Energiepolitik 17.10.2008, 19:37 Uhr

Blockheizkraftwerke erzeugen Strom und Wärme aus Bio-Brennstoffen  

VDI nachrichten, Fulda, 17. 10. 08, mg – Wegen steigender Energiepreise und dem Bemühen um geringere CO2-Emissionen rücken Blockheizkraftwerke (BHKW) zur Erzeugung von Strom und Wärme immer mehr in den Blickpunkt. Eine Tagung des VDI-Wissensforums Ende September in Fulda behandelte aktuelle Trends und Zukunftsperspektiven von der BHKW-Brennstoffzelle bis zum ORC-Prozess. Experten berichteten über die Planung und Installation unterschiedlicher BHKW-Anlagen.

Ein europäischer Vergleich zeigt, dass die Quote der Kraft-Wärme-Kopplung in Deutschland gering ist“, beklagte Dietmar Schüwer, Projektleiter beim Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie in Wuppertal: „Wir sind weit davon entfernt, die Potenziale umzusetzen.“ Nach einer Studie des Bundeswirtschaftsministeriums wird das Wärmepotenzial zur Hälfte, das wirtschaftliche Strompotenzial nur zu einem Drittel realisiert. Als Hindernis auf dem Weg zur Umsetzung identifizierte er das geringe Interesse des Handwerks, das sich lieber mit Solarenergie beschäftige.

„Von zehn Anlagen, die wir von Anfang an betreuen, scheitern drei bis vier an planungsrechtlichen Voraussetzungen“, ergänzte Martin Maslaton, Geschäftsführer der Maslaton Rechtsanwaltsgesellschaft Leipzig. Dabei habe die Politik die Signale auf Grün gestellt, indem der Anteil der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) vom gegenwärtigen Stand aus bis 2020 auf 25 % verdoppelt werden soll.

Weitere Unsicherheiten ergeben sich aus der Preisentwicklung für fossile Energieträger. So machen auch langfristig steigende Preise für Erdgas eine Verstromung unwirtschaftlich. Weiter an Bedeutung gewinnen wird daher die Nutzung von Biobrennstoffen. Problematisch bei der gekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme in KWK-Anlagen auf Basis nachwachsender Rohstoffe sind die hohen Investitionskosten und der teilweise deutlich höhere Wartungsaufwand im Vergleich zu konventionellen Brennstoffen.

Eine Form der Brennstoffaufbereitung muss daher in den meisten Fällen vorgeschaltet werden entweder als Entschwefelung, Filterung oder Vergasung. Nur geeignete flüssige Biobrennstoffe wie Pflanzenöle können direkt im Motor-BHKW umgesetzt werden. Auch Dampfturbine oder Dampfmotor, ORC-Prozess und Stirlingmotor können direkt mit den Rauchgasen betrieben werden, die bei der Verbrennung von Biomasse entstehen.

Vor allem der Stirlingmotor, der bereits 1816 von Robert Stirling in Schottland patentiert wurde, könnte mit dem Ausbau der KWK seine Vorteile in größerem Umfang ausspielen. So ist der Stirlingmotor im kleinen Leistungsbereich bis etwa 100 kW einfacher und effizienter einzusetzen als etwa Dampfmotoren. „Vorteilhaft ist auch die hohe Lebensdauer“, so Bernd Thomas, Wissenschaftlicher Leiter des Forschungsinstituts Maschinenbau der Hochschule Reutlingen. Ein möglicher Einsatz in der Praxis könnte beispielsweise an einer Biogasanlage erfolgen, wo der Stirlingmotor die Wärmeversorgung des Fermenters übernehmen könnte.

Erfahrungen aus einem Projekt an einer Kläranlage zeigten jedoch, dass ein für den Betrieb mit Erdgas konzipiertes Stirlingmotor-BHKW nicht ohne Anpassung auf Bio- oder Klärgas umzustellen ist. Erforderlich ist vor allem eine Reinigung in regelmäßigen Abständen, weil es zu Partikelablagerungen aus dem Rauchgas an den Wärmetauscherflächen kommt und der elektrische Wirkungsgrad daraufhin sinkt.

Potenzial hat auch die Brennstoffzelle. Sie stellt allerdings hohe Anforderungen an die Gasqualität und erfordert immense Investitionskosten, die derzeit etwa bei 7500 € je 1 kW installierter Leistung liegen. „Die Investitionskosten müssen deutlich unter 1500 € je kW sinken, damit die Technik ohne hohe Zuschüsse wirtschaftlich betrieben werden kann“, forderte Gerhard Klink, Vertriebsleiter West der MTU Onsite Energy. Eine interessante Entwicklung deutet sich mit dem so genannten Hybrid-BHKW an: Eine Brennstoffzelle zur Erzeugung der Grundlast ist dabei mit einem Gasmotor zur Spitzenlastabdeckung zusammengekoppelt. Im Forschungsbetrieb laufen derzeit bereits drei solcher Anlagen auf Basis von Biogas.

Zur Verstromung von Niedertemperatur-Abwärme eignet sich die ORC-Technologie (Organic Rankine Cycle). Gerade bei industriellen Prozessen entsteht Abwärme, die aufgrund ihres niedrigen Temperaturniveaus nicht mit konventioneller Technik zur Wärmerückgewinnung genutzt werden kann. Auch bei neuen Anwendungen wie der Geothermie fällt Wärme mit einem Temperaturniveau von 100 °C bis 500 °C an.

Bei der ORC-Technologie handelt es sich um einen geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess, bei dem ein flüssiges Arbeitsmedium mit einer Pumpe auf hohen Druck gebracht wird, das anschließend unter Zufuhr der Wärme verdampft wird. Weil das Arbeitsmedium bei geringeren Temperaturen verdampft als Wasser, kann der ORC-Prozess auf einem niedrigeren Temperaturniveau betrieben werden und so aus der Abwärme noch Strom erzeugen.

Beim Betrieb von BHKW mit flüssigen Biobrennstoffen fällt die Bilanz negativ aus. Aus technischer Sicht hat sich hauptsächlich die Bildung von Ablagerungen im Brennraum als kritisch für den sicheren Betrieb und die Dauerhaltbarkeit erwiesen. Auswertungen des Betriebsverhaltens von mit Rapsöl betriebenen BHKW, die im Auftrag der Firma Senertec durchgeführt wurden, zeigten zudem den großen Einfluss der Kraftstoffqualität. Umrüstungen des Motors sind deshalb erforderlich. Optimierungen an Gasmotoren haben inzwischen dazu geführt, dass es mit biogenen Gasen weniger Probleme gibt. Außer Biogas können auch Klär- und Deponiegas zur gemeinsamen Erzeugung von Strom und Wärme genutzt werden. THOMAS GAUL

Von Thomas Gaul
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