Relevante Energieformen
| Endenergieform | Nutzenergieform | Nebenenergieform(en) |
| (Fossile) Brennstoffe | Elektrischer Strom | Wärme (T<100°C) |
Kurzbeschreibung
Blockheizkraftwerke sind modular aufgebaute, verbrauchernahe Anlagen zur Erzeugung von elektrischem Strom aus verschiedenen Brennstoffen. Zum Einsatz kommen fossile Brennstoffe wie Diesel oder Erdgas aber auch regenerative Kraftstoffe wie Biogas. Entstehende Abwärme wird als Nutzwärme (bspw. für Heizzwecke) verfügbar gemacht. Damit erfolgt eine kombinierte Erzeugung von Strom und Wärme („Kraft-Wärme-Kopplung“) in einer Anlage. Tendenziell wird etwa 1/3 der Brennstoffenergie in elektrische Energie und 2/3 der Brennstoffenergie in Abwärme umgewandelt.
Häufig handelt es sich bei Blockheizkraftwerken um große Verbrennungsmotoren, die mit einem Generator gekoppelt sind. Es können aber auch Gasturbinen, Stirlingmotoren oder Brennstoffzellen eingesetzt werden.
Funktionsskizze
(Lehrmacher 2005)
Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte
![\[Brennstoffausnutzungsgrad = \;\frac{{Pel + \dot QHeiz}}{{\dot QBrennstoff}}\]](https://technologiematrix.synergie-projekt.de/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-d0cd4fbafc9a195b7b8f013adfaebcf5_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Mit 
= elektrische Leistung, 
= Abwärmeleistung, 
= Zugeführte Brennstoffleistung
Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis aus eingesetzter und erhaltener Energie. Der Gesamtwirkungsgrad einer Kraft-Wärme-Kopplung-Anlage setzt sich aus einem elektrischen und einem thermischen Wirkungsgrad zusammen. (wikipedia.org 2019) Sofern Motor- und Abgaswärme genutzt werden, liegt der Gesamtwirkungsgrad häufig bei über 90% (unabhängig vom elektrischen Wirkungsgrad). (asue.de 2015) Je größer die Anlage, desto höher ist in der Regel der elektrische Wirkungsgrad:
Ein weiterer Kennwert von Blockheizkraftwerken ist die Stromkennzahl:
Sie beschreibt das Verhältnis zwischen elektrischer Leistung zu Nutzwärmeleistung. Eine hohe Stromkennziffer deutet auf einen hohen Anteil der elektrischen Energie am Gesamtwirkungsgrad hin. (Hesselbach, J. 2012)
Der Wirkungsgrad aller Blockheizkraftwerke, die Verbrennungskraftmaschinen einsetzen, ist durch den Carnot-Wirkungsgrad limitiert. Nur Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerke sind nicht daran gebunden, weil sie direkt chemische Energie in elektrische Energie umwandeln:
Betriebs-Charakteristika
| Bauart | Verbrennungsmotor | Stirlingmotor | Brennstoffzelle | Mikro-Gasturbine |
| Maximale Schalthäufigkeiten | Die Anlagen sollten nicht zu oft an- und ausgeschaltet werden, da sonst der Motorverschleiß zu hoch ist. Üblich sind maximal ca. 3-5 erlaubte Schaltvorgänge pro Betriebsstunde. | k.A. | k.A. | k.A. |
| Typische Anfahrzeiten | Wenige Minuten | k.A. | k.A. | k.A. |
| Regelbarkeit | Technisch ist eine Variation der Motordrehzahl und somit eine stufenlose Regelung der elektrischen und thermischen Leistung möglich. | k.A. | k.A. | k.A. |
Energetische Kennwerte
| Bauart | Verbrennungsmotor | Stirlingmotor | Brennstoffzelle | Mikro-Gasturbine |
| Verfügbare Leistungsstufen/
-klassen |
Ca. 1 kW – 10 MW | Ca. 10 kW – 100 kW | Ca. 10 kW – 500 kW | Ca. 80 kW – 500 kW |
| Elektrische Wirkungsgrade | Ca. 25-40 % | Ca. 10 – 15 % | Ca. 30 – 60 % | Ca. 19 – 25 %
Relativ konstant über dem Lastspektrum |
Wirtschaftliche Kennwerte
| Investkosten/kW | u.a. zu berücksichtigende Kosten sind Modulkosten, Transport, Netzeinbindung, ggf. Brennstoffaufbereitungsanlage
Spezifische Kosten (€/kW) verringern sich mit zunehmender Leistung des BHKW. (asue.de 2014)  spezifische Kosten in Euro/kW / Leistungsaufnahme in kW |
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| Bsp. Modulkosten Erdgas-BHKW mit Pel von 150 kW: 4.907*x^-0,351 = 841,07 €/kW Modulkosten: 841,07 €/kW * 150 kW = 126.161 € |
Bsp. Modulkosten Biogas-BHKW mit Pel von 150 kW: 4.276*x^-0,325 = 858,71 €/kW Modulkosten: 858,71 €/kW * 150 kW = 128.807 € |
Bsp. Modulkosten Flüssiggas-BHKW mit Pel von 150 kW: 5.242,4*x^-0,359 = 867,59 €/kW Modulkosten: 867,59 €/kW * 150 kW = 130139 € |
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| Wartungs- und Instandhaltungskosten | Üblicherweise Generalüberholung des Motors nach 30-60.000 Betriebsstunden. Instandhaltung umfasst Inspektion, Wartung und Instandsetzung der Verschleißteile. | |||
| Bsp. Instandhaltungskosten Erdgas-BHKW mit Pel von 150 kW: 6,2728 * x^-0,283 = 1,52 ct/kWh |
Bsp. Instandhaltungskosten Biogas-BHKW mit Pel von 150 kW: 6,869 * x^-0,287 = 1,63 ct/kWh |
Bsp. Instandhaltungskosten Flüssiggas-BHKW mit Pel von 150 kW: 25,671 * x^-0,522 = 1,88 ct/kWh |
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Technologische Kennwerte
| Negative Aspekte der Ökobilanz (alle Lebensphasen) | Schadstoffminderung bei Verbrennungsmotoren: Oxi-Kat, SCR. Magerbetrieb, 3-Wege Kat, Thermoreactor; Schadstoffemission geringer als bei getrennter Erzeugung von Wärme und Strom |
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Subjektive Technologie-Portfolio-Analyse
| Technologieattratktivität | Industrielle Umsetzbarkeit | Umsetzbarkeit | Ist es technisch denkbar, diese Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität einzusetzen? (Grün = Ja, Gelb = Ggf., Rot =Nein) | |
| Komplexität | Wie komplex wäre der Einsatz dieser Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität? (Grün = einfach, Gelb = eher komplex, Rot = sehr komplex oder nicht möglich) | |||
| Anwendbarkeit bei Industriepartnern | Wäre eine Flexibilisierung solcher Anlagen bei Industriepartnern direkt möglich? (Grün = Ja, Gelb=Nur mit größeren Umbaumaßnahmen, Rot = Nein) | |||
| Einsatzhäufigkeit und Verbreitung | Energetischer Impact | Hat die Technologie typischerweise einen bedeutenden Anteil am Strombedarf eines Fabrikbetriebes? (Grün = Tendenziell ja, Gelb = eher nicht, Rot = Nein (weil z.b. andere Energieträger)) | ||
| Verbreitung in Deutschland | Wie ist der Verbreitungsgrad der Technologie in Deutschland einzuschätzen? (Grün = hoch, Gelb = mittel, Grün = niedrig) | |||
| Umrüstaufwand und Integration | Technology Readiness Level | Wie weit ist die Technologie entwickelt? (Grün = TRL 7-9 Gelb = TRL 4-6, Rot = 1-3) | ||
| Grad der Prozessentkopplung | Wie stark beeinflusst die Anlage in der Regel den Hauptprozess? (Grün = Zwischen der Anlage und dem Hauptprozess befindet sich i.d.R. ein Speicher oder Netz, Gelb = Anlage ist tendentiell nahe am Prozess verbaut, Rot = Anlage hat i.d.R. direkt Einfluss auf den Prozess) | |||
| Möglichkeit des Energieträgerwechsels | Ist ein Energieträgerwechsel möglich? (Grün = Ja in der gleichen Anlage, Gelb = Mit einer zweiten Anlage, Rot = Nein) | |||
| Umrüstaufwand | Wie wird der Aufwand zur Befähigung der Anlage eingeschätzt? (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Grün = noch) | |||
| Ressourcenstärke | Übertragbarkeit | Übertragbarkeit | Wie gut lässt sich eine Lösung zur Flexibilisierung dieser Anlage auf andere Anlagen übertragen? (Grün = Technologien sind immer ähnlich aufgebaut, Lösungen sind also übertragbar, Gelb = Keine Aussage möglich, Rot = Sehr Prozessspezifisch bzw. standortspezifisch) | |
| Wirtschaftlichkeit | Erschließungskosten der Maßnahme | Wie hoch sind die spezifischen Investitionshöhen (Grün = niedrig (z.B. nur andere Regelungsart), Gelb = mittel, Rot = hoch (z.B. teure zweite Anlage muss installiert werden) | ||
| Spezifische Wandlerkosten | Wie hoch sind die spezifischen Speicherkosten (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Rot = hoch) | |||
| Abrufkosten der Maßnahme | Wie groß ist die Verlustleistung über die Zeit? (Standverluste, Grün = Langzeitspeicher Gelb = Stundenspeicher, Rot = Kurzzeitspeicher) | sehr stark fallabhängig |
Best Available Technology
Ja – Mit Blockheizkraftwerken kann prinzipiell Energieflexibilität bereitgestellt werden, wenn ein gewisses Wärmespeicherpotenzial vorhanden ist (Umsteigen vom wärmegeführten- in den stromgeführten Betrieb)
Entwicklungstendenz
Neben Erdgas-, Biogas-, Flüssiggas-BHKW existieren weitere, wie Klärgas- und Heizöl-BHKW, sowie BHKW mit Stirling-Motoren oder Mikrogasturbinen. In der Entwicklung befinden sich Brennstoffzellen mit Wärmeauskopplung
Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile
Vorteile
- hoher Wirkungsgrad (geringere Energieverluste)
- Schadstoffemission geringer als bei getrennter Erzeugung von Wärme und Strom
- Entlastung elektrischer Netze durch dezentrale Stromerzeugung
Nachteile
- oft besteht ein zeitlich unterschiedlicher Bedarf von Wärme und Strom
- außerhalb der Heizperiode ist Stromerzeugung nicht wirtschaftlich (da nicht geheizt wird)
Anwendungsbeispiele
- Einsatz sinnvoll, wenn: kontinuierlich hoher Heizbedarf vorliegt und dieser nicht über Nah- oder Fernwärme gedeckt werden kann.
- Das erste größere Brennstoffzellen-Kraftwerk Europas wurde 2016 in Mannheim eröffnet (Nennleistung 1,4 MW, elektrischer Wirkungsgrad 47 %). Es deckt bis zu 60 % des Strombedarfes der Friatec AG und produziert mit DFC-Brennstoffzellen Abwärme auf einem Temperaturniveau bis 400 °C
Literaturverzeichnis
- asue.de (2014): BHKW-Kenndaten 2014/15, zuletzt geprüft am 01.08.2019
- asue.de (2015): BHKW-Fibel, zuletzt geprüft am 01.08.2019
- fuelcellenergy.com: Versorgung, Rückgewinnung, Speicherung, Produkte, zuletzt geprüft am 01.08.2019
- Hesselbach, J. (2012): Energie- und klimaeffiziente Produktion, Springer-Verlag
- industriebau-online.de: Altmannshofer; Robert (2016), E.ON und FRIATEC, zuletzt geprüft am 01.08.2019
- ivk.uni-stuttgart.de: Brennstoffzellen-Antrieb, zuletzt geprüft am 01.08.2019
- wikipedia.org (2019): Blockheizkraftwerk, zuletzt geprüft am 01.08.2019