BHKW – vier Buchstaben für mehr Effizienz
Teil 1: Vorteile und Betriebsweise
Blockheizkraftwerke (BHKW) spielen bei der Energiewende eine wichtige Rolle: Sie machen die Wärme verwertbar, die gewöhnlich bei der Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen entsteht. In diesem zweiteiligen Artikel werden die Funktionsweise und den Aufbau von BHKW vorgestellt. Im ersten Teil sollen die Vorteile dargelegt und die Betriebsweise erläutert werden.
In konventionellen Kraftwerken wird die Abwärme ungenutzt an die Umwelt abgegeben. Darüber hinaus können Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung die schwankende Stromeinspeisung aus Energiequellen wie Wind und Sonne im Stromnetz ausgleichen: Sie arbeiten auch dann, wenn diese Quellen wenig Energie liefern und sie lassen sich mit variabler Last und zu variablen Zeiten fahren. Zudem können die meist verbrauchernah installierten Blockheizkraftwerke das Übertragungsnetz in Spitzenlastzeiten entlasten. Aus all diesen Gründen fördert der Gesetzgeber die sogenannte Sektorenkopplung und so sieht das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG) ein jährliches Fördervolumen von 1,5 Mrd. € für KWK-Strom, Wärme- und Kältenetze sowie Wärme- und Kältespeicher vor.
Vorteile der Kraft-Wärme-Kopplung
Moderne Kohlekraftwerke erreichen einen Wirkungsgrad von bis zu 45 %, etwa die Hälfte der aus der Kohle gewonnenen Energie fällt als Abwärme an. Ein solches Kraftwerk arbeitet zentral, es speist die elektrische Energie in ein Hochspannungsnetz ein und versorgt darüber viele Abnehmer mit Strom. Der Wirkungsgrad lässt sich weiter erhöhen, wenn auch die Abwärme entsprechend genutzt wird, etwa als Fernwärme. Hier liegen jedoch die Nachteile: Beim Transport über weite Strecken können, abhängig vom jeweiligen Fernwärmesystem, zwischen 5 und 20 % der Wärme unterwegs verlorengehen. Hinzu kommt, dass ein teures Rohrleitungsnetz benötigt wird, um die Wärme transportieren zu können. Auch beim Transport der Elektrizität gehen bis zu 5 % verloren. Im Vergleich zu einem Großkraftwerk erreicht ein BHKW je nach Leistungsgröße zwar einen niedrigeren elektrischen Wirkungsgrad von bis zu 38 %, doch sein großer Vorteil liegt in der Dezentralität und der Abwärmenutzung begründet: Strom und Wärme werden direkt vor Ort beim Verbraucher genutzt, Leitungsverluste sinken deshalb auf ein Minimum. Blockheizkraftwerke erzielen so Gesamtwirkungsgrade von bis zu 92, im Brennwertbetrieb sogar bis zu 98 % (Hi). Im Vergleich dazu liegt der Wirkungsgrad bei der herkömmlichen Energieversorgung (d.h. Stromerzeugung im Kraftwerk und Wärmeerzeugung im Heizkessel) bei nur etwa 56 %.
Technische Funktionsweise
Ein BHKW besteht aus einem Verbrennungsmotor oder einer Gasturbine, Stromgenerator und Wärmetauschersystem. Hinzu kommt ein Schaltschrank, der je nach Hersteller bereits werkseitig montiert und verkabelt sein kann. Im Schaltschrank sind die BHKW-Steuerung, die Leistungselektrik mit den Sicherungen, der Leistungsschalter und der Trenner eingebaut. Der Motor treibt den Generator an. Als Kraftstoff dient meist Erdgas. Der Generator erzeugt Strom, der über die bauseitige Niederspannungsverteilung des Gebäudes fließt und im Gebäude selbst verbraucht wird. Überschüssiger Strom kann in das Netz des Energieversorgungsunternehmens (EVU) eingespeist werden. Der Motor gibt Wärme ab, die aus dem Motorkühlwasser und dem Abgas an den sogenannten „inneren Kühlkreis“ abgegeben wird. Durch Wärmetauscher wird die Wärme aus dem inneren Kühlkreis an das angeschlossene Heizungssystem übertragen. Dieses System der Stromerzeugung mit gleichzeitiger Abwärmenutzung heißt Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Bei BHKWs von Buderus überträgt ab einer elektrischen Leistung des Blockheizkraftwerks von 70 kW ein Glattrohrwärmetauscher, bis einschließlich 50 kWel ein Plattenwärmetauscher, die Abgaswärme an das Heizwasser.
Wärmegeführte Betriebsweise
Ein BHKW lässt sich in unterschiedlichen Betriebsarten einsetzen, üblicherweise strom- oder wärmegeführt. Ein Großteil der BHKWs wird wärmegeführt betrieben. Die aktuelle Leistung richtet sich somit nach dem Wärmebedarf des Objekts. Soll das BHKW-Modul die Wärmegrundlast eines Gebäudes decken, dient die Heizlast als Auslegungsgröße. Der Heizungsfachmann legt die BHKW-Anlage in der Regel auf 10 bis 20 % dieser Heizlast aus. Die verbleibenden Wärmespitzen deckt eine konventionelle Heizkesselanlage. Der erzeugte Strom wird im Gebäude genutzt, Stromüberschüsse nimmt der Energieversorger zu gesetzlich geregelten Vergütungen ab. Ein Buderus „Loganova“-BHKW lässt sich auch als Netzersatzanlage einsetzen, in diesem Fall entfallen die Kosten für ein ansonsten benötigtes Stromaggregat. Mit einem ausreichend großen Pufferspeicher wird die BHKW-Laufzeit optimiert, Strom- und Wärmebedarf lassen sich so zeitlich besser entkoppeln. Im Sommer kann ein BHKW-Modul in klimatisierten Gebäuden Absorptions-Kältemaschinen versorgen.
Stromgeführte Betriebsweise
Bei der stromgeführten Betriebsweise liegt der Fokus darauf, den Strombedarf des Gebäudes zu decken. Das kann in einem Inselnetz der Fall sein, in dem ein BHKW nicht ans öffentliche Stromnetz angeschlossen ist. Ziel kann es andererseits auch sein, über diese Betriebsweise möglichst viel elektrische Energie zu gewinnen und ins öffentliche Netz einzuspeisen, weil diese vergütet wird. Weil in jedem Fall konstant Wärme anfällt, die womöglich nicht benötigt wird, ist ein Pufferspeicher nötig, um diese zwischenzuspeichern. Alternativ kann diese als Abwärme über Notkühler an die Umgebung abgegeben werden – das senkt jedoch den Wirkungsgrad und widerspricht dem Prinzip eines BHKWs, mittels Kraft-Wärmekopplung besonders effizient Wärme und Strom zu erzeugen.
Die richtige Auslegung ist entscheidend
Eine korrekt ermittelte Leistungsgröße des BHKWs ist wichtig für einen wirtschaftlichen Betrieb. Als groben Richtwert für die BHKW-Auslegung setzen Planer 10 bis 20 % der Spitzenwärmeleistung an. Für eine exaktere Auslegung der Leistungsgröße kommt die Jahresdauerlinie zum Einsatz. Die Diagrammkurve veranschaulicht, wie viele Stunden pro Jahr welche Wärmeleistung für das Gebäude benötigt wird. Die Fläche unter der Kurve stellt den Jahreswärmebedarf dar. Üblicherweise wird die maximale Jahresstundenzahl von bis zu 8.760 h auf der x-Achse dargestellt, die Leistung in Kilowatt oder Heizlast in Prozent auf der y-Achse. Bei Bestandsanlagen lässt sich zur Erstellung der Jahresdauerlinie bspw. der wöchentliche Gasverbrauch für ein Jahr am Gaszähler ablesen. Bei Neubauten sind der Jahres-Energiebedarf und die Heizlast nach den gängigen Verfahren und Normen zu ermitteln.
Für eine geordnete Jahresdauerlinie werden die Werte auf der Skala dann abfallend von der höchsten zur niedrigsten Leistung sortiert. Dadurch lassen sie sich nicht mehr bestimmten Wochen oder Monaten zuordnen – im Gegenzug wird jedoch kenntlich, welche Leistung für wie viele Stunden übers Jahr gesehen erforderlich ist. Zwischen 4.000 bis 6.000 Volllastbetriebsstunden pro Jahr werden für eine wirtschaftliche Betriebsweise eines BHKWs veranschlagt. Dazu muss es möglichst lange unter Volllast laufen – bei der wärmegeführten Betriebsweise deckt ein BHKW deshalb üblicherweise die Grundlast ab, also die Wärmemenge, die im Verlauf eines Jahres (außer in den Sommermonaten) nicht unterschritten wird. Ein Heizkessel etwa übernimmt dann die im Winter erforderliche Spitzenlast. Im Jahresdauerlinien-Diagramm wird die Grundlastabdeckung des BHKWs im Sockel der Grafik eingezeichnet. Je größer die Fläche unter der Kurve, desto besser. Die thermische Leistung des BHKWs ist also so zu wählen, dass auch in Zeiten mit geringem Wärmebedarf diese noch abgenommen wird – über einen Pufferspeicher lassen sich verbrauchsschwache Zeiten überbrücken. Dadurch lässt sich auch häufiges, unerwünschtes Takten des BHKWs vermeiden. Ist ein BHKW dagegen zu groß dimensioniert, läuft es zu selten unter Volllast, was dann die Wirtschaftlichkeit verschlechtert und auch den Verschleiß erhöht.
Möglichkeiten der Systemeinbindung
BHKWs eignen sich als hocheffiziente Systemlösungen insbesondere für größere Objekte wie Krankenhäuser, Hotels, Schwimmbäder, Tagungsstätten, Pensionen, Pflegeheime, Mehrfamilienhäuser, Gewerbeparks oder Wohnsiedlungen. Eine übliche Kombination ist BHKW und Gas-Brennwert mit zugehörigem Pufferspeicher – der Kessel deckt dabei die Spitzenlast der Wärmeversorgung ab.
Auch weitere Kombinationen in Verbindung mit Wärmepumpen und Photovoltaik sind möglich. Um die Energieausbeute bei niedrigen Rücklauftemperaturen noch weiter zu optimieren, sind BHKWs auch mit integriertem Abgas-Brennwert-Wärmetauscher erhältlich, bei größeren Modulen mit mehr als 50 kWel oft auch als externe Lösung.
Der zweite Teil des Artikels erscheint in der Ausgabe 04/2020 und erklärt anhand von Praxisbeispielen wie die Installation eines BHKW funktioniert.
