Turbolader für den Heizungskeller - wissenschaft.de
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Turbolader für den Heizungskeller

Blockheizkraftwerke sind besonders effizient und umweltfreundlich, denn sie liefern Strom und Wärme gleichzeitig. Dennoch steht der Durchbruch dieser Anlagen noch immer aus. Bochumer Ingenieure arbeiten daran, die letzten Hürden zu räumen. Sie greifen dabei auf Technologien aus dem Automobilbau zurück. Autoren: Wolfgang Eifler, Stefan Stamm

Die großen Gas-, Kohle- und Kernkraftwerke, die Deutschland mit Strom versorgen, arbeiten nicht optimal. Sie produzieren physikalisch bedingt nebenbei große Mengen an Wärmeenergie, die in der Regel als Abwärme verloren geht. Eine Nutzung dieser Energie für die Beheizung von Wohngebäuden kommt nicht in Frage, weil Kraftwerk und Verbraucher zu weit von einander entfernt sind. Dies hat zur Folge, dass die großen Kraftwerke Gesamtwirkungsgrade erzielen, die deutlich unter 50 Prozent liegen.

Ganz anders sieht die Bilanz der Öl- und Gas-Heizungen in privaten Haushalten aus: Sie arbeiten mit Wirkungsgraden bis nahezu 100 Prozent. Dafür wird der exergetisch hochwertige Brennstoff nur in Wärme verwandelt, sein Potenzial zur Stromerzeugung bleibt ungenutzt.

Eine Alternative zu der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme bietet die so genannte Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Bei dieser Technik wird Strom in kleinen bis mittleren Anlagen, den so genannten Blockheizkraftwerken (BHKW), auf der Basis von Verbrennungsmotoren oder Turbinen erzeugt. Aufgrund des niedrigen Platzbedarfs und der guten Geräuschisolation können BHKWs in unmittelbarer Nähe des Endverbrauchers betrieben werden. Die Abwärme der Anlagen steht für Heizzwecke zur Verfügung. Durch diese gemeinsame Erzeugung von Strom und Wärme erreichen Blockheizkraftwerke Gesamtwirkungsgrade von rund 90 Prozent.

Trotz dieses gewaltigen Potenzials ist es bis heute nicht gelungen, für die Kraft-Wärme-Kopplung bedeutende Marktanteile zu erschließen. Dabei könnten grundsätzlich nahezu alle der rund 36 Millionen deutschen Haushalte ihre Heizwärme und ihr Warmwasser aus Blockheizkraftwerken beziehen. Bei einem Verhältnis von etwa zwei Kilowattstunden erzeugter Heizwärme pro Kilowattstunde Strom ließen sich große Anteile des hiesigen Strombedarfs decken.

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Es sind drei Hemmnisse, die einer flächendeckenden Einführung der KWK im Weg stehen:

• Die Anlagen sind noch immer zu teuer. Die Kosten für ein Blockheizkraftwerk liegen derzeit bei etwa 250 bis 500 Euro je Kilowatt installierter Wärmeleistung (das entspricht etwa 500 bis 1000 Euro je Kilowatt elektrischer Leistung). Kleinstanlagen, die so genannten Mikro-KWK, die einzelne Häuser mit Strom und Wärme versorgen, sind noch wesentlich teurer. Ein herkömmlicher Gas- oder Ölkessel kann für einen Bruchteil dieser Kosten installiert werden. Im Vergleich zu anderen umweltfreundlichen Technologien erfährt die KWK in Deutschland nur wenig staatliche Förderung.

• Die Produzenten von BHKW greifen bei den Antriebsaggregaten in der Regel auf Motoren aus dem Automobilbau oder aus der industriellen Fertigung zurück und passen diese auf ihre Bedürfnisse an. Für den Energiebedarf von Ein- und Zweifamilienhäusern sind aber bereits die kleinsten Fahrzeugmotoren deutlich überdimensioniert. Aus diesem Grund sind derzeit nur sehr wenige Hersteller mit Geräten für kleine Gebäudeeinheiten am Markt vertreten.

• Der Wärmebedarf von Gebäuden unterliegt im Verlauf eines Jahres sehr großen Schwankungen, auf welche die BHKW bislang nicht optimal reagieren können. Während im Sommerhalbjahr lediglich der Bedarf an warmem Wasser bereitgestellt werden muss, ist im Winterhalbjahr zusätzlich ein großer Anteil an Heizwärme erforderlich. Im Sommer sind daher lediglich 20 bis 25 Prozent der Wärmemenge erforderlich, die an den kältesten Tagen des Jahres benötigt wird.

Die Leistungsabgabe von Blockheizkraftwerken kann nicht wie etwa die Leistungsabgabe von Autos frei variiert werden. Der angeschlossene Generator zur Stromerzeugung stellt feste Ansprüche an die Drehzahl und das Drehmoment des Motors.

Die Leistungsregelung heutiger Anlagen erfolgt deshalb standardmäßig über die Installation mehrerer Anlagenblöcke. Bei niedrigem Wärmebedarf wird nur ein BHKW-Modul betrieben. Reicht dessen Leistung nicht mehr aus, werden das nächste Modul oder ein Spitzenlastkessel zugeschaltet.

KWK-Anlagen sind somit bis heute komplexe und teure Anlagen geblieben, die sich nur schwer an verschiedene Anforderungen anpassen lassen. Bei einer Weiterentwicklung auf diesem Gebiet kann es nicht um eine bloße Verbesserung von Wirkungsgraden und Stromausbeute gehen. Gefragt sind vielmehr umfassende Konzepte, die ein gut regelbares Kleinkraftwerk ermöglichen. Dabei dürfen natürlich auch Punkte wie die Lebensdauer der Anlagen nicht außer Acht gelassen werden. BHKW sollten etwa 15 Jahre mit jährlich 4000 bis 8000 Betriebstunden überstehen. In einem PKW müsste ein Motor mit einer vergleichbaren Betriebsstundenzahl mehrere Millionen Kilometer zurücklegen.

Dieser Herauforderung stellt sich an der Ruhr-Universität Bochum ein Team um Professor Wolfgang Eifler. Die Ingenieure arbeiten derzeit an einer neuartigen Leistungsregelung für Blockheizkraftwerke, mit der es möglich werden soll, auf das aufwändige Zuschalten weiterer Anlagenblöcke zu verzichten. Eifler und seine Kollegen wollen dafür die abgegebene Motorleistung erhöhen.

Einfaches „Gas geben“ ist dabei aber keine Lösung. Wegen der festen Vorgabe der Drehzahl ist lediglich ein Motorbetrieb mit unterschiedlichen Betriebsarten möglich. Die Bochumer Ingenieure arbeiten daran, die entsprechenden Technologien aus dem Automobilbereich auf die Heiztechnik zu übertragen. Sie erproben zum Beispiel einen Wechsel von magerem auf stöchiometrischen Betrieb, Turboaufladung oder aber Zylinderabschaltung und steuerungstechnische Eingriffe. Als derzeit aussichtsreichste Variante erweist sich dabei eine Kombination aus „Normalbetrieb“, mehrstufiger Aufladung und Verschiebung des Zündzeitpunktes.

Eifler und seinen Mitarbeitern gelingt es bereits, bei niedriger bis mittlerer Wärmeanforderung durch die Gebäudeheizung gleichzeitig Strom und Wärme mit guter Energieausnutzung zu erzeugen. Einen höheren Wärmebedarf können sie mit ihrer Testanlage ebenfalls decken, dann aber müssen sie eine gezielte Verschlechterung des elektrischen Wirkungsgrades in Kauf nehmen. Dieser ungünstige Betriebszustand ist aber nur an wenigen Tagen im Jahr erforderlich und hat somit keine wesentlichen Auswirkungen auf die Gesamtbilanz der Anlage.

Mit diesem intelligenten Konzept könnten zukünftiges BHKW deutlich flexibler und vor allem billiger werden. Die großen Kraftwerke ließen sich also mehr und mehr durch viele kleine stromerzeugenden Anlagen ersetzen. Diese würden dann dort stehen, wo sie hingehören: In den Heizungskellern der Wohnhäuser. ■

Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Eifler ist Inhaber des Lehrstuhls für Verbrennungsmotoren an der Ruhr-Universität Bochum. Er forscht in den Bereichen elektronische Motorsteuerungssysteme und alternative Antriebe. Dipl.- Ing. Stefan Stamm ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl.

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