Die Mini - Kogeneration als Heizsystem und ihr Potenzial zur Stromerzeugung in der Schweiz.

Grafik 1: monatliche mit fossilen Brennstoffen erbrachte Heizenergie (in TWh, blau) und mittlere monatliche Leistung (in GW, braun). Der Verbrauch in den Sommermonaten ist gemittelt.

Rudolf Dinger, rd engineering

 

Der Bedarf an elektrischer Energie steigt kontinuierlich und die Elektrizitätswirtschaft [1] prognostiziert ein wesentliches Defizit in unserer Stromversorgung und beantragt den Bau von zusätzlichen Nuklearkraftwerken und fossil befeuerten Kraftwerken. Diese Bedarfssteigerung ist im Wesentlichen verursacht durch den zunehmenden Einsatz elektrischer Energie für Raumheizzwecke und führt zu vermehrten Importen in den Wintermonaten. Ein wesentlicher Teil dieser im Winter importierten Energie wird in fossil befeuerten Kraftwerken erzeugt.

Der Energiebedarf für Raumheizung ist sehr gross, in 2005 verbrannte unser Land 6’238 Millionen Liter Heizöl und in Energieäquivalenten mehr als die Hälfte davon als Gas [2]. Im Vergleich: der Rhein führt in Basel eine mittlere Wassermenge von ca. einer Million Liter pro Sekunde; die pro Jahr für die Raumheizung verbrannte Menge an fossilen Brennstoffen ist grösser als die Wassermenge des Rheins während zwei Stunden!

Soll diese riesige Energiemenge durch elektrische Energie gedeckt werden, so verschärft sich das Problem durch den saisonal stark schwankenden Bedarf ganz wesentlich. Zur Illustration habe ich die wöchentliche Energiemenge für die Raumheizung und die Warmwasseraufbereitung in meinem Haus in St. Aubin (NE) gemessen. Wende ich die monatliche Verteilung der Heizenergie meines Hauses auf die gesamte Schweizer Energiemenge aus fossilen Brennstoffen für Raumheizzwecke von 78'731 GWh [3] an, so ergibt sich der monatliche Energiebedarf für Raumheizzwecke und die daraus resultierende mittlere Leistung gemäss Grafik 1.

Figur 1: Prinzip einer Wärmekraftkopplungsanlage (Erklärungen siehe Text).

Die Grafik zeigt die enorme Energiemenge, die für Raumheizzwecke und die Warmwasserproduktion eingesetzt wird. Im Monat Januar sind es über 15 TWh, was einer mittleren Leistung von mehr als 21 GW entspricht. Die Situation ist (für eine elektrische Versorgung) noch schlimmer als die Grafik zeigt, da diese weder die jährlichen Schwankungen noch den Effekt der kältesten Januarwoche berücksichtigt. In den kältesten Tagen ist der Leistungsbedarf deshalb deutlich höher als angegeben. Die grossen Energiemengen werden anschaulicher durch einen Vergleich: die Jahresproduktion unserer Nuklearkraftwerke betrug im gleichen Jahr (2005) 20 TWh, das heisst unsere jährliche nukleare Stromproduktion entspricht der Heizenergie der ersten 6 Wochen des Jahres!

Die Zahlen zeigen, dass die Substitution der fossilen Energieträger für die Raumheizung durch elektrische Energie enorme Investitionen in zusätzliche Generations- und Transportkapazitäten bedingt. Vor dem Hintergrund dieser Zahlen ist es sehr begrüssenswert, dass die Widerstandsheizsysteme bei Neuinstallationen vermehrt durch Wärmepumpensysteme ersetzt werden. Gemäss [4,5] beträgt die Jahresarbeitszahl (JAZ, jährlicher Mittelwert des Verhältnisses abgegebene Wärmeenergie / aufgenommene elektrische Energie) dieser Anlagen ca. 3, wodurch sich die im Januar benötigte mittlere Leistung auf ca. 7 GW reduziert, dies ist aber immer noch mehr als die mittlere Leistung der gesamten Schweizer Stromproduktion in 2005 (diese war 6.3 GW). Unser hydraulisches Energieerzeugungspotenzial ist im Wesentlichen ausgebeutet, zusätzliche Kapazität bedingt Investitionen in nukleare oder fossil befeuerte Kraftwerke. Beides sind thermische Kraftwerke und unterliegen den physikalischen Wirkungsgradbegrenzungen durch den Carnot – Wirkungsgrad und natürlich den durch die Technik selbst verursachten Verlusten. Dies führt dazu dass ca. 2/3 der primär eingesetzten Energie durch die Kühltürme nutzlos an die Umgebung abgegeben wird.

Zur Illustration: das Kernkraftwerk Leibstadt hat eine elektrische Leistung von ca. 1.2 GW, ungefähr die doppelte Leistung wird im Kühlturm an die Umgebung abgegeben und dies bei Temperaturen, die unseren Raumheizungen entsprechen. Theoretisch könnte man mit der in Leibstadt durch den Kühlturm abgegebenen Energie 10% unserer mit fossilen Brennstoffen beheizten Häuser selbst im Januar heizen! Warum wird dieses enorme Energiesparpotential nicht ausgenutzt? Die Antwort ist sehr einfach: Wärme lässt sich über grössere Distanzen nicht ökonomisch transportieren.

Die Folgerungen aus dieser Situation sind offensichtlich: wenn die Verlustwärme aus den thermischen Kraftwerken nicht zum Verbraucher transportiert werden kann, so muss die elektrische Energie beim Verbraucher produziert werden, der die Wärme direkt nutzen kann. Dies verlangt allerdings einen Paradigmenwechsel bei den Elektrizitätsunternehmen und bei den Konsumenten: der Endverbraucher wird gleichzeitig Produzent und unser Verteilungsnetz wird auf dem lokalen Niederspannungsniveau in beiden Richtungen gebraucht (es transportiert Energie auch von einem Endverbraucher zu einem anderen Endverbraucher).

Grafik 2: Zusammenfassung der Produktionsdaten meiner 5.3 kW WKK. Blau: Elektrizitätsproduktion der WKK – Anlage, braun: ins Stromnetz eingespeiste Energie.

Um konkrete Betriebsdaten und Erfahrungen im praktischen Einsatz der ausgeführten Idee zu erhalten, habe ich in 2004 den bestehenden klassischen Oelkessel meines Einfamilienhauses durch eine kleine Wärmekraftkopplungsanlage (nachfolgend WKK) ersetzt. Verschiedene Hersteller offerieren derartige Anlagen für Öl- oder Gasbetrieb und das System ist in anderen Ländern gut bekannt (z.B. in Deutschland). Das Prinzip einer solchen Anlage ist einfach: das Heizöl (oder Gas) wird in einem Verbrennungsmotor verbrannt, der an einen Generator gekoppelt ist. Die Abwärme der Maschine (Kühlwasser und Abgase) wird für die Raumheizung ausgenutzt und die elektrische Energie versorgt das Haus, der Überschuss an elektrischer Energie wird ins Netz eingespeist. Die Anlage wird durch den Wärmebedarf des Hauses gesteuert, das heisst es entsteht keine überschüssige thermische Energie, das „Abfallprodukt“ ist hier die elektrische Energie, die natürlich zu 100% verwertet wird.

Die durch die Verbrennung entstehende Primärenergie E wird im Motor und Generator (G) zu ca. einem Drittel in elektrische Energie Eel gewandelt, der Rest geht über das Kühlwasser (blau) als thermische Energie Eth in den Heizkreis des Hauses. Man beachte den Wärmetauscher in der Abgasleitung. Figur 2 zeigt eine konkrete Maschine mit abgenommener Verkleidung.

Ich entschied mich für die Heizölvariante der Maschine, da ich von meiner konventionellen Heizung über die Infrastruktur für Heizöl bereits verfügte. Die Maschine hat eine elektrische Leistung von 5.3 kW und ist meine einzige Wärmequelle für die Raumheizung und die Warmwasseraufbereitung.
Die Betriebsdaten für 2008/09 sind in Grafik 2 dargestellt. Das Betriebsjahr beginnt – wie in der Energiebranche üblich – am 1. Oktober und endet am darauf folgenden 30. September.

Figur 2 [6]: WKK mit abgenommener Verkleidung . Oberhalb des Zylinderkopfes (mit Aufschrift „SACHS“) ist der Wärmetauscher für die Abgase gut sichtbar, links befindet sich der (ebenfalls wassergekühlte) Generator.

Die Grafik zeigt, dass
     1. die WKK im Jahresmittel ca. 50% mehr elektrische Energie produziert als ich in meinem Haus verbrauche,
     2. die Einspeisung ins Netz zu 120% im Winter erfolgt, im Monat Januar gehen sogar 2/3 der Stromproduktion ins Netz, im Sommerhalbjahr bin ich Nettostrombezüger,
     3. die Stromproduktion das Heizen eines äquivalenten Hauses mit einer Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl (JAZ) von 3 ermöglicht, der im Monat Januar ins Netz eingespeiste Strom immer noch, falls die Wärmepumpe eine JAZ von knapp 4 (oder mehr) aufweist.

 

Ökologische und ökonomische Aspekte

Verglichen mit einem klassischen Heizkessel müsste eine WKK ein Brennstoffmehrverbrauch aufweisen, die der erzeugten Menge elektrischer Energie entspricht. In Praxis ist dies jedoch bei Weitem nicht der Fall: meine konventionelle Heizung verbrauchte im Mittelwert über 20 Betriebsjahre 2588 Liter Heizöl pro Jahr, die WKK verbrannte im Jahre 2007/08 2600 Liter und im Jahre 2008/09 2800 Liter Heizöl, was einem sehr viel geringeren Mehrverbrauch entspricht. Obwohl meine Betriebsdaten besser sind, gehe ich für das nachfolgende Illustrationsbeispiel von einem Mehrverbrauch gegenüber einem konventionellen Heizkessel von 20% aus. Diese 20% Mehrverbrauch erzeugen aber 30% elektrische Energie, das heisst der Ersatz eines Heizkessels durch eine WKK führt zu einem Stromproduktionswirkungsgrad von 150%. Die WKK ist damit die mit Abstand effizienteste Methode um aus fossilen Brennstoffen elektrische Energie zu erzeugen. Um das Potenzial der WKK für die Schweiz zu zeigen nehmen wir an, die Hälfte aller heutigen Heizanlagen mit fossilen Brennstoffen würden durch WKK Heizungen ersetzt. Diese wären in der Lage, den Strom zu produzieren mit dem die andere Hälfte der Häuser mit Wärmepumpen beheizt werden könnte. Insgesamt führte dies zu einer Reduktion des Brennstoffverbrauches um 40%. Eine Reduktion des gesamten Heizölverbrauchs um 40% führt natürlich auch zu einer entsprechenden Reduktion des CO2 Ausstosses, was den anspruchsvollsten Zielsetzungen entspricht die heute formuliert werden.

Die Investition in eine Mini - WKK beträgt ca. 30’000 CHF. Dies scheint viel für 5 kW elektrische Leistung. Ein Vergleich mit dem Kernkraftwerk Leibstadt zeigt allerdings, dass die Investition pro kW Leistung im KKL von der gleichen Grössenordnung ist! Beim Investitionsvergleich ist ausserdem zu beachten, dass die WKK (in der Schweiz) praktisch unbekannt ist und die Technologie ein grosses Potential zur Kostenreduktion hat sobald sie in grösserem Massstab eingesetzt wird.

 

Quellen

[1] Prévision sur l’approvisionnement de la Suisse en électricité jusqu’à 2035 / 2050, AES, Association des entreprises électriques Suisses.
[2] Überblick über den Energieverbrauch der Schweiz im Jahre 2005, BFE, Juni 2006, Bundespublikation Nr. 805.006.06
[3] Gemäss [2] unter der Annahme, dass der gesamte Heizölbedarf und die Hälfte des Gasverbrauchs für Raumheizungen und Warmwasser eingesetzt wird.
[4] Road map erneuerbare Energien Schweiz, Schweizerische Akademie der Technischen Wissenschaften, SATW Publikation Nr. 39
[5] Markus Erb et al. Feldanalyse von Wärmepumpenanlagen FAWA 1996 - 2003, ENET Best. Nr. 240016
[6] Foto mit freundlicher Genehmigung der Senertec GmbH, Schweinfurt

 

[Veröffentlicht: Juni 2010]