Grundlagen/BHKW

Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) erzeugt Strom und Wärme gleichzeitig in einem Modul. Weil die sonst verlorene Abwärme des Motors genutzt wird, liegt der Gesamtnutzungsgrad deutlich über dem einer getrennten Erzeugung – wirtschaftlich lohnt sich das aber nur, wenn beide Produkte zeitgleich gebraucht werden. Die Auslegung eines BHKW ist damit im Kern eine Frage der Betriebsstunden. Diese Seite erklärt, wie sich der Brennstoff auf Strom, Wärme und Verluste verteilt, was Stromkennzahl und Vollbenutzungsstunden aussagen, wie EPOS-Plan ein Modul Stunde für Stunde zuschaltet und was daraus für die Wahl der Modulgröße folgt. Die Bedienung – Katalog, Projektgerät, Einbindung – beschreibt Programm Dokumentation/BHKW.

Funktionsprinzip

Ein Verbrennungsmotor treibt einen Generator an; Wärmetauscher koppeln die Wärme aus Kühlwasser, Ölkreis und Abgas aus. Als Brennstoff kommen unter anderem Erdgas, Biogas, Heizöl und Pflanzenöl in Frage, die Baugrößen reichen von wenigen kW_el bis in den Megawattbereich. Für den Betrieb stehen drei Fahrweisen zur Wahl: wärmegeführt folgt das Modul dem Wärmebedarf und speist überschüssigen Strom ein; stromgeführt folgt es dem Strombedarf, die Wärme ist Koppelprodukt; ohne Einspeisung begrenzt die Erzeugung so, dass kein Strom ins Netz geht.

Energiefluss eines BHKW-Moduls

Anteil am Brennstoffeinsatz in %

100

Brennstoff

NutzwärmeStromVerluste

Prinzipbild, gerundete Richtwerte.

Der Vorteil gegenüber getrennter Erzeugung entsteht, weil ein Kraftwerk ohne Wärmenutzung seine Abwärme an Kühlturm oder Fluss abgibt, während das BHKW dieselbe Abwärme als Heizwärme verwendet. Er ist aber an eine Bedingung geknüpft: Nur Wärme, die im selben Augenblick gebraucht oder gespeichert wird, zählt. Ein Modul, das Wärme in einen vollen Speicher drückt, erzeugt Verlust, kein Produkt. Deshalb entscheidet beim BHKW nicht der Wirkungsgrad, sondern die Zahl der Stunden, in denen Strom und Wärme zugleich abgenommen werden.

Beispiel. Ein Gasmodul mit 50 kW Wärme und 30 kW Strom und einem Gesamtwirkungsgrad von 0,90 braucht bei Volllast (50 + 30) / 0,90 = 88,9 kW Brennstoff. Von 100 Teilen Brennstoff werden 56 Teile Wärme, 34 Teile Strom und 10 Teile Verluste. Dieselbe Wärme in einem Kessel mit 0,95 und derselbe Strom aus einem Kraftwerk mit 0,40 würden 52,6 + 75 = 127,6 kW Brennstoff verbrauchen, rund 44 Prozent mehr (Planungsrichtwerte des Vergleichs, nicht im Programm).

Stromkennzahl, Wirkungsgrade und Vollbenutzungsstunden

Die Stromkennzahl ist das Verhältnis der beiden Nennleistungen, der Gesamtwirkungsgrad das Verhältnis von Strom und Wärme zusammen zum Brennstoff:

$\sigma =\frac{P_{\mathrm{e}\mathrm{l}}}{P_{\mathrm{t}\mathrm{h}}}\eta =\frac{Q+E}{Q_{\mathrm{B}}}{\eta }_{\mathrm{e}\mathrm{l}}=\eta \cdot \frac{P_{\mathrm{e}\mathrm{l}}}{P_{\mathrm{e}\mathrm{l}}+P_{\mathrm{t}\mathrm{h}}}{\eta }_{\mathrm{t}\mathrm{h}}=\eta \cdot \frac{P_{\mathrm{t}\mathrm{h}}}{P_{\mathrm{e}\mathrm{l}}+P_{\mathrm{t}\mathrm{h}}}$

mit der elektrischen und thermischen Nennleistung $P_{\mathrm{e}\mathrm{l}}$ und $P_{\mathrm{t}\mathrm{h}}$, der Wärme $Q$, dem Strom $E$ und dem Brennstoff $Q_{\mathrm{B}}$. EPOS-Plan teilt den Gesamtwirkungsgrad des Katalogs im Verhältnis der Nennleistungen auf den elektrischen und den thermischen Wirkungsgrad auf; so liefert das Modul bei Volllast genau seine Nennleistungen. Eine hohe Stromkennzahl ist wertvoll, weil Strom die höherwertige Energie ist: Er ersetzt Netzbezug oder wird vergütet, während Wärme nur den Brennstoff eines Kessels ersetzt.

Die Vollbenutzungsstunden sind die Jahresmenge geteilt durch die Nennleistung, thermisch und elektrisch:

$h_{\mathrm{t}\mathrm{h}}=\frac{Q_{\mathrm{a}}}{P_{\mathrm{t}\mathrm{h}}}{h}_{\mathrm{e}\mathrm{l}}=\frac{E_{\mathrm{a}}}{P_{\mathrm{e}\mathrm{l}}}$

Sie sind keine Betriebsstunden: Ein Modul, das ein Jahr lang mit halber Leistung läuft, hat 8 760 Betriebsstunden, aber nur 4 380 Vollbenutzungsstunden. Weil Investition und Wartung je Modul anfallen, Erlös und Einsparung aber je Kilowattstunde, sind die Vollbenutzungsstunden die wichtigste Kennzahl der Wirtschaftlichkeit; über mehrere Module bildet EPOS-Plan die elektrische Kennzahl leistungsgewichtet.

Beispiel. Das Modul mit 50 kW Wärme und 30 kW Strom (σ = 0,6) liefert im Jahr 213 MWh Wärme und 128 MWh Strom. Das sind 213 000 / 50 = 4 260 thermische und 127 800 / 30 = 4 260 elektrische Vollbenutzungsstunden, und mit dem Gesamtwirkungsgrad 0,90 (213,0 + 127,8) / 0,90 = 379 MWh Brennstoff.

Wie EPOS-Plan das BHKW je Stunde rechnet

EPOS-Plan rechnet bis zu zehn Module je Projekt im festen Raster von 8 760 Stunden und schaltet sie in jeder Stunde in ihrer Listenreihenfolge nacheinander zu. Die Fahrweise ist eine Einstellung des Projekts und gilt für alle Module. Die Rechenschritte mit allen Gleichungen stehen unter Berechnung: BHKW.

Untergrenze und Zuschaltung

Jedes Modul hat eine Untergrenze als Anteil seiner Nennleistung, unter der es nicht moduliert. Sie kommt aus der Projektzeile des Moduls, sonst aus dem Katalog, sonst aus der Leistungsuntergrenze der Simulationskonfiguration. Ein neues Projekt beginnt dort mit 50 Prozent, der unteren typischen Modulationsgrenze; ein bestehendes Projekt behält seinen gespeicherten Wert, und ein Projekt ohne gespeicherten Wert rechnet mit 30 Prozent. Ein Wert über 100 Prozent ist ungültig, und der Lauf nimmt die nächste Stufe; eine gepflegte 0 heißt „moduliert bis null“.

Wärmegeführt sieht das Modul in jeder Stunde einen Wärmeraum: den offenen Wärmebedarf seiner Senken plus den freien Raum in dem Pufferspeicher, den es lädt. Nimmt der Wärmeraum die thermische Nennleistung auf, läuft das Modul mit Volllast; liegt er zwischen Untergrenze und Nennleistung, läuft es in Teillast genau mit dem Wärmeraum; darunter bleibt es aus. Der Strom folgt der Wärme im Verhältnis der Nennleistungen:

$Q=\{\begin{array}{cc}{P}_{\mathrm{t}\mathrm{h}}& R\ge P_{\mathrm{t}\mathrm{h}}\\ R& x_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}\cdot P_{\mathrm{t}\mathrm{h}}\le R<P_{\mathrm{t}\mathrm{h}}\\ 0& R<x_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}\cdot P_{\mathrm{t}\mathrm{h}}\end{array}E=P_{\mathrm{e}\mathrm{l}}\cdot \frac{Q}{P_{\mathrm{t}\mathrm{h}}}$

mit dem Wärmeraum $R$ der Stunde und der Untergrenze $x_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}$. Stromgeführt gilt dieselbe Regel mit dem Reststrombedarf des Projekts statt des Wärmeraums und der elektrischen Nennleistung; die Wärme ist dann Koppelprodukt und geht in die Ladephase und, wenn dort nichts mehr aufnimmt, in den Überschuss. Ohne Einspeisung rechnet erst wärmeseitig und dann stromseitig, und ein Modul bleibt aus, sobald sein Strom an der Untergrenze den Reststrombedarf übersteigen würde – eingespeist wird nichts.

Links Wärme und Strom eines Moduls mit 50 kW Wärme und 30 kW Strom über dem Wärmeraum einer Stunde: aus unter der Untergrenze von 50 Prozent, Teillast bis zur Nennleistung, darüber Volllast. Rechts die Jahresdauerlinie eines Gebäudes mit 250 kW Spitze: Ein Modul mit 50 kW erreicht 4 260 Vollbenutzungsstunden und steht ab Stunde 4 617 still, weil die Last unter seine Untergrenze von 25 kW fällt; eines mit 100 kW deckt mehr Wärme, steht aber schon ab Stunde 3 381 still. Prinzipbild, synthetische Dauerlinie, Untergrenze nach der Vorgabe eines neuen Projekts.

Beispiel. Das Modul mit 50 kW Wärme und 30 kW Strom hat bei 50 Prozent Untergrenze 25 kW Mindestleistung. In einer Stunde mit 30 kWh Wärmeraum läuft es in Teillast mit 30 kWh Wärme und 30 × 0,6 = 18 kWh Strom, in einer mit 10 kWh bleibt es aus, und den Bedarf deckt der nächste Erzeuger der Kaskade. Lädt das Modul einen Pufferspeicher, in dem noch 20 kWh Platz sind, wächst der Wärmeraum der zweiten Stunde auf 30 kWh, und das Modul läuft.

Rücklaufgrenze. Führt ein Modul einen höchsten Rücklauf und liegt der Rücklauf zum BHKW in der Stunde darüber, liefert es weder Wärme noch Strom, in jeder Fahrweise. Der Rücklauf ist mit Anlagenkopplung der gerechnete Rücklauf des Heizkreises, sonst die unterste Zone des Pufferspeichers, den das Modul zuerst lädt; das Laufprotokoll nennt die Stunden ohne Betrieb.

Wohin Wärme und Strom gehen

Jede Kilowattstunde Wärme geht genau einen von drei Wegen: direkt in den Bedarf der Senken, bei der Senkenart „beides“ mit Vorrang für das Warmwasser, in die Ladung eines Pufferspeichers oder in den Überschuss, der weder gedeckt noch gespeichert werden kann und verworfen wird:

$Q=Q_{\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{k}\mathrm{t}}+Q_{\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{d}}+Q_{\mathrm{u}\mathrm{e}\mathrm{b}\mathrm{e}\mathrm{r}}$

Ein Modul, dessen Hauptsenke ein Pufferspeicher ist, deckt nicht direkt, sondern lädt nur. Mit der vorgegebenen Ladepriorität 30 lädt das BHKW nach Solarthermie (10) und Wärmepumpe (20) und vor dem Heizkessel (40). Der Strom mindert zuerst den Strombedarf des Projekts; je Viertelstunde ist eingespeist, was kein Verbraucher am Anschluss abnimmt. Ein Überschuss bleibt als negativer Reststrom stehen, damit ein Stromspeicher ihn laden kann, wird aber getrennt ausgewiesen und nie wie Photovoltaik vergütet. Die Vergütung nach KWKG, die Stromsteuer und die Energiesteuer rechnet die Wirtschaftlichkeit; der Lauf liefert ihr Strommengen, Einspeisung und Vollbenutzungsstunden (Erlösrechnung).

Teillastkennlinie und Takten

Ohne weitere Angaben rechnet ein Modul in jeder Laststufe mit seinem Gesamtwirkungsgrad, und die Stromkennzahl bleibt in Teillast gleich. Pflegt der Katalog einen Wirkungsgrad bei 50 Prozent Last, verlaufen elektrischer und thermischer Wirkungsgrad linear zwischen 50 Prozent und Volllast, darunter gilt der Wert bei 50 Prozent:

${\eta }_i(\beta )={\eta }_{i,50}+({\eta }_{i,100}-{\eta }_{i,50})\cdot \frac{\max (\beta ;\mathrm{0,5})-\mathrm{0,5}}{1-\mathrm{0,5}}Q=E\cdot \frac{{\eta }_{\mathrm{t}\mathrm{h}}(\beta )}{{\eta }_{\mathrm{e}\mathrm{l}}(\beta )}$

mit der elektrischen Auslastung $\beta =E/P_{\mathrm{e}\mathrm{l}}$ und $i$ für elektrisch oder thermisch. Wärmegeführt sucht der Lauf die Auslastung, deren Wärme genau dem Wärmeraum entspricht. Mit einem Anfahrverlust oder einer Mindestlaufzeit im Katalog bleibt ein Modul unter der Untergrenze nicht aus, sondern taktet: Es liefert die Menge der Stunde mit den Wirkungsgraden der Untergrenze, sofern der Wärmeraum mindestens einen Mindestlauf aufnimmt, und zählt die Starts nach der Regel des Heizkessels. Was die Kennlinie und die Starts an Brennstoff über den Gesamtwirkungsgrad hinaus kosten, steht als Mehrbrennstoff im Ergebnis; negativ ist er, wo die Teillast Brennstoff spart.

Beispiel. Ein Modul mit 50 kW Wärme, 30 kW Strom und 0,90 Gesamtwirkungsgrad hat bei Volllast den elektrischen Wirkungsgrad 0,90 × 30 / 80 = 0,34 und den thermischen 0,56. Pflegt der Katalog bei 50 Prozent Last elektrisch 0,30 und thermisch 0,55 – zusammen 0,85 statt 0,90 –, liefert eine stromgeführte Stunde mit 15 kWh Strom 15 × 0,55 / 0,30 = 27,5 kWh Wärme und braucht 15 / 0,30 = 50,0 kWh Brennstoff. Mit dem Gesamtwirkungsgrad wären es (15 + 27,5) / 0,90 = 47,2 kWh; die 2,8 kWh Unterschied sind der Mehrbrennstoff der Stunde.

Brennstoff, Emissionen und Gasspitze

Der Brennstoff eines Moduls im Jahr ist die Summe aus Wärme und Strom geteilt durch den Gesamtwirkungsgrad, zuzüglich des Mehrbrennstoffs aus Kennlinie und Takten. Die Emissionen folgen diesem Verbrauch mit den Faktoren des Energieträgers – im Berechnungsmodus des Projekts als CO₂ oder CO₂-Äquivalent –, nicht mit den Emissionsspalten des Katalogs. Für Gasmodule führt der Lauf die Gasspitze $P_{\mathrm{t}\mathrm{h}}\cdot (1+\sigma )/\eta$, beim Beispielmodul 50 × 1,6 / 0,90 = 88,9 kW. Bereitschaftsverluste im Stillstand rechnet das Modell beim BHKW nicht.

Kennwerte

Kennzahl	Bedeutung	Typischer Bereich
Stromkennzahl $\sigma =P_{\mathrm{e}\mathrm{l}}/P_{\mathrm{t}\mathrm{h}}$	Verhältnis elektrischer zu thermischer Leistung	0,4–0,8 (Verbrennungsmotor)
Gesamtwirkungsgrad	elektrischer plus thermischer Wirkungsgrad zusammen	80–95 %
Elektrischer Wirkungsgrad	Anteil des Brennstoffs, der als Strom ankommt	25–40 %
Modulationsgrenze	kleinste Teillast, unterhalb derer das Modul abschaltet statt zu regeln	meist 50–60 % der Nennleistung; im Programm leer: Leistungsuntergrenze des Projekts, für ein neues Projekt 50 %
Vollbenutzungsstunden	Jahreswärme bzw. Jahresstrom geteilt durch die Nennleistung	Ergebnis des Laufs; Zielgröße 5 000–7 000 h (Planungsrichtwert, nicht im Programm)
Wirkungsgrad bei 50 % Last	Stützstelle der Teillastkennlinie, elektrisch und thermisch	leer: Gesamtwirkungsgrad unabhängig von der Last

Typische Größen

Ein BHKW wird bewusst kleiner als die Gebäudeheizlast dimensioniert – häufig auf zehn bis dreißig Prozent –, womit es je nach Lastprofil rund die Hälfte bis zwei Drittel der Jahreswärmearbeit erbringt. Zielgröße sind 5 000 bis 7 000 Vollbenutzungsstunden im Jahr; unterhalb von etwa 4 000 Stunden wird der Betrieb meist unwirtschaftlich. Ein Pufferspeicher von 60 bis 100 Litern je kW thermischer Leistung verlängert die Laufzeiten und entkoppelt Strom- und Wärmebedarf zeitlich. Die Zahlen dieses Absatzes und die typischen Bereiche der Kennwerttabelle sind Planungsrichtwerte, nicht im Programm; was ein Modul im Gebäude erreicht, zeigt der Lauf.

Die Jahresdauerlinie im Bild oben zeigt den Zusammenhang. Beispiel. Ein Gebäude mit 250 kW Spitzenlast und einem Sommersockel von 20 kW für Warmwasser braucht im Jahr 578 MWh. Ein Modul mit 50 kW, ein Fünftel der Spitze, hat bei 50 Prozent Untergrenze 25 kW Mindestleistung. Wärmegeführt läuft es bis Stunde 4 617 der Dauerlinie; danach liegt die Last und mit ihr der Sommersockel unter seiner Untergrenze, und der Kessel deckt allein: 213 MWh oder 37 Prozent der Wärme bei 4 260 Vollbenutzungsstunden. Ein Modul mit 100 kW deckt 304 MWh oder 53 Prozent, steht aber schon ab Stunde 3 381 still, weil die Last unter seine Untergrenze von 50 kW fällt, und kommt auf 3 040 Vollbenutzungsstunden. Mit 30 Prozent Untergrenze läge der Sommersockel über den 15 kW des kleinen Moduls: Es liefe das ganze Jahr und lieferte 297 MWh oder 51 Prozent der Wärme bei 5 950 Vollbenutzungsstunden – 40 Prozent mehr als mit 50 Prozent.

Was das für die Auslegung bedeutet

• Auf die Grundlast auslegen. Das Modul sollte die Last decken, die über viele Stunden ansteht, nicht die Spitze. Die Dauerlinie des Wärmebedarfs zeigt, welche Leistung wie viele Stunden gebraucht wird; der Lauf zeigt die Vollbenutzungsstunden des gewählten Moduls.
• Untergrenze und Sommer. Im Sommer bestimmen Warmwasser und Zirkulation den Bedarf. Liegt dieser Sockel unter der Untergrenze des Moduls, steht es ohne Speicher still; ein kleineres Modul, eine kleinere Untergrenze oder ein Pufferspeicher halten es am Netz.
• Pufferspeicher. Der freie Raum im Speicher zählt zum Wärmeraum jeder Stunde. Ein Puffer bündelt kleine Bedarfe zu Volllaststunden, erlaubt die Zuschaltung über der Untergrenze und verschiebt die Wärme in Stunden mit hohem Strombedarf; EPOS-Plan rechnet ihn mit, wenn er dem Modul als Senke zugeordnet ist (Pufferspeicher).
• Strom am Ort verbrauchen. Eigenstrom ersetzt Netzbezug zum Arbeitspreis, eingespeister Strom bringt meist weniger. Wärmegeführt fällt der Strom, wann die Wärme gebraucht wird; stromgeführt oder ohne Einspeisung folgt das Modul dem Strombedarf, und der Lauf zeigt den Wärmeüberschuss, den das kostet.
• Spitzenlast und Redundanz. Den Rest der Wärme und den Ausfall des Moduls deckt ein Kessel (Kessel und Spitzenlast).

Beispiel. Ein Modul mit 50 kW ohne Speicher sieht in einer Sommernacht mit 12 kWh Bedarf einen Wärmeraum von 12 kWh, liegt damit unter seiner Untergrenze von 25 kW und bleibt aus; der Kessel deckt. Mit einem Pufferspeicher von 3 000 Litern bei 70/50 °C, der zur Hälfte leer ist, kommen 3 000 × 1,16 × 20 / 2 / 1 000 = 35 kWh freier Raum hinzu: Der Wärmeraum wächst auf 47 kWh, das Modul läuft mit 47 kWh Wärme und 28 kWh Strom und lädt den Speicher, der die nächsten Stunden deckt.

Einsatz und Grenzen

Ein BHKW passt, wo Wärme- und Strombedarf über weite Teile des Jahres gleichzeitig anfallen – Mehrfamilienhäuser, Hotels, Gewerbe und Nahwärmenetze; bei stark schwankendem oder überwiegend sommerlichem Wärmebedarf sinken die Laufzeiten und damit die Wirtschaftlichkeit. Den verbleibenden Bedarf und die Lastspitzen übernimmt ein Spitzenlastkessel, der zugleich die Redundanz sicherstellt.

BHKW mit zwei Spitzenlastkesseln am Pufferspeicher, solare Vorwärmung des Trinkwassers und Strom ins Hausnetz. Prinzipbild, Beispielwerte gerundet.

Grenzen des Modells. Die Fahrweise gilt für das ganze Projekt; zwei Module mit verschiedener Fahrweise lassen sich nicht abbilden. Die Teillastkennlinie hat zwei Stützstellen, das Takten ist eine Zählung der Starts ohne Mindestpausen und Abkühlen. Im Stillstand rechnet das Modul keine Bereitschaftsverluste. Investition, Wartung und Vergütung sind Sache der Kosten- und Wirtschaftlichkeitsrechnung, nicht des Laufs.

In EPOS-Plan

In EPOS-Plan wird ein BHKW-Modul im Reiter „Energieerzeuger“ der Startseite über die Kachel „BHKW“ angelegt; sie öffnet den Dialog „Verwaltung BHKW". Der Gerätekatalog liegt unter Administration → Wärme- und Kälteerzeugung → BHKW. Wie das Modul eingebunden, ausgelegt und mit anderen Erzeugern verschaltet wird, zeigen Einbindung, Beispiel, Zusammenspiel und Fallstricke; der Rechenweg steht unter Berechnung: BHKW. Die Fahrweise und die Leistungsuntergrenze stellt die Simulationskonfiguration für das Projekt ein, die Reihenfolge der Erzeuger die Kaskade (Erzeugerkaskade).

Siehe auch

• Kessel und Spitzenlast – übernimmt Spitzenlast und Redundanz
• Pufferspeicher – Pendelspeicher und Speicherbewirtschaftung
• Photovoltaik – Stromüberschuss und Eigenverbrauch
• Erlösrechnung – Vergütung des eingespeisten Stroms nach KWKG

Grundlagen

• Klimadaten
• Wärmebedarfsrechnung
• Strombedarf und Lastprofile
• Brauchwasser
• Prozesswärme
• Gebäudemodell VDI 6007
• Bauteile am Erdreich
• Brauchwasser-Zapfprofile
• Gemeinjahr und Feiertage
• Wärmepumpe
• Wärmequelle Erdreich
• BHKW
• Solarkollektoren
• Photovoltaik
• Wechselrichter
• Kessel und Spitzenlast
• Kühlung
• Pufferspeicher
• Stromspeicher
• Hydraulikschemata
• Anlagenkopplung und Regelung
• Vergleich Energiebilanz
• Kostenrechnung
• Erlösrechnung
• Wirtschaftlichkeitsrechnung