Beitrag aus einer Vielzahl an Quellen zusammengestellt. In wesentlichen Teilen und zum besseren Verständnis wurde jedoch auf folgende beiden Buchveröffentlichungen Bezug genommen: Blockheizkraftwerke. Ein Leitfaden für Anwender (7. Aufl. 2011) von Wolfgang Suttor aus dem Fraunhofer IRB Verlag und Mini-Blockheizkraftwerke. Grundlagen, Gerätetechnik, Betriebsdaten (2. vollständig überarbeitete Aufl. 2011) von Bernd Thomas aus dem Vogel Buchverlag. (Anm. d. Redaktion)

1. Blockheizkraftwerke

2. BHKW mit Dampf- oder Gasturbine

3. BHKW Verbrennungsmotoren

4. Mini-BHKW - Mikro-BHKW und Nano-BHKW

5. BHKW Stirling Motor

6. Energiegesetze und Wirtschaftlichkeit

7. BHKW-Generator und einfache Berechnungsformeln

1. Blockheizkraftwerke

BHKW's sind kompakte Anlagen, die Strom und Wärme erzeugen, also eine Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) darstellen und bestehen aus Antrieb und dem Generator, um mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.

Es gibt Synchron- und Asynchrongeneratoren, wobei der Synchrongenerator aufwendiger in der Bauweise ist, dafür aber eine konstante Stromspannung liefert. Vorlauf und Rücklauf für die Nutzwärme aus dem BHKW sind vorgesehen. Der Abgaswärmetauscher dient der Rückgewinnung von Abwärme aus den Abgasen. Schließlich ist ein Katalysator eingebaut, der die Abgase vor dem Rücklauf in den Motor wieder reinigen soll.

Es gibt BHKW's mit eingebautem Schalldämpfer aufgrund der Lärmentwicklung im laufenden Betrieb. Die Lärmentwicklung stellt eine grundlegendes Problem vor der Anschaffung. Anlagen mit Verbrennungsmotoren können mit herkömmlichen Energieträgern und mit regenerativen Energiequellen betrieben werden. Durch die Erzeugung von Wärme und Strom in BHKW’s werden Brennstoffe und Energien gespart.

Insgesamt umweltschonend steuert eine Vielzahl an kleineren Anlagen zur Dezentralisierung der Stromerzeugung bei. Deshalb werden BHKW’s gesetzlich durch das Erneuerbare Energien Gesetz - EEG, das Erneuerbare Wärme Gesetz - EEW und die Kraft Wärme Kopplung mit dem KWK Gesetz gefördert.

Nach dem Stromsteuergesetz sind Betreiber von BHKW’s bis zu einer Leistung von 2.000 kW elektrischer Energie  auch von der Stromsteuer befreit.  Wolfgang Suttor vom Fraunhofer Institut sagt hierzu, daß eine Steuerentlastung bisher keinen Investitionsschub bei der KWK auslösen konnte. Berechnungen der EU-Kommission haben ergeben, daß eine verstärkt dezentrale Stromerzeugung Kostenvorteile von 25 Prozent gegenüber einer zentralen Versorgung einbringt. Dezentrale Versorgung hat den Vorteil, daß lange Versorgungsnetze unnötig werden.

Werden die für den Umweltschutz entscheidenden CO2 Emissionen eines BHKW mit dem eines herkömmlichren Kraftwerks mit Heizkessel in der BRD verglichen, so ergibt sich eine Reduktion für das BHKW um 29 Prozent. Abhängig ist das von der Energiequelle, die genutzt wird- Wobei herkömmliche Kraftwerke unterschiedlichen CO2 Ausstoß je nach Heizkessel haben,  so ergibt sich ein Unterschied zwischen Heizöl- oder Erdgaskessel. Bis 2007 waren rund 20.000 BHKW’s in der BRD am Netz. Diese haben zusammen eine Leistung von 4.500 MegaWatt.

Anhand der gesamten Stromerzeugung in der BRD nimmt die Versorgung durch Kraft-Wärme-Kopplung bisher nur einen Anteil von etwa 12 Prozent ein. Laut KWK-Gesetz sollen bis 2020 rund 25 Prozent  erreicht werden. Die Energieeinsparung durch Kraft-Wärme-Kopplung hängt jedoch immer noch von der jeweiligen Technik ab. BHKW’s werden nach Art ihrer Verbrennungskraftmaschinen unterschieden in Motor-BHKW’s und Gasturbinen-BHKW’s.

2. BHKW mit Dampf- oder Gasturbine

 

Gas - und Mikrogasturbinen basieren auf der Turboladertechnologie, bekannt aus dem Fahrzeugbau und bei Hilfsmotoren aus dem Flugzeugbau. Turbolader bedeutet eine Leistungssteigerung von Kolbenmotoren durch Verdichter im Ansaugtrakt. Eingesaugte Verbrennungsluft wird verdichtet und anschließend durch die heißen Abgase vorgewärmt. Diese Luft und der gleichfalls verdichtete Brennstoff, wie Erdgas oder andere methanhaltige Gase, werden gemeinsam verbrannt. Die dabei austretenden Abgase treiben die Turbine an, die auf derselben Welle montiert ist wie der Generator, deshalb Einwellenanlage genannt. Ohne ein zwischengeschaltetes mechanisches Getriebe bewirkt jede Umdrehung der Turbine eine Umdrehung des Generators, das heißt dieser arbeitet mit 70.000 – 100.000 Umdrehungen in der Minute. Der dabei gewonnene hochfrequente Strom mit 1.600 Hz wird elektronisch in einem zweifachen Umwandlungsvorgang zu Wechselstrom mit 50 Hz und 400 Volt.

Die Abwärme der Abgase kann als Prozesswärme zur Heizenergie- und Warmwasserversorgung und über eine Absorptionskältemaschine zur Erzeugung von Kälte genutzt werden.  Die elektrische Leistung der „kleinen“ Mikrogasturbinen liegt dabei im Bereich von knapp 30 – 200 kW.

Damit eignen sie sich diese BHKW's  für klein- und mittelständische Unternehmen oder Stadtwerke zur dezentralen Stromerzeugung. Typische Einsatzorte sind z. B. Krankenhäuser, Altenheime, Gartenbaubetriebe, Hallenbäder, große Schulkomplexe, Brauereien oder die Keramikindustrie. Stärken der Mikrogasturbinen sind geringe Wartungszeiten, da es weniger bewegte Teile gibt als in Motorheizkraftwerken.

Die Anlagen zeigen ein gutes Teillastverhalten, das heißt auch bei niedrigeren Drehzahlen bleibt die Stromerzeugung nahezu gleich. Nachteil sind höhere Investitionskosten und ein niedrigerer elektrischer Wirkungsgrad als bei einem Motorheizkraftwerk. Verursacht durch den Verdichter, der einen Brennstoff auf den notwendigen Druck von 3,5 bis 8 bar bringt.

3. BHKW Verbrennungsmotoren

Ausgehend von Otto- und Dieselmotoren sind motorbetriebene Blockheizkraftwerke eine weit entwickelte Technologie, was auch für Klein- und Miniblockheizkraftwerke gilt. Zunächst wurde für deren Antrieb Erdgas, Flüssiggas und Heizöl verwendet, mittlerweile lassen sich die Kraftwerke auch mit Pflanzenöl oder anderen Biomassen betreiben.

Der Energieträger wird dabei in einem thermischen Kreisprozeß genutzt. Zunächst wird daraus mechanische Energie erzeugt, die wie schon erwähnt zu großen Teilen in elektrische Energie umgewandelt wird.

Otto- und Dieselmotoren bringen jedoch hohe Wartungskosten mit sich, die vor allem durch den Ölwechsel verursacht werden. Positiv ist ein hoher Wirkungsgrad. Insgesamt können 80-90 Prozent der erzeugten Energie bei BHKW’s mit Motorantrieb genutzt werden.

Bei einem konventionellen Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung wird ein Arbeitsgewinn gewonnen, indem eine bestimmte Luftmenge bei niedriger Temperatur komprimiert, diese anschließend durch eine schnelle Verbrennung erhitzt und sie danach bei hoher Temperatur expandiert. Das gleiche Prinzip der Wärmekraftmaschine liegt auch dem Stirlingmotor zugrunde. Ein Unterschied beim Stirling ist, daß die Antriebsenergie außerhalb des Motors zugeführt wird.

4. Mini-BHKW - Mikro-BHKW und Nano-BHKW

 

Für die Anwendung in Ein- bis etwa Dreifamilienhäusern kommen meist BHKW-Module der Nano-BHKW Klasse in Frage. Diese Kleinst-BHKW unterscheiden sich stark von den größeren Mikro-BHKW in Bauform und Technik und bilden daher eine eigene Klasse unterhalb der Mikro-BHKW. Nano-BHKW sind nach der Definition BHKW mit einer elektrischen Leistung von bis zu 2 kW. Mikro-BHKW hingegen verfügen über eine elektrische Leistung von mehr als 2 kW bis zu 15 kW.

Etwas größere BHKW von mehr als 15 kW bis 50 kW elektrischer Leistung werden hingegen als Mini-BHKW klassifiziert. Im Gegensatz zu großen BHKW können Kleinst-BHKW allgemein in Serie produziert werden.

Mikro-BHKW’s und Nano-BHKW’s sind besonders effizient im gebäudeintegrierten Einbau, weil die Energie nicht lange Wege zurücklegt. Der Strombezug aus dem öffentlichen Stromnetz ist vermeidbar, wenn die Stromproduktion des Blockheizkraftwerkes dafür ausreicht. Aggregate dieser BHKW’s sind teilweise nicht größer als zwei handelsübliche Waschmaschinen zusammengenommen. Ab einem Modulpreis von 10.000 Euro werden BHKW’s im unteren Leistungsbereich etwa angeboten. Die Lebensdauer der in Serie produzierten Motoren reicht von 40.000 – 60.000 Nutzungsstunden und erreicht einen Zeitspanne von 10-20 Jahre. Das ist immer in Abhängigkeit zur jährlichen Nutzung zu sehen.

Die bauliche Integration und Verortung dieser kleineren BHKW's in bestehende Gebäude oder in einen Neubau ist zumeist im Technikraum im Keller zu suchen. Mit der technischen Weiterentwicklung und der größenmäßigen Anpassung an den häuslichen Bedarf besteht die Möglichkeit auf Design und Architektur stärker Rücksicht zu nehmen, um das BHKW im Haus unterzubringen. Bisher wurden diese Kraftwerke oft nur von ihrer Leistung aus betrachtet.

Teilweise laufen Motoren auch mehr als 80.000 Betriebsstunden. Anders als bei den größeren BHKW mit klassischem Verbrennungsmotor kommen in der Nano-BHKW Klasse innovative Konzepte wie Brennstoffzellen und die Stirlingmotoren zum Einsatz. 

5. BHKW Stirling Motor

Wärmekraftmaschine ist nach J. und R.Stirling aus dem Jahre 1816 benannt und arbeitet mit periodischer Erwärmung und Abkühlung des Arbeitsgases. Somit wird auch hier Wärmeenergie in Bewegungsenergie umgewandelt. Der Stirlingmotor kann mit jedem beliebigen Brennstoff betrieben werden. Der Motor läuft leise, weil dieser kein Explosionsmotor ist.

Er gilt als extrem schadstoffarm wegen der  äußeren Verbrennung. Das bedeutet mindestens 10 Mal niedrigere Schadstoffemissionen gegenüber Gas-Ottomotoren mit Katalysator. Bei Nutzung von Sonnenenergie ist der Stirlingmotor sogar frei von Schadstoffen.

Der Vorteil ist, Rückstände aus der Verbrennung können nicht in das Innere des Stirlingmotors gelangen, was zu geringeren Verschleiß und damit zu langen wartungsfreien Laufzeiten führt. Bei Stirlingmotoren sind Wartungsintervalle von 5.000 bis 8.000 Stunden zu erwarten.

Das Stirling-Blockheizkraftwerk ist ideal, um fossile Brennstoffe unter Umweltgesichtspunkten effektiver zu nutzen und ermöglicht erstmals die Kraft-Wärme-Kopplung mit fester Biomasse in Form von Pellets und Holzschnitzel in diesem Leistungsbereich der Kleinst-BHKW's. Voraussetzung für die Rentabilität eines Stirlingmotors ist ausreichend Strombedarf und eine Laufleistung von mindestens 5.000 Stunden im Jahr.

Mini-Blockheizkraftwerke sind wie erwähnt kleine, kompakte und anschlussfertige Anlagen im Leistungsbereich von etwa 10 bis 50 kW elektrischer Energie. Diese energieeffizienten und kostengünstigen Anlagen rechnen sich im Allgemeinen bei größeren Gebäudekomplexen.

Anzumerken bleibt, daß Dank verbesserter Methoden die CO2-Emissionen der Blockheizkraftwerke (BHKW) um 34 Prozent geringer sind als bei Erzeugung von Strom und Wärme auf andere Art.

6. Energiegesetze und Wirtschaftlichkeit der BHKW's

Die Ziele des KWK-Gesetzes, das seit 01.04.2002 in Kraft ist und zum 01.01.2009 das zweite Mal eine Novellierung fand, ist der „befristete Schutz, die Förderung, die Modernisierung und der Neubau von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen sowie die Markteinführung der Brennstoffzelle sowie die Förderung des Neu- und Ausbaus von Wärmenetzen".

Die Förderung der KWK-Technologie erfolgt durch feste Vergütungssätze für die eingespeiste elektrische Energie in das öffentliche Versorgungsnetz. Bis zur Sommerpause 2012 soll die nächste Novellierung des KWK-Gesetzes durch Bundesrat und Bundestag abgeschlossen sein, wie es heißt. Ein Anreiz durch das KWK-Gesetz besteht vor allem für Anlagen bis 50 kW_el. Wirtschaftlichkeit entsteht durch Vermeidung des Strombezugs. Dazu kommt seit 01.01.2009 der Zuschlag für den selbst genutzten Strom. Damit haben sich die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen gerade für kleine KWK-Anlagen deutlich verbessert.

Das novellierte Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) ist seit 01.01.2009 in Kraft. Es regelt den vorrangigen Anschluß von Anlagen zur Erzeugung von Strom aus Erneuerbaren Energien und aus Grubengas. Das EEG hat ein übergeordnetes politisches Ziel, das in Paragraph 1 festgelegt ist: Das Gesetz verfolgt das Ziel, den Anteil Erneuerbarer Energien an der Stromversorgung bis zum Jahr 2020 auf mindestens 30 Prozent und danach kontinuierlich weiter zu erhöhen.

Die Kapitalkosten für das BHKW werden von der Abschreibungsdauer und der Wahl des gewählten Zinsfußes beeinflusst. Nicht zu vergessen ist die gewählte Größe des Moduls. Die Preise für das Modul liegen heutzutage zwischen 7.000 und 40.000 Euro.

Blockheizkraftwerke sind aus wirtschaftlicher Sicht Strom und Wärme erzeugende Anlagen. Die thermischen und mechanischen Energien, die als Primärenergien entstehen, werden dabei genutzt, bzw. in elektrische Energie umgewandelt. Der Wirkungsgrad ist entsprechend in thermischen, elektrischen und Gesamtwirkungsgrad unterteilt. Kosten eines Blockheizkraftwerkes hängen dann von Faktoren ab, wie Primärenergienutzung, Wirkungsgrad und Hersteller.

Die Stromkennzahl ist wichtig, um die zuschlagfähige Strommenge nach KWK-Gesetz zu bestimmen. Die Stromkennzahl ergibt sich aus der Division des elektrischen Wirkungsgrades mit dem thermischen Wirkungsgrad.

So kostet ein Blockheizkraftwerk mit einer elektrischen Leistung von 5,0 bis 5,3 KW und einer thermischen Leistung von 10,3 bis 10,5 KW bei einem Wirkungsgrad von 89 Prozent rund 16.000 Euro. Es können drei Brennstoffe verwendet werden.

Ein anderes produziert 1,3 bis 4,7 KW elektrische Energie und 4,0 bis 12,5 KW thermische Energie bei einem Wirkungsgrad von über 90 Prozent und kostet 20.000 Euro. In diesem Beispiel sind zwei Brennstoffe einsetzbar.

Ein drittes Produkt leistet bei einem Preis von 28.000 Euro 1,5 bis 3,0 KW elektrische und 4,5 bis 10,5 KW thermische Energie bei einem einzusetzendem Brennstoff und einem Wirkungsgrad von 88 Prozent.

7.  Der BHKW Generator und einfache Berechnungsformeln

Die thermischen Energien, die Abwärmen, die bei der Verbrennung bzw. Kondensation der Energieträger entstehen, werden für Warmwasserbereitstellung und Beheizung genutzt. Dabei hängt es von der Leistung des Geräts ab, ob ein Blockheizkraftwerk für das jeweilige Gebäude ausreicht oder zusätzliche Wärmeenergie zugeführt werden muß.

Die mechanische Energie wird wie schon mehrfach erwähnt meistgehend in elektrische Energie, das heißt in Strom umgewandelt. Die Energie treibt die Generatoren an, die den Strom erzeugen. Der BHKW Generator ist unmittelbar mit den Verbrennungsmotoren oder Dampfmotoren verbunden.

Die elektrische Leistung Pelbeschreibt wie viel elektrische Energie pro Zeiteinheit von dem BHKW produziert wird. Entscheidend ist die Nettoleistung, die anzeigt wie viel Energie tatsächlich vom BHKW ins Stromnetz eingespeist wird.

Bei BHKW’s und Mini-BHKW’s wird die Leistung immer in Kilowatt angegeben. Am Stromzähler werden die Angaben in Kilowatt pro Stunde angezeigt. Dieser Wert entsteht durch Multiplikation der Leistung mit der Betriebszeit. Liegt zum Beispiel Leistung von 5 KW über 3 Stunden an, so beträgt die Arbeit 15 KW, die Grundlage für die Vergütung ist.

Einfacher ist es jedoch, die elektrische Leistung mit einer so genannten Stromzange zu ermitteln. Dazu muß der gemessene Strom I durch Multiplikation der Spannung U in die Wirkungsleitung umgerechnet werden.

Für die von Mini-BHKW’s überwiegend verwendete Leistungseinspeisung auf der 400-V-Drehstromebene mit 3 Phasen ergibt sich eine Gleichung.

Der Leistungsfaktor cos φ   ist eine Apparatekonstante des Generators und zumeist in den technischen Daten angegeben, was auf dem Gerät angebracht ist.

Thermische Leistung ist der Begriff zur Beschreibung der vom BHKW abgegebenen Nutzwärme. Bei Mini-BHKW’s wird diese Leistung überwiegend in der Einheit kW ausgegeben. Aus diesem Grund sind Bezeichnungen wie „Wärme- oder Heizleistung“ ebenfalls gebräuchlich.

Zur Bestimmung der thermischen Leistung müssen die Temperaturen des Kreislaufwassers vor und hinter dem BHKW sowie der Wasservolumenstrom Vw gemessen werden.

Die Temperatur des erwärmten Wassers am Austritt des BHKW wird dabei als Vorlauftemperatur TVL bezeichnet. Entsprechend wird die Temperatur des vom Verbraucher zurückfließenden und in das BHKW eintretenden Kreislaufwassers Rücklauftemperatur TRL genannt.

Zusammen mit den Stoffdaten Dichte p und spezifische Wärmekapazität c des Kreislaufwassers ergibt sich die thermische Leistung

In der Regel werden hierfür Wärmemeßzähler zur Erfassung der thermischen Leistung verwendet. Bei diesen Geräten werden Vorlauf- und Rücklauftemperaturen sowie der Volumenstrom gemessen und die thermische Leistung der Gleichung berechnet. Zusätzlich wird die Größe mit der Meßzeit multipliziert, woraus die Wärmemenge in Kilowattstunden resultiert.

Je nach Ausbaustufe werden neben der Wärmemenge auch die Vor- und Rücklauftemperaturen, der Volumenstrom und die thermische Leistung an einem zentralen Display angezeigt. Zudem ist häufig eine Fernübertragung der Daten möglich, was zumeist über M-Bus erfolgt. Ein solches Verfahren eignet sich dann für Facility Management im betrieblichen Ablauf.

Eine Übertragung mit Meter-Bus erfolgt seriell auf einer verpolungssicheren Zweidrahtleitung und dient der Verbrauchsdatenerfassung. Der M-Bus war ursprünglich in der Europäischen Norm EN1434 für Wärmezähler beschrieben. Mittlerweile wurde der M-Bus eigenständig in der EN13757 festgehalten. Diese Norm behandelt Kommunikationssysteme für Zähler und deren Fernablesung.

Bei der Ermittlung genauerer Meßdaten sei durch Hinzufügung jedes Mal auf die zuvor erwähnten Formeln verwiesen.