Fachbeitrag Geballte Kraft spart Energie

Mehr ist mehr, könnte das Motto für Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) lauten. Das System kombiniert ein Blockheizkraftwerk (BHKW), eine thermische Solaranlage und eine Adsorptionskälte­maschine. Im Gegensatz zu Anlagen zur rein solaren Kühlung arbeitet das System mit deutlich kleineren Kollektor­flächen und erzeugt über das BHKW zusätzlich Strom. An sonnigen Tagen steht die höhere thermische Gesamtleistung zur Verfügung, das BHKW liefert die Deckung der Grundlast. Im Winter kann der Adsorber durch Einkopplung von niedrig temperierter Solarwärme zusätzlich die Wärme aus dem BHKW mit hohen Wirkungsgraden veredeln.

In der Praxis betreibt der Messspezialist Esders bereits seit Mitte 2012 eine solche Anlage. Um selbst günstig Strom zu produzieren und die anfallende Wärme zur Heizung und Kühlung verwenden zu können, installierte das Unternehmen ein mit Erdgas betriebenes BHKW von Senertec mit 14,8 kW thermischer Leistung (Brennwertgerät) und 5,5 kW elektri­scher Leistung.

Noch mehr Wärme für Kühlung und Heizung liefert eine Solarthermieanlage mit 3 kW Leistung. Sie produziert aus der anfallenden Abwärme Kälte für die Raumklimatisierung und die Kühlung des Rechnerraums. Zusätzlich installiert ist eine Adsorptionskältemaschine (AdKM) mit integrierter Hydraulik und einer Nennleistung von 10 kW. Im Gegensatz zu herkömmlichen strombetriebenen Klimaanlagen nutzt die Kältemaschine die Abwärme des BHKW als Antriebsenergie, um Kälte zu produzieren. Sie arbeitet bei besonders niedrigen Antriebstemperaturen mit reinem Wasser als Kältemittel und ergänzt die ungewöhnliche Kombination aus BHKW und Solarthermie: Bei hoher Solareinstrahlung steht viel thermische Energie zum Antrieb für die Raumkühlung zur Verfügung. KWKK ermöglicht also einen sehr hohen Wirkungsgrad und lange BHKW-Laufzeiten.

Im gleichen Raum wie die AdKM stehen ein Warm- und ein Kaltwasserpufferspeicher mit jeweils 2000 Liter Fassungsvermögen, die Wärme oder Kälte vorhalten, die nicht direkt in die Gebäude­klimatisierung, die Heizung, die Server-Kühlung oder ins Warmwasser fließen. Bei Bedarf kann also aus den zwei Pufferspeichern Kälte oder Wärme angefordert werden.

Ein Tool zur Überwachung der Anlagen stellt aktuelle Leistungsdaten am PC dar und ermöglicht es, Komponenten zu steuern und die Raumkühlung mit wenigen Klicks zu verändern. Dazu ist die Kühlung im Neubau in die Lüftungsanlage eingebunden. 2012 hat das Unternehmen fast 36.000 kWh Strom selbst erzeugt, rund 40 Prozent des Jahresbedarfs. Bis auf ein paar Prozent hat das Unternehmen den Strom selbst verbraucht, den Rest ins Netz eingespeist.

Forschungsprojekt InnoKKK

Um die Effizienz und Wirtschaftlichkeit einer regenerativ betriebenen, innovativen KWKK-Anlage zu analysieren, rief die Hochschule Kempten 2009 das Projekt InnoKKK ins Leben. Dabei haben elf bayerische Forschungsinstitute beispielhafte Anwendungen für die Effizienz der Bereitstellung, Nutzung und Speicherung von Energie in kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) untersucht. Das Team untersuchte eine thermisch angetriebene AdKM LTC 09 von Invensor mit 9 kW Leistung, die im Winter auch als Wärmepumpe dienen kann und ebenfalls eine Solarthermieanlage mit einem BHKW kombiniert. Verschiedene Anlagenkombinationen für den Antrieb der Anlage wie auch Kühllasten auf der Verbrauchsseite wurden während des gesamten Forschungszeitraums mit speziellen Wärmeerzeugern emuliert.

Die Nominalleistung der getesteten Anlage liegt bei 5 kW. Für den Warm- und Kaltwasserpufferspeicher wurde jeweils ein 1000 Liter Fassungsvermögen gewählt. Bei Bedarf können diese Speicher die generierte Wärme oder Kälte abgeben oder vorhalten. Bei den Berechnungen zur Effizienz der Gesamtanlage ging das Forschungsteam in der Simulation von einer zu kühlenden Bürofläche von 300 m² aus und ermittelte eine jährliche Volllaststundenzahl des BHKW von etwa 4000. Die AdKM erzielte also circa 1660 Volllaststunden pro Jahr. Ihre Antriebstemperatur lag zumeist bei einem niedrigen Wert von 66°C.

Für die Wirtschaftlichkeitsberechnung wurde zum Vergleich eine konventionelle Anlage mit elektrisch angetriebener Kompressionskältemaschine für die Kälteerzeugung und ein Gas-Brennwert-Kessel für die Wärmeerzeugung herangezogen. Die Heiz- und Kühllasten entsprechen einem modernen Bürogebäude mit 300 m² Nutzfläche. Die Investitionskosten liegen bei der KWKK-Anlage mit 55.500 Euro zwar höher als bei dem konventionellen System mit 23.200 Euro. Die jährliche Stromeinsparung und die Einspeisung gleichen dies jedoch aus. Die Annuitäten für die beiden untersuchten Anlagen betragen bei der KWKK-Anlage minus 150 Euro (Zurückzahlung unter anderem wegen Stromeinspeisung) und 4600 Euro bei der konventionellen Anlage.

Die gesamten Zahlungen (Gesamt­annuität) liegen bei dem InnoKKK-Projekt mit 6000 Euro deutlich niedriger als bei dem konventionellen System, das mit 7100 Euro zu Buche schlägt. Die Daten aus dem Forschungsprojekt in Kempten und der Haustechnikanlage der Firma Esders zeigen, dass es auch in Deutschland möglich ist, eine solar-unterstützte KWKK-Anlage effizient und kostengünstig zu betreiben. Im Rahmen des Forschungsprojekts stellten die Forscher außerdem fest, dass der Primärenergienutzungsgrad (Nutzenergie zu eingesetzter Primärenergie) bei dem neuen Energiesystem um etwa 30 Prozent verbessert wurde.