KWK

Mikro-BHKW tut weit mehr als seine Pflicht

Donnerstag, 17.05.2018

Ein Neubau mit 20 Wohneinheiten in der Innenstadt Kölns deckt seinen Wärmebedarf mit einem Mikro-Blockheizkraftwerk. Warum man sich dafür entschied, was die konkreten Vorteile eines BHKWs hier sind und wie das Projekt erfolgreich umgesetzt wurde, lesen Sie hier.

Mehrfamilienhaus in der Innenstadt von Köln.
Quelle: Genath
Das neu errichtete 20-Wohneinheiten-Objekt in der Innenstadt von Köln: Die Architektur zeichnet sich besonders durch die südseitigen Wintergärten mit einer geschosshohen Verglasung aus.

Warum ein BHKW?

Der Neubau mit 20 Wohneinheiten in einer bis dato Baulücke in der Vogelsanger Straße in der Innenstadt Kölns besitzt einen Jahreswärmebedarf von 53.000 kWh. Zur Deckung des Pflichtanteils an erneuerbarer Energie sprach der Kostenvergleich mit den Alternativen eindeutig für ein Blockheizkraftwerk (BHKW).

Der Pflichtanteil muss bei Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) als Ersatzmaßnahme mindestens 50 Prozent des Wärmebedarfs betragen. In Köln lösten die Planer diese Auflage mit einem Beitrag von 90 Prozent ein – zu diesem Wert führte die Kostenoptimierung. Empfehlenswerte hydraulische Feinheiten tragen zur wärmegeführten Laufzeitverlängerung der 6kWel-Maschine bei.

"Am einfachsten und wirtschaftlichsten geht es beinahe regelmäßig mit eingebundener KWK. Wenn Sie heute ein Mehr­familienhaus wie dieses hier bauen oder überhaupt bauen, müssen Sie einen bestimmten Anteil erneuerbarer Energien einbinden. Beziehungsweise, wenn das technisch und wirtschaftlich schwer machbar ist, zu einer entsprechenden Ersatzmaßnahme greifen.

Für das Mehrfamilienhaus haben Sie im Prinzip drei technische Möglichkeiten: Sie können erstens zwischen einer thermischen Solaranlage plus einer kontrollierten Wohnraumlüftung plus einem konventionellen Wärmeerzeuger wählen, zweitens einer monovalenten oder bivalenten Wärmepumpe und drittens einem BHKW in Verbindung mit einem Spitzenlastkessel.

Bei der solarthermischen Variante erhalten Sie die Baugenehmigung nur in der Kopplung mit der Wohnraumlüftung und einem Kessel. Die Investitionskosten decken sich in etwa mit denen des BHKW nebst Spitzenlastkessel. Nur liegen die Betriebskosten höher. Denn die Solarthermie dieser Kombination produziert keinen Strom. Es fehlen die Einsparungen durch die Eigennutzung beziehungsweise durch den Stromverkauf.

Die Wärmepumpe kann von der Anschaffung her etwas günstiger sein, vor allem die Luft/Wasser-Wärmepumpe. Nicht zu vergessen ist jedoch der größere Netzanschluss für monovalente Aggregate mit Leistungen um 80 oder 100 kW. Bei der Geothermie kommt noch die teure Quellenerschließung hinzu. Und Sie brauchen Grundstücksfläche. Es spielen auch nicht immer die Architekten mit. Das Außengerät macht beim enormen Luftdurchsatz für ein Zehnfamilienhaus und noch mehr Parteien erhebliche Geräusche. Norm hin oder her, im gehobenen Wohnungsbau muss nicht das Bauamt, sondern der Kunde den Pegel tolerieren, sonst zieht er aus oder nicht ein.

Als weitere Ersatzmaßnahme gilt darüber hinaus eine erhöhte Dämmung der Immobilie. Die muss im Ergebnis den Primärenergiebedarf und den Wärmeschutz nach EnEV-Anforderungen um 15 Prozent unterschreiten. Diese Lösung hatte der Bauträger für das Objekt in Ehrenfeld aber schon im Vorfeld aufgrund der Kosten gestrichen", vergleicht Kai Schwindenhammer die möglichen Varianten nach EEWärmeG beziehungsweise EnEv.

Schwindenhammer ist Projektingenieur beim BHKW- und Gasmotor-Wärmepumpen-Spezialisten Berndt Enersys in Grafschaft am Fuß der Eifel. Das KWK-Vertriebsbüro und Planungsunternehmen stützt seine Erfahrung mit KWK auf mehr als 1.000 Installationen ab.

Das Angebot konzentriert sich heute auf die "XRGI"-Maschinen von EC Power, einem der Marktführer im Leistungsbereich 6 bis 20 kW elektrisch beziehungsweise 12 bis 40 kW thermisch. Die Gasmotor-Wärmepumpen von Yanmar, Japan, ergänzen die Heizleistung der KWK nach oben, bis 100 kW je Einzelgerät.

Kaskadenschaltungen sowohl der einen wie der anderen Technologie decken natürlich einen noch höheren Bedarf ab. In den "XRGI"-Maschinen pocht ebenfalls ein "japanisches Herz", nämlich die Modifikation eines Toyota-Motors.

Das Gebäude

Das Haus, von dem die Rede ist, steht an der Vogelsanger Straße in Köln-Ehrenfeld. Im Mai 2015 fiel der Startschuss für die Errichtung von 20 exklusiven Neubau-Eigentumswohnungen auf der Brache eines ehemaligen Gewerbeareals. Die Größe reicht von Ein-Zimmer-Wohnungen mit 38 m2 Wohnfläche bis Vier-Zimmer-Wohnungen mit fast 150 m2.

Als Bauträger zeichnet die Realnet Projektentwicklung verantwortlich – diese gehört mehrheitlich der Netz-Bau Gruppe, Köln. Der Bau­unternehmer und Immobilienbetreiber Netz-Bau mit eigenem Architekturbüro hat den Schwerpunkt auf den Wohnungsbau in bevorzugten urbanen Lagen und stadtnahem Umland gelegt. Die Architektur in der Vogelsanger Straße zeichnet sich besonders durch die südseitigen Wintergärten mit einer geschosshohen Verglasung aus. Der spezifische Primärenergiebedarf liegt bei etwa 36 kWh/m2a.

Architektonische Freiheit mit Kraft-Wärme-Kopplung

"Wir haben alle nachhaltigen Maßnahmen unter Berücksichtigung der örtlichen Situation durchgespielt. Das BHKW schnitt sowohl von der Kostenseite her als auch von der problemlosen Ausführung in der dichten Bebauung hier am besten ab. Das steht ja auf der Pro-Seite des Architekten, dass man das BHKW im Keller nicht hört, nicht sieht und er sein Objekt von der Optik her so planen kann, wie er will."

Das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) akzeptiert deshalb die Kraft-Wärme-Kopplung indirekt als erneuerbare Energie und damit als zulässige Ersatzmaßnahme, weil es die Wärme als Abwärme der Stromerzeugung ansieht. Abwärme muss, um als Ersatzmaßnahme anerkannt zu werden, mindestens 50 Prozent des Jahresheizwärmebedarfs decken.

Konkret heißt das für Köln-Ehrenfeld, dass das BHKW zu den 53.000 kWh gesamt im Minimum 26.500 kWh beizusteuern hat. Das Jahr hat 8.760 Stunden: So gesehen, würde eine Minianlage mit 2 kW elektrisch und 4 kW thermisch, die 6.500 Stunden läuft, zur Pflichterfüllung nach EEWärmeG ausreichen. Nur stün-den dann am Ende eines Jahres nur 13.000 verkaufte Kilowattstunden Strom auf dem Zähler.

Da sich die KWK-Gesamtausgaben, also inklusive Installation, zwischen 2 kW und 6 kW elektrisch nicht so gravierend unterscheiden, lohnt es sich, eine andere Rechnung aufzumachen: Die Mehrkosten für eine 6-kWel-Maschine fährt der Gewinn von zusätzlich 35.000 kWh Elektrizität spätestens nach drei Jahren wieder ein. Berndt Enersys hatte Leistung, Kosten und Einnahmen für das Projekt Vogelsanger Straße bilanziert und war zu diesem Ergebnis gekommen. Die aufgestellte "XRGI"-Maschine von EC Power mit einer modulierenden Leistung zwischen 2,5 und 6 kW elektrisch sowie bis zu 12 kW thermisch ist die ergebnisorientierte bauliche Realität. Die KWK-Lösung liefert bei geplanten 4.000 Betriebsstunden im Jahr 48.000 kWh Wärme – und damit 91 Prozent des Gesamtwärmebedarfs. Dem EEWärmeG ist damit mehr als Genüge getan.

Ein Blockheizkraftwerk
Quelle: Genath
Viel Platz für die Installation stellte der Bauherr nicht zur Verfügung: Das eingebaute BHKW "XRGI 6" mit bis zu 12 kW thermisch und 2,5 bis 6 kW elektrisch ist das kleinste Modell von EC Power.

Motor eines Blockheizkraftwerks.
Quelle: Genath
Der japanische Drei-Zylinder-Motor (Hubraum: 1 l) des BHKWs zeichnet sich durch eine hohe Laufruhe von 49 dB(A) aus. Er besitzt ein Wartungsintervall von 10.000 Betriebsstunden. Der Primärenergiefaktor beträgt 0,39, mit Brennwertnutzung 0,37.

Andere Regeln für den Neubau

Die relativ wenigen 4.000 Betriebsstunden besagen, dass wegen der 50-Prozent-Hürde für die Planung von BHKW für Neubauten andere Grundgedanken gelten als für den Altbau. In der Vergangenheit sprach man von mindestens 5.000 Betriebsstunden, damit sich über die Stromkosteneinsparungen die Investitionen in eine Mini-KWK-Anlage refinanzieren. Besser noch mehr. Für den Altbau hat dieser Grenzwert nach wie vor Gültigkeit.

Der Neubau dagegen muss in erster Linie über die 50-Prozent-Marke kommen. Denn die Amortisation für sich steht nicht zur Debatte, sondern allein der Kostenvergleich gegenüber den schon genannten Alternativen: dickere Wärmedämmung, Solarthermie plus Kessel plus kontrollierte Wohnraumlüftung, Wärmepumpenanlage und schließlich größeres oder kleineres BHKW. Zur solaren Strahlungsenergie von 15 Prozent (§ 5 EEWärmeG) ist noch zu sagen, dass dieser Passus ausschließlich die Solarthermie meint. Da die EnEV und das EEWärmeG sich nur auf Wärme und Kälte beziehen, gilt die nachhaltige Stromerzeugung über eigene PV-Anlagen nicht als Ausgleichsmaßnahme. Den PV-Strom begünstigen die Vorschriften nur indirekt insofern, dass sie gestatten, jenen Anteil aus den Kollektoren, der als Hilfsenergie für die Wärmeerzeugung dient (Pumpen etc.), in der Energiebilanz zu verrechnen.

"Für den Neubau Ehrenfeld sprach eindeutig ein BHKW und von der Leistung her das »XRGI«-Modell mit 6 kW elektrisch und 12 kW thermisch", resümiert Kai Schwindenhammer. "Es hat ein Serviceintervall von 10.000 Stunden, der Service ist also erst oder spätestens nach zwei Jahren durchzuführen. Das macht sich in den Betriebskosten positiv bemerkbar und ist bei der Planung mit zu berücksichtigen. Mit Wartung beläuft sich die Kilowattstunde auf 6 bis 6,5 Cent, die reinen Energiekosten liegen bei 4 bis 4,5 Cent. Mit denen kann eine Luft-Wärmepumpe mit einem Stromtarif von 20 ct/kWh und einer Jahresarbeitszahl von 3 nicht mithalten – und mehr ist nicht drin, wenn sie auch für die Warmwasserbereitung von 70 °C und mehr zuständig ist."

Zahlen und Kosten

Für das 20-Wohneinheiten-Objekt legt der Berndt Enersys-Ingenieur spezifische Zahlen vor. Der Verkaufspreis des "XRGI"-Stroms an den regionalen Versorger richtet sich nach den Tarifen der Leipziger Strombörse. In 2017 lag er im Mittel bei 3,80 ct/kWh. Damit gab es für die 21.222 kWh Netzeinspeisung 806 Euro. Dazu addierte sich für diese Menge der KWK-Bonus von 8,0 Cent je kWh, ergo 1.698 Euro. Den Eigenverbrauch, der sich im Objekt auf den Allgemeinstrom begrenzt, bezuschusst das KWK-Gesetz mit 4 ct/kWh, folglich mit 94 Euro in der Vogelsanger Straße. Ferner zahlte das Finanzamt 461 Euro Energiesteuer zurück. Die vermiedene Netznutzung brachte 64 Euro ein. Insgesamt stehen auf der Einnahmenseite also 3.123 Euro.

Die Ausgabenseite von insgesamt 24.630 Euro pro Jahr – ohne die Investitionskosten – setzt sich aus dem Strombezug von 77.442 kWh beziehungsweise 18.586 Euro zusammen, aus dem Servicevertrag von 1.533 Euro sowie aus dem Erdgasverbrauch in Höhe von 4.474 Euro (BHKW plus Spitzenlastkessel). Einnahmen zu Ausgaben gegengerechnet, stehen unter dem Strich ca. 21.500 Euro Betriebskosten pro Jahr. Die in der Vorlage bereits berücksichtigte EEG-Umlage beträgt seit 2017 für KWK-Strom 40 Prozent des momentan gültigen Satzes von 6,8 ct/kWh, folglich 2,72 ct. Dabei ist es gleichgültig, ob eingespeist oder selbst verbraucht wird.

Vergleich von Netzeinspeisung und Strom-Eigennutzung des Neubaus in der Vogelsanger Straße in Köln.
Quelle: Genath
Vergleich: Netzeinspeisung vs. Strom-Eigennutzung.

Die Jahresbetriebskosten reduzieren sich im angesprochenen Objekt relativ bescheiden um etwa 1.000 Euro gegenüber einer – nicht gestatteten – reinen Kesselinstallation. Eingerechnet allerdings schon ein "XRGI"-Wartungsvertrag von rund 1.500 Euro pro Jahr.

Die aktuelle Situation präsentiert sich so, dass von den produzierten 23.580 kWh Elektrizität 21.222 kWh ins öffentliche Netz fließen. Die Differenz von 2.358 kWh sorgt für Flur- und Kellerlicht und Aufzugsbetrieb. In Mietobjekten fällt der Allgemeinstrom dieser Art amtlich in die Einstufung "Eigenstrom" und erhält damit die entsprechenden Vergünstigungen nach EEWärmeG.

Übersicht über die Betriebskosten und Einnahmen des Neubaus in der Vogelsanger Straße in Köln.
Quelle: Genath
Übersicht: Betriebskosten und Einnahmen.

Was berücksichtigt werden sollte

Bei der Ermittlung der günstigsten Variante zur Erzeugung erneuerbarer Wärme spielt auch die Unterbringung der Technik eine Rolle. Der Auftraggeber verlangte, Platz zu sparen, weil all das, was die Installation beansprucht, nicht mehr an Raum vermietet werden kann.

Das "XRGI 6" begnügt sich mit einer Stellfläche von 0,6 m2, die Komponenten, wie Wärmeverteiler und Steuerungseinheit, hängen an der Wand. Ebenfalls der Gas-Brennwert-Spitzenlastkessel von Buderus mit einer Leistung von 80 kW. Die beiden Speicher zur Trinkwarmwasserbereitung und als Heizungspuffer müssen nicht zwangsläufig beim BHKW stehen. In Köln passte einer von ihnen noch in die Räumlichkeit im Tiefgeschoss hinein, der zweite kam in einen Nebenraum.

Bei einer Wärmebedarfsdeckung von 91 Prozent muss der Kessel maximal 200 bis 300 Betriebsstunden im Jahr dem BHKW zuarbeiten. "Im höherwertigen Wohnungsbau, wie hier an der Vogelsanger Straße, sind Fußbodenheizungen eine Selbstverständlichkeit. Das heißt, es kommt ein relativ kalter Rücklauf zurück. Die hydraulische Schaltung ist so ausgelegt, dass bei zugeschaltetem Kessel, an ganz kalten Tagen, das BHKW den Heizungsrücklauf um 15 oder 20 K anhebt und dann weiter an den Kessel reicht. Der muss nur noch wenig nachheizen. Er kommt bei dieser Rücklaufführung zwar nicht mehr ins Kondensieren oder nur noch geringfügig.

Die Grafik erklärt die hydraulische Schaltung mit Rücklauftemperaturanhebung.
Quelle: Genath
Hydraulische Schaltung mit Rücklauftemperaturanhebung: Der Spitzenlastkessel schaltet aber erst zu, wenn die Einspritztemperatur des BHKW "XRGI 6" allein nicht ausreicht, um auf die verlangte Vorlauftemperatur zu mischen.

Aber das macht nichts, weil wir nur von wenigen hundert Betriebsstunden im Jahr sprechen und sich der Kondensationsgewinn des Weiteren wegen der im Turnus hohen Temperaturen zur Warmwasserbereitung ohnehin in Grenzen halten würde. Das ist ja ebenfalls ein entscheidender Vorteil eines BHKW im Vergleich zu den Alternativsystemen Solaranlage oder Wärmepumpe. Auf Knopfdruck, sprich Befehl der Regelanlage, erreichen die dieses Temperaturniveau nicht."

Einfache Förderung für das BHKW

Der Projektingenieur macht noch auf einen anderen Punkt aufmerksam, der bei einer KWK-Planung zu berücksichtigen sei: "Generell erzielen Blockheizkraftwerke mit einem Brennwert-Wärmeübertrager einen besseren Primärenergiefaktor. EC Power bietet diese Lösung auch an, weil sich so das Thema EnEV und EEWärmeG noch besser darstellen lässt. Der Nachteil ist jedoch der, dass ein Brennwert-Wärmeübertrager die zusätzlich aus dem Abgas gewonnene Energie wieder in das System einspeist.

Und wegen dieses höheren Temperaturniveaus gehen dem »XRGI« Laufstunden verloren. Je nachdem, welches Projekt Sie vor sich haben, können das zwischen 100 bis 500 Stunden sein. Die fehlen Ihnen auf der Stromseite, ganz besonders, wenn es Eigenverbrauch sein könnte. Der holt ja das ausgegebene Geld zurück. Wirtschaftlich gesehen, liegt der alternative Kondensationsgewinn weit darunter. Dem steht jedoch gegenüber, dass ein durch das BHKW abgesenkter Primärenergiefaktor den Primärenergiefaktor des gesamten Objekts verbessert. Heißt, auf eine außergewöhnliche Dämmung des Objekts kann verzichtet werden."

Der weitere Vorteil eines niedrigen Primärenergiefaktors könnte die Einstufung in ein KfW-55-Objekt sein. Der KWK-Experte macht darauf aufmerksam: "Wenn es der Objekttyp und die Nutzung erlauben, sollten Sie an eine relativ große Maschine denken, die den Großteil des Jahresheizwärmebedarfs abdeckt. Denn wenn Sie allein wegen dieses BHKW in die Kategorie KfW-55 rutschen, ist quasi die gesamte Anlage finanziert, weil das KfW-Programm 153 »Energieeffizient Bauen« einen Tilgungszuschuss von 5.000 Euro je Wohneinheit gewährt. Für ein Zehnfamilienhaus sind das 50.000 Euro, für ein Zwanzigfamilienhaus 100.000 Euro."

So viel Strom wie möglich

Ans Geld, sprich an die Streckung der Laufstunden des preiswert Strom produzierenden BHKW, sei ebenfalls bei der Beladung des Heizungspuffers einerseits und Trinkwarmwasserspeichers andererseits gedacht. Die beiden haben in Köln ein Volumen von je 800 Liter. Den Warmwasserbehälter heizen bei Bedarf beide Wärmeerzeuger auf, sowohl das "XRGI 6" als auch der Buderus-Kessel. Den Pufferspeicher dagegen bedient ausschließlich die EC Power-Maschine.

Diese hydraulische Feinheit sollte man nämlich nicht übersehen: "Wenn auch der Kessel auf denselben Puffer fährt, stiehlt er dem BHKW Laufzeitstunden. Der Kessel springt ja nur an kalten Tagen, bei hohem Wärmebedarf, an. Dann kann er seine Kilowatt über den gemeinsamen Vorlauf mit dem »XRGI« auch am Speicher vorbei direkt in die Fußbodenheizungen schieben. So nimmt der Spitzenlast-Wärmeerzeuger dem BHKW nicht das notwendige Puffervolumen weg und schränkt damit nicht die Stromproduktion ein."

Generell sei hier für Gebäude mit hohem Eigenstrombedarf angefügt: Die Regelungstechnik von EC Power kann neben der normalen Modulation, anhand der Pufferladung, auch eine Echtzeit-Modulation zum aktuellen elektrischen Gebäudelastgang vornehmen, falls nicht gerade die gesamte Wärmeleistung benötigt wird. Dieser zusätzliche Spareffekt bewirkt einen höheren Stromeigenverbrauchsanteil und nennt sich wärmegeführter-stromoptimierter Betrieb.

Von Bernd Genath
Düsseldorf
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