17.12.2007

Einbindung von kleinen und mittleren Blockheizkraftwerken

Blockheizkraftwerke (BHKW) werden seit Jahren zur dezentralen Stromerzeugung bei gleichzeitiger Nutzung der Abwärme eingesetzt. Daher eignen sie sich besonders zur Senkung des Primärenergiebedarfs sowie zur Minderung der Kohlendioxid-Emissionen. Zukünftig werden auch kleinere BHKW-Anlagen verfügbar sein, die als Strom erzeugende Heizungen mit einer elektrischen Leistung von 1 bis 3 kW bevorzugt für das Einfamilienhaus geeignet sind. Darüber werden schon heute Geräte mit elektrischen Leistungen ab ca. 3 bis 5 kW in größeren Einfamilienhäusern mit hohem Energieverbrauch und in Mehrfamilienhäusern eingebaut, so dass für viele Anwendungsfälle die passende Gerätegröße verfügbar ist. In diesem Beitrag stellt die ASUE Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e. V. praxisbewährte Möglichkeiten der Einbindung von kleinen und mittleren BHKW-Anlagen in die Gebäudetechnik vor. Grundsätzlich gelten für die hydraulische Einbindung eines BHKW - also die Integration in das Wasserleitungssystem zur Wärmeübertragung - folgende Regeln:

  • Um hohe Laufzeiten des BHKWs zu erreichen, sollte dieses mindestens 1/3 der Gesamtwärmeleistung abdecken bzw. mindestens 4.000 Betriebsstunden/Jahr erreichen.
  • Die Vorlauftemperatur des Blockheizkraftwerks, d.h. die Temperatur des Wassers beim Verlassen des BHKWs, sollte möglichst hoch (80- 90 °C) sein, um durch daraus resultierende hohe Temperaturdifferenzen (= Grädigkeit) eine gute Wärmeübertragung zu erreichen.
  • Bei der Kombination mit Brennwertkesseln sollte das BHKW nicht in Serie vor dem Heizkessel installiert werden, sondern parallel dazu. Bei zu hohen Vorlauftemperaturen des Brennwertkessels könnte ansonsten der Brennwerteffekt nicht mehr vollständig genutzt werden.
  • Die Rücklauftemperatur, d.h. die Temperatur des Wassers beim Eintritt ins BHKW, darf nicht über dem vom Hersteller angegebenen Maximalwert (i.d.R. 70 °C) liegen, ansonsten ist mit einem häufigen Takten des BHKWs und Störungen zu rechnen. BHKWs sollten in Fließrichtung nicht hinter einen Kessel geschaltet werden.

 

Hersteller von BHKWs stellen in ihren Planunterlagen beispielhaft Einbindungsmöglichkeiten vor. Ist ein hydraulisch gut ausgelegtes und abgeglichenes Heizungssystem vorhanden und fachmännisch installiert, so sind bei der Einbindung eines BHKW keine Probleme zu erwarten. Die nachfolgend aufgeführten Punkte verdienen besondere Beachtung:
 
  • Die Nennspreizung der Heizkreise muss so ausgelegt sein, dass die Rücklauftemperaturen 70 °C nicht überschreiten. Abhilfemaßnahmen, die dieses garantieren, sind z. B. Rücklauftemperaturbegrenzer oder elektronisch geregelte Heizkreispumpen.
  • Der Volumenstrom der Wärmeerzeuger sollte unter Berücksichtigung der Auslegungstemperaturen an die thermische Leistung der Wärmeverbraucher angepasst sein (hydraulischer Abgleich).
  • Werden Kesselpumpen eingesetzt, so müssen diese einen relativ hohen Volumenstrom bei geringem Druckverlust erzeugen. Dann sollte evtl. eine hydraulische Weiche eingebaut werden. Bleibt dieses unberücksichtigt, könnte die Kesselpumpe unkontrolliert einen zu hohen Vordruck in den Heizkreisen aufbauen. Das kann dazu führen, dass Thermostatventile aufgedrückt werden und nicht mehr korrekt arbeiten. Beim Einbau einer hydraulischen Weiche ist zudem sicherzustellen, dass Wasser aus dem Vorlauf nicht direkt in den Rücklauf gelangt. Dieses führt sonst zum Takten des BHKWs. Als hydraulische Weiche wird oft ein Pufferspeicher verwendet.

Bei der Integration von BHKW in Heizungsanlagen gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Welche davon auszuwählen ist, hängt sowohl von den spezifischen Anforderungen an das Gesamtsystem als auch von den übrigen Systemkomponenten ab. Dabei ist insbesondere zwischen dem Betrieb in Verbindung mit konventionellen Heizkesseln sowie mit Brennwertkesseln zu unterscheiden. Das Schaltbild in Bild 1 zeigt eine einfache Schaltung eines Blockheizkraftwerks mit einem Kessel. Ein Pufferspeicher ist nicht vorhanden, so dass das BHKW nur dann betrieben werden kann, wenn gleichzeitig Strom und Wärme benötigt werden bzw. wenn Wärme benötigt und Strom ins Netz des Verteilnetzbetreibers eingespeist wird. 

Die vom BHKW erzeugte Wärme wird mit der Pumpe (1) an den Heizkreis übertragen und über Umwälzpumpen (2, 3) zum Verbraucher gefördert. Diese Pumpen laufen so lange, wie beim Verbraucher ein Wärmebedarf besteht. Wird keine Wärme mehr benötigt, schalten der Heizkessel und die Umwälzpumpen (2) und (3) ab: Rückschlagklappen verhindern dann, dass es durch den Dichteunterschied zwischen warmem und kaltem Wasser im Heizkreislauf eine Wasserströmung entgegen der eigentlichen Fließrichtung gibt. Das vom Verbraucher kommende abgekühlte Wasser strömt bevorzugt in das BHKW und wird dort erwärmt. Lediglich die noch nicht erbrachte zusätzlich erforderliche Wärme wird im parallel angeordneten Heizkessel erzeugt. 

Erreicht die Ausgangstemperatur des Wassers nach dem BHKW schon den von der Heizungsregelung angeforderten Wert, so schaltet sich der Heizkessel durch seine integrierte Regelung ab. In vielen Fällen fallen Strom- und Wärmebedarf jedoch nicht zusammen. Dann ist es wichtig, einen Zwischenspeicher einzusetzen. In der Regel ist das ein Wärmespeicher, der auch Pufferspeicher genannt wird (Bild 2): Somit kann auch zu Zeiten Strom erzeugt werden, wenn kein Wärmebedarf besteht. 

Die Installation des Pufferspeichers erfolgt parallel zu BHKW und Heizkessel. Wird nur Strom benötigt, kann das BHKW so lange betrieben werden, bis der Pufferspeicher voll geladen ist. Bei Wärmebedarf stehen dann die Leistungen des Pufferspeichers und des BHKWs zur Verfügung. Der Kessel muss nur dann betrieben werden, wenn die Leistung aus BHKW und Pufferspeicher nicht mehr ausreicht. Bei dieser Schaltungsvariante ist sicherzustellen, dass der Pufferspeicher nicht durch den Heizkessel geladen wird, da er ansonsten bei reinem Strombedarf nicht zur Abwärmespeicherung des BHKWs genutzt werden kann. Ausführliche Informationen zu diesem Thema und weitere Varianten zur Integration von BHKW enthält die ASUE-Broschüre "Einbindung von kleinen und mittleren Blockheizkraftwerken/KWK-Anlagen", die zum Preis von 2,50 Euro zuzüglich Verpackung und MWSt. (Einzelexemplare kostenlos) bei der ASUE, Postfach 2547, 67613 Kaiserslautern, Tel. (06 31) 360 90 70, Fax: (06 31) 360 90 71, E-Mail: info@asue.de, bestellt werden kann. 

ASUE 

Bei Veröffentlichung erbitten wir einen Beleg an:
ASUE e. V., Postfach 30 37 27, 10726 Berlin. 

BU (Bild 01)
Bild 1: Parallelschaltung von BHKW und Brennwertkessel 

BU (Bild 02)
Bild 2: BHKW-Schaltung mit Kessel und Pufferspeicher 

BU (Bild 03)
Broschüre "Einbindung von kleinen und mittleren Blockheizkraftwerken/KWK-Anlagen" der ASUE 

(Alle Abbildungen: ASUE)

Ansprechpartner:

Dipl.-Ing. Jürgen Stefan Kukuk
Telefon: 0 30 / 22 19 13 49-0
E-Mail: kukuk@asue.de