Was unterscheidet BHKW, Stirling und Brennstoffzelle?

BHKW – Verbrennungsmotor mit Abwärmenutzung

Die Abkürzung BHKW steht für Block-Heiz-Kraft-Werk und beschreibt die gemeinsame Erzeugung von Heizwärme und Strom mit einem Gerät. Um das zu ermöglichen, bestehen Blockheizkraftwerke in der Regel aus zwei wichtigen Komponenten. Diese sind:

• der Verbrennungsmotor
• der Generator

Während das BHKW im Einfamilienhaus arbeitet, treibt der Verbrennungsmotor einen Generator an und es wird Strom produziert. Zusätzlich wird die Abwärme des Motors über ein technisch ausgereiftes System aufgenommen und an die Heizung übergeben. Strom und Wärme können dabei in einem Verhältnis von ungefähr 1 zu 3 gewonnen werden. Das heißt, je Kilowatt elektrische Leistung, erzeugen BHKWs etwa 3 Kilowatt thermische Leistung.

Für den Einsatz in Ein- und Mehrfamilienhäusern gibt es heute Mini-BHKWs, die etwa 1 kW elektrische und 2,5 kW thermische Leistung erzeugen können. Aufgrund der geringen Heizleistung werden sie dabei oft zusammen mit einem Spitzenlast-Kessel wie einer Gas-Therme installiert. Das BHKW bekommt dabei die Aufgabe, die Grundlast der Wärmeversorgung für Heizung und Warmwasser abzudecken. Wird es draußen kälter und der Wärmebedarf steigt, stellt die Spitzenlast-Heizung sicher, dass es nie kalt wird im Haus.

Weiter Informationen zur Funktion, Auslegung und Wirtschaftlichkeit von BHKWs finden Sie auch im Beitrag: Kraftwärmekopplung – Ein Kraftwerk für zu Hause wirtschaftlich einsetzen.

Stirling-Motor – Wärme und Strom in innovativer Einheit

Während sich die Funktionsweise von Blockheizkraftwerken noch einfach erklären lässt, wird es bei Stirling-Motoren schon etwas komplizierter. Denn die innovativen Geräte, deren Technologie von Robert Stirling bereits im Jahr 1816 erfunden wurde, wandeln thermische Energie in mechanische Arbeit. Anders als in BHKWs, die vordergründig Strom erzeugen.

Möglich wird das über die intelligente Verbindung zweier Zylinder, die gegenläufig erhitzt und abgekühlt werden. Das dabei schwankende Luftvolumen treibt über wechselseitig arbeitende Kolben eine Schwungscheibe an, über die, ähnlich einem Dynamo am Fahrrad, Strom gewonnen werden kann. Das Verhältnis der elektrischen zur thermischen Leistung beträgt dabei etwa 1 zu 5. Das heißt, bei einer Heizleistung von etwa 5 Kilowatt erzeugen Stirling-Motoren eine elektrische Leistung von etwa 1 Kilowatt.

Im Vergleich zu BHKWs zeichnen sich Stirling-Motoren besonders durch eine höhere Effizienz und geringere Schadstoffausstöße aus. Auch die Lautstärke und Laufruhe sprechen im Vergleich eher für Stirling-Motoren, die aufgrund ihrer Bauart sogar mit Holz- oder Pelletkesseln betrieben werden können.

Weiter Informationen zu Stirling-Motoren sowie einfache grafische Darstellungen der Funktion finden Sie im Beitrag: Stirlingmotor: Funktionsweise als innovatives Heizgerät

Brennstoffzelle – Strom und Wärme aus chemischer Reaktion

Wie BHKW und Stirling-Motor erzeugt auch die Brennstoffzellenheizung Wärme und Strom in einem Gerät. Aber wie funktioniert eine Brennstoffzelle eigentlich? Anders als bei den zuvor beschriebenen Technologien, ist die Basis hier aber keine Verbrennung, sondern eine chemische Reaktion. 

Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei durch eine Membran voneinander getrennten Elektroden, die mit einem Katalysator beschichtet wurden. Während die negativ geladene Anode kontinuierlich mit Wasserstoff beaufschlagt wird, spaltet sich dieser durch den Katalysator in Elektronen und Protonen auf. Über einen elektrischen Leiter wandern die freien Elektroden daraufhin zur positiv geladenen Anode und es entsteht Strom.

Gleichzeitig schlüpfen die bei der Aufspaltung des Wasserstoffs entstandenen Protonen durch eine nur für sie durchlässige Membran. An der Kathode angekommen, verbinden sich Elektronen, Protonen und Sauerstoff, der über die Außenluft zugeführt wurde zu Wasser, das kontinuierlich aus der Zelle abgeführt wird. Bei diesem Vorgang entsteht außerdem Wärme, die über einen Wärmeübertrager abgegriffen und an das Heizungssystem übertragen werden kann.

Da die dabei gewonnenen Energiemengen sehr gering sind, besteht eine Brennstoffzellen-Heizung aus mehreren in Reihe geschalteten Zellen, den sogenannten Stacks.

Der Wasserstoff, der als Ausgangsstoff für die Brennstoffzelle dient, kann zum Beispiel über einen Reformer aus Erdgas gewonnen werden.

Im Vergleich zu BHKW und Stirling-Motor zeichnet sich das Brennstoffzellen-Heizgerät vor allem durch einen hohen Wirkungsgrad und einen niedrigen Schadstoffausstoß aus. Während es zum Beispiel in Japan bereits sehr häufig eingesetzt wird, läuft die Markteinführung in Deutschland noch schleppend.