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Erneuerbare Energien

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Blockheizkraftwerk

 

Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) ist eine modular aufgebaute Anlage zur Erzeugung von elektrischem Strom und Wärme, die vorzugsweise am Ort des Wärmeverbrauchs betrieben wird, bzw. Nutzwärme in ein Nahwärmenetz einspeist. Sie setzt dazu das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung ein.

Der höhere Gesamtnutzungsgrad gegenüber der herkömmlichen Kombination von lokaler Heizung und zentralem Großkraftwerk resultiert aus der Nutzung der Abwärme der Stromerzeugung direkt am Ort der Entstehung. Der Wirkungsgrad der Stromerzeugung liegt dabei, abhängig von der Anlagengröße, zwischen etwa 25 und 50%. Durch die ortsnahe Nutzung der Abwärme wird die eingesetzte Primärenergie aber zu 80 bis über 90% genutzt. Blockheizkraftwerke können so bis zu 40% Primärenergie einsparen.

Übliche BHKW-Module haben elektrische Leistungen zwischen fünf Kilowatt und fünf Megawatt. Als Antrieb für den Stromerzeuger können Verbrennungsmotoren, d. h. Diesel- oder Gasmotoren, aber auch Gasturbinen verwendet werden. Unter 15 kW werden sie auch Mikro-KWK genannt und dienen zur Versorgung von einzelnen Gebäuden. 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, eine Überproduktion kann ins Stromnetz eingespeist werden. Die Wärme dient zu Heizzwecken und für die Warmwasserbereitung.

Wenn die Leistungsabgabe des BHKW sich 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 dessen Leistungsabgabe entsprechend gedrosselt. Der erzeugte Strom solcher Anlagen wird, so weit es geht, selbst verbraucht; der Überschuss wird in das öffentliche Netz gespeist und entsprechend verrechnet.

Richtet sich die Leistungsabgabe nach dem lokalen Strombedarf - stromgeführtes BHKW -, dann muss die in diesem Zeitraum nicht nutzbare Wärme in einem Wärmespeicher für eine spätere Nutzung zwischengepuffert werden. In Ausnahmefällen kann sie über einen Notkühler an die Umgebung abgegeben werden. Für den Fall, dass die erzeugte Wärme den Bedarf nicht decken kann, wird ein Spitzenlastbrenner zugeschaltet, der oft Bestandteil einer BHKW-Heizungsanlage ist. Diese Betriebsart findet sich häufig in Inselnetzen, das heißt vom öffentlichen Netz getrennten Stromnetzen. Notstromaggregate erfüllen eine solche Funktion, allerdings ohne Nutzung ihrer Abwärme.

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 z. B. 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 (üblicherweise wärmegeführten) BHKW-Anlage so ausgelegt, dass bei Volllastbetrieb nur ein Teil des maximalen Heizenergiebedarfes der angeschlossenen Abnehmer gedeckt wird. So wird sichergestellt, dass die teuren stromerzeugenden Einrichtungen besser genutzt werden und höhere Betriebsstundenzahlen (pro Jahr werden mindestens 7900 Stunden angestrebt, in der Regel aber etwa 3000 bis 4000 Stunden realisiert) erreichen.

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 sogenannten „Mikro-KWK“ (s. u.) propagiert. Bei einer solchen Auslegung kommt es zum Aus- und Abschalten des BHKW (sog. „Takten“), was die Lebensdauer verkürzt.

Eine bestehende Heizungsinstallation kann bei Umstellung auf ein Mini-BHKW meist mit geringfügigen Änderungen weiter genutzt 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 zugeheizt werden (bivalenter Einsatz). Bei nur selten auftretendem zusätzlichem Heizbedarf kann auch die Installation einer einfachen elektrischen Zusatzheizung (Tauchsieder-Prinzip) wirtschaftlich 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 zeitweisen stromgeführten Betrieb, d.h. eine Speicherladung zu Zeiten mit hohem Strompreis.

Ökologischer Vorteil

Der wirtschaftliche und ökologische Grundgedanke des wärmegeführten Betriebes liegt darin, erzeugte Wärme vollständig und auch den Strom möglichst 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 und ermöglicht somit einen geringeren Kohlenstoffdioxid-Ausstoß. Dies soll in Deutschland auch durch gesetzliche Regelungen wie das KWK-G 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 Steinkohlebasis einen Wirkungsgrad von ca. 45 Prozent. Das heißt, dass rund die Hälfte der erzeugten Energie als Abwärme anfallen, deren Nutzung als Fernwärme aber deutliche Transportverluste (10-15 %) sowie ein aufwendiges und teures Rohrleitungsnetz bedingen würde, da bei zentralen Großkraftwerken Wärmeerzeuger und Wärmeabnehmer in der Regel weit auseinander liegen. Auch durch Umspannen und Transport der Elektrizität gehen nochmals ca. 2 bis 5 Prozent der Energie verloren. BHKW besitzen einen elektrischen Wirkungsgrad von ca. 25 bis 46 Prozent (je nach Größe und Art); der Gesamtwirkungsgrads von ca. 90 Prozent resultiert aus kombinierter Nutzung von Strom und Wärme und deren Einsatz direkt vor Ort.

Nachteil

Aus Kostengründen wird in der Praxis auf nützliche, aber teure Rauchgasfilter verzichtet, was zu erhöhter, gesundheitsschädlicher Feinstaubbelastung führt. Der Vorteil, die Prozesswärme vor Ort nutzen zu können, setzt außerdem geeignete Abnehmer voraus. Wohngebäude brauchen aber abhängig von der Jahreszeit unterschiedlich viel Wärme, wodurch der Vorteil, die Prozesswärme nutzen zu können, im Sommer nur teilweise gilt. Auch die hohen Werte für die Gesamtwirkungsgrade gelten nur dann, wenn die Prozesswärme optimal genutzt werden kann, was nur dann der Fall ist, wenn die Anlage, wie oben beschrieben, wärmegeführt betrieben wird.

 

Technik

 

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, Brennstoffzelle, Mikroturbine oder Dampfmotor zur Stromerzeugung 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, die die Abwärme der BHKW-Anlage zur Erzeugung von Kälte nutzt.

Als Kraftstoffe kommen vorwiegend fossile oder regenerative Kohlenwasserstoffe wie Heizöl, Pflanzenöl, Biodiesel (für einen Dieselmotor) oder Erdgas bzw. Biogas (für einen Ottomotor, Zündstrahlmotor oder eine Gasturbine) zum Einsatz, daneben auch Holzhackschnitzel und Holzpellets als nachwachsende Rohstoffe in Stirlingmotoren und Dampfkraftanlagen mit externer Verbrennung.

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 Prozent 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/ohne Turbolader) des Motors und Generators zwischen 20 (bei Mini-BHKW) und 43 % (Dieselmotoren mit Leistungen über 1 MW). Konstruktionen, mit denen die Abgaswärme noch zur Erzeugung mechanischer Leistung genutzt wird, können im Prinzip den Wirkungsgrad noch auf über 50% erhöhen, sind aber auf dem Markt der Blockheizkraftwerke nicht etabliert. Diese Technik wird zur Zeit nur bei größeren Leistungen, zum Beispiel in GuD-Kraftwerken, eingesetzt.

Kleine BHKW (Mikro-KWK) von ca. ein bis fünf kW elektrischer und ca. 3-15 kW thermischer Leistung eignen sich für den Heizbetrieb von Ein- und Mehrfamilienhäusern im Winter. Mittelgroße BHKW mit einer elektrischen Leistung von mehreren Hundert kW werden häufig von Stadtwerken zur Beheizung von Wohnsiedlungen oder Hallenbädern genutzt und der Strom ins eigene Netz gespeist. Große BHKW mit Schiffsdieselmotoren über 10.000 kW werden für die Strom- und Wärmeversorgung von größeren Wohn- und Gewerbegebieten sowie Fabriken verwendet.

 

Wirtschaftlichkeit

Wesentlich für die Wirtschaftlichkeit einer BHKW-Anlage ist eine große jährliche Betriebsstundenzahl im hohen Lastbereich der Kraftmaschine (mehr als 4.000 Volllaststunden pro Jahr sollten erreicht werden). Nur so sind in der Regel die Investitionen in die Anlage betriebswirtschaftlich durch die finanzielle Vergütung für erzeugte Strom- und Wärmemengen (oder Reduktion der hierfür entstehenden Kosten) gerechtfertigt. Bei wärmegeführten BHKW wird daher mit Hilfe der Jahresdauerlinie des Wärmebedarfs (einer Kurve, in der aufgetragen ist, wieviele Stunden im Jahr welche Wärmeleistung für die Gebäude erforderlich ist) die Wärmeleistung festgestellt, die etwa 3000 Stunden im Jahr gefordert wird. Die Spitzenwärmeleistung des BHKW wird auf diese Leistung festgelegt; in der Regel sind dies 25-30 Prozent des Spitzenwärmebedarfes. Um die Leistung in Stufen erbringen zu können, sind die BHKW meist modular mit mehreren Motoren ausgestattet.

Im Wohnbereich schwankt jedoch der Heizenergiebedarf jahreszeitlich sehr stark, im Hochsommer entsteht er nur für die Brauchwassererwärmung. Zur Zeit 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; ansonsten ist ein Parallelbetrieb mit einem herkömmlichen Brenner anzuraten. 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 führen kann.

Bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ist geboten, alle Investitions- und Betriebskosten wie Abschreibungen, Brennstoff, Wartung und Generalüberholungen unter diesem Gesichtspunkt zu bewerten und den Erlösen für Strom und Wärme bzw. den eingesparten Beträgen hierfür gegenüber zu stellen.

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 werden. Bedingt durch den zunehmenden Anteil an Wind- und Solarenergie, die nicht bedarfsgerecht Strom liefern und ebenfalls keine Grundlast gewähren können, könnten BHKWs mit nachgeschaltetem Puffer 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. Das Spektrum der Mini-BHKW weitet sich jedoch nach unten aus und Geschäftsmodelle zur Stromvermarktung an Mieter oder Nachbarn, welche die Einnahmen verbessern, entwickeln sich weiter.

 

Förderung

 

BHKW werden in Deutschland seit dem 01. April 2002 durch das Gesetz für die Erhaltung, die Modernisierung und den Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung, kurz Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz 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 [1] an der Leipziger Strombörse EEX, einem KWK-Zuschlag sowie den vermiedenen Netznutzungsgebühren für die Einspeisung in den unteren Spannungsebenen. Zur staatlichen Förderung gehören weiterhin auch Steuererleichterungen, wie z. B. die Erstattung der Energiesteuer für den eingesetzten Brennstoff.

In der Praxis hat der Zubau von kleinen KWK-Anlagen (bis zwei MW gemäß §3(3) KWK-G), zu welchen die BHKW im Allgemeinen zählen, nicht die erhoffte Dynamik gezeigt. Die gewünschte CO2-Reduktion (s.a. Kyoto-Protokoll) wurde daher auf diesem Wege bisher kaum voran gebracht, obwohl hier große Potenzialebrachliegen, die man wirtschaftlich erschließen könnte (Plädoyer für das 7-Liter-Haus im Bestand, z.B durch innovative Heizungsanlagen).

Mit Biomasse als Rohstoff erzeugter KWK-Strom, der im Rahmen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) in das Stromnetz eingespeist wird, wird nach den Regeln des EEG mit einem zusätzlichen Bonus von 2 Cent pro Kilowattstunde vergütet (KWK-Bonus des EEG). Der Entwurf für eine Novellierung des EEG ("EEG 2009") sieht eine Anhebung des KWK-Bonus auf 3 Cent/kWh vor.

Die Mindestvergütungen nach Absatz 1 Satz 1 erhöhen sich um jeweils 2,0 Cent pro Kilowattstunde, soweit es sich um Strom im Sinne von § 3 Abs. 4 des Kraft-Wärme-Kopplungsgesetzes handelt und dem Netzbetreiber ein entsprechender Nachweis nach dem von der Arbeitsgemeinschaft für Wärme und Heizkraftwirtschaft – AGFW – e. V. herausgegebenen Arbeitsblatt FW 308 – Zertifizierung von KWK-Anlagen – Ermittlung des KWK-Stromes vom November 2002 (BAnz. Nr. 218a vom 22. November 2002) vorgelegt wird. Anstelle des Nachweises nach Satz 1 können für serienmäßig hergestellte KWK-Anlagen mit einer Leistung von bis zu 2 Megawatt geeignete Unterlagen des Herstellers vorgelegt werden, aus denen die thermische und elektrische Leistung sowie die Stromkennzahl hervorgehen.

 

Förderung

 

Finanzierung

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