Technik
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, Brennstoffzelle, Mikroturbine oder Dampfmotor 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, 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 Holzhackschnitzel und Holzpellets als nachwachsende Rohstoffe in Stirlingmotoren und Dampfkraftanlagen mit externer Verbrennung.
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-ZentralheizungNutzungsgrad 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 % (Dieselmotoren mit Leistungen über 1 MW). Konstruktionen, mit denen die Abgaswärme noch zur Erzeugung mechanischer Leistung genutzt wird, können im Prinzip den Wirkungsgrad noch auf über 50 % erhöhen, sind aber auf dem Markt der Blockheizkraftwerke nicht etabliert. Diese Technik wird zurzeit nur bei größeren Leistungen, zum Beispiel in GuD-Kraftwerken, eingesetzt. überführt. So ist ein
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.
Auslegung eines BHKW´s
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 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 „Mikro-KWK“ (s. u.) propagiert. Bei einer solchen Auslegung kommt es zum Aus- und Abschalten des BHKW (sogenanntes „Takten“), was die Lebensdauer verkürzt.
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 zugeheizt werden (bivalenter Einsatz). Bei nur selten auftretendem zusätzlichem Heizbedarf kann auch die Installation einer einfachen elektrischen Zusatzheizung (Tauchsieder-Prinzip) wirtschaftlich 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 zeitweisen stromgeführten Betrieb, d. h. eine Speicherladung zu Zeiten mit hohem Strompreis.
Ökologischer Vorteil
Der wirtschaftliche 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, substituiert die verstärkte Nutzung von BHKW den Strom aus fossilen Kondensationskraftwerken und ermöglicht somit einen geringeren Kohlenstoffdioxid-Ausstoß. Dies soll in Deutschland auch durch gesetzliche Regelungen wie das KWK-G unterstützt werden.
Ein BHKW erreicht einen insgesamt deutlich höheren NutzungsgradGroßkraftwerk auf Steinkohlenbasis einen Wirkungsgrad von ca. 45 Prozent. Das heißt, dass rund die Hälfte der erzeugten Energie als Abwärme anfallen, 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 46 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. (Nutzenergie Strom plus Nutzenergie Wärme dividiert durch Energieeinsatz) gegenüber dem herkömmlichen Mischbetrieb aus lokaler Heizung und zentraler Stromversorgung. So erreicht ein modernes
Nachteil
Aus Kostengründen wird in der Praxis auf nützliche, aber teure Rauchgasfilter verzichtet, was zu erhöhter, gesundheitsschädlicherFeinstaubbelastung führt.
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.