Blockheizkraftwerk Funktion und Wirkungsgrad

Wie funktioniert ein Blockheizkraftwerk? Das ist wohl einer der häufigsten Fragen, die Verbraucher in diesem Zusammenhang stellen. Dabei handelt es sich um ein recht einfaches Prinzip. In einem BHKW entsteht, ganz ähnlich wie auch in einem großen Heizkraftwerk, elektrische Energie, aber auch Wärme. Wir sprechen bei diesem Prinzip von der Kraft-Wärme-Kopplung. Im Folgenden wollen wir darauf näher eingehen und Details zur Funktion und zum Wirkungsgrad eines BHKWs erläutern.

Funktionsweise eines BHKW

In einem gewöhnlichen Kraftwerk entsteht die Energie mit Hilfe eines Generators, der mit Motorkraft betrieben wird. Bei diesem Prozess entsteht Wärme bzw. Abwärme, die über die weithin sichtbaren Kühltürme nach draußen geleitet werden muss. In einem Heizkraftwerk wird jedoch auch die entstandene Wärme genutzt. Sie ist in den Abgasen und im Kühlwasser der Motoren enthalten. Verbraucher kennen dies auch als Fernwärme für ihren Haushalt. Bei der Verteilung und der Nutzung der Fernwärme gibt es zwar Leitungsverluste, dennoch ist das Prinzip der kombinierten Produktion der thermischen und elektrischen Energie bewährt. Denn diese Kraft-Wärme-Kopplung nutzt auch das BHKW. Wie ein Heizkraftwerk entstehen sowohl Wärme wie auch elektrische Energie. Hier sind die einzelnen Komponenten in einem Modul oder Block zusammengefasst. Das BHKW produziert Wärme und Strom auch dort, wo beides benötigt wird. So entstehen auch keine Leitungsverluste.

Blockheizkraftwerk: Funktion und Wirkungsgrad

Blockheizkraftwerke haben einige Vorteile und sind effektiv, etwa aufgrund der großen Wirkungsgrade, die sie erreichen können. So rechnen Experten vor, dass ein gewöhnliches Kohlekraftwerk einen Wirkungsgrad von etwa 30 bis 40 Prozent erzielt. Ein BHKW dagegen kann abhängig von der genutzten Technik und dem gewählten Motor als Antrieb Wirkungsgrade zwischen 80 und 95 Prozent erreichen.

Dieser enorme Wirkungsgrad beim BHKW entsteht durch die Addition des elektrischen und des thermischen Wirkungsgrades. Dazu muss berücksichtigt werden, welcher Anteil Energie in Form von Strom und welcher Anteil in Form von Wärme genutzt wird bzw. entsteht. Wiederum abhängig von der gewählten Technik liegen die die Anteile unterschiedlich. In der Regel aber erreicht der elektrische Wirkungsgrad etwa 30 bis 40 Prozent und der thermische Wirkungsgrad etwa 50 bis 60 Prozent.

Zur Technik eines BHKW

Für das BHKW dient ein Motor zum Antrieb eines Generators. Die Einheit mit Motor und Generator wird auch als Block bezeichnet und zusammengefasst. Hierbei wird mit einer effektiven Schalldämmung gearbeitet. Der Generator sorgt dann für die Stromproduktion. Wenn die Energie in Bewegung umgewandelt wird, entsteht auch Wärme. Daher werden zusätzlich Wärmetauscher eingesetzt. Diese Wärmetauscher nehmen die Wärme des Kühlwassers und der Abgase auf und geben sie später an die Heizung bzw. das Heiz- und Trinkwasser ab.

Unterscheidungen beim BHKW

Fachkundige unterscheiden BHKWs auf verschiedene Aspekte. Wichtig ist dabei etwa der Antrieb. So kann für den Generator ein Ottomotor, Dieselmotor, Gasmotor oder ein Stirling-Motor eingesetzt werden. In Frage kommen aber auch Dampfmaschinen und Gasturbinen. Hier sind auch die innovativen Brennstoffzellen zu nennen, die immer häufiger Verwendung finden.

Unterschiede ergeben sich auch aus den gewählten Brennstoffen. Abhängig vom Motor stehen dabei flüssige, feste Brennstoffe oder Gas zur Verfügung. Häufig kommen Diesel, Heizöl, Erdgas, Flüssiggas, Biogas, Pflanzenöl wie Rapsöl oder auch Methanol sowie Biomasse wie Holzpellets zum Einsatz.

Ein weiteres wichtiges Unterscheidungsmerkmal ist auch die Größe vom BHKW. Die Blockheizkraftwerke erzeugen unterschiedliche Leistungen und werden daher in Nano, Mikro, Mini oder Groß-Blockheizkraftwerk unterschieden. Was die Leistungen betrifft, liegen hier die Werte bei unter zwei Kilowatt, zwischen zwei und 15 Kilowatt, 15 bis 50 Kilowatt und mehr als 500 Kilowatt an elektrischer Leistung, die möglich sind.

Noch mehr wichtige Komponenten

Wir haben das Funktionsprinzip der Kraft-Wärme-Kopplung besprochen. Das sorgt dafür, dass sowohl Wärme als auch Strom erzeugt wird. Nun muss man wissen, dass der jeweilige Bedarf an Strom oder an Wärme nicht immer gleich ausfällt, das hängt etwa von den Jahreszeiten ab. Für gewöhnlich wird daher zum BHKW ein Pufferspeicher eingesetzt. Das gilt für BHKWs in Einfamilienhäusern, Mehrfamilienhäusern oder auch in kleineren Gewerbebetrieben. Mit dem Speicher kann die überschüssige Wärme gespeichert werden. Überschüssiger Strom dagegen kann in das öffentliche Stromnetz zugeführt werden. Ein BHKW verfügt zudem über eine Steuerungseinheit, die im BHKW integriert sein kann oder separat in einem Steuerungsschrank zu finden ist.

Blockheizkraftwerke und ihre Einsatzgebiete

Bei der Verbrennung und Stromerzeugung im BHKW wird, wie wir wissen, die Restwärme zum Heizen genutzt. Daher gehören BHKWs zu den Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen, die Strom, Wärme zum Heizen, für die Warmwasseraufbereitung, Prozesswärme oder Prozesskälte erzeugen. Die Blockheizkraftwerke werden direkt vor Ort installiert und sind dort im Einsatz. So ist bei den kompakten BHKWs kein Anschluss ans Wärmenetz erforderlich. In Wohngebäuden, gewerblichen oder industriellen Betrieben oder auch öffentlichen Einrichtungen bieten die BHKWs ein großes Kraft-Wärme-Kopplung Potenzial. Die Wirtschaftlichkeit der Blockheizkraftwerke hängt vor allem von der hohen Auslastung der Anlage ab. Dies wiederum hängt ab vom individuellen Bedarf an Wärme. Man spricht dann vom wärmegeführten BHKW-Betrieb. Ist der Bedarf an Strom recht gering, kann der übrige erzeugte Strom ins öffentliche Stromnetz fließen. Dafür gibt es eine Vergütung und einen weiteren KWK Bonus. Mit Blick auf die Investitionskosten, den Betriebskosten und dem notwendigen Kapital lohnen sich BHKWs bei etwa 4.000 Betriebsstunden jährlich und mehr. Ein- und Zweifamilienhäuser erreichen etwa eine Betriebsdauer von etwa 2.000 Stunden jährlich. In diesem Fall lohnen vor allem die Mini-BHKWs, speziell für diese Bedürfnisse.

Wirkungsgrad und Stromkennzahl bei BHKWs

In diesem Zusammenhang tauchen immer wieder die Begriffe Wirkungsgrad und Stromkennzahl auf. Dabei beschreiben der thermische und der elektrische Wirkungsgrad, wie viel Energie in Wärme und wie viel in Strom umgewandelt wird. Die Stromkennzahl bestimmt die zuschlagfähige Strommenge gemäß dem KWK Gesetz. Insgesamt beträgt der Wirkungsgrad eines BHKWs etwa 80 bis 90 Prozent. BHKWs mit einem Verbrennungsmotor mit einer hohen Leistung erzielen höhere elektrische Wirkungsgrade als Motoren mit niedriger Leistung. Daher ist die hohe Stromerzeugung wichtig für den wirtschaftlichen Betrieb eines BHKWs. So kann entweder der Zukauf von Strom bei Stromversorgern vermieden werden oder der Verbraucher erhält eine Vergütung für den überschüssigen Strom.

Einige Beispiele für die den Wirkungsgrad eines BHKWs: Der Wirkungsgrad eines BHKWs mit Gasmotor liegt bei 80 bis 90 Prozent, ebenso hoch liegt der Wirkungsgrad bei einem BHKW mit einem Dieselmotor. Ein BHKW mit einer Gasturbine erzielt einen Wirkungsgrad von 80 bis 95 Prozent, ein BHKW mit einem Stirling-Motor einen Wirkungsgrad von etwa 85 Prozent. Auch mit einer Brennstoffzelle ist ein Wirkungsgrad von etwa 85 Prozent möglich.

Die Stromkennzahl gibt Auskunft darüber, wie hoch die zuschlagfähige Strommenge gemäß dem KWK Gesetz ausfällt. Diese Strommenge wird durch die Multiplikation der Stromkennzahl mit der Menge der externen Nutzwärme errechnet. Die Stromkennzahl schließlich errechnet sich dann aus der Division des elektrischen und thermischen Wirkungsgrades. Ein konkretes Reichenbeispiel macht es deutlich. Angenommen, der elektrische Wirkungsgrad eines BHKWs liegt bei 34 Prozent, der thermische bei 56 Prozent. Dann teilen wir 34 durch 56 und erhalten als Stromkennzahl 0.61. Die meisten BHKWs weisen eine Stromkennzahl zwischen 0,4 bis 0,9 auf.