BHKW im Heizungs-ABC: Was ist ein Blockheizkraftwerk?

Der Begriff BHKW steht für „Blockheizkraftwerk“ und fiel bei uns auf dem Blog schon des Öfteren. Zum Beispiel hat unser Handwerker des Monats Oktober 2016, Olav Rave aus Quickborn bei Hamburg, uns sein Projekt des Monats „BHKW raus, Sonne rein“ vorgestellt. Wir erklären euch hier, was ein Blockheizkraftwerk ist, was es kann und welche Vor- und Nachteile sein Einsatz bringt.

Was ist ein BHKW? – eine begriffliche Erklärung

Ein sogenanntes Blockheizkraftwerk ist eine technische Anlage, die aus Modulen, also einzelnen Bausteinen, aufgebaut ist. Das BHKW dient der Erzeugung von Energie – und zwar elektrischer und thermischer, also Strom und Wärme. Typisch ist, dass ein BHKW dort steht und betrieben wird, wo die Wärme verbraucht wird. Der Grund dafür: Auf diese Weise minimiert man Energieverluste beim Transport der Wärme. Zur Energieerzeugung macht sich das BHKW das technische Prinzip der sogenannten Kraft-Wärme-Kopplung zunutze. Dieser Technologie haben wir ein eigenes Kapitel in unserem Heizungs-ABC gewidmet. Ihr findet es hier auf dem Blog.

Wie funktioniert ein Blockheizkraftwerk? – eine technische Erklärung

Bausteine des BHKW

Die wichtigsten Bausteine (Module) des BHKW sind:

• der Motor,
• der Synchrongenerator
• und der Wärmetauscher.

Wobei der Verbrennungsmotor als sogenannte Kraft-Maschine im Einsatz ist und der von ihm angetriebene Generator zur sogenannten Arbeitsmaschine wird, die den Strom erzeugt.

Im Grunde arbeite ein BHKW Im Prinzip wie ein Auto – nur ohne Räder. Das schreibt die Berliner Energieagentur in ihrer Broschüre “BHKW für Einsteiger”, die ihr hier als PDF kostenlos downloaden könnt. Das Herzstück der Anlage sei demnach ein  Verbrennungsmotor, der oftmals aus der Serienproduktion von PKW oder LKW stamme. Darin würde ein Treibstoff verbrannt, es entstehe Wärme, die über eine Kühlflüssigkeit abgeführt werde. Wärmetauscher am Kühlkreislauf – bei modernen und sehr effizienten Anlagen zusätzlich noch an der Abgasanlage – nähmen diese Wärme auf und machten sie zum Heizen und zur Erwärmung von Trinkwasser nutzbar. An den
Motor sei, ähnlich wie bei einer Lichtmaschine im Auto, ein Generator angeschlossen, der Strom erzeuge.

Antrieb des Blockheizkraftwerk

Damit ein BHKW überhaupt läuft, braucht es Energie. Sogenannte Antriebsenergie. Diese elektrische Energie (der Strom) kann aus unterschiedlichen  Quellen stammen:

• von Verbrennungsmotoren, die als Treibstoff zum Beispiel Bio-Dieselkraftstoff (Dieselmotor), Heizöl, Pflanzenöl (oft Palmöl) oder Gas aus fossilen oder regenerativen Rohstoffen (Ottomotor) verbrauchen,
• von Gasturbinen,
• von sogenannten Stirling-Motoren (Wärmekraftmaschine, die Robert Stirling 1816 entwickelte)
• und von Brennstoffzellen.

Gemäß der Quelle lassen sich BHKW in verschiedene Typen unterscheiden. Auch die Leistung ist ein Kriterium zur Einteilung von BHKW, wobei keine genauen Schwellenwerte normiert worden sind, sondern es nach der Anwendung des BHKW geht. Man unterscheidet hier:

• Nano-BHKW – elektrische Leistung bis ca. 2,5 Kliowatt (kW), typischer Einsatz in Einfamilienhäusern (EFH) und Zweifamilienhäusern (ZFH) sowie Niedrigenergiehäusern
• Mikro-BHKW – elektrische Leistung von ca. 2,5 bis 20 kW, typischer Einsatz in Mehrfamilienhäusern (MFH) und kleineren Gewerbegebäuden
• Mini-BHKW – elektrische Leistung von ca. 20 kW bis 50 kW, typischer Einsatz in größeren Gebäuden und kleinen Nahwärmenetzen
• Groß-BHKW – elektrische Leistung über 50 kW, typischer Einsatz in größeren Nahwärmenetzen und industriellen Anlagen

Dimensionierung (Auslegung) von Blockheizkraftwerken und BHKWs

Man unterscheidet unter anderem in wärme- und stromgeführte Blockheizkraftwerke. Bei ersteren richtet sich die Leistungsabgabe nach dem Wärmebedarf, der erzeugte Strom wird selbst verbraucht oder zwischengespeichert und Überschüsse werden ins öffentliche Netz eingespeist. Beim stromgeführten BHKW richtet sich die Leistungsabgabe analog nach dem Strombedarf.

Ein wärmegeführtes Blockheizkraftwerk werde laut der Wikipedia meist so ausgelegt, dass es selbst im Volllastbetrieb den maximalen Heizenergiebedarf der angeschlossenen Abnehmer nur zum Teil deckt. Die nötige Restwärme komme demnach von einem Spitzenlastkessel (siehe auch Komponenten). So werde gewährleistet, dass die teuren stromerzeugenden Einrichtungen besser genutzt und höhere Betriebsstundenzahlen erreicht würden. Pro Jahr würden demnach mindestens 7.900 Stunden angestrebt, oft würden jedoch nur 3.000 bis 5.000 Stunden erzielt.

Strom- und Wärmeerzeugung im BHKW – und ihre Nutzung

Im Betriebslauf setzt der Verbrennungsmotor eines BHKW einen Generator in Gang. Der wandelt die mechanische Energie des Motors in elektrische (Elektrizität, Strom) um. Bei diesem Vorgang wird der Motor selbst warm. Die Wärme wird ihm entzogen und dem Heizkreislauf einer Gebäudezentralheizung zur Nutzung zugeführt, unter anderem vom Kühlwasserkreislauf und aus dem Abgas. Dabei helfen sogenannte Wärmetauscher. Oder die Wärme wird zur Kühlung benutzt: Dazu erfolgt mit Hilfe einer Pumpe eine Umwandlung der Wärme, um dann Luft zu kühlen, die in einen Raum gepustet wird.

Wichtige Komponenten beim Einsatz eines Blockheizkraftwerks

Die Verbraucherzentrale schreibt, dass „zur Deckung der Spitzenlast“ ein Heizkessel benötigt werde. Der somit Spitzenlastkessel könne bei kleineren BHKW auch im Gerät integriert sein. Wichtig sei außerdem ein Wärmespeicher als Puffer, der verhindere, dass sich das BHKW bei zu geringer Wärmeabnahme des Gebäudes (zum Beispiel im Sommer) häufig ein- und ausschalte (sogenanntes Takten), was zu Lasten der Lebensdauer des BHKW gehe.

Blockheizkraftwerk vs. Kondensationskraftwerk vs. Heizkraftwerk

Eine Menge Strom entsteht hierzulande in sogenannten Kondensationskraftwerken.  Dabei wird Wärme mit Hilfe einer Dampfturbine in Strom gewandelt. Solche konventionell arbeitenden Kraftwerke haben Wirkungsgrade von um die 38 Prozent. Das heißt, dass von der eingesetzten Energie fast zwei Drittel in Form von Abwärme ungenutzt an die Umwelt verloren gehen. Bedenkt man zudem, dass die Wärme mit dem Verbrennen fossiler Rohstoffe erzeugt wird, wird klar, warum konventionelle Kraftwerke ökonomisch wie ökologisch schlechte Bilanzen aufweisen.

Anders ist das schon beim Heizkraftwerk (HKW): Mit der Nutzung der Abwärme – eine Sache, die übrigens auch bei Brennwertheizungen positiv zu Buche schlägt – verbessert sich deren Wirkungsgrad insgesamt deutlich. Allerdings setzt das voraus, dass nahe den großen Heizkraftwerken auch Wärmeabnehmer wie Wohnungen sind, die die Wärme verbrauchen.

Kommen anstelle eines großen, zentralen Heizkraftwerks dezentrale BHKW zum Einsatz, ergeben sich zwar kleinere Stromeinheiten, allerdings sind auch die Transportverluste kleiner. Zudem lässt sich die zeitgleich anfallende Wärme ohne lange Transportwege und daraus resultierende Verluste unmittelbar nutzen. Laut der Wikipedia seinen dabei Gesamtwirkungsgrade von bis zu 95 Prozent machbar, je nachdem, wie der Motor ausgelastet sei und welchen Wirkungsgrad er habe. Wobei sich der Gesamtwirkungsgrad meist aus etwa einem Drittel Strom (elektrischer Wirkungsgrad) und zwei Dritteln Wärme (thermischer Wirkungsgrad) zusammen setze.

Was bringt ein Blockheizkraftwerk?

Mit einem BHKW erzeugt ihr demnach nutzbaren Strom und Wärme zugleich (Stichwort: private Sektorenkopplung) – und das dezentral, also unabhängig von zentralen Versorgern und ihren Preisen. Der damit erzeugte Strom mindert die Strommenge, die ihr bislang aus dem zentralen Stromnetz einkauft. Die damit erzeugte Wärme mindert die Wärmemenge, die ihr sowieso zum Heizen erzeugt. Das BHKW spart demzufolge Stromkosten und Heizkosten.

Die KWK gilt als effiziente und CO₂-Emissionen minimierende Technologie.  Im Vergleich mit einer zum Beispiel herkömmlichen Gasheizung und davon getrenntem konventionellen Strombezug schneidet ein mit Erdgas betriebenes BHKW besser ab: Es braucht weniger Primärenergie und verursacht weniger CO₂-Emissionen.

Aber: BHKW sind teuer in der Anschaffung. Die Berliner Energieagentur schreibt, dass die Anschaffungskosten für ein Mikro-BHKW bei rund 11.000 Euro plus Montage starten würden. Etwas leistungsstärkere Anlagen mit externem Spitzenlastkessel und Pufferspeicher gebe es ab rund 30.000 Euro. Grundsätzlich gelte: Je mehr Strom
eine Anlage erzeugen könne, desto geringer seien die spezifischen Investitionskosten pro installierter elektrischer Leistung. Das Kleinkraftwerk für die Wohnsiedlung sei demnach also trotz höherer Anschaffungskosten unterm Strich preiswerter als das BHKW fürs Zweifamilienhaus.

Die Rentabilität des BHKW hängt also von seiner Leistung ab. Es gilt: Je höher die Leistung ist, desto eher rentiert sich die Anschaffung, schreibt das Portal ihr-bhkw.de. Optimal sind gemäß dem Vorgeschriebenen BHKW dort, wo stetig Strom und Wärme abgenommen werden, zum Beispiel öffentliche Gebäude wie Schulen oder Gewerbe-Immobilen.

Auch die Preise der Brennstoffe, die das BHKW verheizt, und die Abhängigkeit von den Brennstofflieferanten können euch zum Nachteil werden – und eure Betriebskosten in die Höhe schnellen lassen, was die Rentabilität der Anlage verschlechtert. Ganz zu schweigen von den Nachteilen, die entstehen, wenn fossile Brennstoffe verfeuert werden.

Foto: Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung e.V. (3 Grafiken), Doreen Brumme (Titelbild)