Wärme und Strom aus Holz

Auf europäischer Ebene existiert die Ziel­setzung, in den kommenden Jahren den Anteil der Biomasse in der Kraft- und Wärmever­sorgung drastisch zu erhöhen. Parallel zu der politischen Forderung steigt bereits jetzt aufgrund der zuletzt schnell gestiegenen Kosten für fossile Primärenergieträger die Nachfrage nach Klein-KWK-Geräten auf der Basis fester Biomasse. Nicht zuletzt weil es viele Verbraucher fasziniert, neben Wärme auch „eigenen Strom“ zu erzeugen. Als besonderer Hebel zur Systementscheidung könnte sich das gerade novellierte Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) entwickeln, weil für Strom aus Biomasseanlagen besonders attraktive Ver­gütungssätze in Anspruch genommen werden können.

Anforderungen

Biomasse-KWK mit Stirlingmotor wird eine besondere Eignung im kleineren Leistungsbereich, also auch für den Einsatz in Ein-, Zwei- und kleinen Mehrfamilienhäusern, vorhergesagt. Wichtigste Voraussetzung für die Wirtschaftlichkeit ist allerdings eine möglichst ganzjährig sicher zur Verfügung stehende Wärmesenke. Weil beim Stirlingmotor im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren kein brennbares Gas/Luftgemisch zur Explosion gebracht wird, hat er beste Voraussetzungen für einen relativ geräuscharmen Betrieb und gilt aufgrund der wenigen beweglichen Teile sowie der äußeren Verbrennung als relativ wartungsarm. Die Übertragung der Enthalpie aus dem Abgasstrom einer Biomassefeuerung auf das Arbeitsgas ist die größte Herausforderung. Zwei Punkte, die zu konstruktiv unterschiedlichen Entwicklungen geführt haben, sind von besonderer Bedeutung:

• Es ist eine zuverlässige Abdichtung des Arbeitsgases (meistens Helium oder Stickstoff) gegen die Umgebung erforderlich.
• Die Wärmeübertrager werden durch die aschebeladenen Abgase direkt beaufschlagt, sodass ein Schichtaufbau verhindert (verzögert) werden muss, um einer Verminderung der Wärmeübertragung und damit des Wirkungsgrads vorzubeugen.

Zudem hat die Praxis gezeigt, dass die sich der Wärmeübertrageroberfläche ablagernden Ascheanteile korrosiv wirken können. Um die Wärmeübertragerverschmutzung und -korrosion zu begrenzen, setzen die meisten Hersteller auf asche- und chlorarme Brennstoffe, im größeren Leistungsbereich auch auf automatische Reinigungssysteme.

Für die Wirtschaftlichkeit einer KWK-Anlage ist ein individueller Anlagenzuschnitt ausschlaggebend. Die ersten mit Holz bzw. Holzpellets befeuerten Geräte mit einer Leistung von 12,5 kW_th sind für den Einsatz mit einer hohen Vollbenutzungsstundenzahl in einem Standard-Einfamilienhaus aber deutlich überdimensioniert. Mit steigender Dämmqualität ist zudem die kürzere Heizperiode von Bedeutung. Für einen wirtschaftlichen KWK-Betrieb ist deswegen in Wohngebäuden bei den noch relativ hohen Investitionskosten nur die Auslegung auf die Grundlast sinnvoll.

Hoval/Dr. Kammerich

Das Mikro-KWK-Aggregat von Hoval auf der Basis eines Stückholz-Wärmeerzeugers mit 1-kW_el-Stirlingmotor als Generatorantrieb basiert auf dem Standard-Stückholz-Heizkessel AgroLyt von Hoval. Ein (geringer) Teil der Heizenergie wird für den teilintegrierten Stirlingmotor genutzt. Der Heizkessel arbeitet mit einem dreistufigen Verbrennungsverfahren und verfeuert Stückholz bis 15 cm Durchmesser und 0,5 m Länge sowie Grobhackgut bzw. Holzbriketts.

In der Startphase wird das Stückholz getrocknet und erhitzt. Hierbei entsteht Holzgas, das zusammen mit der vorgewärmten Sekundärluft in die Brennkammer gelangt. Die Verbrennung findet vor dem Wärmeübertragerkopf der Stirlingmaschine statt, wobei die Dosierung der Sekundärluft für einen vollständigen Ausbrand über eine Lambdasonden-Regelung zugemischt wird. Weil der mit dem Stirling-Motor gekoppelte Generator auch als Anlasser fungiert, kann der Stromerzeuger in Abhängigkeit von der Erhitzertemperatur besonders einfach gestartet werden.

Bei einer Anfang 2007 in Sulzbach in Betrieb genommenen Pilotanlage wurde eine hydraulische Schaltung mit einem Warmwasserspeicher gewählt. Hintergrund ist, dass der 1-kW_el-Motor eine Betriebstemperatur von 60 °C nicht überschreiten soll. Da eine entsprechende Heizungsrücklauftemperatur bei dem Projekt jedoch nicht gewährleistet ist, wurde der Schichtenspeicher als Wärmesenke integriert. Für die Trinkwassererwärmung wurden außerdem noch zwei Pufferspeicher mit einem Gesamtvolumen von 1000 l eingebunden. Zur Beheizung der rund 150 m² Wohnfläche reichen ein bis zwei Beschickungen pro Tag bis zum Beginn der Frostperiode aus.

Zwischenzeitlich wurden vom IZES (Institut für ZukunftsEnergieSysteme) an der Kombination Optimierungsmaßnahmen durchgeführt. Sie belegen, welche Leistungssteigerungen in den Stirlingmotor-Anwendungen noch stecken. Besonders problematisch war in der Testphase das stromverbrauchende Takten (Anlassen über den Generator). Das Takten wurde durch das Anheben der Anschalttemperatur von 275 auf 375 °C deutlich reduziert. Mit den Optimierungen konnte die Entnahme elektrischer Energie aus dem Netz von 29 auf 6 % reduziert und der Stromverbrauch im Stand-by-Betrieb von 27 auf 18 % gesenkt werden. Als Folge stieg der Nettoertrag an selbst erzeugtem Strom von zunächst mageren 44 % auf jetzt immerhin 76 %.

Mawera/Stirling Denmark

Das österreichische Unternehmen Mawera (gehört seit Ende 2006 zu 100 % zur Viessmann-Gruppe) verwendet bei seinem Klein-KWK-Konzept einen Vierzylinder-Stirlingmotor mit 35 kW_el, der von Stirling Denmark vertrieben wird. Eine sehr aufwendige Forschungs- und Entwicklungsarbeit stellte hierbei die Gestaltung der Feuerstätte dar, die von Mawera in Zusammenarbeit mit Bios Bioenergiesysteme, Graz, konzipiert wurde.

Durch die Realisierung der Hochtemperaturfeuerung mit 1300 °C wurden die Voraussetzungen für einen hohen elektrischen Wirkungsgrad von 18 % (ursprünglich 12 % bei 1000 °C) geschaffen. Um bei diesen hohen Temperaturen eine Verschlackung vom Erhitzerwärmeübertrager des Stirlingmotors zu unterbinden, werden hier nur Brennstoffe mit hohem Ascheschmelzpunkt und niedrigem Chlorgehalt verwendet, insbesondere Hackschnitzel, Holzpellets und Sägespäne mit einem geringen Rindeanteil. Zusätzlich wurde der Erhitzerwärme­übertrager mit einem automatischen Abreinigungssystem auf Druckluftbasis ausgerüstet.

Nach dem Wärmeübertrager des Stirlingmotors weist das Rauchgas noch eine Temperatur von ca. 800 bis 850 °C auf. Sie wird zur Vorwärmung der Verbrennungsluft genutzt. Die restliche Wärmemenge wird in einem nachgeschalteten Economiser an ein Prozesswärme- oder Heiz­system abgegeben. Die Wärmeabfuhr im Kühlerwärmeübertrager des Stirlingmotors erfolgt durch eine Vorwärmung des Heizungsrücklaufs. Die elektrische Leistung ist somit auch von der Rücklauftemperatur abhängig. Bei 60 °C kann eine Leistung von 35 kW_el erreicht werden.

Stirling Denmark, Lyngby, fokussiert seine Entwicklungen ganz auf die Verfeuerung von Biomasse zum Antrieb des 35-kW_el-Stirlingaggregats, beispielsweise für Nahwärmekonzepte mit ca. 50 Einfamilienhäusern. Die 35 kW_el-Variante soll nach Unternehmensangaben noch 2008 in Serienfertigung gehen und dann auch als Doppelmodul mit 70 kW_el zur Verfügung stehen. Als Entwicklungsziel gibt Stirling Denmark eine modulare Baureihe bis 500 kW_el an. Vorgesehen sind auch Varianten für die Nachrüstung von bestehenden Biomasse-Feuerungsanlagen.

Sunmachine

Sunmachine, Nürnberg und Kempten, hat ein Mikro-KWK-Aggregat mit Stirlingmotor konzipiert, das mit Holzpellets befeuert wird und eine elektrische Leistung von bis zu 3,0 kW generiert. Bei dieser Variante ist bereits die Verbrennungstechnik sehr interessant: Die Holzpellets werden über eine Förderschnecke vom Vorratsbehälter auf einen Heizrost transportiert und vollständig in Gas umgewandelt. Dieses Gas wird über eine Unterdrucksteuerung nach unten gesaugt, entflammt und in einem Sturzbrenner bei einer Temperatur von ca. 850 °C verbrannt. Die Flamme trifft direkt auf den Erhitzerkopf der Einzylinder-Stirlingmaschine (Arbeitsgas Stickstoff). Die Stromerzeugung erfolgt über einen in den druckdichten Bereich integrierten Generator in einem Leistungsbereich zwischen 1,5 und 3,0 kW. Die thermische Leistung wird vom Hersteller zwischen 4,5 und 10,5 kW angegeben. Der Gesamtwirkungsgrad der Anlage liegt bei ca. 90 %.

Als Herstellkosten nennt Sunmachine einen Preis von 23000Euro netto und für das Gesamtsystem mit Pufferspeicher und Pelletlager und Zuführsystem Gesamtkosten von rund 34000 Euro.

Stirling Power Module

Für den Einfamilienhausbereich arbeitet die Stirling Power Module Energieumwandlungs-GmbH (SPM), Graz, an einem Vierzylinder-Stirlingmotor mit einer elektrischen Leistung von 1 kW. Dieser wird voraussichtlich zunächst als Nachrüstmodul für Pelletheizkessel von KWB Biomasseheizungen und Ökofen angeboten. Beide Unternehmen sind an SPM beteiligt. Der Vertriebsbeginn ist für Mitte 2009 angekündigt; die erste Serie soll für rund 10000 Euro angeboten werden.

Wirtschaftlichkeit

Die Rentabilität einer KWK-Anlage ist an eine gleichmäßige Wärmeabnahme über eine möglichst lange jährliche Laufzeit gekoppelt. 4000 Betriebsstunden sollten mindestens erreicht werden. Eine weitere Bedingung ist ein ausreichend hoher Grundstrombedarf, weil unter normalen Bedingungen die Reduzierung des Strombezugs günstiger als die Netzeinspeisung ist. Mit bisher am Markt verfügbaren Geräten ist eine Wirtschaftlichkeit in Einfamilienhäusern nur schwer zu erzielen.

Um die erreichbaren jährlichen Laufzeiten von Kleinst-KWK-Anlagen abschätzen und möglichst qualifizierte Aussagen zur Rentabilität treffen zu können, sollte die VDI 4655 „Referenzlastprofil von Ein- und Zweifamilienhäusern für den Einsatz von KWK-Anlagen“ berücksichtigt werden. Bei größeren (Wohn-)Gebäuden ist bei sachgerechter Dimensionierung wegen der höheren Grundlast eine Wirtschaftlichkeit erheblich einfacher zu erreichen.

Förderung

Nach dem Erneuerbare-Energie-Gesetz (EEG 2009, Bundestagsbeschluss vom 6. Juni 2008, vom Bundesrat am 4. Juli 2008 gebilligt, Inkrafttreten am 1. Jannuar 2009) erhalten KWK-Anlagen bis zu einer elektrischen Leistung von 150 kW eine Grundvergütung von 11,67 Ct/kWh_el eingespeistem Strom. Hinzu kommen bei Nutzung der abgegebenen Wärme ein KWK-Bonus sowie beim Stirlingmotor ein Technologiebonus in Höhe von jeweils 3,0 Ct/kWh_el. Für Stirling-Klein-KWK-Anlagen kann damit ab 2009 eine Vergütung mit 17,67 Ct/kWh_el zum Ansatz gebracht werden.

Für den Fall, dass zur Befeuerung der Biomasse-KWK mittels Stirlingmotor nachwachsende Rohstoffe nach den Bestimmungen des EEG (2009) eingesetzt werden, erhält der Nutzer einen zusätzlichen Bonus von 3,0 Ct/kWh_el, woraus eine maximale Stromvergütung von 20,67 Ct/kWh ­resultiert.

Die Investition einer Klein-KWK-Anlage kann zudem im Rahmen des CO₂-Gebäudesanierungsprogramms der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) mit zinsgünstigen Krediten und Investitionszuschüssen gefördert werden. Unter Umständen können auch Förderprogramme der Länder und regionalen Initiativen der Energieversorger in Anspruch genommen werden.

Unter bestimmten Bedingungen kann für wärmegeführte Klein-KWK-Anlagen bis 50 kW_el auch ab September ein Investitionszuschuss nach den „Richtlinien zur Förderung von Mini-KWK-Anlagen“ [siehe TGA 08-2008: „Impulsprogramm für Mini-KWK] beantragt werden.

Fazit

Derzeit ist der Trend klar: Mikro- und Klein-KWK-Aggregate auf der Basis des Stirling-motors werden als Strom erzeugende Heizung ­erheblich schneller als Brennstoffzellen-Heiz-geräte auf den Markt kommen. Die Preisentwicklung bei fossilen Brennstoffen rückt dabei insbesondere Entwicklungen auf der Basis fester Biomasse in den Fokus.Eric Theiß