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Blockheizkraftwerke und Brennstoffzellen

Kleine Blockheizkraftwerke gehören in privaten Wohnhäusern immer noch zu den Exoten unter den Wärmeerzeugern. Das könnte sich vielleicht mit den innovativen Brennstoffzellen-Heizgeräten ändern. 

Die gleichzeitige Erzeugung und Nutzung von Strom und Wärme in Blockheizkraftwerken (BHKW) bezeichnet man als Kraft-Wärme-Kopplung, kurz KWK. Dieses Prinzip verwertet die eingesetzten Energieträger sehr viel effizienter, als das in herkömmlichen Kohle- oder Gaskraftwerken der Fall ist. 

Kleine BHKW, die in Privathäusern, Siedlungen oder kleinen Gewerbe- betrieben ihren Dienst verrichten, arbeiten im Unterschied zu ihren großen Brüdern jedoch nicht mit Dampfturbinen, sondern mit gas- oder ölbetriebenen Otto- oder Stirlingmotoren, die einen Generator antreiben. Neben dem Strom entsteht dabei viel Wärme, die direkt ins Heizsystem oder in den Trinkwasser- oder Pufferspeicher wandert.

Angepasst an den Energiebedarf

Kleine BHKW sind zumeist „wärmegeführt“, sie treten in Aktion, sobald Heizwärme oder warmes Wasser angefordert wird. Wird wenig angefordert, ist auch die Stromproduktion mager. Lässt man sie stattdessen durchlaufen, ist der Pufferspeicher bald randvoll.

Und dann? Im typischen Einfamilienhaus ist daher nicht einmal das Mikro-, sondern das Nano-Blockheizkraftwerk die richtige Wahl. Diese „stromerzeugenden Heizungen“ haben elektrische Leistungen von einem bis zwei Kilowatt (kWel) bei thermischen Leistungen von vier bis sechs Kilowatt (kWth).

Der kleine Motor – häufig ein Stirlingmotor – wird mit einem Gas-Brenner zu einer Einheit zusammengefasst. Dieser schaltet sich bei höherem Wärmebedarf automatisch zu. Das eigentliche Blockheizkraftwerk deckt lediglich die Grundlast ab und erreicht auf diese Weise längere Laufzeiten.

Die Brennstoffzellenheizung

Da selbst die Nanos häufig noch zu groß für ein Einfamilienhaus sind bieten Hersteller nun eine weitere Alternative. Mit einer Technik, die sich bereits im Weltraum bewährt hat, kann man seit einiger Zeit auch seinen häuslichen Energiebedarf decken – mit der Brennstoffzelle. Sie erzeugt Strom und Wärme, leise und effizient, aus Wasserstoff und Sauerstoff.

Bitte nicht irreführen lassen vom Slang der Ingenieure: „Kalte Verbrennung“ nennen sie das,was in einer Brennstoffzelle vor sich geht, und dennoch entstehen dabei Strom und Wärme, allemal genugfürs Beheizen eines Hauses, für die Warmwasserbereitung und die Deckung des Grundbedarfs an Strom.

Wer im Chemieunterricht bei der Sache war, der weiß , dass man per Elektrolyse Wasser (H2O) unter Einsatz von Strom in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) aufspalten kann. In einer Brennstoffzelle wird dieser Prozess einfach umgekehrt. In ihrem Herzstück, den „Stacks“, wollen Wasserstoff und Luftsauerstoff miteinander reagieren, sind aber durch eine Elektrolytmembran getrennt, die nur die Wasserstoffprotonen durchlässt.

Die negativ geladenen Elektronen müssen den Umweg über einen Leiter nehmen. Fließende Elektronen jedoch sind nichts anderes als – Strom. Finden Wasserstoff und Sauerstoff endlich zusammen, bildet sich Wasserdampf, also H2O plus Wärme. Da reiner Wasserstoff noch kaum verfügbar ist, werden die Modelle für den Hausgebrauch mit Erdgas betrieben, das größtenteils aus Methan besteht, einer Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindung (CH4).  

Übrig bleibt deswegen auch CO2, wobei der Ausstoß, so die Branche, um ein Drittel geringer sei, als er es mit normalem Gaskessel wäre.

Tipp: Förderung für die Anschaffung eines BHKW

Die Anschaffung eines Mini-BHKW mit bis zu 20 kW elektrische Leistung wird vom BAFA mit Zuschüssen zwischen 1.900 und 3.500 Euro gefördert – plus Bonus für besonders effiziente Anlagen. Mit üppigen Extra- Zuschüssen für die innovative Brennstoffzellen-Technik winkt die staatliche KfW Bank. Mit dem Programm 433 „Energieeffizient Bauen und Sanieren – Zuschuss Brennstoffzelle” unterstützt sie die Anschaffung mit einem Zuschuss von 5.700 € plus 450 € je angefangene 100 W elektrische Leistung. Hinzu kommen die Vergütungen aus dem Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz (KWKG). Weitere Infos dazu unter www.bafa.de.

So funktioniert ein Mini-BHKW

Beim Mini-Blockheizkraftwerk treibt ein mit Heizöl, Pflanzenöl oder Erdgas betriebener Verbrennungsmotor einen Generator an. Die reichlich anfallende Wärme – immerhin gut ein Drittel bis die Hälfte der Energie aus dem Energieträger – wird ans Heizsystem weitergeleitet beziehungsweise in einem Pufferspeicher gesammelt.

Ein Mini-BHKW verwertet die eingesetzte Energie also doppelt und erreicht damit wesentlich höhere Wirkungsgrade als es bei der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme der Fall ist.

Für den Besitzer bedeutet dies eine wesentliche Ersparnis bei den Energiekosten und darüber hinaus auch einen direkten Beitrag zum Umweltschutz. Denn im Gegensatz zur getrennten Strom- und Wärmeerzeugung reduzieren sich die CO2-Emissionen um bis zu 60 Prozent.

Mikro BHKW – Blockheizkraftwerk für das Einfamilienhaus

Ob sich die Anschaffung wirklich lohnt, hängt wesentlich von der Menge des erzeugten Stroms ab. Optimal wäre es, liefe das Gerät rund um die Uhr. Die Crux besteht allerdings darin, dass man zwar den Überschuss an Strom jederzeit verkaufen kann, die Wärme aber in der Regel vor Ort verbrauchen muss.

Bislang sind selbst die Mini-BHKWs zu leistungsfähig, das heißt: nicht „mini“ genug für Einfamilienhäuser und erst recht nicht für neu gebaute, mit ihrem äußerst bescheidenen Wärmebedarf.

Fast alle großen Heizungshersteller arbeiten daran, Mini-BHKW noch besser auf den Strom- und Wärmebedarf moderner Einfamilienhäuser zuzuschneiden. Sogenannte Mikro-BHKW, auch „Strom erzeugende Heizungen“ genannt, haben elektrische Leistungen um 1 kW und basieren häufig auf der Stirling-Motorentechnik. Zu ihren Vorteilen zählen der leise Betrieb, geringer Wartungsaufwand und gute Abgaswerte.

Da ein Stirlingmotor prinzipiell durch jede beliebige Energiequelle – sogar durch konzentrierte Sonnenenergie – angetrieben werden kann, wird ihm ein großes Zukunfts­potenzial vorhergesagt. Neue Geräte erlauben die Nutzung von Holzpellets und sogar der Energie der Solaranlage. Das ist ökologisch und finanziell interessant, da es bei Nutzung regenerativer Energien eine höhere Vergütung gibt.

Mini-Blockhiezkraftwerk im Altbau

Die anschlussfertigen Mini- oder Mikro-BHKW lassen sich problemlos in die bestehende Haustechnik integrieren. Deshalb kann man nicht nur im Neubau, sondern auch bei bestehenden Gebäuden auf diese zukunftsfähige Technik setzen.

Nur ein in der Technik bewanderter Heizungsbauer, besser ein unabhängiger Energieberater, kann feststellen, ob das BHKW zum Wärmebedarf von Haus und Bewohnern passt. An sich sinnvoller Wärmeschutz durch Außendämmung könnte das Aggregat über Monate arbeitslos machen oder zur Kurzarbeit verdammen. Verbietet sich eine Außendämmung aus Gründen des Denkmalschutzes, stehen die Chancen besser.

Zentrale Warmwasserbereitung sollte vorhanden sein – nicht in jedem Altbau ist das so. Gibt es einen Gasanschluss? Können Strom und Wärme unter Umständen an Nachbargebäude verkauft werden? Wie für Photovoltaik-Systeme zur Eigenversorgung kann ein Energiemanager die Elektrogeräte so steuern, dass der Löwenteil in den vier Wänden verbraucht wird.

Strom für den Eigenbedarf

Soll die Stromproduktion des Kleinstkraftwerks einen nennenswerten Beitrag zur Finanzierung der doch deutlich teureren Technik leisten, muss das Blockheizkraftwerk möglichst viele Stunden im Betrieb sein. Der Planer muss also den Wärmebedarf von Haus und Bewohnern genau kennen.

Stromüberschüsse können zwar ins Netz abgegeben werden, doch lohnender kann inzwischen ein möglichst hoher Verbrauch im eigenen Haushalt sein. Eventuell auch die Kombination mit einem Batteriespeicher zur zeitversetzten Nutzung. Schließlich entlastet bei den gegenwärtigen Strompreisen jede nicht eingekaufte Kilowattstunde die Haushaltskasse.

Vor der Installation zu beachten

Sollte er noch nicht geschehen sein, muss vor Installation ein hydraulischer Abgleich durchgeführt werden. Da Mini-Blockheizkraftwerke wartungsintensiver als Gas- oder Ölkessel sind, sollten Hausbesitzer einen Wartungsvertrag mit dem Installateur abschließen.

Contracting – Die clevere Variante

Dennoch, auch für die „Mikros" gilt, dass sie mindestens 4.500 bis 5.000 Stunden im Jahr laufen müssen, soll die Anschaffung sich lohnen. Mancherorts besteht die Möglichkeit, sich ein Mini- oder Mikrokraftwerk vom Energieversorger in den Keller stellen zu lassen und von ihm Strom sowie Wärme günstig zu beziehen. Das Aggregat bleibt Eigentum des Versorgers, der sich um die Wartung kümmert.

Contracting heißt dieses Modell, attraktiv für alle, die vor den Investitionskosten von um die 15.000 Euro zurückschrecken. Wer es trotzdem wagen will, sollte sich um eine ordentliche finanzielle Förderung bemühen. Die mag an Bedingungen geknüpft sein, wie etwa den Einbau von Hocheffizienzpumpen oder Durchführung eines hydraulischen Abgleichs. Doch sind solche Maßnahmen schon für sich genommen mehr als sinnvoll.

Treibstoff aus erneuerbaren Energien

Die Wirtschaftlichkeitsberechnungen beruhen auf der Vergütung nach dem KWK-Gesetz, dem Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz. Wer sein BHKW jedoch CO2-neutral mit Biomasse wie Pellets, Biomethan oder Biodiesel betreibt, erhält die Vergütung nach dem EEG, dem Erneuerbare-Energien-Gesetz, die etwa doppelt so hoch ausfällt.

Mit Treibstoffen aus erneuerbaren Energieträgern würden BHKWs endgültig und im Wortsinne zu Motoren der Energiewende. Und von denen kann es gar nicht genug geben.

Dezentrale Stromerzeugung mit Zukunftspotential

Zukunft hat die dezentrale Stromerzeugung ganz gewiss – vor allem seit der Ausstieg aus der Kernenergie beschlossene Sache ist. Mini- und Mikro-BHKW könnten einen wichtigen Beitrag zur Versorgungssicherheit im Zeitalter der erneuerbaren Energien leisten. 

Schon jetzt gibt es konkrete Ansätze, die kleinen Kraftpakete über eine Fernregelung zu „virtuellen Kraftwerken“ zu ver­netzen, um damit den Spitzenbedarf in öffentlichen Stromnetzen kurzfristig abzudecken und die naturgemäß schwankenden Leistungen von Windkraft- und Photovoltaikanlagen auszugleichen.

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