In einem Satz zusammengefasst: Heutzutage ist es möglich, das die verbauten Heizungen nicht nur Wärme, sondern mit Hilfe moderner Technologie, auch Strom erzeugen können. Der so gewonnene Strom kann dazu verwendet werden, um von den öffentlichen Stromanbietern unabhängiger zu sein oder sogar um ihn für den Bedarfsfall, z.B. einem Blackout, in einem Akku zu speichern.

Blockheizkraftwerk (BHKW) – Allgemein

Eine heute übliche Brennwertheizung setzt 100 % Primärenergie nahezu vollständig in Wärme um. Strom kauft der Hausbesitzer dagegen aus dem öffentlichen Netz. Bei der zentralen Stromerzeugung in Kraftwerken, ohne weitere Nutzung der dabei entstehenden Wärme und aufgrund des Transportes treten Verluste bis zu 2/3 der eingesetzten Ausgangsenergie auf. Deswegen sollte es angestrebt werden, die Stromerzeugung soweit wie möglich vor Ort stattfinden zu lassen, um eine wesentlich bessere Energieausnutzung zu erzielen. 

Das Blockheizkraftwerk oder auch stromerzeugende Heizung stellt eine Anlage gemäß dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) dar und kann bis zu 100 % der Wärme und bis zu 80 % des Strombedarfs im eigenen Haus abdecken. Durch die „Eigenproduktion“ des Stroms lässt sich der Strombezug aus dem öffentlichen Netz deutlich reduzieren und damit in nicht unerheblichem Maße Energiekosten einsparen. Zusätzlich werden in der Gesamtbilanz durch die stromerzeugende Heizung bei gleichem Energieverbrauch im Haus bis zu 40 % weniger CO2 an die Atmosphäre abgegeben.

Diese Heizungsanlagen werden anhand des Wärmebedarfs eines Gebäudes ausgelegt. Für die Wirtschaftlichkeit einer Heizungs- bzw. einer KWK-Anlage ist die Auslegung der Wärmeleistung daher von besonderer Bedeutung: Zu groß dimensionierte Anlagen erreichen keinen kontinuierlichen Betrieb und erleiden häufige An- und Abschaltverluste. Daher können keine generellen Aussagen getroffen werden, sondern es muss projektbezogen hinsichtlich des Gebäudestandards, des Wärmebedarfs, der Nutzerstruktur und des Nutzerverhaltens die wirtschaftliche Einsetzbarkeit einer stromerzeugenden Heizung überprüft werden.

Stromerzeugende Heizungen werden nach der Höhe ihrer elektrischen Leistung in verschiedene Kategorien eingeteilt. Für den Einsatz im Gebäudebereich unterscheidet man dabei:

  • Nano-Blockheizkraftwerke (elektrische Leistung bis zu 2,5 Kilowatt)
  • Mikro-Blockheizkraftwerke (elektrische Leistung bis zu 15 Kilowatt)
  • Mini-Blockheizkraftwerke (elektrische Leistung bis zu 50 Kilowatt)

Unabhängig von der Basistechnologie wird mit der stromerzeugenden Heizung durch die Verbrennung von Erdgas einerseits Wärme erzeugt und andererseits mechanische Energie bereitgestellt, mit der ein Generator angetrieben wird, welcher Strom erzeugt.

Die für die Verbrennung in der stromerzeugenden Heizung verwendeten Brennstoffe können sein:

  • Erd- oder Biogas
  • Flüssiggas
  • Heizöl oder Bio-Heizöl
  • Holz

Die thermische Energie kann über entsprechende Wärmeübertragungssysteme zur Beheizung und zur Bereitstellung von Warmwasser genutzt werden.


Die mechanische Energie wird weitestgehend zur Stromerzeugung eingesetzt, d.h. zum Antrieb eines Generators genutzt. Dieser Generator ist bei verbrennungsmotorischen Systemen (Otto-Motor / Stirling-Motor) über eine Welle mit dem Motor verbunden, wohingegen bei Dampfkraftmaschinen aufgrund von Temperaturdifferenzen durch in einem Zylinder abkühlenden Wasserdampf ein Kolben hin- und herbewegt wird, und dadurch einen Generator antreibt.

In diesem kurzen Video wird das Blockheizkraftwerk nochmal bildlich erklärt!

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BHKW – Basistechnologien

Otto-Motor

Interner Verbrennungsmotor, bei dem ein Kraftstoff in die angesaugte Luft eingebracht wird, wodurch ein zündfähiges Gemisch entsteht, das in den Brennraum (Zylinder) eingebracht wird. Die durch eine Fremdzündung des Gemisches ausgelöste, kontrollierte Explosion resultiert in einer Kraftentfaltung, die in mechanische Energie umgewandelt wird.

Stirling-Motor

Externer Verbrennungsmotor, bei dem ein in einem geschlossenen Raum befindliches Arbeitsmedium durch Wärmezufuhr erwärmt wird. Volumenänderungsarbeit wird auf einen Kolben übertragen und somit mechanische Arbeit verrichtet. Im Gegensatz zum Otto-Motor verbleibt das Gas innerhalb des Motors, lediglich für die externe Verbrennung wird kontinuierlich Treibstoff benötigt.

Hierzu ein Video-Beispiel:

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Dampfkraftmaschine

Erhitzter Wasserdampf wird einem Zylinder zugeführt und nach der Entspannung wieder abgelassen. Durch die Entspannung wird ein Kolben bewegt, wobei sowohl oszillierende wie auch rotatorische Kolbenbewegungen systembedingt möglich sind, die dann an den Generator übertragen werden.

Brennstoffzelle

Die Funktionsweise einer Brennstoffzelle basiert auf der elektrochemischen Reaktion beim Zusammentreffen von Sauerstoff und Wasserstoff, der sogenannten kalten Verbrennung. Um diese Reaktion zu ermöglichen, kommt emissionsarmes Erdgas zur Anwendung. Aus diesem wird der Wasserstoff abgespalten und anschließend der Brennstoffzelle zugeführt. Zeitgleich erfolgt die Zufuhr von Sauerstoff.

Ein Katalysator spaltet die Wasserstoffmoleküle auf der Anodenseite in positive Wasserstoffionen und negative Elektronen. Während das Elektron zur Kathode fließt und dabei elektrische Spannung, also Strom, produziert, bewegt das Wasserstoffion in Richtung Kathode. Durch diese Trennung wird eine Knallgasreaktion verhindert. Zudem vereint sich das Wasserstoffion im Rahmen der “kalten Verbrennung” am Ende der Kathode mit dem Luftsauerstoff. Dabei entstehen Wärmeenergie und Wasserdampf. Diese steht der Heizung als Wärme für die Erhitzung von Brauch- und Heizungswasser zur Verfügung. Die als Gleichstrom produzierte elektrische Energie wird in Wechselstrom umgewandelt.

Die Brennstoffzellenheizungen als BHKW arbeiten mit der Zufuhr von Wasserstoff, der sich eine innerhalb des Systems stattfindenden Knallgasreaktion zunutze macht. Der chemische Vorgang führt zu einem Aufbau von elektrischer Spannung, welche für die Stromerzeugung genutzt wird. Weiterhin entsteht bei dem Vorgang Reaktionswärme. Diese kann unter anderem als Brauch- oder Heizwasser zweckentfremdet werden.

Die Brennstoffzellenheizung nutzt einen chemischen Prozess. Das Blockheizkraftwerk arbeitet hingegen mit einem mechanischen Motor, welcher elektrisch oder gasbetrieben wird. Die kalte Verbrennung, welche die Vor- und Nachteile der Brennstoffzelle mit sich bringen, ist damit der entscheidende Unterschied.

Hier einige Hersteller von Brennstoffzellenheizung:

Viessman Brennstoffzelle Vitovalor 300-P

Brennstoffzellen-Energiezentrale Logapower FC10

Elcore 2400 : Das Brennstoffzellen BHKW für mein Haus

Vorteile der Brennstoffzelle

Aufgrund des chemischen Prozesses arbeiten Brennstoffzellenheizungen mit einem sehr hohen Wirkungsgrad. Die chemische Reaktion reduziert außerdem den Verschleiß, welcher anderenfalls bei einer mechanischen Arbeit zustande kommen würde. Da sie einerseits Elektrizität produzieren und andererseits die dabei entstandene Wärme nutzen, gilt die Brennstoffzelle als sehr umweltfreundlich.

Fördermöglichkeiten durch Bund und Länder

Es bestehen durch den Bund und die Länder zahlreiche Fördermöglichkeiten. Die können eine Anschaffung deutlich attraktiver gestalten. Die Brennstoffzellenheizung zählt zu den modernsten Heizsystemen am Markt. Daher bestehen immer noch Berührungsängste. Sie spielen vor allem bei den im Folgenden genannten Nachteilen eine große Rolle.

Nachteile der Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle arbeitet zwingend mit Wasserstoff. Der Brennstoff H2 wird aber gedanklich noch immer mit zahlreichen Gefahren, wie beispielsweise einer Explosionsgefahr, verbunden. Dabei ist diese Gefahr so gut wie unbegründet. Denn für den Betrieb einer Brennstoffzelle wird kein Wasserstoff gelagert, wie das beim Öl oder Flüssiggas der Fall ist. Vielmehr wird der Wasserstoff direkt und bedarfsgerecht erzeugt. Die falsche Vorstellung vom Wasserstoff als Brennstoff kann für die Vor- und Nachteile der Brennstoffzelle dennoch als ein Nachteil gewertet werden. Ebenfalls ist der recht hohe Preis bei der Anschaffung zu berücksichtigen.

In diesem Kurzvideo wird die Brennstoffzellenheizung nochmal zusammenfassend erklärt.

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BHKW – Vor- und Nachteile

Vorteile:

Die dezentrale Erzeugung von Strom und Wärme bietet neben ökologischen Vorteilen (z. B. Reduzierung des Primärenergieverbrauchs) auch ökonomische Vorteile:

  1. Verringerung des Strombezugs durch Eigenproduktion
  2. Reduktion der CO2 -Emissionen
  3. Verringerung des Primärenergiebedarfs durch Einsparungen beim Primärenergie- und Strombezug (Energiekosten)
  4. Anstieg der Energieeffizienz durch gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme
  5. Zunehmende Unabhängigkeit von öffentlichen Netzen

 

Nachteile:

  1. Die sehr hohen Anschaffungskosten
  2. Hoher Planungsaufwand zur effizienten Einbindung in die Hausanlage
  3. Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen, wenn kein Biogas verwendet wird

Betriebsarten

Der wärmegeführte Betrieb eines BHKW

Der wärmegeführte Betrieb richtet sich nach der Nutzung des Wärmebedarfs, genauer gesagt nach der Wärme-Grundlast, des Gebäudes aus.

Die maximal benötigte Wärmemenge bezeichnet man als Wärme-Spitzenlast. Ein Blockheizkraftwerk arbeitet am produktivsten und langlebigsten, wenn es möglichst lange unterbrechungsfrei läuft. Am besten wäre es, wenn die Anlage im Winter sogar nonstop arbeitet. Würde man versuchen die Größe des BHKW an der Spitzenlast zu orientieren, würde es ziemlich häufig ein- und ausschalten, was dem Motor schaden würde.

In der Realität orientiert man sich bei der Auswahl der Größe des Blockheizkraftwerks also an der Wärme-Grundlast. Um kurzfristige Spitzen zu decken, wird zusätzlich ein Pufferspeicher installiert. Dieser gewährleistet ebenfalls in den warmen Monaten, dass das BHKW nur wenige Stunden läuft, um den Speicherkessel zu füllen und dann bis zur Entleerung nicht mehr eingeschaltet werden muss.

Diese Betriebsart ist am häufigsten genutzte, da der Wärmebedarf von Gebäuden gleichmäßiger im Tagesverlauf ist und so das Heizkraftwerk schonender und wirtschaftlicher betrieben werden kann. So wird der Motor gleichmäßiger belastet und die Lebensdauer und die Wirtschaftlichkeit erhöhen sich.

Was passiert mit dem Strom beim wärmegeführten BHKW-Betrieb?
Prinzipiell kann der Strom voll ins öffentliche Netz eingespeist werden. Empfehlenswerter wäre allerdings eine Überstromeinspeisung. Das Blockheizkraftwerk wird dabei so verschaltet, dass zuerst ein Stromabnehmer im Haus gesucht wird. Sollte der Strom im Moment der Erzeugung nicht benötigt werden, wird er dennoch eingespeist und vergütet. Der Strom wird bei Eigenverbrauch also nicht vergütet, aber man spart sich den Zukauf vom Versorger. Diese Betriebsart ist wirtschaftlicher, da erstens die Einspeisevergütung unter dem Strompreis liegt und zweitens gewährleistet ist, dass die gesamte elektrische Energie genutzt wird. Oder noch besser: überschüssigen Strom in einem Akku speichern, um diesen z.B. bei Stromausfällen zu nutzen!

Dazu hier eine Kombinationsmöglichkeit von Brennstoffzelle und Photovoltaik anschaulich dargestellt.

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Der stromgeführte Betrieb eines BHKW

Beim stromgeführten Betrieb liegt der Fokus auf der maximalen Stromerzeugung. Der Strombedarf wird erfasst und das Blockheizkraftwerk startet um diesen zu decken. Dies ist vom Prinzip her ja eigentlich gut, nur: es wird ja auch noch die Wärme erzeugt, die genutzt werden soll. Für Wohngebäude wird also ein großer Pufferspeicher benötigt, der die Überschusswärme aufnimmt und erst bei Bedarf zur Verfügung stellt. Wenn dieser aber voll ist und es keinen Wärmebedarf im Haus gibt, wird das Blockheizkraftwerk nicht starten, oder die Wärme wird ungenutzt abgeführt, was letztlich dem Grundgedanken einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage widerspricht. Die stromgeführte Nutzung lässt das BHKW durch häufiges Ab- und Ausschalten schneller verschleißen.

Stromgeführte BHKW-Betrieb sind am sinnvollsten bzw. wirtschaftlichsten, wenn Blockheizkraftwerke…
1. thermisch und elektrisch zu 100% ausgelastet sind
2. im Inselbetrieb verwendet werden
3. mit nachwachsenden Rohstoffen als Brennstoff arbeiten, da hierfür eine zusätzliche Vergütung bei der Einspeisung gezahlt wird
4. als Notstromaggregat geführt werden

Netzparallelbetrieb

Blockheizkraftwerke für den Netzparallelbetrieb mit Notstromfunktion sind mit elektronisch geregelten Synchrongeneratoren ausgerüstet. Damit wird auch im Notstrombetrieb (Inselbetrieb) eine hohe Spannungs- und Frequenzstabilität erreicht. Anwendung finden diese Anlagen überall dort, wo Strom und Wärme benötigt werden.

Inselbetrieb

Der BHKW-Inselbetrieb dient dazu, voll autark Energie zu erzeugen. In der Regel wird der Inselbetrieb mit einer Photovoltaikanlage, einer Solarthermie-Anlage und einem Akku kombiniert. Sinnvoll ist solch ein Einsatz an Orten wie Berghütten oder auf Booten – also überall dort wo ein Anschluss an das öffentliche Stromnetz nicht möglich ist. Der Inselbetrieb eines Blockheizkraftwerks ist aber auch an anderen Orten möglich und erwünscht. Der Betreiber kann so unabhängig vom Strompreis und Stromausfällen werden.

Im Netzparallelbetrieb und Inselbetrieb werden für den Fall von Unterbrechungen der öffentlichen Stromversorgung zusätzlich zu ihrem normalen Betrieb mit entsprechender elektrotechnischer Ausrüstung auch die Funktionen von Notstromaggregaten übernommen. Hierzu sind Entkopplungseinrichtungen mit Überwachung von Spannung, Frequenz und Kurzzeitunterbrechungen erforderlich. Durch die Notstromausstattung von BHKW-Anlagen können die Kosten der Notstromversorgung reduziert werden.

Hier noch ein Bericht zu Mini-BHKW von Gorenje Indop mit Toyota-Motoren auf der HMI 2015.

Wirtschaftlichkeit

Blockheizkraftwerke sind technisch hoch ausgereifte Geräte, welche eine Lebensdauer von bis zu 20 Jahren haben. Sie können in dieser Zeit – je nach Hersteller und verwendetem Motor – zwischen 40.000 und 60.000 Stunden betrieben werden (Stirlingmotoren halten teilweise sogar 80.000 bis 100.000 Betriebsstunden). Und dann müssen auch nur die Motorkomponenten ausgetauscht werden – die Anschlüsse und der Kessel können oft bleiben. Ein Diesel- oder Ottomotor in einem Blockheizkraftwerk kann somit unter Umständen die zehnfache Laufleistung erreichen, als bei der Verwendung in einem PKW. 10.000 Betriebsstunden eines BHKW entsprechen in etwa 300.000 bis 500.000 Kilometer Laufleistung eines PKW-Motors.

Die meisten BHKW mit Verbrennungsmotoren müssen alle 2.500 bis 4.000 Betriebsstunden gewartet werden und die Wartungskosten betragen durchschnittlich 350€. Selbstredend gibt es auch Hersteller, die von diesen Mittelwerten nach oben oder unten stark abweichen. Bei der Wartung werden ähnliche Arbeiten wie bei einem PKW-Motor durchgeführt, zum Beispiel der Ölwechsel. Was keinen Autofahrer überraschen dürfte: in Abständen müssen auch bestimmte Teile des BHKWs ausgetauscht werden, darunter die Zündkerzen und die Zylinderköpfe – diese werden natürlich zusätzlich zur Wartung in Rechnung gestellt.

Stirlingmotoren sind deutlich wartungsärmer – nur alle 5.000 bis 8.000 Betriebsstunden müssen sie gewartet werden. Einige Hersteller versprechen sogar noch längere wartungsfreie Betriebszeit, teilweise bis zu 80.000 Stunden. Da im Stirlingmotor keine Verbrennung stattfindet, ist hier der Verschleiß geringer und die Lebensdauer höher.

Rechenbeispiel

Wir nehmen exemplarisch eine 4-köpfige Familie, welche ein Einfamilienhaus mit 150 Quadratmetern Wohnfläche besitzt. Da das Haus neu bezogen wird, muss erstmalig ein Heizsystem installiert werden. Das Gebäude wurde bereits an das Gasleitungsnetz angeschlossen.

Der prognostizierte Heizbedarf (Heizung und Warmwasser) liegt bei rund 140 kWh pro Jahr und Quadratmeter. Der durchschnittliche Gaspreis wird mit 6,5 Cent pro kWh veranschlagt. Daraus ergibt sich ein jährlicher Heizbedarf von 24.000 kWh und ein jährlicher Strombedarf von 4.000 kWh. Die Berechnung wird durch folgende Umstände stark vereinfacht: für beide Systeme wird von einem Wirkungsgrad von 100% ausgegangen. Des Weiteren wird unterstellt, dass die Gasheizung bzw. das BHKW die exakte Bedarfsmenge an Wärme – und beim BHKW auch der Strom – erzeugen.

Übersicht

GasheizungNano-Blockheizkraftwerk
Anschaffungskosten inkl. Installation und USt.8.000 EUR15.000 EUR
voraussichtliche Lebensdauer15 Jahre15 Jahre
Eigenverbrauchsanteil des Stroms25%
Strompreis beim Bezug über den Energieversorger30 Cent / kWh30 Cent / kWh

 

Kosten pro Jahr

GasheizungNano-Blockheizkraftwerk
Brennstoff-Kosten pro Jahr (zur Wärmeerzeugung)1.560 EUR1.560 EUR
Brennstoff-Kosten pro Jahr (zur Stromerzeugung)260 EUR
Wartungskosten pro Jahr100 EUR350 EUR
Stromrechnung vom Energieversorger (inkl. USt.)1.200 EUR900 EUR
Jährliche Kosten2.860 EUR3.070 EUR

 

Es ergeben sich aber desweiteren Einnahmen durch das BHKW:

Einspeisevergütung (10,979 Cent / kWh) *3.000 kWh329,37 EUR
KWK-Zuschlag für selbstverbrauchten Strom (4 Cent / kWh)1.000 kWh40 EUR
Vorsteuer-Rückerstattung / Jahr (bei 15 Jahren Laufzeit)159,66 EUR
Summe Einnahmen529,03 EUR

 

* die Einspeisevergütung errechnet sich aus der Summe des Baseload-Preises der Leipziger Strombörse (2. Quartal 2016: 2,479 Cent / kWh), dem KWK-Zuschlag (8 Cent / kWh) und der Vergütung der vermiedenen Netzkosten (ca. 0,5 Cent / kWh)

Darüber hinaus können auch bestimmte Kosten vermieden werden, was Einsparungen bedeutet. Diese entstehen unter anderem dadurch, dass 1.000 kWh Strom durch Eigenverbrauch genutzt werden (25% der Produktion des BHKW).

Stromsteuer (2,05 Cent / selbst verbrauchter kWh)1.000 kWh20,50 EUR
Energiesteuer-Rückerstattung für gesamten Brennstoff-Einsatz (0,55 Cent / kWh)28.000 kWh154 EUR
vermiedene Stromkosten (30 Cent / kWh)1.000 kWh300 EUR
Summe Ersparnisse474,50 EUR

Wenn man alle Kosten mit den Einnahmen und den Ersparnissen miteinander verrechnet, ergibt sich ein Vorteil von 793,53 EUR pro Jahr für das BHKW. Allerdings hat selbstverständlich die Anschaffung des BHKW auch 7.000 EUR mehr gekostet. Doch diesen Mehrpreis hat man nach etwas mehr als 9 Jahren wieder reingeholt oder mit anderen Worten: unser Beispiel-Blockheizkrafwerk hat sich nach 9 Jahren amortisiert.

Zusätzlich kannst Du dir dieses Video zur Berechnung ansehen:

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Die Informationen und Bilder dieser Seite wurden von den Webseiten www.stromerzeugende-heizung.de, www.heizung.de, https://ihr-bhkw.de, https://asue.de/blockheizkraftwerke, www.kwenergie und http://www.emhzb.de/brennstoffzelle-elcore.html entnommen.