Wie funktioniert ein Blockheizkraftwerk? Technik & Prinzip
Dass ein Blockheizkraftwerk (BHKW) effizient ist, wissen die meisten Betreiber. Aber warum ist das so? Was passiert physikalisch im Inneren der Maschine, wenn aus Gas plötzlich Strom und Wärme werden? Während wir in anderen Beiträgen die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen beleuchtet haben, tauchen wir hier tief in den Maschinenraum ein.
Technologie ist unser Antrieb, Effizienz unser Fokus. Um das volle Potenzial einer Anlage auszuschöpfen – sei es ein kleines Modul im Einfamilienhaus oder ein Heizkraftwerk in der Industrie – muss man die Blockheizkraftwerk-Funktion im Detail verstehen.
Denn nur wer die thermodynamischen und hydraulischen Zusammenhänge kennt, kann seine Anlage, egal ob von Jenbacher®, MWM® oder MAN®, optimal betreiben.
Der thermodynamische Prozess der Kraft-Wärme-Kopplung
Das physikalische Herzstück jedes BHKWs ist die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Im Gegensatz zur getrennten Energieerzeugung, bei der Strom im Großkraftwerk und Wärme im heimischen Kessel produziert wird, nutzt die KWK die eingesetzte Primärenergie fast vollständig aus.
Der Prozess lässt sich als eine effiziente Energiekette beschreiben. Zunächst wird die chemische Energie des Energieträgers (z. B. Gas) in den Brennraum eingebracht. Durch die kontrollierte Verbrennung entsteht Druck, der als kinetische Energie den Kolben bewegt und mechanische Arbeit verrichtet.
Diese Bewegung wird von einem Generator aufgenommen und in elektrische Energie umgewandelt. Das Entscheidende passiert im letzten Schritt: Die bei der Verbrennung und Reibung unvermeidbar entstehende thermische Energie wird nicht als Abfallprodukt an die Umwelt abgegeben, sondern gezielt über Wärmetauscher ausgekoppelt.
Das Resultat ist ein Gesamtwirkungsgrad von oft über 90 %. Zum Vergleich: Bei der reinen Stromproduktion in einem Kohlekraftwerk gehen ca. 50–60 % der Energie als ungenutzte Abwärme verloren. Hocheffizient arbeitende KWK-Anlagen drehen dieses Verhältnis um und nutzen fast jedes Kilowatt der eingesetzten Energie.
Anatomie eines BHKW: Die Komponenten im Zusammenspiel
Ein Blockheizkraftwerk ist ein komplexes System aus Präzisionsbauteilen. Um die Funktionsweise zu verstehen, lohnt sich ein detaillierter Blick auf die zentralen „Organe“ der Anlage.
Der Motor als treibende Kraft
In den Leistungsklassen, die für Gewerbe, Industrie und Landwirtschaft relevant sind, dominiert der Verbrennungsmotor. Konkret handelt es sich meist um einen Ottomotor, der auf dem bewährten Hubkolbenmotor-Prinzip basiert.
Diese Aggregate sind speziell auf Langlebigkeit und hohe Wirkungsgrade im Dauerbetrieb ausgelegt. In sehr kleinen Leistungsbereichen, wie dem Nano-BHKW oder Mikro-BHKW, finden sich zwar auch Technologien wie der Stirlingmotor oder Brennstoffzellen, doch im industriellen Maßstab sind robuste Gasmotoren der Standard.
Der Generator für die Stromumwandlung
Fest verbunden mit der Kurbelwelle des Motors arbeitet der Generator (meist ein Synchrongenerator). Er transformiert die mechanische Leistung des Motors in elektrische Leistung. Eine der größten technischen Herausforderungen ist dabei die Frequenzstabilität.
In Deutschland muss der Generator exakt 50 Hz liefern, damit der erzeugte Strom sauber in das öffentliche Netz eingespeist oder störungsfrei im eigenen Stromnetz genutzt werden kann.
Das Wärmetauscher-System zur Energierückgewinnung
Um die Wärmeerzeugung zu maximieren, greift das BHKW die Hitze kaskadiert an mehreren Punkten ab. Ein Ölwärmetauscher kühlt zunächst das Motoröl, das Kolben und Lager schmiert. Parallel dazu überträgt der Kühlwasserwärmetauscher die Wärme aus dem Motorkühlkreislauf (Motorblock und Zylinderköpfe) auf das Heizwasser.
Das größte thermische Potenzial liegt jedoch im Abgas. Die Abgase verlassen den Motor mit mehreren hundert Grad Celsius. Ein spezieller Abgaswärmetauscher entzieht ihnen diese Energie und speist sie in das Heizsystem ein. In modernen Brennwert-BHKWs wird sogar die Kondensationswärme genutzt, was die Abwärme-Verwertung auf die Spitze treibt.
Betriebsstrategien: Stromgeführt vs. Wärmegeführt
Ein BHKW kann nicht willkürlich laufen. Die Steuerung entscheidet anhand von fest definierten Führungsgrößen, wann der Motor startet und stoppt. Hier unterscheiden sich BHKWs fundamental von einer einfachen Gastherme.
Der wärmegeführte Betrieb als Standard
In Mehrfamilienhäusern, Hotels oder dem Einfamilienhaus ist meist der Wärmebedarf der Taktgeber. Die Logik ist simpel: Ist der Pufferspeicher kalt, startet das BHKW und läuft so lange, bis der Speicher wieder geladen ist.
Der Vorteil dieser Strategie liegt in der maximalen Ausnutzung der Wärme, da keine Notkühler benötigt werden. Der Nachteil ist jedoch, dass die Stromproduktion entkoppelt vom aktuellen Strombedarf erfolgt, was den Eigenverbrauchsanteil senken kann.
Der stromgeführte Betrieb in der Industrie
Hier gibt der Strombedarf den Takt vor. Wenn in der Fabrik die Maschinen anlaufen oder der Strompreis an der Börse hoch ist, startet das BHKW, um teuren Netzbezug zu vermeiden. Die Herausforderung bei dieser Fahrweise ist die Wärmeabnahme. Wenn zeitgleich kein Wärmebedarf besteht, muss die thermische Energie in großen Speichern gepuffert oder im schlimmsten Fall über Notkühler an die Umgebung abgegeben werden, was den Gesamtwirkungsgrad senkt.
In der Praxis strebt man daher immer lange Betriebsstunden unter Volllast an, da hier der Verschleiß am geringsten und der elektrische Wirkungsgrad am höchsten ist.
Hydraulische Einbindung & Pufferspeicher
Ein BHKW wird fast niemals direkt an die Heizkörper angeschlossen. Die hydraulische Weiche ist der Pufferspeicher, der als “Energie-Akku” fungiert. Ohne diesen Speicher müsste der Motor bei jeder kleinen Warmwasser-Entnahme anspringen und kurz darauf wieder ausgehen. Dieses sogenannte “Takten” ist Gift für jeden Motor, da es zu erhöhtem Verschleiß, schlechter Verbrennung und Rußbildung führt.
Der Pufferspeicher ermöglicht es dem BHKW, mehrere Stunden am Stück zu laufen und das Wasser effizient auf Temperatur zu bringen. Aus diesem Speicher bedienen sich anschließend die Heizungsanlage und die Frischwasserstation für Warmwasser. So wird die thermische Energie zeitlich vom Verbrauch entkoppelt und ein materialschonender Betrieb gewährleistet.
Elektrische Einbindung und Netzparallelbetrieb
Die elektrische Integration eines BHKWs ist technisch anspruchsvoll. Bevor der Generator auf das öffentliche Stromnetz geschaltet wird, muss er sich exakt synchronisieren. Spannung, Frequenz und Phasenlage müssen identisch mit dem Netz sein.
Im Betrieb stehen zwei Pfade zur Verfügung:
- Eigenstromnutzung: Der Strom fließt primär zu den Verbrauchern im Gebäude. Dies ist wirtschaftlich die attraktivste Option, da der Bezug aus dem Netz minimiert wird und massive Energiekosten gespart werden.
- Einspeisung: Überschüssiger Strom, der nicht selbst verbraucht werden kann, fließt ins Netz des Versorgers. Hierfür erhält der Betreiber eine Einspeisevergütung, die beispielsweise durch das KWK-Gesetz oder das Erneuerbare-Energien-Gesetz geregelt ist. Moderne Anlagen können sogar als virtuelles Kraftwerk vernetzt werden, um das Stromnetz zu stabilisieren und Regelenergie bereitzustellen.
Brennstoff-Zufuhr: Mehr als nur Gasleitung
Der Motor ist ein Allesfresser, solange der Energieträger gasförmig und brennbar ist. Die Wahl des Brennstoffs hat jedoch direkten Einfluss auf die Peripherie der Anlage.
Die Klassiker Erdgas und Flüssiggas verbrennen sehr sauber und eignen sich ideal für Standorte mit entsprechender Infrastruktur. Erdgas kommt bequem aus der Leitung, während Flüssiggas Tanks erfordert.
In der Landwirtschaft wird Biogas aus Fermentern direkt zum Motor geleitet. Da Biogas oft Verunreinigungen enthält, ist eine Gasaufbereitung (Entschwefelung, Trocknung) vor dem Motor essenziell, um Korrosion zu vermeiden.
Auch feste Biomasse wie Holzpellets kann genutzt werden, indem sie in einem Holzvergaser zu Holzgas umgewandelt wird, das dann den Motor antreibt. Die Zukunft gehört jedoch zunehmend Wasserstoff und synthetischen Gasen. Viele moderne Motoren sind bereits “H2-Ready”, um die Energiewende aktiv voranzutreiben.
Dimensionierung und Wirkungsgrade
Die korrekte Auslegung einer Anlage ist eine komplexe Rechenaufgabe. Ein BHKW darf nicht so groß dimensioniert werden wie ein Heizkessel, da es sonst zu oft takten würde. Als Faustformel gilt, dass das BHKW etwa 10–30 % der thermischen Spitzenlast des Gebäudes decken sollte. Den Restbedarf an extrem kalten Tagen übernimmt ein Spitzenlastkessel, meist eine klassische Gasheizung.
Die Klassifizierung erfolgt meist nach der elektrischen Leistung:
- Nano-BHKW (ca. 1 kW el.) für das Einfamilienhaus.
- Mini-BHKW (bis 50 kW el.) für Gewerbe und Wohnanlagen.
- Groß-BHKW (MW-Bereich) für die Industrie.
Das Ziel jeder Auslegung ist ein hoher Wirkungsgrad. Der elektrische Wirkungsgrad liegt bei modernen Motoren zwischen 35 % und 45 %, der thermische bei ca. 50 %. In Summe kratzen Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen unter Nutzung der Brennwerttechnik an der 100 %-Marke der Energieeffizienz.
Fazit: Komplexe Technik braucht Experten-Service
Die Funktion eines Blockheizkraftwerks ist ein faszinierendes Zusammenspiel aus Thermodynamik, Hydraulik und Elektrotechnik. Damit dieses System über 60.000 oder 80.000 Stunden zuverlässig läuft, reicht ein einfacher Ölwechsel nicht aus.
Die mechanische Belastung im Ottomotor ist enorm. Zylinderköpfe, Zündkerzen und Filter müssen exakt auf die Betriebsweise abgestimmt sein. Hier kommt PowerUP ins Spiel. Wir verstehen nicht nur die Theorie, sondern die Praxis Ihrer Motoren – egal ob MWM®, Jenbacher® oder MAN®.
Mit unseren spezialisierten Ersatzteilen und Upgrades tragen wir dazu bei, dass Ihre komplexe Anlagentechnik dauerhaft leistungsfähig bleibt. Denn entscheidend ist letztlich nicht nur die Theorie der Technik, sondern die zuverlässige Verfügbarkeit Ihres BHKWs im Alltag.
