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«Winterstromlücke»: BHKW und Wärmepumpe als wirksames Gegenmittel

Die Kombination eines mit Biogas, Erdgas oder synthetischem Gas («grünem Wasserstoff») betriebenen Blockheizkraftwerks (gelbes Gehäuse links im Bild) mit einer Wärmepumpe (Gehäuse rechts im Bild) benötigt wenig Platz und kann die Heizkosten deutlich reduzieren.

Das Schema illustriert, wie durch die Kombination der Anlagen Blockheizkraftwerk und Wärmepumpe ein Hebeleffekt erzielt werden kann: Aus der anfänglichen Energiemenge, welche in Form von Biogas oder Erdgas in das Kombisystem gegeben wird (= 100 %), gewinnen BHKW und WP eine doppelt so hohe Energiemenge (200 %). Im Umkehrschluss: Wer dieselbe Nutzenergiemenge wie bis anhin benötigt, braucht dafür mit einem solchen System nur noch 50 % der bisher eingesetzten Primärenergie.

Weil die Schweiz im Winter zu wenig eigenen Strom produziert, importieren wir zwar billigen, aber sehr hoch CO2-belasteten Strom aus europäischen Kohle- und Kernkraftwerken. Die Kombilösung aus Blockheizkraftwerk (BHKW) und Wärmepumpe wird bislang kaum beachtet. Sie wäre aber nicht nur punkto CO2-Ausstoss für Planer, Bauherren und Nutzer von Liegenschaften viel attraktiver – auch die Betriebskosten sprechen eine deutliche Sprache.

Wieso gibt es in der Schweiz die «Winterstromlücke»?

Noch vor 25 Jahren war es kaum ein Thema, dass die Schweiz irgendwann im Jahresverlauf über zu wenig selbst produzierten Strom verfügt und deshalb importieren muss. In den zurückliegenden 20 Jahren hat sich das jedoch verändert. «Im Gebäudebau wird immer mehr auf Wärmepumpen für das Beheizen der Liegenschaften gesetzt, die Bevölkerung wächst und verbraucht generell mehr Strom», sagt Jörg Jermann, Leiter Produktion Blockheizkraftwerke bei Avesco. Wärmepumpen werden im Wohnungs-, Dienstleistungs- und Gewerbe-/Industriebau eingesetzt. Sie sind viel effizienter und – auf den ersten Blick – sauberer als Öl- und Gasheizungen. Sie benötigen aber Strom, und die grosse Anzahl an neuen Wärmepumpen führte dazu, dass die Nachfrage nach Strom das im Inland produzierte Angebot insbesondere im Herbst, Winter und Frühling phasenweise übersteigt. Hinzu kommt, dass Photovoltaikanlagen, die einen Teil der Stromproduktion generieren, im Winter viel weniger Strom liefern als im Sommer, nämlich nur rund einen Siebtel. Die Speicherseen sind bereits im Januar jeweils weniger als die Hälfte gefüllt und liefern in den Frühlingsmonaten deutlich weniger Energie. Um die entstehende Stromlücke zu schliessen, importiert die Schweiz in der kälteren Jahreszeit Strom aus dem Ausland, der zum Beispiel in deutschen Kohle-, Nuklear- und Gaskraftwerken hergestellt wird. Im Dezember 2020 betrug der Anteil dieser Produktionen mit hohem C02-Ausstoss rund 72% der gesamten produzierten Strommenge in Deutschland.

Wie kann man mit BHKW und Wärmepumpe sparen?

Eine deutlich kostengünstigere Möglichkeit für das CO2-arme Beheizen von Gebäuden ist die Kombination eines Blockheizkraftwerks mit einer Wärmepumpe. Ein mit Biogas, Erdgas oder synthetischem Gas («grüner Wasserstoff») betriebenes BHKW liefert sogenannte aktive Energie, d. h. es braucht nicht ständig eine bestimmte Grundlast erzeugen, sondern kann bei Bedarf einfach und schnell ein- und ausgeschaltet werden. Es unterscheidet sich darin von Erzeugern passiver Energie wie Windkraft- oder Photovoltaikanlagen (PV), die abhängig von äusseren Einflüssen – eben Wind oder Sonne – sind. In den sonnigeren Monaten mit relativ warmen Durchschnittstemperaturen, wenn die Strompreise aufgrund der hohen Produktion durch Photovoltaikanlagen tendenziell niedriger sind, kann das BHKW ausgeschaltet bleiben und man nutzt das reguläre Stromnetz oder falls vorhanden die eigene PV-Anlage, um die Wärmepumpe zu betreiben. Somit können das Brauch- und Heizwasser mit nahezu CO2-freier Primärenergie erwärmt werden. In den sonnenärmeren Monaten mit den deutlich niedrigeren Aussentemperaturen und mit höheren Strompreisen, schaltet sich das BHKW ein und erzeugt damit Strom für die Wärmepumpe und zusätzlich Wärme auf dem ca. 15-20 °C höheren Temperaturniveau. Mit dem BHKW lassen sich Vorlauftemperaturen von bis zu 95°C erreichen. «Das System aus BHKW und Wärmepumpe ist für eine Laufzeit von 20-25 Jahren ausgelegt», sagt Jörg Jermann. «Über diesen Zeitraum liegen die Ausgaben für die Beheizung einer Liegenschaft trotz der Investition in die zwei Anlagen um rund 30-50 Prozent tiefer gegenüber dem früheren Gas- oder Ölkessel. Die Variante mit einem kombinierten System ist selbst dann noch günstiger, wenn eine bestehende Gasheizung einfach durch eine neue ersetzt würde. Die Kombilösung rechnet sich sehr oft und ist obendrein viel umweltfreundlicher.»

Ab welcher Projektgrösse rechnet sich die Kombilösung?

Für das Einfamilienhaus (EFH) lohnt sich die Kombination aus einem (kleinen) BHKW und einer Wärmepumpe aufgrund der Investitionshöhe nicht. «Im EFH-Bereich wäre es wünschenswert und wohl langfristig auch günstiger, wenn Quartier-Wärmeverbunde für zum Beispiel 100 bis 200 Häuser gebaut und von einer Energiezentrale aus versorgt würden. Interessant für Einzellösungen wird es im Wohnungsbau mit Wärmebedarf ab ca. 60kW. In diesen Fällen wird dieses Prinzip mit der in Lizenz hergestellten Hybridbox umgesetzt.» Wichtig sei jedoch, den konkreten Einzelfall immer genau zu prüfen, sagt Jörg Jermann. Bei gewerblich oder industriell genutzten Liegenschaften oder öffentlichen Bauten wie Werkhöfen, Schulanlagen, Altersheimen, Spitälern usw. sollte die Kombination immer in Betracht gezogen und kalkuliert werden. Jermann: «Bei diesen Gebäuden stehen oft grosse Dachflächen für Photovoltaikanlagen zur Verfügung. Damit kann die Wärme mit Strom vom Dach erzeugt und die autonome Strom- und Wärmeversorgung durch die Nacht und bei Schlechtwetter durch das Blockheizkraftwerk sichergestellt werden.»

Photovoltaik, BHKW, Wärmepumpe: Wann soll welche Anlage laufen?

Der Vorteil eines autonomen Systems mit mehreren Geräten liegt auf der Hand: Man nutzt immer dann die Technik, deren Primärenergie am günstigsten verfügbar ist. Von besonderem Vorteil ist dabei die bereits erwähnte Flexibilität des BHKW als «Power-on-Demand»-Lieferant. In der Schweiz bieten sich folgende Laufzeiten an:


April bis Oktober:

Wärmepumpe, betrieben mit Strom aus dem Stromnetz oder eigener Photovoltaik.

November bis März:

Biomethan-BHKW, Biogas-BHKW oder mit synthetischem Gas («grüner Wasserstoff») betriebenes BHKW produziert Strom für Wärmepumpe.
 

Realisierte Projekte in der Schweiz – ein Praxisbeispiel aus dem Kanton Zürich

Bei einer Reihe von Wohnbau- und Gewerbebauprojekten in der Schweiz wurden Kombilösungen bereits realisiert, zum Teil schon vor einigen Jahren. «Auf den ersten Blick vermuten Planer und Bauherrschaft eher teurere Kosten, deshalb ist das Kombiprinzip wohl nicht weiter verbreitet», sagt Jermann.

Doch Zahlen aus einem Projekt im Kanton Zürich, das 2022 zur Ausführung gelangen soll, zeigen das Potenzial:


Projektgrösse: Überbauung mit 325 Eigentumswohnungen
Baujahr Liegenschaft: 1975-1980-er Jahre
Heizungsart bisher: Gaskessel (100% Erdgas)
Verbrauch pro Jahr: ca. 5.2 Mio. kWh Erdgas


Kombilösung:

1 Avesco-BHKW, Leistungen: 200 kW elektrisch, 340kW thermisch
1 Luft-Wasser-Wärmepumpe mit einer Strom-Aufnahmeleistung von max. 190 kW, Heizleistung zwischen 350 kW bei -2°C bis 500 kW bei 5°C Aussentemperatur


Die grob berechnete Einsparung beim Erdgasverbrauch ist ca. 2.2 Mio. kWh / Jahr (entspricht einer Reduktion von 42%), wodurch sich eine Einsparung bei den Erdgaskosten pro Jahr um ca. 190'000 CHF ergibt – eine Reduktion um 42%.

«Die Kombination aus BHKW und Wärmepumpe erreicht unter allen alternativen Heizsystemen für dieses Sanierungsprojekt mit 7.6 Rappen pro kWh den niedrigsten Wärmepreis», erklärt Jörg Jermann. Dabei seien noch keine CO2-Kompensationsbeiträge  berücksichtigt. Über die gesamte Nutzungsdauer von voraussichtlich 20 – 25 Jahren werden diese mit zunehmendem erneuerbaren Energieanteil für den Betrieb des BHKW sogar noch ansteigen.

Durch die kleinere Primärenergiemenge, welche benötigt wird, könne auch mehr umweltfreundlichere Primärenergie, beispielsweise mit 20%- oder sogar 50%-Anteil an Biogas, eingekauft werden, ohne dass die Wärmekosten für die Wohnungseigentümer deutlich teurer werden. Die CO2-Emissionen sind dann um rund 50-70 Prozent niedriger als mit dem bisherigen Heizsystem.

Die Kombination hat sehr viele Vorteile, weil sich die Vorzüge der beiden Anlagentypen BHKW und Wärmepumpe addieren. Fehlt beispielsweise der Platz für ein Erdsondenfeld oder ist dieses zu gering, wird die restliche Wärmemenge und die Antriebsenergie durch das BHKW erzeugt. Wären die benötigten Vorlauftemperaturen nur mit einer WP zu gering, hebt das BHKW diese um 10-20 °C an.

Vergleich mit einem thermischen Fernwärmekraftwerk (Verbrennungskraftwerk)

Auch für Fernwärmenetze kann die Lösung mit BHKW und Wärmepumpe interessant sein und es gibt erste Projekte, welche den hohen Nutzen dieses Prinzips erkannt haben. In der Schweiz beziehen Fernwärmenetze die notwendige Wärmeenergie oft von Verbrennungskraftwerken, in denen Holzhackschnitzel oder Kehricht verfeuert werden. Im Gesamtkostenvergleich mit einem BHKW-WP-Kombisystem weisen auch diese Fernwärmenetze tendenziell teurere Wärmegestehungskosten auf.

Das liegt unter anderem an den hohen Kosten für bauliche Anpassungen, die zum Beispiel für ein Holzkraftwerk gefordert sind: Oft müssen ein Gebäude für die Schnitzellagerung und Transportwege für die LKW-Anlieferung der Hackschnitzel erstellt werden. Jörg Jermann: «Soll eine Gas- oder Ölheizung ersetzt werden, baut man diese aus und der freiwerdende Platz wird für den Einbau eines BHKW mit Wärmepumpe in aller Regel sehr gut ausreichen. Nennenswerte bauliche Anpassungen sind dann nicht notwendig.»

Zudem, das haben die letzten Monate wieder eindrücklich gezeigt, sind Holz, Erdgas und Strom dem internationalen Markt ausgesetzt. Unerwartet hohe Preisanstiege in kurzer Zeit verursachen teurere Heizkosten. Mit der Kombination aus BHKW und WP sind die Wärme- und Stromversorger autonomer und weniger von den Primärenergiekosten abhängig. Die Preissituationen für Gas, Strom, Holz oder auch Kehricht, ist Jermann überzeugt, werden aller Voraussicht nach auch zukünftig sehr starken Schwankungen unterliegen. Deshalb sei es sinnvoll, eine Energiezentrale mit verschiedenen Primärenergien zu betreiben: «Alles an seinem Ort mit der besten Effizienz!»
 

Erfolgreiche Kombilösung mit Klärgas-BHKW: ARA Seez

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