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Blockheizkraftwerk: Energiewende für zuhause

Das Blockheizkraftwerk (BHKW) ist ein Champion in puncto Energieeffizienz: Es produziert gleichzeitig Strom und Nutzwärme. Die Anlage fürs Einfamilienhaus ist so groß wie eine Waschmaschine, mit entsprechend größeren BHKWs lassen sich ganze Wohn- und Gewerbegebiete versorgen. Wie funktioniert die Technik? Was sind die Vor- und Nachteile? Und für wen lohnt sich die Investition?

Was sind Blockheizkraftwerke?

Das Blockheizkraftwerk besteht (einfach ausgedrückt) aus einem Motor, einem Synchrongenerator und einem Wärmetauscher. Anders als andere Heizungsanlagen dienen BHKW der Gewinnung von Wärme und elektrischer Energie, also Strom. Diese gleichzeitige Gewinnung wird „Kraft-Wärme-Kopplung“ genannt.

Bislang waren nur große Blockheizkraftwerke üblich, doch immer häufiger werden auch sogenannte Mini- oder Mikro-Blockheizkraftwerke in Ein- oder Mehrfamilienhäuser eingebaut.

Funktionsweise der Kraft-Wärme-Kopplung

Ein Blockheizkraftwerk funktioniert nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Das meint die gleichzeitige Umwandlung von eingesetzter Energie in elektrische Energie und in Nutzwärme. Dadurch lassen sich sogenannte Gesamtwirkungsgrade von bis zu 90 % erzielen. Zum Vergleich: Technologien, die allein der Stromerzeugung dienen, erreichen 30 bis maximal 60 %. Weitere Beispiele für die KWK sind Brennstoffzellen sowie Gas- und Dampfkraftwerke (GuD).

Vorteile von Blockheizkraftwerken

BHKW sind vor allem im großen Maßstab bekannt. Weitgehend unbekannt ist, dass kleinere Kraftwerke, die nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung arbeiten, deutlich höhere Wirkungsgrade haben als größere. Denn sobald thermische Energie über Fernwärmeleitungen und elektrischen Energie über Hochspannungsleitungen transportiert wird, geht Energie verloren. Bei dezentralen Blockheizkraftwerken sind die Wege kurz: Wärme und Energie müssen in der Regel nur aus dem Keller in höhere Stockwerke übertragen werden. Der Vorteil der dezentralen Kleinen lässt sich an den Zahlen deutlich ablesen:

Bei dezentraler Stromversorgung durch BHKW gilt: Von 100 % Brennstoff (z. B. Gas, Bio-Gas, Wasserstoffgas) entfallen im Durchschnitt 38 % auf Strom und 52 % auf Wärme. Dies ergibt einen Wirkungsgrad von 90 %. Die restlichen 10 % sind Verluste bei der Umwandlung. Dies ist klar im Vorteil gegenüber einer zentralen Stromversorgung. Von 100 % Brennstoff können i. d. R. nur 30-45 % als Strom genutzt werden, was einen Wirkungsgrad von 30-45 % entspricht. Der Rest ist Verlust. Es gibt jedoch auch zentrale Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen mit einem hohen Wirkungsgrad, wie beispielsweise das Vattenfall Heizkraftwerk in Berlin.

Dazu kommt, dass der CO₂-Ausstoß bei der KWK rund ein Drittel niedriger ist als bei getrennter Strom- und Wärmegewinnung. Und wie bei der Gewinnung von Solarstrom mit einer Photovoltaikanlage kann auch der vom BHKW erzeugte überschüssige Strom in das öffentliche Netz eingespeist werden. Hierfür gibt es dann eine Einspeisevergütung. Somit sind auch die kleinen Blockheizkraftwerke für Eigenheimbesitzer unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten interessant.

Wirkungsgrad von Blockheizkraftwerken Infografik

Bei dezentraler Stromversorgung durch BHKW gilt: Von 100 % Brennstoff (z. B. Gas, Bio-Gas, Wasserstoffgas) entfallen im Durchschnitt 38 % auf Strom und 52 % auf Wärme. Dies ergibt einen Wirkungsgrad von 90 %. Die restlichen 10 % sind Verluste bei der Umwandlung. Dies ist klar im Vorteil gegenüber einer zentralen Stromversorgung. Von 100 % Brennstoff können i. d. R. nur 30-45 % als Strom genutzt werden, was einen Wirkungsgrad von 30-45 % entspricht. Der Rest ist Verlust. Es gibt jedoch auch zentrale Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen mit einem hohen Wirkungsgrad, wie beispielsweise das Vattenfall Heizkraftwerk in Berlin.

Dazu kommt, dass der CO₂-Ausstoß bei der KWK rund ein Drittel niedriger ist als bei getrennter Strom- und Wärmegewinnung. Und wie bei der Gewinnung von Solarstrom mit einer Photovoltaikanlage kann auch der vom BHKW erzeugte überschüssige Strom in das öffentliche Netz eingespeist werden. Hierfür gibt es dann eine Einspeisevergütung. Somit sind auch die kleinen Blockheizkraftwerke für Eigenheimbesitzer unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten interessant.

Wirkungsgrad von Blockheizkraftwerken

BHKW: Baustein für die Energiewende

Während bei herkömmlicher Stromerzeugung rund zwei Drittel der Energie regelrecht verpuffen, führt ein Blockheizkraftwerk entstehende Abwärme ins Gebäude-Heizsystem ab. Diese Technologie ist ein wichtiger Baustein für die Energie- und Wärmewende. BHKW können bis zu 40 % Primärenergie einsparen. Und sie können schwankende Energiegewinnung aus erneuerbaren Quellen wie Wind- und Solarkraft ausgleichen. Die intelligenten Kraftwerke für jedermann sind sowohl in privaten Haushalten als auch in Gewerbe und Industrie einsetzbar.

Klimaneutrale Blockheizkraftwerke durch umweltfreundlich erzeugten Wasserstoff

Wasserstoffherstellung Elektrolyse

Herkömmliche BKHW erzeugen Strom und Wärme mit einem Verbrennermotor. Für die Verbrennung können Gas und Öl aber auch nachwachsende Rohstoffe wie Holz genutzt werden. Diese werden aber zunehmend von Blockheizkraftwerken abgelöst, die mit einer Brennstoffzelle arbeiten. Die Brennstoffzellen-Technik beruht auf einer chemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Bei der Reaktion entsteht Wasser und es werden Strom und Wärme freisetzt werden. Im Idealfall wird grüner Wasserstoff verwendet, um den CO₂-Ausstoß zu minimieren.

Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse mit Wasser hergestellt. Der Strom zur Aufspaltung des Wassers stammt aus erneuerbaren Energiequellen wie Solar, Wind oder Wasserkraft. Grüner Wasserstoff ist CO₂-frei. Daran schließt sich ein weiterer Pluspunkt an, denn grüner Wasserstoff ist vollständig unabhängig von fossilen Energien, die zunehmend knapp und entsprechend teurer werden.

Da diese modernen Versionen der BHKW keinen Motor benötigen, sind sie deutlich leiser als die Vorgängerversionen und zudem weniger wartungsanfällig, was die Betriebskosten erheblich senken kann. Ausgetauscht werden müssen nur die sogenannten Brennstoffzellen-Stacks. Diese Stacks, auf Deutsch „Stapel“, sind die übereinander gestapelten Brennstoffzellen, in denen die Reaktionen zur Erzeugung von Strom und Wärme stattfinden. Diese Technik ist auch im Kleinformat für Ein- und Mehrfamilienhäuser verfügbar.

Dezentrale Technologie

Wie der Name sagt, besteht ein Blockheizkraftwerk aus mehreren Komponenten: Der Begriff „Block“ steht für das Gehäuse, „Heiz“ für die Wärmegewinnung und „Kraftwerk“ für die Stromversorgung. Ob herkömmliches oder modernes Blockheizkraftwerk, bei beiden handelt es sich um dezentrale Technologien. Wärme und Strom werden am Ort des Verbrauchs produziert, im Gegensatz zur zentralen Strom- und Wärmeerzeugung in Kraftwerken.
Mit einem Wasserstoff-Blockheizkraftwerk und dem Strom aus einer eigenen Photovoltaikanlage kann übrigens jeder Haushalt selbst Wasserstoff herstellen und sich – zumindest zeitweise – mithilfe eines BHKW autark mit Wärme und Strom versorgen.

Wasserstoffherstellung PV-Anlagen Infografik

Wie der Name sagt, besteht ein Blockheizkraftwerk aus mehreren Komponenten: Der Begriff „Block“ steht für das Gehäuse, „Heiz“ für die Wärmegewinnung und „Kraftwerk“ für die Stromversorgung. Ob herkömmliches oder modernes Blockheizkraftwerk, bei beiden handelt es sich um dezentrale Technologien. Wärme und Strom werden am Ort des Verbrauchs produziert, im Gegensatz zur zentralen Strom- und Wärmeerzeugung in Kraftwerken.
Mit einem Wasserstoff-Blockheizkraftwerk und dem Strom aus einer eigenen Photovoltaikanlage kann übrigens jeder Haushalt selbst Wasserstoff herstellen und sich – zumindest zeitweise – mithilfe eines BHKW autark mit Wärme und Strom versorgen.

Wasserstoffherstellung PV-Anlagen

Verschiedene Größen bei BHKW

Blockheizkraftwerke stehen in verschiedenen Leistungsgrößen zur Verfügung. Vom Heizkraftwerk mit mehr als 5 Megawatt Leistung für ganze Stadtviertel bis zum kompakten Nano-BHKW mit einer Leistung von bis zu 2,5 kW für Einfamilienhäuser. Mit einer solchen kleinen Lösung wird aber im Normalfall nicht der gesamte Strombedarf gedeckt. Die Modelle im Überblick:

Infografik: Blockheizkraftwerke nach Leistung

Grundsätzlich gilt: Je größer die Anlage, desto schneller amortisieren sich die Anschaffungskosten. Tatsächlich sind die hohen Anschaffungskosten für viele ein Hindernisgrund, um auf diese effiziente und umweltschonende Technologie zu setzen. Damit sich BKHW möglichst schnell lohnen, ist eine möglichst hohe Stromproduktion entscheidend. Doch sobald mit einem BKHW Strom produziert wird, entsteht auch gleichzeitig Wärme.

Um die Anlagen effizient zu nutzen, sollten Strom und Wärme in gleichem Maße benötigt werden. Gerade in wärmeren Gegenden und in den Sommermonaten ist der Bedarf an Heizungswärme geringer. Einzelne Haushalte sind hier eher im Nachteil. Sie können die Wärme zwar für Warmwasser verwenden, aber insbesondere Neubauten benötigen nur noch wenig Heizwärme. In Mehrfamilienhäusern oder in Wohnquartieren ist von einem dauerhaft höheren Bedarf an Warmwasser auszugehen, was größere Energieproduktionen sinnvoll macht.
Ein weiterer Nachteil bezieht sich auf herkömmliche BHKW, die nicht auf erneuerbare, sondern fossile Energien setzen. Sie sind einerseits auf endliche Ressourcen angewiesen, die das Klima belasten. Aufgrund der zunehmenden Knappheit – beispielsweise von Kohle und Gas – sind andererseits steigende Preise zu erwarten. Mit Wasserstoff betriebene BHKW sind hier wiederum im Vorteil, zumal sie staatlich gefördert werden.

Installation und Betrieb werden staatlich gefördert

Die hohen Kosten bei der Anschaffung von Blockheizkraftwerken können zumindest zum Teil durch staatliche Fördergelder ausgeglichen werden. Auf Bundesebene werden BKHW beispielsweise durch die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) mitfinanziert. Aber auch auf Landesebene und auf regionaler Ebene können Fördermittel beantragt werden.

BHKW werden seit 2009 durch das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz gefördert. Seit Beginn der KWK-Förderung im Jahr 2009 sind knapp 70.000 KWK-Anlagen gebaut worden, vorwiegend mit Leistungen bis zu 10 Kilowatt. Mehr als 100 Megawatt produzierten im Jahr 2021 23 Anlagen.

Wer ein Blockheizkraftwerk im Rahmen einer energetischen Sanierung einbaut, kann die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) nutzen. Für den Heizungstausch müssen die Anträge auf Förderung bei der KfW eingereicht werden. Die Brennstoffzelle wird als Einzelmaßnahme zur Heizungsmodernisierung angesehen. Wenn die Brennstoffzelle ausschließlich mit grünem Wasserstoff oder Biomethan betrieben wird, wird der Einbau eines BHKW mit bis zu 70 % der Investitionskosten unterstützt.

Zusätzlich zu der Investitionsförderung kann die private Stromerzeugung vergütet werden, sobald Strom ins öffentliche Netz eingespeist wird. Die Grundlage für diese Einspeisevergütung bildet das KWK-Gesetz. Netzbetreiber sind verpflichtet, eine BHKW-Anlage an ihr Stromnetz anzuschließen.

Zu weiteren staatlichen Fördermaßnahmen zählen Steuererleichterungen, Investitionszuschüsse und zinsgünstige Darlehen für die Anschaffung der BKHW-Anlagen, etwa über die KfW.

Blockheizkraftwerk: die Vor- und Nachteile im Überblick

Vorteile:

Hoher Gesamtwirkungsgrad
Wirtschaftlich rentabel
Umwelt- und Klimaschutz
Staatlich garantierte
Subventionen
Unabhängig von Wind und Wetter

Nachteile:

Hoher Anschaffungspreis
Hohe Laufleistung erforderlich: das Gerät sollte nur selten ein- und ausgeschaltet werden
Abhängigkeit vom Rohstoffpreis (bei Betrieb mit fossilen Energien)

Ausbaufähig: Kraft-Wärme-Kopplung auf dem Vormarsch

Unser Nachbarland Dänemark erzeugt bereits rund 60 % seines Stroms in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen wie Blockheizkraftwerken. Aber auch immer mehr Städte in Deutschland setzen auf KWK, Spitzenreiter bei der Nutzung sind Berlin und Hamburg. In den Großstädten betreibt Vattenfall Energy Solutions bereits 350 dezentrale Blockheizkraftwerke. Mit dem jüngsten BKHW versorgt der schwedische Energiekonzern 60 Haushalte im Berliner Süden mit Wärme und Strom. Eine Reihe weiterer Projekte sind in Planung oder werden bereits umgesetzt. Bis 2050 will Berlin klimaneutral sein – und die Kraft-Wärme-Kopplung bietet dafür großes Potenzial.
Die zunehmende Bedeutung lässt sich am deutlich gestiegenen Anteil von KWK an der Stromerzeugung ablesen. In Deutschland lag der Anteil 2021 bei gut einem Fünftel. Das von der Bundesregierung ausgegebene Ziel, die Stromerzeugung durch KWK bis zum Jahr 2025 auf 120 Terrawattstunden auszubauen, wurde bereits im Jahr 2017 mit einer Stromproduktion von 124 Terrawattstunden übererfüllt.

Vattenfall Fazit

Blockheizkraftwerke erzeugen gleichzeitig Strom und Wärme. Ihr hoher Wirkungsgrad und der geringe CO₂-Ausstoß im Vergleich zu einer getrennten Strom- und Wärmegewinnung sind gut für die Umwelt. Wenn sie mit nachhaltigen Ressourcen, wie grünem Wasserstoff, betrieben werden, arbeiten sie sogar klimaneutral. Dann wird der Einbau auch vom Staat gefördert. Allerdings eignen sich BHKW im Einfamilienhaus eher für Bestandsbauten mit einem hohen Wärmebedarf.