Der Funktionsweise eines BHKW liegt folgendes Prinzip zugrunde: Ein Otto- oder Dieselmotor treibt einen Generator zur Stromerzeugung an und setzt dabei rund 30 bis 40 Prozent des Brennstoffs in elektrische Energie um. Grundsätzlich ist dieser elektrische Wirkungsgrad sowohl bei großen BHKW im Vergleich zu kleinen Anlagen größer, als auch bei Dieselaggregaten im Vergleich zu Motoren, die nach dem Otto-Prinzip arbeiten. Der Antriebsmotor ist dabei häufig die Weiterentwicklung eines PKW-, LKW- oder auch Schiffsmotors - optimiert und ausgelegt für einen kontinuierlichen Betrieb mit weitgehend gleich bleibender Last bei sehr hohen Laufleistungen von bis zu 100.000 Stunden. Mit Abgasturboladern kann die elektrische Leistung insbesondere bei großen Aggregaten gesteigert werden.



Das angebotene Leistungsspektrum reicht vom Mini-BHKW mit einer elektrischen Leistung von weniger als fünf kW bis hin zu Großanlagen mit mehreren tausend kW.

Die beim Motorbetrieb anfallende Wärme muss zur Motorkühlung ständig abgeführt werden. Während sie bei einem PKW über den Kühler an die Umwelt abgegeben wird (Motorkühlung), nutzt man die Kühlwasserwärme bei BHKW, indem sie über einen Wärmetauscher ausgekoppelt und einem Heizungssystem zugeführt wird. Zudem wird nicht nur die Energie der rund 500°C heißen Abgase über einen Abgaswärmetauscher genutzt, sondern auch die Wärme aus dem Motoröl (Ölkühler). Über diese Wärmeauskopplungen werden weitere 50 bis 60 Prozent der im Brennstoff enthaltenen Energie genutzt, so dass ein Gesamtwirkungsgrad von 80 bis über 90 Prozent erreicht wird.

Der stationäre Motorbetrieb bei weitgehend gleich bleibender Last bietet mit moderner Katalysatortechnik insbesondere bei großen Motoren die Möglichkeit, die vom Gesetzgeber in der TA-Luft festgeschriebenen Grenzwerte für Luftschadstoffe bei weitem zu unterschreiten.

In den meisten BHKW-Anlagen wird Erdgas oder leichtes Heizöl eingesetzt. Dennoch sind grundsätzlich für eine Vielzahl gasförmiger und flüssiger Brennstoffe Motorenkonzepte verfügbar. Neben der Verbrennung von Klär-, Deponie- oder Grubengas ermöglicht die energetische Nutzung nachwachsender Rohstoffe - wie z. B. Rapsöl - eine CO2-neutrale Strom- und Wärmeerzeugung in Blockheizkraftwerken.

Wird die Wärme aus dem BHKW im Heizungssystem nicht genutzt, kann sie als Antriebsenergie für so genannte Absorptionskältemaschinen dienen, die Kälte beispielsweise für Klimatisierungen liefern. In diesem Fall spricht man von Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK).

Neben den beschriebenen Blockheizkraftwerken auf Basis von Diesel- oder Otto-Motoren sind weitere Konzepte zur Kraft-Wärme-Kopplung möglich. So können die großen Abgasströme bei der Stromproduktion mit Gasturbinen zur Erzeugung von Dampf genutzt werden, der wiederum Dampfturbinen zur Stromerzeugung antreibt. Solche als GUD-Kraftwerke (Gas- Und Dampfturbinen-Kraftwerke) bezeichneten Kraftwerke erreichen zwar hohe Wirkungsgrade, sind jedoch höheren Leistungsklassen vorbehalten. Eine große Zukunft ist von Brennstoffzellen-BHKW zu erwarten. So kann beispielsweise solar erzeugter Wasserstoff zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung mit hohen Wirkungsgraden genutzt werden.