BHKW-Technik

BHKW-Module

Blockheizkraftwerke sind motorgetriebene Anlagen zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung. Ein BHKW-Modul besteht im Wesentlichen aus einem Verbrennungsmotor als Antrieb, einem Gene­rator zur Stromerzeugung und dem Wärmetauscher zur Auskopplung der Wärme aus Kühlwasser und Abgas. Weitere Hilfskomponenten sind, je nach technischer Ausführung, Art des eingesetzten Brenn­stoffes und der Größe der Module, Dreiwegekatalysator, Gasregelstrecke und integrierte Schallschutzhaube. Letztere ist vor allem bei Modulen im Leistungsbereich bis ca. 100 kWp anzutreffen.

BHKW-Module sind verfügbar von 5 kWel bis 7 MWel, d.h. die Leistung der größten Einheiten ist um mehr als den Faktor 1000 höher als die der kleinsten. Die technischen Konzepte der Motoren reichen dabei vom speziell entwickelten Kleinmotor über modifizierte Kfz-Motoren, Dieselaggregate aus dem LKW-Bereich, stationäre Gasmotoren bis zu großen Dieselmotoren, die aus der Entwicklung von Schiffsantrieben stammen.

Die Palette der in Blockheizkraftwerken eingesetzten Brennstoffe ist auch heute schon relativ breit und für weitere Entwicklungen noch offen. Den größten Anteil hat derzeit das Erdgas. Zusätzlich werden jedoch auch leichtes Heizöl, Klärgas, Deponiegas und Flüssiggas genutzt. Aus dem Bereich der regenerativen Energieträger kommen Biogas, Holzgas, Rapsöl und Alkohol als Brennstoff in Frage, vorausgesetzt, sie werden aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen. Ein Energieträger der Zukunft, der auch im BHKW eingesetzt werden kann, ist der Wasserstoff.

Eine wichtige Rolle für die Bewertung von Blockheizkraftwerken spielen die Schadstoffemissionen. Unter die Vorschriften der TA-Luft fallen nur die Anlagen mit mehr als 1 MW thermischer Feue­rungsleistung. Jedoch orientieren sich auch die Hersteller von Modulen kleinerer Leistung an den entsprechenden Grenzwerten oder unterbieten diese. Zur Emissionsminderung stehen ihnen dabei zwei Verfahren zur Verfügung. Zum einen die nachgeschaltete katalytische Abgasreinigung (Dreiwegekatalysator, SCR-Katalysator) und das Magermotorprinzip, bei dem die Verbrennungsma­schine mit Luftüberschuss betrieben wird. Für größere Motoreinheiten zeichnet sich ab, dass sich die Magermixtechnik zur Emissionsreduktion durchsetzen wird /Kusterer 1995/.

Abb. 5 : Stromkennzahlen verschiedener BHKW-Module

 

Die Stromkennzahl eines BHKW-Modules bedeutet das Verhältnis von elektrischer zu thermischer Leistung oder von elektrischem zu thermischem Wirkungsgrad. Die Stromkennzahl ist abhängig von der Leistung und der Art des Motors. Sie nimmt mit steigender Leistung zu und ist bei Dieselmotoren höher als bei Gasmotoren. Einen Überblick über Stromkennzahlen von auf dem Markt erhältlichen BHKW-Modulen zeigt die folgende Grafik /KWK-BaWü 1994/. Im nicht dargestellten Leistungsbe­reich für Dieselmotoren von 1 bis 7 MW weisen die Module Stromkennzahlen von mehr als 0,9 auf, teilweise sogar bis zu 1,0. Da für den Strom in der Regel ein höherer Erlös erzielt werden kann, beeinflusst die Stromkennzahl die Wirtschaftlichkeit.

Blockheizkraftwerke weisen lange jährliche Laufzeiten auf. Um eine hohe Betriebszuverlässigkeit zu erreichen, ist eine regelmäßige Wartung der Motoren sehr wichtig. Dafür bieten sich dem Betreiber grundsätzlich zwei Möglichkeiten. Zum einen die Durchführung von Routinearbeiten durch eigenes Personal und ergänzend dazu der Abschluss eines Teilwartungsvertrages mit dem Hersteller. Die zweite Möglichkeit für den Betreiber besteht darin, dem Hersteller alle Wartungsarbeiten im Rahmen eines Vollwartungsvertrages zu übertragen. Im zweiten Fall liegt das Risiko zu 100 % beim Hersteller, ein Vollwartungsvertrag ist für den Betreiber jedoch auch mit entsprechend höheren Kosten verbunden als ein Teilwartungsvertrag.

1.2.2    BHKW-Systeme

Abb. 6: Funktionsprinzip eines Blockheizkraftwerkes

 

Zu einem kompletten Blockheizkraftwerk gehören neben den eigentlichen Modulen noch weitere Komponenten, um die nachgefragte Wärmeversorgung und die daran gekoppelte Stromerzeugung sicherzustellen. Ein wichtiges Kennzeichen eines BHKWs ist zunächst die Anzahl der parallel geschalteten Module. Einmodulige Anlagen sind einfacher im Aufbau, während mehrmodulige Anlagen besser an den variablen Wärmebedarf im Verlauf eines Jahres angepasst werden können. Da mit der gekoppelten Wärmeerzeugung, unabhängig von der Anzahl der eingesetzten Module, immer nur die Wärmegrundlast abgedeckt wird, ist für die Zeitabschnitte mit höherem Wärmebedarf ein zusätzlicher Spitzenkessel vorgesehen, der dann gemeinsam mit den BHKW-Modulen betrieben wird. Eine wei­tere wichtige Komponente ist der thermische Pufferspeicher, mit dem zu häufiges Takten der Moto­ren in Zeiten geringeren Wärmebedarfs verhindert werden kann. Außerdem besteht bei ausreichender Dimensionierung die Möglichkeit, Strom zu Spitzenlastzeiten, unabhängig vom Wärmebedarf, ins Netz einzuspeisen (Programmeinspeisung). Auf diese Weise können u.a. die Stromerlöse erhöht wer­den.

Die Auslegung eines Blockheizkraftwerkes muss auf den Einzelfall zugeschnitten werden, da im Allgemeinen unterschiedliche Randbedingungen zu beachten sind. Einige Grundregeln sollen hier jedoch genannt werden. Die hohen spezifischen Investitionskosten, die allerdings mit zunehmender Leistung abnehmen, haben zur Folge, dass die BHKW-Module hohe Laufzeiten aufweisen sollten. Dadurch kann mit Hilfe der Erlöse für den höherwertigen Strom die Wirtschaftlichkeit erreicht werden. Hohe Laufzeiten erreicht man durch die Auslegung auf die Wärmegrundlast. Ein Richtwert dafür sind rund 30 % der Wärmehöchstlast. Die Laufzeit bewegt sich dadurch, abhängig von den örtlichen Randbe­dingungen, im Bereich von 4000 bis 6000 h/a. Die jährliche, gekoppelt erzeugte Wärmemenge beträgt damit ca. 70 bis 75 % des Bedarfs, während die restlichen 25 bis 30 % vom Spitzenlastkessel geliefert werden. Der Pufferspeicher, der zur Reduktion der Taktzyklen der Motoren vorgesehen wird, ist im Allgemeinen auf ein Volumen ausgelegt, das einer Stunde Volllastbetrieb entspricht. Bei mehrmoduligen Anlagen, besonders solchen mit Nahwärmeverteilung, wird teilweise auch auf den Pufferspeicher verzichtet.

Vergleichbar mit einem Brennwertkessel ist auch in einem Blockheizkraftwerk Brennwertnutzung möglich. Dadurch lässt sich der Gesamtwirkungsgrad um einige Prozentpunkte erhöhen. Vorausset­zung ist jedoch, dass in dem versorgten Objekt entsprechend niedrige Rücklauftemperaturen realisiert werden können.

Schließlich gehören zum sicheren Betrieb eines Blockheizkraftwerkes die Schnittstellen zur Umge­bung sowie die notwendigen baulichen Anlagen. Zu den Schnittstellen gehören die Brennstoffversor­gung, der Anschluss an den Kamin zur Abgasabführung, die hydraulische Einbindung in die Wärmeverteilung und der Anschluss ans elektrische Netz. Die Notwendigkeit für bauliche Maßnahmen ist sehr stark von den jeweiligen Randbedingungen abhängig. Oftmals können Blockheizkraftwerke, im Rahmen einer Heizungssanierung, im vorhandenen Heizkeller untergebracht werden. In diesem Falle ist lediglich der Bau eines Maschinenfundamentes notwendig. Ansonsten muss ein spezielles Be­triebsgebäude errichtet werden.

Eine Prinzipdarstellung eines Blockheizkraftwerkes ist in Abbildung 6 zu sehen.

1.2.3    Betriebsstrategien

Blockheizkraftwerke werden in den allermeisten Fällen wärmegeführt gefahren. Innerhalb des damit vorgegebenen Rahmens ergeben sich jedoch im Einzelfall unterschiedliche Möglichkeiten der Be­triebsoptimierung, die von der Art des Betreibers und der Berechnung der Stromvergütung abhängen. So ist es in manchen Fällen z. B. sinnvoll, die Stromeinspeisung auf die Hochtarifzeiten zu begren­zen, wenn die Stromgestehungskosten des BHKWs über der Stromvergütung zu Niedertarifzeiten liegen. Besteht die Möglichkeit der Stromvergütung auf der Basis der Programmlieferung (Leistungspreisvertrag), so muss während der Heizperiode im Winter das BHKW zu Spitzenlastzeiten dem Netz zur Verfügung stehen.

1.2.3.1 BHKW-Module, wärmegeführt

Die BHKW-Module fahren bis zu ihrer Leistungsgrenze die Wärmebedarfslinie ab. Der restliche Wärmebedarf muss von den Spitzenkesseln abgedeckt werden. Der vom BHKW erzeugte Strom wird eigengenutzt oder eingespeist. Sinkt der Wärmebedarf unter die Leistungsgrenze der BHKW-Module, wird der Pufferspeicher geladen. Ist dieser Pufferspeicher voll, so wird die Leistung der BHKW-Module gesenkt. Dies kann aber nur bis zur Schaltgrenze der BHKW-Module geschehen, danach werden die BHKW-Module abgeschaltet und der Wärmebedarf durch Pufferspeicher und Spitzenkessel gedeckt.

1.3.3.2 BHKW-Module, wärmegeführt und ohne Einspeisung

Es wir nur so viel Strom erzeugt, wie im Eigenverbrauch genutzt werden kann. Der restliche Strombedarf wird über das Netz bezogen. Die Führungsgröße ist die Wärmebedarfslinie; ein Wärmeüberschuss entsteht nicht. Der von den BHKW-Modulen nicht abgedeckte Wärmebedarf wird von den Spitzenkesseln abgedeckt.

 

1.2.3.3 BHKW-Module, wärmegeführt und stromoptimiert

In Zeiten, wo der Netzbezug kostengünstiger ist, kann das BHKW reduziert gefahren werden. Der Wärmebedarf wird berücksichtigt. Nicht von den BHKW-Modulen abgedeckter Wärmebedarf wird von den Spitzenkesseln gedeckt.

1.2.3.4 BHKW-Module, stromgeführt

Die BHKW-Module folgen bis zu ihrer Leistungsgrenze der Strombedarfskurve. Nicht absetzbare Wärme muss gespeichert oder weggekühlt werden

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