Der richtige BHKW-Motor:
Wirtschaftlichkeit, Sicherheit und Unabhängigkeit

© Dagego

In diesem Essay werden Motoren betrachtet, die gewöhnlich im BHKW eingesetzt werden. Die Betrachtung gilt nicht als abschließend und hat nicht den Anspruch auf Vollständigkeit.

Es werden die oben genannten Aspekte der Motoren betrachtet und darüber hinaus, Eigenschaften, die im BHKW interessant sind.

Eventuell gibt es Typen oder Eigenschaften, die interessant sind und übersehen wurden, dann bitte ich um Korrektur.

Die Anzahl der BHKW Hersteller wächst ständig und man bekommt allerorts ein BHKW angeboten. In der Regel eine grüne, gelbe oder rosarote Kiste mit dem Aufdruck wie viel Wärme das BHKW liefert. Man erfährt noch, ob das Kraftwerk für Öl oder Gas geeignet ist. Viel mehr aber nicht. Garniert wird das dann mit dem Versprechen, dass man in Kürze mehr oder weniger reich ist, weil man wesentlich weniger oder gar nichts mehr an Kosten fürs Heizen aufbringen muss.

Der technisch Interessierte besorgt sich das Datenblatt und vergleicht die Wirkungsgrade. Über Haltbarkeit oder Ersatzteilverfügbarkeit muss man sich selber auf den Weg machen.

Aber das ist nicht immer so. Es gibt auch Hersteller die ihr BHKW über den Motor bewerben. Da weiß man dann sofort, das das BHKW z.B. einem Stirlingmotor erhält. Oder das das BHKW einen Holzvergaser hat.

Verschiedene BHKW-Motor-Typen

Bitte verbessern Sie mich, wenn ich nicht richtig liege. Es gibt nach meiner Erkenntnis folgende Motortypen, die in BHKW verbaut werden.

Verbrennungsmotoren

    Der Diesel Motor

        geeignet für Heizöl

        eventuell geeignet für Pflanzenöl

        eventuell geeignet für Holzgas

        eventuell geeignet für im Zündstrahlmotor

    Der Gasmotor oder Benzin Motor

        geeignet für Erdgas

        eventuell geeignet für Propan LPG

        eventuell geeignet für Klärgas

        eventuell geeignet für Holzgas

Heißgasmotoren

    Der Stirlingmotor

Sonderformen

    Der Linear Motor

Über die Sonderformen werde ich nichts sagen, da bin ich nicht firm. Über einen unabhängigen Bericht zu diesem Typen würde ich mich freuen. Als Ansatz um in das Thema einzusteigen, sollte das Verhältnis von Wärme zur Stromproduktion betrachtet werden.

Der Stirlingmotor ist der einzige mir bekannte Heißgasmotor, der im BHKW eingesetzt wird. Über ihn berichte ich zuerst, dann widme ich mich den Gasmotoren und zum Schluss meinem Favoriten: Der Diesel Motor

Der Stirlingmotor

Auch Heißgasmotor oder Wärmekraftmaschine genannt.

Erfunden von Reverend Dr. Robert Stirling geb in Glasgow 1816.

Ein Exote. Ganz klar!

Die Welle eines Stirlingmotors dreht sich nicht, weil im Motor ein Brennstoff verbrannt wird, sondern, und das macht ihn so reizvoll, wegen einem Temperaturunterschied außen an der Maschine. Die Maschine steht sozusagen zwischen Heiß und Kalt.

Es gibt ja bekanntlich nichts Neues unter der Sonne, so auch hier. Wir finden das Phänomen unter anderen bei der der Windbewegung wieder.

Um das zu verdeutlichen, sei es zum Beispiel 32°C in Edingburgh. Und im etwas kühleren Belfast in Irland 20°C. Daraus resultiert ein Temperaturunterschied von 12°C. Wärme fließt immer vom warmen Pol zum Kalten. Auf Grund dieses Temperaturdifferenz will nun die warme Luft aus Edingburgh in das kühlere Belfast reisen, und macht sich in der Form von warmen Wind auf den Weg. Eventuell kam Reverend Stirling nach seinem Studium auf die Idee diese Energie nutzbar zu machen und dachte zuerst an eine Windrad. Es würde sich auf Grund der Windbewegung oder genauer auf Grund des Temperaturunterschiedes drehen.

Eventuell dachte der praktisch veranlagte Mann daran, dass es sich auf diesem Weg 150J später nicht als Wärmekraftmaschine eignen würde und überließ das Windrad bauen anderen. Er überlegte, wie man wohl einen solchen Temperaturunterschied auf andere Weise nämlich mit einem höheren Wirkungsgrad in Drehbewegung umsetzen könnte.

Es gelang ihm tatsächlich eine Maschine zu bauen, die einen Wärmefluss in Drehbewegung umsetzt. Das Prinzip finden wir in umgekehrter Form im Kühlschrank oder in der Wärmepumpe wieder. In diesen Geräten wird mittels eines Motors Drehbewegung zugeführt und man erhält einen Wärmefluss.

Kühlschrank ist klar.

Die Wärmepumpe finden wir in Heizungsanlagen wieder, die Wärme aus der Erde in die gute Stube pumpen. Leider nicht, wenn es wirklich kalt wird. Dann muss mit einem Elektro-Heizstab nach geholfen werden. Eventuell verfolgte Herr Stirling das Projekt aus diesem Grund ebenfalls nicht!

Um ein Gefühl für den Stirlingmotor zu bekommen, machen wir uns ein Bild davon.

Stellen wir uns vorerst den Motor als eine Kiste vor, die 2 Kühlkörper hat. Rechts und links einen. Und dann lugt dann noch eine Welle aus der Kiste. Nichts passiert!

Wenn nun unter dem einen Kühlkörper ein Feuer gemacht wird, steigt die Wärme auf, durch den Kühlkörper und, oh Wunder, die Welle beginnt sich nach einiger Zeit zu drehen.

Schlaue Köpfe werden nun einwenden, also doch ein Festbrennstoff! Das stimmt erstmal. Jedoch ist es ebenfalls möglich, die Kiste in die Sonne zu stellen, und einen der beiden Kühlkörper abzuschatten. Es entsteht ein Temperaturunterschied, die Maschine beginnt zu arbeiten. Nicht sehr schnell, aber immerhin. Wenn nun der andere Kühlkörper in einem rauschenden schottischen Gebirgsbach gehalten wird, erhöht sich die Drehzahl des Motors.

Die Ursache dafür ist der gestiegene Temperaturunterschied. Aha, denkt man sich und versucht das Sonnenlicht mit geeigneten Mitteln zu bündeln und richtig, das Teil dreht sich noch schneller, ja es kann schon ordentlich belastet werden.

Ich habe mal einen Stirlingmotor im Epizentrum eines Parabolspiegels gesehen. Sehr eindrucksvoll. Wer mehr über den genauen physikalischen Prozess innerhalb der Wärmekraftmaschine wissen möchte, suche z. B. nach Adiabaten oder Carnout Prozess.

Es ist nun deutlich geworden, dass ein BHKW mit Stirlingmotor mit einem Temperaturunterschied läuft. Da der aber nicht Tag und Nacht zur Verfügung steht, wird ein BHKW mit einem solchen Motor nachvollziehbar mit Gas, Öl, Pellets oder Hackschnitzeln befeuert. Der Wärmestrom, der hinter dem Motor entweichen würde, wird mit geeignetem Mitteln dem Heizkreislauf zugeführt. Die Drehbewegung wird mit einem Generator aufgefangen und der produziert eine gewisse Menge Strom.

Ich schreibe daher eine gewisse Menge, da es tatsächlich nicht sehr viel ist. Leider! Sonst hätte ich auch eines. Dazu später mehr.

Der Vorteil der Maschine ist ganz klar: Null Emissionen, wenn er tatsächlich zwischen Sonnenlicht und Gebirgsbach hängt, oder im Epizentrum eines Parabolspiegels. Der Stirlingmotor ist kein Verbrennungsmotor.

Leider ist das auch die Ursache für den geringeren Wirkungsgrad der Maschine. Denn die Wärme muss durch die Zylinderwände geleitet werden. Die Probleme sind hier die Wärmeübertragungsquotienen.

Das Verhältnis von Strom zu Wärme liegt bei ca. 0,3. Wenn das mit anderen Maschinen verglichen wird, wird klar warum diese Maschine nicht sehr verbreitet ist. Aber das heißt nicht, dass sie keine Berechtigung hat.

Zum Schluss sei noch gesagt, dass die Akzeptanz eines solchen BHKW sicher steigen würde, wenn sie einen Brennraum für die unterschiedlichsten Brennstoffe hätte. Dann würde man mit einem solchen Gerät sicher ein sehr große Unabhängigkeit erreichen. Leider gibt es das noch nicht. Und es könnte sein, dass das auch gewünscht ist. Ein Schelm, wer Böses dabei denkt. Aber vielleicht später, wenn die Not steigt. Über die Sicherheit bleibt nicht viel zu sagen. Ich denke das wenn dafür gesorgt wird, dass sich die Welle immer drehen kann, auch keine Überhitzung stattfinden kann. Und wer als Brennstoff nicht gerade Gas wählt, sollte sicher sein.

Der Holzvergaser

Eine andere Methode um aus dem Energieträger Holz eine Drehbewegung zu erreichen, ist der Holzvergaser Motor. Er ist ein umgebauter Motor entweder ein Benziner oder ein Dieselmotor.

Der Motor wird gestartet, wie es für sein Naturell nötig ist, nach dem Start wird auf Holzgas ein brennbares Gas umgeschaltet.

Um brennbares Gas zu erhalten, wird Holz in Form von Hackschnitzeln einem Holzgaskessel zugeführt.

In einem Holzgaskessel wird Holz zum Glühen gebracht, aber nicht gleich verbrannt, sodass Holzgas entsteht. Sozusagen verbrannt, aber nicht mit offener Flamme, sondern mit einer reduzierten Sauerstoffzufuhr.

Dabei entsteht brennbares Holzgas, mit dem sich ein Motor antreiben läßt.

Der dabei entstehende motorschädliche Kohlenstaub muss unbedingt heraus gewaschen werden.

Das Gas wird dann einem Motor zugeführt.

Der Holzvergaser ist im Betrieb nicht ganz einfach, da die Produktion des Gases nicht frei von Kohlenstaub ist. Daher neigt der Motor zum Versotten. Im Betrieb muss der Motor mit unterschiedlichen Gasen zu Recht kommen, die aus unterschiedlichen Verbrennungsvorgängen, besser Verkokungsvorgängen entstehen. Wenn z.B. frisches Holz nach geworfen wird, erhält das Gas eine andere Qualität. Der Motor muss in Grenzen nachgeführt werden. Eine Regelelektronik ist die Folge. Die reichlich frei werdende Wärme wird aufgefangen und dem Heizkreislauf zugeführt.

Ein Teil der Wärme wird genutzt, um das Holz zu trocknen. Je trockener das Holz desto besser die Qualität des Holzgases.

Da es sich um ein Gas handelt, halte ich eine solche Anlage für unsicher. Zumindest, wenn sie im unbelüfteten Keller steht. Eine nicht ganz dichtes Gebäude das nicht mit dem Wohnhaus in Verbindung steht, wäre für mich eine Bedingung zum Aufstellen einer solchen Anlage. Aber vielleicht bin ich ja auch nur ein Angsthase.

Zur Unabhängigkeit braucht nicht viel gesagt zu werden. In Deutschland gibt es Holz satt.

Die Wirtschaftlichkeit einer solchen Anlage dürfte auch gegeben sein, wenn und jetzt kommt es, wenn das Holz im Stamm gekauft wird. Das heißt sägen, spalten, häckseln. Eventuell ist manch einer j etzt abgeschreckt. Aber die Zeiten werden nicht besser.

Der Benziner oder Gas Motor

Diesen Motor hat Nicolaus August Otto 1832 erfunden.
Daher auch der schöne Name: Ottomotor.

Er ist in unzähligen PKWs in den unterschiedlichsten Varianten verbaut. Man findet ihn im Rasenmäher als Einzylinder Viertakt oder im Mofa als Einzylinder Zweitakt.

Im BHKW findet der Zweitakter keine Verwendung, da sein Wirkungsgrad weit hinter dem Viertakter zurück liegt. Einzylindermotoren werden im BHKW ebenfalls nicht eingesetzt. Hier ist der Grund der fehlende Drehmoment.

In großen BHKW werden Vier- oder Sechszylinder Motoren eingesetzt. Mit wie vielen Zylindern der kleinste Mini BHKW ausgestattet ist, entzieht sich meiner Kenntnis. Wer weiß es?

Den meisten ist er als Benziner bekannt. Im Vergaser wird das Benzin mit Luft zu einem Luft-Benzin Gemisch, einem Gas umgewandelt. Daher ist er auch leicht am Erdgasnetz zu betreiben. Jedoch muss der Sicherheit wegen ein erheblicher Aufwand getrieben werden. Wenn da etwas undicht wird.

Das Kompressionsverhältnis gibt an, um welchen Faktor das Gemisch verdichtet wurde. Je größer die Verdichtung, desto größer die schlagartige Verbrennung des Gemisches. Ab einem Wert beginnt der Motor zu "Klopfen". Das begrenzt die Lebensdauer. Daher werden diese Motoren nur mit einem begrenzten Kompressionsverhältnis ausgeliefert. Das ist hier erwähnt, weil mit dem Kompressionsverhältnis der Wirkungsgrad gekoppelt ist. Da das Öl im Dieselmotor langsamer verbrennt, kann die Kompression viel höher sein. Daher folgt, dass der Wirkungsgrad gegenüber dem Dieselmotor schlechter ist.

Die Ursache das sich viele für diesen Motortyp entscheiden, ist nicht der Vorteil der etwas sauberen Verbrennung, sondern der, dass man schon eine Heizung mit Erdgas am laufen hat und eine Erdgasleitung liegen hat. Man will nicht mehr wechseln. Jeder muss für sich entscheiden, ob der genannte Vorteil den Nachteil der schlechten Wirtschaftlichkeit ausgleicht.

Unabhängig ist man damit jedenfalls nicht.

Der Diesel Motor

Von den Dieselmotoren werden alle Typen von Ein- bis Sechszylindermotoren eingesetzt. In der Klasse der Mini BHKW haben sich die Drei- und Vierzylindermotoren als laufruhig erwiesen. Es gibt aber auch laufruhige Einzylindermotoren. Jedoch sollte dabei niemnd an die berüchtigten Rüttelplatten denken, die zum Teil in BHKW wegen ihres unglaublich günstigen Preises immer noch zum Einsatz kommen.

Gemeint ist der Einkaufspreis.

Über die Wirkungsweise muss nicht viel erklärt werden, da dieser Motor sehr populär ist. Es ist ein Selbstzünder. Was so viel bedeutet, als dass er ohne äußere elektrische Energie in Form eines Zündfunkens seine Arbeit verrichtet. Er wird gestoppt, indem der Treibstoffzufluss unterbrochen wird. An dieser Stelle muss gesagt werden, dass eine künstliche Abhängigkeit von einer äußeren elektrischen Energie geschaffen werden muss. Der Sicherheit wegen. Nach Herstellung dieser Abhängigkeit, stoppt der Motor, wenn z.B. eine Sicherung ausfällt.

Der Erfinder ist Rudolf Christian Karl Diesel.

Er zeichnet sich gegenüber dem Gasmotor, durch einen höheren Wirkungsgrad aus.

Das wird am PKW deutlich. PKWs mit Dieselmotoren sind in der Anschaffung teurer. Er wird dennoch gekauft, da er sparsamer ist. Der geringere Verbrauch macht ihn bei höherer Fahrleistung pro Jahr sparsamer als den PKW mit Benzinmotor. Kurz: Man erhält mehr km für sein Geld.

Nun, wenn dieses Beispiel auf das BHKW übertragen wird, könnte der Einwand kommen, dass sich das relativiert. Denn der Gesamtwirkungsgrad, der ja auch die thermische Leistung betrachtet, also den Teil der im PKW als Verlust dargestellt wird, bei beiden Motortypen, in etwa gleich groß ist. Das stimmt.

Aber die Betrachtung ist einseitig. Man muss etwas genauer hinschauen. Der Gesamtwirkungsgrad beim BHKW setzt sich zusammen aus dem thermischen Wirkungsgrad, also dem Teil, der beim PKW relativ ungenutzt ist und dem elektrischen Wirkungsgrad.

Der kann mit den gefahrenen km verglichen werden, da die Drehbewegung des Motors im PKW in km umgesetzt wird. Beim BHKW dagegen, wird der Generator angetrieben und stattdessen Strom erzeugt, was letztendlich vergütet wird.

Da der Dieselmotor gegenüber den Benziner mehr Energie in Drehbewegung umgesetzt wird, wird auch mit diesem Motortyp mehr Strom und weniger Wärme erzeugt. Daraus folgt sofort, dass dieser Motor länger laufen muss um die gleiche Wärmemenge zu erzeugen. Es folgt zwingend, das auch viel mehr Strom produziert wurde, bei gleicher Wärmemenge.

Bei dem mit Öl (Diesel) betriebenen BHKW gibt es im Vergleich zum mit Gas betriebenen BHKW mehr Energie an der Welle, also mehr Strom, also mehr Vergütung. Sie können für die Vergütung mehr Öl kaufen. Die Wärme ist so dann noch günstiger.

Dieser Motor hat das beste Verhältnis von produziertem Strom zu produzierter Wärme. Er ist am wirtschaftlichsten. Viele Motoren können mit geringen Modifikationen mit Pflanzenöl betrieben werden. Diese sollten beim Erwerb der Anlage gleich mitbestellt werden. Dadurch steigt die Unabhängigkeit.

Um die Sicherheit zu verdeutlichen, verweise ich noch auf die amerikanische Filmindustrie, die in jedem guten Action Streifen einen PKW, also einen Benziner kollidieren ließ, der dann im Nu in einer Stichflamme das Zeitliche segnete, natürlich ohne den Helden. Und uns, als wir noch klein waren, gingen die Münder weit auf. Das wäre mit Öl nicht möglich gewesen.