Die Energiebox - Dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung

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2. Die Energiebox

2.1. Die Energiebox als Kleinheizkraftwerk

Die Energiebox stellt in ihrer einfachsten Ausführung ein serienmäßig hergestelltes, kompaktes und daher leicht transportables Kleinheizkraftwerk mit einer elektrischen Leistungsfähigkeit von einigen Kilowatt (kW) bis zu einigen Hundert kW dar. Sie befindet sich im Eigentum des privaten Elektrizitäts- und Wärmeverbrauchers. Aufgrund der Beschränkung in der Leistung wird dieser bevorzugt dem Sektor Haushalt und Kleinverbrauch (einschließ­lich Gewerbe) zuzuordnen sein. Die in der Energiebox erzeugte elektrische Energie kann direkt in das Verteilungsnetz der EVU eingespeist werden /5 bis 10/.

Die wesentlichen Komponenten der Energiebox sind ein Antriebsmotor, ein von ihm angetriebener elektrischer Generator sowie mehrere Wärme­tauscher. Mit ihnen wird die bei der Elektrizitätserzeu­gung entstehende Ab­wärme aus dem Kühlwasser und den Auspuffgasen zur Beheizung konventio­neller Warmwasser-Zentralheizungen sowie zur Warmwasserbereitung heran­gezogen.

Als Antriebsmotoren eignen sich bevorzugt Dieselmotoren zur Verbrennung leichten Heizöls und Gasmotoren zur Verwendung von Erdgas. Dieselmotoren zeichnen sich durch einen besonders hohen Ausnutzungsgrad der eingesetzten Brennstoffenergie aus: So wird auch schon bei kleinen Anlagen - ohne Wärme-Kraft-Kopplung - ein Wirkungsgrad der Elektrizitätserzeugung von 28 % erreicht und damit der Wirkungsgrad der Elektrizitätsversorgung aus dem öffentlichen Elektrizitätsversorgungsnetz mit 31 % nur wenig unter­schritten.

Bild 1 gibt einen Überblick über die Energieflüsse, wie sie bei der Beheizung eines Einfamilienhauses mit einem Wärmebedarf von 17 kW (entsprechend rd. 15.000 kcal/h) durch eine Energiebox typi­scherweise auftreten. Dies stellt die kleinste sinnvolle Leistungsgröße der Energiebox dar (ohne Berücksichti­gung der evtl. wirtschaftlicheren Möglichkeit den maximalen Wärmebedarf auf Energiebox und eine konventionelle Zusatzheizung aufzuteilen; weitere Angaben siehe Anhang 1)

Bild 1: Energieflüsse bei der Energiebox

Wie sich aus Bild 1 ergibt, wird die eingesetzte Brennstoffenergie, die eine bereits veredelte und transportierte Sekundärenergie darstellt, zu 85 % für den Endverbraucher nutzbar gemacht. Die Ein­sparung an Primärenergie, also unter Einschluß der Aufbereitungs- und Verteilungsverluste, durch diese Art der Wärme-Kraft-Kopplung beträgt nach Anhang 2 rd. 40 % gegenüber der getrennten Erzeu­gung von Elektrizität in Großkraftwerken und der Wärme­erzeugung für die Raumheizung in Ölzentralheizungen.

Die Geräusche einer solchen Energiebox können mit den heutigen Methoden und Materialien der Schalldämmung so weit abgeschirmt werden, daß sie kaum lauter als übliche Ölheizkessel sind, so daß die Energiebox auch in Privat­häusern aufgestellt werden kann.

Die im Betrieb meist unerwünschte starre Kopplung zwischen der Elektri­zitäts- und der Wärmeerzeu­gung wird durch das relativ große Wärmespeicher­vermögen üblicher Heizungsanlagen und Gebäude verringert. Eine weitere Entkopplung läßt sich durch die Verwendung spezieller Wärmespeicher (z. B. Wassertanks) erreichen.

Die Zeitdauer, die eine Energiebox als kombiniertes Notstrom-/Notwärme­aggregat im Hinblick auf eine krisenfeste Versorgung mit Elektrizität und Wärme überbrücken kann, ist im wesentlichen nur vom Fassungsvermögen des vorhandenen Speichertanks für den Brennstoff abhängig, Selbst Tank­anla­gen üblicher Größe ermöglichen einen über Monate reichenden autarken Betrieb. Durch Einsatz eines Gas-Dieselmotors (Zweistoffmotor) oder durch Speicherung von Flüssiggas ist auch bei einer norma­lerweise mit Erdgas be­triebenen Energiebox ein vom Versorgungsnetz unabhängiger Einsatz möglich. Diese Eigenschaft läßt sich auch zur Verringerung von Spitzenbelastungen im Gasnetz ausnutzen.

In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß ohnehin vorhandene oder erforderliche Notstrom­aggregate teilweise mit nur geringen Kosten für eine gekoppelte Wärme- und Elektrizitäts­erzeugung umgerüstet werden können. Dies wird wegen der dann möglichen laufenden Nutzung sonst nur in Reserve stehender Anlagen meist wirtschaftlich sinnvoll sein.

2.2. Die Energiebox mit integrierter Wärmepumpe

Die im vorherigen Abschnitt beschriebene Energiebox läßt sich vorteilhaft durch eine Wärmepumpe ergänzen. Mit einem solchen Aggregat ist es möglich, Wärme z.B. aus der Umgebungsluft oder dem Erdreich direkt für Heizzwecke nutzbar zu machen. Diese Nutzung der Umgebungswärme stellt neben der Nutzung des „Wärmemülls" der Gebäude eine indirekte Nutzung der Sonnen­energie dar. Darüber hinaus ist es aber auch möglich, die Sonnenenergie direkt mit Sonnenkollektoren zu nutzen, die mit der Energiebox verbunden sind. Dadurch erreicht man bereits mit einfachen und damit billigen Kol­lektoren eine effiziente Nutzung dieser Energie. Die direkte oder indirekte Nutzung der Sonnenenergie bewirkt, daß man zur Erzeugung einer bestimmten Heizwärmemenge nur etwa die Hälfte an Brennstoff­energie als in einer konven­tionellen Ölzentralheizung verbrennen muß. In gleicher Weise vermindert sich die notwendige Lagerkapazität für Heizöl bzw. die Bereitstellungskapazität für Erdgas /11 bis 22/.

Sehr aussichtsreich erscheint die nachfolgend näher beschriebene Energie­box mit einer Kompres­sionswärmepumpe. Der Einsatz einer Kompressionswärmepumpe ermöglicht es, die Elektrizitäts- und die Wärmeerzeugung der Energiebox weitgehend voneinander zu entkoppeln und damit eine bessere Anpassung an den Bedarf zu erreichen. Verbindet man weiterhin den Wärme­pumpenkompressor nicht mechanisch mit dem Verbrennungsmotor, sondern sieht man einen elektrisch angetriebenen Kompressor vor, der von dem vor­handenen Generator gespeist wird, dann läßt sich die Wärmepumpe als her­metisch verschlossenes Aggregat bauen. Es entfällt eine kritische Dichtung, die meist intensi­ver Wartung bedarf, und damit die Gefahr der Umwelt­verschmutzung durch das in der Wärmepumpe enthaltene Kältemittel (Proble­matik der Spraydosentreibgase /23/).

Dimensioniert man eine solche Energiebox für die gleiche Heizleistung wie bei der in Abschnitt 2.1 dargestellten Energiebox ohne Wärmepumpe (17 kW), dann ergeben sich die in Bild 2 dargestellten Energieflüsse (Einzelheiten siehe Anhang 3). Wegen der Nutzung der Umweltwärme ist nun eine nur noch etwa halb so große Leistung des Antriebsmotors erforderlich.

Bild 2: Energieflüsse bei der Energiebox mit integrierter Wärmepumpe

Die typischen Betriebszustände, in denen eine solche Energiebox betrieben werden kann, sind nach­folgend zusammengestellt:

• Maximaler Wärmebedarf, kein Elektrizitätsbedarf:
  Das Motor-Generator-Aggregat gibt die erzeugte elektrische Leistung voll­ständig an die Wärme­pumpe ab;
• mittlerer Wärmebedarf, maximaler Elektrizitätsbedarf:
  Die Wärmepumpe wird abgeschaltet, so daß der Generator nur die an­geschlossenen elektri­schen Verbraucher versorgt; die dabei entstehende Abwärme wird weiterhin zur Heizung heran­gezogen; die verringerte Heiz­leistung ist auch ohne besonderen Wärmespeicher wegen der re­lativ großen Speicherfähigkeit von Heizungssystemen und der beheizten Räumlichkeiten meist über mindestens eine Stunde tolerabel;
• geringer Wärmebedarf, kein Elektrizitätsbedarf:
  Das Motor-Generator-Aggregat versorgt bei herabgesetzter Drehzahl (Er­höhung der Lebens­dauer!) nur die Wärmepumpe, deren Motor dann eben­falls mit herabgesetzter Drehzahl umläuft;
• kein Wärmebedarf, maximaler Elektrizitätsbedarf:
  Dieser Betriebszustand wird als Notsituation nur dann vorliegen, wenn das elektrische Versor­gungsnetz ausgefallen ist; die Energiebox arbeitet dann wie ein Notstromaggregat autonom im „Inselbetrieb", d, h, vom Netz ab­getrennt; die entstehende Abwärme ist über ein separates (aber relativ einfaches) Kühlsystem an die Umgebung abzuführen.

Zusammengefaßt stellt die Energiebox mit integrierter Wärmepumpe ein vollautomatisch betriebenes, kompaktes (ein bis zwei Kubikmeter bei kleine­ren Anlagen) und akustisch hoch abgeschirmtes Ener­giezentrum dar, in das Heizöl oder Gas hineingeführt wird und das Wärme und Elektrizität in ener­getisch und bedarfsmäßig optimaler Kopplung produziert. Ihre Lebensdauer kann wie bei konventio­nellen Ölzentralheizungen mit etwa 15 Jahren ange­setzt werden.

2.3. Die Energiebox im Verbund mit dem Elektrizitätsnetz

Die einzelne Energiebox kann als Kleinkraftwerk aufgefaßt werden, dessen elektrische Leistung im Verhältnis zur Leistungsfähigkeit des elektrischen Endverteilungsnetzes (Niederspannungsnetz) nied­rig ist. Es ist deshalb tech­nisch ohne weiteres möglich, sie über ein spezielles Schnittstellengerät direkt in das Niederspannungsnetz einspeisen zu lassen. Erst durch Summierung über sehr viele, statistisch nach Aufstellungsort und Größe verteilte Energie­boxen ergibt sich eine nennenswerte elekt­rische Leistungskapazität, die die Elektrizitätserzeugung in den Großkraftwerken ergänzt. Besonders vorteil­haft ist hierbei, daß die Erzeugungs- und Verbrauchsorte gewöhnlich in un­mittelbarer Umge­bung liegen, so daß die höheren Spannungsebenen des elektrischen Verteilungsnetzes nicht in Anspruch genommen werden.

Wesentlich für einen aus technischer Sicht funktionierenden Verbund der Energiebox mit dem Elektri­zitätsnetz der EVU ist die richtige Ausgestaltung der Schnittstelle zwischen dem EVU-Netz und dem Netz des Verbrauchers einschließlich der Energiebox. An der Schnittstelle grenzen die Verantwor­tungsbereiche des jeweiligen EVU und des privaten Elektrizitätserzeugers und -verbrauchers tech­nisch und juristisch aneinander. Sie muß deshalb ein­deutig sein und den Interessen beider Partner Rechnung tragen. Diese Auf­gabe hat das Schnittstellengerät zu übernehmen, das eine Art „Kommuni­kationsdrehscheibe" zwischen EVU, privatem Verbraucher und der Energie­box darstellt (Bild 3).

Bild 3: Schnittstelle EVU-Netz/Verbrauchernetz

Das Schnittstellengerät stellt die Weiterentwicklung des gegenwärtigen „Zählerkastens" auf der Basis der heutigen Möglichkeiten der Technik der Mikroprozessoren dar, Es befindet sich im Eigentum des örtlich zuständigen EVU und ist plombiert. Es muß vor allem die folgenden Forderungen erfüllen;

• Messung, Speicherung und Anzeige von elektrischer Arbeit und Leistung nach Lieferrichtung und Zeit (ggfs. auch Blindkomponenten);
• Überlastschutz und im Bedarfsfall sichere technische Trennung des EVU­Netzes vom Verbraucher­netz;
• in Verbindung mit der Steuereinrichtung in der Energiebox vollautoma­tische Steuerung der Elektri­zitätsproduktion je nach den Bedürfnissen des Verbrauchers oder des EVU (etwa über Rundsteueranlagen).