TEIL C

WÄRMEENERGIE

Als Resultat der derzeitig angewandten Feuertechnologie finden fast alle nicht elektromagnetischen Energietransformationsprozesse mittels Wärme bzw. Hitze statt, meist noch in Verbindung mit hohen Drücken. Man schätzt, das weltweit über die Hälfte des Energiebedarfs auf die Erhitzung von Wasser fällt. Wärmeenergie ist daher sowohl Ausgangs- als auch Zielenergie, ihre Wertigkeit wird im Vergleich zu anderen Primär- oder Sekundärenergien jedoch meist als gering erachtet.

Zu den üblichen Heizzwecken (Wohnraum, Kochen, Waschen...) sind nur selten hohe Temperaturen erforderlich, meist reichen 50°C – 100°C aus. Aus diesem Grund finden wir unter der Oberbegriff Wärmeenergie auch die Themen Wärme-Kraft-Kopplung, Wärmepumpen, Wärmerückgewinnungssysteme u.ä. aufgeführt, die allesamt mit relativ geringen Temperaturdifferenzen arbeiten. Außerdem habe ich in diesen Teil auch den Begriff der besseren Wärmenutzung integriert, da sich daunter eine schon recht festgefügte Vorstellung von Gebäudeisolation, Dämmplatten, Doppelfenstern usw. gebildet hat, dabei aber nur selten an das Energiesparen in anderen Bereichen, beispielsweise im Industriesektor gedacht wird (Reduzierung der Transportwege, mehrfache Verpackungen usw.). Auf solche Unterthemen gehe ich im Kapitel Energiesparen ausführlicher ein. Überschneidungen zwischen den einzelnen Bereichen bitte ich zu entschuldigen, es ist aber äußerst schwierig, die Innovationen und Neuerungen immer klar zuzuordnen.

Bessere WÄrmenutzung

Der Zentralverband der elektrotechnischen Industrie (ZVEI) behauptet zwar, eine Einsparung auf dem Energiesektor von insgesamt 10 %  sei ‚sehr optimistisch’ sei, und höhere Werte zwischen 30 % und 40 % seien völlig unhaltbar und auch sachlich unbegründbar. Es ist daher verständlich, wenn der ZVEI darin einen Grund sieht, sofortige Genehmigungen zum Bau weiterer Kohle- und Kernkraftwerke zu fordern...

In der Realität sieht es jedoch so aus, daß von der aufgewendeten bzw. verbrauchten Primärenergie (beim Elektrizitätsverbrauch liegt die Industrie mit 36 % etwas hinter dem Haushaltsverbrauch von 40 %) immer noch mehr als die Hälfte ungenutzt verloren geht, sei es nun beim Transport oder beim Endverbraucher. Im Wärmebereich sieht es ähnlich aus – auch im Industriesektor.

Durch die ständigen Verteuerung der Energiepreise für Heizöl, Gas oder Strom hat sich in breiten Schichten der Bevölkerung allerdings die Erkenntnis durchgesetzt, daß das Energiesparen mit einer besseren Energieausnutzung gekoppelt ist – und dies besonders auf dem Sektor Wärmeenergie. Hier gehen nun Sanierungsmaßnahmen (Altbau-Isolation usw.) Hand in Hand mit dem individuellen Sparen (tiefere durchschnittliche Raumtemperatur u.ä.m.), hinzu kommen von seiten des Gesetzgebers neue Regelungen wie z.B. Dämm- und Isolationsvorschriften. Einen Teil dieser Maßnahmen und Vorschläge wird unter Sonnenenergie im Kapitel Solararchitektur behandelt.

In diesem Bereich wird Energie ja nicht ‚erzeugt’, man kann also auch nicht von Separationssystemen sprechen. Eher dient die Anleitung zu verantwortlicher Handhabung von Energie (und hier besonders von Wärmeenergie) dazu, künftige Verbrauchssteigerungen frühzeitig abzufangen und den ständigen Forderungen seitens der Industrie nach neuen und größeren Kraftwerken einen Riegel der Vernunft vorzuschieben. Immerhin soll in der Energieeinsparung das größte vorhandene Potential liegen, so daß schon Bundeskanzler Helmut Schmidt gerade diesem Bereich die oberste Priorität zugeordnet hat.

Der § 82a regelt beispielsweise den Wärmeschutz aller bis zum 01.01.1957 errichteten nichtgewerblichen Bauten, und eine weitere neue Verordnung beinhaltet den bis 1984 befristeten allgemeinen Einbau von Heizkosten-Verteilsystemen in Wohnungen und gewerblichen Räumen, ähnlich der Regelung von 1979 für Sozialwohnungen. Der Gesetzgeber hofft, mit dieser Methode den Heizenergieverbrauch um 30 % senken zu können. Es ist allerdings auch bekannt, daß die Heizkostenverteiler geschützt liegende Wohnungen bevorzugt berechnen und außerdem auch manipulierbar sind. Eine Studie des Bundeswirtschaftsministeriums umfaßt die folgenden Manipulationsmöglichkeiten, die allerdings immer zu höheren Anzeigen führten:

Abdecken durch trockenes Tuch		+ 23 %
Abdecken durch feuchtes Tuch		+ 12 %
Umwickeln mit Stanniolpapier		+ 38 %
Umwickeln mit Zeitungspapier		+ 10 %

Die Stiftung Warentest verzichtet ihrerseits auf die Bekanntgabe der von ihr ermittelten Manipulationsmöglichkeiten, da „solche Eingriffe betrügerisch sind“. Ihrer Darstellung nach soll es auch viele Methoden geben, welche die Anzeige zugunsten des Verbrauchers verändern können. Einer Untersuchung des Rheinisch-Westfälischen Kohlensyndikats zufolge ergibt sich beim Anblasen mit Luft durch einen Ventilator mit 0,6 m/s aus 2 m Entfernung ein Absenken der Verbrauchsanzeige um 32 %.

An dieser Stelle sei angemerkt, daß es auch relativ schwer zu manipulierende Systeme gibt (z.B. Wärmezähler), die über Temperatur und Durchflußmenge bei Zentralheizungen den Energiegehalt messen und die verbrauchte Wärmemenge anzeigen. Da diese Systeme allerdings nur ein einmaliges Einbauen erfordern – und nicht wie bei Heizkostenverteilern der Fall, ein mehrmaliges und regelmäßiges Ersetzen –, sind derartige Systeme bislang kaum auf den Markt gebracht worden.

Doch kehren wir zum Thema Energiesparen auf dem Wärmesektor zurück, denn das Sparfieber grassiert: In Hallenbädern wird auf Warmbadetage (28°C – 30°C) verzichtet, Freibäder schütten kleine Kunststoffkugeln auf die Wasseroberflächen, welche die wärmebedingte Verdunstungsrate bis zu 90 % senken (aber äußerst unangenehm sind), und einige Bundesländer schlagen zur Senkung der Heizkosten sogar vor, die Schul- und besonders die Winterferien zu verlängern. Doch die Grenzen des Sparens zeigen sich schnell. Wo teuer wärmeisoliert wird (Fenster, Türen), da muß mehr gelüftet werden – denn isolieren heißt ja ‚dichtmachen, abdichten’, und der Mensch braucht nun mal eine bestimmte Menge Sauerstoff zum Überleben. Außerdem verursacht die ebenfalls innerhalb der Räume verbleibende Luftfeuchtigkeit oftmals eine sehr ungesunde Schimmelbildung. Das Resultat des ‚Sparwahns’: Beim notwendigen Lüften geht noch mehr Wärme verloren als zuvor. Besonders, wenn nicht öfter kurz und kräftig, sondern – wie häufig festzustellen – das Fenster über lange Zeit einen Spalt breit offen bleibt! Natürlich besteht auch die Möglichkeit, den Wärmeinhalt der verbrauchten Raumluft als zusätzliche Energiequelle zu nutzen – doch dieses Wärmerecycling erfordert neue und teure Installationen und ist für kleine Quadratmeterzahlen noch unwirtschaftlich.

In Amerika, das von sich behauptet, in den Bereichen Ökologie und Energie weit vorn zu liegen, kommen langsam aber sicher sogenannte Huggler in Mode, eine Kombination von Schlafsack und Schlafrock – für ein energiesparendes zu-Hause-sitzen. Doch wer schon einmal seine Füße unter einen persischen Korsi gesteckt hat weiß, daß Hugglers oder dickere Steppjacken eher ein Zeichen westlicher Rückständigkeit sind, die in anderen Ländern schon seit Jahrhunderten – wenn nicht gar Jahrtausenden – weit übertroffen wurden, selbst wenn die Korsis erst ab 1981 auch elektrisch beheizt wurden. Zur Erklärung: Der Korsi ist eine Art überdachte Feuerstelle mitten im Raum, die von einer riesigen runden Wolldecke so umgeben ist, daß man die Füße und ggf. auch den ganzen Körper (zum Schlafen) darunter verstecken kann, während der Kopf oder – bei den langen Teeabenden – auch der ganze Oberkörper draußen und frisch bleibt. Um die Anwesenden zu wärmen braucht daher nur sehr wenig Energie aufgewendet zu werden.

Trotz alledem – Energiesparen wird ernst genommen. Die Bundesrepublik reserviert bis 1982 etwa 4,35 Mrd. DM als Beihilfen für energiesparende Baumaßnahmen, abzurechnen entweder als Zuschüsse (ca. 25 % der Investitionskosten), oder als Steuervergünstigungen. Die diesbezüglichen Informationen verteilt der Deutsche Mieterbund in Köln als kostenloses Sonderheft der Stiftung Warentest in Berlin, und das Heft heißt selbstredend ‚Energiesparen’.

Auch das Presse- und Informationsamt der Bundesregierung gibt in der Reihe ‚Bürger-Service’ ein entsprechendes Heft heraus: ‚Energiesparbuch für das Eigenheim’ (Nummer 17). Ein weiteres Heft ist speziell für die Interessenten an Fördergeldern für das Heizenergiesparen gedacht (Nummer 6). Einen ähnlichen Zweck hat auch die Wanderausstellung des Berliner Senats, die seit 1980 wiederholt in verschiedenen Bezirken der Stadt zu sehen ist.

Um die gewaltigen Einsparpotentiale bei der Raumheizung zu realisieren drückt die Bundesregierung 1977, 1984 und 1995 die Grenzwerte im Rahmen von drei Wärmeschutzverordnungen schrittweise nach oben. Insgesamt gelingt es dadurch den deutschen Heizenergieverbrauch um ein Drittel zu senken. Im Jahr 2000 wird die Wärmeschutzverordnung von einer neuen Energiesparverordnung abgelöst, die Mitte 2001 in Kraft tritt und der Branche einen massiven Schub gibt. Ab Anfang 2009 gilt dann das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG), das dem Heizen mit Sonne, Holz oder Biogas endlich zu einem Boom verhelfen soll. Immerhin macht die Wärmeerzeugung in Haushalten 26,1 % des gesamten Energieverbrauchs in Deutschland aus (Stand 2009).

Der Pflicht, Mindestanteile regenerativer Energie für Heizung und Warmwasserbereitung einzusetzen, unterliegen alle Bauherren, egal ob private, der Staat oder die Wirtschaft. Die Verpflichtung betrifft sowohl neue Wohnhäuser als auch Gewerbegebäude. In der Umsetzung müssen mindestens 15 % der Wärme aus Sonnenenergie bzw. alternativ 50 % aus Biomasse oder Erd- oder Umweltwärme stammen. Als Ersatzmaßnahmen sind auch zusätzliche Dämmmaßnahmen, der Anschluß an ein Fernwärmenetz oder die Abwärmenutzung aus einer Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage möglich. Im ersten Jahr des neunen Wärmegesetzes machen Solarthermieanlagen mit 39 % den größten Anteil der eingebauten Heizungsanlagen aus, gefolgt von Erdwärmepumpen (27 %), Luftwärmepumpen (14 %), Holz- oder Pelletheizungen (14 %), Biogas- (5 %) und Pflanzenölheizungen (0,9 %). Wärmepumpen, die solare Wärme indirekt nutzen, bilden mit 41 % die beliebteste Heizungstechnik zur Vollversorgung von Neubauten.

Trotzdem geht es noch weiter: Ende 2011 läuft beispielsweise die Frist ab, bis zu der bei allen Mehrfamilienhäusern bislang ungedämmte oberste Geschoßdecken gedämmt werden müssen. Andererseits streicht die Bundesregierung im März 2012 rund 100 Mio. € für die Erneuerbaren Energien im Wärmesektor zusammen, ebenso wie die Forschungsmittel im Bereich der Erneuerbaren Energien (9 Mio. €) sowie Mittel für eine verbesserte Energieeffizienz (10,5 Mio. €). Statt 352 Mio. € wie im Vorjahr stehen daher nur noch 250 Mio. € für die Förderung von Erneuerbaren Energien im Wärmebereich zur Verfügung.

Mitte 2012 meldet das Statistische Bundesamt, daß schon 34,4 % der 2011 fertiggestellten Neubauten erneuerbar beheizt werden.

Die Beschäftigung mit dem Energiesparen betrifft inzwischen aber auch die Bauindustrie. Zwar sollen Wärmeisolationen mittels konventioneller Baustoffe schon Ersparnisse bis 30 % oder gar 40 % erbringen, trotzdem forscht man nach neuen und noch effektiveren Baumaterialien – wie beispielsweise eine 20 cm dicke Mehrschichtwand, die beim amerikanischen Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelt wird, durchsichtig wie Thermopene-Fenster ist und in ihrer Isolationsfähigkeit hochwertigem Dämmmaterial mit einer Dicke von 5 cm entspricht. Bereits 1994 fördert die Bundesstiftung Umwelt die Firma Georg Rimmle im baden-württembergischen Ehingen bei der Entwicklung eines neuartigen Ziegelsteins, der seine stark wärmedämmenden Eigenschaften einem wabenförmigen Lochmuster und besonders schmalen Stegen von maximal 3,5 mm Breite verdankt. Die geringe Wärmeleitfähigkeit ist aber auch das Resultat einer keramischen Grundmasse aus natürlichen Tonen, Magerungsmitteln und geringen Mengen Kalk - unter Zugabe von Sägemehl, Polystrol, kurzfaserigen und chlorfreien Papierschlämmen, Holzstäuben oder Lignin aus der Zellstoffproduktion. Im Rahmen eines Verbundprojektes des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit arbeiten ab 2004 verschiedene Unternehmen und Forschungseinrichtungen an einer Vakuum-Isolation für vorgefertigte Fassadenelemente, bei denen Platten aus mikroporöser Kieselsäure unter Vakuum in eine gas- und wasserdampfdichte Folie gepackt und zu Paneelen verarbeitet werden, die eine 5 bis 10 Mal bessere Dämmwirkung haben als konventionelle Dämmsysteme.

Durch neue Methoden sind auch die Negativwirkungen von Innendämmungen (Tauwasserbildung und Schimmelbildung) nicht mehr relevant. Inzwischen lassen sich die Wärmeverluste außenliegender Wände durch den Einsatz feuchteadaptiver Dampfbremsen oder einer kapillaraktiven Innendämmung um 50 % bis 70 % reduzieren. Zwar wird durch die innen liegende Dämmung auf die Außenwand als Wärmespeichermasse verzichtet, aber mit den Innenwänden, Innendecken und dem Mobiliar bleiben ca. 80 % der Wärmespeichermasse erhalten.

Weit verbreitet sind inzwischen die modernen Energiesparfenster. Die mit Edelmetallen beschichteten Gläser filtern allerdings bis zu 85 % des für Pflanzen notwendigen kurzwelligen blauen und des langwelligen roten Lichts aus. Eine Lösung hierfür könnte die Entwicklung elektrochromer Gläser sein, die ab 1998 von der Firma Flabeg aus Fürth (seit 2000 in Nürnbeg) angeboten werden. Die Fenster, die aus einer äußeren und einer inneren Scheibe bestehen, deren Zwischenraum mit Edelgas gefüllt ist (im Grunde also wie bei den üblichen modernen Doppelglasfenstern), besitzen einen elektrisch regelbaren Lichtdurchlaß. Die äußere Scheibe besteht aus einer 9 mm starken Sandwich-Konstruktion aus zwei beschichteten Gläsern, die über eine hauchdünne Polymerfolie miteinander verbunden sind: Der innere Teil ist mit einer transparenten, leitfähigen Wolframoxydschicht versehen, während der äußere Teil eine ebenfalls transparente und leitfähige Zinkoxydschicht trägt. Die Polymerfolie, die über die elektrische Steuereinheit mit einer Betriebsstromquelle (etwa 5 V) verbunden ist, lenkt den Ionenstrom: Wandern die Ionen in Richtung der Wolframoxydschicht, so färbt sich das Glas dunkel – wandern die Ionen dagegen zur Zinkoxydschicht, die als Ionenspeicher dienst, hellt sich das Glas auf. Dadurch läßt sich eine unerwünschte Aufheizung der Räume im Sommer verhindern und der Energieaufwand für die Klimatisierung reduzieren. Auch diese und ähnliche Entwicklungen stelle ich ausführlich in den Kapiteln zur Solararchitektur vor, insbesondere ab 2009 (s.d.).

Nicht zuletzt wird durch neue architektonische Maßnahmen versucht, effiziente Baustoffe mit alten Baumethoden zu koppeln, womit sich bis zu 60 % der üblichen Heizkosten sparen lassen. Ein gutes Beispiel für eine derartige Architektur bildet die Stratiform-Kuppelkonstruktion des Architekten William Milburn in Colorado, welcher für die Außenwandherstellung ein neues Sandwichverfahren entwickelt und auch erfolgreich anwendet.

Die neue energiesparende Architektur empfiehlt, schon während der Grundrißplanung den Zoneneffekt zu nutzen, d.h. die Zimmer so zu konzipieren, daß sie als isolierende thermische Pufferzonen wirken, außerdem wird die Südseitenbepflanzung durch Wintergärten, die Fassadenbegrünung und überhaupt ein stärkeres Zusammenleben mit Pflanzen vorgeschlagen. So lebt ein Tübinger Innenarchitekt versuchsweise über vier Jahre in einem Gewächshaus – und neben seinem gesundheitlichen Wohlbefinden resultiert aus dem Versuch auch eine erhebliche Energieeinsparung.

Bereits 1987 ergibt eine Untersuchung des Instituts für Ökologie der TU-Berlin, daß der Isolationseffekt begrünter Hausfassaden bis zu 4°C kühleren Wänden im Hochsommer und 3°C wärmeren Wänden im Winter führt.

Auch das partielle Eingraben von Häusern taucht in der entsprechenden Literatur auf – doch die endgültige Zielsetzung bilden sogenannte autarke oder autonome Häuser (auch Null-Energie-Häuser genannt), die unter Ausnutzung von Sonnenenergie, Wind und Wärmerückgewinnungssystemen mit Hilfe von Wärmepumpen usw. ihren Wärme- und Energiebedarf selbst decken können. Zitat PROKOL (Berlin): "Nur autonome Häuser können eine weitere Verdichtung und Entstehung von städtischen Ballungsräumen verhindern" ...und die Energiekrise entschärfen.

An dieser Stelle möchte ich noch kurz (und kritisch) auf den energiesparenden Vorschlag des amerikanischen Physikers Robert V. Pound eingehen, der eine Beheizung mittels Mikrowellen empfiehlt. Da bei einem derartigen Heizsystem die Wassermoleküle in lebenden Zellen in Bewegung gesetzt werden, womit tief im Gewebe (Reibungs-) Wärme erzeugt wird, bleiben Stühle und Betten kalt und klamm, außerdem sind die potentiellen Gefährdungen wie Verbrennungen im Leibesinnern oder im Auge umstritten, ebenso wie Krebserkrankungen, genetische Veränderungen, Sexualstörungen u.ä.m.

Eine wesentlich bessere Alternative bilden hier Dunkelstrahler (Infrarotstrahler), die bis zu 50 % gegenüber herkömmlichen Heizsystemen einsparen können. Bei diesem System erfolgt die Verbrennung eines Sauerstoff-Gas-Gemischs in geschlossenen Brennern mit Stahlrohren. Durch die mit Erd- oder Flüssiggas erzeugten Heißgase wird die Oberfläche der Stahlrohre erhitzt und strahlt Infrarotstrahlen im Wellenlängenbereich von 0,8 µm bis 800 µm ab. Ein weiterer Vorteil ist, daß keine Zugerscheinungen und Staubaufwirbelungen entstehen, wie es bei Warmluftheizungen der Fall ist. Über solche Technologie berichte ich ausführlicher im Unterkapitel Effiziente Heizsysteme.

Und noch eine weitere Großbaustelle gibt es: Europas Industrie vergeudet nämlich durch fehlende Dämmungen jährlich Energie im Gegenwert von 3,5 Mrd. Euro, da etwa ein Zehntel aller industriellen Anlagen ungedämmt ist oder beschädigte Isolierungen aufweist. Typisch sind z.B. ungedämmte Armaturen sowie Rohrleitungen und Tanks, deren ehemals vorhandene Dämmung bei Reparaturen entfernt und nicht mehr erneuert wurden. Durch eine bessere Dämmung könnte die Industrie soviel Energie einsparen, wie es dem Jahresenergieverbrauch von immerhin 10 Mio. Durchschnittshaushalten entspricht.

An dieser Stelle möchte ich nun noch einige Technologien präsentieren, die dabei helfen können, den Weg zum nachhaltigen Wärmekonsum zu ebnen.

Im Jahr 2005 (?) stellt Ray Avedon seine Erfindung Thermal Equalizer vor, von der er innerhalb kurzer Zeit rund 12.000 Stück verkauft. Es handelt sich um nichts anderes als einen ummantelten Deckenventilator, der die Heizwärme, die in hohen Werkhallen schnell an die Decke steigt, einsaugt und in einem runden, gerichteten Strahl wieder zum Boden zurück bläst. Die Geräte kosten je nach Größe und Konfiguration zwischen 400 $ und 2.500 $ und sollen rund 20 % der Heizkosten einsparen.

Ein genau anders herum funktionierendes System namens GreenBox, bei dem die kalte Bodenluft durch ästhetisch designte runde oder eckige ‚Kamine’ aus leichten Materialien an die Decke geblasen wird, um die dortige Warme Luft nach unten zu verdrängen, wird von dem Designer Farsad Ghaffarian im April 2010 vorgestellt. Mir ist nicht bekannt, ob diese Innovation schon in Produktion ging.

Die Firma Schöck Bauteile GmbH aus Baden-Baden bietet wiederum tragende Wärmedämmelemente an, welche die verlustbringenden Wärmebrücken minimieren. Insbesondere hochwertige Balkonsysteme (der 2010 ausgegründeten Schöck Balkonsysteme GmbH) sogen für eine thermische Trennung der Balkone, die viel Energie einsparen kann. Auf dem Thermobild kann man gut sehen, wie die Bodenplatten unisolierter Balkone die Heizwärme regelrecht aus der Wohnung ‚ziehen’. Man rechnet hier mit Einsparung um die 30 %.

Sehr interessant ist auch eine Meldung vom Juli 2012, der zufolge die Stadt Bocholt mit einem Flugzeug und einer Wärmebildkamera nach schlecht gedämmten Dächern sucht, um die Hausbesitzer auf die entsprechenden Mängel hinzuweisen.

Alles in allem kann über die bessere Wärmeausnutzung nur gesagt werden, daß sie zwar im volkswirtschaftlichen Rahmen ihre berechtigten Verteidiger hat – doch sie kuriert nur an den Symptomen herum und berücksichtigt kaum das Thema der Energieerzeugung an sich. Trotz allem findet sich unter den Wärmeenergie-Systemen auch etliches, das einer ausführlicheren Betrachtung Wert ist. Einige Beispiele dafür möchte ich nachfolgend aufführen.

WÄrme-Kraft-Kopplung (WKK oder KWK)

Dieses System ist als Brennstoffverbraucher – ähnlich wie Fernwärmesysteme – eigentlich den fossilen Energiesystemen unterzuordnen, die ich hier bewußt ausgeklammert habe. Da es in der Energiedebatte jedoch immer wieder als Alternativkonzept auftaucht, möchte ich es wenigstens kurz behandeln. Die Theorie ist einfach: Ein Motor im Keller des Eigenheims erzeugt über einen Generator Elektrizität und nutzbare Abwärme. Da diese Wärme für Heiz- und Brauchwasserzwecke genutzt wird, ist der Gesamtwirkungsgrad mit etwa 90 % gleichzusetzen. Der Strom und die Wärme werden fast ohne Leistungsverluste direkt an den Verbraucher abgegeben, während gegebenenfalls überschüssiger Strom ins öffentliche Netz eingespeist werden kann. Sogar die gesetzlichen Grundlagen hierfür sind schon geschaffen, was noch fehlt, ist die breite Umsetzung.

Im Jahr 1978 begehen die Mitglieder der ‚Interdisziplinären Projektgruppe für angepaßte Technologie’ (IPAT) der TU-Berlin eine Straftat, die mit Geldbußen bis zu 50.000 DM bedroht wird: Sie erzeugen illegal Strom. Prof. Günter Axt und Prof. Burkhard Strümpel nebst ihren Mitverschwörern setzen hierfür eine kombinierte Wärme-Strom-Maschine ein, aus der innerhalb einer Stunde genug Heißwasser läuft, um im Dauerbetrieb eine Raumfläche von 300 m² zu erwärmen, sowie ausreichend Strom für zehn Normalfamilien. Die Maschine ist eine Leihgabe von Fiat, wo das System namens Total Energy Module (TOTEM) auf Grundlage eines Kleinwagenmotors der Modellreihe Fiat 127 entwickelt worden ist. Es kann wahlweise mit Erd- oder Stadtgas betrieben werden.

Doch sogar die Pioniere der IPAT haben einen Vorläufer, denn schon 1933 plädiert ein Mitarbeiter der BEWAG namens E. Schulz für eine dezentrale Wärme-Kraft-Kopplung zur Verminderung der Transportverluste bei elektrischem Strom! Doch jahrzehntelang passiert erst einmal gar nichts.

Erst 1978 erstellt der nordfriesische Technologieberater Ulrich Jochimsen gemeinsam mit Dr. Eike Schwarz und dem Mainzer Verfassungsrechtler Prof. Hans Heinrich Rupp eine Energiebox-Studie für den Hessischen Ministerpräsidenten in Wiesbaden, die dort seither allerdings in der Schublade schlummern soll. Mitte 1980 initiiert die Vereinigung Industrielle Kraftwirtschaft (VIK) eine weitere Studie, die sogar vom BMFT unterstützt wird. Inhalt dieser Studie sind die Potentiale an Strom und Abwärme, die in der Industrie vorhanden sind und im Rahmen einer Wärme-Kraft-Kopplung ggf. genutzt werden könnten. Auch die TU-Berlin beschäftigt sich mit diesem Thema. Die Professoren Axt und Strümpel errechnen beispielsweise, daß eine ausschließlich auf Wärme-Kraft-Kopplung aufbauende Energieerzeugung jährlich etwa 15 Mio. Tonnen Erdöl einsparen würde – und 1980 hat diese Menge immerhin schon einen Wert von 3,9 Mrd. DM!

Im Gegensatz dazu behauptet die Berliner BEWAG, daß der Einsatz von Energieboxen u.ä. nur im Gasbetrieb sinnvoll ist. Immerhin finden zu diesem Zeitpunkt schon einige Versuchsreihen statt, so z.B. am 57 MW Mehrzweckforschungsreaktor der KfA-Jülich und bei der bereits genannten VIK, wo mit 6-Zylinder LKW-Motoren und mit 2 MW -Schiffsdieseln experimentiert wird.

Wichtig und zukunftsträchtig ist das Konzept der Wärme­Kraft-Kopplung vor allem deshalb, weil in der Industrie ein großer Teil der produzierten Prozeßwärme ungenutzt und oftmals sogar Schaden anrichtend an die Umwelt abgegeben wird (Dampf, Abluft, Kühltürme usw.). Doch die Kraftwerke könnten dem Konzept entsprechend angepaßt werden. Ein Beispiel hierfür bildet das Renommierkraftwerk, das unter dem Namen Blockheizkraftwerk von den Stadtwerken Heidenheim betrieben wird. Außerdem geht in Frankenthal/Pfalz Anfang 1979 ein stadteigenes Blockheizkraftwerk mit 428 kW Elektrizität und 748 kW Wärme in Betrieb. Dieses Gasmotorenwerk soll mit einem Gesamtwirkungsgrad von 80 % arbeiten.

Schon seit 1973 arbeitet ein 15-Mann-Team von VW an dem Konzept, einen hauseigenen Motor zur WKK zu nutzen. 1982 begannen dann Langzeittests in verschiedenen Eigenheimen – wobei allerdings die ‚Kraft’ der WKK ausgenommen wurde: Der Motor treibt nur noch die das Haus beheizende Wärmepumpe an. Das System soll 1984 für etwa 20.000 DM auf den Markt kommen.

Auch in den USA nimmt die Zahl der WKK-Systeme seit 1978 stark zu. In Kalifornien werden in den 1980er Jahren bereits über 1.500 MW durch auf Gas basierende WKKs erzeugt – und schon 1985 produziert bereits die Hälfte aller dortigen Industrieunternehmen ihren Strom selbst – mittels der Wärme-Kraft-Kopplung.

Im Jahr 1981 entsteht an dem Berliner Kulturcentrum ufafabrik – ein Besetzerprojekt aus den später 1970er Jahren – ein erstes BHKW in Selbstbauweise, indem ein ausgedienter LKW zur Strom- und Wärmeerzeugung umfunktioniert wird. Der Dieselmotor treibt einen Generator an, und die im Kühlwasser und Abgas enthaltene Wärmeenergie wird mit Hilfe von selbstgebauten Wärmetauschern zur Heizung und Warmwassererzeugung genutzt. Und schon damals werden die Schadstoffe im Abgas mittels einer Rauchgaswäsche reduziert. Der noch vergleichsweise primitive ‚Mao-Diesel’ erzeugt etwa 50 kW Strom und rund 100 kW Wärme.

1994 wird der Selbstbau durch ein computergesteuertes Kraft-Wärme-System aus zwei mit Erdgas betriebene Sechszylinder-Motoren und zwei Spezialgeneratoren ersetzt, die zusammen rund 88 kW Strom und 190 kW Wärme erzeugen.

In den Niederlanden wird Ende 2005 bereits 7 % des nationalen Strombedarfs durch den Gartenbau abgedeckt, da immer mehr Gärtner in KWK-Anlagen investieren. Sie verwenden den erzeugten Strom selbst zur Belichtung der Pflanzen im Unterglas-Gartenbau und verkaufen den Überschuß an Kollegen oder an regionale Energieversorger. Inzwischen entscheiden sich allerdings immer mehr Gärtner dafür, die gesamte Stormproduktion zu verkaufen, da die hohen Strompreise dieses Geschäft interessant machen und zu einer schnellen Amortisation der KWK-Anlage führen. In jedem Fall wird die Abwärme im Gewächshaus genutzt; in vielen Fällen wird auch das CO₂ verwertet. Alleine 2004 werden in den Niederlanden WKK-Anlagen mit einer Leistung von zusammen rund 100 MW gebaut. Bis 2010 rechnet man mit einer Verdreifachung der heutigen Gesamtleistung auf dann 2.000 MW.

Tatsächlich erreichen die Niederlande schon 2006 einen KWK-Stromanteil von 38 %, wodurch das Land unter den EU-Staaten den zweiten Platz einnimmt. Die Zunahme der KWK-Stromerzeugung verlief – möglicherweise aufgrund bedeutender eigener Erdgasfelder - ab 1987 beschleunigt und die damals schon installierte Leistung in Höhe von 2,7 GW wächst bis 1997 auf 7,5 GW an.

Den Spitzenplatz nimmt Dänemark ein, wo 1980 schon 30 % des Raumwärmebedarfs mit Fernwärme abgedeckt wird, wobei dieser Anteil bis 1995 auf 50 % anwächst, was vor allem auf eine hohe Heizölbesteuerung zurückzuführen ist. Während die Fernwärme ursprünglich noch zu großen Teilen in Kohle-Heizwerken erzeugt wurde, erleichtert die Fortentwicklung der KWK-Technik in den 1990er Jahren eine zügige Umstellung auf erdgasbetriebene KWK-Anlagen. 2006 beträgt der Anteil der Stromerzeugung aus KWK an der gesamten dänischen Stromerzeugung schon 53 %. Dieser Zuwachs findet vor allem im Industrie- und Gewerbebereich durch Installation von Gasturbinen- und GuD-Anlagen statt, aber auch die in Heizkraftwerken installierte elektrische Leistung verdoppelt sich in dieser Dekade fast. Eine Besonderheit stellt dabei dar, daß bereits 1987 eine klare organisatorische Trennung zwischen der Produktion in Großkraftwerken, dem Transportnetz und der regionalen Verteilerunternehmen eingeführt wird, wodurch die Marktmacht der ursprünglichen Verbundunternehmen in einem Maße geschwächt wird, daß damit die vorher oft übliche Praxis des ‚Auskaufens’ von KWK-Projekten beendet werden konnte. Hinzu kommen staatliche Zuschüsse, günstige Erdgaspreise für KWK-Projekte und die Einrichtung einer effektiven Projektberatungsagentur.

In Finnland sind hohe KWK-Anteile, begünstigt durch das Fehlen einer konkurrierenden Erdgasversorgung für kleine Verbraucher, vor allem durch einen intensiven Ausbau der Fernwärmeversorgung entstanden, die bereits in den 1960er Jahren begann und sich bis heute fortsetzt. Die Besonderheit des finnischen Erfolgsrezeptes ist, daß die staatliche Einflußnahme relativ gering ausgefallen ist und das größte finnische Verbundunternehmen schon früh erkannte, daß die Errichtung von KWK-Anlagen in vielen Fällen die wirtschaftlichste Variante darstellt, um zusätzliche Kapazitäten zu schaffen.

Auf der ISH 2005 präsentiert der Anfang 2001 gegründete Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung (B.KWK) auf einem Gemeinschaftsstand erstmals Mikro-KWK-Anlagen verschiedener Hersteller aus Deutschland, Großbritannien und Neuseeland, welche die Größe von Waschmaschinen oder Wandschränken haben. Die vorgestellten Anlagen werden bereits auf dem Markt angeboten oder stehen kurz vor der Einführung. Auf seiner Jahrestagung Ende 2006 in Berlin gibt der B.KWK bekannt, daß das wirtschaftlich umsetzbare Potential der KWK mindestens 57 % der gesamten Stromerzeugung in Deutschland decken könnte.

Deutscher Vorzeige-Ort in Sachen Kraft-Wärme-Kopplung ist Schwäbisch Hall, dessen Stadtwerke sich zu 100 % im Besitz der Stadt, und somit der Bürger befinden. Deshalb kommt ihnen auch der Gewinn der Stadtwerke zugute: Im Jahr 2008 immerhin 4 Mio. € nach Steuer, nur erreicht dank Kraft-Wärme-Kopplung.

Zu Beginn des Jahres 2009 hört man von plötzlich auch von seiten der Siemens AG, daß das Mikro-KWK ein „äußerst innovatives Strom- und Heizsystem für Ein- und Mehrfamilienhäuser“ seit und zu den effizientesten Methoden der Energiegewinnung gehört. Die Sparte Siemens Building Technologies entwickelt für dieses neuartige Heizsystem (sic!) nun die entsprechende Steuerungselektronik und würde dabei mit Herstellern von Brennwertkesseln zusammenarbeiten – darunter Viessmann, Vaillant, Remeha B.V. sowie der Baxi Group.

Im September 2009 unterzeichnen der Hamburger Ökostromanbieter LichtBlick AG und der Autokonzern Volkswagen einen weltweit gültigen Exklusivvertrag zum Bau und zur Vermarktung von bis zu 100.000 Minikraftwerken, die mit Stadtgas betrieben werden. Sie sollen in den Kellern regulärer Wohnhäuser eingebaut werden, wobei mit der produzierten Energie zwei Atomkraftwerke ersetzt werden könnten. Dank intelligenter Steuerung und Vernetzung sowie äußerst schnellen Reaktionszeiten könnten dann 1.000, 10.000 oder auch 100.000 Anlagen blitzschnell zu einer Art virtuellem Großkraftwerk zusammengeschaltet werden und ihren Strom in das öffentliche Netz einspeisen, wenn am Markt ein hoher Strombedarf besteht. Innerhalb kürzester Zeit meldet Lichtblick 3.500 Anfragen für das auch ZuhauseKraftwerk genannte System, das Ende 2010 in die Massenproduktion gehen und 5.000 € kosten sollen.

Tatsächlich dauert es dann aber noch bis zum November 2010, bis die ersten Mini-Gaskraftwerke in Hamburger Kellern in Betrieb gehen, wobei die Kunden mit 5.000 € bis 8.000 € an der Installation beteiligt werden. Sie zahlen außerdem eher symbolische 20 € pro Monat für die Nutzung, inbegriffen sämtliche Kosten für Wartung und mögliche Reparaturen. Dafür gibt es eine Standflächenmiete von monatlich 5 €, zwischen 0,5 und 2,5 Cent pro eingespeister Kilowattstunde als sogenannten Umweltbonus in Form eines Rabatts auf die Wärmelieferung sowie 20 % Energiekostenersparnis gegenüber einer modernen Heizung, da sich die Kosten für die benötigte Wärme nach dem Gaspreisindex des Statistischen Bundesamtes richten und pauschal erhoben werden. Im Juni 2011 werden auch in Privathäusern und Unternehmen in Berlin die ersten ZuhauseKraftwerke in Betrieb genommen. Insgesamt sind zu diesem Zeitpunkt bereits 120 installiert – was angesichts der ursprünglichen Zielsetzung noch ziemlich wenig ist.

Es geht aber auch eine Nummer größer. Die Stadtwerke Hannover beispielsweise beziehen ihren Strom bereits überwiegend aus KWK-Anlagen. Das Gemeinschaftskraftwerk Hannover etwa stellt 290 MW elektrische und 425 MW Wärmeleistung zur Verfügung, die größtenteils sommers wie winters von zwei Industrieunternehmen – VW Nutzfahrzeuge und der Continental AG – abgenommen wird. Im Jahresmittel kommt das Kraftwerk auf einen Wirkungsgrad von 60 %.

Mitte 2009 höre ich das erste Mal von einer interessanten Abwandlung des Kopplungsbegriffes: Unter Bit-Wärme-Kopplung versteht man, daß große Computer Gebäude beheizen. Vorgestellt wird das Konzept von Forschern der ETH Zürich und von IBM im Schweizer Rüschlikon. Ihr Motiv: Bei Supercomputern entfallen auf die Kühlung der Chips, die nicht heißer als 85°C werden dürfen, schon bis zu 50 % des verbrauchten Stroms.

Das Aquasar genannte System besteht – ähnlich dem Blutkreislauf beim Menschen – aus einem Netz von Hunderten mikrofluidischen Leitungen, die im Abstand von wenigen Mikrometern über die Chips geführt werden. Dort nimmt das Kühlwasser die Abwärme der Schaltkreise auf, erhitzt sich auf 60°C und wird zu einem Wärmetauscher geleitet. Als Pilotsystem werden zwei IBM BladeCenter Server an der ETH Zürich genutzt. Auch hier gibt es ein klares Motiv: Bereits jetzt verbraucht die globale IT-Infrastruktur knapp 5 % aller Energie – was sich in den kommenden fünf Jahren verdoppeln dürfte.

Bisherige Ansätze haben sich auf ein Rechenzentrum von Telehouse Europe in London beschränkt, wo man mittels einer Luftkühlung von Computern angrenzende Büros heizt, und auf IBM, wo mit der Abwärme Treibhäuser oder Swimming-pools beheizt werden.

Im März 2010 starten die EnBW Energie Baden-Württemberg AG und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart ein vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördertes gemeinsames Forschungsprojekt mit dem Titel ‚Mikrogasturbinen-Blockheizkraftwerk für Erdgas zur dezentralen Energiebereitstellung’, bei dem ein erdgasbasiertes Kleinkraftwerk mit einer Mikrogasturbine (MGT) mit gekoppelter Strom- und Wärmebereitstellung entwickelt und in einer Pilotanlage umgesetzt werden soll. Durch keramische Heißgaskomponenten sollen die Betriebstemperatur und damit der Wirkungsgrad erhöht werden. Sie sollen sich im übrigen hervorragend für Biogas eignen.

Auf der IFH/Intherm 2010 präsentiert die Bomat Heiztechnik GmbH neben Abgaswärmetauschern für Öl- und Gas-Heizungen auch erstmalig seine neuen Minitherm-Abgaswärmetauscher für Blockheizkraftwerke (BHKW) mit einer thermischen Leistung von 10 kW bis 150 kW. Und wenn das Klein-Blockheizkraftwerk luftschalltechnisch nervt, helfen Passiv- bzw. Absorptionsschalldämpfer von Kutzner + Weber, die speziell für die Installation in Abgasanlagen von BHKWs ausgelegt sind.

Vor dem Hintergrund des 6. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung veranstalteten das Bundeswirtschaftsministerium, der Projektträger Jülich und das DLR im November 2010 ein Statusseminar zum Thema ‚Perspektiven der KWK-Technologie’. Besonders zwei Informationen klingen äußerst vielversprechend:

Der Stirling-Motor des Heizungsbauers Viessmann, der einen Gesamtwirkungsgrad von 96 % erreichen soll, steht kurz vor der Markteinführung. Das wartungsfreie Mikro-KWK für Einfamilienhäuser kombiniert einen Freikolbenstirling mit einem Spitzenlastbrenner in kompakter Bauweise. (Der Vitotwin 300-W mit 1 kW elektrischer und 6 kW thermischer Leistung ist ab September 2011 erhältlich). Dr. Markus Gräf vom UMC Stuttgart will bis 2013 mit einem Freikolbenlineargenerator bessere Wirkungsgrade im Teillastbereich verwirklichen. Und Prof. Reiner Numrich von der Universität Paderborn mißt bei neu entwickelten Drallrohren gegenüber Glattrohren einen um 20 % besseren Wärmeübergang – was sehr wichtig sein kann, denn optimale Wärmeaustauscher sind der Schlüssel für eine effektive Wärmespeicherung (über solche Rohe, die mitnichten neu sind, berichte ich im Teil D unter Wirbelströmung III).

2010 ist bei der Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung Finnland weltweit führend, das diese Technologie - gesetzlich gefördert - seit den 1960er Jahren in breitem Rahmen verwendet und inzwischen einen Drittel seines Strombedarfs aus industrieller Abwärme deckt. Europa als Ganzes erzeugt 11 % seiner Elektrizität auf diese Art und Weise, wobei neben Finnland noch Dänemark und die Niederlanden auf dem Siegertreppchen stehen.

Der Remscheider Heizungsspezialist Vaillant und der japanische Technologiekonzern Honda stellen im Februar 2011 das europaweit erste Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit hocheffizienter Gasmotorentechnologie für den Einsatz in Einfamilienhäusern vor. Das Mikro-Heizkraftwerk ist unter dem Produktnamen Vaillant ecoPOWER 1.0 ist in Deutschland ab Jahresmitte erhältlich. Honda soll bereits 80.000 japanische Haushalte damit ausgestattet haben. Die kompakte Module erzeugen 1 kW elektrische und 2,5 kW thermische Leistung, der Gesamtwirkungsgrad liegt bei 90 % und der Preis bei ca. 16.000 €. Im Juli wird die Produktion von Mini-Blockheizkraftwerken am Vaillant-Standort Gelsenkirchen aufgenommen. Das jährliche Produktionsvolumen liegt bei rund 1.000 Anlagen und soll schrittweise erhöht werden. Das Unternehmen produziert in Gelsenkirchen jährlich bereits über 10.000 Wärmepumpen, und seit 2008 zudem 100.000 solarthermische Flachkollektoren pro Jahr (ist in diesem Bereich aber schon seit Jahrzehnten aktiv, z.B. hat es in den 1980ern eine Fertigungsstraße für extrem massive Aluminium-Solarkollektoren an die syrische Regierung verkauft, die anfänglich mit meiner eigenen Produktion konkurrierten – aber teilweise schon nach wenigen Tagen ausfielen).

Anlässlich der SHK 2012 im April stellt Vaillant ein neues BHKWmit einer elektrischen Leistung von von 7 kW - 20 kW und einer thermischen Leistung von 12 kW - 42 kW vor. Der elektrische Wirkungsgrad liegt bei 28 %. Der Industrie-4-Zylinder-Reihenmotor ist auf eine Laufzeit von 40.000 Stunden ausgelegt.

Durch das Mini-KWK-Förderprogramm der Bundesregierung gehen 2008 etwa 1.800 Mini-KWK-Anlagen mit einer Leistung bis zu 50 kW (elektrisch) in Betrieb, und 2009 sind es bereits rund 4.400 Stück. Mit dem Abbruch des Förderprogramms 2010 geht der Absatz deutlich zurück, und es werden nur noch ca. 4.000 Geräte installiert, obwohl schon Anfang des Jahres über 10.000 Förderanträge eingegangen waren.

Anfang 2012 veröffentlicht das Bundesumweltministerium dann neue Richtlinien für die Förderung von Mini-KWK-Anlagen bis 20 kW (Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz, KWKG), die im Mai im Bundestag beschlossen werden und im Juli in Kraft treten. Wieder förderfähig sind demnach Anlagen, die eine Leistung bis zu 20 kW (elektrisch) aufweisen 15 % bzw. 20 % Primärenergie einsparen, einen Gesamtjahresnutzungsgrad von mindestens 85 % erreichen und über Energiezähler für Strom- und Wärmeerzeugung verfügen. Vorhanden sein müssen außerdem ein Wärmespeicher mit einem Energiegehalt von mindestens 1,6 kWh pro installierte kW, eine Regelung für eine wärme- und stromgeführte Betriebsweise samt intelligentem Wärmespeichermanagement sowie ein Strombedarfsmeßsystem (Smart Meter) für Anlagen ab 3 kW. Der einmalige Zuschuß erfolgt durch das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) und beträgt zwischen 1.500 € und 3.450 €. Die Bundestagsfraktion von Bündnis 90/Die Grünen stimmt gegen das Gesetz und bringt (erfolglos) einen eigenen Entschließungsantrag zum Gesetzentwurf ein. Vom vorhandenen Fördertopf von 750 Mio. € im Jahr 2011 waren nämlich nur etwa 160 Mio. € abgerufen worden, und ein KWK-Ausbau hatte praktisch nicht stattgefunden.

Schon Mitte 2011 startet E.ON ein bundesweites Förderprojekt für die Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung, indem zusammen mit den Herstellern Brötje, Remeha, Senertec, Vaillant und Viessmann die Anschaffung einer Mikro-KWK-Anlage mit 1.000 € bezuschußt wird. Voraussetzung ist ein Erdgas-Liefervertrag mit einer der deutschen E.ON-Vertriebsgesellschaften. Die Anschaffungspreise bewegen sich derzeit zwischen 18.000 € und 25.000 €.

Zur Hannover Messe 2011 gibt der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) das Ergebnis einer Umfrage bekannt, der zufolge der Markt für dezentrale Mikro-KWK in Schwung kommt und das Angebot stetig wächst. Die Senertec beispielsweise erweitert ihre Produktpalette nach unten und wird ab Ende 2011 eine Mikro-KWK-Anlage namens Dachs Stirling SE ausliefern, die eine thermische Leistung von 6 kW und eine elektrische Leistung von 1 kW haben und sich sowohl mit Erd- und Flüssiggas als auch mit Bio-Erdgas betreiben lassen soll. Das Stirling-Gerät kann einen durchschnittlichen Strombedarf bis zu 70 % decken. Bei Spitzenlasten schaltet sich ein integrierter 18 kW Brenner hinzu. Der Preis liegt bei knapp 16.000 € inkl. Warmwasserbereitung für das Erdgasgerät und 16.200 € für das Flüssiggasgerät.

Auch die Firma August Brötje GmbH aus Rastede beginnt im Oktober 2011 mit dem Verkauf ihres EcoGen WGS, dessen Herz ebenfalls ein Stirling-Motor ist, der 5 kW Wärme und 1 kW elektrische Energie liefert.

Die 1999 gegründete 2G Home GmbH hat bis September 2011 in Deutschland schon 800 Anlagen installiert, die auf Basis der WhisperGen jeweils eine elektrische Leistung von 1 kW sowie bis 12 kW thermische Leistung abgeben. Sie sind nicht größer als ein Geschirrspüler, und die Berliner Gasag bietet ihren Kunden die kleinen Geräte zum Preis von 17.000 € an. Die Muttergesellschaft 2G baut und installiert aber auch BHKW-Anlagen bis 4.000 kW.

Baxi Innotech kündigt für 2012 ein Gerät auf Basis von Brennstoffzellen an (s.d., Update in Arbeit). Brennstoffzellen-Heizgeräte (BZH) versprechen höchste Wirkungsgrade und enormes Einsparpotential, was auch das auffallend große Interesse der Kommunen und Stadtwerke an dieser Technologie erklärt. Das auf 1,0 kW Strom und 1,7 kW Wärme ausgelegte Aggregat von Baxi ist speziell auf die energetischen Anforderungen von Einfamilienhäusern abgestimmt.

Auch Vaillant präsentiert den Prototyp des ersten wandhängenden Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungssystems mit Brennstoffzellen-Technologie (1 kW Strom und 2 kW Wärme). Er wird mit Erdgas betrieben und soll ab Herbst 2011 in einem deutschlandweiten Praxistest namens Callux getestet werden.

Mittlerweile gibt es aber auch schon ölbetriebene Kellerkraftwerke. In einem bis Ende 2011 befristeten Programm erhalten Berliner Kunden, die ein derartiges Miniblockheizkraftwerk in ihrem Keller installieren, ab Mitte 2010 bei ihrem Händler einen Zuschuß in Höhe von 750 €, vom Institut für wirtschaftliche Ölheizung weitere 500 € und vom Gerätehersteller nochmals 200 €. Parallel dazu sind auch für Kleinanwender mit Ein- und Dreifamilienhäusern Mikro-KWK-Anlagen auf Heizölbasis in der Entwicklung. Erste Produkte sind im Laborversuch und sollen Ende 2011 in den Feldtest gehen.

Im November meldet die Presse, daß der Freistaat Bayern der Hochschule Amberg-Weiden (HAW) eine Förderung in Höhe von 1,01 Mio. € zugesagt hat, um die Einrichtung und den Ausbau eines ‚Kompetenzzentrums für Kraft-Wärme-Kopplung’ zu unterstützen. Es wird mit einer stufenweise ansteigenden Förderung in den Folgejahren gerechnet.

Die Firma ÖkoFEN hatte bereits 2011 die Entwicklung einer Pelletheizanlage mit Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung unter dem Projektnamen ÖkoFEN_e angekündigt, woraus später Pellematic Smart_e wird.

Im April 2012 wird bekannt, daß das Pelletskraftwerk für zuhause aus einer modifizierten, kompakten Pellematic Smart Pelletheizung mit integriertem Schichtspeicher von ca. 600 l Volumen und einem 1 kW Freikolben-Stirling-Motor von Microgen Engine Corporation aus England bestehen wird. Die erste Feldtestphase beginnt 2012.

Im April 2012 meldet die Presse, daß die Deutsche Telekom nach den Themenfeldern Hausautomation und Datenerfassung (Smart Meter) nun auch in das Segment der Smart Grids auf Basis von Mini-KWK-Anlagen einsteigt und Energieversorgern ein Komplettpaket für virtuelle Kraftwerke anbietet. Partner sind die Firma Motoren-AT GmbH aus Vohburg/Rockolding als Hersteller von Blockheizkraftwerken, sowie die Greencom Networks als Spezialist für Energie-Kommunikation.

Das Angebot umfaßt den Einbau und die Wartung eines Mini-BHKWs, das mit Gas betrieben wird und dessen elektrische Leistung zwischen 1,5 und 2,5 kW und thermische Leistung bis zu 5 kW beträgt, die Fernsteuerung für den Energieversorger sowie ein Webportal für den Immobilienbesitzer. Es soll auch eine Variante für Heizöl geben.

Neben Lichtblick sind auch schon Vattenfall und (in regionalem Umfang) RWE mit eigenen Angeboten auf dem Markt. Vattenfall weitet sein Angebot über Berlin hinaus aus, um das gesamte Bundesgebiet versorgen. Um insbesondere Einspeisungs-Schwankungen von Strom aus Windkraft besser abpuffern zu können, sollen auch große KWK-Anlagen als Strom- und Wärmeproduzenten sowie Wärmepumpen und Kühlanlagen als Abnehmer in die virtuellen Netze integriert werden. Seit 2010 sind bereits 50 Blockheizkraftwerke und einige Wärmepumpen am Netz. RWE macht dagegen keine Angaben, wie viele Anlagen bereits installiert worden sind. In Kooperation mit Vaillant ist die Installation von bis zu 50 Ecopower 4.7 Anlagen der mittleren Größenklasse geplant, anschließend sollen auch kleinere Anlagen folgen.

Mitte 2012 wird gemeldet, daß in Hessen in den kommenden drei Jahren insgesamt 400 Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen von Vaillant in Wohngebäuden installiert werden sollen. Das bundesweit umfangreichste Pilotprojekt zum Ausbau der dezentralen Kraft-Wärme-Kopplung startet im Juni, und die Umsetzung erfolgt im Rahmen einer Kooperation zwischen dem Land Hessen, der Energie­dienstleistungsagentur hessenENERGIE, regionalen Versorgungsunternehmen und Vaillant. Um den Markteintritt von Mikro-KWK-Anlagen im Ein- und Zwei­familienhausbereich weiter zu beschleunigen entwickeln die Projektpartner ein spezielles Contrac­ting-Modell, bei dem Hauseigentümer entweder das Komplettsystem bei ihrem Versorger mieten, anstatt die Investitions- und Wartungskosten des selbst zu tragen, oder sie bekommen das System vom Versorger gestellt, beziehen das für den Betrieb der Anlage benötigte Gas und zahlen für den Verbrauch des selbstproduzierten Stroms. Jedes Mikro-KWK vom Typ ecoPOWER 1.0 wird durch das hessische Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz gefördert, wofür insgesamt 600.000 € bereitstehen. Zusätzlich wird jedes System mit bis zu 4.000 € von Vaillant und dem jeweiligen Energieversorgungsunternehmen bezuschußt.

Kraft-WÄrme-KÄlte-Kopplung

Neben der Kraft-Wärme-Kopplung gibt es auch noch die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung, die anhand eines charakteristischen Beispiels behandelt werden soll.

Die Stadtwerke Chemnitz nutzen ein Heizkraftwerk zu Produktion der Fernkälte, mit der sie im Sommer Büros und Läden kühlen. Schon 1973 bekommt die damalige Karl-Marx-Stadt als zweite deutsche Kommune nach Hamburg ein Fernkältenetz, das bis 1993 mit Kompressionskältemaschinen betrieben wird, bevor der Umstieg auf FCKW-freie Absorptionskältemaschinen erfolgt. Diese nutzen zur Kälteerzeugung keinen Strom, sondern Wärme, die gerade im Sommer durch das Heizkraftwerk ausreichend vorhanden ist. Das Netz selbst besteht aus einem 4,5 km langen Rohrsystem, in dem 5°C kaltes Wasser fließt, das nahezu alle großen Kälteabnehmer der Stadt versorgt, von der Oper über Museen bis zum Kaufhaus. Auch ein Teil der Universität ist an dieses Netz angeschlossen.

Die Umwandlung der Wärme in Kälte funktioniert dabei wie folgt: Wasser wird in einen Behälter eingesprüht, in dem ein starker Unterdruck herrscht, so daß es schon bei rund 4°C verdampft und dabei seiner Umgebung Wärme entzieht – wodurch der Kühleffekt entsteht. Der Wasserdampf wird anschließend von einer hochkonzentrierten Lithium-Bromid-Lösung absorbiert und in einen zweiten Behälter gepumpt, wo Wasser und Lösung mithilfe der 120°C heißen Abwärme des Kraftwerkes wieder voneinander getrennt werden, und der Prozeß von vorn beginnt.

Durch neue Einkaufszentren und große Glasfassaden steigt der Kältebedarf allerdings stetig, und als im Jahr 2000 auch eine zweite Absorptionsmaschine ausgelastet ist, installieren die Stadtwerke 2001 und 2005 zusätzlich zwei Kompressionsmaschinen für die Spitzenlast. Da der größte Kältebedarf allerdings mit dem größten Strombedarf am Mittag zusammenfällt, müssen sie mit teurem Spitzenlaststrom betrieben werden, weshalb die Stadtwerke nach einer neuen Lösung suchen.

In einem vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Forschungsvorhaben des Projektträgers Jülich berechnet die TU Chemnitz die Möglichkeit, die Kälte für den Spitzenbedarf zwischenzulagern, und kommt zu dem Ergebnis, daß ein Kältespeicher in der Anschaffung etwas preiswerter als eine Kompressionskältemaschine und im Betrieb deutlich effizienter ist. Im September 2006 wird daraufhin der Grundstein für den ersten Kurzzeit-Großkältespeicher Deutschlands gelegt, der knapp 1 Mio. € kostet, von denen das Ministerium 342.000 € trägt.

Da es das Ziel ist, einen möglichst preiswerten Speicher aus Standardkomponenten zu bauen, fällt die Wahl auf einen leicht modifizierten Behälter aus Stahlblechsegmenten, wie sie die Vergasung von Biomasse genutzt werden. Der 17 m hohe Stahlzylinder hat ein Fassungsvermögen von 3.500 m³ und ist von einer 38 mm dicken Kunstkautschuk-Schicht und 60 mm Polystyrol umhüllt, während das Fundament mit 150 mm Styrodur isoliert wird. Die Ausführungsplanung übernimmt die AIC Ingenieurgesellschaft für Bauplanung Chemnitz GmbH, während als Generalunternehmer die RAC-Rohrleitungsbau Altchemnitz GmbH beauftragt wird.

Ende Juni 2007 geht die Speicher ans Netz, der letztlich die Kompressionskältemaschinen vollständig überflüssig machen und durch die Nutzung der Abwärme den Wirkungsgrad des Kohlekraftwerks um 0,5 % bis 1 % erhöhen soll.

Im Oktober 2008 melden die Betreiber und die TU Chemnitz starkes Interesse an dem Projekt, sowohl national als auch international, beispielsweise aus Thailand und Dubai. Die gesamte Systemlösung funktioniert sehr gut, und das schwierige Problem der Schichtung des Wassers in unterschiedliche Temperaturbereiche zeigt sich ebenfalls als gut gelöst. Die nächsten großen Speicher werden bereits gebaut oder geplant.

Die Betriebsergebnisse aus zwei vollen Messjahren mit umfangreichen Auswertungen werden im März 2010 veröffentlicht und können aus dem Onlinearchiv der TU Chemnitz heruntergeladen werden.

Auf das Thema Kälte- und Eisspeicher gehe ich weiter unten noch ausführlicher ein.

Grenzen der WÄrme-Kraft-Kopplung

Ihre Grenzen findet die Wärme-Kraft-Kopplung (neben dem Sachverhalt, daß es im Grunde ja ein fossiles System ist) im auftretenden Emissionsverhalten, das besonders für Dieselkraftstoffe nicht besonders gut ist. Außerdem gab es lange Zeit die Schwierigkeit, daß laut juristischen Beurteilungen eine nichtkonzessionierte Stromerzeugung illegal ist und daher auch strafrechtlich verfolgt wird. Das ungeregelte Einspeisen von Strom ins öffentliche Netz ruft auch Schwankungen in dessen Spannung hervor. Soll der produzierte Strom also von den Stromversorgungsunternehmen aufgekauft werden, so müssen Leitungen verstärkt und zusätzliche Zähler installiert weiden – was alles mit einem verhältnismäßig großen Arbeitsaufwand nebst entsprechenden Kosten verbunden ist.

Beim Ausfall der Kleinanlage muß das Versorgungsnetz genügend Reservestrom bereithalten, außerdem ist eine komplizierte Synchronisierung das Gesamtnetzes erforderlich – bis hin zur Möglichkeit einer kraftwerkseitig zentral gesteuerten Rund(ab-)schaltung.

Was das Konzept einer dezentralen Wärme-Kraft-Kopplung inzwischen allerdings unterstützt, ist, daß seit 1978 auch billiges Heizöl als Kraftstoff für Dieselmotoren im Wärme-Kraft­Kopplungsbetrieb eingesetzt werden darf, was vorher nicht der Fall war.

Ein wesentliches Gerät zur Nutzung der Wärme relativ niedriger Temperaturgrade ist die Wärmepumpe, die als nächstes beschrieben und untersucht wird.

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