BLOCKHEIZKRAFTWERK (KWK)

In Zeiten der Energiewende rücken Konzepte zur unabhängigen und dezentralen Nutzenergieerzeugung zunehmend in den Mittelpunkt der Aufmerksamkeit. Energieeffizienz, Flexibilität und Ressourcenschonung sind dabei ausschlaggebende Kriterien. Ein großes Potenzial diesbezüglich bietet die Dezentralisierung der Stromerzeugung mittels Kraft-Wärme-Kopplung. Im Rahmen einer dezentralen und von den energiepolitischen Rahmenbedingungen unabhängigen Energieversorgung von Industrieunternehmen gewinnen Blockheizkraftwerke immer mehr an Bedeutung.

Die Kraft-Wärme-Kopplung, kurz KWK, ist die gleichzeitige Umwandlung von Primärenergie (in Form von Brennstoff) zu thermischer und mechanischer (als Grundlage für die Gewinnung elektrischer) Nutzenergie in einer technischen Anlage. Diese Art der Energieumwandlung ist durch hohe Nutzungsgrade, also die sehr effiziente Umwandlung von Brennstoff zu nutzbarer Energie, gekennzeichnet.

Bei einem Blockheizkraftwerk treibt der Verbrennungsmotor, ein Diesel- oder Ottomotor, einen Generator zur Stromerzeugung an. Die bewährte Motorentechnik kommt aus dem Industriemotoren- bzw. Schiffbau. Der Verbrennungsmotor wiederum treibt einen Generator an, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Dabei werden der größte Teil der Abgaswärme sowie die im Motorkühlwasser und Ölkühler anfallende Wärme als Nutzwärme über Wärmeübertrager ausgekoppelt. Die Blockheizkraftwerk-Funktionsweise ist so aufgebaut, dass der erzeugte Strom entweder direkt vor Ort genutzt oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann. 

Die Anteile von Abgas-, Kühlwasser- und Motorölwärme sind abhängig von der Motorleistung. Bei großen Motoren sind die Wärmeanteile in etwa gleich groß, während bei kleinen Motoren die Kühlwasser- und Motorölwärme überwiegt.

Die Abgaswärme steht auf einem Temperaturniveau von ca. 500 °C zur Verfügung. Am Austritt des Abgas-Wärmeübertragers haben die Abgase in der Regel eine Temperatur von ca. 120 °C. Über einen zusätzlichen Brennwert-Wärmeübertrager können die Abgase im BHKW weiter abgekühlt werden. Durch die Nutzung dieser Kondensationswärme kann der thermische Nutzungsgrad erhöht werden.

Die über das Motorkühlwasser und den Ölkühler anfallende Wärme liegt in einem Temperaturbereich von ca. 85-90°C und wird als Niedertemperaturwärme (=NT-Wärme) bezeichnet. Zu beachten ist, dass die Rücklauftemperatur zur Motorkühlung 70°C möglichst nicht überschreiten darf. Beim Einsatz sogenannter heißgekühlter Motoren in Blockheizkraftwerken sind auch höhere Temperaturen im sekundären Kühlkreislauf möglich.

Blockheizkraftwerke werden von einer Steuerungs- und Regelungseinheit überwacht und gesteuert. Diese Einheit passt den Betrieb der Blockheizkraftwerke an den aktuellen Energiebedarf an und optimiert so die Energieausbeute. Durch die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme kann ein Blockheizkraftwerk einen Gesamtwirkungsgrad von über 90 Prozent erreichen, im Vergleich zu etwa 40 Prozent bei der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme. Dadurch reduziert sich der Brennstoffverbrauch und die CO2-Emissionen werden deutlich gesenkt. 

Für die Wärmeauskopplung aus Blockheizkraftwerken gibt es zwei Varianten:

Die getrennte Auskopplung beider Wärmequellen erfordert zwei unabhängige Sekundärkreislaufe. Dabei wird die Niedertemperaturwärme aus Motorkühlwasser und Ölkühler über einen Wärmeübertrager ausgekoppelt. Die Rücklauftemperatur darf wie bei der einstufigen Wärmeauskopplung 70°C nicht überschreiten. Der Vorlauf hat in der Regel eine Temperatur von ca. 85°C. Die im Abgas enthaltene Energie kann für die Dampf-, Wärmeträgeröl- oder Heißwassererzeugung mittels Abhitzekessel genutzt werden. Eine weitere Einsatzmöglichkeit ist die Nutzung des Abgases in direkten oder indirekten Trocknungsprozessen.

Es bestehen prinzipiell drei unterschiedliche Fahrweisen von KWK-Anlagen. Diese sind

• Wärmegeführte Fahrweise
• Stromgeführte Fahrweise
• Netzgeführte Fahrweise

 Bei der wärmegeführten Fahrweise orientiert sich der Betrieb der KWK-Anlage an dem Wärmebedarf. Die KWK-Anlage folgt dem Wärmebedarf und befindet sich so zum Teil im Teillastbetrieb. Dadurch werden die höchsten Nutzungsgrade erreicht, da keine Wärme unnötigerweise an die Umgebung abgegeben wird.

Allerdings wird bei der wärmegeführten Fahrweise nicht die größtmögliche Strommenge erzeugt. In der Regel ist der Strombedarf eines Kunden größer als die installierte elektrische Leistung. Da der Preis für den Bezug von Strom aus dem Netz jedoch in der Regel höher ist, als die Kosten der Stromerzeugung  in einer KWK-Anlage, kann es sinnvoll sein, einen Teil der erzeugten Wärme an die Umgebung abzugeben, um die Erzeugung von Strom zu erhöhen. Wenn sich die Fahrweise der KWK-Anlage an dem Strombedarf des Kunden orientiert, wird dies als stromgeführte Fahrweise bezeichnet. Das BHKW geht dann nur in Teillastbetrieb, wenn der Strombedarf unterhalb der installierten Leistung der KWK-Anlage liegt. Mit der stromgeführten Fahrweise wird der größtmögliche Anteil am Strombedarf durch die KWK-Anlage gedeckt. Es darf jedoch auch bei der stromgeführten Fahrweise nicht beliebig viel Wärme an die Umgebung abgegeben werden. Über das jeweilige Jahr bzw. Monat muss das Hocheffizienzkriterium eingehalten werden, welches besagt, dass mindestens 70 % der Energie aus dem Brennstoff in Nutzenergie, also Strom und Wärme, umgewandelt werden müssen. Ansonsten können steuerliche Vorteile in Bezug auf die Energiesteuer nicht geltend gemacht werden.

Die netzgeführte Fahrweise nimmt stetig an Bedeutung zu. Bei der netzgeführten Fahrweise wird der Anlagenbetrieb nicht durch den Bedarf des Kunden, sondern durch Netzanforderungen geregelt. Mehrere KWK-Anlagen werden regelungstechnisch zu sogenannten virtuellen Kraftwerken zusammengeschaltet. Ist der Strombedarf im Netz höher als die derzeitig erzeugte elektrische Leistung des BHKW, erhöhen mehrere KWK-Anlagen aus dem virtuellen Kraftwerk ihre elektrische Leistung und stützen so die Netzfrequenz. Übersteigt das Stromangebot im Netz den Bedarf, so reduzieren die KWK-Anlagen aus dem virtuellen Kraftwerk ihre Leistung. In der netzgeführten Fahrweise unterstützen die KWK-Anlagen so die Netzstabilität durch das Anbieten von Regelenergie. Die netzgeführte Fahrweise wird mit dem weiteren Ausbau von erneuerbaren Energien zunehmend an Relevanz gewinnen.