Blockheizkraftwerk (BHKW)

Aufbau

 

Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) ist eine Anlage mit Kraftwärmekopplung (KWK). Das bedeutet, dass Nutzenergie in Form von Kraft, also mechanischer Leistung, als auch von Wärme.

Sehr vereinfacht kann ein BHKW als Verbrennungsmotor mit einem Abgas - Wärmetauscher beschrieben werden.

 

/// Bild: Wiki BHKW Prinzip ///

 

Dabei wird ungefähr 1/3 - Mechanischer Nutzenergie zu 2/3 - Nutzwärme erzeugt. Im Vergleich zum Automobilbau werden Motoren in der Gebäudewirtschaft im Allgemeinen langsamer und gleichmäßiger betrieben, was sich auf Lebenszeit und Schallschutz auswirkt.

 

 

Arten und BHKWs

 

Es kommen unterschiedliche Arten von Verbrennungsmotoren zum Einsatz.

Eine Übersicht ist in der folgenden Tabelle gegeben. Die Leistungsklassen und Wirkungsgrade sind dabei nur Anhaltswerte. In jedem Fall ist ein Fachplaner bei der Auslegung eines BHKW dringend empfohlen.

Typ Beschreibung
Stirling Motor

Die Verbrennung findet im Stirling Motor außerhalb des Kolbenraumes statt. Stirling Motoren können bisher nicht die Leistungsdichte anderer Motorarten erreichen und werden daher für kleinere Leistungsklassen eingesetzt. Durch die vom Kolbenraum getrennte Verbrennung können prinzipiell alle Brennstoffe eingesetzt werden, wobei die Verbrennungstemperatur einen Einfluss auf den Wirkungsgrad hat.

 

Brennstoffe: Alle

Leistungsklasse: 1...40 kWel

elektrischer Wirkungsgrad: 10...25 %

Gesamtwirkungsgrad: 75...85 %

Dampfmaschine Mit Stand 2016 ist die Dampfmaschine als BHKW am Markt erhältlich. Das Arbeitsmedium ist Wasserdampf, der Brennstoff kann beliebig gewählt werden. Augrund der sehr wenigen Anbieter sollen hier weder Leistungsklasse noch Wirkungsgrade angegeben werden.
Ottomotor (einschl. Gasmotor)

Der Ottomotor ist der häufigste Motor im BHKW. Aufgrund seines Einsatzes im Automobilbau ist er sehr ausgereift. Durch den Einsatz unterschiedlicher Brennstoffe in der Gebäudewirtschaft müssen Ottomotoren angepasst werden.

Nachteilhaft sind der systematisch bedingte Wartungsaufwand (Ölwechsel) und der Emissionsausstosch.

 

Brennstoffe: Erdgas, Flüssiggas (LPG), Biogas, seltener: Heizöl, Rapsöl

Leistungsklasse: Alle Leistungsklassen (ab 1 kW elektrisch und 2,8 kW)

elektrischer Wirkungsgrad: 20...30 %

Gesamtwirkungsgrad: 85...93 %

Dieselmotor

Dieselmotoren kommen oft für mittlere bis große BHKW Anlage zum Einsatz in Form modifizierter Großdieselanlagen. Da Diesel als Brennstoff in der Gebäudewirtschaft nicht verbreitet ist, müssen die Diesel umgerüstet werden, wobei andere Brennstoffe bei vorhandenen Kompressionen nicht zur Selbstentzündung gebracht werden können und somit mit Zündkerzen ausgerüstet werdenmüssen.

Durch die höheren Verdichtungsverhältnisse können im Vergleich zum Ottomotor höhere Wirkungsgrade erreicht werden. Dafür ist die Bauweise robuster, wodurch sich Nachteile bei Platzbedarf und Inverstitionskosten ergeben.

 

Brennstoffe: Erdgas, Flüssiggas (LPG), Biogas, seltener: Heizöl, Rapsöl

Leistungsklasse: Mittlere bis hohe Leistungsklassen, kleinere Leistungsklassen noch eher selten

elektrischer Wirkungsgrad: 25...35 %

Gesamtwirkungsgrad: 90...98 %

Brennstoffzelle

In Brennstoffzellen läuft eine kontrollierte Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser ab. Produkte dieser Reaktion sind Strom, Wärme und das Reaktionsprodukt Wasser.

Brennstoffzellen können mit Erdgas betrieben werden, indem in einem vorgeschalteten Reformer, der heißen Wasserdampf benötigt, aufgespalten wird zu Aktivkohle und Wasserstoff.

Vorteil von Brennstoffzellen sind die Nullemissionen für Schall und Abgase.

Nachteilhaft sind die Technologiereife sowie das nicht ausgebaute Wartungsnetz und der momentan (Stand 2016) noch sehr hohe Anschaffungspreis.

Im Gegensatz zu Japan, wo die Brennstoffzelle für Einfamilienhäuser schon häufig zum Einsatz kommt, etabliert sich der Markt in Deutschland gerade erst. Dafür stehen attraktive Fördermöglichkeiten zur Verfügung.

 

Brennstoffe: Erdgas

Leistungsklasse: Erste Produkte für Ein- bis Zweifamilienhäuser geeignet

elektrischer Wirkungsgrad: bis 40 %

Gesamtwirkungsgrad: ca. 95 %

/// Bild: BHKW Typen ///

 

 

Betrieb und Regelung von BHKWs

 

Das Verhältnis aus Strom und Wärmeproduktion kann nicht verändert werden, sondern ist für einen Betriebspunkt festgelegt. Man wird als entwerder eine Strom- oder Wärmeüberproduktion haben.

Eine Stromüberproduktion kann entsprechend in das Netz eingespeist werden zu Preisen, die an der Leipziger Strombörse gehandelt werden. Die Einspeisung von Strom ist nach dem EEG geregelt, wenn regenerative Brennstoffe genutzt werden und nach dem KWK - Gesetz, wenn fossile Brennstoffe genutzt werden.

Eine Überproduktion an Wärme kann hingegen nur kurz durch den Einsatz eines Pufferspeichers aufgefangen werden, danach muss sie an die Umwelt abgegeben werden.

 

Im folgenden sind die verschiedenen Betriebsarten von BHKWs erläutert.

 

1. Wärmegeführter Betrieb

Im wärmegeführten Betrieb gibt es zwei mögliche Betriebsarten. Zunächst kann der Pufferspeicher azfgefüllt werden für eine anschließende Entnahme von Wärme. Vorteihaft ist dabei, dass das BHKW für eine definierte Zeit im Auslegungspunkt betrieben wird. Die andere Möglichkeit ist die Wärmeproduktion entspechend Wärmebedarf zu einem bestimmten Zeitpunkt. Vorteilhaft hierbei isr, dass die Speicherverluste vermieden werden können.

Die benötigte Strommenge des Gebäudes wird zugekauft, eine Überproduktion an Strom wird hingegen eingespeist.

 

2. Stromgeführter Betrieb

Es gibt zwei Möglichkeiten, die einen stromgeführten Betrieb sinnvoll machen. Erstens für Betriebe, die das BHKW zu Zeiten von Stromlastspitzen einspeisen möchten, was wirtschaftlich aber nicht ökologisch sinnvoll ist. Zweitens, wenn ein Wärmekonzept vorlieget, so dass ein großer Teil der produzierten Wärme in jedem Fall genutzt werden kann.

 

3. Stromorientierter Betrieb

Ziel des stromorientierten Betriebs ist die elektrische Eigennutzung. Dabei wird wärmegeführt geregelt, wenn der Wärmebedarf dominant ist und stromgeführt, wenn der Strombedarf dominant ist.  Das BHKW wird aber nicht für die Stromeinspeisung betrieben.

 

4. Netzgeführter Betrieb

Das Konzept basiert auf dem virtuellen Kraftwerk. Mehrere BHKWs werden dabei von einem Zentralrecdhner gesteuert, der sowohl den Wärmebedarf, als auch die Brennstoffbestände berücksichtigt. Im Vergleich zum stromgeführten Betrieb kann zwar nur eine geringere Einspeisung erreicht werden, dafür ist diese Betriebsart wesentlich Resourcen schonender.

 

/// Bild: BHKW Regelungen ///

 

Wirtschaftlichkeit von BHKWs

 

Die Wirtschaftlichkeit eine BHKW hängt wesentlich von Betrieb und Regelung ab. Grundsätzlich gilt, dass ein BHKW dann wirtschaftlich ist, wenn es viele Betriebsstunden nahe des Auslegungspunktes, also unter Vollast hat.

 

Der Gestzgeber wird dabei die Regulierung so gestalten, dass die lokale Abnahme von Strom für den Betreiber eines BHKW günstiger ist, als die Einspeisung in das Stromnetz.

 

Als sehr grobe Richtwerte (Stand 2016) für eine Abschätzung können folgende Annahmen herangezogen werden:

 

1) Jede selbst genutzte kWh Strom spart 15 - 20 cent

2) Jede eingespeiste kWh wird mit 10 cent vergütet

 

Für ein BHKW, das pro Jahr 5000 kWh Strom erzeugt in einem Haushalt, der 2500 kWh Strom selbst verbraucht, lassen folgende Einsparungen erzielen:

 

Durch Eigennutzung: 375 - 500 €

Durch Einspeisung: 250 €

 

Um die richtige Strategie für einen Betreiber zu ermitteln, müssen alle Aspekte, bei Investition, Förderung, Betrieb und Einspeisevergütung berücksichtigt werden. Es ist empfehlenswert, hier einen Fachplaner hinzuzuziehen.

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© Christoph Mevenkamp