Aufbau und Funktionsweise

Das Mini-BHKW

Abbildung 6: Schematischer Aufbau eines Mini-BHKW

 

Unter Mini-BHKW versteht man im Allgemeinen ein Motor-BHKW-Modul mit kleiner Leistung. Es besteht im Wesentlichen aus dem Verbrennungsmotor als An¬triebseinheit, dem Generator zur Stromerzeugung und den Wärmetauschern, welche die im Kühlwasser und im Abgas enthaltene Wärme auskoppeln und als Nutz¬wärme zur Verfügung stellen.
Neue Mini-BHKW-Konzepte, die ohne Verbrennungs¬motor arbeiten, sind zur Zeit in der Entwicklung und teilweise bereits am Markt erhältlich. Dabei handelt es sich um Dampfmotor, Stirlingmotor und Brennstoff-zellen-BHKW. Diese Technologien werden in Kapitel 5 gesondert vorgestellt.

Abbildung 7: Mini-BHKW in geöffnetem Zustand

 Leistung

Das kleinste heute verfügbare Motor-BHKW hat eine thermische Leistung von 2,5 kW und eine elektrische Leistung von 1 kW. Verschiedene Module können auch im Teillastbetrieb eingesetzt werden und so eine vorgegebene Wärmelast-kurve abfahren.


Wirkungsgrade und Stromkennzahl

Wichtige Größen zur Charakterisierung eines Mini-BHKW sind der elektrische und der thermische Wirkungsgrad sowie die Stromkennzahl. Der elektrische Wirkungsgrad ist als Verhältnis der elektrischen Abgabeleistung zur Brennstoff¬leistung (bezogen auf den Heizwert) angegeben. In ähnlicher Weise ist der thermische Wirkungsgrad als Verhältnis der thermischen Abgabeleistung zur Brennstoffleistung definiert. Aus der Addition von elektrischem und thermischem Wirkungsgrad ergibt sich der Gesamtwirkungsgrad, der beschreibt, zu welchem Anteil die eingesetzte Brennstoff¬leistung in Nutzleistung in Form von elektrischer und thermischer Leistung umgewandelt wird.
Mini-BHKW erreichen einen Gesamtwirkungsgrad von 85% bis über 95%, wobei 55% – 65% auf die Wärmeerzeugung und 25% – 35% auf die Stromerzeugung entfallen.
Die Stromkennzahl bezeichnet das Verhältnis aus elektrischem zu thermischem Wirkungsgrad. Für die einzelnen Mini-BHKW liegen die Stromkennzahlen um 0,4 bis 0,5, d.h. es fällt – je nach Modul etwas unterschiedlich – etwa doppelt soviel Wärmeenergie wie Strom an.

Nutzungsdauer

Die Lebensdauer der Mini-BHWK wird von den Herstellern mit etwa 80.000 Betriebsstunden angegeben, das entspricht rund 15 Jahren bei jährlich 5.000 bis 5.500 Benutzungsstunden. Während dieser Zeit wird meist eine Überholung oder der Austausch des Motors notwendig.


Der Motor

Die eingesetzten Motoren sind Viertakt-Hubkolbenmotoren, die nach dem Gas-Ottomotorprinzip oder nach dem Dieselprinzip arbeiten. Für Mini-BHKW werden sowohl speziell entwickelte Motoren als auch modifizierte Fahrzeug- und Industriemotoren eingesetzt, bei denen das Kühlsystem, die Zündung, die Abgasanlage und einiges mehr für den BHKW-Betrieb angepasst werden.

Der Generator


Die mechanische Energie des Motors wird durch einen Drehstromgenerator in elektrische Energie umgewandelt. Wenn das Mini-BHKW ausschließlich netzparallel betrieben wird, d.h. ständig mit dem öffentlichen Stromnetz gekoppelt ist, wird ein Asynchrongenerator eingesetzt. Synchrongeneratoren kommen für Mini-BHKW zum Einsatz, die auch oder ausschließlich im Inselbetrieb, d.h. unabhängig vom Stromnetz, betrieben werden sowie für Anlagen, die auch für den Netzersatzbetrieb, d.h. zur Notstromversorgung bei Netzausfall, vorgesehen sind. Synchrongeneratoren bieten darüber hinaus die Möglichkeit zur Leistungsmodulation über die Variation der Motordrehzahl.

Die Wärmetauscher


Die Wärmetauscher nehmen die im Motorkühlwasser, im Motoröl, im Generator und u.U. im Abgas enthaltene Wärme auf und geben sie an das Heizungs- und Warmwassersystem ab. Meistens ist der Kühlwasserkreislauf vom Heizungskreis getrennt, um etwaige Verschmutzungen nicht in den Motor gelangen zu lassen. Abhängig vom Modul besteht auch die Möglichkeit, den Motor direkt mit Heizungswasser zu kühlen, wodurch Wärmeübertragungsverluste vermieden werden.
Einige Hersteller bieten zusätzlich einen Kondensationswärmetauscher zur Brennwertnutzung an, mit dem der Gesamt¬wirkungsgrad des BHKW – abhängig von der Rücklauftemperatur – um bis zu 10 Prozentpunkte gesteigert werden kann.

Brennwertnutzung
Die bei der Verbrennung von Erdgas oder Heizöl entstehenden Abgase enthalten Wasserdampf, dessen Konden¬sation normalerweise vermieden wird, um den Heizkessel und den Schornstein vor Feuchte und Korrosion zu schützen. Im Wasserdampf ist jedoch Verdampfungswärme ("latente" Wärme) gebunden, die auch als Heiz¬wärme genutzt werden kann. Dazu wird der Wasserdampf durch Abkühlung des Abgases auf 25 – 60°C kon¬densiert und die latente Wärme freigesetzt. Der Anteil der latenten Wärme beträgt für Heizöl ungefähr 6%, für Erdgas zirka 11% der im Brennstoff enthaltenen Wärmeenergie. Wie viel der latenten Wärme genutzt werden kann, hängt weitgehend von der Betriebstemperatur ab. Brennwerttechnik wird hauptsächlich bei Erdgas einge¬setzt, da hier größere Wärmegewinne erreicht werden. Bei Heizöl ist der Gewinn kleiner und der Aufwand größer, da sich im Kondensat Schwefelsäure bildet. Durch die Einführung von schwefelarmem Heizöl könnte dies jedoch weitgehend vermieden werden.
Die Bezeichnung Brennwertnutzung beruht auf der Unterscheidung von Heizwert und Brennwert eines Brennstoffs. Der Heizwert (früher: unterer Heizwert) ist der Energieanteil, der bei vollständiger Verbrennung als fühlbare, "sensible" Wärme frei wird. Der Brennwert (früher: oberer Heizwert) hingegen beinhaltet auch die im Wasserdampf gebundene, "latente" Wärme. Da der Wirkungsgrad einer Heizungsanlage auf den Heizwert des Brennstoffs bezogen wird, können durch Brennwertnutzung Wirkungsgrade größer als 100% erzielt werden.

Der Spitzenkessel
Als Spitzenkessel wird entweder ein bereits vorhandener Heizkessel oder besser ein Brennwertkessel eingesetzt. Die erforderliche Leistung des Spitzenkessels ergibt sich aus der Differenz zwischen der maximalen Wärmelast nach DIN 4701 und der thermischen Leistung des Mini-BHKW. In der Praxis wird die Leistung des Spitzenkessels oft größer gewählt, damit dieser gegebenenfalls bei einem Ausfall des Mini-BHKW die gesamte Wärmeversorgung sicherstellen kann. Der Spitzenkessel wird – je nach Anlagenkonzept – parallel oder in Reihe zum Mini-BHKW geschaltet. Der Anteil des Spitzenkessels an der gesamten Wärmebereitstellung hängt vom Verlauf des Wärmebedarfs und von der Auslegung des Mini-BHKW ab und variiert in den typischen Einsatzgebieten etwa zwischen 25% und 40%.

Der Pufferspeicher

Der Pufferspeicher dient als „Wärmepuffer“ zwischen dem Zeitpunkt der Erzeugung und der Nutzung der Wärme. Er wird in das Heizungsnetz eingebunden und mit Heizungswasser durchströmt. Als Pufferspeicher werden meist Schichtspeicher eingesetzt, die die Wärme über einige Stunden speichern können. Das Brauchwasser wird über einen Wärme¬tauscher am oberen, d.h. am wärmeren Ende des Schichtspeichers erhitzt.
Für ein Mini-BHKW mit 12 kW thermischer Leistung wird ein Pufferspeicher mit einem Volumen von mindestens 500 Litern, besser jedoch von 1000 Litern, eingesetzt (siehe auch Kapitel 7.2.2).

Der Brauchwasserspeicher
Der Brauchwasserspeicher stellt eine Reserve für warmes Trinkwasser bereit und ist verbraucherseitig in das Warm-wassersystem eingebunden. Er ist vom Heizungskreislauf getrennt und wird nur mit Trinkwasser durchströmt. Wenn kein Pufferspeicher im Heizungssystem vorhanden ist, ist der Brauchwasserspeicher wichtig, damit das Mini-BHKW nicht bei jeder kurzzeitigen Warmwasseranforderung für einige Minuten laufen muss. Ist jedoch ein ausreichend dimen¬sionierter Pufferspeicher eingebunden, kann aus diesem der Warmwasserbedarf über einen leistungsfähigen Plattenwärmetauscher direkt gedeckt werden.
Bei kurzzeitigen Wärmelastspitzen wird durch die Entladung des Brauchwasserspeichers das Hinzuschalten des Spitzenkessels vermieden und dadurch die Mini-BHKW-Laufzeit erhöht.

 

 

 

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