Der richtige BHKW-Motor:
Wirtschaftlichkeit, Sicherheit und Unabhängigkeit

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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.

Auf der Suche nach einem BHKW, stellt man schnell fest, dass Hersteller sich nicht so ganz gerne unter die Haube blicken lassen wollen. Angeboten bekommt man 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, dass das BHKW z.B. einem Stirlingmotor erhält. Oder dass 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 können.

Verbrennungsmotoren

    Der Diesel Motor

        geeignet für Heizöl

        eventuell geeignet für Pflanzenöl

        eventuell geeignet für Holzgas

        eventuell geeignet als 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. Um in das Thema einzusteigen, sollte das Verhältnis von Wärme zur Stromproduktion betrachtet werden.

Über meinen Favoriten, den Diesel Motor berichte ich zuerst. Dem folgt der im BHKW am häufigsten eingesetzte Gasmotor.

Gering verbreitet ist der dann aufgeführte Holzgasmotor. Den Schluss bildet, der Stirlingmotor, der ist der einzige mir bekannte Heißgasmotor, der im BHKW eingesetzt wird.

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 niemand 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, 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, denn bei dem setzt der Dieselmotor gegenüber dem Benziner einfach mehr Energie in Drehbewegung um. Der Diesel ist einfach sparsamer. Kurz: Man erhält mehr km für sein Geld.

Übertragen auf das ölbetriebene BHKW wird auch hier, im Vergleich zum gasbetriebenen BHKW, mehr Energie an der Welle freigesetzt, also mehr Strom, also mehr Vergütung, also auch hier wirtschaftlicher.

Es könnte der Einwand kommen, dass die thermische Leistung mitbetrachtet werden muss und es sich dann relativiert. Richtig ist, dass sich der Gesamtwirkungsgrad zusammensetzt aus der Leistung an der Welle (Km oder elektrische Leistung) und der thermischem Leistung (Wärme) bezogen auf die zugeführte Leistung also dem Treibstoff.

Tatsächlich geht beim PKW die thermische Leistung zum großen Teil verloren, wobei sie beim BHKW genutzt wird. Jedoch, und das wird bei diesem Einwand nicht bedacht, ist es der elektrische Teil, der hervorragend vergütet wird.

Dass der Einkaufszeitpunkt selbst gewählt wird und sich daher auf einen günstigen Preis auswirkt, soll hier nur am Rande erwähnt werden.

Viele Motoren können mit geringen Modifikationen mit Pflanzenöl betrieben werden. Diese sollten beim Erwerb der Anlage gleich mitbestellt werden. Dadurch steigt die Unabhängigkeit.

Auf dem Konto der Unabhängigkeit macht sich aber folgendes Fulminant bemerkbar. Ein kleiner unscheinbarer aber entscheidender Vorteil ist der, dass es in den eigenen vier Wänden gelagert werden kann und daher ab dem Zeitpunkt verfügbar ist!

Das ist aus meiner Sicht der wichtigste Aspekt. Denn nur wenn der Treibstoff lokal vorhanden ist, kann ein Notstrombetrieb durchgeführt werden, sollte ein Notfall eintreffen. Wem nützt ein Gas-BHKW mit Notstromfunktion, wenn bei einem flächendeckenden Blackout auch die Gasversorgung einen Stromausfall hat, und daher das Gas nicht geliefert wird, da die Ventile geschlossen bleiben?

Zum Schluss noch ein nicht ganz ernst gemeinter Hinweis auf die Sicherheit. Um den zu verdeutlichen, verweise ich auf die amerikanische Filmindustrie, die in jedem guten Action Streifen einen PKW, also einen Benziner kontrolliert 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.

Der Benziner oder Gas Motor

Diesen Motor hat 1832 Nicolaus August Otto 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. Kleinere BHKWs arbeiten mit Zwei- und Dreizylindermotoren. Eingesetzt werden dort gerne Motoren aus der Motorradszene. Noch schlimmer war der Fall eines Herstellers, der einen Briggs & Straton Motor eingesetzt hat. (Für mich war das immer nur ein Rasenmähermotor). Klar resultierte daraus dann auch ein recht günstiger Verkaufspreis. Es war dann aber wohl nicht nur der Motor, der da zu günstig war. Ende 2015 ist dann die Produktion eingestellt worden. Das soll hier keine Schadenfreude sein, sondern lediglich die Erkenntnis nähren, dass die eingesetzten Komponenten eine Mindestqualität haben müssen.

Der Motor ist den meisten 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, damit über die Jahre ja nichts 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 ist der Wirkungsgrad vom Benziner gegenüber dem Dieselmotor schlechter.

Die Ursache dafür, dass sich viele für diesen Motortyp entscheiden, liegt nicht bei dem Vorteil der etwas sauberen Verbrennung, sondern dabei, 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. Das vor dem Hintergrund, dass ein 2000l oder 4000l Ölspeicher häufig bei E-Bay sehr günstig zu erwerben ist.

Unabhängig ist man mit dem Erdgasanschluss jedenfalls nicht. Der Grund liegt gar nicht mal in der nicht vorhandenen Verfügbarkeit von Gas in Deutschland, denn das gilt ja auch für Öl. Sondern daran, dass das Gas nicht immer Keller gelagert werden kann wie Öl. Weiter oben habe ich ausgeführt, warum das nicht zu unterschätzen ist.

Der Holzvergaser

Auch Holz kann ein Energieträger für das BHKW sein. Und zwar mit dem Holzvergaser-Motor. Er ist ein umgebauter Motor, entweder ein Benziner oder ein Dieselmotor.

Der Motor wird gestartet, wie es für sein Naturell nötig ist, und 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. Anschließend muss das verbleibende Gas zwingend abgekühlt werden und kann dann dem Motor zugeführt werden.

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, das Holz im Stamm gekauft wird. Das heißt sägen, spalten, häckseln. Das schreit wiederum nach Automation. Also alles in allem, anfangs sehr aufwendig.

Der Stirlingmotor

Auch Heißgasmotor oder Wärmekraftmaschine genannt.

Erfunden von Reverend Dr. Robert Stirling geboren 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 150 Jahre 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 zwei Kühlkörper hat. Rechts und links einen. Und dann lugt 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 ersteinmal. 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 einen. 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 Wärmeübertragungsquotienten.

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, dass 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.