig Ertrag liefern (Winter, Nacht). Da fügt sich WKK sehr schön ein. Man versucht hier nicht ein Maximum herauszuholen, sondern ein Optimum, und dies in einer Gesamtschau des Energieverbrauchs, nicht isoliert auf Wärme oder Strom.
Felix Rothenbühler, am 03. Februar 2017 um 18:54 Uhr
Ich habe selber vor über 10 Jahren an einem sehr ähnlichen Projekt am Oekozentrum Langenbruck (mit einem Industriepartner) gearbeitet und habe heute immer wieder «déja vue» Erlebnisse: Die Projekte stehen immer kurz vor der Marktreife aber sind noch nicht erhältlich. Meistens funktionieren die Prototypen gut und die verschiedenen speziellen technischen Problemen sind lösbar, aber mit einem Aufwand, der die Kosten einer Serie in die Höhe treibt. Dazu kommen «Kinderkrankheiten» in der ersten Serie, weshalb ähnliche Projekte immer noch in der Vorserie stecken oder aufgegeben haben. Sites wie http://www.bhkw-prinz.de oder https://www.bhkw-infothek.de informieren.

Das hier beschriebene Projekt hat auch eine Website mit guten und ausführlichen Informationen: http://www.stirling.ch

In unserem Haus ist der Jahresgesamtstrom dank Solaranlage gedeckt, aber es wäre schön, auch den Winterstrom samt Wärme mit einer Pelletsanlage produzieren zu können. Es muss nicht mal rentieren, solange es Spass macht, also teure Reparaturen und Firmenkonkurse ausbleiben. So geht es wahrscheinlich vielen Leuten.
Theo Schmidt, am 06. Februar 2017 um 15:46 Uhr
Strom aus modernen Gas- und Dampfkraftwerken (GuD) für den Betrieb von
Wärmepumpen ist eine energetisch gute Lösung für die Beheizung moderner Gebäude, welche über ein Niedertemperatur-Heizsystem verfügen.
Die Schweiz bezieht jährlich über 15 TWh Strom aus Deutschland, welcher stark mit Treibhausgasen aus Kohlekraftwerken belastet ist. Irsching wurde abgestellt wegen den absurden Preisen dieses hoch subventionierten Stroms.
Bei uns bestanden mehrere GuD-Werke zur Diskussion, wurden aber aus ökonomischen Gründen zurückgestellt. GuD stellen damit keine brauchbare Option dar. Renovationsbedürftige Gebäude müssen häufig mit relativ hohen Vorlauftemperaturen beheizt werden. Auch für sanitäres Brauchwasser stellen kleine Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen (WKK) oft eine aequivalente Lösung dar und helfen, den Import von stark Treibhausgas-belastetem Strom zu mindern. Sie können flexibel eingesetzt werden und ergänzen bestens dezentrale Fotovoltaik-Anlagen (PV). Dank lokaler Abdeckung braucht das elektrische Übertragungsnetz weniger stark ausgebaut zu werden, was grosse Kosteneinsparung ergibt.
Moderne WKK auf Stirling-Technik sind zuverlässig und weisen eine lange Lebensdauer auf, allfällig fehlende Erfahrung wird sich rasch ausgleichen.
Beim restlos unbefriedigenden Angebot von stark Treibhausgas-belastetem Strom muss dem Kunden ein diversifiziertes Angebot von Lösungen geboten werden, welches seinen spezifischen Bedingungen (benötigte Vorlauftemperaturen) am besten entspricht.
Rolf Schmid, am 07. Februar 2017 um 11:24 Uhr
@Rolf Eberle: Was schlagen denn Sie als nachhaltige Stromgewinnung vor? WKK dient m.E. vor allem dazu, die Engpässe von Wind/Solar zu füllen. In einer Gesamtschau ergibt das aus meiner Sicht absolut Sinn.

Angemerkt sei noch: WKK muss nicht zwingend mit fossilen Brennstoffen realisiert werden, da kann jede Wärmequelle in Betracht gezogen werden.
Felix Rothenbühler, am 07. Februar 2017 um 14:04 Uhr
@ Rolf Eberle: Es gibt hier verschiedene Ebenen:

1) Der Umbau z.B. eines Oel- oder Gaskessels auf einen Holz- oder Pelletskessel ist viel nachhaltiger bezüglich CO2 und meistens auch Beschaffung, bringt aber ohne Filter oder ausgefeilte Technik mehr Luftschadstoffe.

2) Alle Heizkessel verschwenden Exergie, d.h. denjenigen Teil der Energie eines Brennstoffs, der Arbeit verrichten kann. Deshalb ist eine WKK-Anlage vom Prinzip her einem Kessel vorzuziehen, da ein grosser Teil der Exergie umgesetzt wird - wie übrigens auch in unserem Körper.

3) Betreibt eine WKK-Anlage mechanisch eine Wärmepumpe, kann sie zwischen 1.5 und 2 mal mehr Wärme erzeugen als ein Heizkessel mit derselben Menge Brennstoff. Allerdings zu einem beträchtlichen finanziellen Aufwand.

4) Bei elektromechanischen Geräten kann in einem Haus eine WKK-Anlage stehen und in einem anderen eine Wärmepumpe, mit ähnlichen Auswirkungen wie bei 3).

5) Auch ohne Wärmepumpen brauchen wir Winterstrom. Der Wärmevergleich dient jedoch auch gedanklich, um die übliche Exergieverschwendung sichtbar zu machen.

6) Nachhaltig sind WKK-Anlagen nur mit bestimmten Bio- oder Holzbrennstoffen, aber das ist schwieriger als z.B. mit Gas und deshalb gibt es ausgereifte Mini-Anlagen auch heute wohl noch nicht mit Holz. Mini-Anlagen sind jedoch nötig, um dezentral Wärmeverluste zu vermeiden.

7) Der Ersatz z.B. eines Gaskessels mit einer Gas-WKK-Anlage ist eine Verbesserung, wenn auch noch ein Teil des Weges und nicht des Ziels.
Theo Schmidt, am 07. Februar 2017 um 14:06 Uhr
@Theo Schmidt:
2) ist so nicht korrekt. Der Verlust summiert sich aus dem, was den Kamin hoch geht zuzüglich dem, was unnütz innerhalb (auch ausserhalb) des Gebäudes erwärmt wird. Das ist z.B. bei kondensierenden Öl-Brennern in gut konzipierten Anlagen nur noch sehr wenig. Da ändert sich im Grundsatz bei WKK-Anlagen nicht viel: Es gibt Abwärme in den Abgasen und Wärmeverluste in der Anlage und dem Gebäude. Viel, wenn die Anlage schlecht konzipiert ist und wenig, wenn sie gut ist.
Tatsache ist: Heute sind viele Anlagen in Betrieb, die extrem schlecht konzipiert sind (zu hoher Vorlauf, zu gross dimensioniert etc.), stehen in einem nicht isolierten Keller und produzieren dort viel nicht nutzbare Abwärme. Daher werden neu ja auch Wärmepumpenboiler verkauft (was in einer Gesamtschau auch nicht wirklich das Gelbe vom Ei ist und nur Flickwerk darstellt).

Zu 6) noch: Leider schafft es die Politik nicht, den Eigenheimbesitzern grössere Quartieranlagen schmackhaft zu machen, die effizienter wären. Leider haben auch die heutigen E-Versorger, mit ein paar lobend zu erwähnenden Ausnahmen, kein Interesse daran, solches als Contractor anzubieten.

Wichtig ist Ihr 7): Das Ziel muss eine nachhaltige E-Gewinnung sein, frei von fossilen (und nuklearen) Brennstoffen.

Wir werden etliche Zwischenschritte gehen - gehen müssen.
Felix Rothenbühler, am 07. Februar 2017 um 14:46 Uhr
zu 2):
*Exergie* statt *Energie* ist kein Schreibfehler. https://de.wikipedia.org/wiki/Exergie beschreibt denjenigen Teil der Energie, der z.B. mit einer Wärmekraftmaschine (Motor) in mechanische Arbeit oder elektrischen Strom umgewandelt werden kann, z.B. 25% davon auch ohne Kaminverluste. Ein guter Kessel kann (kondensierend) über 100% der Energie umwandeln, aber Null % der Exergie, die also verschwendet wird.

Umgekehrt nutzt ein Verbrennungsmotor zwar die Exergie, verschwendet aber die meiste Energie, wenn die Abwärme nicht nutzbar ist (z.B. Auto oder Kraftwerk mit Kühlturm).

Deshalb würde die Umwandlung von Heizkesseln zu WKK-Anlagen und auch die Nutzung der Abwärme von Motoren und Kraftwerken zur Lösung unserer Winter-Energieprobleme beitragen. (Der Auto(verbrennungs)motor gehört in den Keller, wo er gleichzeitig heizt und den Akku des Elektroautos auflädt!)

Sonst: vielen Dank und einverstanden!
Theo Schmidt, am 07. Februar 2017 um 15:08 Uhr
@Theo Schmidt
Die industrielle, serienmässige Herstellung von Stirling-Freikolbenaggregaten ist anspruchsvoll und erfordert, dass diese vorher voll ausgereift und einwandfrei funktionieren müssen.
An der vergangenen ISEC-17 Konferenz in Newcastle bestätigten mehrere anerkannte Stirling-Spezialisten, dass unser Konzept gegenüber den bisher bestehenden Produkten markante Vorteile aufweist und sich durch einen deutlich höheren elektrischen Wirkungsgrad auszeichnet. Die bereits durchgeführten Langzeittests verliefen problemlos; es liegen sichere Kentnnisse und Grundlagen vor, um Produkte hoher Qualität herstellen zu können. Interessierten Industriellen Unternehmen der Heizungsbranche, welche diese neuen Produkte in ihrem Programm aufnehmen möchten, stehen international angemeldete Patente mit exklusiven Schutzrechten zur Verfügung, womit neue, wirtschaftlich attraktive Märkte erschlossen werden können.
WKK ergänzen auch (im Winter, bei geringem Solarschein) den fehlenden Strom von PV-Anlagen. Dank dieser Kombination kann die lokale Stromproduktion ganzzeitig gesichert werden; dies erlaubt, den Import von stark Treibhausgas-belastetem Strom einzugrenzen, und steht im Sinn der Internationalen Abkommen zum Klimaschutz (ECO21).
Rolf Schmid, am 07. Februar 2017 um 18:00 Uhr
@ Rolf Schmid
Mich müssen Sie nicht überzeugen! Ich kaufe eine Anlage mit Pellets sobald eine regulär erhältlich ist. Wahrscheinlch dürfte das der ÖkoFEN Pellamatic Smart-e sein mit 14 kW thermischer und 1 kW elektrischer Leistung. Offenbar gibt es schon viele Pilotanlagen, auch drei in der Schweiz: http://www.okofen-e.com/de/News_Smart_e/IDnews=495 Andere ähnliche Projekte gibt es nicht mehr, Ihres gibt es noch nicht (zu kaufen), aber vielleicht lohnt sich das Warten wegen des viel besseren elektrischen Wirkungsgrads. Auf jeden Fall herzliche Gratulation zum bisherigen Erfolg!
Theo Schmidt, am 07. Februar 2017 um 20:27 Uhr

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