Eine Kraft-Wärme-Kopplung kann durch viele Technologien realisiert werden. Hauptprinzip ist dabei die dezentrale Nutzung der (gleichzeitig) bereitgestellten Elektrizität und Wärme.
Die Verbrennungskraftmaschine (z. B. Motor, Gasturbine) treibt einen Generator an und stellt dadurch elektrischen Strom dem Verbraucher zur Verfügung. Ggf. kann der Motor auch direkt eine Maschine oder einen Verdichter (z. B. bei der Drucklufterzeugung) antreiben. Die Abwärme, welche im Motorblock anfällt (Kühlwasser, Öl), wird über einen Wärmetauscher zur Heizwassererwärmung verwendet. Die im Abgas enthaltene Energie wird ggf. zur Dampferzeugung(Prozeßwärme) genutzt und/oder mittels Wärmetauscher zur Brauchwassererwärmung.
Als konventionelle Technologien zur Kraft-Wärme-Kopplung stehen die Dampfturbine, der Verbrennungsmotor sowie die Gasturbine zur Verfügung. Neuere Technologien wie die Brennstoffzelle oder der Stirlingmotor erweitern die bestehenden KWK-Technologien.
Die Verbrennungskraftmaschinen (Motor, Gasturbine) unterscheiden sich insbesondere hinsichtlich der Art der Abwärme. Während bei Verbrennungsmotoren der größte Teil der Abwärme im Kühlwasser anfällt, wird die Wärme beim Gasturbinenprozeß in einem höheren Temperaturbereich durch das Abgas abgegeben. Daraus resultieren u. a. auch die unterschiedlichen Anwendungsfelder dieser beiden Technologien. So werden Gasturbinen insbesondere im Bereich der Industrie zur Bereitstellung von Niedertemperatur-Prozeßwärme (bis 500°C) eingesetzt, während die Motorenanlagen vor allem im Bereich der Raumwärmetemperatur-Bereitstellung ihre Anwendung finden.
Insbesondere im Bereich der Raumwärmebereitstellung wird das BHKW-System meistens durch einen Spitzenkessel sowie einen Wärmespeicher ergänzt.
Absorptionskältemaschine
Das Funktionsprinzip des Absorbers beruht auf der Tatsache, daß Wasser bei einem Luftdruck nahe dem Vakuum bei niedrigen Temperaturen (um 5 °C) verdampft. Um den Verdampfungsprozeß aufrechtzuerhalten, wird der Wasserdampf mit Hilfe einer Lithiumbromid- oder Zeolithlösung kontinuierlich abgesaugt. Die durch diesen Vorgang verdünnte Salzlösung muß durch Verdampfen des Wassers eingedickt werden. Dies geschieht bei der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung im sogenannten Austreiber mit Hilfe der BHKW-Wärme. Der dadurch entstehende Wasserdampf wird im Kühlturm kondensiert und das kondensierte Wasser wieder dem Verdampfer zugeleitet. Damit schließt sich der Absorberkreislauf. Das Verhältnis von Heizleistung zu Kälteleistung ist im Bereich von 1,4:1 anzusiedeln.
Absorptionskälteaggregate sind durch das Fehlen mechanisch bewegter Teile nahezu wartungsfrei. Während die Nutzungsdauer einer Kompressionskältemaschine mit 15 Jahren angegeben wird, erreichen Absorptionskälteanlagen meist 20 Jahre. Im Gegensatz zur Kompressionskältemaschine benötigt der Absorber fast keine elektrische Energie und enthält keine klimaschädigende Kohlenwasserstoffe als Kältemittel.
Der Platzbedarf für eine Absorptionskälteanlage ist jedoch deutlich größer als für ein
Kompressionskälteaggregat. Dies kann insbesondere bei der Ersetzung einer bestehenden Kompressionskälteanlage durch eine wärmegetriebene Kälteanlage zu Schwierigkeiten führen. Durch die Nutzung von Plattenwärmetauscher sind die neueren Absorptionskälteaggregate etwas kompakter.
Bei der Adsorptionskältemaschine wird Kältemittel unter Wärmezufuhr aus einem Adsorbens ausgetrieben. Diese Technologie ist bei weitem nicht so verbreitet wie das Absorptionskälteverfahren.
Beim DEC-Verfahren sind alle Aufgaben der Luftaufbereitung, die in einer klimatechnischen Anlage ablaufen, wie z. B. Entfeuchten, Kühlen und Nachheizen, im Prozeß integriert. Dabei wird der Verdunstungseffekt von Wasser zur Kühlung der Luft verwendet.
Der Abwärmestrom aus dem thermischen Verdichter ist zwischen 70°C und 100°C warm und kann unter Umständen noch für weitere Heizaufgaben verwendet werden. Neben der Klimakälteerzeugung können Absorptionskältemaschinen auch zur Prozesskältebereitstellung genutzt werden. Um die dabei geforderten Temperaturen unter dem Gefrierpunkt zu erreichen, wird das Stoffpaar Ammoniak/Wasser für den Kälteprozess benutzt.
Der Einsatz von sogenannten heißgekühlten Motoren, deren Wasservor- und -rücklauftemperatur über 100°C beträgt, führt aufgrund der Erhöhung der Absorberaustreibertemperatur zu einer kompakteren Bauweise der Kältemaschine, hat aber keine Auswirkungen auf deren Wirkungsgrad. Stattdessen sinkt der elektrische Wirkungsgrad und die nutzbare Wärmemenge der BHKW-Aggregate.
Im Zeitraum von 1985 bis 1995 sind nach Betriebserhebungen rund ein Drittel der Blockheizkraftwerke (BHKW) zu groß ausgelegt worden. Dadurch erreichten diese BHKW-Aggregate die angestrebten Vollast-Betriebsstunden nicht, was teilweise erhebliche negative Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit dieser Anlagen hatte. Grundlage der BHKW-Planung bildet die thermische Jahresdauerlinie. Dabei gibt die Jahresdauerlinie Auskunft darüber, wieviel Stunden pro Jahr eine bestimmte (thermische) Leistung in dem Versorgungsobjekt benötigt wird.
Zusätzlich müssen noch die Tagesganglinie des Strom- und Wärmeleistungsbedarfs erhoben werden, um dadurch den gleichzeitigen Strom- und Wärmebedarf abschätzen zu können. Während in der Industrie häufig auf vorhandenes Datenmaterial zurückgegriffen werden kann, ist im kommunalen Bereich die Durchführung einer zwei- bis dreiwöchigen Ist-Aufnahme unumgänglich.
BHKW-Anlagen werden meist in modularer Bauweise, also mit mehreren Aggregaten, errichtet. Dadurch wird u. a. eine höhere Verfügbarkeit der elektrischen Leistung bei Ausfall eines Aggregats oder bei Wartungsarbeiten erreicht. Außerdem kann der Betrieb im unwirtschaftlichen Teillastbereich durch An- und Ausschalten von Motoren- oder Motorengruppen umgangen werden.
Bezüglich der Anlagenkonfiguration ergibt sich ein Zielkonflikt: Wird die Zahl der Module klein gewählt, sinkt die Investitionssumme aber auch die Betriebsstundenzahl der Motoren. Werden dagegen mehrere kleine Module installiert, erhöht sich die Betriebsstundenanzahl aber auch die Investitionssumme. Die Betriebsstundenanzahl ist ein wichtiger Faktor für die Wirtschaftlichkeit einer Anlage. In diesem Zusammenhang muß auch beachtet werden, daß der Wirkungsgrad größerer BHKW-Aggregate besser ist als bei kleinen Motoren.
Wichtig bei einer Objektversorgung ist nicht die maximale Stromausbeute, sondern die Realisierung einer größtmöglichen Wärmeabdeckung des Versorgungsobjektes bei hoher
Stundenauslastung und möglichst kompletter Eigenstromnutzung. Um diese Ziele zu erreichen, bedarf es einer geeigneten Planung. Dabei reicht die allgemein übliche Abschätzung der Leistungsaufteilung der KWK-Aggregate und des Spitzenkessels nach der Jahresdauerlinie unter Zugrundelegung einzelner Tagesgangprofile nicht mehr aus, um eine optimale Leistungsbemessung durchführen zu können. Heute stehen zahlreiche computerunterstützte Planungshilfen wie z. B. Simulationen für die BHKW-Anlagen-Projektierung zur Verfügung, die eine genauere Planung der BHKW-Anlage ermöglichen.
Um die Größe einer zukünftigen BHKW-Anlage grob abschätzen zu können, bedient man sich einer
Überschlagsrechnung: Als Faustwert gilt eine Auslegung in Höhe von 30 Prozent der Spitzenwärmeleistung. Mit dieser Auslegung können durch das BHKW je nach Gebäude 60 bis 80 Prozent des Jahreswärmebedarfs bei 4.000 bis 6.000 Jahresstunden gedeckt werden. Ein weiteres Hilfsmittel zur Grobabschätzung, ob ein BHKW-Einsatz technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist, stellt die von der ASUE erarbeitete „BHKW-Checkliste“ dar.
Neben der Planung müssen auch bestimmte behördliche und gesetzliche Auflagen erfüllt werden. Die Tabelle vermittelt einen Überblick über die maßgeblichen Gesetzeswerke und deren Geltungsbereich.
Bei der Genehmigung nach BimSchG, welches durch diverse Verordnungen (z. B. 4. BImSchV, 9. BimSchV) und Verwaltungsvorschriften (z. B. TA Luft, TA Lärm) konkretisiert wird, werden die von der geplanten Anlage ausgehenden Emissionen (z. B. Luftverunreinigungen, Lärm, elektromagnetische Felder) hinsichtlich der festgelegten Grenzwerte überprüft. Eine solche Überprüfung erfolgt bei Blockheizkraftwerken aufgrund der 4. BimSchV im vereinfachten Genehmigungsverfahren erst, wenn bestimmte brennstoffabhängige Leistungsgrößen (1 MWth bei Erdgas und Heizöl) überschritten werden. Die Emissionsanforderung ergeben sich (auch für kleinere Anlagen) aus der TA Luft und deren Anpassung an den Stand der Technik.
Beim Einsatz wassergefährdender Stoffe (z. B. Schmier- oder Heizöl) wird auf Grundlage des WHG geprüft, ob mit einer Gefährdung des Grundwassers oder sonstiger Gewässer zu rechnen ist.
Die Versorgung Dritter mit Strom bedarf laut EnWG der Genehmigung durch die zuständige Behörde. Für die umweltverträgliche Energieversorgung durch Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung gibt es zahlreiche Ausnahmen.
Das Mineralölsteuergesetz regelt die Besteuerung des Primärenergieträgers. Im Rahmen der Ökologischen Steuerreform bestehen hier für die Kraft-Wärme-Kopplung einige Ausnahmeregelungen.
Die Gewährung der Mineralölsteuerminderung auf den reduzierten Steuersatz (Heizöl- / Heizgas-Steuersatz) für den BHKW-Betrieb bedarf der Genehmigung des zuständigen Hauptzollamtes.
Die Errichtung baulicher Anlagen ist in den Bauordnungen der Länder geregelt. Insbesondere für Anlagenteile, die nicht nach BimSchG zu genehmigen sind, kann ein gesondertes Baugenehmigungsverfahren in Betracht kommen.
Um die Planung einer BHKW-Anlage zu vereinfachen, wurde vom VDI-GET Fachausschuss Verbrennungskraftmaschinen (VKMA) eine Richtlinie erarbeitet, in der die Erkenntnisse und Erfahrungen aus den bisherigen BHKW-Planungen festgehalten und formalisiert wurden. In dieser VDI-Richtlinie 3985 „Grundsätze für Planung, Ausführung und Abnahme von Kraft-Wärme-Kopplung mit Verbrennungskraftmaschinen“ werden die drei Phasen Planung, Ausführung und Inbetriebnahme definiert, ausführlich beschrieben und Anweisungen für deren Ausführung und Verlauf gegeben. Um Fehlauslegungen zu vermeiden, schreibt diese Richtlinie neben der Erstellung von Tagesganglinien auch die Berücksichtigung zukünftiger energiewirtschaftlicher Änderungen, wie z. B. die verstärkte Nutzung rationeller Energietechniken, im Umfeld der Anlage vor. Wesentliches zur Wirtschaftlichkeitsberechnung von BHKW-Anlagen können der VDI-Richtlinie 2067 (neu) entnommen werden.
Positive Effekte können erzielt werden, wenn mehrere Objekte über ein Nahwärmenetz zusammengeschlossen werden. In diesem Fall ist die Höchstlast am Netzeinspeisepunkt geringer als die Summe der Höchstlasten der einzelnen Verbraucher. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt, der durch den sogenannten Gleichzeitigkeitsfaktor beschrieben wird, beim Zusammenschluss verschiedenartiger Versorgungsobjekte. Gegenüber individuellen Anlagen ist die insgesamt zu installierende Wärmeleistung bedeutend geringer. Unter Berücksichtigung des Gleichzeitigkeitsfaktors kann ein Nahwärmeverbund von Objekten, die jeweils für sich ungünstige Jahresdauerlinien aufweisen, durchaus für die Installation von KWK-Anlagen interessant werden. Um die zu erwartenden Jahresdauerlinien eines Siedlungsgebietes mit beliebig vorgebbarer Bebauung zu bestimmen, werden heute Simulationsprogramme angeboten.
