Heizungsanlagen - für Laien erklärt
Heizungsanlagen - für Laien erklärt

Das Blockheizkraftwerk BHKW

Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) ist eine Anlage zur Gewinnung von elektrischer Energie und von Wärme. Sie funktioniert nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und stellt damit eine kosteneffiziente Alternative zu konventionellen Heizungsanlagen dar.

Durch die Verbrennung von Brennstoff wird Strom erzeugt. Die Abwärme des Motors wird für Heizzwecke genutzt.

         Bild 1: Funktionsschema Blockheizkraftwerk

Der Verbrennungsmotor treibt einen Generator an, der Strom erzeugt.

Die Abwärme des Motors, die im Motorkühlwasser und im Abgas enthalten ist, wird über Wärmetauscher der Gebäudeheizung zugeführt. Geht die erzeugte Strommenge über den momentanen Bedarf hinaus, kann der Überschuss in das Netz des örtlichen Energieversorgers gegen Vergütung eingespeist werden, wozu dieser gesetzlich verpflichtet ist.

In den folgenden Bildern werden die Energiebilanzen von getrennter Erzeugung von Heizwärme und Strom und eines Blockheizkraftwerkes dargestellt.

Bild 2: Energiebilanz bei getrennter Erzeugung

Bild 3: Energiebilanz eines BHKW

Die Kraft-Wärme-Kopplung ist eine der wirksamsten Maßnahmen zur Senkung der CO2-Emissionen. Durch die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme kann bis zu 90 % der eingesetzten Energie genutzt werden. Mit verbesserter Primärenergieausnutzung erzeugt ein Blockheizkraftwerk etwa 34 % weniger CO2 als bei konventioneller Bereitstellung von Wärme und Strom.

 

Blockheizkraftwerke erreichen einen Wirkungsgrad von ca. 90 %. Das heißt, dass 90 % der Energie, die im zugeführten Brennstoff enthalten ist, in Wärme und elektrische Energie umgewandelt werden, die restlichen 10 % sind Verluste.

Da aber Kraftwerke bei der Erzeugung von Strom nur Wirkungsgrade von ca. 40 % erreichen, weil bei der Erzeugung von Strom in den meisten Fällen ungenutzte Wärme entsteht, die z. B. über Kühltürme ins Freie geblasen wird, ist eine getrennte Erzeugung von Wärme und Strom immer unwirtschaftlicher als der Betrieb eines Blockheizkraftwerkes.

Moderne Heizungskessel erreichen weitaus bessere Wirkungsgrade  als Blockheizkraftwerke, wenn man nur die Wärmeerzeugung betrachtet.

Man muss also bei Wirtschaftlichkeitsvergleichen zwischen Blockheiz­kraftwerken und Heizungskesseln immer auch die preisgünstige Strom­erzeugung durch die BHKW in Betracht ziehen.

Wo liegt dann der Vorteil oder die Wirtschaftlichkeit von Blockheiz­kraftwerken?

 

Blockheizkraftwerke erzeugen nicht nur Wärme, sondern auch Strom, der entweder vom Betreiber des Blockheizkraftwerks selbst verbraucht oder ins Netz des örtlichen Energieversorgers eingespeist werden kann.

Dabei sind die Kosten für die Stromerzeugung durch BHKWs wesentlich niedriger als die Strompreise der Versorgungsunternehmen. Auch die gesetzlich vorgeschriebene Vergütung für in das Netz eingespeisten Strom ist wesentlich höher als der Erzeugerpreis. Mit einem Blockheiz­kraftwerk kann man also Geld sparen bzw. Geld verdienen.  Hier liegt der größte Vorteil der Blockheizkraftwerke.

 

Ein weiterer Vorteil kleiner und mittlerer Blockheizkraftwerke, die direkt beim Verbraucher betrieben werden, besteht darin, dass die Übertragungsverluste der Fernwärme- und Stromleitungen entfallen.

Der Einbau eines Blockheizkraftwerks in ein bestehendes Gebäude lohnt  sich nur, wenn

  • eine zentrale Warmwasserversorgung vorhanden ist
  • eine entsprechend hohe Nutzung von Strom und Wärme im Gebäude selbst oder in der Nachbarschaft möglich ist
  • genügend Platz für das BHKW und dessen Zubehör (Pufferspeicher, Spitzenlastheizkessel usw.) vorhanden ist
  • die Anbindung an die Heizungs- und Wasserleitungen problemlos möglich ist

Blockheizkraftwerke werden nach ihrer Leistung in folgende Größen eingeteilt:

 

Elektrische Leistung

Bezeichnung

Anwendungsbeispiele

unter 2,5 kW

Nano-BHKW

Ein- bis Zweifamilienhäuser

zwischen 2,5 kW und 15 kW

Mikro-BHKW

Ein- bis Mehrfamilienhäuser

zwischen 15 kW und 50 kW

Mini-BHKW

Mehrfamilienhäuser, Wohnblocks, Kleingewerbe, Ämter

zwischen 50 kW und 5 MW

Groß-BHKW

Wohnblocks, Industrie, Ämter

ab 5 MW

Heizkraftwerk

ganze Stadtviertel

Blockheizkraftwerke können mit folgenden Brennstoffen betrieben werden:

  • Erdgas ist besonders günstig, da es keine Lagerung benötigt, der Lieferant bei Preis-änderungen einfach und schnell gewechselt werden kann und es sehr sauber verbrennt, was weniger Wartung und eine lange BHKW-Lebensdauer zur Folge hat. Außerdem ist Erdgas klimafreundlicher, weil es bei der Verbrennung fast ein Drittel weniger CO2 freisetzt als Heizöl.
  • Flüssiggas benötigt einen Tank mit entsprechenden Armaturen (Druckregler, Füllstandsanzeiger usw.) und ist teurer als Erdgas. Die Verbrennung erfolgt jedoch ähnlich sauber wie bei Erdgas, was die Wartungskosten niedrig hält und die Lebenserwartung des BHKW steigert.
  • Heizöl bietet sich nur an, wenn die entsprechenden Tanks bereits vorhanden sind und Alternativen nicht in Frage kommen. Zum einen ist der Preis für Heizöl hoch, zum anderen verbrennt Heizöl sehr unsauber. Dadurch sind Heizöl-Blockheizkraftwerke wartungsintensiver und erreichen nicht die Lebensdauer wie gasbetriebene Varianten. Außerdem kann minderwertiges Heizöl die Lebensdauer von Motoren zusätzlich erheblich verkürzen. Es sollte daher nur “Heizöl Extraleicht (EL) schwefelarm” oder umversteuerten Diesel, welcher von einigen Heizölhändlern angeboten wird, als Brennstoff eingesetzt werden.
  • Holzpellets sind derzeit noch preisgünstig, doch sind sie nur begrenzt verfügbar und die Technik für Holzpellet-BHKW ist noch nicht ausgereift.
  • Pflanzenöl oder Biogas wird aus nachwachsenden Rohstoffen oder organischen Abfällen gewonnen. Pflanzenöl-BHKW müssen  aufgrund der schlechten Verbrennung wesentlich öfter gewartet werden als Erdgas-BHKW. Auch muss das Schmieröl in den Motoren öfters erneuert werden. Außerdem muss Pflanzenöl kühl und dunkel gelagert werden und ist nur begrenzt haltbar.

Blockheizkraftwerke können mit allen Arten von Verbrennungsmotoren, aber auch mit Stirlingmotoren betrieben werden.

Blockheizkraftwerke werden in den meisten Fällen wärmegeführt betrieben, das heißt, die Nutzung richtet sich nach dem Wärmebedarf des Gebäudes. Dabei wird das Blockheizkraftwerk so ausgelegt, dass es nicht den Spitzenwärmebedarf, sondern nur eine gewisse Grundlast deckt. Die Spitzenlast muss dann bei Bedarf von einem Spitzenlast­brenner erbracht werden. Auf diese Weise können lange Laufzeiten des Blockheizkraftwerks erreicht werden, was sich positiv auf die Lebens­dauer, vor allem des Motors, auswirkt. Kann der dabei erzeugte Strom nicht verbraucht werden, wird er ins örtliche Versorgungsnetz eingespeist. Ein Pufferspeicher zwischen BHKW und Heizungsanlage speichert überschüssige Wärme und gibt sie bei Bedarf an die Heizung wieder ab. Wird das BHKW so genutzt, ist es möglich, dass es im Winterhalbjahr unter Umständen mehrere Tage durchläuft, im Sommer­halbjahr dagegen nur wenige Stunden zur Brauch­wasser­erwärmung.

Um eine gute Wirtschaftlichkeit zu erreichen, sollte ein BHKW mindestens 5000 Stunden im Jahr laufen.

Im Gegensatz zum wärmegeführten Betrieb eines Blockheizkraftwerks  gibt es noch den stromgeführten. Hier bestimmt der Strombedarf die Einschaltzeiten. Die dabei erzeugte Wärme kann dabei oft nicht genutzt werden, was die Wirtschaftlichkeit erheblich mindert.

 

Vorteile von Blockheizkraftwerken

 

  • Selbsterzeugung von Strom und Wärme und damit eine gewisse Unabhängigkeit vom Energieversorger
  • Beim BHKW vor Ort entfallen die Übertragungsverluste der Fernwärme- und Stromleitungen
  • Gesetzliche finanzielle Förderung
  • Einspeisung von ungenutztem Strom in das öffentliche Netz, dafür Vergütung
  • Bei nachträglichem Einbau nur geringfügige Umbauten an der Heizungsanlage notwendig
  • Umweltfreundlich
  • Kein CO2-intensiver Strom aus Kohlekraftwerken
  • Kein Atomstrom
  • Die Amortisationszeit von BHKW beträgt durchschnittlich 10 Jahre.

Nachteile von Blockheizkraftwerken

  • Hohe Anschaffungskosten
  • Zusätzlicher Heizkessel zur Deckung der Spitzenlast erforderlich
  • Die Wirtschaftlichkeit hängt stark von der Auslastung des Motors ab
  • Relativ hoher Wartungsaufwand.                            Man muss mit etwa 2 bis 3 Cent pro kWh erzeugtem Strom rechnen. Die meisten BHKW mit Verbrennungsmotoren benötigen – wie ein Auto mit Verbrennungsmotor - nach ca. 3000 bis 4000 Betriebs­stunden eine Wartung mit Durchsicht und Ölwechsel. Daneben ist nach einer gewissen Zeit eine Motorüberholung erforderlich. Stirlingmotore benötigen wesentlich weniger Wartung.
  • Die Lebensdauer eines Verbrennungsmotors hängt neben der Belastung auch von der Ölqualität und von dem verwendeten Brennstoff ab. Daher sollten Motoren nach Möglichkeit lange in Betrieb sein. Ein Taktbetrieb mit vielen Starts verkürzt die Lebensdauer erheblich.  
  • Geräuschentwicklung je nach Größe der Anlage (in Mehrfamilienhäusern stehen Mini-BHKW deswegen oft in Nebengebäuden)

Das Blockheizkraftwerk und die Heizungsanlage

 

Die wichtigsten Grundregeln für den Betrieb eines BHKW lauten:

 

  • Ein Blockheizkraftwerk kann nur wirtschaftlich betrieben werden, wenn es mindestens 5000 Stunden im Jahr betrieben wird.
  • Der jährliche Wärmebedarf des  Gebäudes sollte mindestens 15.000 bis 20.000 kWh betragen.
  • Um die 5.000 Jahresbetriebsstunden zu erreichen, wird die Leistung des BHKW auf nur ca. 30 % der Spitzenlast des Gebäudes ausgelegt. Mit diesen 30 % werden ca. 80 % des Jahreswärmebedarfs abgedeckt.
  • Um in Zeiten eines geringen Wärmebedarfs (unter der Leistung des BHKW) ein zu häufiges Takten des BHKW-Motors zu vermeiden, nimmt ein Pufferspeicher die überschüssige Wärme auf und gibt sie dann ab, wenn das BHKW abgeschaltet ist.

 

 

Bevor man die Leistung eines BHKW festlegt, sollte man die „thermische Jahresdauerlinie“ kennen. Sie gibt Auskunft darüber, wieviel Stunden pro Jahr eine bestimmte (thermische) Leistung in dem zu beheizenden Gebäude benötigt wird.

Bild 4: Thermische Jahresdauerlinie eines Gebäudes

Bild 4 zeigt die thermische Jahresdauerlinie eines Gebäudes mit einem Spitzenwärmebedarf von 30 kW. So besteht  z. B. die Wärmelast von mindestens 17 kW an 800 Stunden im Jahr und die Wärmelast von mindestens 6 kW an 7700 Stunden im Jahr.

Baut man nun in das Gebäude nach Bild 4 ein BHKW mit einer Wärmeleistung von 9 kW (das sind 30 % der Spitzenwärmelast), erhält man das folgende Diagramm:

Bild 5: Betriebsstunden eines 9 kW-BHKW

Dem Bild 5 kann man entnehmen, dass der Wärme-bedarf von 9 kW an 5500 Stunden des Jahres besteht, das heißt, ein BHKW mit 9 kW Wärmeleistung würde 5500 Stunden im Jahr mit Volllast laufen und dabei 9 kW x 5500 h = 49.500 kWh Wärme erzeugen. Der Bedarf über 9 kW wird vom Spitzenlast-Heizkessel abgedeckt.

 

Nach Bild 4 würde ein BHKW mit 17 kW nur an 800 Stunden laufen und dabei nur 17 kW x 800 h = 13.600 kWh Wärme und ein BHKW mit 6 kW 7700 Stunden laufen und dabei 6 kW x 7700 h = 46.200 kWh erzeugen.

 

Hat die dem BHKW angeschlossene Heizungsanlage einen Puffer­speicher, kann das BHKW auch über die 5500 Stunden betrieben werden. Dann wird mit der überschüssigen Wärme zwischen den 9 kW und dem tatsächlichen Wärmebedarf der Pufferspeicher geladen. Dies ist im Bild 6 dargestellt.

Bild 6: Betriebsstunden eines BHKW mit Pufferspeicher

Dem Bild 6 kann man entnehmen, dass ein optimal ausgelegter Pufferspeicher die Betriebszeit des BHKW erheblich vergrößern kann. Im obigen Beispiel deckt das BHKW 5500 Stunden lang einen Teil (30 %) des Wärme­bedarfs des Gebäudes und ladet ca. 1400 Stunden (6900 – 5500 =1400) den Pufferspeicher auf. Das ergibt 6900 Betriebsstunden.

Im Bild 7 ist in vereinfachter Form das Funktions-schema einer Heizungsanlage mit einem BHKW, einem Pufferspeicher und einer Brauchwasser-erwärmung aufgezeichnet.

Bild 7: Funktionsschema Heizungsanlage mit BHKW und Pufferspeicher

Die finanzielle Förderung von Blockheiz-kraftwerken

BHKW-Förderung durch das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA)

 

Damit sich die höheren Anschaffungskosten eines BHKW lohnen, hat das Bundesumweltministerium das sogenannte Impulsförder­programm (Richtlinien für die Förderung von KWK-Anlagen bis 20 kWel) eingesetzt, das einen einmaligen Zuschuss bei der Anschaffung von kleinen KWK-Anlagen gewährt.

Die wichtigsten Voraussetzungen für die Gewährung des Zuschusses sind:

  • Der Einbau muss in ein bestehendes Gebäude erfolgen
  • Die Anlage darf nicht in einem Gebiet mit einem Anschluss- und Nutzungsgebot für Fernwärme liegen
  • Die Anlage muss über einen Wartungsvertrag betreut werden
  • Die Anlage muss anspruchsvollen Effizienzanforderungen erfüllen
  • Die Anlage muss in einer besonderen Liste für förderungsfähige Anlagen aufgeführt sein
  • Die Anlage muss eine Messeinrichtung für den erzeugten Strom besitzen
  • Der Antrag auf den Zuschuss muss vor dem Einbau der Anlage gestellt und bewilligt sein

 

Der Zuschuss setzt sich aus der Basisförderung und den Bonus­förderungen für Wärmeeffizienz und für Stromeffizienz zusammen.

 

Die Basisförderung beträgt seit dem 1.1.2015

  • für KWK-Anlagen bis 1 kW elektrischer Leistung 1900 €/kW
  • für KWK-Anlagen von 1kW bis 4 kW elektr. Leistung 300 €/kW
  • für KWK-Anlagen von 4 kW bis 10 kW elektr. Leistung  100 €/kW
  • für KWK-Anlagen von 10 bis 20 kW elektr. Leistung  10 €/kW

 

 

Für die Bonusförderung für Wärmeeffizienz sind ein (zweiter) Abgas­wärmetauscher zur Brennwertnutzung und die Durchführung des hydraulischen Abgleichs in der Heizungsanlage Voraussetzung.

Für den Stromeffizienz-Bonus muss anhand der technischen Leistungsdaten des BHKW ein elektrischer Wirkungsgrad bei Nennleistung gemäß einer Vorgabentabelle des Fördergebers nachgewiesen werden.

Werden die Bedingungen erfüllt, wird für die „Wärmeeffizienz“ ein zusätzlicher Bonus in Höhe von 25% der Basisförderung gewährt. Und für die „Stromeffizienz“ gibt es einen weiteren Bonus von 60%.

 

Die maximale Förderung beträgt 3500 €.

 

 

BHKW-Förderung durch die bundeseigene Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW)

 

Mit dem KfW-Förderprogramm 152 kann in einem bestehenden Gebäude die Umstellung der Heizungsanlage auf den Betrieb mit einem  BHKW durch einen langfristigen zinsgünstigen Kredit in Höhe von maximal 50.000 € für Einzelmaßnahmen und 75.000 € pro Wohneinheit gefördert werden. Dabei können neben den reinen Umbaukosten auch die Kosten für Planung, Beratung und baubegleitende Maßnahmen (Architekt, Energieberater, Ingenieur usw.) angesetzt werden.    

 

BHKW-Förderung durch die Bundesländer

 

In vielen Bundesländern gibt es zusätzlich eigene Programme für die KWK-Förderung. Hauseigentümer sollten sich deshalb frühzeitig in ihrer Region über Fördermöglichkeiten informieren.

 

Rückzahlung bereits gezahlter Energiesteuer

 

Nach Abschluss eines jeden Betriebsjahres kann beim zuständigen Hauptzollamt ein Antrag auf Entlastung von der gezahlten Energiesteuer auf den Brennstoff, der in der KWK-Anlage eingesetzt wurde, beantragt werden (bei Erdgas zurzeit 0,55 Cent pro kWh).

 

Kostengünstige Stromerzeugung für den Eigenverbrauch

 

Da sich ein BHKW im Wesentlichen über die vermiedenen Strombezugskosten rechnet (und nicht über eine Einspeisevergütung), muss auch der Verbrauch an elektrischer Energie im Objekt berücksichtigt werden.

Vergütung des erzeugten Stroms

 

Vom BHKW erzeugter Strom, der nicht vom BHKW-Betreiber verbraucht wird, kann in das öffentliche Netz gegen Vergütung eingespeist werden. Die gesetzliche Grundlage dafür ist das Kraft-Wärme-Kopplungs­gesetz, das im Sommer 2008 neu gefasst wurde.

 

Die Höhe der Vergütung für KWK-Strom setzt sich aus folgenden Bestandteilen zusammen:

 

  • Der „übliche“ Strompreis kann mit dem Netzbetreiber ausgehandelt werden. Ist kein Preis vereinbart, gilt der „übliche Strompreis“ der Leipziger Strombörse EEX, der im dritten Quartal 2014 bei 3,15 Cent pro kWh lag.
  • Der Zuschlag nach dem KWK-Gesetz beträgt zurzeit 5,41 Cent pro kWh für Anlagen bis 50 kW elektr. Leistung und wird unabhängig, ob der Strom selbst genutzt oder ins Stromnetz eingespeist wird, ausgezahlt.
  • Da ein BHKW den Strom direkt vor Ort herstellt, entfallen die Übertragungskosten. Deshalb gewährt der Netzbetreiber eine „Vergütung der vermiedenen Netzkosten“, der zwischen 0,5 und 1,4 Cent pro kWh liegt.

 

Wer muss von dem Einbau eines BHKW informiert werden?

 

Vor der Auftragserteilung zum Einbau eines BHKW sollte das Vorhaben bei folgenden Institutionen angemeldet bzw. deren Genehmigungen eingeholt werden:

 

  • Der Stromnetzbetreiber muss eine Freigabe zum Betrieb der KWK-Anlage erteilen und der Einspeisung des nicht selbst­verbrauchten Stroms in das öffentliche Versorgungsnetz zustimmen. Es müssen auch neue Stromzähler für den eigenerzeugten und den ins Netz eingespeisten Strom installiert werden.
  • Wenn das BHKW mit Erdgas betrieben werden soll, müssen mit dem Gasnetzbetreiber der Anschluss an das Gasnetz und die Lieferbedingungen vertraglich vereinbart werden.
  • Der zuständige Bezirksschornsteinfeger muss die Tauglichkeit und die sichere Nutzbarkeit der Abgasanlage bestätigen, ggf. ist eine neue Abgasanlage mit ihm abzustimmen. Eine Feuerstätten­abnahme erfolgt unmittelbar nach der Inbetriebnahme.
  • Das Bauamt muss ggf. eine Baugenehmigung erteilen. Dies wird jedoch in den einzelnen Bundesländern unterschiedlich gehandhabt. In der Regel besteht für BHKW mit weniger als 50 kW elektr. Leistung keine Baugenehmigungspflicht.
  • Bei der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) kann ggf. ein langfristiger zinsgünstiger Kredit für die Errichtung eines BHKW beantragt werden (siehe oben).
  • Das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) kann Zuschüsse für die Errichtung eines BHKW gewähren (siehe oben).
  • Mit dem Finanzamt ist die steuerliche Behandlung zu klären, denn der Betrieb einer KWK-Anlage stellt in der Regel eine gewerbliche Tätigkeit dar.
  • Das Hauptzollamt kann auf Antrag die Energiesteuer für den Brennstoff zurückvergüten.

BHKW für erneuerbare Brennstoffe werden meist mit Biogas, Rapsöl oder Holz befeuert. Die Vergütung für den erzeugten Strom regelt das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG). Bei Biomasse sind besonders hohe Boni möglich.

Jürgen Wüst

Dipl.-Ing. (FH)

 

20.7.2015

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