FAQ – Blockheizkraftwerke setzen auf Effizienz

Bei der Energieversorgung ist Effizienz gefragt. Als Partner der erneuerbaren Energien und als eine tragende Säule der Energiewende bietet sich die dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) an. Besonders kompakte, motorbetriebene Blockheizkraftwerke (BHKW) haben sich durch die gleichzeitige, verbrauchsnahe Produktion von Strom und Wärme seit Jahren bewährt, ob beim Einsatz in Immobilien und Krankenhäusern, bei Energieversorgern, im Gewerbe oder in der Industrie. Die Hersteller haben das Leistungsspektrum der angebotenen Module ausgebaut. Doch die Marktentwicklung wird den hohen Erwartungen zuletzt nicht gerecht. Innerhalb ihrer Rubrik FAQ – Frequently Asked Questions – beleuchtet das HeizungsJournal die aktuelle Situation bei verbrennungsmotorischen BHKW.

Beim Thema Energieeinsparung und Klimaschutz drängt sich oft auch die Frage nach einer Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) auf. Welche Bedeutung hat die KWK für die Stromerzeugung in Deutschland?

Die Stromerzeugung aus KWK-Anlagen lag vor zwanzig Jahren in Deutschland noch bei rund 60 Mrd. kWh. Im Jahr 2002 trat das KWK-Gesetz (KWKG) erstmals in Kraft, durch das die Modernisierung und die Neuerrichtung von KWK-Anlagen gefördert wurden. In den vergangenen zehn Jahren schwankte die Produktion dann in einem Bereich zwischen 80 Mrd. kWh und 100 Mrd. kWh. Nach Angaben des Bundesverbands der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW) entfiel dabei ein Hauptanteil, sprich rund die Hälfte, auf die allgemeine Versorgung. Etwa ein Drittel stammte aus der industriellen Kraftwirtschaft, zunehmend an Bedeutung hat über die Jahre der Sektor private/sonstige Anlagen gewonnen. Das einst angestrebte energie- und klimapolitische Ziel, den Anteil von KWK-Strom an der Stromerzeugung bis zum Jahr 2020 auf 25 Prozent zu erhöhen, wurde mit dem novellierten, am 1. Januar 2016 in Kraft ge-tretenen KWKG 2016 nach unten korrigiert. Nunmehr wird für das Jahr 2020 Bezug auf eine Nettostrommenge von 110 Mrd. kWh genommen, was einem Anteil von etwa 19 Prozent an der Nettostromerzeugung entspricht. In den Jahren 2014 und 2015 lag der Anteil des in KWK erzeugten Stromes an der Nettostromerzeugung mit rund 95 Mrd. kWh bei etwa 16 Prozent. Der Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung (B.KWK) erwartet durch die Abschwächung des Ausbauziels eine verlangsamte Weiterentwicklung der Stromerzeugung in KWK-Anlagen.

Welche Technik kommt bei der KWK zum Einsatz?

Das Spektrum der KWK ist sehr vielschichtig. Die eingesetzte Technik reicht von Blockheizkraftwerken (BHKW) mit Verbrennungsmotoren, Gasturbinen, Stirlingtechnik oder Brennstoffzellen bis hin zu großen Kraftwerken. Betrachtet man die elektrische Leistung, so besetzen zum Beispiel Brennstoffzellen oder Stirlinganlagen den Bereich der Mikro-KWK. Verbrennungsmotoren findet man über den kompletten Leistungsbereich von der Mini-KWK im einstelligen kW-Bereich bis hin zu mittleren und großen KWK-Anlagen im MW-Bereich.

Darüber hinaus kommen Heizkraftwerke mit mehreren 100 MW Leistung zum Einsatz, wie Gasturbinen oder Dampfturbinen (z. B. in Kohle-, Müll-, Ersatzbrennstoff- und Hackschnitzelkraftwerken).

Welche Rolle spielen BHKW im Rahmen der KWK?

Verbrennungsmotorische BHKW punkten durch ihre kompakte Bauweise. So dominieren sie auch den Anlagenbestand und zwar besonders im kleinen Leistungsbereich. Drei von vier der insgesamt über 51.000 in Deutschland installierten KWK-Anlagen entstammen der elektrischen Leistungsklasse von 5 kW. Nach Berechnung des B.KWK liegen rund 45.000 Motor-BHKW im Bereich der Mini-KWK mit 2 kW bis etwa 50 kW. Doch bei der Stromerzeugung zeigt sich ein anderes Bild. Denn weit über 80 Prozent des jährlich produzierten KWK-Stroms stammt aus großen Gas- und Dampfturbinenanlagen im hohen MW-Bereich.

Welche Komponenten zählen alle zu einem Motor-BHKW?

Herzstück ist ein Verbrennungsmotor, zumeist ein modifizierter Gas-Ottomotor oder Gas-Dieselmotor. Im höheren Leistungsbereich kommen weiterentwickelte Pkw-, Lkw- oder Schiffsmotoren zum Einsatz. Zum Motor gehören dann noch ein Generator zur Stromerzeugung sowie ein Wärmeübertrager zur Wärmeauskopplung. Motor-BHKW werden von den Herstellern in der Regel als kompakte Module mit integrierten Komponenten anschlussfertig für die Installation am Aufstellungsort angeboten. Diese beinhalten dann neben den notwendigen Anschlüssen für Brennstoffzufuhr samt Wärme- und Stromauskopplung beispielsweise auch Komponenten wie Steuerungs- und Regelungstechnik, Zuluft- und Ablufteinrichtungen, Abgasanlage, Katalysator oder Schallschutzeinrichtungen.

Welche Anbieter finden sich im Markt?

Das Angebotsspektrum an Motor-BHKW ist sehr vielfältig. Anbieter finden sich sowohl unter den klassischen Heiztechnikherstellern, wie Vaillant und Viessmann, der Bosch Tochter Bosch Thermotechnik (mit Bosch KWK Systeme), den BDR Thermea Töchtern SenerTec und Remeha oder der Centrotec Sustainable Tochter Wolf (mit Kuntschar + Schlüter und Dreyer & Bosse Kraftwerke), sowie Spezialanbietern, wie 2G Energietechnik, RMB Energie, EC Power, Kraftwerk, KW Energie oder Sokratherm.

Wo liegen die Haupteinsatzgebiete für Motor-BHKW?

Der Einsatz von KWK sollte überall geprüft werden, wo permanenter Bedarf an Wärme (bzw. Kälte) besteht. Während Großkraftwerke besonders für die Nah- und Fernwärmeversorgung zum Einsatz kommen, empfehlen sich kompakte Blockheizkraftwerke für ein breites Anwendungsfeld. Dies reicht von der Immobilienwirtschaft (Wohnhäuser, Bürogebäude, Kaufhäuser, Hotels, Krankenhäuser, Alten- und Pflegeheime) und öffentlichen Gebäuden (Schwimmbäder) sowie Rechenzentren bis hin zu Landwirtschaft, Gewerbe und Industrie (Brauereien, Molkereien). Gerade in der Industrie bieten sich häufig auch Kombinationen mit Wärmerückgewinnung, Wärmepumpen und Kältemaschinen an.

Welche Brennstoffe kommen zum Einsatz?

Während in großen Heizkraftwerken neben Erdgas in der Regel Festbrennstoffe geeignet sind, wie Steinkohle, Braunkohle, Abfälle oder Biomasse, kommen in BHKW gasförmige oder flüssige Brennstoffe zum Einsatz. Neben Erdgas, Flüssiggas und Heizöl empfehlen sich hier auch regenerativ erzeugtes Me-than, Biogas, Klär- und Deponiegas, Grubengas und Pflanzenöl.

Wie hat sich der Markt für BHKW entwickelt?

Das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) informiert regelmäßig über die Zulassung von KWK-Anlagen nach dem KWKG. Die Anzahl der beim BAFA zugelassenen neuen, modernisierten und nachgerüsteten KWK-Anlagen, zu denen auch Motor-BHKW zählen, werden nach Größenklassen und Inbetriebnahmejahren differenziert. Dabei zeigen die Zahlen für die vergangenen Jahre durchweg eine recht uneinheitliche Marktentwicklung.

Der Gesamtmarkt (rund 5.100 Anlagen in 2009) brach 2010 um ein Drittel ein, erholte sich dann Jahr für Jahr (bis auf knapp 7.500 Anlagen in 2014), um 2015 wiederum um ein Drittel zu schrumpfen. Davon waren auch die für die Branche wichtigen Leistungsbereiche betroffen. So haben BHKW mit Leistungen zwischen 2 kW und 50 kW ihren hohen Markterfolg von 2009 nicht wieder erreichen können. Für 2016 liegen noch keine aussagekräftigen Zahlen vor, da das BAFA erst Ende Oktober Förderbescheide für Investitionen in KWK versenden konnte. Experten erwarten jedoch, dass zumindest die Vorjahreszahlen wieder erreicht werden konnten.

Welchen Einfluss hat die Förderung auf den Markt für BHKW?

Der Markt zeigt sich erheblich durch Förderbedingungen beeinflusst. So beklagt sich die Branche seit langem über eine fortwährende Verunsicherung der Verbraucher durch die Politik. Statt laufend über neue Gesetze und Verordnungen zu diskutieren, die die Rahmenbedingungen der KWK beeinflussen, wird eine langfristige Planungs- und Rechtssicherheit eingefordert, um Ruhe im Markt zu bekommen.

Teils mit dramatischen Auswirkungen für die Hersteller verlief das vergangene Jahr. So wurde das neue KWKG im Dezember 2015 verabschiedet. Zwar ist es bereits am 1. Januar 2016 in Kraft getreten, doch stand es noch unter dem Vorbehalt der beihilferechtlichen Genehmigung durch die Europäische Kommission. Durch die über Monate dauernde Verzögerung fühlte sich die KWK-Branche nahezu lahmgelegt. Nachdem die Europäische Kommission das neue KWKG dann am 24. Oktober 2016 beihilferechtlich freigegeben hatte, konnte das BAFA damit beginnen, Förderbescheide über mehr als 1 Mrd. Euro für Investitionen in KWK zu versenden.

Wie gestaltet sich die Förderung?

Die Investition in eine neue oder modernisierte BHKW-Anlage wird von dem BAFA nach dem KWKG gefördert. Informationen über die aktuellen Zuschläge für den KWK-Strom, über die notwendigen Förder-voraussetzungen, zum Antragsverfahren und zu Antragsfristen sind auf der Webseite des BAFA verfügbar.

Zum Beispiel sind die Höhe des Zuschusses sowie die Regelung der Auszahlung von der elektrischen Leistung der KWK-Anlage abhängig. Die Vergütung wird auf der Grundlage des Zulassungsbescheides des BAFA durch den Stromnetzbetreiber ausgezahlt. Werden übrigens mit der gleichzeitig erzeugten Nutzwärme noch weitere Abnehmer mit Wärme versorgt, so kann zusätzlich auch der Leitungsbau gefördert werden. Ebenso gibt es Zuschüsse für Wärme- und Kältespeicher, da KWK-Anlagen damit stärker stromgeführt betrieben werden können, um so einen Ausgleich zur schwankenden Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien zu leisten. Doch gilt es auch hier, Rahmenbedingungen und Antragsfristen zu beachten.

Was zeichnet BHKW aus?

Neben der kompakten Bauweise besonders die Effizienz: Bei der konventionellen Energieversorgung werden Strom und Wärme in der Regel getrennt voneinander erzeugt. Dabei gehen bei der Stromerzeugung in Großkraftwerken riesige Mengen an Abwärme verloren – je nach Kraftwerkstyp mehr als 60 Prozent der eingesetzten Primärenergie. Darüber hinaus entstehen Übertragungsverluste auf dem Weg des Stroms vom Kraftwerk bis zum Verbraucher. Hinzu kommen Verluste bei der Wärmeerzeugung vor Ort.

Blockheizkraftwerke nutzen durch die KWK verbrauchsnah die von den Verbrauchern benötigte Wärme, beispielsweise zum Heizen oder für Produktionsprozesse. Die Nutzwärme eines verbrennungsmotorischen BHKW lässt sich mittels Wärmeübertrager aus dem Abgas und dem Kühlwasser gewinnen. Je nach Anwendung lassen sich Motorabgase auch direkt nutzten, so die Wärme in Ziegeleien oder das Kohlendioxid in Gewächshäusern. Verluste entstehen bei den Blockheizkraftwerken im Bereich des Generators und Wärmeübertragers sowie durch Strahlungswärme und das Abgas. Insgesamt kann das BHKW durch die gekoppelte Erzeugung von Strom und Wärme nach Berechnung der Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch (ASUE) rund ein Drittel Primärenergie einsparen.

Wie effizient sind Motor-BHKW?

Durch die gleichzeitige Nutzung von Strom und Heizwärme werden in Motor-BHKW Gesamtwirkungsgrade von etwa 90 Prozent erreicht. Dabei reichen die elektrischen Wirkungsgrade von rund 25 Prozent bei Motoren mit kleiner Leistung bis über 40 Prozent bei größeren Motoren. Die thermischen Wirkungsgrade variieren zwischen etwa 60 Prozent bei den kleinen und circa 45 Prozent bei den großen Motoren.

Hier kann es im Markt zu Verwirrung kommen, wenn Verbraucher dies mit den Wirkungsgradangaben bei Heizkesseln vergleichen. Doch bei einer Heizung wird ausschließlich die Wärme zur Deckung des Heiz- und Warmwasserbedarfs betrachtet. Der angegebene Wirkungsgrad gilt also nur für den Wärmeprozess. Hierbei nutzen Brennwertkessel die eingesetzte Wärmeenergie im Optimalfall bis zu 98 Prozent und Niedertemperaturkessel bis zu rund 90 Prozent. Diese Angabe des Normnutzungs-grads bezieht sich auf den Brennwert H_s (früher: oberer Heizwert H_o).

Für eine vergleichende Betrachtung des Wirkungsgrads müsste bei der Heizung auch der aus dem öffentlichen Netz bezogene Strom mit einfließen. Bei KWK-Anlagen werden der elektrische Wirkungsgrad sowie der sich aus der zusätzlichen Nutzung der anfallenden Wärme ergebende thermische Wirkungsgrad zu einem Anlagen-Gesamtwirkungsgrad addiert. Je nach Anwendung und eingesetzter Technik können auch BHKW-Anlagen die im Abgas enthaltene latente Wärme nutzen, in der Regel durch Kondensation des in den Rauchgasen enthaltenen Wasserdampfs. Für einen echten Vergleich muss man darauf achten, ob die Hersteller bei ihren Angaben den thermischen Wirkungsgrad und damit den Gesamtwirkungsgrad auch auf den Brennwert H_s (früher: oberer Heizwert H_o) beziehen oder nur auf den Heizwert H_i (früher: unterer Heizwert H_u), was zur Angabe von vermeintlich höheren Wirkungsgraden führt.

Was sollte bei der Auslegung und Dimensionierung eines BHKW beachtet werden?

Wichtige Planungsgrundlage ist eine exakte Ermittlung des Strom- und Wärmebedarfs. Experten empfehlen eine Auslegung, bei der die erzeugte Wärme samt Strom möglichst vollständig genutzt werden. Für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ist schließlich auch entscheidend, ob eine stromgeführte oder eine wärmegeführte Betriebsweise gewählt wird. Für eine lange Laufzeit mit jährlich mindestens 4.000 bis zu idealerweise 8.000 Vollbenutzungsstunden empfiehlt es sich in der Regel, die Wärmenennleistung des BHKW nicht auf die maximal benötigte Heizwärmeleistung auszulegen, sondern nur auf die Grundlast. Ein zusätzlicher Heizkessel deckt dann den verbleibenden Wärmebedarf (Spitzenlast).

Interessant bleibt, wie sich die Energiewende und Klimaschutzpläne auf die künftige Planung auswirken, welche Rolle Blockheizkraftwerke in naher und ferner Zukunft im Zuge der politisch diskutierten Dekarbonisierungs- und Elektrifizierungsstrategien einnehmen. Können sie zum Beispiel die vom B.KWK postulierte Rolle als Partner der erneuerbaren Energien ausfüllen, mit Einsatz von Strom- und Wärmespeichern sowie der Nutzung regenerativer Energieträger.

Müssen dabei zusätzliche Vorschriften berücksichtigt werden?

Generell müssen verbrennungsmotorische BHKW die für ihren Einsatz geltenden Gesetze, Rechtsverordnungen und Verwaltungsvorschriften einhalten. Diese richten sich nach ihrer Leistung, dem eingesetzten Brennstoff und der Anwendung bzw. dem Einsatzort. So soll die Bevölkerung vor schädlichen Umwelt­einwirkungen (wie Emissionen, Immissionen, Lärm) geschützt werden. Von Bedeutung können zum Beispiel das Bundesimmissionsschutzgesetz (BImSchG), Bundesimmissionsschutzverordnungen (BImSchV), Verwaltungsvorschriften, wie die Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm (TA Lärm) und die Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft), oder die Feuerungsverordnung (FeuVO) sein.

Welche Faktoren spielen bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung eine Rolle?

Basis jeglicher Planung für eine BHKW-Anlage ist eine genaue Erfassung des Strom- und Wärmebedarfs mit einer konzeptionell optimalen Auslegung des Blockheizkraftwerks. In eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung müssen dann sowohl die einmaligen Investitionskosten als auch die laufenden Betriebskosten samt Fördermittel und vermiedener Energiekosten mit einfließen. Zu den Investitionskosten zählen beispielsweise Planung, BHKW-Modul (inklusive Brennwert-Wärmeübertrager, Schalldämmkapsel, Schalt- und Steuerschrank sowie Fernüberwachung), Spitzenlastheizkessel, Wärmespeicher, Transport, Montage, Abgasanlage, Einbindung in das Strom- und Wärmeverteilnetz sowie die Inbetriebnahme. Zu den Betriebskosten zählen besonders die Brennstoffkosten. Hinzu kommen Wartung und Instandhaltung. Für eine wirtschaftliche Bilanzierung werden schließlich die Erzeugungskosten für Strom und Wärme mit den vermiedenen Kosten aus einer konventionellen Versorgung (sprich Strombezug und Wärmeerzeugung) sowie eventueller Einnahmen aus Verkauf/Einspeisung, Fördermitteln und Energiesteuer-Rückerstattung ver­glichen.