BHKW

1. Einführung

Die Kraft-Wärme-Kopplung in kleinen dezentralen Blockheizkraftwerken (BHKW) stellt eine effiziente Methode dar, durch Einsparung von Primärenergie zur Ressourcenschonung beizutragen und gleichzeitig die Umweltbelastung durch Schadstofffreisetzung zu reduzieren. Insbesondere die Emission des Treibhausgases Kohlendioxid kann wegen des gegenüber der getrennten Erzeugung geringeren Brennstoffbedarfs wirksam herabgesetzt werden.

Werden in einem Wärmekraftwerk gleichzeitig elektrische Energie (Kraft) und nutzbare Wärme erzeugt, so spricht man von Kraft-Wärme-Kopplung (KWK).

 

2. Warum KWK?

In konventionellen Großkraftwerken wird üblicherweise nur elektrische Energie erzeugt. Die dabei anfallende Wärmeenergie kann nicht als Nutzenergie verwendet werden und muss in Gebäuden für Heizung und Brauchwassererwärmung erneut erzeugt werden.

Im Gegensatz dazu wird in Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (wie z.B. BHKW) der Strom beim Verbraucher vor Ort erzeugt. Ein großer Teil der hierbei anfallenden Wärme kann dabei für die Heizung, Warmwasserbereitung, weiter genutzt werden. Durch die deutlich höhere Nutzung des Brennstoffes (bis ca. 90%) wird Primärenergie gespart, Emissionen vermindert und damit die Umwelt entlastet. Zusätzlich kann durch die Eigenstromerzeugung ein wirtschaftlicher Vorteil erreicht werden.

Das BHKW hat im Vergleich zu herkömmlichen Großkraftwerken den Vorteil eines wesentlich höheren Gesamtwirkungsgrades (70-90%), da bei dezentraler Strom- und Wärmeversorgung beide Energiearten gleichzeitig über einen langen Zeitraum eines Jahres genutzt werden können. Bei Großkraftwerken ist dies in den meisten Fällen nicht möglich, da sie aus Umweltschutzgründen fernab von Stadtzentren errichtet werden. Durch gleichzeitige Nutzung von Strom und Wärme durch BHKW-Anlagen können wesentliche Einsparungen beim Primärenergieverbrauch erzielt werden (bis zu 40%).

Mit kleinen Blockheizkraftwerken kann das Anwendungspotential der dezentralen, gekoppelten Strom- und Wärmeversorgung beträchtlich erweitert werden.

In weiten Bereichen wird die Kraft-Wärme-Kopplung nicht eingesetzt, da hierzu entweder der Wärmegrundlastbedarf in den einzelnen Objekten zu gering oder Nah- bzw. Fernwärmenetze für die Wärmeverteilung zu aufwändig sind. Denn aus energieökonomischen Gründen ist bei einem BHKW eine wärmegeführte Betriebsweise zwingend, aus Kostengründen lohnen sich vor allem Anwendungen mit einem möglichst kontinuierlichen Wärmebedarf.

 

3. Die Funktion eines Mini-Blockheizkraftwerkes

3.1 Aufbau

Ein BHKW setzt sich aus folgenden Hauptelementen zusammen :

• Verbrennungsmotor: Einzylinder - Viertakt Spezialmotor mit 580 cm3 Hubraum;

• Generator zur Stromerzeugung: Wassergekühlt und wird über ein einstufiges Getriebe vom Motor angetrieben;

• Wärmetauschersysteme zur Rückgewinnung der Wärmeenergie aus Motorabwärme, Ölkreislauf und Abgas;

• Regeleinheit: Zur Überwachung, Regelung und Steuerung der SACHS - HKA.

• Kapselung: Die Kapselung trägt zur Schall- und Wärmedämmung bei.

 

3.2 Funktionsweise

Der Verbrennungsmotor, der mit Erdgas als Brennstoff betrieben wird, treibt den Generator an. Die eingesetzte Energie wird im Motor einerseits in mechanische Energie und anderseits in thermische Energie im umgewandelt.

Die mechanische Energie wird zur Stromerzeugung genutzt. Der Generator liefert bei etwas mehr als 3000min-1 und der Netzfrequenz 50 Hz dreiphasigen Wechselstrom. Die bei der Stromerzeugung im Kühlwasser vom Motor und Generator, im Schmieröl und in den heißen Abgasen entstehende Abwärme wird über mehrere Wärmetauscher zur Heizwärmeerzeugung und zur Warmwassererzeugung genutzt.

3.3 Betriebsdaten des SACHS-HKA

Erdgas Erdgas Low NOx Heizöl

thermische Leistung 12,5 kW 12,3 kW 10,5 kW

elektrische Leistung 5,5 kW 5,0 kW 5,5 kW

Energieverbrauch 2,05 m3/h 1,97 m3/h 1,96 l/h

Daraus ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad einer BHKW-Anlage von 90% der gesamten Brennstoffausnutzung.

Lebensdauer:

Sie beträgt 10 - 15 Jahren und ist abhängig von den jährlichen Betriebsstunden, das heißt mit einer Vollwartung kommt man auf über 80.000 Betriebsstunden.

Wartung:

Eine Regelwartung ist alle 3.500 Betriebsstunden notwendig und eine Überholungsarbeit nach ca. 40.000 Betriebsstunden, dies entspricht 4 Millionen km eines PKW.

Vorteile:

• hohe Lebensdauer

• niedrigen Emissionen:

• Primärenergie - Einsparung

• gute Wirtschaftlichkeit

• Geräuscharm

Wärmegeführte Fahrweise:

Als Grundlage gilt der Wärmebedarf des Gebäudes, dazu muss die Jahres-Heizdauerlinie ermittelt werden.

Stromgeführte Fahrweise:

Als Grundlage gilt die Verringerung des Strombezuges bzw. die Abgabe des Überstroms ins öffentliche Netz. Auch werden auftretende Stromspitzen zur Dimensionierung herangezogen.

3.4 Zukunftschancen

Die Mini-BHKW werden zu einer zusätzlichen und realistischen Anwendungsmöglichkeit für die Energieversorgung. Voraussetzung ist jedoch, dass die Mini-BHKW dort eingesetzt werden, wo sie größten wirtschaftlichen und ökologischen Nutzen bringen.

3.5 Einsatzfelder

Mini-Blockheizkraftwerke können in Gewerbebetrieben, Hotels, Krankenhäuser, öffentlichen Gebäuden und größeren Wohngebäuden in der Wärmeversorgung die Grund- und gegebenenfalls auch die Mittellast übernehmen.

Sie werden, einzeln oder in Mehrmodulweise, direkt an die objekteigenen Wärmeverteilungsnetze angeschlossen und arbeiten parallel zu konventionellen Heizungsanlagen. Der erzeugte Strom wird im Objekt genutzt oder ins öffentliche Elektrizitätsnetz eingespeist.

Bei der Emissionsminderung unterscheidet man Primärmaßnahmen (Maßnahmen an Motorkonstruktion und -betriebsweise) und Sekundärmaßnahmen (Abgasnachbehandlung). Dadurch ergibt sich ein Emissionsrückgang von Stickstoffoxid (NOx) um 25%, Kohlendioxid (CO2) um 47%, Schwefeldioxid (SO2) um 99,6% sowie von Staub und Ruß um 99% bei gasbetriebenen BHKW mit Katalysatoren im Vergleich zur Stromerzeugung in Kohlekraftwerken und Wärmeerzeugung im Kessel.

3.6 Wirtschaftlichkeit

Im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit ist es wichtig, hohe jährliche Betriebsstunden von etwa 5000 h zu erreichen und möglichst die gesamte erzeugte elektrische Leistung im Objekt zu verbrauchen.

Für kleine, energieeffiziente und kostengünstige Blockheizkraftwerke mit hoher Stromkennzahl (Verhältnis von Strom- zur Wärmeproduktion) erhöhen sich die Chancen auf eine wirtschaftliche Anwendung. Daraus ergibt sich ein Einsatz in Verbindung mit einem Heizungskessel mit:

einer thermischen Grundlast von mind. 12 kWth bzw.

einer elektrischen Grundlast von mind. 5 kWel.

Damit ergibt sich eine thermische und elektrische Spitzenlast:

max. Wärmebedarf > 50 kW (incl. der Brauchwassererwärmung) bzw. max. Strombedarf > 30 kW

3.7 Spätere mögliche auftretende Hindernisse

Verminderung des Energieverbrauchs der Gebäude (z.B. durch Dämmung), dass bedeutet einen geringeren Wärmebedarf und dadurch eine geringere Abnahme der Wärme vom BHKW. Das BHKW wird somit unrentabler, da eine geringere Laufzeit auftritt und ein geringerer Stromerlös erzielt wird.