Blockheizkraftwerk

Kraft-Wärme-Kopplung

GuD-Kraftwerk (Block 3 des Kraftwerkes Donaustadt) mit einer Kraft-Wärme-Kopplung und einem Gesamtwirkungsgrad von bis über 86 %; Inbetriebnahme 2001

Das Heizkraftwerk Berlin-Mitte wird neben der Stromproduktion auch zur Fernwärmeversorgung des Regierungsviertels eingesetzt.

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) (in Deutschland und Österreich) bzw. Wärme-Kraft-Kopplung (WKK) (in der Schweiz) ist die gleichzeitige Gewinnung von mechanischer Energie und nutzbarer Wärme, die in einem gemeinsamen thermodynamischen Prozess entstehen. Die mechanische Energie wird in der Regel unmittelbar in elektrischen Strom umgewandelt. Die Wärme wird für Heizzwecke, als Nah- oder Fernwärme oder für Produktionsprozesse als Prozesswärme genutzt, z. B. in der chemischen Industrie, dann ist es ein Industriekraftwerk. In den meisten Fällen wird Wärme für die Heizung öffentlicher und privater Gebäude bereitgestellt, dann ist es ein Heizkraftwerk.

Es wird also bei der Stromerzeugung aus Brennstoffen die Nutzwärme ausgekoppelt und damit die Abgabe von ungenutzter Abwärme an die Umgebung reduziert. Kraft-Wärme-Kopplung ermöglicht eine Brennstoffeinsparung von bis zu einem Drittel der Primärenergie, verglichen mit der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme,^[1] zugleich wird aber der elektrische Wirkungsgrad des Kraftwerkes etwas reduziert. Eine breite Bedeutung haben kleinere KWK-Anlagen im Bereich von etwa 100 kW elektrischer Leistung für die Versorgung von Gewerbebetrieben, Hallenbädern und Wohngebieten bzw. einzelner Mehrfamilienhäuser, sogenannte Blockheizkraftwerke (BHKW). Kleinere Anlagen werden zwar auf dem Markt angeboten, haben aber einen sehr geringen Anteil an der Strom- und Wärmeerzeugung.^[2]

Vorteil der KWK ist der verringerte Brennstoffbedarf für die gleichzeitige Strom- und Wärmebereitstellung, wodurch die Schadstoffemissionen stark reduziert werden. Die Förderung durch das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG) und das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) soll den Ausbau beschleunigen.^[3][4] Da mit fossilen Brennstoffen befeuerte KWK-Anlagen weiterhin Kohlenstoffdioxid ausstoßen, kann ein umfassender Klimaschutz langfristig nur gewährleistet werden, wenn sie mit erneuerbaren Energien gespeist werden, wie z. B. Biomasse und synthetischem Erdgas aus erneuerbarem Überschussstrom.^[5]

Einführung

Das Spektrum der elektrischen und thermischen Leistung von KWK-Anlagen reicht von wenigen Kilowatt bis zu mehreren hundert Megawatt. Seit längerer Zeit sind etwa waschmaschinengroße sogenannte Mini- und Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen für den Einsatz in Einfamilienhäusern, Wohngebäuden, kleineren Gewerbebetrieben und Hotels auf den Markt. Damit stehen heute für das gesamte Spektrum des Wärmebedarfs KWK-Lösungen zur Verfügung.

Thermische Kraftwerke, die in Deutschland einen Großteil des Strombedarfs decken, erzeugen üblicherweise mit der aus einem Brennstoff freigesetzten Wärme ausschließlich elektrischen Strom. Wird zusätzlich auch die Abwärme z. B. für Prozesswärme genutzt oder in ein Wärmenetz eingespeist, nennt man diese KWK-Anlagen; sie haben einen höheren Nutzungsgrad oder Brennstoffausnutzungsgrad (nicht “Wirkungsgrad”). Während rein stromerzeugende Anlagen (elektrische) Wirkungsgrade zwischen 33 % (ältere Anlagen) und 61,5 % (Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke)^[6] erreichen, kommt man bei KWK-Anlagen auf Nutzungsgrade von bis zu 85 % und höher.

Im Vergleich zu den derzeit besten Technologien der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme erzielen KWK-Anlagen je nach Versorgungssituation Primärenergieeinsparungen von bis zu 30 %. Dass die Einsparungen im Schnitt nicht noch höher ausfallen, hängt damit zusammen, dass der reale Strom- und Wärmebedarf starken Schwankungen unterliegt. Vor allem bei nur geringem Wärmebedarf von Haushalten im Sommer führt dies dazu, dass einige Heizkraftwerke im Kondbetrieb laufen und keinen KWK-Strom produzieren können. Dem wird durch die Installation von Fernwärmespeichern abgeholfen, um die KWK-Wärme bis zum Abruf der Wärmekunden zwischenzuspeichern.

Das in Deutschland noch nicht realisierte hohe Einsparpotenzial hat den Gesetzgeber veranlasst, die KWK zu fördern,^[3] um Markthemmnisse zu überwinden, die durch die über 100 Jahre gewachsenen zentralen Versorgungsstrukturen in der Elektrizitätswirtschaft existieren.

Technik

Bei der Kraft-Wärme-Kopplung wird ein Teil des entstehenden Dampfes in einem Kraftwerk für Heizzwecke ausgekoppelt. Dadurch sinkt zwar der Wirkungsgrad der Erzeugung elektrischer Energie etwas ab; der Gesamtnutzungsgrad kann aber bei vollständiger Abwärmenutzung bis auf etwa 90 % steigen.

Brennstoffe

Das Prinzip der KWK kann mit jedem Brennstoff und jeder Wärmequelle mit einem Temperaturniveau ab ca. 200 °C genutzt werden. In Betracht kommen neben fossilen Energien wie Steinkohle, Braunkohle, Erdgas und Heizöl auch erneuerbare Energien wie Biogas, Klärgas, Pflanzenöl, Holz, Pellets, Bioethanol, Solarthermie und Geothermie sowie Siedlungsabfälle (Müllverbrennung und Deponiegas) genauso wie die Kernenergie.

Ebenfalls möglich ist der Betrieb mit synthetischem Wasserstoff oder Methan aus dem Power-to-Gas-Prozess, mit dem sich Überschüsse aus erneuerbaren Energien langfristig speichern lassen. Da diese Art der Wärmeerzeugung aber recht verlustintensiv ist und deshalb insgesamt deutlich mehr Energie benötigt als beispielsweise die alternative Wärmeerzeugung mit Wärmepumpenheizungen, werden wärmegeführte KWK-Anlagen als weitgehend ungeeignete Technik für ein zukünftiges erneuerbares Energiesystem mit Sektorenkopplung angesehen. Hingegen gelten stromgeführte KWK-Anlagen als wichtige Techniken, um in einem solchen System den Energiebedarf bei der Rückverstromung niedrig zu halten.^[7]

Auslegung und Betriebsweise

Fernwärmespeicher, als thermischer Lastausgleich für die KWK-Anlage des Kraftwerkes Theiß, mit 50.000 m³ Inhalt, welcher das Fernwärmenetz Krems speist. Speichervermögen 2 GWh je Ladevorgang

Es wird zwischen strom- und wärmegeführter Auslegung von KWK-Anlagen unterschieden, je nach der Führungsgröße bzw. der Priorität, die einer der beiden Energieformen zugemessen wird. Stromgeführte Anlagen optimieren den Stromertrag, wärmegeführte Anlagen den Wärmeertrag. Der höchste Nutzungsgrad wird mit einer wärmegeführten Auslegung erzielt, weil dabei die geringsten Energieverluste entstehen. Aus wirtschaftlicher Sicht ist jedoch die stromgeführte Fahrweise häufig attraktiver, da pro kWh Strom deutlich höhere Erträge erzielt werden als pro Kilowattstunde Wärme. Oft wird ein stromoptimierter, wärmegedeckelter Betrieb bevorzugt, um die Erträge auf der Stromseite zu optimieren, ohne die Wärme per Notkühler ungenutzt abführen zu müssen. In diesem Fall wird der Betrieb am elektrischen Energiebedarf ausgerichtet, wobei die KWK-Anlage bei fehlender Wärmeabnahme bzw. vollem Wärmespeicher heruntergefahren wird. Dabei kann die Wärmespeicherung durch Verwendung eines Fernwärmespeichers bewerkstelligt werden.

Die erzeugte Nutzwärme wird über Wärmenetze als warmes Wasser oder Wasserdampf über isolierte Rohrleitungen zur Gebäudeheizung und/oder für industrielle Zwecke (Prozesswärme) verwendet.

Bei hohen Anteilen von fluktuierenden erneuerbaren Energien im Stromsystem erschweren wärmegeführte KWK-Anlagen die Systemintegration von Wind– und Solarstrom, da sie zur Deckung des Wärmebedarfs auch dann elektrische Energie erzeugen, wenn bereits ein Überschuss von Wind- oder Solarenergie besteht. Derartige Anlagen bezeichnet man “Must-Run”-Kraftwerke. Im Sinne der Energiewende ist ein stromgeführter Betrieb deshalb deutlich zielführender. Um im Betrieb flexibler zu sein und die Preiselastizität zu erhöhen, können verschiedene Zusatzkomponenten wie Spitzenlastkessel, Wärmespeicher, Power-to-Heat-Anlagen, wie z. B. Elektrodenkessel oder große zentrale Wärmepumpen installiert werden. Diese können dann während Zeiten, in denen nur thermische Energie benötigt wird, aber keine elektrische, die Wärmeversorgung übernehmen, sodass die KWK-Anlage heruntergefahren werden kann. Die E-Kessel und Wärmepumpen können zudem etwaige Stromüberschüsse zur Wärmeerzeugung verwenden.^[8]

Durch Einsatz von großen Wärmespeichern kann die im KWK-Prozess zeitgleiche Produktion von Wärme und Strom zeitlich wieder entkoppelt werden, da sich thermische Energie günstiger als elektrische Energie speichern lässt. So kann eine KWK-Anlage stromgeführt betrieben werden und dennoch die Wärmeversorgung gewährleisten. In Zeiten von hoher Strom- und geringer Wärmenachfrage kann die Anlage unter Volllast laufen und die überschüssige Wärme in den Speicher laden. In Zeiten von geringer Strom- und dennoch hoher Wärmenachfrage kann die KWK-Anlage in Teillast betrieben oder ganz abgeschaltet werden, die restliche Wärme lässt sich durch den Wärmespeicher temporär bereitstellen.^[9] Diese ausgleichende Funktion eines Wärmespeichers in einem KWK-System auf den Stromsektor wird auch als funktionale Stromspeicherung bezeichnet.^[10]

Anlagenvarianten

Prinzipschaltbild eines BHKW. Die Zahlen sind Anhaltswerte für die Temperatur in °C.

Eine zunehmend verbreitete Variante sind so genannte Blockheizkraftwerke (BHKW). Dabei handelt es sich um kleine bis mittelgroße KWK-Anlagen auf Basis von Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen in Modulbauweise. Während bei diesen Anlagen die Wärmeversorgung auf ein bestimmtes Objekt oder auf die nähere Umgebung (z. B. einen Wohn-„Block“) beschränkt ist, dienen die größeren Heizkraftwerke der flächigen Fernwärme-Versorgung oder der Erzeugung von Prozesswärme in der Industrie. Bei Großanlagen zur Fernwärmeversorgung sind einerseits die Netzverluste höher als bei gebäudeintegrierten Blockheizkraftwerken, wodurch die Effizienz des Energieeinsatzes sinkt. Andererseits steigt mit zunehmender Leistung der Anlagen die Stromkennzahl (also das Verhältnis von Strom- zu Wärmeerzeugung) und somit die Exergieausbeute, was wiederum die Effizienz erhöht.

KWK-Anlagen können unter anderem sein:

• Entnahmedampfturbinen– oder Gegendruckturbinen,
• Gas- und Dampfturbinen (GuD),
• Gasturbinen– mit Abhitzekessel,
• Verbrennungsmotoren oder
• Brennstoffzellen-Anlagen

Man unterscheidet zwischen KWK-Anlagen mit fixer und variabler Stromkennzahl entsprechend der starren und lenkbaren Kuppelproduktion. Bei Anlagen mit fester Stromkennzahl liegt der elektrische und thermische Output in einem festen Verhältnis σ vor. Diese KWK-Anlagen, wie z. B. Verbrennungsmotoren, Gasturbinen und Gegendruckturbinen, kann man nur an- oder ausschalten bzw. in Teillast betreiben. Anlagen mit variabler Stromkennzahl, wie z. B. Entnahmedampfturbinen, sind flexibler im Betrieb, da sich das P/Q’-Verhältnis in einem weiten Bereich beeinflussen lässt, was bei wechselndem Bedarf an elektrischer und thermischer Energie Vorteile hat. Neben dem Teillastbetrieb kann man das Gewicht auf Produktion elektrischer oder thermischer Energie legen.

Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung mit einer Entnahme-Kondensationsanlage

Bei den mit Wasser als Arbeitsstoff betriebenen Heizkraftwerken der öffentlichen Versorgung – das sind in der Regel Entnahmedampfturbinen – geht die Abgabe von Nutzwärme mit einer Verringerung der Stromproduktion (geringerer elektrischer Wirkungsgrad) einher. Der Dampf muss vor den letzten Turbinenstufen entnommen werden, damit seine Temperatur zum Heizen ausreichend hoch ist, was dann im Niederdruckteil weniger Arbeit erzeugt. Das Verhältnis von elektrischem Minderertrag und gewonnener Nutzwärme wird als Stromverlustkennziffer bezeichnet. Das Bild rechts zeigt im linken Teil vereinfacht das Prinzip der Entnahme. Der nach dem Mitteldruckteil (MD) der Turbine, also vor dem Niederdruckteil (ND) abgezweigte Dampf strömt in den Heizkondensator (HK), wo er sich unter Wärmeabgabe an den Fernwärmekreislauf (Temperaturniveau etwa 100 °C) verflüssigt. Von dort wird das Kondensat dem Speisewasserkreislauf zugeführt. Der restliche Dampf arbeitet im Niederdruckteil und wird dann im Kondensator (Ko) bei ca. 30 °C (abhängig vom Umgebungszustand) verflüssigt und über die Kondensatpumpe (KoP) dem (hier nicht abgebildeten) Speisewasserbehälter zugeführt. Die rechte Bildseite zeigt das zugehörige idealisierte T-s-Diagramm (vergl. Clausius-Rankine-Prozess) für einen Betriebszustand, in dem die Hälfte des Dampfes für Heizzwecke genutzt wird. Die gesamte rote Fläche entspricht der genutzten Wärme, der obere schraffierte Teil dieser Fläche dem Stromverlust in der Niederdruckstufe.

Von Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) spricht man, wenn die Anlage zusätzlich Kälte erzeugen kann. Dabei wird die Nutzwärme des Prozesses genutzt, um eine Absorptionskältemaschine anzutreiben. Trotz der deutlich höheren Investition im Vergleich zu einer Kompressionskältemaschine lässt sich die KWKK-Anlage wirtschaftlich betreiben, weil sich durch die Wärmenutzung zur Klimatisierung im Sommer die Auslastung des KWK-Prozesses erhöht.

Quelle: Seite „Kraft-Wärme-Kopplung“. In: Wikipedia – Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 11. Juli 2021, 16:15 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Kraft-W%C3%A4rme-Kopplung&oldid=213765497 (Abgerufen: 30. Juli 2021, 13:04 UTC)

Blockheizkraftwerk

Biogas-BHKW in Güssing, Österreich

Mini-BHKW in gekapselter Bauform

Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) ist eine modular aufgebaute Anlage zur Gewinnung elektrischer Energie und Wärme, die vorzugsweise am Ort des Wärmeverbrauchs betrieben wird. Es kann auch Nutzwärme in ein Nahwärmenetz eingespeist werden. Die Anlage nutzt dafür das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung.

Als Antrieb für den Stromerzeuger können Verbrennungsmotoren, d. h. Diesel-, Pflanzenöl- oder Gasmotoren, aber auch Gasturbinen, Stirlingmotoren oder Brennstoffzellen verwendet werden.

Der höhere Gesamtnutzungsgrad gegenüber der herkömmlichen Kombination von lokaler Heizung und zentralem Kraftwerk resultiert daraus, dass die Abwärme der Stromerzeugung genutzt wird. Der Wirkungsgrad der Stromerzeugung mit Verbrennungsmotoren liegt dabei, abhängig von der Anlagengröße, zwischen 25 und 44 % (bezogen auf den Heizwert). BHKW auf Brennstoffzellen-Basis hingegen können einen elektrischen Wirkungsgrad von 55^[1] bis zu 60 %^[2] erreichen. Falls die Abwärme vollständig und ortsnah genutzt wird, kann ein Gesamtwirkungsgrad bezüglich eingesetzter Primärenergie von 80 bis 90 % (bezogen auf den Heizwert) erreicht werden. Brennwertkessel erreichen Wirkungsgrade bis zu 100 % (bezogen auf den Heizwert), können aber keinen elektrischen Strom erzeugen. (Siehe auch Zu Wirkungsgraden >100 % allgemein und Unterschiedlichen Wirkungsgraddefinitionen bei Brennwertkesseln.)

Übliche BHKW-Module haben elektrische Leistungen zwischen einem Kilowatt (kW) und einigen zehn Megawatt (MW). Unter 50 kW spricht man auch von Mini-Kraft-Wärme-Kopplung (Mini-KWK), unter 10 kW von Mikro-KWK. Anlagen mit weniger als 2,5 kW nennt man auch Nano-BHKW. Mini- und Mikro-KWK werden in Wohn- und Geschäftsquartieren, Krankenhäusern, Schwimmbädern und Mehrfamilienhäusern, aber auch in Betrieben und im Siedlungsbau verwendet. Insbesondere die Nano-BHKW-Klasse eignet sich auch für Einfamilienhäuser.^[3] Die Kraft-Wärme-Kopplung wird ebenfalls in Heizkraftwerken genutzt, dort typischerweise mit elektrischen Leistungen von einigen hundert MW.

Betriebsarten

Im Idealfall ist der Netzbezug abgedeckt, so dass eine Überproduktion ins Stromnetz eingespeist werden kann. Die Wärme dient Heizzwecken und der Warmwasserbereitung.

Wärmegeführt

Wenn sich die Leistungsabgabe des BHKW nach dem lokalen Wärmebedarf richtet, handelt es sich um ein wärmegeführtes BHKW. Durch Regelung der Heizleistung werden in modular aufgebauten Anlagen einzelne Aggregate je nach Bedarf ab- oder zugeschaltet. Bei Konfiguration mit nur einem Aggregat wird entweder dessen Leistungsabgabe entsprechend geregelt oder ein Wärmespeicher wird im Intervallbetrieb geladen. Der Speicher wird häufig so ausgelegt, dass der Motor mindestens eine Stunde zur vollständigen Ladung benötigt. Da die Wartungsintervalle sich nach den Betriebsstunden der Anlage richten, ist der Intervallbetrieb gegenüber dem modulierten Betrieb meist die wirtschaftlichere Betriebsweise. Der erzeugte Strom solcher Anlagen wird, so weit es geht, selbst verbraucht; der Überschuss wird in das öffentliche Netz gespeist und entsprechend verrechnet.

Stromgeführt

Notkühler (horizontale Ventilatoren in Bildmitte) auf dem Containerdach eines Biogas-BHKW

Bei einem stromgeführten BHKW richtet sich die Leistungsabgabe nach dem Strombedarf oder der Fähigkeit des Aggregats (max. Stromerzeugung nach EEG, s. u.). Die in diesem Zeitraum nicht nutzbare Wärme wird über einen Notkühler als Abwärme an die Umgebung abgegeben, obwohl das den Wirkungsgrad reduziert. Diese Betriebsart findet sich zum einen häufig in Inselnetzen. In Deutschland werden eine Reihe BHKW mit nachwachsenden Rohstoffen als Kraftstoff stromgeführt betrieben. Durch die gesetzlich festgelegten Einspeisetarife für den produzierten Strom (Erneuerbare-Energien-Gesetz, kurz EEG) war es Betreibern möglich, den Gewinn durch möglichst viel produzierten Strom zu maximieren. Die Verwertung der dabei anfallenden Wärme wurde dabei häufig vernachlässigt. Die jüngeren Änderungen des EEG haben diese Möglichkeit deutlich reduziert.

Stromorientiert

Bei einem stromorientierten Betrieb bleibt die erste Steuerungsgröße der Wärmebedarf. Regelungstechnisch wird aber der Deckung der Stromlast so weit wie möglich nachgekommen. Das BHKW läuft bei Strombedarf, die Wärme wird direkt genutzt oder in einem Wärmespeicher für eine spätere Nutzung zwischengepuffert. Das BHKW hat keinen Notkühler. In Zeiten mit niedriger Stromlast wird der Wärmebedarf vorrangig aus dem Wärmespeicher bedient, danach geht das BHKW in Betrieb. Diese Betriebsart maximiert die elektrische Eigennutzung, ohne Wirkungsgradverluste und ohne Kondensationsbetrieb.

Netzgeführt

Wird das Leistungsniveau von einer zentralen Stelle für mehrere Anlagen vorgegeben, spricht man von einem netzgeführten BHKW. Die Zentrale optimiert dabei systemübergreifend die Einsatzplanung der dezentralen KWK-Aggregate anhand wirtschaftlicher Randbedingungen, wie gemeinsamen Gas- und Reststrombezugsverträgen. Die Netzführung ist die Kernidee eines virtuellen Kraftwerks. Wie bei der Stromführung muss zur zeitlichen Entkoppelung von Wärmeerzeugung und -last ein Speicher eingebunden sein.

Auslegung

Üblicherweise wird die Leistung einer wärmegeführten BHKW-Anlage so ausgelegt, dass sie auch im Volllastbetrieb nur einen Teil des maximalen Heizenergiebedarfes der angeschlossenen Abnehmer deckt, die benötigte Restwärme liefert ein Spitzenlastkessel. So wird sichergestellt, dass die teuren stromerzeugenden Einrichtungen besser genutzt werden und höhere Betriebsstundenzahlen erreichen. Pro Jahr werden mindestens 7900 Stunden angestrebt, oft werden aber nur etwa 3000 bis 5000 Stunden erreicht.

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 Mini-KWK propagiert. Bei einer solchen Auslegung kommt es zum An- und Abschalten des BHKW (sogenanntes „Takten“), was seine 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 hinzugeheizt werden (bivalenter Einsatz). Bei nur selten auftretendem zusätzlichem Heizbedarf kann auch die Installation einer einfachen elektrischen Zusatzheizung (Tauchsieder-Prinzip) kostengünstig 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 zeitweiligen stromgeführten Betrieb, d. h. eine Speicherladung zu Zeiten mit hohem Strompreis.

Ökologie- und Umweltaspekte

Der wirtschaftliche und ökologische Grundgedanke des wärmegeführten Betriebes liegt darin, erzeugte Wärme vollständig und möglichst auch den Strom 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 der Mittellast (hauptsächlich Kohle) und ermöglicht damit einen geringeren Kohlendioxid-Ausstoß.^[4] Das soll in Deutschland auch durch gesetzliche Regelungen wie das KWKG unterstützt werden.

Ein BHKW erreicht einen insgesamt deutlich höheren Nutzungsgrad (Nutzenergie Strom plus Nutzenergie Wärme dividiert durch Energieeinsatz) gegenüber dem herkömmlichen Mischbetrieb aus lokaler Heizung und zentraler Stromversorgung. So erreicht ein modernes Großkraftwerk auf Steinkohlenbasis einen Wirkungsgrad von ca. 45 %. Das bedeutet: rund die Hälfte der erzeugten Energie fällt als Abwärme an. Deren Nutzung als Fernwärme würde aber erhebliche Transportverluste (10–15 %) mit sich bringen sowie ein aufwendiges und teures Rohrleitungsnetz benötigen, da bei zentralen Großkraftwerken Wärmeerzeuger und Wärmeabnehmer in der Regel weit auseinanderliegen. Auch durch den Leitungstransport der Elektrizität gehen weitere ca. 2 bis 5 % der Energie verloren. BHKW besitzen einen elektrischen Wirkungsgrad von ca. 25 bis 38 % (je nach Größe und Art); der Gesamtwirkungsgrad von ca. 90 % kann nur dann erreicht werden, wenn Strom und Wärme direkt vor Ort genutzt werden. Der Vorteil, die Prozesswärme vor Ort nutzen zu können, setzt geeignete Abnehmer voraus. Wohngebäude brauchen abhängig von der Jahreszeit unterschiedlich viel Wärme, weshalb die Prozesswärme im Sommer nur teilweise genutzt werden kann.

Der Aufwand zur Wartung der Motoren (wie Ölwechsel und Luftfilter, bei Gasmotoren die Zündkerzen etc.) mit den damit verbundenen An- und Abfahrten des Servicepersonals wirkt sich negativ auf die ökonomische Bilanz aus, da er bei kleineren und dezentralen Anlagen, speziell den Mikro-KWK, spezifisch nennenswert ansteigt.

Besonders kritisch zu werten ist der Einsatz von Palmöl als Kraftstoff. Der Anbau von Palmölplantagen erfolgt in vielen Schwellen- und Entwicklungsländern auf Kosten des Regenwaldes, oftmals sogar durch illegalen Holzeinschlag, trotz Allianzen wie des RSPO (Round Table of Sustainable Palmoil). Die letzten Regenwälder schwinden massiv aufgrund der immer weiter steigenden Nachfrage nach Palmöl für Kraftstoffe, Lebensmittel, Kosmetika etc.

Technik

Funktionsschema einer motorgetriebenen BHKW-Anlage

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 und Dampfmotor mit relativ geringem Wirkungsgrad zur Erzeugung der (für den Generator notwendigen) mechanischen Energie 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. Diese nutzt die Abwärme der BHKW-Anlage zum Kühlen.

Als Kraftstoffe kommen vorwiegend fossile oder regenerative Kohlenwasserstoffe wie Heizöl, Pflanzenöl (zumeist Palmöl), Biodiesel (für einen Dieselmotor) oder Erdgas bzw. Biogas (für einen Ottomotor), Zündstrahlmotor oder eine Gasturbine (Biogasmotor) zum Einsatz. Holzhackschnitzel und Holzpellets als nachwachsende Rohstoffe in Stirlingmotoren, Dampfkraftanlagen und Holzvergasern sind ebenfalls möglich, letztere in Verbindung mit einem Ottomotor (Wirkungsgrad < 36 %).

Die meisten BHKW-Motoren, also Otto-, Diesel- und Stirlingmotoren, lassen sich mit leichtem Heizöl betreiben.

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 Nutzungsgrad 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 oder ohne Turbolader) des Motors und Generators zwischen 20 % (bei Mini-BHKW) und 43 % (bei Dieselmotoren mit Leistungen über 1 MW).

Kleine BHKW (Mikro-KWK) bis etwa 10 kW elektrischer und ca. 20 kW thermischer Leistung eignen sich für die Beheizung von Ein- und Mehrfamilienhäusern und kleinen Unternehmen. Mittelgroße BHKW mit einer elektrischen Leistung von mehreren Hundert kW werden häufig von Stadtwerken zur Beheizung von Wohnsiedlungen oder Hallenbädern bzw. größeren Gewerbebetrieben genutzt. Große BHKW mit Gasmotoren mit einigen MW Leistung eignen sich für die Strom- und Wärmeversorgung von größeren Wohn- und Gewerbegebieten sowie Fabriken.

Wirtschaftlichkeit

Wesentlich für die Wirtschaftlichkeit einer BHKW-Anlage ist eine große jährliche Betriebsstundenzahl im hohen Lastbereich der Kraftmaschine (typisch etwa 4.000 Volllaststunden pro Jahr). Dabei wird angestrebt, die Investitionen in die Anlage betriebswirtschaftlich durch die finanzielle Vergütung für erzeugte Strom- und Wärmemengen (oder Reduktion der dafür entstehenden Kosten) auszugleichen.

Bei wärmegeführten BHKW wird dazu mit Hilfe der Jahresdauerlinie des Wärmebedarfs (einer Kurve, in der aufgetragen ist, wie viele Stunden im Jahr welche Wärmeleistung für die Gebäude erforderlich ist) die Wärmeleistung festgestellt, die etwa 3000 Stunden im Jahr fordert. Die Spitzenwärmeleistung des BHKW wird auf diese Leistung festgelegt; in der Regel sind das 25–30 % des Spitzenwärmebedarfes. Um die Leistung in Stufen erbringen zu können, sind BHKWs meist modular mit mehreren Motoren ausgestattet.

Im Wohnbereich schwankt der Heizenergiebedarf jahreszeitlich sehr stark, im Hochsommer entsteht er nur für die Brauchwassererwärmung. Zurzeit existieren erst wenige BHKW-Modelle, welche die erzeugte Wärme und damit auch den gekoppelt produzierten Strom verändern können („modulierender Betrieb“). Bedarfsschwankungen – begrenzt durch Wärmespeicher – können jedoch ausgeglichen werden. Ein Parallelbetrieb mit einem herkömmlichen Brenner für den thermischen Spitzenbedarf und als Reserve bei Störungen oder Wartungen ist üblich. Fehlen für solche Schwankungen des Wärmebedarfs ausgleichende Maßnahmen, kommt es zu häufiger An- und Abschaltung („Takten“) der BHKW-Anlage, was zu einer Minderung von Effizienz und Lebensdauer führt.

Bei einer umfassenden Wirtschaftlichkeitsbetrachtung werden alle Investitions- und Betriebskosten – also Abschreibungen, Brennstoff und Wartung – eingerechnet und den Erlösen für Strom und Wärme bzw. den dabei eingesparten Beträgen gegenübergestellt. Grundlage dieser Wirtschaftlichkeitsbetrachtung bildet die VDI-Richtlinie 2067 „Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen“.^[5]

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 wird. Bedingt durch den zunehmenden Anteil an Wind- und Solarenergie, die nicht bedarfsgerecht Strom liefern und ebenfalls keine Grundlast gewähren können, könnten BHKW mit nachgeschaltetem Wärmepuffer noch rentabler arbeiten: Lokal liefern sie die notwendige elektrische Leistung, wärmeseitig können Wärmespeicher gefüllt werden.

Ein Grundproblem der Vermarktung von BHKW speziell in Ein- und Mehrfamilienhäusern ist der im Vergleich zu üblichen Erdgas- oder Ölheizungen höhere Anschaffungspreis. Der Heizsystemvergleichs-Rechner der Verbraucherzentrale NRW vergleicht die Gesamtkosten unterschiedlicher Heizsysteme (u. a. auch BHKW) für bestehende Wohngebäude vom Einfamilienhaus bis zum Zehn-Familien-Haus.^[6] Ratsam ist möglicherweise der Einsatz von BHKWs in Betrieben und Unternehmen. Eine gute Möglichkeit bietet die Hansestadt Hamburg mit dem BHKWCheck durch Fachberater. Hierbei wird geprüft, ob der Einsatz im Unternehmen sinnvoll ist, da in diesen Bereichen noch hohe Energie- und Einsparungsmöglichkeiten bestehen.^[7]

Im Vergleich haben Gasmotoren einen höheren elektrischen Wirkungsgrad bei niedrigeren spezifischen Investitionskosten, Mikrogasturbinen können auch Gas mit geringerem Heizwert verwerten, haben eher eine längere Lebensdauer bei niedrigen Betriebs- und Wartungskosten und leiseren Betriebsgeräuschen.^[8]

Öffentliche Förderung

BHKW, betrieben mit kaltgepresstem Rapsöl

BHKW werden in Deutschland seit dem 1. Januar 2009 durch das Gesetz für die Erhaltung, die Modernisierung und den Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung, kurz Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz gefördert. Netzbetreiber sind verpflichtet, eine BHKW-Anlage an ihr Stromnetz anzuschließen und den ins öffentliche Netz eingespeisten Strom zu vergüten. Die Vergütung setzt sich zusammen aus dem Durchschnittspreis für Basislaststrom (Baseloadpreis) an der Leipziger Strombörse EEX, einem KWK-Zuschlag gemäß dem KWK-Gesetz sowie einem Netzentgelt für die dezentrale Einspeisung. Außerdem erhalten ab dem 1. Januar 2009 die KWK-Anlagen auch für den Strom, der z. B. im Versorgungsobjekt (Hotel, Wohnhaus) selbst genutzt wird, einen KWK-Zuschlag. Auch KWK-Anlagen, die nach dem (alten) KWK-Gesetz vom 1. April 2002 kategorisiert wurden oder werden können, erhalten seit dem 1. Januar 2009 für den außerhalb der öffentlichen Netze verwendeten Strom einen KWK-Zuschlag. Am 19. Juli 2012 ist das neue KWK-Gesetz in Kraft getreten. So erhalten bspw. Mini-KWK-Anlagen, die vor dem 19. Juli 2012 angeschlossen wurden, eine Vergütung von 5,11 Cent/kWh, Anlagen die danach installiert wurden, erhalten nach dem neuen Vergütungsmodell einen Zuschuss von 5,41 Cent/kWh.

Zur staatlichen Förderung gehören weiterhin auch Steuererleichterungen. Für die Brennstoffe Erdgas, Heizöl und Flüssiggas wurde bis zum 1. April 2012 beim Einsatz in KWK-Anlagen mit einem Jahresnutzungsgrad von mindestens 70 % die Energiesteuer, ehemals „Mineralölsteuer“, vollständig erstattet. Durch eine Gesetzesänderung wird rückwirkend zum 1. April 2012 die vollständige Entlastung nur noch geleistet, wenn die Anlage neben dem Mindestnutzungsgrad von 70 % steuerrechtlich noch nicht vollständig abgeschrieben wurde und hocheffizient im Sinne der Richtlinie 2004/8/EG des Europäischen Parlaments ist.^[9][10][11] Für Strom aus KWK-Anlagen bis zu 2 MW elektrischer Leistung, der vom Betreiber der Anlage im „räumlichen Zusammenhang“ verbraucht wird, muss zudem keine Stromsteuer (2,05 Cent/kWh) entrichtet werden.

Das Bundesumweltministerium fördert seit 2012 im Rahmen der Nationalen Klimaschutzinitiative den Einsatz hocheffizienter Mini-KWK-Anlagen im Leistungsbereich bis 20 Kilowatt elektrischer Leistung. Am 1. Januar 2015 trat die novellierte Richtlinie zur Förderung von KWK-Anlagen bis 20 kW elektrischer Leistung in Kraft. Hierdurch wurden die Basisförderung im kleinen Leistungsbereich angehoben, Bonusförderungen für besonders energieeffiziente Mini-KWK-Anlagen eingeführt sowie technische Anforderungen vereinfacht.^[12][13]

In der Praxis hat das KWK-Gesetz aus dem Jahre 2002 den Zubau von kleinen KWK-Anlagen (bis zwei MW gemäß § 3 (3) KWKG), zu denen die BHKW im Allgemeinen zählen, nicht die erhoffte Dynamik erzeugt, obwohl hier große Potenziale^[14] brach liegen, die man wirtschaftlich erschließen könnte.

Mit Biomasse als Rohstoff erzeugter KWK-Strom, der im Rahmen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) in das Stromnetz eingespeist wird, wurde nach den Regeln des EEG mit einem zusätzlichen Bonus von drei Cent/kWh vergütet (KWK-Bonus nach Anlage 3 EEG 2009). Dieser Bonus ist mit der Novellierung des EEG seit Anfang des Jahres 2012 entfallen. Für die Umrüstung auf ein BHKW gibt es neben Zuschüssen und Krediten von KfW und BAFA auch von vielen Bundesländern, kommunalen Energieversorgern und Stadtwerken direkte Fördermittel.^[15]

Literatur

• Wolfgang Suttor: Blockheizkraftwerke – Ein Leitfaden für den Anwender. 8. überarbeitete Auflage. Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 2014, ISBN 978-3-8167-9303-8 (Leitfaden für Anwender in Wohnungswirtschaft, Siedlungsplanung, Kommunen, Energieversorger, nicht Häuslesbauer)

Weblinks

Commons: Blockheizkraftwerk – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien Wiktionary: Blockheizkraftwerk – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Informationen über BHKW (BHKW-Forum e. V.)
• Themenseite BHKW der EnergieAgentur.NRW
• Dossier „Blockheizkraftwerk & Kraft-Wärme-Kopplung“ (co2online)
• BHKW als stromerzeugende Heizung und 6 Arten der Einbindung von BHKW
• BHKW-Kenndaten-Tool 2015 (ASUE e. V./BHKW-Infozentrum), BHKW-Kenndaten 2011 (PDF; 1,5 MB) und Anbieter-Kenndaten 2011 (XLS; 60 kB) (Memento vom 22. Februar 2014 im Internet Archive) (ASUE e. V.)
• BHKW-Rechner für Wohnanlagen und BHKW-Rechner für Unternehmen (EnergieAgentur.NRW)
• Anschauliche Anwendungsbeispiele: „BHKW des Monats“ (BHKW-Infozentrum GbR)
• Blockheizkraftwerk (BHKW) – Strom und Wärme für zuhause (Infoseite)
• Unternehmen setzen beim Strom auf Eigenversorgung (Heise Zeitschriften Verlag)

Seite „Blockheizkraftwerk“. In: Wikipedia – Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 27. Juni 2021, 22:34 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Blockheizkraftwerk&oldid=213353003 (Abgerufen: 30. Juli 2021, 13:05 UTC)