Energie im Doppelpack

Ohne Heizung geht es in diesen Breiten nicht. Und Strom benötigt man ebenfalls. Was liegt da näher, beides in einem Gerät zu produzieren? Vor Ort – im eigenem Ein- oder Zweifamilienhaus. Mittlerweile bieten zahlreiche Hersteller speziell für diese Bereiche Nano- und Mikro-BHKWs an. Damit ist die Technik längst nicht mehr nur etwas für größere Industrieanlagen und Wohnkomplexe. Der Artikel erläutert die technischen Hintergründe und gibt Einblick in die Einsatzmöglichkeiten.

Blockheizkraftwerke (BHKWs), die kombiniert Strom und Wärme erzeugen, gibt es schon lange. Zunächst waren es nur Großanlagen, die ganze Stadtteile beheizten, später kamen etwas kleinere für Einkaufszentren, Schulen und Wohnsiedlungen hinzu. Dann noch kleinere für einen Gutshof oder für Mehrfamilienhäuser. Was im Großen gut funktionierte und sich längst als Stand der Technik etablieren konnte, ließ sich bis vor wenigen Jahren wegen des hohen konstruktiven Aufwands wirtschaftlich nicht beliebig nach unten skalieren. Die sinnvolle Grenze für den Einsatz sogenannter Mini-BHKWs lag beim Energiebedarf größerer Mehrfamilienhäuser, Hotels, Schwimmbäder oder Gewerbeimmobilien. Doch die Hersteller forschten und entwickelten gerade den Zweig der Klein- und Kleinst-BHKWs weiter, und so sind seit rund 5 Jahren eine stetig wachsende Zahl an Geräten für den Ein- und Zweifamilienhaus-Bereich erhältlich, die die Klasse der Mikro- und Nano-Blockheizkraftwerke bilden.
Zum besseren Verständnis liefert Tabelle 1 einen Überblick über die Leistungsbereiche der jeweiligen Klassifizierungen. Dabei ist zu beachten, dass sich in der Literatur keine einheitliche Zuordnung finden lässt. Mancherorts wird beispielsweise die obere elektrische Leistungsgrenze für Mikro-BHKWs mit 10 kW angegeben – wir haben uns hier für die ebenfalls verbreitete 20-kW-Grenze entschieden.

Der Markt bietet ein breites Portfolio
Während die Mikro-BHKWs mit einer elektrischen Leistung von rund 2,5 bis 20 kW typischerweise von konventionellen Hubkolben-Verbrennungsmotoren angetrieben werden, kommen bei den Nano-BHKWs erstmals im großen Stil Stirlingmotoren zum Einsatz – eine Technik, die nach dem 1816 entwickelten Grundprinzip von Robert Stirling arbeitet und somit sogar noch älter ist als Otto- oder Dieselmotoren. Neben den gewöhnlichen Verbrennungsmotoren und den Stirlingmotoren ist im kleinen Leis­tungsbereich schon sehr bald mit einem wachsenden Angebot an Brennstoffzellen-BHKWs zu rechnen. Erste Geräte haben die Feldversuchsphase erfolgreich abgeschlossen. Bei der Bosch-Thermotechnik und den Tochterunternehmen Buderus und Junkers hat man sich beispielsweise im Bereich der Nano-KWK-Anlagen erst seit Kurzem zugunsten der alleinigen Brennstoffzellenentwicklung entschieden. Die Entwicklung der stirling-getriebenen ­BHKWs wird von Bosch nicht weiterverfolgt. Herzstück der Buderus-Energiezentrale vom Typ „­Logapower FC10“ ist eine keramische Festoxid-Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), die mit ca. 700°C arbeitet. Diese gehört zu den sogenannten Hochtemperatur-Brennstoffzellen, deren Vorteile ein sehr hoher elektrischer Wirkungsgrad sowie ein relativ einfacher integrierter Reformierungsprozess sind. Darunter ist die Aufbereitung von Wasserstoff aus dem Erdgas zu verstehen.
Einen weiteren technischen Sonderweg beschreitet der schon seit 10 Jahren erhältliche „lion-Powerblock“ der Firma lion ­energy (Entwicklung: OTAG), der mit einem Dampfmotor (Linator) Strom erzeugt. Als Brennstoffe können Erd- und Flüssiggas sowie Holzpellets verwendet werden. Der „lion-Power­block“ ist damit neben dem stirling-getriebenen „Pellematic Smart_e“ von Ökofen das einzige Gerät dieser Klasse, das mit dem Festbrennstoff Holzpellets arbeiten kann.

Wann sich kleine und kleinste KWK-Geräte lohnen
Doch wann ist es eigentlich sinnvoll, diese Geräte einzusetzen und beispielsweise einer Gasbrennwerttherme zu bevorzugen? Eine Pauschalantwort kann hier leider nicht gegeben werden. Die Anlagenauslegung und die Wahl des entsprechenden Modells hängen stets vom konkreten Einzelfall ab und erfordern sehr genaue Berechnungen sowie eine entsprechende Kompetenz in diesem Bereich. Denn zunächst sind Mikro- und Nano-BHKWs vor allem eines: wesentlich teuerer in der Anschaffung. Das betrifft nicht nur das Blockheizkraftwerk selbst, sondern auch dessen Peripherie, z.B. Pufferspeicher, Abgassystem, gebäudetechnische Infrastruktur mit Vor- und Rücklaufleitungen – die übrigens spezielle hydraulische Anforderungen stellen – sowie natürlich die elektrischen Anschlussleitungen.
Eine Pauschalaussage ist im Zusammenhang mit den Kos­ten bzw. einer möglichen Amortisation dagegen möglich: In Passivhäusern oder auch in anderen Einfamilienhäusern, die nach höheren EnEV-Standards gebaut wurden, werden sich BHKW-Anlagen irgendwo im Unendlichen amortisieren. Genaugenommen arbeiten sie umso rentabler, je schlechter der Wärmeschutz eines Gebäudes ist und natürlich je größer das Objekt ist, vorzugsweise beides zusammen. Denn die Amortisationszeit hängt maßgeblich davon ab, wie lange das BHKWs in Betrieb ist – optimal für die Amortisation wäre es, wenn es rund um die Uhr liefe.

Besserer Nutzen durch gezielten Eigenverbrauch
Natürlich ist es vorteilhaft, wenn der Betreiber eines BHKWs mit dem selbst produzierten Strom zunächst seinen Eigenbedarf deckt, eventuelle Überschüsse ins Netz einspeist und nur wenig Strom aus dem Netz beziehen muss. Weiter optimieren lässt sich das System, wenn sich mehrere Klein-BHKW-Betreiber zusammenschließen und ein sogenanntes „Smart Grid“ betreiben. Das ist ein Netz, das mittels einer bedarfsgerechten intelligenten Schaltung ein „virtuelles Kraftwerk“ bildet. Zurzeit stehen solche „Smart Grid“-Lösungen allerdings noch ganz am Anfang. Das Land Baden-Württemberg fördert gerade ein Demonstrationsprojekt, mit dem die Wirtschaftlichkeit und das Smart-Grid-Potenzial von virtuellen Kraftwerken mit vernetzen Mikro- und Mini-Blockheizkraftwerken (BHKWs) nachgewiesen werden soll. Projektpartner des zweijährigen Projekts „mikroVKK – mikro virtuelle Kombikraftwerke“ sind die Startups GridSystronic Energy und Schäffler Sinnogy sowie die Hochschule Offenburg. GridSystronic ­Energy hat dafür eine zum Patent angemeldete neue Lösung entwickelt, mit der erstmalig auch kleine Anlagen kostengünstig in ein virtuelles Kraftwerk eingebunden werden können. Damit wird es möglich, die Stromerzeugung der BHKWs so zu steuern, dass möglichst viel des erzeugten Stroms im Objekt selbst verbraucht wird oder dass die Netzeinspeisung in kritischen Zeiten reduziert wird. Auch lassen sich mehrere BHKWs im Verbund so steuern, dass möglichst hohe Preise an der Strombörse erzielt werden. Eine neu entwickelte, besonders günstige Anschlussbox ermöglicht die hersteller- und geräteunabhängige Einbindung in ein virtuelles Kraftwerk nicht nur von BHKWs, sondern auch von Wärmepumpen, PV-Anlagen, Windkraftanlagen und Batteriespeichersystemen. Die Steuerung der Anlagen erfolgt über einen zentralen GridSystronic-Server, der selbstlernend die optimalen Betriebsführungsstrategien entwickelt und umsetzt.

Autor: Martin Henze, freier Journalist