Blockheizkraftwerk

Biogas-BHKW in Güssing, Österreich

Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) ist eine modular aufgebaute Anlage zur Gewinnung elektrischer Energie und Wärme, die vorzugsweise am Ort des Wärmeverbrauchs betrieben wird, aber auch Nutzwärme in ein Nahwärmenetz einspeisen kann. Sie setzt dazu das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung ein.

Als Antrieb für den Stromerzeuger können Verbrennungsmotoren, d. h. Diesel- oder Gasmotoren, aber auch Gasturbinen verwendet werden.

Der höhere Gesamtnutzungsgrad gegenüber der herkömmlichen Kombination von lokaler Heizung und zentralem Kraftwerk resultiert daraus, dass die Abwärme der Stromerzeugung direkt am Ort der Entstehung genutzt wird. Der Wirkungsgrad der Stromerzeugung liegt dabei, abhängig von der Anlagengröße, zwischen 25 % und 50 %. Durch die ortsnahe Nutzung der Abwärme wird die eingesetzte Primärenergie aber zu 80 % bis über 90 % genutzt. Blockheizkraftwerke können so bis zu 40 % Primärenergie einsparen.

Übliche BHKW-Module haben elektrische Leistungen zwischen fünf Kilowatt (kW) und fünf Megawatt (MW). Unter 50 Kilowatt spricht man auch von Mini-Kraft-Wärme-Kopplung (Mini-KWK), unter 15 Kilowatt von Mikro-KWK. Mini- und Mikro-KWK werden in Ein- und Mehrfamilienhäusern, in Betrieben und im Siedlungsbau verwendet. Die Kraft-Wärme-Kopplung wird ebenfalls in Heizkraftwerken genutzt, dort typischerweise mit elektrischen Leistungen von einigen hundert MW.

Betriebsarten

Im Idealfall ist der Netzbezug abgedeckt, so dass eine Überproduktion ins Stromnetz eingespeist werden kann. Die Wärme dient zu Heizzwecken und für die Warmwasserbereitung.

Wenn sich die Leistungsabgabe des BHKW 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.

Notkühler (horizontale Ventilatoren in Bildmitte) auf dem Containerdach eines Biogas-BHKW.

Bei einem stromgeführten BHKW richtet sich die Leistungsabgabe nach dem Strombedarf. Die in diesem Zeitraum nicht nutzbare Wärme wird in einem Wärmespeicher für eine spätere Nutzung zwischengepuffert oder über einen Notkühler als Abwärme an die Umgebung abgegeben, obwohl das den Wirkungsgrad reduziert. Diese Betriebsart findet sich zum einen häufig in Inselnetzen, das heißt vom öffentlichen Netz getrennten Stromnetzen. Zum anderen werden BHKW, die mit nachwachsenden Rohstoffen betrieben werden, in Deutschland in der Regel stromgeführt betrieben, da es durch die höheren Einspeisetarife für den produzierten Strom durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz gewinnbringender ist, ein Maximum an Elektrizität zu produzieren. Die Verwertung der dabei anfallenden Wärme wurde bisher häufig vernachlässigt und ist nur in Ausnahmesituationen zur Gänze möglich.

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

Üblicherweise wird die Leistung einer (meist 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 erreichen (pro Jahr werden mindestens 7900 Stunden angestrebt, in der Regel aber nur etwa 3000 bis 4000 Stunden realisiert).

Mit Hilfe von Pufferspeichern werden Mini-BHKW für Wohngebäude monovalent betrieben, das heißt ohne Spitzenlastkessel. Ein solches BHKW wird nicht – wie oben als üblich bezeichnet – nach der Grundlast an Wärmeenergiebedarf ausgelegt, sondern wie eine herkömmliche Heizungsanlage nach der Spitzenlast. Diese Auslegungsweise wird vor allem bei den sogenannten Mini-KWK (s. u.) propagiert. Bei einer solchen Auslegung kommt es zum An- und Abschalten des BHKW (sogenanntes „Takten“), was seine Lebensdauer verkürzt und den Kosten-Wirkungsgrad verringert.

Eine bestehende Heizungsinstallation kann bei Umstellung auf ein Mini-BHKW meist mit geringfügigen Änderungen weitergenutzt werden. Zum einen gibt es 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 hinzugeheizt werden (bivalenter Einsatz). Bei nur selten auftretendem zusätzlichem Heizbedarf kann auch die Installation einer einfachen elektrischen Zusatzheizung (Tauchsieder-Prinzip) kostengünstig sein.

Auch größere BHKW können durch den Einsatz von Wärmespeichern optimiert werden. Diese dienen dazu, die Spitzenlast abzupuffern und dadurch die Anforderung von zusätzlicher Wärme aus Nicht-KWK-Erzeugung (Heizkessel) zu vermeiden. Weiterhin erlauben sie einen zeitweiligen stromgeführten Betrieb, d. h. eine Speicherladung zu Zeiten mit hohem Strompreis.

Ökologie- und Umweltaspekte

Der wirtschaftliche und ökologische Grundgedanke des wärmegeführten Betriebes liegt darin, erzeugte Wärme vollständig und möglichst auch den Strom 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, substituiert die verstärkte Nutzung von BHKW den Strom aus fossilen Kondensationskraftwerken der Mittellast (hauptsächlich Kohle) und ermöglicht damit einen geringeren Kohlendioxid-Ausstoß^[1]. Das soll in Deutschland auch durch gesetzliche Regelungen wie das KWK-G unterstützt werden.

Ein BHKW erreicht einen insgesamt deutlich höheren Nutzungsgrad (Nutzenergie Strom plus Nutzenergie Wärme dividiert durch Energieeinsatz) gegenüber dem herkömmlichen Mischbetrieb aus lokaler Heizung und zentraler Stromversorgung. So erreicht ein modernes Großkraftwerk auf Steinkohlenbasis einen Wirkungsgrad von ca. 45 Prozent. Das heißt, dass rund die Hälfte der erzeugten Energie als Abwärme anfällt, deren Nutzung als Fernwärme aber deutliche Transportverluste (10–15 %) sowie ein aufwendiges und teures Rohrleitungsnetz bedingen würde, da bei zentralen Großkraftwerken Wärmeerzeuger und Wärmeabnehmer in der Regel weit auseinanderliegen. Auch durch Umspannen und Transport der Elektrizität gehen nochmals ca. 2 bis 5 Prozent der Energie verloren. BHKW besitzen einen elektrischen Wirkungsgrad von ca. 25 bis 50 Prozent (je nach Größe und Art); der Gesamtwirkungsgrad von ca. 90 Prozent resultiert aus kombinierter Nutzung von Strom und Wärme und deren Einsatz direkt vor Ort.

Der Vorteil, die Prozesswärme vor Ort nutzen zu können, setzt außerdem geeignete Abnehmer voraus. Wohngebäude brauchen aber abhängig von der Jahreszeit unterschiedlich viel Wärme, wodurch der Vorteil, die Prozesswärme nutzen zu können, im Sommer nur teilweise gilt. Auch die hohen Werte für die Gesamtwirkungsgrade gelten nur dann, wenn die Prozesswärme optimal genutzt werden kann, was nur dann der Fall ist, wenn die Anlage, wie oben beschrieben, wärmegeführt betrieben wird.

Der Aufwand zur Wartung der Motoren (wie Ölwechsel und Luftfilter, bei Gasmotoren die Zündkerzen etc.) mit den damit verbundenen An- und Abfahrten des Servicepersonals wirkt sich negativ auf die ökologische Bilanz aus, da er bei kleineren und dezentralen Anlagen, speziell den Mikro-KWK, spezifisch nennenswert ansteigt. Positiv auf die Energiebilanz wirken sich dagegen die kurzen Transportwege für den produzierten Strom aus. Leitungsverluste werden so minimiert.

Technik

Funktionsschema einer BHKW-Anlage

Ursprünglich beruhten BHKW-Anlagen auf Verbrennungsmotoren, deren Wärme aus dem Abgas und dem Kühlwasserkreislauf zur Aufheizung von Heizungswasser verwendet wird. Inzwischen werden auch andere Systeme wie Stirling-Motor, Dampfmotor und Holzvergaser zur Stromerzeugung in BHKW-Anlagen eingesetzt. Der Einsatz von Blockheizkraftwerken ist, je nach Art der Verbrennungskraftmaschine, nicht auf die Bereitstellung von Raumwärme beschränkt, sondern dient auch zur Erzeugung von Prozesswärme über Wasserdampf, Heißluft oder Thermoöl oder der Klimatisierung per Absorptionswärmepumpe. Diese nutzt die Abwärme der BHKW-Anlage zur Erzeugung von Kälte.

Als Kraftstoffe kommen vorwiegend fossile oder regenerative Kohlenwasserstoffe wie Heizöl, Pflanzenöl (zumeist Palmöl), Biodiesel (für einen Dieselmotor) oder Erdgas bzw. Biogas (für einen Ottomotor, Zündstrahlmotor oder eine Gasturbine, siehe auch Biogasmotor) zum Einsatz, daneben auch Holzhackschnitzel und Holzpellets als nachwachsende Rohstoffe in Stirlingmotoren, Dampfkraftanlagen und Holzvergasern, letztere in Verbindung mit einem Ottomotor.

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 Nutzungsgrad 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 Mini-BHKW) und 43 % (bei 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. 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 über 10.000 kW werden für die Strom- und Wärmeversorgung von größeren Wohn- und Gewerbegebieten sowie Fabriken verwendet.

Wirtschaftlichkeit

Wesentlich für die Wirtschaftlichkeit einer BHKW-Anlage ist eine große jährliche Betriebsstundenzahl im hohen Lastbereich der Kraftmaschine (typisch etwa 4.000 Volllaststunden pro Jahr). Dabei wird angestrebt, die Investitionen in die Anlage betriebswirtschaftlich durch die finanzielle Vergütung für erzeugte Strom- und Wärmemengen (oder Reduktion der dafür entstehenden Kosten) auszugleichen.

Bei wärmegeführten BHKW wird dazu mit Hilfe der Jahresdauerlinie des Wärmebedarfs (einer Kurve, in der aufgetragen ist, wie viele Stunden im Jahr welche Wärmeleistung für die Gebäude erforderlich ist) die Wärmeleistung festgestellt, die etwa 3000 Stunden im Jahr fordert. Die Spitzenwärmeleistung des BHKW wird auf diese Leistung festgelegt; in der Regel sind das 25–30 Prozent des Spitzenwärmebedarfes. Um die Leistung in Stufen erbringen zu können, sind BHKWs meist modular mit mehreren Motoren ausgestattet.

Im Wohnbereich schwankt der Heizenergiebedarf jahreszeitlich sehr stark, im Hochsommer entsteht er nur für die Brauchwassererwärmung. Zurzeit existieren erst wenige BHKW-Modelle, welche die erzeugte Wärme und damit auch den gekoppelt produzierten Strom verändern können („modulierender Betrieb“). Bedarfsschwankungen – begrenzt durch Wärmespeicher – können jedoch ausgeglichen werden. Ein Parallelbetrieb mit einem herkömmlichen Brenner für den thermischen Spitzenbedarf und als Reserve bei Störungen bzw. Wartungen ist üblich. Fehlen für solche Schwankungen des Wärmebedarfs ausgleichende Maßnahmen, kommt es zu häufiger An- und Abschaltung („Takten“) der BHKW-Anlage, was zu einer Minderung von Effizienz und Lebensdauer führen kann.

Bei einer umfassenden Wirtschaftlichkeitsbetrachtung werden alle Investitions- und Betriebskosten – also Abschreibungen, Brennstoff und Wartung – eingerechnet und den Erlösen für Strom und Wärme bzw. den dabei eingesparten Beträgen gegenübergestellt. Grundlage dieser Wirtschaftlichkeitsbetrachtung bildet die VDI-Richtlinie 2067 "Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen".

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 und ebenfalls keine Grundlast gewähren können, könnten BHKW mit nachgeschaltetem Wärmepuffer noch rentabler arbeiten: Lokal liefern sie die notwendige elektrische Leistung, wärmeseitig können Wärmespeicher gefüllt werden.

Ein Grundproblem der Vermarktung von BHKW speziell in Ein- und Mehrfamilienhäusern ist der im Vergleich zu üblichen Erdgas- oder Ölheizungen höhere Anschaffungspreis. Der Heizsystemvergleichs-Rechner der Verbraucherzentrale NRW vergleicht die Gesamtkosten unterschiedlicher Heizsysteme (u. a. auch BHKW) für bestehende Wohngebäude vom Einfamilienhaus bis zum 10-Familien-Haus ^[2]

Öffentliche Förderung

BHKW, betrieben mit kaltgepresstem Rapsöl

BHKW werden in Deutschland seit dem 1. Januar 2009 durch das Gesetz für die Erhaltung, die Modernisierung und den Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung, kurz Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz gefördert. Netzbetreiber sind verpflichtet, eine BHKW-Anlage an ihr Stromnetz anzuschließen und den ins öffentliche Netz eingespeisten Strom zu vergüten. Die Vergütung setzt sich zusammen aus dem Durchschnittspreis für Basislaststrom (Baseloadpreis) an der Leipziger Strombörse EEX, einem KWK-Zuschlag gemäß dem KWK-Gesetz sowie einem Netzentgelt für die dezentrale Einspeisung. Außerdem erhalten ab dem 1. Januar 2009 die KWK-Anlagen auch für den Strom, der z. B. im Versorgungsobjekt (Hotel, Wohnhaus, etc.) selbst genutzt wird, einen KWK-Zuschlag. Auch KWK-Anlagen, die nach dem (alten) KWK-Gesetz vom 1. April 2002 kategorisiert wurden bzw. werden können, erhalten ab dem 1. Januar 2009 für den außerhalb der öffentlichen Netze verwendeten Strom einen KWK-Zuschlag. Die Höhe orientiert sich dabei an den Vorgaben des KWK-Gesetzes von 2002.

Zur staatlichen Förderung gehören weiterhin auch Steuererleichterungen, wie z. B. die Erstattung der Energiesteuer für den eingesetzten Brennstoff gemäß Energiesteuergesetz. Diese Regelung trägt sehr stark zu einer wirtschaftlichen Betriebsweise von KWK-Anlagen bei.

In der Praxis hat das KWK-Gesetz aus dem Jahre 2002 den Zubau von kleinen KWK-Anlagen (bis zwei MW gemäß §3(3) KWK-G), zu welchen die BHKW im Allgemeinen zählen, nicht die erhoffte Dynamik erzeugt, obwohl hier große Potenziale^[3] brachliegen, die man wirtschaftlich erschließen könnte (Plädoyer für das 7-Liter-Haus im Bestand^[4], z. B. durch innovative Heizungsanlagen).

Mit Biomasse als Rohstoff erzeugter KWK-Strom, der im Rahmen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) in das Stromnetz eingespeist wird, wird nach den Regeln des EEG mit einem zusätzlichen Bonus von 3 Cent pro Kilowattstunde vergütet (KWK-Bonus des EEG).^[5]

Weblinks

• Allgemeine Informationen über BHKW (BHKW-Forum e.V.)
• BHKW als Stromerzeugende Heizung (ASUE e.V.)
• Einbindung von Blockheizkraftwerken (ASUE e.V.)
• Anwendungsbeispiele: „BHKW des Monats“ aus Energie und Management

Einzelnachweise

1. ↑ FfE: KWK Verdrängungsmix, 2008
2. ↑ Wirtschaftlichkeitsvergleich von Heizsystemen, Verbraucherzentrale NRW / Stadt Düsseldorf
3. ↑ A cost curve for greenhouse gas reduction, McKinsey Quarterly, 2007 (PDF)
4. ↑ Kosten und Potenziale der Vermeidung von Treibhausgasemissionen in Deutschland, Studie von McKinsey Deutschland im Auftrag des BDI, 2007
5. ↑ Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien