Blockheizkraftwerke – eine Wunderlösung?

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Blockheizkraftwerke (BHKWs) erlauben die Kraft-Wärme-Kopplung im kleinen Maßstab – Mikro-BHKWs sogar bereits für Einfamilienhäuser. Ein sorgfältiger Vergleich mit anderen Optionen zeigt, dass ihr Einsatz je nach der konkreten Situation einmal durchaus sinnvoll sein kann, ein anderes Mal aber eine schlechte Lösung.

Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist ein Verfahren, welches die Energieeffizienz der Strom- und Wärmeerzeugung erheblich steigern kann. Das Grundprinzip ist, dass eine Art von Wärmekraftmaschine (beispielsweise ein Dieselmotor oder eine Dampfturbine) Hochtemperaturwärme teilweise in mechanische Energie für den Antrieb eines elektrischen Generators umwandelt, und dass die unvermeidlich anfallende Niedertemperatur-Abwärme genutzt wird – etwa für Heizzwecke. Dies ist effizienter, als Strom und Wärme separat zu erzeugen: Strom in Kraftwerken ohne Nutzung der Abwärme, und parallel Wärme in Heizkesseln. Trotzdem folgt daraus nicht, dass Kraft-Wärme-Kopplung immer die beste Lösung ist.

Bewertung der Energieeffizienz

Eine sachgerechte Bewertung der Energieeffizienz von Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung erfordert einige Überlegungen.

Eine einfache, aber wenig aussagekräftige Methode ist es, den Gesamtwirkungsgrad zu bestimmen. Dies ist einfach die Summe von elektrischem und thermischem Wirkungsgrad. Wenn also beispielsweise 30 % der eingesetzten Primärenergie elektrisch und 55 % als Nutzwärme abgegeben werden, ist der Gesamtwirkungsgrad 85 %. (Weitere 15 % der Energie verpuffen als ungenutzte Abwärme, z. B. über das Abgas.) Nur ist der Gesamtwirkungsgrad nicht sehr aussagekräftig, weil Äpfel und Birnen (Strom und Wärme) addiert werden. Der gleiche Wert wie oben ergäbe sich offensichtlich, wenn nur 10 % elektrische Energie und 75 % Wärme gewonnen würden; das wäre aber offensichtlich weniger wert.

Wie vergleichen wir also besser? Betrachten wir zwei Möglichkeiten, die gleichen Strom- und Wärmemengen zu erzeugen:

Nehmen wir zunächst die Anlage mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) wie oben, die 30 % elektrisch und 55 % thermisch liefert. (Das wäre realistisch z. B. für ein Blockheizkraftwerk mit Gasmotor für ein Mehrfamilienhaus.) Aus 100 kWh Primärenergie erhält man also 30 kWh elektrische Energie und 55 kWh Wärme.
Dasselbe erhalten wir, wenn ein erdgasbefeuertes Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk (GuD-Kraftwerk) 30 kWh elektrisch erzeugt und zusätzlich ein Gas-Heizkessel 55 kWh Wärme. Hierfür braucht das Kraftwerk (mit 50 % Wirkungsgrad) 60 kWh und ein Brennwertkessel nochmals rund 60 kWh in Form von Erdgas. Insgesamt braucht man also 120 kWh oder 20 % mehr als die KWK-Lösung.

Dieser Vergleich ist nun tatsächlich sinnvoll: Wir vergleichen zwei Erdgas-Mengen, nicht mehr Äpfel mit Birnen. Man sieht, dass Kraft-Wärme-Kopplung hier einen erheblichen, wenn auch nicht dramatischen energiesparenden Effekt erzielt.

Mit dieser Methode können wir nun auch andere Situationen betrachten:

Wenn im zweiten Fall (ohne KWK) das Kraftwerk ein älteres mit nur 30 % Wirkungsgrad wäre, bräuchte es für 30 kWh schon allein 100 kWh, und wir hätten insgesamt einen Primärenergieaufwand von 160 kWh. Damit verglichen sieht das BHKW doch erheblich besser aus.

Wenn dagegen ein Mikro-Blockheizkraftwerk für ein Einfamilienhaus mit einem Stirlingmotor einen elektrischen Wirkungsgrad von nur 10 % hat, während weitere 10 % Verluste sind (bei einem Gesamtwirkungsgrad von 90 %), ist man kaum mehr besser als das GuD-Kraftwerk kombiniert mit einem Brennwertkessel: Das Mikro-BHKW braucht gegenüber dem Brennwertkessel zusätzliche rund 20 % Primärenergie und erzeugt damit 10 % elektrische Energie, was das gleiche Resultat ergibt wie das GuD-Kraftwerk mit 50 % (und ohne Abwärmenutzung!). (Wenn sich der Wirkungsgrad des BHKWs auf den Heizwert anstelle des Brennwerts des Erdgases bezieht, sieht es noch schlechter aus.) Somit lassen sich die wesentlich höheren Investitionskosten dieses Ansatzes energetisch nicht rechtfertigen – höchstens finanziell bei sehr hohen Strompreisen und niedrigen Gaspreisen.

Wir sehen also, dass die gesamte energetische Bewertung stark vom elektrischen Wirkungsgrad der Anlage abhängen muss und sicher nicht nur vom Gesamtwirkungsgrad.

Eine andere Möglichkeit ist es, einen gewichteten Gesamtwirkungsgrad zu verwenden. Hier wird der erzeugte Strom zwei- oder dreifach höher gewichtet als die Wärme. Hiermit wird berücksichtigt, dass eine entsprechend höhere Menge von Primärenergie durch die Stromerzeugung eingespart wird. Man kommt so zu den gleichen Resultaten wie mit der oben beschriebenen differenzierten Betrachtung.

Kosten und andere Aspekte

Kosten sind auch für die Effizienz relevant

Die Energieeffizienz der Anlage ist ein wichtiges, aber nicht das einzige Kriterium. Die Kosten sind ebenfalls zu berücksichtigen – und wir werden sehen, dass diese dann indirekt auch die Gesamt-Energieeffizienz beeinflussen können. Es ist nämlich wiederum nicht sachgemäß, zwei Energie-Anlagen mit völlig unterschiedlichen Kosten miteinander zu vergleichen. Das mit der günstigeren Lösung gesparte Geld kann nämlich auch anderswo zur Erhöhung der Energieeffizienz eingesetzt werden.

Ein Beispiel: Als Hausbesitzer könnte man zugunsten eines kostengünstigen Gas-Brennwertkessels auf ein Gas-Mikro-BHKW verzichten und das gesparte Geld in eine verbesserte Wärmedämmung des Hauses investieren. Je nach Umständen könnte so der gesamte Primärenergieaufwand für die Beheizung und Stromerzeugung durchaus geringer werden als bei der KWK-Lösung – wohlgemerkt bei insgesamt gleichen Investitionskosten. Zudem ist die Lebensdauer eine Wärmedämmung viel länger; eine Ersatzinvestition ist meist erst nach etlichen Jahrzehnten nötig. Die einfachere Technologie kann dann rundherum sinnvoller sein. Ausführlicher diskutiert dies der Artikel "Kraft-Wärme-Kopplung – ein Ersatz für die energetische Sanierung?".

Wartungskosten und Lebensdauer

Ebenfalls nicht übersehen sollte man die Wartungskosten. Bei Gas- oder Dieselmotoren sind diese mit Sicherheit wesentlich höher als bei Heizkesseln und Kraftwerken. Dies fällt nun besonders bei kleinen Anlagen stark ins Gewicht – bei größeren dagegen (für ganze Wohnblocks oder Schwimmbäder) dagegen nicht besonders.

Die Lebensdauer der Anlage ist von besonders hoher Bedeutung. Wenn eine Anlage 20 Jahre bräuchte, um sich über die Investitionskosten zu amortisieren, aber nach 10 Jahren ersetzt werden muss, kommt man offensichtlich nie auf seine Rechnung. Und ob eine KWK-Anlage 10 Jahre erreicht, ist auch nicht sicher. Während ein Heizkessel gut 15 Jahre lang arbeiten kann, enthält eine KWK-Anlage viele bewegte Teile, die entsprechend mehr Verschleiß haben.

In der Entwicklung befinden sich Mikro-BHKWs mit Brennstoffzellen z. B. für Erdgas, die wesentlich verschleißärmer arbeiten als Gas- oder Dieselmotoren oder auch Dampfkolbenmotoren. Der elektrische Wirkungsgrad kann recht hoch sein, somit auch der Deckungskostenbeitrag von der Stromerzeugung. Jedoch sind die Herstellungskosten noch sehr hoch.

Eigenverbrauch oder Einspeisung

Oft ist auch zu bedenken, ob die Stromerzeugung einer KWK-Anlage dem Eigenverbrauch dient oder mehrheitlich in das lokale Stromnetz eingespeist wird. Für die energetische Betrachtung ist dies zwar irrelevant, für die effektiven Betriebskosten jedoch nicht: Selbst genutzter Strom spart hohe Stromkosten, während die Einspeisung je nach Bedingungen meist deutlich weniger attraktiv ist.

Man könnte versucht sein, hieraus zu folgern, dass ein niedriger elektrischer Wirkungsgrad für eine Mikro-BHKW-Anlage im Einfamilienhaus günstig ist. Das stimmt jedoch nicht: Die elektrische Einspeisung dürfte pro Kilowattstunde doch noch mehr bringen als dieselbe Menge von Heizwärme. Jedoch reicht dieser Mehrerlös (Deckungsbeitrag) unter Umständen nicht aus, um die Anlage wirtschaftlich zu betreiben.

Art der Primärenergie

Auch die Art der eingesetzten Primärenergie spielt eine wichtige Rolle. Der Primärenergieaufwand einer Anlage, die z. B. Holz oder andere erneuerbare Energien einsetzt, ist natürlich anders zu bewerten, als wenn es fossile Energieträger sind. Und vergleicht man ein Gas-BHKW mit einem Kohlekraftwerk, so nutzt es einen viel eher knapp werdenden Energieträger, der andererseits erheblich geringere Kohlendioxid-Emissionen verursacht.

Auch die Schadstoffemissionen können stark vom Typ der Anlage und vom Brennstoff bzw. Kraftstoff abhängen. Gas- und Dieselmotoren können erhebliche Stickoxid-Emissionen verursachen, Dieselmotoren auch Ruß erzeugen. Mit guten Abgasreinigungsanlagen lässt sich dieses Problem weitgehend entschärfen, aber dies ist teuer.

Eine seriöse Beurteilung auf einer eindimensionalen Skala ist also nicht möglich; zumindest müsste man sich auf die relative Gewichtung verschiedener Aspekte (z. B. Ressourcenknappheit, Klimaschutz und Luftschadstoffe) einigen.

Wo ist Kraft-Wärme-Kopplung sinnvoll?

Die oben diskutierten Aspekte können je nach Situation schwer wiegen oder weniger wichtig sein. Man kann deswegen je nach Fall zu recht unterschiedlichen Bewertungen kommen, wie im Folgenden gezeigt wird.

Große und kleine Anlagen

Bei recht kleinen Anlagen werden insbesondere zwei Umstände meist recht ungünstig für die Kraft-Wärme-Kopplung:

Der elektrische Wirkungsgrad ist meist gering. Dies mag zwar zum geringen elektrischen Eigenverbrauch und niedrigen Einspeisetarifen passen. Jedoch fällt hiermit auch der energetische Gewinn recht mager aus; manchmal entfällt er sogar ganz, zumindest im Vergleich mit modernen Kraftwerken.
Die Installationskosten eines Blockheizkraftwerks können bei einer Reduktion der Anlagenleistung nur wenig verringert werden: So kostet etwa ein kleiner Stirling-Motor mit 1 kW Leistung weitaus mehr als ein Hundertstel von einem 100-kW-Gasmotor. Die Kosten pro Kilowatt installierter Leistung werden also sehr hoch. Dasselbe gilt für die Wartungskosten.

Aus diesen Gründen kann ein Blockheizkraftwerk für ein Mehrfamilienhaus mit z. B. zehn oder zwanzig Mietparteien ökologisch wie ökonomisch sehr sinnvoll sein, während eine kleine Anlage für ein Einfamilienhaus ökologisch wenig bringt und die Wirtschaftlichkeit nie erreicht.

Andererseits kämpft die Kraft-Wärme-Kopplung im großen Maßstab – bei Heizkraftwerken mit hunderten von Megawatt – mit dem Problem, dass Abnehmer für riesige Mengen von Wärme in der näheren Umgebung schwer zu finden sind und die Verteilung als Fernwärme teuer ist. Somit erscheinen Blockheizkraftwerke mittlerer Größe (mit z. B. 100 kW bis 300 kW elektrischer Leistung) als besonders vorteilhaft. Wo große Wärmeabnehmer sind, darf es auch mehr sein. Wo dagegen nur Einfamilienhäuser stehen, könnte man über ein kleines Nahwärmenetz nachdenken: Eine Anlage für fünf Häuser ist weitaus attraktiver als fünf Anlagen auf die Häuser verteilt.

Biogas auf dem Bauernhof

Die Lage kann deutlich anders sein für einen Landwirt, der aus Abfällen Biogas gewinnen kann:

Er erzeugt sein eigenes Gas zu stabilen Kosten, kann also ganz anders rechnen als ein auf Erdgas angewiesener Hausbesitzer. (Man glaube als Hausbesitzer nicht, man könne notfalls ja Biogas kaufen, wenn Erdgas teuer wird, denn jeder Biogas-Erzeuger wird sich gerne dem Marktpreis anpassen!) Nur wenn die Einspeisung in das Erdgasnetz möglich wäre (aufgrund guter Lage zu einer Erdgasleitung), könnte man auf den steigenden Erlös verkauften Biogases zählen.
Ein landwirtschaftlicher Betrieb hat oft einen hohen Eigenverbrauch an elektrischer Energie und Wärme. Da die Anlagenkosten wenig von der Leistung abhängen, fallen die Investitionskosten für ein Blockheizkraftwerk nicht all zu stark ins Gewicht, und die Einsparungen durch entfallenden Energiebezug von außen sind groß.

Somit kann die eigene Strom- und Wärmeerzeugung eines Bauernhofs durchaus wirtschaftlich sein. Und dies gilt nicht nur bei heutigen Energiepreisen, sondern auch in Zukunft. Man erkennt, dass sich der Landwirt in einer völlig anderen Lage befindet als der Besitzer eines Einfamilienhauses.

Die Frage, inwieweit bzw. unter welchen Umständen die Erzeugung von Biogas ökologisch sinnvoll ist, wird im Lexikon-Artikel über Biogas behandelt.

Fazit

Man erkennt, dass eine angemessene Beurteilung der Möglichkeiten von Blockheizkraftwerken viele Aspekte berücksichtigen muss. Der Gesamtwirkungsgrad allein sagt wenig aus über die Energieeffizienz; genauso wichtig ist der elektrische Wirkungsgrad, der bei kleinen Anlagen häufig recht niedrig ist, so dass die energetischen Vorteile dann recht mager sind.

Sicher ist der Einsatz von Kraft-Wärme-Kopplung kein Grund, mit Wärme nicht rationell umzugehen – etwa nach dem Motto, es sei doch nur Abwärme. Wenn eine mit wertvollen fossilen Energieträgern betriebene Anlage einen bescheidenen elektrischen Wirkungsgrad hat und die erzeugte "Abwärme" z. B. in nicht wärmegedämmten Häusern verschleudert wird, ist weder ökonomisch noch ökologisch etwas erreicht.

Übrigens haben wir nützliche Ratgeber-Artikel auch zu diversen anderen Themen im Energiebereich.