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Blockheizkraftwerk

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Akronym: BHKW

Definition: ein modular aufgebautes Heizkraftwerk mit eher geringer elektrischer und thermischer Leistung

Englisch: communal heating power station, decentralized combined heat and power station

Kategorien: elektrische Energie, Haustechnik, Kraftmaschinen und Kraftwerke

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 08.03.2010; letzte Änderung: 04.08.2016

Lesen Sie auch den Extra-Artikel "Blockheizkraftwerke – eine Wunderlösung?"!

Ein Blockheizkraftwerk ist ein Heizkraftwerk eher geringer Leistung (zwischen einigen Kilowatt und etlichen Megawatt). Es steht meist nahe bei einem oder mehreren Abnehmern von Wärme, die z. B. für Heizzwecke genutzt wird. Die Wärme kann im gleichen Gebäude verbraucht oder auch mit einem Nahwärmenetz verteilt werden. Die erzeugte elektrische Energie wird häufig zum größeren Teil lokal verbraucht, aber Überschüsse können in das öffentliche Netz eingespeist werden.

Typische Anwendungsfelder für Blockheizkraftwerke sind die Beheizung und Warmwasserversorgung von Wohn-, Büro- und gewerblichen Gebäuden sowie die Wärmeversorgung von Schwimmbädern, Krankenhäusern und Produktionsbetrieben. In Kläranlagen kann ein BHKW das in Faultürmen gewonnene Klärgas verstromen und gleichzeitig Wärme für die Faultürme liefern. Eine Variante ist die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung, bei der z. B. im Sommer die erzeugte Wärme für den Betrieb einer Absorptionswärmepumpe zur Kälteerzeugung genutzt wird. Dies ist beispielsweise für Rechenzentren interessant, die einen hohen Aufwand für die Kühlung der Computer haben.

Technische Varianten

Vor allem kleinere Blockheizkraftwerke basieren häufig auf einem mit Erdgas oder Biogas betriebenen Gasmotor oder einem Dieselmotor, der einen Generator antreibt. (Ein Dieselmotor kann zumindest teilweise auch mit Gas betrieben werden.) Die Nutzwärme wird einerseits dem Kühlwasserkreislauf (z. B. bei 90 °C) und andererseits (oft bei rund 100 °C) einem Abgas-Wärmeübertrager entnommen. Häufig reduziert ein Abgaskatalysator die Schadstoffbelastung der Abgase. Die Motorentechnik entspricht im Wesentlichen der von Auto- oder Lastwagenmotoren. Manche Motoren werden für den Betrieb mit erneuerbaren Rohstoffen umgerüstet, etwa für Biogas oder Pflanzenöl (z. B. Rapsöl oder Palmöl). Es gibt auch spezielle heißgekühlte Motoren, die die Wärme auf einem höheren Temperaturniveau (bis ca. 130 °C) liefern.

Etwas größere Anlagen mit elektrischen Leistungen von z. B. 1 MW enthalten häufig mehrere Motor-/Generator-Einheiten. Bei reduziertem Leistungsbedarf kann dann die Anzahl der (weiterhin mit Volllast) betriebenen Einheiten reduziert werden, d. h. ein Teil der Aggregate wird abgeschaltet. Der modulare Aufbau ermöglicht auch die allmähliche Erhöhung der Leistung (z. B. nach Anschluss zusätzlicher Verbraucher) durch den Einbau von zusätzlichen Aggregaten. Die Verfügbarkeit und damit die Versorgungssicherheit wird verbessert, weil der Ausfall eines Aggregats leicht von den anderen ausgeglichen werden kann. Allerdings sind die Investitionskosten bei Aufteilung auf mehrere Aggregate oft höher, und der elektrische Wirkungsgrad kann für kleinere Aggregate geringer sein.

Gasturbinen können trotz niedrigerer elektrischer Wirkungsgrade interessant sein.

Größere Blockheizkraftwerke basieren manchmal auf Gasturbinen (meist im industriellen Bereich). Dies führt zwar zu einem niedrigeren elektrischen Wirkungsgrad von häufig etwas unter 30 % (verglichen mit über 40 % für umgerüstete Schiffsdieselmotoren), jedoch erweitert das hohe Temperaturniveau der Abwärme die Palette der Nutzungsmöglichkeiten für die Wärme erheblich. Beispielsweise wird häufig nur so der Einsatz als Prozesswärme möglich, auch die Erzeugung von Dampf. Ebenfalls ist der Wartungsaufwand bei Gasturbinen in der Regel niedriger als bei Verbrennungsmotoren, und eine aufwendige Abgasnachbehandlung ist oft nicht notwendig.

Selbst im Bereich kleinerer Leistungen (einige zehn Kilowatt) kommen Mikrogasturbinen zum Einsatz, die auch mit Biogas niedriger Qualität gut arbeiten können.

Es gibt Blockheizkraftwerke, in denen vom Motor auch eine Kompressionswärmepumpe angetrieben werden kann. Dann kann bei hohem Strombedarf der Generator benutzt werden, bei hohem Wärmebedarf dagegen die Wärmepumpe. Wenn der Verbrennungsmotor abgekoppelt werden kann und der Generator auch als Elektromotor arbeiten kann, ist sogar auch der Betrieb als Elektrowärmepumpe möglich.

Anstelle von herkömmlichen Verbrennungsmotoren werden manchmal auch Stirling- und Holzvergasermotoren und Dampfmotoren (die auch die Verwendung fester Brennstoffe ermöglichen) eingesetzt. Auch wenn diese Technologien geringere elektrische Wirkungsgrade erzielen, haben sie den großen Vorteil, den Einsatz erneuerbarer Energie zu erleichtern.

Die Temperatur der Abwärme reicht häufig auch aus, um eine Absorptionswärmepumpe zu betreiben. Damit lässt sich die erzeugte Menge von Nutzwärme deutlich erhöhen, sofern diese auf einem relativ niedrigen Temperaturniveau benötigt wird. Ein ähnliches Gerät kann auch für den Betrieb von Klimaanlagen verwendet werden.

Brennstoffzellen sind ebenfalls im Prinzip sehr gut für Blockheizkraftwerke geeignet, kommen aber vor allem aus Kostengründen bisher selten zum Einsatz. Zukünftig könnten sie vor allem auch im kleinen Leistungsbereich zum Einsatz kommen und dann höhere elektrische Wirkungsgrade als andere Technologien bieten.

Wirkungsgrade

Bei allen Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung sind verschiedene Arten von Wirkungsgraden zu berücksichtigen:

Die folgende Tabelle gibt einige grobe Anhaltspunkte für mögliche Wirkungsgrade verschiedener Typen von Blockheizkraftwerken. Man beachte aber, dass die Zahlen im Einzelfall auch deutlich abweichen können.

Anlagentyp elektrischer Wirkungsgrad thermischer Wirkungsgrad
Kleines Gas-BHKW mit 10 kW elektrischer Leistung 30 % 60 %
Gas-BHKW mit 100 kW elektrischer Leistung 35 % 55 %
Großes Gas-BHKW mit 1000 kW elektrischer Leistung 40 % 45 %

Das große BHKW hat mit 85 % zwar einen etwas geringeren Gesamtwirkungsgrad, da z. B. eine Brennwertnutzung schwerer realisierbar ist. Trotzdem ist es als energieeffizienter zu betrachten wegen des hohen elektrischen Wirkungsgrads. Gleichzeitig sind die spezifischen Investitionskosten wesentlich niedriger (z. T. deutlich unter 500 €/kW). Dafür steigt aber u. U. der Aufwand für die Wärmeverteilung.

Dimensionierung eines Blockheizkraftwerks; Spitzenlastkessel

Die richtige Dimensionierung eines BHKW ist wichtig für seine Wirtschaftlichkeit.

Der Motor eines Blockheizkraftwerks wird in der thermischen Leistung meist so ausgelegt, dass nur in etwa der Sockel des Wärmebedarfs, aber nicht der höchste Wärmebedarf im Winter abgedeckt wird. Nur so kann nämlich eine hohe Volllaststundenzahl (z. B. mehr als 5000 Stunden pro Jahr) erzielt werden, was für die Amortisation der Investitionen wichtig ist. Für höheren Wärmebedarf wird parallel ein Spitzenlastkessel (ein Heizkessel) verwendet. Mit diesem können auch Ausfallzeiten des Motors überbrückt werden.

Für eine hohe Energieeffizienz ist es wünschenswert, dass ein möglichst hoher Anteil der Wärmelieferung vom Blockheizkraftwerk (und nicht vom Spitzenlastkessel) geleistet wird. Eine in diesem Sinne erfolgte großzügige Dimensionierung bedeutet aber, dass die Zahl der Volllaststunden abnimmt und die Amortisation der dann höheren Investition schwieriger werden kann (vor allem bei kleinen Anlagen). Unter Umständen kann auch ein häufigerer Teillastbetrieb den elektrischen Wirkungsgrad reduzieren.

Eine zusätzliche energiewirtschaftlich günstige Auswirkung einer größeren Auslegung ist, dass der Anteil der im Winter erzeugten elektrischen Energie steigt. Dies führt aber bisher in der Regel nicht zu einem finanziellen Vorteil für den Betreiber, da die Einspeisevergütung nicht von der Jahreszeit abhängt. Es sollte erwogen werden, zukünftig eine solche Differenzierung vorzunehmen, da dies einen größeren Ausbau des Leistungsangebots im Winter bringen würde, was Einsparungen von Kraftwerkskapazitäten an anderer Stelle ermöglichen würde. Gerade bei großen BHKW bestünde ein kostengünstiges Potenzial für höhere Kapazitäten, da dort die spezifischen Investitionskosten recht niedrig sind.

Primärenergiequellen

Leider verbrauchen BHKW meist Erdgas, Heizöl oder andere wertvolle Primärenergieträger. Es wäre sehr interessant, sie auch z. B. mit Holz betreiben zu können.

Blockheizkraftwerke nutzen häufig Erdgas oder Heizöl und damit knapper werdende und besonders wertvolle fossile Brennstoffe – dies immerhin deutlich effizienter als beim Einsatz in Heizkesseln. Günstiger ist jedoch im Sinne des Klimaschutzes der Einsatz von Biogas.

Zukünftig wird es wichtig sein, die Energieträgerbasis für Blockheizkraftwerke zu erweitern. Insbesondere wäre es interessant, Holz z. B. über Stirling-Motoren nutzen zu können, um auf diese Weise verstärkt erneuerbare Energie zu nutzen. Auch die Technologie der Biomassevergasung könnte hier nützlich werden.

Eigenverbrauch und Stromeinspeisung

Häufig wird der erzeugte Strom vom Betreiber des Blockheizkraftwerks selbst verbraucht. Der Eigenverbrauch ersetzt dann Strombezug aus dem Stromnetz. Überschüsse werden in aller Regel in das Stromnetz eingespeist, wofür eine Einspeisevergütung erhalten wird. Die Einspeisung erfolgt bei kleineren Anlagen über das Niederspannungsnetz, bei großen Anlagen (z. B. mehr als 1 MW elektrische Leistung) eher über das Mittelspannungsnetz.

Anpassung der Leistung an die Nachfrage

Viele BHKW arbeiten wärmegeführt. Sie nutzen alle erzeugte Wärme gut, produzieren elektrische Energie aber nicht optimal nach dem Bedarf. Immerhin produzieren sie meist im Winter mehr, was günstig ist.

Blockheizkraftwerke arbeiten z. B. in Deutschland häufig wärmegeführt, d. h. die momentan erzeugte Leistung richtet sich nach dem Wärmebedarf. Die Maximalleistung richtet sich häufig nach der Grundlast des Wärmebedarfs. Die wärmegeführte Betriebsweise ist zumindest bei Verwendung fossiler Brennstoffe meist am wirtschaftlichsten, wenn Überschüsse in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden können.

Die zeitweilige Zwischenspeicherung von überschüssiger Wärme (z. B. in einem zusätzlichen Pufferspeicher) ermöglicht es, die Stromerzeugung zumindest innerhalb eines Tages mehr auf die Spitzenlastzeiten zu konzentrieren (zeitweise stromgeführter Betrieb). Allerdings bietet die EEG-Einspeisevergütung hierfür bisher keinen finanziellen Anreiz.

Stromgeführte BHKW produzieren vermehrt wertvollen Spitzenlaststrom.

Blockheizkraftwerke arbeiten manchmal stromgeführt, d. h. die Leistung richtet sich nach dem Bedarf an elektrischer Energie. Je nach Situation wird die Wärmeerzeugung dann mit einem zusätzlichen Spitzenlast-Heizkessel ergänzt (bivalenter Betrieb), oder Abwärme wird ungenutzt abgegeben, etwa über einen Notkühler. Der stromgeführte Betrieb kommt auch vor in Inselnetzen, oder wenn ein Energieversorgungsunternehmen ein netzgeführtes BHKW an einem Fernwärmenetz anschließt, um Spitzenlaststrom ohne Berücksichtigung eines lokalen Wärmebedarfs zu erzeugen. Die erreichte Zahl der Volllaststunden ist dann zwar eher gering, aber der Spitzenlaststrom ist wertvoller, und bei ausreichender Größe sind die Investitionskosten auch dann gut tragbar.

Im Falle von lokal begrenzt verfügbaren nachwachsenden Rohstoffen (z. B. Biogas in einem landwirtschaftlichen Betrieb) kann die Betriebszeit auch durch die Verfügbarkeit eines Rohstoffs begrenzt sein und wird dann auf Zeiten mit höherem Strom- und Wärmebedarf konzentriert. Die Speicherung der Rohstoffe ist nämlich einfacher als die von elektrischer Energie oder Wärme.

Die Leistung eines Blockheizkraftwerks kann kontinuierlich geregelt werden. Da jedoch im Teillastbetrieb der elektrische Wirkungsgrad meist sinkt, kann es günstiger sein, einen Taktbetrieb zu realisieren. Auch eine Kombination ist möglich: kontinuierliche Regelung z. B. bis herunter zu einer Leistung von 60 % der Maximalleistung, darunter Taktbetrieb in Verbindung mit einem Pufferspeicher.

Ökonomische und ökologische Aspekte

Durch die Kraft-Wärme-Kopplung erreichen Blockheizkraftwerke meist einen hohen Nutzungsgrad für die eingesetzte Primärenergie, verglichen mit der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme. Jedoch hängen der elektrische und thermische Wirkungsgrad deutlich vom Anlagentyp ab, und der Jahresnutzungsgrad zusätzlich von der Betriebsweise (z. B. wärme- oder stromgeführt). Vorteilhaft sind die aufgrund der Verbrauchernähe geringen Verteilungsverluste für Strom und Wärme.

Für die ökonomische und ökologische Bewertung ist nicht nur der Jahresnutzungsgrad relevant:

Wie vergleicht man BHKW sinnvoll mit anderen Technologien?

Wegen der ökologischen Vorteile von Blockheizkraftwerken, die jedoch nicht immer mit direkten ökonomischen Vorteilen einhergehen, wird ihr Einsatz (wie auch der von anderen Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung) vielerorts vom Staat finanziell gefördert. Beispielsweise gilt die Regel der vorrangigen Einspeisung in Deutschland nicht nur für Strom aus erneuerbaren Energien, sondern auch für KWK-Anlagen, und es gibt einen KWK-Bonus.

Rolle von Blockheizkraftwerken bei der Energiewende

Eine zeitunabhängige Einspeisevergütung für Blockheizkraftwerke ist sinnvoll, solange ein Großteil des Stroms in fossil befeuerten Kraftwerken ohne Abwärmenutzung erzeugt wird.

Im Rahmen der deutschen Energiewende wird der Einsatz der Kraft-Wärme-Kopplung, insbesondere auch mit Verwendung von Blockheizkraftwerken, staatlich gefördert, nämlich mit einer garantierten Einspeisevergütung und einem KWK-Bonus. Bislang ist die Einspeisevergütung nicht von dem jeweiligen Strombedarf im öffentlichen Stromnetz oder von der Tageszeit abhängig. Deswegen werden Blockheizkraftwerke meist wärmegeführt betrieben – sie werden also meistens so viel wie möglich betrieben, begrenzt nur durch den jeweiligen Wärmebedarf. Gerade wenn das Blockheizkraftwerk klein dimensioniert ist, sodass es nur den kleineren Teil des Wärmebedarfs z. B. eines Gebäudes ticken kann, ergeben sich dadurch viele Volllaststunden pro Jahr, was betriebswirtschaftlich günstig ist; die Investitionskosten fallen dann relativ wenig ins Gewicht. Solange die Stromerzeugung des Landes zu einem großen Teil mithilfe fossil befeuerte Kraftwerke ohne Abwärmenutzung erfolgt, ist es auch volkswirtschaftlich und ökologisch durchaus sinnvoll, Blockheizkraftwerke möglichst stark auszulasten.

Bei zunehmendem Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung müssen die Blockheizkraftwerke zunehmend je nach dem jeweiligen Strombedarf eingesetzt werden.

In Zukunft wird allerdings der Beitrag erneuerbarer Energien zur öffentlichen Stromversorgung weiter zunehmen, und dies hat Auswirkungen auf die Rolle der Blockheizkraftwerke. Wenn beispielsweise durch starke Beiträge der Windenergie und/oder Photovoltaik ein Überschuss an elektrischer Leistung besteht, ist es volkswirtschaftlich und ökologisch nicht mehr sinnvoll, dass zusätzlich auch Blockheizkraftwerke Strom erzeugen, vor allem wenn diese fossile Energieträger wie Erdgas verbrennen. Deren Betrieb sollte sich dann also zunehmend auch nach dem Strombedarf im Netz richten. Hierfür muss natürlich die Einspeisevergütung entsprechend gestaltet werden. Im einfachsten Falle macht man sie von der Tageszeit abhängig (zeitvariable Vergütung) – beispielsweise hoch in den Abendstunden, wo der Strombedarf hoch ist und die Photovoltaik nichts mehr beiträgt, und zu anderen Zeiten (vor allem nachts) niedriger. Energiewirtschaftlich günstiger wäre natürlich eine vom tatsächlichen Bedarf abhängige Preisgestaltung, was freilich mit einem größeren technischen und administrativen Aufwand verbunden ist.

In Dänemark arbeiten die Blockheizkraftwerke bereits zum guten Teil nur noch für die Spitzenlasterzeugung.

Im Vergleich zu Deutschland ist die Energiewende in Dänemark bereits weiter fortgeschritten, insbesondere mit einem sehr hohen Anteil der Windenergie an der Stromerzeugung (in 2014 bereits 39 %). Für die meisten kleineren Blockheizkraftwerke (bis 5 MW) gilt der sogenannte Tripple-Tarif mit einer Unterscheidung von Schwachlast-, Mittellast- und Spitzenlastzeiten, für die es Einspeisevergütung in sehr unterschiedlicher Höhe gibt. Strom aus größeren Anlagen wird dagegen an der Strombörse vermarktet, unterstützt durch Umlagen und einen Kapazitätszuschlag; besonders auch hier entstehen entsprechende Anreize für den Betrieb vorzugsweise zu Zeiten mit hohem Strombedarf. Dies führt dazu, dass die meisten dieser Kraftwerke nur noch für relativ wenige Volllaststunden pro Jahr eingesetzt werden (in 2013 nur noch gut 1500 Stunden, also weitaus weniger als in Deutschland). Die Rentabilität älterer Anlagen, die häufig bereits abgeschrieben sind, wird dadurch kaum infrage gestellt; dagegen gibt es kaum mehr den Neubau solcher Anlagen. Der Anteil der Blockheizkraftwerke an der dänischen Stromerzeugung nimmt also deutlich ab, auch wenn ihre Bedeutung für die Bereitstellung von Spitzenlast nach wie vor erheblich ist.

Literatur

[1]Extra-Artikel: Blockheizkraftwerke – eine Wunderlösung?
[2]Extra-Artikel: Kraft-Wärme-Kopplung – ein Ersatz für Wärmedämmung?
[3]ebook “Ihr Blockheizkraftwerk-Buch”, https://ihr-bhkw.de/webseite/kostenlos-ihr-blockheizkraftwerk-buch-zum-herunterladen
[4]"Elektrizität: Schlüssel zu einem nachhaltigen und klimaverträglichen Energiesystem", eine Studie der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) (2010); Teil II.3 behandelt die Kraft-Wärme-Kopplung
[5]Energie dreifach nutzen: Strom, Wärme und Klimaschutz

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Heizkraftwerk, Kraft-Wärme-Kopplung, Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung, Nahwärme, Dieselmotor, Gasmotor, Dampfmotor, Stirlingmotor
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, Haustechnik, Kraftmaschinen und Kraftwerke

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