Beispiele und Technologien für Blockheizkraftwerke (BHKW)

Mini-Blockheizkraftwerk mit Öl- oder Gasmotor > Bild

Ist ein Mini-BHKW auch in einem Einfamilienhaus wirtschaftlich zu betreiben?

Das BHKW-Angebot im Leistungsbereich < 10 kWel (als Mini-, Mikro- oder Klein-BHKW bezeichnet) hat sich deutlich verbessert.

In der Zwischenzeit werden auch leistungsmodulierende Anlagen eingesetzt, welche die abgegebene Leistung an den bestehenden Bedarf anpassen können.

Dadurch kann bei einem Neubau bzw. einer notwendigen Heizungssanierung evtl. auf einen zusätzlichen Heizungskessel verzichtet werden.

Bei einer guten Planung und einem relativ großen Wärme- und Strombedarf des Hauses kann sich eine BHKW-Anlage in 12-15 Jahren und damit innerhalb der Anlagen-Lebensdauer (18-22 Jahre) amortisieren.

Ansonsten erscheint dies, aufgrund der geringen Nutzungsdauer der BHKW-Anlage insbesondere im Sommer und den neuen Wärmedämmstandards, eher schwierig.

Man sollte sich immer vor Augen halten, dass eine Mini-KWK-Anlage überall dort ideal eingesetzt werden kann, wo ein ausreichender Wärmebedarf über das ganze Jahr gewährleistet und ein weitgehend gleichzeitiger Strombedarf vorhanden ist.

Ein Mini-BHKW eignet sich prinzipiell zur kompletten Energieversorgung (Strom und Wärme) von Ein- bis Dreifamilienhäusern > Anlagenschema

Durch die immer noch hohen spezifischen Anlagekosten ist z. Z. eine Wirtschaftlichkeit für eine breite Anwendung bei diesen kleinen Anlagen eher in Frage gestellt.

Für die meisten Anwendungsfälle ist es somit günstiger, auch den produzierten Strom weitgehend selbst zu nutzen.

Dieser Strom ist wesentlich billiger.

Bei optimaler Auslastung amortisiert sich die Anlage mit einer Lebensdauer bei regelmäßiger Wartung von mindestens 80.000 Betriebsstunden (laut Herstelleraussagen).

Leistung

Je nach Brennstoffart haben sie eine elektrische Leistung von 5,0 bis 5,5 kW und eine Wärmeleistung von 10,4 bis 20 kW.

Mini-BHKWs mit Leistungsmodulation rechnen sich bedingt schneller als ohne (sofern nicht mehrere parallele Module eingesetzt werden können).

Variable Drehzahlen ermöglichen die optimale Anpassung der thermischen und elektrischen Leistung innerhalb des Objektes.

Ausstattung Basisversion

Mini-BHKW, 1-Zylinder-Viertaktmotor für Heizöl, Biodiesel oder Erdgas, 750 l-Wärmespeicher, Warmwassermodul

Kosten

Die Anschaffungskosten (Basisversion) ohne Einbindung in das Heizsystem, EV und Montage liegen z. B bei ca. 25.000 €.

Die spezifischen Anlagenkosten steigen bei BHKWs mit abnehmender Größe.

Aus diesem Grund bietet sich eine Objektversorgung größerer Wärmeabnehmer (MFH, Hotel etc.) wesentlich besser an.

Auch eine Umrüstung vorhandenen Öl- oder Gasheizungen auf ein Mini-BHKW ist technisch relativ unproblematisch.

(Quelle: Valentin/ ecopower)

Mini-Blockheizkraftwerk mit Mikrogasturbine > Bild

Mikroturbinen als Klein-HKW zur dezentralen Strom- und Wärmeerzeugung im Vergleich zu klassischen motorgetriebenen BHKWs  

sind neu entwickelte Produkte, welche sich u. a. zum Einsatz in der dezentralen Stromversorgung und der Kraft-Wärme-Kopplung eignen und im Leistungsbereich unterhalb von 500 kWel angesiedelt sind.

Funktion

Bei Heiz-Kraft-Werken (HKW) mit einer Mikrogasturbine ist ohne Zwischenschaltung eines Getriebes der Permanentmagnet des Generators direkt an die Turbine geflanscht, so dass der Generator mit der sehr hohen Drehzahl der Turbine läuft.

Der erzeugte hochfrequente Wechselstrom (max. 1600 Hz) wird zunächst gleichgerichtet und dann in Wechselstrom 400 V/50 Hz umgewandelt.

Zum Start dient der Generator als Motor.

Brennstoffe

Zum Betreiben kann Erd-/ Flüssiggas, Heizöl, Klärgas, Grubengas und Erdölbegleitgas verwendet werden.

Die anfallende Abwärme muss für Heizzwecke etc. immer abgenommen oder gepuffert werden.

Nachteile

Der Nachteil der Turbine ist der schlechte elektrische Wirkungsgrad von 12% und mit Rekuperator 26%, also schlechter als bei den klassischen BHKWs.

(Ein Rekuperator nutzt die Wärmeenergie aus den Turbinenabgasen und wärmt damit die Verdichteraustrittsluft auf, bevor diese in die Brennkammer gelangt. Dadurch vermindert sich der benötigte Brennstoffeinsatz und es können höhere elektrische Wirkungsgrade erzielt werden. Trotzdem fallen die Wirkungsgrade von Motorenanlage derselben Größenklasse noch um einige Prozentpunkte höher aus.)

Vorteile

Die Vorteile liegen in den langen Wartungsintervallen (alle 8000 h oder einmal im Jahr.)

Die Otto- oder Dieselmotoren bei den klassischen BHKWs müssen im Vergleich ca. alle 2000 h gewartet werden.

Anwendung

Aufgrund der gasturbinenspezifischen Abwärmecharakteristik, bei der das gesamte Abwärmepotential auf einem hohen Temperaturniveau von rund 275°C anfällt,

eignet sich die Mikrogasturbine vor allem für

- kleinere Industriebetriebe mit Prozesswärmebedarf

  in Verbindung mit einer Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung,

- für Trocknungsprozesse

- sowie als Aggregat zur Klimakälteerzeugung mittels

  Absorptionskältemaschine.

Denkbar wäre aber z. B. ein verstärkter Einsatz im Contracting-Bereich, da in diesem Fall die Vorteile der Mikrogasturbinen aufgrund des geringeren Wartungsaufwandes besonders zum Tragen kämen.

Kosten

Aufgrund des hohen Investitionsvolumens von rund  62.000 € für ein Aggregat mit 28 kWel und dem gegenüber Motoren gleicher Leistungsgröße um einige Prozentpunkte geringeren elektrischen Wirkungsgrad erscheint ein wirtschaftlicher Betrieb aber nur bei wenigen Anwendungsfeldern möglich.

Auf diesem interessanten Gebiet gibt es also noch viel zu tun.

BHKW mit Dampf-Schraubenmotor

Prinzip

Das Prinzip der Stromerzeugung mittels Schraubenmotor (Schraubenexpansionsmaschine) entspricht dem des konventionellen Ranking-Wasser-Dampf-Prozesses, mit dem Unterschied, dass der Dampf statt in einer Turbine in einem Schraubenmotor entspannt wird.

Der Schraubenmotor treibt einen Generator an, mit dem elektrischer Strom erzeugt wird.

Schraubenmotoren gehören zur Gruppe der mehrwelligen Verdrängermaschinen.

Diese besitzen einen geschlossenen Arbeitsraum, dessen Größe sich während eines Arbeitsspiels zyklisch verändert und stellen die Umkehrung zum Schraubenkompressor dar, der in vielen Industriezweigen seit Jahrzehnten verwendet wird.

Einsatz

Schraubenmotoren können mit Frischdampfzuständen von 10 bis 30 bar sinnvoll betrieben werden und sind ab einer Nennleistung von 100 kW_el bis ca. 2.500 kW_el einsetzbar.
 

Arbeitsweise

Die Arbeitsweise eines Schraubenmotors erinnert an die eines Zweitakt-Kolbenmotors, wenn man die oszillierende Bewegung des Hubkolbens durch eine rotierende ersetzt.

In einem Gehäuse rotieren zwei, im Eingriff stehende, schraubenförmig verwundene Rotoren.

Der V-förmige Arbeitsraum (Hubvolumen) wird von den beiden Schraubenrotoren (Hauptrotor und Nebenrotor) mit der eng anliegenden Gehäuseinnenseite gebildet (> Schema).

Der Wasserdampf gelangt durch die Gehäuseeinlassöffnung in das dahinter liegende Zahnlückenvolumen.

Bei fortschreitender Rotordrehung wächst das Volumen der Profillücke.

Der Füllvorgang ist beendet, wenn dieser Raum bei weiterer Rotordrehung vom Einlassquerschnitt des Gehäuses vollständig getrennt wird.

Während der Expansionsphase vergrößert sich der Arbeitsraum kontinuierlich, wobei das Arbeitsfluid einen Teil seiner Energie auf den Rotor überträgt.

Ist das Arbeitsvolumen maximal, überfahren die Rotorzahnköpfe den Auslassquerschnitt im Gehäuse und der Expansionsvorgang mit dem Ausschieben, also mit dem Verdrängen des energieärmeren Arbeitsfluids, beginnt.

Je nach Anzahl der verwendeten Profillückenräume läuft das beschriebene Arbeitsspiel mehrmals pro Rotorumdrehung ab.

Vorteile

Dampfschraubenmotoren sind sehr robust, sie können sowohl überhitzten Dampf als auch Sattdampf und Nassdampf abarbeiten (keine Tropfenschlagsgefahr), was den flexiblen Einsatz dieser Technologie unterstreicht.

Mini-BHKW mit Stirlingmotor

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) mit Stirlingmotoren

Nach dem Prinzip der KWK wird mit diesem System Strom und Wärme erzeugt.

Moderne Stirling-Konzepte sehen allgemein stationäre Aggregate vor, die über einen angekoppelten Generator Strom erzeugen.

Durch die im Gegensatz zu Otto- und Dieselmotoren geschlossenen Arbeitsräume und die Wärmezufuhr von außen, sind sie unabhängig von der Art der Wärmequelle.

Es können sowohl fossile (Gas, Öl) als auch erneuerbare (Biomasse, Sonne) Energieträger eingesetzt werden.

Rückstände aus der Verbrennung können nicht in das Innere des Stirlingmotors gelangen, was zu geringeren Verschleiß und damit zu langen wartungsfreien Laufzeiten führt.

Stirlingmotoren als Antriebseinheit in kleinen BHKWs weisen gegenüber konventionellen BHKWs Vorteile auf, die besonders bei kleinen Leistungen zum Tragen kommen.

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Entwicklungsstand bei Mini-BHKWs

Quelle: Heizungsjournal 4/5 2007

Neues Förderpaket für Mini-BHKWs (2008)

Investitionskostenzuschuss

nach Impulsprogramm des BMU ab 1.9.08 bis zu 50 % der Gerätekosten.

Bedingung:

≥ 5.000 Vollbenutzungsstunden/Jahr für den vollen Zuschuss (50%)

KWK-Zuschlag

5,11 Ct/kWh_el (für gesamten erzeugten Strom) für 10 Jahre

(bisher Zuschlag nur für den ins Netz eingespeisten Strom)

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Für wesentlich mehr Informationen stehen wir Ihnen mit einer persönlichen Fachberatung jederzeit gerne zur Verfügung.

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