In der Europäischen Union fallen etwa 40 Prozent des Gesamtenergieverbrauchs auf den Gebäudesektor. Davon werden rund 80 Prozent für die Raumheizung, Warmwasseraufbereitung und 20% für den Strombedarf verwendet. Laut „Greenpaper on Energy Efficiency“ liegt die Energieeffizienz von Gebäuden derzeit bei lediglich 50 Prozent.

Die Kraft-Wärme-Kopplung kann, im Vergleich zur konventionellen Energieerzeugung, durch die gleichzeitige Bereitstellung von elektrischer und thermischer Energie die Effizienz deutlich steigern. Dadurch werden Primärenergieträger wie z.B. Erdgas eingespart und Abgasemissionen reduziert.

In den letzten Jahren wurde die Kraft-Wärme-Kopplung durch unterschiedliche Programme und Gesetze seitens der Regierung gefördert. Die im KWK-Gesetz festgelegten Subventionen führten zur einer Veränderung der klassischen Blockheizkraftwerke (BHKW). Neben der Versorgung von Krankenhäusern und Schwimmbädern im Megawattbereich, finden so genannte Mikro-BHKW´s im Bereich von einem Kilowatt elektrischer Leistung zunehmend Anwendung in Einfamilienhäusern. Allerdings haben die variablen Rahmenbedingungen, wie z.B. Gebäudestandort, Gebäudealter, Nutzungsprofile der Bewohner einen erheblichen Einfluss auf den Energiebedarf des Gebäudes und auf die Wirtschaftlichkeit solch einer Mikro-KWK-Anlage. Ob eine Mikro-KWK-Anlage für ein Gebäude in Frage kommt muss sorgfältig geplant und untersucht werden.

AnlageBild 1: Mikro-KWK-AnlageDeshalb wurde neben Lehr- und Forschungszwecken, in Kooperation mit der August Brötje GmbH und den Stadtwerken Giessen, eine Mikro-KWK-Anlage (EcoGen WGS 20.1) in das Heizungslabor des Instituts für Gebäudesystemtechnik und erneuerbare Energie installiert. Der im EcoGen verbaute Stirlingmotor ist eine Freikolben-Wärmekraftmaschine mit einer elektrischen Leistung von 1 kW und einer thermischen Leistung von 5 kW. Zur Spitzenlastdeckung ist zusätzlich ein Gasbrennwertkessel mit einer thermischen Leistung von 15 kW vorhanden.

An der Anlage ist ein Mess-, Steuer- und Regelungssystem installiert. Damit werden das Verhalten und die Eigenschaften der Anlage unter verschiedenen Bedingungen gemessen und ausgewertet. Mittels des Versuchsaufbaus können verschiedene Lastgänge für Trinkwasser und Heizungsbedarf simuliert werden. Anschließend können alle relevanten Leistungsdaten des KWK Gerätes ausgewertet  der Jahresdeckungsgrad des Stirlingmotors für Strom und Wärme berechnet werden.Zusätzlich ist die Anlage an das Heizungsnetz des C-Gebäudes angebunden und unterstützt, wenn auch zu einem kleinen Teil, die Heizungsanlage des Gebäudes.

Um die Mikro KWK Anlage wirtschaftlich zu betreiben, sind lange Laufzeiten des Stirlingmotors anzustreben und Taktungen zu vermeiden. Deswegen wird der EcoGen nur in Verbindung mit einem Pufferspeicher betrieben.Dadurch wird die Stromproduktion erhöht und der Eigenstrombedarf kann besser gedeckt werden. Damit wird die Wirtschaftlichkeit im Vergleich zur Netzeinspeisung erhöht.

In verschiedenen Simulationen, versuchen wir heraus zu finden mit welchen Randbedingungen es lohnenswert ist die Mehrinvestition einer Mikro KWK Anlage zu rechtfertigen. Dabei orientieren wir uns an den Vorgaben aus der VDI 4655. Außerdem ist es möglich Jahreslastprofile aus dem Simulationsprogramm „Energetische Gebäudesimulation“ zu benutzen. Diese Profile enthalten Stundenwerte für den Gebäudeenergiebedarf (wie z.B Trinkwasser, Heizwasser, Elektrizität), die in Abhängigkeit von den oben genannten Einflüssen, für jedes beliebige Gebäude ermittelt werden können.

KolbenBild 2: Aufbau des verbauten Kolbens

Projektmitglieder:
Prof. Dr. -Ing. Boris Kruppa
Dipl. -Ing. Volker Biedenbach
B.Eng. Moritz Hofmann
B.Eng. Hendrik Dünfelder
B.Eng. Max Friedrich

Projektpartner:
August-Brötje GmbH
Stadtwerke Gießen
Technische Hochschule Mittelhessen
Institut für Gebäudesystemtechnik und erneuerbare Energie