Blockheizkraftwerk

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 bis zu 60 % 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.

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. Die Kraft-Wärme-Kopplung wird ebenfalls in Heizkraftwerken genutzt, dort typischerweise mit elektrischen Leistungen von einigen hundert MW.

## Betriebsarten

### 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

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. 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.

## 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“.

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. 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.

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.