KWK-HYBRID

Vorbemerkungen

Aus einem Förderprojekt zur Wasserstofftechnologie entstand die Weiterentwicklung zum derzeitigen KWK-System das in einer Pilotanlage in Königs-Wusterhausen in einer realen Wohnumgebung realisiert wird. Es ist ein bewohntes Zweifamilienhaus, die 2 WE haben eine beheizte Wohnfläche von je 110m². Die Heizlast beträgt für das Wohngebäude 51.000 kWh für Heizung und Wärmwasser. Das Gebäude ist teilsaniert. Da die Bausubstanz durch zusätzliche Dämmung nicht wesentlich aufgebessert werden konnte stand bei der Entwicklung der neuen Anlagentechnik die drastische Brennstoffeinsprung im Vordergrund. Die Besonderheit der Pilotanlage ist die Unterbringung in einem Nebengebäude das zur Energiezentrale umgebaut wurde. Siehe Abbildung 1.

Anlagenbeschreibung

Das KWK-System besteht aus BHKW und HT-Wärmepumpe sowie dem Wärme-/Speichermanagement (WSM) und dem Elektrolyseur mit dem Wasserstoffspeicher. Die hohe Abwärme-Temperatur des BHKW und des Elektrolyseurs wird im WSM als Wärmequelle für die HT-Wärmepumpe aufbereitet. Wärmequelle und Wärmesenke haben eine geringe Temperaturdifferenz, hieraus resultiert ein hoher COP-Wert. Somit ist die Leistungsaufnahme der Wärmepumpe relativ gering. Die elektrische Leistung des BHKW entspricht der elektrischen Leistungsaufnahme der Wärmepumpe, die thermische Energie des BHKW wird als Wärmequelle für die Wärmepumpe genutzt. Eine externe Wärmequelle ist hierdurch nicht mehr erforderlich. Hohe Kosteneinsparung bei größeren Anlagen. BHKW und HT-Wärmepumpe arbeiten im Verbund, das BHKW liefert die elektrische und thermischer Energie (Wärmequelle) für die HT-Wärmepumpe. Durch die Reduzierung des Brennstoffeinsatzes konnten auch Komponenten, hier besonders das BHKW, wesentlich kleiner dimensioniert werden. Das trifft auch für die Komponenten der Wasserstofftechnologie zu.

Wasserstoffeinsatz

Ursprung der Anlagentechnik war die CO₂ freie Energieversorgung von Wohn- oder Nichtwohngebäuden des bereits erwähnten Förderprojektes. Die Realisierung der neuen Anlage erfolgt mit grünem Wasserstoff als Energieträger, der dezentral erzeugt und gespeichert wird. Dieser erzeugte Wasserstoff ist kostengünstiger in der Herstellung als leitungsgebundener Wasserstoff im Verteilnetz, der überhaupt nicht vorhanden ist. Für Letztverbraucher im Wärmemarkt wird es wahrscheinlich keinen grünen Wasserstoff geben, die Kosten wären hoch und Wasserstoff kaum verfügbar.

Mit der KWK-Anlagentechnik steht eine optimale Technik zur Verfügung, siehe Abbildung 2, die den Einsatz von Wasserstoff kostengünstig ermöglicht, da eine hohe Brennstoffeinsparung erreicht wird. Die rechte Darstellung mit der KWK-HYBRID Anlagentechnik macht die Brennstoffeinsparung gegenüber der konventionellen Wasserstofftechnik deutlich.

Betriebsweise

Für die Zeit von Dunkelflauten wird Wasserstoff im Sommer mit photovoltaischem Strom erzeugt mit anschließender Speicherung des Wasserstoffs oder bei Bedarf der direkten Versorgung des BHKW über einen H2-Pufferspeicher. Der Langzeit Wasserstoffspeicher ist zur Überbrückung der Dunkelflauten entsprechend bemessen und stellt die Versorgung von Heizung und Haushaltstrom sicher. Alle Wasserstoffkomponenten befinden sich außerhalb des Gebäudes sicher in einem separaten Gebäude untergebracht. Der Warmwasserbedarf wird im Sommer und der Übergangszeit durch die Abwärme des Elektrolyseurs gedeckt. Die TWE erfolgt im innenliegenden Wärmtauscher des Kombispeichers im Wohngebäude. Sinkt die Temperatur der Abwärme wird die HT-Wärmepumpe zugeschaltet und kann dann auch den Wärmebedarf für die Heizung in der Überhangszeit decken. BHKW und HT-Wärmepumpe arbeiten dann im Verbundbetrieb. Bei Ausfall der Anlage übernimmt eine Heiztherme die Wärmeversorgung, sie kann mit grünem Wasserstoff oder Erdgas betrieben werden. Alternativ steht die vorhandene Heizungsanlage mit Erdgasheizkessel im Gebäude zur Verfügung. Die KWK-Anlagentechnik besteht ausfolgenden Komponenten: H2-BHKW für 100% Wasserstoff oder Erdgas oder Wasserstoff/Erdgasgemisch. Elektrische Leistung 3,5 kW, thermische Leistung 8,6 kW. Abwärme mit 85°C nutzbar.

Wird das KWK-HYBRID System als Anlagensystem in Alt- oder Neubauten eingebaut besteht hier die Forderung entsprechend dem GEG 2024, 65% des Brennstoffs als erneuerbare Energie einzusetzen. Diese Forderung ist mit dem KWK-HYBRID-System durch Wasserstoffeinsatz zu 100% erfüllt. Die Versorgung des BHKW mit 65% Wasserstoff und 35% Erdgas wird dann unveränderlich eingestellt.

HT-Wärmepumpe

Heizleistung 25 kW bei einer Vorlauftemperatur von 75°C, die Wärmequelle hat eine entsprechend hohe Temperatur.

Elektrolyseur

Die thermische Leistung beträgt ca. 2,0 kW, bei einer Vorlauftemperatur der Abwärme von 55°C-80°C.

Wasserstoffspeicher

Ist, wie alle Komponenten, im separaten Gebäude untergebracht. Die Kapazität ist ausreichend zur Überbrückung von Dunkelflauten.

Das KWK-HYBRID System bringt bei Erdgasbetrieb eine Einsparung von ca. 65% Brennstoff Erdgas, bei Wasserstoff/Erdgasbetrieb eine Einsparung von ca. 84% Brennstoff Erdgas, bei 100% Wasserstoffbetrieb mit vor Ort erzeugtem Wasserstoff kein Erdgasbezug.