BHKW richtig dimensionieren
Praxistipps für die Auslegung
Klimaschutz und die Sicherung der Energieversorgung erfordern den möglichst breiten Einsatz effizienter Technologien. Die Kraft-Wärme-Kopplung mit Blockheizkraftwerken (BHKW) gilt dabei als eine Schlüsseltechnologie. BHKW erzeugen Strom besonders effizient, weil die dabei anfallende Wärme sinnvoll genutzt wird. Dies gilt umso mehr, wenn sie mit Biogas betrieben werden.
Gasbetriebene BHKW erzielen durch ihre hohe Brennstoffausnutzung Gesamtwirkungsgrade von mehr als 90 %. Gegenüber der herkömmlichen getrennten Strom- und Wärmeerzeugung (Strom aus zentralem Kraftwerk, Wärme aus der Heizzentrale bzw. dem Heizungskeller) reduzieren BHKW den Primärenergieverbrauch um deutlich mehr als 30 % und die CO2-Emissionen um bis zu ein Drittel.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Kraftwerken findet bei BHKW die Stromerzeugung da statt, wo die zeitgleich anfallende Wärme unmittelbar vor Ort verbraucht werden kann. Ein mit Erd- oder Biogas betriebener Motor treibt dazu einen Generator zur Stromerzeugung an. Der elektrische Strom wird entweder vom Betreiber selbst genutzt oder gegen eine entsprechende Vergütung in das öffentliche Netz eingespeist. Die Abwärme des Motors sowie die Wärme aus dem Abgas werden über Wärmetauscher dem Heizungssystem zur Verfügung gestellt.
Vom Einfamilienhaus bis zur Nahwärmeversorgung
Moderne BHKW stehen heute für praktisch alle Anwendungsfälle vom Einfamilienhaus über Mehrfamilienhäuser und Industriebetriebe bis hin zur Nahwärmeversorgung zur Verfügung. Bei elektrischen Leistungen bis etwa 5 kW spricht man allgemein von Mikro-KWK (Bild 3), bis zu rund 50 kW von Mini-BHKW. Darüber hinaus sind Blockheizkraftwerke auch mit elektrischen Leistungen von mehreren Megawatt verfügbar.
Ein Beispiel für ein modernes BHKW im größeren Leistungsbereich ist das „Vitobloc 200 Modul EM-401/549“. Dieses BHKW ist eine anschlussfertige Einheit für die Strom- und Wärmeversorgung im Leistungsbereich bis 401 kW elektrisch und 549 kW thermisch. Damit eignet es sich besonders für den Einsatz beispielsweise in Energiezentralen von Kliniken, in Industriebetrieben und in Heizkraftwerken zur Nahwärmeversorgung.
Im „Vitobloc 200 Modul EM-401/549“ treibt ein 12-Zylinder-Gas-Otto-Motor mit Turboaufladung einen Synchrongenerator zur Erzeugung von Drehstrom (400 V, 50 Hz) an. Das Wärmeüberträgersystem besteht aus einem Kühlwasserwärmetauscher und dem Abgaswärmetauscher. So wird die anfallende Wärme aus Motor und Abgas für das Heizsystem nutzbar gemacht. Dieses BHKW erreicht einen Gesamtwirkungsgrad von 92,7 % (Hi).
Das BHKW wird komplett vormontiert und betriebsbereit mit Schaltschrank angeliefert. Serienmäßiges Zubehör wie synthetisches Gasmotorenöl für die Erstbefüllung, elastische Rohrverbindungen zur Körperschallentkopplung an den Rohranschlüssen sowie ein Stromzähler ermöglichen die schnelle Inbetriebnahme des BHKW.
Auslegung eines wärmegeführten BHKW
Grundsätzlich müssen alle BHKW für einen wirtschaftlichen Betrieb möglichst lange Laufzeiten erreichen. Je länger ein BHKW sinnvoll genutzte Wärme und somit auch Strom abgeben kann, desto eher amortisiert es sich. BHKW werden deshalb vornehmlich zur Deckung der Wärmegrundlast eingesetzt und durch Spitzenlastkessel wie zum Beispiel einen Gas-Brennwertkessel ergänzt. Generell ist der Einsatz eines Heizwasser-Pufferspeichers sinnvoll, um das Takten des Motors zu reduzieren.
Zur Festlegung der Größe eines BHKW steht bis auf Ausnahmen – z.B. Notstromversorgung in Altersheimen – die Wärme im Vordergrund der Betrachtungen. Anhand der Jahresdauerlinie, die die übliche Verteilung der Heizleistung in einem Gebäude über den Zeitraum von einem Jahr wiedergibt, wird deutlich, dass ein BHKW nicht zu groß sein darf. Seine thermische Leistung wird so bemessen, dass auch in Schwachlastzeiten die Wärme noch abgenommen werden kann. Um ein BHKW wirtschaftlich zu betreiben, sollte es in der Regel mindestens 4000 Stunden (besser sogar 5000 bis 6500 h) Laufzeit pro Jahr erreichen. Als grober Richtwert können bei einer Mindestlaufzeit von jährlich 4000 h für die thermische Leistung eines BHKW etwa 10 bis 30 % der maximalen Gebäudeheizlast (nach DIN EN 12 831) angesetzt werden. Das heißt, der Spitzenlastkessel muss so dimensioniert sein, dass er die restliche Heizlast liefern kann.
Ein Beispiel
Für dieses Hotelgebäude käme beispielsweise ein Mini-BHKW „Vitobloc 200 EM-18/36“ mit 36 kW thermischer und 18 kW elektrischer Leistung in Betracht.
Da sich ein BHKW im Wesentlichen über die vermiedenen Strombezugskosten rechnet (und nicht über eine Einspeisevergütung), muss auch der Verbrauch an elektrischer Energie im jeweiligen Gebäude berücksichtigt werden. Systemanbieter wie Viessmann unterstützen ihre Marktpartner u.a. mit einer individuellen Wirtschaftlichkeitsbetrachtung als Entscheidungsgrundlage für den Investor und beraten über die technischen Fragestellungen der Systemeinbindung.
Fazit
BHKW sind besonders effizient, weil bei ihnen die mit der Stromerzeugung zugleich anfallende Wärme sinnvoll genutzt wird. Sie spielen deshalb für die sichere und klimaschonende Energieversorgung eine wichtige Rolle.
Bei der unter anderem in Wohngebäuden und zur Nahwärmeversorgung üblichen wärmegeführten Betriebsweise ist die jeweils angemessene Größe des BHKW besonders wichtig. Ein wirtschaftlicher Betrieb wird vor allem dann erreicht, wenn die Laufzeiten im Jahr möglichst lang sind. Ein wärmegeführt betriebenes BHKW dient deshalb nur zur Deckung der Wärmegrundlasten. Bedarfsspitzen werden in solchen Anlagen von einem zusätzlichen Wärmeerzeuger abgedeckt.
