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Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) ist ein modular aufgebautes kleines Heizkraftwerk; BHKW sind deutlich kleiner als Heizkraftwerke, sie liefern Wärme nur für Nahwärmenetze oder zur Versorgung einzelner Gebäude. BHKW nutzen - wie auch Heizkraftwerke - das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung und benutzen als Antrieb meistens Verbrennungsmotoren.
Üblicherweise wird ein BHKW so ausgelegt, dass es bei permanentem Betrieb nur einen Teil der Heizenergie der angeschlossenen Abnehmer deckt, nämlich den sog. "Grundbedarf", das ist der von Tag zu Tag über das Jahr hinweg stets gleichbleibende Teil des Wärmeenergiebedarfs, also der ständig - auch am heißesten Hochsommertag - angeforderte Teil an Wärmeenergie; im Wohngebäude entsteht der Grundbedarf an Wärmeenergie lediglich durch die geforderte Brauchwassererwärmung.- BHKW-Anlagen, die ihre Leistung ändern können - z. B. durch Zu-/Abschalten von Antriebsstufen oder Drehzahländerung des einzigen Antriebsaggregates - müssen bei Vorhandensein eines Wärmespeichers weniger oft an- und ausschalten. Wärmeenergie, die das BHKW nicht liefern kann - etwa wegen zusätzlichen Heizbedarfs in Wohngebäuden -, muss durch eine herkömmliche Heizungsanlage (sog. "Spitzenlastkessel") gedeckt werden.
Diese Betriebsart heißt wärmegeführt, weil sich die Betriebszeiten des BHKW zeitlich am Wärmeenergiebedarf orientieren.
Der ökonomische und ökologische Grundgedanke des wärmegeführten Betriebes liegt darin, den erzeugten Strom zu nutzen. Er wird vor Ort verbraucht oder gegen Bezahlung ins öffentliche Stromnetz eingespeist. Weil damit weniger an herkömmlicher Kraftwerkskapazität für die Stromerzeugung benötigt wird, erhofft sich der deutsche Gesetzgeber durch den Betrieb von BHKW eine Teil-Abschaltung der nur Strom erzeugenden Kraftwerke und somit einen geringenen Kohlenstoffdioxid-Ausstoß.
Mit Hilfe von Pufferspeichern ist versucht worden, BHKW für Wohngebäude "monovalent" zu betreiben, das heisst auch zu Zeiten hohen Heizenergiebedarfs ohne Spitzenlastkessel auszukommen. Ein solches BHKW wird nicht - wie oben als üblich bezeichnet - nach der Grundlast an Wärmeenergiebedarf ausgelegt, sondern wie eine herkömmliche Heizungsanlage. Zu Zeiten besonders hohen Heizenergiebedarfs kann dabei der selbst erzeugte Strom zu Heizzwecken benutzt werden. Diese Auslegungsweise wird vor allem bei den sog. "Mikro-BHKW" (s. u.) propagiert.- Bei einer solchen Auslegung kommt es zu relativ häufigem Aus- und Abschalten des BHKW (sog. "Takten"), was die Lebensdauer abkürzt.
Ein BHKW kann aber auch zur Deckung des Strombedarfs in Inselnetzen, das heißt vom öffentlichen Netz getrennten Stromnetzen, eingesetzt werden. Notstromaggregate erfüllen eine solche Funktion, allerdings in der Regel ohne Nutzung ihrer Abwärme. Ein solcher stromgeführter Betrieb erfordert in der Regel Einrichtungen, mit denen die nicht nutzbare Wärme entweder über Kühleinrichtungen vernichtet (über Luft oder Wasserkühler an die Umwelt abgegeben) oder mit Wärmespeichern einer späteren Nutzung zugeführt wird.
Der insgesamt deutlich höhere Wirkungsgrad (Nutzenergie Strom plus Wärme dividiert durch Energieeinsatz) eines BHKWs gegenüber dem herkömmlichen Mischbetrieb aus lokaler Heizung und zentraler Stromversorgung beruht darauf, dass die Abwärme der Stromerzeugung direkt vor Ort eingesetzt wird. So erreicht ein modernes Großkraftwerk auf Steinkohlebasis bis zu 45 % Wirkungsgrad, somit treten 55 % der Energie als Abwärme auf, deren Einsatz als Fernwärme aber deutliche Transportverluste (10-15 %) sowie ein aufwendiges Rohrleitungsnetz bedingen würde, ferner liegen bei zentralen Großkraftwerken Wärmeerzeuger und Wärmeabnehmer weit auseinander. Auch durch Umspannen und Transport der Elektrizität geht ca. 2-5 % der Energie verloren. Der für sich genommen geringere elektrische Wirkungsgrad eines BHKWs (z.B. 38 %) fällt dabei aufgrund des hohen Gesamtwirkungsgrads von ca. 90 % kaum ins Gewicht, da in einem Gebäude meist mehr Heizenergie als Strom gebraucht wird; jedoch ist die jahreszeitliche Schwankung an Heizenergie in einem Wohngebäude sehr viel größer als die des Strombedarfs. Bei modernen Gebäuden mit sehr geringem Heizenergiebedarf kann auch der Fall eintreten, dass mehr Strom- als Wärmeenergie benötigt wird.
Technik
bhkw schema.png Ursprünglich beruhten BHKW-Anlagen auf Verbrennungsmotoren, deren Wärme aus dem Abgas und dem Kühlwasserkreislauf zur Aufheizung von Heizungswasser verwendet wurde. Inzwischen werden auch andere Systeme wie Stirling-Motor, Brennstoffzelle, Mikro- und Kleingasturbinen oder etwa ein Linator zur Stromerzeugung in BHKW-Anlagen eingesetzt. Der Einsatz ist nicht auf Heizzwecke beschränkt, sondern dient auch zur Erzeugung von Prozesswärme über Wasserdampf, Heißluft oder Thermoöl oder eine 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 Holzpellets als nachwachsender Rohstoff in Dampfkraftanlagen.
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 Wirkungsgrad von bis zu 95 % 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 kleinen BHKW) und 43 % (Dieselmotoren mit Leistungen über 1 MW).
Kleine BHKW von ca. 3–5 kW elektrischer Leistung eignen sich von der Wärmeleistung her für den Heizbetrieb im Winter für Ein- und Mehrfamilienhäuser; doch selbst sie sind hinsichtlich des Heizenergiebedarfs moderner Einfamilienhäuser meist noch überdimensioniert. 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 bis über 10.000 kW werden für die Strom- und Wärmeversorgung von größeren Wohn- und Gewerbegebieten sowie Fabriken verwendet.
Eine bestehende Heizungsinstallation kann bei Umstellung auf ein BHKW meist mit geringfügigen Änderungen weiter genutzt werden, jedoch gibt es mittlerweile auch 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); insbesondere kann mit dem vom BHKW selbst erzeugten Strom elektrisch zugeheizt werden. Geringfügige Wirtschaftlichkeitsvorteile lassen sich erreichen, wenn der selbst erzeugte Strom eine Wärmepumpe hoher Leistungszahl antreibt.
Wirtschaftlichkeit
Wesentlich für die Wirtschaftlichkeit einer BHKW-Anlage ist eine große jährliche Betriebsstundenzahl im hohen Lastbereich der Kraftmaschine (2-3 tausend Volllaststunden pro Jahr sollten erreicht werden). Nur so sind betriebswirtschaftlich die Investitionen in die Anlage durch die finanzielle Vergütung für erzeugte Strom- und Wärmemengen (oder Reduktion der hierfür entstehenden Kosten) in der Regel gerechtfertigt. Bei wärmegeführten BHKW wird daher mit Hilfe der Wärmebedarfskennlinie (einer Kurve, in der aufgetragen ist, wieviele Stunden im Jahr welche Wärmeleistung für die Gebäude erforderlich ist) die Wärmeleistung festgestellt, die etwa 3000 Stunden im Jahr gefordert wird. Die Spitzenwärmeleistung des BHKW wird auf diese Leistung festgelegt; in der Regel sind dies 25-30% des Spitzenwärmebedarfes. Um die Leistung in Stufen erbringen zu können, sind die BHKW meist modular mit mehreren Motoren ausgestattet.
Im Wohnbereich schwankt jedoch der Heizenergiebedarf jahreszeitlich sehr stark, im Hochsommer entsteht er nur für die Brauchwassererwärmung. Nur bei sehr wenigen BHKW-Modellen ist die erzeugte Wärme in einem kleinen Bereich veränderbar ("modulierender Betrieb"). Außerdem können Bedarfsschwankungen begrenzt durch Wärmespeicher ausgeglichen werden, ansonsten ist ein Parallelbetrieb mit einem herkömmlichen Brenner notwendig. Fehlen für solche Schwankungen des Wärmebedarfs ausgleichende Maßnahmen, kommt es zu häufiger An- und Abschaltung ("Takten") der BHKW-Anlage, was ihre Effizienz und Lebensdauer vermindert.
Bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ist geboten, alle Investitions- und Betriebskosten wie Abschreibungen, Brennstoff, Wartung und Generalüberholungen unter diesem Gesichtspunkt zu bewerten und den Erlösen für Strom und Wärme bzw. den eingesparten Beträgen hierfür gegenüber zu stellen.
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 können, wären BHKW ein schnell erreichbarer Puffer: Lokal liefern sie die notwendige elektrische Leistung, wärmeseitig können Wärmespeicher gefüllt werden.
Grundproblem der Vermarktung von BHKW in Ein- und Mehrfamilienhäusern ist der im Vergleich zu üblichen Erdgas- oder Ölheizungen wesentlich höhere Anschaffungspreis; ferner sind die meisten handelsüblichen BHKW hinsichtlich des Heizenergiebedarfs eines modernen Einfamilienhauses überdimensioniert. Ein weiteres Problem - vor allem, wenn viele Kleinanlagen in einzelnen Gebäuden installiert werden - stellt der Wartungsaufwand für die Motoren dar. Sie kann in der Regel nicht von den Besitzern der Häuser geleistet werden, sondern muss von einem Fachbetrieb durchgeführt werden.
Öffentliche Förderung
BHKW werden in Deutschland durch das Gesetz zur Kraft-Wärme-Kopplung gefördert. Hierbei erhält der Betreiber einer BHKW-Anlage für den ins öffentliche Netz eingespeisten Strom einen garantierten Abnahmepreis vom Stromnetzbetreiber. Dieser unterliegt jedoch Auflagen, die bei der Konzeption von BHKW-Anlagen zu berücksichtigen sind. In der Praxis wird damit die vom Gesetzgeber beabsichtigte Verbreitung von BHKW wieder begrenzt; die gewünschte CO2-Reduzierung (s.a. Kyoto-Protokoll) wird daher auf diesem Wege bisher kaum voran gebracht. Zur staatlichen Förderung gehören auch Steuererleichterungen.
Weblinks / Literatur
"Blockheizkraftwerk"