Technische Grundlagen von BHKW
Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) besteht aus einem oder mehreren Modulen mit übergeordneter Schaltanlage, Abgasabführung, Zu- und Abluftanlage, Schallschutzdämmung und Aufstellungsraum (VDI 3985).
Aufbau eines BHKW
Hauptbestandteil eines BHKW-Moduls ist das BHKW-Aggregat, das sich aus Verbrennungsmotor und Generator mit den entsprechenden Kraftübertragungs- und Lagerungselementen zusammensetzt. Weitere Modul-Komponenten sind Wärmeübertrager, Steuerungs-, Regelungs- und Überwachungseinrichtungen, Anlasser, Komponenten des Ansaug-, Abgas-, Kraftstoff- und Schmierölsystems sowie Sicherheitseinrichtungen.
Die mechanische Energie des Motors wird im Generator in elektrische Energie umgewandelt. Ein Teil der bei der Verbrennung entstehenden Wärmeenergie aus den Kühlkreisläufen des Motors und dem Motorabgas wird mittels Wärmeübertrager abgeführt und über ein Wärmeverteilungsnetz dem Verbraucher zugeführt.
Komponenten eines BHKW
Die Kraftstoffzuführung besteht im Wesentlichen aus Rohr- und Schlauchleitungen, Druckregelventilen, Kraftstoffvorfilter, Förderpumpe, Kraftstofffilter, Einspritzpumpe und Einspritzdüsen. Hier sind die spezifischen Anforderungen des Pflanzenöls an die Dimensionierung und an das Material der Komponenten zu berücksichtigen (Rohrleitungen und Verschraubungen aus chromatiertem Stahl oder besser Edelstahl, flexible Schlauchleitungen aus weichmacherarmem oder -freiem NBR-Kautschuk).
Für BHKW-Anwendungen stehen mehrere pflanzenöltaugliche Motortypen zur Verfügung. Kleinere BHKW mit einer Leistung bis zu etwa 50 kW[sub]el[/sub] werden meist mit umgerüsteten herkömmlichen Industriemotoren unterschiedlicher Hersteller betrieben. Pflanzenölmotoren für mittlere und größere BHKW bis zu einer elektrischen Leistung von ca. 500 kW werden von mehreren Firmen oft auf Basis von Industrie-, Nutzfahrzeug- oder Schiffsmotoren angeboten.
Zur Minderung der Abgasemissionen können verschiedene Techniken oder Verfahren eingesetzt werden. Hierzu zählen die Abgasrückführung und Abgasreinigungssysteme wie Oxidationskatalysatoren, Entstickungskatalysatoren und Partikelabscheider (d. h. Rußfilter).
Oxidationskatalysatoren eignen sich besonders gut für Pflanzenölmotoren, weil Pflanzenöl nahezu schwefelfrei ist und dadurch die katalytische Beschichtung der Katalysatoren nicht beeinträchtigt wird. Durch Oxidationskatalysatoren werden insbesondere auch Aldehyde, die für den pflanzenöltypischen Geruch verantwortlich sind, deutlich reduziert. Der Einsatz von Oxidationskatalysatoren ist daher für alle pflanzenölbetriebenen BHKW unbedingt zu fordern.
Mit Hilfe eines Entstickungskatalysators können Stickstoffoxide (NO[sub]x[sub]) wirkungsvoll reduziert werden. Dabei wird vor dem Katalysator ein Reduktionsmittel (Ammoniak- bzw. Harnstoff-Lösung, ggf. auch Kohlenwasserstoffe) in flüssigem oder gasförmigem Zustand dem Rauchgasstrom über ein Düsensystem zugeführt. Derartige "SCR-Katalysatoren" werden bislang jedoch nur bei großen Motoren eingesetzt.
Mit Partikelfiltern lassen sich bei Selbstzündungsmotoren Abscheideraten von 90 % und mehr erreichen. Insbesondere können auch die als stark gesundheitsgefährdend einzustufenden Feinstaubpartikel deutlich reduziert werden. Von Zeit zu Zeit oder bei Erreichen eines bestimmten Abgasgegendrucks ist eine Regenerierung des Rußfilters notwendig, es gibt aber auch Systeme mit kontinuierlichem Rußabbrand. Darüber hinaus sind im Rußfiltereinsatz abgelagerte, nichtbrennbare Inertanteile des Abgasstroms von Zeit zu Zeit durch Waschen bzw. Ausblasen mit Druckluft zu entfernen.
Die mechanische Energie des Motors wird im Generator zu Strom umgewandelt. Um ein BHKW unabhängig von einem Stromnetz z. B. als Notstromaggregat betreiben zu können, ist üblicherweise ein Synchrongenerator erforderlich. Eine Synchronisierungseinrichtung sorgt dafür, dass vor dem Aufschalten auf das Netz Spannung, Frequenz und Phase von Generator und Netz möglichst übereinstimmen.
Im Gegensatz zu Synchrongeneratoren sind Asynchrongeneratoren meist robuster, wartungsärmer und im unteren Leistungsbereich auch kostengünstiger. Da Asynchrongeneratoren induktive Blindleistung aus dem Netz benötigen, sind sie in der Regel nicht im Inselbetrieb einsetzbar.
Bei BHKW-Anlagen kann die Wärmeenergie der Ladeluft (bei aufgeladenen Motoren), des Generatorkühlwassers, des Motorkühlwassers, des Motorenöls und des Motorabgases durch in Reihe geschaltete Wärmeübertrager ins Heizwasser übertragen werden. Daneben findet die Wärmeauskopplung auch manchmal in zwei getrennten Heizkreisen statt, um z. B. in einem Heizkreislauf ein höheres Temperaturniveau zu realisieren.
Etwa 25 bis 30 % der Brennstoffenergie werden über das Kühlwasser abgeführt, weitere ca. 30 % werden in Form von Abgaswärme frei. Die Wärmeabgabe über den heißen Motorblock, die Ölwanne, Abgasrohre etc. ist schlecht nutzbar, es wird daher versucht diese möglichst gering zu halten.
