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BlockheizkraftwerkDer Begriff des Blockheizkraftwerks (BHKW) ist vielen an Energiethemen Interessierten vor allem aus der Industrie geläufig. BHKW sind in der Lage, auch für große Produktionsanlagen und Industrieunternehmen die nötige Heizwärme und ausreichend Strom zu liefern. Dabei nutzen sie das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung: Die Wärme, die im Zuge der Stromproduktion entsteht, wird für die Warmwasserbereitung sowie die Beheizung genutzt. Diese doppelte Nutzung spart etwa 40 % Primärenergie ein.

Blockheizkraftwerke - Die verschiedenen Varianten

Doch seit einigen Jahren werden auch kleinere BHKW angeboten. Dabei gab es zunächst nur Anlagen, die sich aufgrund ihrer Auslegung für Restaurants, Hotels, Seniorenheime, Schulen, Dienstleistungs- oder Gewerbebetriebe oder auch Mehrfamilienhäuser eigneten. Sie werden als Mini-BHKW bezeichnet und decken den Leistungsbereich von >15 kW bis <50 kW ab. Aus wirtschaftlichen Gründen eignen sie sich, wenn die jährliche Anzahl der Volllaststunden bei etwa 7.000 liegt.

Für ein typisches Einfamilienhaus mit einem durchschnittlichen Energieverbrauch sind Mikro-BHKW gedacht. Ihre elektrische Leistung liegt bei mehr als 2,5 kW bis unter 15 kW. Sie werden in der Regel mit Erdgas betrieben, es kommen jedoch auch andere Energieträger wie Heizöl, Pflanzenöl, Biogas, Bioöl oder Holz in Betracht. Sowohl bei dem Betrieb von Mini- als auch von Mikro-BHKW wird der im Haus nicht benötigte Strom in das öffentliche Stromnetz gegen eine Einspeisevergütung eingeleitet. Diese Regelung beruht auf dem Kraft-Wärme-Kopplung-Gesetz (KWK-Gesetz) und macht zusammen mit der KfW-Förderung diese Form der Hausbeheizung zunehmend attraktiv. Da keine Energie aufgrund von langen Transportwegen verloren gehen kann, beträgt der Gesamtwirkungsgrad, der sich auf die Strom- und Wärmeerzeugung bezieht, fast 90 %.

Doch es geht noch kleiner: Für Ein- bis max. Dreifamilienhäuser wurden Nano-BHKW konzipiert. Da sie sich sowohl in der Technik als auch in der Bauform deutlich von Mikro-BHKW unterscheiden, sind sie als eigene Klasse anzusehen. Sie verfügen über eine elektrische Leistung von bis zu 2,5 kW und werden mit einem Stirlingmotor oder einer Brennstoffzelle betrieben. Bislang sind Nano-BHKW noch vergleichsweise teuer, was ihren wirtschaftlichen Betrieb schwierig macht. Da sie aufgrund ihrer geringeren Leistungsfähigkeit weniger ertragreich produzieren als größere BHKW, ist ihre Wirtschaftlichkeit auch im Vergleich zu den größeren Anlagen nur schwer einzuschätzen. Einige Hersteller haben jedoch bereits die Preise für Nano-BHKW gesenkt, was deren Anschaffung attraktiver werden lässt. Aufgrund der uneinheitlichen Technik wird ein Preisvergleich für einen Laien erschwert: Während einige Modelle problemlos installiert werden können, sind bei anderen vor der Inbetriebnahme noch umfangreiche Anpassungen bei der Elektrik, der Hydraulik oder am Abgassystem nötig, die den Komplettpreis für ein zunächst relativ preisgünstiges Nano-BHKW stark in die Höhe treiben können. Daher ist vor einer Entscheidung für eines der Modelle der Rat eines Fachbetriebs unbedingt nötig. Die Investitionskosten betragen etwa 15.000 Euro; Fachleute gehen, auch angesichts der steigenden Energiepreise, davon aus, dass sich eine solche Anlage nach zehn Jahren amortisiert hat.

Unterschiedliche Techniken beim Blockheizkraftwerk

blockheizkraftwerkDerzeit werden BHKW mit verschiedenen Motoren angeboten. Ein Verbrennungsmotor arbeitet mit Flüssiggas, Erdgas, Heizöl oder Pflanzenöl und hat einen sehr hohen Gesamt-Wirkungsgrad von 80 % bis 90 %. Weil jedoch häufig Ölwechsel vorgenommen werden müssen, sind die Wartungskosten vergleichsweise hoch. Außerdem wirken sich die Lärmentwicklung, die entstehenden Schwingungen und – wenn Öl verbrannt wird – die Emissionen sehr störend aus.

Häufig werden BHKW mit einem Stirlingmotor angeboten. Er arbeitet nach dem Prinzip, dass ein in einen Kolben eingeschlossenes Arbeitsgas von außen erhitzt und gekühlt wird und sich deshalb ausdehnt bzw. zusammenzieht. Das erhitzte Arbeitsgas gibt auf seinem Weg in die kühlere Zone des Zylinders Wärmeenergie an einen Speicher ab. Dieser Speicher nimmt die Wärme kurzzeitig auf und gibt sie dann wieder an das Gas ab, sobald vom kühlen wieder zurück in den warmen Bereich geschoben wird. Der Speicher nimmt bis zu 80 % der gespeicherten Wärme auf. Die meisten Sterlingmotoren sind als Hubkolbenmaschinen aufgebaut. Durch die ständig brennende Flamme, die das Arbeitsgas erhitzt, entstehen nur geringe Abgasemissionen. Je nach Brenner können als Energieträger sowohl Erdgas oder Flüssiggas als auch Heizöl, Pflanzenöl oder Holzpellets eingesetzt werden. Der Stirlingmotor arbeitet leise und erzeugt nur einen geringen Wartungsbedarf.

Auch Dampfmotoren eignen sich für den Betrieb eines BHKW. Innerhalb eines geschlossenen Kreislaufs wird Wasser erwärmt. Der entstehende Wasserdampf kondensiert in einem Expansionsmodul und gibt Wärme an den Heizkreis ab. Danach wird das Wasser zum Verdampfer zurückgeleitet. Dampfmotoren erreichen bei Mikro-BHKW nur geringe Wirkungsgrade von bis zu 15 %, jedoch einen Gesamtwirkungsgrad von mehr als 90 %.

Die jüngste Technik, die für BHKW verwendet wird, ist die Brennstoffzelle. Sie unterscheidet sich vor allem dadurch von den anderen Technologien, dass sie den verwendeten Energieträger direkt über eine elektrochemische und nicht über eine thermodynamische Reaktion in Strom umwandelt. Die Herstellungskosten sind derzeit zwar noch relativ hoch, werden aber absehbar durch stetige Fortschritte bei der Fertigung und Konstruktion preisgünstiger werden. Ihre Vorteile liegen im fast lautlosen Betrieb und den geringen Wartungskosten, da nur sehr wenige bewegliche Teile eingebaut wurden.

Wirkungsgrad

Der thermische und elektrische Wirkungsgrad beschreibt, zu welchen Anteilen die Energie in Strom und Nutzwärme umgewandelt wird. Bei einem BHKW für Eigenheime variiert der Wirkungsgrad zwischen 43 und 63 Prozent (thermisch) und 26 bis 43 Prozent (elektrisch). Wie hoch der tatsächliche Wirkungsgrad der Anlage ist, hängt vom verwendeten Motor ab. Ottomotoren können Werte zwischen 80 und 90 Prozent erreichen, während Stirlingmotoren und Brennstoffzellen Wirkungsgrade von ca. 85 Prozent erzielen. Dieser Wert liegt zwar unter dem Wirkungsgrad eines Brennwertkessels, der durchaus über 90 Prozent erreichen kann. Jedoch erzeugt ein Brennwertkessel lediglich Wärme, während die Versorgung mit elektrischem Strom separat erfolgen muss. Da ein BHKW Wärme und elektrischen Strom erzeugt, ist der Gesamtwirkungsgrad insgesamt höher.

Leistungsfähigkeit

BHKW-Module, die in großen Betrieben eingesetzt werden, können Leistungen von mehreren Megawatt erreichen. Leistet die Anlage weniger als 50 kW, so werden die Module auch als Mini-BHKW bezeichnet. Ein Gerät mit einer Leistungsfähigkeit von weniger als 15 kW wird in der Fachsprache als Mikro-BHKW bezeichnet. Die kleinsten Module (Nano-BHKW) erzielen elektrische und thermische Leistungen bis zu 2,5 kW. Diese Nano-, Mikro- und Mini-Anlagen werden in verschiedenen öffentlichen und privaten Bereichen eingesetzt. Speziell für Einfamilienhäuser haben die „kleineren“ Anlagen

Vorteile im Überblick

  • Einspeisung überschüssiger Energie (Wärme und Strom) in öffentliche Netze
  • Sinnvoll, wenn das Leistungspotenzial möglichst voll ausgenutzt wird
  • Vergleichsweise geringer Primärenergieeinsatz
  • Vergleichsweise geringer CO2-Ausstoß
  • Vorteile für Netzbetreiber durch die Entlastung der öffentlichen Netze
  • Staatliche Subventionen und Steuerentlastungen

Nachteile im Überblick

  • Umweltbelastung bei der Verwendung fossiler Brennstoffe (Kohle, Erdgas)
  • Abhängigkeit von Rohstoffpreisen
  • Hohe Anschaffungs- und Installationskosten
  • Rentabilität nur bei hohen Auslastungen gewährt

Hinweis:
Eine BHKW-Anlage ist nur wirtschaftlich rentabel, wenn sie im Jahr eine möglichst hohe Auslastung aufweist. Nur so kann ein Überschuss erzielt werden, der zur dezentralen Versorgung beiträgt und vergütet wird. Durch die vergleichsweise hohen Anschaffungskosten ist eine Umrüstung nicht immer sinnvoll. In Bezug auf den Klimawandel kann diese Technologie als fortschrittlich bezeichnet werden. Allerdings ist ein weiterer Ausbau notwendig, damit die Anlagen in Zukunft auch ohne fossile Brennstoffe auskommen

Der Stirling-Motor in Blockheizkraftwerken – Das sollte man darüber wissen

Blockheizkraftwerke (BHKW) werden entweder mit einem Otto- oder einem Stirlingmotor betrieben. In der Praxis hat der Stirlingmotor einen großen Vorteil: Die Verbrennung findet außerhalb statt. Da die Wärme also außen entsteht, kann er mit verschiedenen Brennstoffen betrieben werden und eignet sich deshalb auch für erneuerbare Energien. Das reduziert deutlich die CO2-Emissionen und wirkt sich somit umweltschonend aus.

Die genaue Funktionsweise eines Stirling-Motors

In einem abgeschlossenen Raum befindet sich eine immer gleichbleibende Gasmenge (z. B. Wasserstoff, Helium oder Luft). Diese wird zunächst über eine äußere Wärmequelle erwärmt und dann mithilfe eines Verdrängungskolbens komprimiert. Durch die nachfolgende Expansion wird thermische Energie erzeugt, die sich auf einen Arbeitskolben überträgt. Der Arbeitskolben wandelt dann die thermische in mechanische Energie um. Im nächsten Schritt kühlt das Gas ab und wird dann wieder komprimiert. Dieser Kreislauf treibt das BHKW an und erzeugt Energie.

Diese besondere Arbeitsweise hat den weiteren Vorteil, dass Rückstände, die bei der Verbrennung entstehen, nicht in das Innere des Motors gelangen können. Dadurch verlängern sich die Wartungsintervalle deutlich, es tritt weniger Verschleiß als beim Otto-Motor auf und die Betriebskosten liegen deutlich unter denen von Otto-Motoren.

Sofern ein Brenner als Wärmequelle eingesetzt wird, tritt das Rauchgas mit einer Temperatur von ungefähr 800° C aus dem Erhitzer aus. Diese im Abgas enthaltene Energie wird mithilfe eines Vorwärmers auf die Verbrennungsluft übertragen, die so auf etwa 600° C erwärmt wird.

Aufgrund ihrer sehr effizienten Funktionsweise erreichen Stirling-Motoren einen Wirkungsgrad von etwa 90 %. Dieser sehr gute Wert ergibt sich aus dem niedrigen elektrischen Wirkungsgrad von 12 bis 15 % sowie dem sehr hohen thermischen Wirkungsgrad von etwa 75 %. Ihre Arbeitsweise ist außerdem leiser und erzeugt weniger Vibrationen als man es von einem Otto-Motor kennt.

 

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