Blockheizkraftwerke sind Nahwärmesysteme, die nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung funktionieren; das bedeutet, sie produzieren gleichzeitig Strom und Wärme. Die Abwärme, die bei der Stromproduktion entsteht, wird als Nutzwärme für die Heizung und die Warmwasserbereitung eingesetzt und in einem Nahwärmenetz verteilt.

Prinzip eines Blockheizkraftwerks

Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) besteht aus einem Gas- oder Dieselmotor in einem schallgedämmten Gehäuse, der einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Die hierbei anfallende Abwärme des Motors und des Kühlwassers wird zur Wärmeversorgung von Gebäuden verwendet. Die Wärme kann über einen Wärmetauscher auch an einen Warmwasserspeicher zur Erwärmung des Trinkwassers abgegeben werden. Die eingesetzte Energie wird auf diese Weise zu etwa 40 % in elektrische Energie und zu 60 % in Wärmeenergie umgesetzt.

Im Vergleich zu einer getrennten Erzeugung von Strom und Wärme führt dieses Verfahren zu einer Primärenergieeinsparung von 40 % und ist damit deutlich effizienter als die meisten anderen Methoden zur Wärme- und Stromerzeugung. Durch die optimierte Energieausnutzung werden darüber hinaus wesentlich geringere Mengen an CO₂ an die Atmosphäre abgegeben.

 

Anlagenschema eines Blockheizkrafwerks

Wirkungsgrad eines Blockheizkraftwerks

Der gute Wirkungsgrad eines BHKW lässt sich nur dann erzielen, wenn Strom und Wärme auch kontinuierlich abgenommen werden können. Im Gegensatz zum modulierenden Betrieb von Heizkesseln können nur wenige BHKW im Teillastbereich gefahren werden, da der Motor während des Betriebs praktisch mit Leerlaufdrehzahl läuft. Eine geringere Drehzahl ist bei diesen Modellen nicht möglich. Um trotzdem die vom BHKW erzeugte Leistung in Grenzen variieren zu können, werden entsprechend der benötigten Wärmemenge mehrere BHKW-Module eingesetzt, die bei geringerem Bedarf einzeln abgeschaltet werden können.

Mini-Blockheizkraftwerke

Bislang lohnte sich der Einbau eines Blockheizkraftwerks nur, wenn es sich entweder um sehr große Projekte mit einem insgesamt hohen Energiebedarf handelte, da die meisten Hersteller nur Geräte mit größeren Leistungen produzierten, als sie für kleinere Gebäude benötigt wurden. Eine weitere Möglichkeit bestand darin, mehrere Häuser zusammen an ein Blockheizkraftwerk anzuschließen.

Die steigende Nachfrage, die Technik von Blockheizkraftwerken auch für kleinere Projekte nutzbar zu machen, wurde mittlerweile von den Herstellern zur Kenntnis genommen, sodass sich motorbetriebene Mini-BHKW schnell auf dem Markt etabliert haben. Als Mini-Blockheizkraftwerke werden Anlagen bezeichnet, die im elektrischen Leistungsbereich unterhalb von 30 kW liegen. Kleinste BHKW-Module verfügen in der Regel über eine elektrische Leistung von 5 kW und eine thermische Leistung von 12,5 kW und werden in größeren Ein- oder Zweifamilienhäusern oder kleineren Gewerbebetrieben eingesetzt.

Mini-Blockheizkraftwerke können mit konstanter Motorendrehzahl, aber auch modulierend betrieben werden. Die Leistungsmodulation macht es erheblich leichter, das BHKW stufenlos an den tatsächlichen Bedarf anzupassen, sodass sie immer so viel Energie produziert, wie auch gerade benötigt wird.

 

BHKW-Modul in schallgedämmtem Gehäuse

Alternative Kraftstoffe

Zur umweltschonenden Förderung erneuerbarer Energien kann ein Blockheizkraftwerk alternativ auch mit sog. Biodiesel betrieben werden. Biodiesel ist ein Kraftstoff, der meist aus Raps- oder Pflanzenöl hergestellt wird. Er erzeugt nur geringe Motoremissionen und ist biologisch abbaubar. Rapsöl bindet als nachwachsender Rohstoff die Menge CO₂ beim Wachstum, die bei der Verbrennung wieder freigesetzt wird, und gilt deshalb als CO₂-neutral. Darüber hinaus entstehen dabei deutlich geringere Emissionen als bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe. Als reiner Kraftstoff unterliegt Biodiesel nicht der Mineralölsteuer und ist deshalb preislich mit fossilem Diesel konkurrenzfähig.

Die Funktionsfähigkeit des Blockheizkraftwerks wird durch einen speziell für den Pflanzenölbetrieb ausgerüsteten Motor erreicht. Damit der Kraftstoff nahezu die gleichen Eigenschaften wie Diesel oder Heizöl aufweist, wird er auf 60° vorerwärmt. Einige Biodiesel-Blockheizkraftwerke mit elektrischen Leistungen zwischen 8 und 500 kW wurden in Deutschland bereits installiert und in Betrieb genommen.

Eine weitere Möglichkeit stellen mit Holzhackschnitzeln betriebene Blockheizkraftwerke dar. Zu dieser Anlage gehört ein Holzvergaser, der den BHKW-Motor mit Brenngasen versorgt. Diese sog. biomassebetriebenen Blockheizkraftwerke sind jedoch nur für größere Nahwärmenetze geeignet.

Planungskriterien eines Blockheizkraftwerks

Auslegung eines Blockheizkraftwerks

Richtet sich der Betrieb des BHKW nach dem Wärmebedarf der Abnehmer, so wird es als wärmegeführt bezeichnet. Um ein BHKW wirtschaftlich betreiben zu können, wird es in den meisten Fällen auf etwa 40 % der maximalen Heizlast (Grundlast) ausgelegt und bivalent betrieben. Das heißt, es wird ein zusätzlicher Wärmeerzeuger für auftretende Spitzenlasten im Winter benötigt. Um einen hohen Jahresnutzungsgrad zu erreichen, sollten sie zwischen 4.000 und 8.000 Stunden jährlich in Betrieb sein. Je größer ihre Betriebsstundenzahl ist, desto höher ist auch ihr Nutzungsgrad.

Wärmeerzeuger für Spitzenlasten

Mit der beschriebenen Auslegung kann durch Blockheizkraftwerke zwischen 50 und 75 % des gesamten Heizwärme- und Warmwasserbedarfs gedeckt werden. Spitzenlasten bei sehr niedrigen Außentemperaturen können z.B. von einem Brennwertkessel abgedeckt werden, der modulierend hinzugeschaltet wird. Dadurch wird er nur bei wirklichem Bedarf zur Wärmeproduktion hinzugezogen. Beim Einbau von Mini-Blockheizkraftwerken kann unter Umständen auf einen zusätzlichen Wärmeerzeuger verzichtet werden, z.B. wenn ganzjährig ein konstanter Betrieb möglich ist, die Wärme also auch im Sommer abgenommen werden kann.

Worauf ist bei der Planung zu achten?

Blockheizkraftwerke mit konstanter Motordrehzahl erzeugen gleichbleibend die maximal mögliche Menge an Strom und Wärme und können nicht reguliert werden. Im Sommer, wenn die benötigte Wärmemenge sinkt, läuft ein BHKW mit dieser Betriebsweise mit unverminderter Leistung weiter und produziert mehr Wärme, als zu dieser Zeit benötigt wird. Strom kann jederzeit in das öffentliche Netz eingespeist werden. Wenn dagegen für die Wärme kein Abnehmer vorhanden ist, kann das BHKW nicht sinnvoll betrieben werden, es sei denn, es wird in den Sommermonaten abgeschaltet und die benötigte Energie in dieser Zeit auf andere Weise bezogen.

Geräte mit sog. Leistungsmodulation, die es jedoch nur im Bereich der kleineren BHKW gibt, lassen sich dem tatsächlichen Bedarf eher anpassen und können dadurch ganzjährig wirtschaftlicher eingesetzt werden. Eine andere Möglichkeit wäre, mehrere kleinere Module für den größeren Bedarf anzuschließen, sodass im Sommer ein Teil der Anlage abgeschaltet werden könnte und ein oder zwei Module in Betrieb bleiben könnten.

Pufferspeicher

Als günstig hat sich das Einbauen eines Pufferspeichers mit einem Volumen von etwa 500 bis 1.000 l erwiesen, mit dem überschüssige Wärme wie z.B. im Fall der Sommerproblematik zwischengespeichert werden kann. Er hat die Form und Größe eines üblichen Warmwassertanks und ermöglicht den Ausgleich von Schwankungen im Bedarf.

Darüber hinaus bleibt ein BHKW-Motor automatisch stehen, sobald keine Wärmeabnahme mehr erfolgt. Um diesen Fall möglichst selten eintreten zu lassen, eignen sich ebenfalls Pufferspeicher zur Zwischenlagerung der Wärme. Da die Energie dadurch nicht verloren geht, erhöht dies auch die Wirtschaftlichkeit der Anlage.

Platzbedarf

Die Größe der Stellfläche eines BHKW ist abhängig von seiner Leistung. Ein Mini-Blockheizkraftwerk hat beispielsweise einen Platzbedarf von 3 bis 5 m². Für einen möglichen Pufferspeicher würden etwa 2 m² hinzukommen. Jedes BHKW-Modul ist darüber hinaus zur Abgasführung an einen Schornstein anzuschließen.

Geräusche

Auch wenn sich die Motoren der Blockheizkraftwerke in einem schallgedämmten Gehäuse befinden, sind ihre Lautstärke und die erzeugten Vibrationen nicht zu unterschätzen. Gerade größere Anlagen können einigen Lärm produzieren und sollten deshalb möglichst in separaten Heizhäusern aufgestellt werden. Kleinere Anlagen sind außerhalb von Wohnungen oder Aufenthaltsbereichen, z.B. in geeigneten Kellerräumen, unterzubringen.

Wirtschaftlichkeit

Der Einbau eines üblichen BHKW ist nur dann sinnvoll, wenn eine hohe Nutzungsdauer von etwa 4.500 bis 5.500 Stunden pro Jahr erreicht werden kann. Dies entspricht einer thermischen Grundlast von mindestens 8 bis 10 kW und einer elektrischen Grundlast von 4 kW. Je größer ein Gebäude und je gleichmäßiger dessen Wärme- und Strombedarf ist, desto wahrscheinlicher wird auch die Wirtschaftlichkeit eines BHKW-Einsatzes.

Auch Mini-Blockheizkraftwerke sollten eine hohe jährliche Betriebsstundenzahl aufweisen, um sie ökonomisch betreiben zu können. Ab etwa 4.000 Vollbetriebsstunden im Jahr ist hier ein wirtschaftlicher Einsatz möglich. Geeignet für einen ganzjährig durchgängigen Betrieb sind insbesondere kleinere Wohnhäuser, die über ein privates, im Sommer beheiztes  Schwimmbad verfügen. Eine genaue Wärmebedarfsberechnung für das jeweilige Gebäude kann bei der Entscheidungsfindung helfen, ob der Einbau eines Mini-BHKW wirtschaftlich sinnvoll wäre oder nicht.

Investitionskosten

Die Investitionskosten für ein mittleres Blockheizkraftwerk liegen zwischen 2.500 € und 3.500 € pro Kilowatt installierter elektrischer Leistung. Zusätzlich kommen Kosten für Spitzenkessel und Warmwasserspeicher hinzu. Bei größeren Anlagen sinkt der Preis pro Kilowatt auf etwa 1.500 bis 2.000 €. Die Installationskosten richten sich nach den vorhandenen baulichen Gegebenheiten.

Anlagenaufwandszahl

Primärenergieeinsparungen, die mit dem Einsatz von Blockheizkraftwerken erzielbar sind, werden durch die sog. Anlagenaufwandszahl relevant, die bei der rechnerischen Ermittlung des Primärenergiebedarfs zugrunde gelegt wird. Nach DIN V 4701- 10 wird für Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung ein Wert von 0,7 angesetzt.

Amortisationszeit und Lebensdauer

Die Amortisationszeit eines Blockheizkraftwerks umfasst etwa zwölf bis 15 Jahre. Die Nutzungsdauer der Anlage beträgt, abhängig von der jährlichen Betriebszeit, mindestens 20 Jahre. Dies entspricht einer Laufzeit von 40.000 bis 60.000 Nutzungsstunden. Die Sicherheit, dass die Anlage diese Lebensdauer auch erreicht, kann durch einen Wartungs- und Instandhaltungsvertrag verbessert werden.

Kritische Bewertung

Durch die gleichzeitige Produktion von Strom und Wärme ist die Effizienz von BHKW-Anlagen deutlich höher als bei einer ungekoppelten Bereitstellung durch getrennte Kraftwerke. Die optimierte Energieausnutzung sorgt dafür, dass im Verhältnis wesentlich weniger klimarelevante Abgase an die Atmosphäre abgegeben werden.

Die dezentrale Erzeugung von Strom und Wärme kann durch die Etablierung von Mini-BHKW nun auch in Wohngebäuden eingesetzt werden und macht die Technik der Kraft-Wärme-Kopplung damit auf breiter Ebene interessant, sodass die Pläne der Bundesregierung möglich werden könnten: Der Anteil der Kraft-Wärme-Kopplung an der derzeitigen Elektrizitätserzeugung in Deutschland soll bis zum Jahr 2020 von derzeit 12 % auf 25 % mehr als verdoppelt werden.

Die am häufigsten eingesetzten Blockheizkraftwerke sind dennoch von fossilen Brennstoffen abhängig, sodass es sinnvoll wäre, zukünftig nach Möglichkeit den mit Biodiesel oder anderen nachwachsenden Rohstoffen betriebenen Anlagen den Vorzug zu geben. Dies würde auch zu deutlichen Emissionsvorteilen gegenüber Diesel oder Gas führen.

Vorteile im Überblick

• Strom und Wärme mit einer Anlage
• hohe Ausnutzung der Primärenergie
• Motorbetrieb mit CO2-neutralem Pflanzenöl möglich
• hohe Wirkungsgrade
• als Mini-BHKW auch für kleinere Gebäude einsetzbar

Nachteile im Überblick

• relativ hohe Anschaffungskosten
• ohne Pflanzenölbetrieb Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen
• Emissionen bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe
• Geräuschentwicklung

Trend/Ausblick

In der Forschung befinden sich zurzeit Anlagen, die nach dem Stirlingprinzip arbeiten. In einem BHKW mit Stirlingmotor wird in einem geschlossenen Kreislauf ein Arbeitsmedium, z.B. Helium, zur Erzeugung von mechanischer Energie erhitzt oder gekühlt. Während sich das aufgeheizte Gas ausdehnt, zieht sich das abgekühlte zusammen. Der entstehende Dampfexpansionsdruck verrichtet Arbeit, die zur Produktion von elektrischer Energie eingesetzt wird. Diese Technik erzeugt nur geringe Emissionen, erreicht allerdings noch nicht die Wirkungsgrade des bisherigen Funktionsprinzips.

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