Energie pur – Blockheizkraftwerke zur Verwertung von Biogas

Wärmegeführte Blockheizkraftwerke sind am häufigsten in Deutschland anzutreffen und dienen vornehmlich der Produktion von Wärme. Bei Anlagen mit mehreren Aggregaten können dazu je nach Energiebedarf Blöcke ab- oder zugeschaltet werden. Ist nur ein Aggregat vorhanden, muss anders geregelt werden: Wird mehr Wärme hergestellt als benötigt, kann sie in Wärmepuffern zwischengespeichert oder ins Wärmenetz eingespeist werden. Notfalls wird das BHKW kurzzeitig abgeschaltet. Entsteht zu wenig Wärme, muss vor allem bei einer internen Nutzung in der Biogasanlage oder im eigenen Betrieb eventuell mit einem zweiten System ausgeglichen werden. Auch wenn die Produktion von Strom in einem wärmegeführten Blockheizkraftwerk nur eine untergeordnete Rolle spielt, wird dieser selbst genutzt oder – insbesondere Überschüsse – ins Stromnetz eingespeist.  

Ein stromgeführtes BHKW ist vornehmlich darauf ausgerichtet, Strom zu produzieren. In der Regel dient es zum Ausgleich von Netzschwankungen. Waren stromgeführte Blockheizkraftwerke früher die Regel, sind sie inzwischen eher selten. Der Strom kann entweder selbst verwendet oder gegen eine Vergütung ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Heute dienen stromgeführte BHKW oftmals zur Versorgung ausgewählter Abnehmer und Gebäude wie Krankenhäuser oder in der Industrie, wo sie auch als autarke Sicherung zur Stromversorgung bei Engpässen eingesetzt werden können. Die Wärme, die dabei entsteht, ist nur ein Nebenprodukt, das direkt eingesetzt, für die weitere Verwendung in Pufferspeichern gelagert oder ungenutzt in die Umgebung abgegeben wird. Während sie in der Landwirtschaft kaum eingesetzt wird, findet sie Verwendung in der Industrie oder in kommunalen Einrichtungen, wo sie zusammen mit dem Strom eine gewisse Unabhängigkeit vom Stromnetz sicherstelt.

Da bei der Umwandlung von Biogas im BHKW so gut wie immer Strom und Wärme entstehen, haben Sie sich bestimmt auch schon die Frage gestellt: Warum nicht beides gleichermaßen nutzen? Der kombinierte Betrieb kann aus wirtschaftlicher Sicht Sinn ergeben, solange der Strom- und Wärmebedarf konstant gesichert ist. Das kann zum Beispiel in der Industrie oder in Krankenhäusern der Fall sein, wo der Abnehmer rund um die Uhr eine durchgehende Grundlast hat. 

Viele BHKW laufen mit einem Gas-Otto-Motor, einem Verbrennungsmotor, der für den Gasbetrieb ausgelegt ist. Dieser wird betrieben, indem Biogas als Brennstoff mit Luft vermischt und verbrannt wird. Dabei entstehen zum einen Motorabwärme und Wärme aus dem Abgas, die beide abgeleitet und genutzt werden können. Zum anderen treibt der Motor einen Generator an, der Wechselstrom erzeugt. Dieser wird entweder selbst direkt verwendet oder ins Stromnetz eingespeist. Ottomotoren weisen eine hohe Effizienz auf und werden daher gern in großen Anlagen mit hoher Leistung eingesetzt. Sie können aber auch in Kleinanlagen Anwendung finden. Ein Vorteil ist, dass Gas-Otto-Motoren mit Biogas betrieben werden können, das einen geringeren Methangehalt ab 50 Prozent aufweist. Um Korrosion zu vermeiden, ist vorab eine Entschwefelung des Biogases nötig.  

Zündstrahlmotoren funktionieren nach dem Prinzip eines Dieselmotors. Sie müssen allerdings für den Einsatz in einem mit Biogas betriebenen Blockheizkraftwerk umgerüstet werden. Der Motor saugt Biogas an, das mithilfe von Zündöl verbrannt wird und so die Kolben in Bewegung versetzt. Analog zum Gas-Otto-Motor wird ein Generator angetrieben, der wiederum Strom produziert. Zündstrahlmotoren haben einen höheren Wirkungsgrad als Gas-Otto-Motoren und sind kostengünstiger in der Anschaffung. Demgegenüber stehen mehr Wartungsaufwand und Emissionen. Am häufigsten finden sie in kleineren bis mittleren Blockheizkraftwerken Verwendung. Allerdings handelt es sich um eine auslaufende Technik, da aufgrund der neuen Immissionsvorgaben Neuanlagen nicht möglich sind.

Bei einem Betrieb mit Mikrogasturbinen wird Biogas wie bei einem Turbolader zusammen mit verdichteter, angewärmter Luft in einer Brennkammer gezündet. Dabei verbrennt das Gas. Die Luft wird erhitzt, dehnt sich aus und setzt die Turbine in Bewegung. Diese treibt den Stromgenerator an. Mikrogasturbinen sind zwar kostspieliger in der Anschaffung, dafür aber weniger wartungsintensiv, nicht anfällig für Korrosion und arbeiten geräuschärmer. 

Für den Einsatz in Brennstoffzellen muss das Biogas zuvor hochwertig aufbereitet werden. Anschließend wird das Methan in einem aufwendigeren Prozess in Wasserstoff umgewandelt (reformiert). Erst dann ist es möglich, den Brennstoffzellen das Gas als Brennstoff zuzuführen. Durch chemische Reaktionen, die als kalte Verbrennung bezeichnet werden, entsteht elektrische Energie, mit der der Generator angetrieben wird. Brennstoffzellen haben einen hohen Wirkungsgrad und arbeiten quasi emissionsfrei. Allerdings sind die technischen Anforderungen sehr hoch ebenso wie die Investitionskosten.  

Sterlingmotoren – auch Heißluftmotoren genannt – finden unter anderem in Blockheizkraftwerken mit kleinerer Leistung (Mikro-BHKW) Anwendung. Sie funktionieren indirekt mithilfe von Biogas. Das Gas wird außerhalb des Motors verbrannt. Die dabei entstehende Hitze erwärmt ein spezielles Arbeitsgas im Inneren des Motors. Dieses setzt die Kolben in Bewegung, wodurch wiederum der Stromgenerator angetrieben wird. Stirlingmotoren arbeiten etwas leiser als beispielsweise Ottomotoren, haben aber auch einen etwas geringeren Wirkungsgrad. Da das Biogas nicht in den Motor gelangt, benötigt es keine spezielle Aufbereitung. 

Je nachdem ob Ihr BHKW wärmegeführt, stromgeführt oder kombiniert betrieben wird, stellen sich andere Rahmenbedingungen für die Auslegung beziehungsweise Leistung. Leider gibt es keine pauschale Antwort darauf, wie groß ein Blockheizkraftwerk ausgelegt werden soll. Dazu muss erst individuell der zu erwartende Strom- und Wärmebedarf ermittelt werden. Dabei hilfreich ist unter anderem die sogenannte Jahresdauerlinie. Diese zeigt auf, wie viel Leistung von Ihrem Abnehmer – sei es Ihre eigene Biogasanlage oder ein externer Partner – über ein Jahr verteilt benötigt wird. Darüber hinaus sollten zur Bestimmung der Auslegung die Möglichkeiten der vorhandenen Versorgungsstruktur analysiert und rechtliche Vorgaben berücksichtigt werden. 

Wärmeführende BHKW sind meist so ausgelegt, dass sie die Grundlast decken, bei Spitzenlast jedoch auch im vollen Betrieb nur einen Teil des Wärmebedarf bedienen können. Der Rest wird durch andere Systeme oder das öffentliche Netz ausgeglichen. Zur Bestimmung der Auslegung wird meist der Wert der maximalen Wärmeleistung hinzugezogen. 

Je nach Art und Auslegung gibt es BHKW mit einer Leistung von weniger als einem Kilowatt bis etwa 20 Megawatt. Abhängig von ihrer Leistung eignen Sie sich zur Versorgung beziehungsweise Beheizung eines Einfamilienhauses, von größeren Gebäuden wie Schwimmhallen oder Krankenhäusern oder gar ganzer Wohngegenden sowie Industrieanlagen.  

Für den Betrieb eines Blockheizkraftwerks gelten zahlreiche Gesetze und Vorschriften. In ihnen werden technische Anforderungen ebenso geregelt wie Vorgaben für die Verwaltung oder die Voraussetzungen für Förderungen. Da sie regelmäßig angepasst werden, können sich die Bedingungen für den Betrieb eines BHKW zwischenzeitlich ändern. Dies sollte – sofern möglich – bereits bei der Planung und Auslegung der Anlage bedacht werden.  

Zu den drei wichtigsten Gesetzen für Deutschland zählen das … 

• Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG), das die Einspeisung und Vergütung von Strom, der durch Kraft-Wärme-Kopplung entsteht, regelt.  
• Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG), das unter anderem die Vergütung der Einspeisung von Strom aus erneuerbaren Energien beinhaltet ebenso wie die EEG-Umlage, Leistungsvorgaben oder Vorgaben beim Eigenverbrauch. 
• Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG), das die Anforderungen zum Schutz vor Luftverunreinigungen, Lärm oder Erschütterungen enthält.  

Hinzu kommt eine Reihe weiterer Gesetze wie das Energiewirtschaftsgesetz (EnWG) oder das Wasserhaushaltsgesetz (WHG). Wir unterstützen Sie gern dabei, alle Regelungen und Vorschriften im Blick zu behalten.

Damit sich ein Blockheizkraftwerk wirtschaftlich lohnt, sollten Sie bereits bei der Planung den Energiebedarf ermitteln. Nur wenn das BHKW möglichst kontinuierlich, aber bedarfsgerecht läuft, lohnt sich der Betrieb. 

Kosten entstehen Ihnen anfangs durch die Planung, Errichtung und technische Einbindung des Blockheizkraftwerks und eventuell nötiger Pufferspeicher. Hinzu kommen im Anschluss die Betriebskosten für Wartung und Instandhaltung sowie die Kosten für Verbrauchsmittel (zum Beispiel Schmiermittel).  

Den Kosten gegenüber stehen die Einsparungen durch die Nutzung beziehungsweise die Einnahmen durch den Verkauf von Wärme und Strom. Die dafür erhältlichen Preise unterliegen jedoch teilweise starken Schwankungen. Prüfen Sie außerdem, welche Fördermittel und Zuschüsse Sie in Anspruch nehmen können. Je nach Art der Anlage und weiteren Rahmenbedingungen kann sich ein Blockheizkraftwerk nach etwa drei bis 20 Jahren amortisiert haben. 

Wie alle Bestandteile einer Biogasanlage muss auch das Blockheizkraftwerk und insbesondere der Motor beziehungsweise die Turbine regelmäßig kontrolliert und gewartet werden. Dazu zählt beispielsweise das Nachfüllen von Schmieröl oder das Auswechseln von Filtern und Verschleißteilen, aber auch die Überprüfung von Kühlwasser oder Abgaswerten. Wenn Sie all dies nicht selbst übernehmen wollen, können Sie einen Servicepartner beauftragen. Wie oft und was konkret überprüft werden muss, hängt von der Art Ihres BHKW und seinen Komponenten ab und ist im Wartungsplan festgehalten. Andernfalls verfallen Garantien und Förderungen oder es kommt zu Ausfällen, die den Betrieb der Anlage verhindern. 

Mithilfe unserer Gebrauchtöl-Analysen und Kühlerschutz-Analysen erhalten Sie alle Informationen über den Zustand und die Leistung Ihres Motors inklusive kompetenter Beratung und Einsatzempfehlungen. Weitere Informationen zum Thema finden Sie auf unserer Service-Seite.