Das BHKW
Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) ist ein Gerät, das in einem die Funktionen einer Heizung und eines Stromerzeugers verbindet und vorzugsweise am Ort des Wärmeverbrauchs betrieben wird. Der erzielbare, höhere Ausnutzungsgrad der eingesetzten Primärenergie gegenüber der herkömmlichen Anordnung aus lokaler Heizung und zentraler Stromversorgung entsteht daraus, dass neben der Stromerzeugung gleichzeitig die Abwärme genutzt werden kann. Der Wirkungsgrad der Stromerzeugung liegt dabei, abhängig von der Anlagengröße, wie bei der reinen Stromerzeugung zwischen etwa 20 und 40%. Durch die ortsnahe Nutzung der Abwärme wird die eingesetzte Primärenergie, ebenfalls abhängig von der Anlagengröße, zu 80 bis über 90% genutzt. Blockheizkraftwerke können so bis zu 40% Primärenergie einsparen.
Man benutzt dazu das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung. Übliche BHKW-Module haben elektrische Leistungen zwischen fünf Kilowatt und fünf Megawatt. Unter 15 kW werden sie auch Mikro-KWK genannt und dienen zur Versorgung von einzelnen Gebäuden. Als Antrieb für den Stromerzeuger können Verbrennungsmotoren, d. h. Diesel- oder Gasmotoren, aber auch Gasturbinen verwendet. Kraft-Wärme-Kopplung wird ebenfalls von Heizkraftwerken genutzt, dort aber typischerweise mit elektrischen Leistungen von einigen hundert MW.
Betriebsarten eines BHKW
Im Idealfall werden Strom und Wärme eines BHKWs zur Deckung der Basislast gebraucht. In der Realität stimmt jedoch die erzeugte Menge an Wärme und Strom nicht mit dem tatsächlichen Bedarf überein. Wenn die Leistungsabgabe des BHKWsich nach dem lokalen Wärmebedarf richtet, handelt es sich um ein wärmegeführtes BHKW. Durch Regelung der Heizleistung werden in modular aufgebauten Anlagen einzelne Aggregate je nach Bedarf ab- oder zugeschaltet. Bei Konfiguration mit nur einem Aggregat wird dessen Leistungsabgabe entsprechend gedrosselt. Der erzeugte Strom solcher Anlagen wird, so weit es geht, selbst verbraucht; der Überschuss wird in das öffentliche Netz gespeist und entsprechend verrechnet. Richtet sich die Leistungsabgabe nach dem lokalen Strombedarf (ein stromgeführtes BHKW), muss die in diesem Zeitraum nicht nutzbare Wärme in einem Wärmespeicher für eine spätere Nutzung zwischengepuffert werden. In Ausnahmefällen kann sie über einen Notkühler an die Umgebung abgegeben werden. Für den Fall, dass die erzeugte Wärme den Bedarf nicht decken kann, wird ein Spitzenlastbrenner zugeschaltet, der oft Bestandteil einer BHKW-Heizungsanlage ist. Diese Betriebsart findet sich häufig in Inselnetzen, das heißt vom öffentlichen Netz getrennten Stromnetzen. Notstromaggregate erfüllen eine solche Funktion, allerdings ohne Nutzung ihrer Abwärme. Wird das Leistungsniveau von einer zentralen Stelle für mehrere Anlagen vorgegeben, spricht man von einem netzgeführten BHKW. Die Zentrale optimiert dabei systemübergreifend die Einsatzplanung der dezentralen KWK-Aggregate anhand wirtschaftlicher Randbedingungen, wie z. B. gemeinsamen Gas- und Reststrombezugsverträgen. Die Netzführung ist die Kernidee eines virtuellen Kraftwerks. Wie bei der Stromführung muss zur zeitlichen Entkoppelung von Wärmeerzeugung und -last ein Speicher eingebunden sein.
Auslegung eines BHKW
Üblicherweise wird die Leistung einer (üblicherweise wärmegeführten) BHKW-Anlage so ausgelegt, dass bei Volllastbetrieb nur ein Teil des maximalen Heizenergiebedarfes der angeschlossenen Abnehmer gedeckt wird. So wird sichergestellt, dass die teuren stromerzeugenden Einrichtungen besser genutzt werden und höhere Betriebsstundenzahlen (pro Jahr werden 3000 bis 4000 Stunden angestrebt) erreichen. Der ökonomische und ökologische Grundgedanke des wärmegeführten Betriebes liegt darin, erzeugte Wärme vollständig und auch den Strom möglichst vor Ort zu nutzen. Nicht gebrauchter Strom wird gegen Vergütung ins öffentliche Stromnetz eingespeist. Da auf diese Weise weniger an herkömmlicher Kraftwerkskapazität für die Stromerzeugung benötigt wird, erhofft sich der deutsche Gesetzgeber durch den Betrieb von BHKW eine Teil-Abschaltung der nur Strom-erzeugenden Kraftwerke und somit einen geringeren Kohlenstoffdioxid-Ausstoß. Mit Hilfe von Pufferspeichern ist versucht worden, BHKW für Wohngebäude „monovalent“ zu betreiben, das heißt auch zu Zeiten hohen Heizenergiebedarfs ohne Spitzenlastkessel auszukommen. Ein solches BHKW wird nicht - wie oben als üblich bezeichnet - nach der Grundlast an Wärmeenergiebedarf ausgelegt, sondern wie eine herkömmliche Heizungsanlage. Zu Zeiten besonders hohen Heizenergiebedarfs kann dabei der selbst erzeugte Strom zu Heizzwecken benutzt werden. Diese Auslegungsweise wird vor allem bei den sogenannten „Mikro-BHKW“ (s. u.) propagiert. Bei einer solchen Auslegung kommt es zu relativ häufigem Aus- und Abschalten des BHKW (sog. „Takten“), was die Lebensdauer abkürzt. Der insgesamt deutlich höhere Wirkungsgrad (Nutzenergie Strom plus Wärme dividiert durch Energieeinsatz) eines BHKWs gegenüber dem herkömmlichen Mischbetrieb aus lokaler Heizung und zentraler Stromversorgung beruht darauf, dass die Abwärme der Stromerzeugung direkt vor Ort eingesetzt wird. So erreicht ein modernes Großkraftwerk auf Steinkohlebasis bis zu 45 Prozent Wirkungsgrad, somit treten 55 Prozent der Energie als Abwärme auf, deren Einsatz als Fernwärme aber deutliche Transportverluste (10-15 %) sowie ein aufwendiges Rohrleitungsnetz bedingen würde, ferner liegen bei zentralen Großkraftwerken Wärmeerzeuger und Wärmeabnehmer weit auseinander. Auch durch Umspannen und Transport der Elektrizität geht ca. zwei bis fünf Prozent der Energie verloren. Der für sich genommen geringere elektrische Wirkungsgrad eines BHKWs (z. B. 38 %) fällt dabei aufgrund des hohen Gesamtwirkungsgrads von ca. 90 Prozent kaum ins Gewicht, da in einem Gebäude meist mehr Heizenergie als Strom gebraucht wird; jedoch ist die jahreszeitliche Schwankung an Heizenergie in einem Wohngebäude sehr viel größer als die des Strombedarfs. Bei modernen Gebäuden mit sehr geringem Heizenergiebedarf kann auch der Fall eintreten, dass mehr Strom- als Wärmeenergie benötigt wird.
Technik
Ursprünglich beruhten BHKW-Anlagen auf Verbrennungsmotoren, deren Wärme aus dem Abgas und dem Kühlwasserkreislauf zur Aufheizung von Heizungswasser verwendet wurde. Inzwischen werden auch andere Systeme wie Stirling-Motor, Brennstoffzelle, Mikro- und Kleingasturbinen oder etwa ein Linator zur Stromerzeugung in BHKW-Anlagen eingesetzt. Gerade die letzte Neuentwicklung ist aufgrund der wirtschaftlichen Einsatzfähigkeit im Bereich von Ein- und Mehrfamilienhäusern vielversprechend. Ein BHKW mit einem Linator gewann 2005 den renommierten Energie- und Umweltpreis des Wuppertal-Institutes. Der Einsatz bei Blockheizkraftwerken ist nicht auf Heizzwecke beschränkt, sondern dient auch zur Erzeugung von Prozesswärme über Wasserdampf, Heißluft oder Thermoöl oder eine Absorptionswärmepumpe, die die Abwärme der BHKW-Anlage zur Erzeugung von Kälte nutzt. Als Kraftstoffe kommen vorwiegend fossile oder regenerative Kohlenwasserstoffe wie Heizöl, Pflanzenöl, Biodiesel (für einen Dieselmotor) oder Erdgas bzw. Biogas (für einen Ottomotor, Zündstrahlmotor oder eine Gasturbine) zum Einsatz, daneben auch Holzpellets als nachwachsender Rohstoff in Dampfkraftanlagen. Bei BHKW-Anlagen auf Basis von Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen fällt Abwärme im Kühlkreislauf und im Abgas an. Sie wird über Wärmeübertrager in den Heizkreislauf der Gebäude-Zentralheizung überführt. So ist ein Wirkungsgrad von bis zu 95 Prozent erreichbar, abhängig von der jeweiligen Auslastung des Motors und dem Motorwirkungsgrad. Der reine elektrische Wirkungsgrad bei Motorvolllast beträgt je nach Brennstoff, Größe und Bauweise (z. B. mit/ohne Turbolader) des Motors und Generators zwischen 20 (bei kleinen BHKW) und 43 % (Dieselmotoren mit Leistungen über 1 MW).Kleine BHKW (Mikro-KWK) von ca. ein bis fünf kW elektrischer und ca. 3-15 kW thermischer Leistung eignen sich für den Heizbetrieb von Ein- und Mehrfamilienhäusern im Winter; hinsichtlich des Heizenergiebedarfs moderner, gut isolierter Einfamilienhäuser sind sie jedoch meist überdimensioniert.Mittelgroße BHKW mit einer elektrischen Leistung von mehreren Hundert kW werden häufig von Stadtwerken zur Beheizung von Wohnsiedlungen oder Hallenbädern genutzt und der Strom ins eigene Netz gespeist. Große BHKW mit Schiffsdieselmotoren bis über 10.000 kW werden für die Strom- und Wärmeversorgung von größeren Wohn- und Gewerbegebieten sowie Fabriken verwendet. Eine bestehende Heizungsinstallation kann bei Umstellung auf ein BHKW meist mit geringfügigen Änderungen weiter genutzt werden, jedoch gibt es mittlerweile auch die Möglichkeit des monovalenten BHKW-Einsatzes unter Einbeziehung größerer Wärmespeicher. Reicht wiederum die Heizung im Winterhalbjahr nicht aus, kann mit dem vorhandenen Brenner oder einem Spitzenlastkessel zugeheizt werden (bivalenter Einsatz); insbesondere kann mit dem vom BHKW selbst erzeugten Strom elektrisch zugeheizt werden. Geringfügige Wirtschaftlichkeitsvorteile lassen sich erreichen, wenn der selbst erzeugte Strom eine Wärmepumpe hoher Leistungszahl antreibt.
Wirtschaftlichkeit
Wesentlich für die Wirtschaftlichkeit einer BHKW-Anlage ist eine große jährliche Betriebsstundenzahl im hohen Lastbereich der Kraftmaschine (mehr als 4.000 Volllaststunden pro Jahr sollten erreicht werden). Nur so sind in der Regel die Investitionen in die Anlage betriebswirtschaftlich durch die finanzielle Vergütung für erzeugte Strom- und Wärmemengen (oder Reduktion der hierfür entstehenden Kosten) gerechtfertigt. Bei wärmegeführten BHKW wird daher mit Hilfe der Wärmebedarfskennlinie (einer Kurve, in der aufgetragen ist, wieviele Stunden im Jahr welche Wärmeleistung für die Gebäude erforderlich ist) die Wärmeleistung festgestellt, die etwa 3000 Stunden im Jahr gefordert wird. Die Spitzenwärmeleistung des BHKW wird auf diese Leistung festgelegt; in der Regel sind dies 25-30 Prozent des Spitzenwärmebedarfes. Um die Leistung in Stufen erbringen zu können, sind die BHKW meist modular mit mehreren Motoren ausgestattet.Im Wohnbereich schwankt jedoch der Heizenergiebedarf jahreszeitlich sehr stark, im Hochsommer entsteht er nur für die Brauchwassererwärmung. Nur bei sehr wenigen BHKW-Modellen ist die erzeugte Wärme in einem kleinen Bereich veränderbar („modulierender Betrieb“). Außerdem können Bedarfsschwankungen begrenzt durch Wärmespeicher ausgeglichen werden, ansonsten ist ein Parallelbetrieb mit einem herkömmlichen Brenner notwendig. Fehlen für solche Schwankungen des Wärmebedarfs ausgleichende Maßnahmen, kommt es zu häufiger An- und Abschaltung („Takten“) der BHKW-Anlage, was ihre Effizienz und Lebensdauer vermindert. Bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ist geboten, alle Investitions- und Betriebskosten wie Abschreibungen, Brennstoff, Wartung und Generalüberholungen unter diesem Gesichtspunkt zu bewerten und den Erlösen für Strom und Wärme bzw. den eingesparten Beträgen hierfür gegenüber zu stellen. Im Sommer kann zum Beispiel für die Abnahme der Wärme bei fehlendem Heizenergiebedarf eine zusätzlich zu investierende Absorptionskältemaschine eingesetzt werden, die Kälte zur Klimatisierung erzeugt. Man spricht dann von Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung. Zukünftig ist auch der Einsatz von BHKW als Virtuelles Kraftwerk geplant, indem eine Vielzahl dezentraler BHKW zentral gesteuert werden. Bedingt durch den zunehmenden Anteil an Wind- und Solarenergie, die nicht bedarfsgerecht Strom liefern können, wären BHKW ein schnell erreichbarer Puffer: Lokal liefern sie die notwendige elektrische Leistung, wärmeseitig können Wärmespeicher gefüllt werden. Grundproblem der Vermarktung von BHKW in Ein- und Mehrfamilienhäusern ist der im Vergleich zu üblichen Erdgas- oder Ölheizungen wesentlich höhere Anschaffungspreis; ferner sind die meisten handelsüblichen BHKW hinsichtlich des Heizenergiebedarfs eines modernen Einfamilienhauses überdimensioniert. Ein weiteres Problem - vor allem, wenn viele Kleinanlagen in einzelnen Gebäuden installiert werden - stellt der Wartungsaufwand für die Motoren dar. Sie kann in der Regel nicht von den Besitzern der Häuser geleistet werden, sondern muss von einem Fachbetrieb durchgeführt werden.
Mini - BHKW
Die Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung (Mikro-KWK) steht für eine Klasse von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK), die das unterste Leistungssegment der KWK abdeckt. In Anlehnung an eine dreiphasige Einspeisung ins Niederspannungsnetz (16 A, 400 V) wird eine Abgrenzung von "<"15 kW_el vorgeschlagen. Sie ist vor allem für den Einsatz in Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie im Kleingewerbe geeignet. Die Mikro-KWK erlaubt den Einsatz der energieeffizienten Kraft-Wärme-Kopplung auch ohne Fernwärmenetz zur dezentralen Energieerzeugung und verringert die Übertragungsverluste durch dezentrale Stromerzeugung.
Die Technik des Mini BHKW
Bei einem Blockheizkraftwerk (BHKW) wird der Energieträger, meist Erdgas, in einem thermodynamischen Kreisprozess genutzt, um mechanische Energie und daraus elektrische Energie zu generieren. Die Abwärme wird in das Heizungssystem des Gebäudes eingekoppelt. Der Strom wird selbst genutzt, der Saldo über das Netz ausgeglichen. Um auch im Sommer auf Laufzeiten des KWK-Aggregats zu kommen, ist es wichtig, dass auch die Warmwassererzeugung zentral erfolgt. In der Regel erfolgt die Auslegung so, dass die Grundlast an Wärme (Warmwasser + Übergangszeit) durch das BHKW bereitgestellt wird und der Spitzenwärmebedarf für die kalten Wintertage durch einen Zusatzbrenner geliefert wird. Ein Wärmespeicher entkoppelt die Wärme- von der Stromlieferung und erlaubt neben einer taktungsarmen Fahrweise den Betrieb zu Zeiten mit hohen Eigenstrombedarf.
Motorisches BHKW
Das motorische Blockheizkraftwerk ist eine ausgereifte Technologie, die von der hundertjährigen Entwicklungsgeschichte von Otto- und Dieselmotoren profitiert. Auch bei Mikro-KWK sind mehrjährige Anwendungserfahrungen vorhanden. Neben Erdgas und Flüssiggas werden Heizöl und neuerdings auch Pflanzenöl eingesetzt. Neben der erprobten Technik ist beim Motor-BHKW der hohe elektrische und thermische Wirkungsgrad positiv hervorzuheben (elektrisch 20 bis 25%, gesamt etwa 80-90%). Negativ an den Motor-BHKW sind die hohen Wartungskosten, die hauptsächlich durch die Ölwechselintervalle begründet sind. Weiterhin sind die im Vergleich zu anderen Typen hohen Emissionen zu nennen, was sich durch die interne Verbrennung begründet. Darüber hinaus stört die Entwicklung von Lärm und Schwingungen, die man durch Kapselung auf ein akzeptables Maß eindämmt.
Stirlingmotor
Der Stirlingmotor ist vom Konzept her älter als die Verbrennungskraftmaschinen, wurde aber durch deren Erfolg als Fahrzeugantrieb in ein Nischendasein getrieben. Als Maschine für den Einsatz als Heizkraftblock zur Energieversorgung von Gebäuden erlebt er eine Renaissance. Dies ist vor allem der äußeren Verbrennung zuzuschreiben. Hier kann mit kontinuierlicher Flamme gearbeitet werden, was sehr geringe Abgasemissionen mit sich bringt und auch verschiedenste gasförmige, flüssige und feste Brennstoffe zulässt. Darüber hinaus ist ein geräuscharmer Betrieb möglich. Zudem sind die Wartungskosten im Vergleich zum Verbrennungsmotor aufgrund des fehlenden Schmierölbedarfs geringer. Der Stirlingmotor kann über einen weiten Bereich moduliert werden; allerdings erreicht er nicht die guten elektrischen Wirkungsgrade der Verbrennungsmaschine. Im Gesamtwirkungsgrad kommt er allerdings auf über 90%.
Dampfmotor
Im Dampfmotor wird Wasser in einem geschlossenen Kreislauf erhitzt und verdampft, in einem Expansionsmodul verrichtet der Wasserdampf Arbeit, kondensiert und gibt dabei Wärme an den Heizkreis ab und wird anschließend zum Verdampfer zurückgepumpt. Der Dampfmotor arbeitet wie der Stirling mit externer Verbrennung und kommt daher auch auf ähnlich gute Abgaswerte und Brennstoffflexibilität. Allerdings sind bei den kleinen Dimensionen im Bereich der Mikro-KWK beim Dampfkreislauf nicht dieselben elektrischen Wirkungsgrade wie beim Großkraftwerk erreichbar, sondern nur um die 10 bis 15%. Positiv für das Konzept sprechen die geringen Wartungskosten ähnlich einer Brennwerttherme und der Gesamtwirkungsgrad von über 90%.
Vergütung
Biomasse nach § 8 EEG Grundvergütung? 150 kW: 11,5 ct/kWh? 20 MW: 8,4 ct/kWh? 5 MW: 8,9 ct/kWh? 500 kW: 9,9 ct/kWhjeweils Mindestvergütung, Degression 1,5% / aFür Verwendung von Altholz (A III/IV)3,9 ct/kWhBonus auf Nachwachsende Rohstoffe bei ausschließlicher Verwendung von Pflanzen, Gülle, Schlempe …? 150 kW: +6 ct/kWh? 5 MW: +4 ct/kWh? 500 kW: +6 ct/kWhBei Verbrennung von Holz? 5 MW: +2,5 ct/kWh Der KWK- und Technologie-BonusWerden die Anlagen als Kraft-Wärme- Kopplung betrieben +2 ct/kWh für KWK-Anteil
Wird innovative Technik eingesetzt z.B. Stirling, Dampfmotoren oder Brennstoffzellen +2 ct/kWh für innovative Technik
