Auf Initiative des Instituts für wirtschaftliche Oelheizung (IWO) haben der Gerätehersteller Otag und die Mineralölunternehmen aws Wärme Service, Shell und Total eine Kooperation im Bereich Heizöl betriebener Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung (Mikro-KWK) vereinbart. Am Ende des im Rahmen der Technologie-Initiative der Mineralölwirtschaft gestarteten Projektes soll eine marktgerechte „Strom erzeugende Öl-Brennwertheizung“ für den Einsatz in Ein- bis Dreifamilienhäusern stehen.
Nur rund 60 Prozent des gesamten Primärenergieverbrauchs in Deutschland kommen bei den Konsumenten als nutzbare Endenergie an. Rund 31 Prozent des Primärenergiebedarfs werden nach Angaben der Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen für Verbrauch und Verluste im Energiesektor aufgewendet. Insbesondere bei der Stromerzeugung in konventionellen Kraftwerken entstehen große Verluste. Primärenergetisch deutlich effizienter ist die dezentrale, gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme durch Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen.
Ausgelegt ist das geplante ölbetriebene Mikro-KWK-Gerät für eine thermische Leistung von 3 bis 19 Kilowatt (kW) und eine elektrische Leistung von bis zu 2 kW. Damit können die elektrische Grundlast und der Wärmebedarf in modernen Gebäuden mit bis zu drei Wohneinheiten abgedeckt werden. Ein zusätzlicher Heizkessel wäre in der Regel nicht erforderlich. Eine solche Mikro-KWK-Anlage kann in der Verbindung mit einem Pufferspeicher problemlos auch in ein vorhandenes Heizsystem integriert werden.
55 Prozent Primärenergieeinsparung bei der Stromerzeugung
Das Gerät nutzt bei der Wärmeerzeugung die hohe Effizienz der Brennwerttechnik und steigert den primärenergetischen Nutzungsgrad durch die gleichzeitige Erzeugung von Strom. So können im Vergleich zur konventionellen Stromerzeugung im Kraftwerk je Kilowattstunde (kWh) Strom 1,5 kWh Primärenergie eingespart werden. Denn für jede Kilowattstunde elektrischer Endenergie werden im zentralen Großkraftwerk im Durchschnitt 2,7 kWh Primärenergie benötigt. Bei der ölbetriebenen Mikro-KWK-Anlage müssen hingegen nur 1,2 kWh Primärenergie je kWh Strom aufgewendet werden.
Welches Potenzial für Primärenergieeinsparung die breite Nutzung der Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung birgt, erläutert Otag-Geschäftsführer Franz Josef Schulte: „Bei der Stromerzeugung in Großkraftwerken bleiben in Deutschland pro Jahr ca. 500 Milliarden kWh als Abwärme ungenutzt. Durch dezentrale Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung können bis zu 80 Prozent des benötigten Stroms in Gebäuden selbst erzeugt werden. Die dabei anfallende Wärme wird zu 100 Prozent genutzt. Diese neue Technologie kann einen wesentlichen Beitrag zur Umweltentlastung und Ressourcenschonung leisten.“
Äußerst leiser Lineargenerator erzeugt Strom
Technische Grundlage der Entwicklung ist eine von Otag entwickelte modulierende gasbetriebene Mikro-KWK-Anlage. Deren technologische Besonderheit beruht auf einem Lineargenerator, der über einen geschlossenen Wasserdampfkreislauf angetrieben wird. Im Gegensatz zu konventionellen Generatoren mit Rotationsbewegung wandelt dieser „Linator“ eine geradlinige Bewegungsenergie in Strom um.
Der Lineargenerator kann als Doppelfreikolben-Expansionsdampfmaschine bezeichnet werden. Beim Doppelfreikolben handelt es sich um einen im Zylinder frei beweglichen, in zwei Richtungen wirkenden Kolben ohne Pleuel oder sonstige Mechanik. Dieses Konzept benötigt daher keinen Schmiermittelkreislauf und erlaubt somit relativ lange Wartungsintervalle. Es ist außerdem äußerst leise im Betrieb. Dem jeweiligen Energiebedarf passt sich die Mikro-KWK-Anlage automatisch an: Der thermische Modulationsbereich liegt zwischen 3 und 19 kW, der elektrische Modulationsbereich zwischen 0,3 und 2 kW.
Passender Öl-Brenner kleiner Leistung wird entwickelt
Das Prinzip dieses vorhandenen Gerätes soll mit nur geringen Modifikationen für den Betrieb mit schwefelarmem Heizöl – auch mit Biokomponenten – nutzbar gemacht werden. Zur Umsetzung wird ein modulierbarer Ölbrenner mit sehr kleiner Leistung von 3 bis 19 kW und äußerst kompakten Abmessungen benötigt, um der vorgegebenen Wärmetauschergeometrie zu entsprechen.
Die Entwicklung dieses modulierenden Oberflächenbrenners wird im Oel-Wärme-Institut (OWI) umgesetzt. Das innovative Brennerkonzept basiert auf einer Gemischaufbereitung mittels der „Kalte-Flammen-Technologie“. Kalte Flammen eröffnen flüssigen Energieträgern Einsatzbereiche, die bislang nur gasförmigen Energieträgern offen standen. Denn mit ihrer Hilfe wird ein homogenes Brennstoff-Luft-Gemisch unter Freisetzung von Wärme in einem Teilluftstrom zunächst vollständig verdampft. Anschließend wird das so entstandene Brenngas mit der restlichen Verbrennungsluft auf einer Metalldrahtoberfläche verbrannt. Gemischbildung und Verbrennung erfolgen dabei in zwei räumlich voneinander getrennten Prozessen.
Der Einsatz flüssiger Brennstoffe in einer Mikro-KWK-Anlage eröffnet beachtliche Potenziale an Effizienzsteigerung, Primärenergieeinsparung und damit zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen. „Nicht zuletzt auch vor dem Hintergrund des sinkenden Wärmebedarfs und dem damit wachsenden Bedarf an Heizsystemen mit kleiner Leistung kommen hier die Vorteile einer problemlos zu speichernden und flexibel zu transportierenden Energie besonders zur Geltung“, erläutert IWO-Geschäftsführer Prof. Christian Küchen.
Otag-Geschäftsführer Franz Josef Schulte ist von den Zukunftsperspektiven einer mit flüssigen Brennstoffen betriebenen Mikro-KWK-Anlage überzeugt: „Immer mehr Hausbesitzer werden in einigen Jahren ihren Strom selbst produzieren, effizient und wirtschaftlich – mit ihrer Heizung.“
In Kürze soll ein Prototyp für Testzwecke zur Verfügung stehen. In einer anschließenden Feldversuchsreihe mit ca. zehn Anlagen sollen weitere praktische Erfahrungen insbesondere zur Alltagstauglichkeit des neu entwickelten modulierenden Ölbrenners gesammelt werden.