„Todgesagte leben länger – wir haben eine Anlage die funktioniert“, mit diesen Worten stellte Rudy Betz von Sunmachine das marktreife Mikro-Blockheizkraftwerk in der Pellet-Version vor, das eigentlich bereits im Jahr 2006 an den Markt gehen sollte. Noch in diesem Jahr will Sunmachine 4500 Stück der Pellet-befeuerten Mini-Kraftwerke verkaufen, im nächsten Jahr sollen es bereits rund 8000 Stück sein. Schon jetzt seien rund 2000 Geräte fest verkauft, bekundet Betz auf dem 2. Stirling Kongress, der im Rahmen der Landesenergiemesse CEP – Clean Energy Power am 7. März 2008 in Stuttgart auf dem neuen Messegelände stattfand.
Ab April 2008 soll es von Sunmachine auch eine Erdgas-Variante geben, ab 2009 ein Gerät mit Notstromfunktion. Vorteil des Sunmachine-Aggregates sei die nach außen druckdichte Lösung mit Anordnung des Generators innerhalb des Druckbereichs. Der Außenläufer des Synchrongenerators diene gleichzeitig als Schwungrad beim Anlassen. Gegenüber den recht erfolgreichen Mikro-KWK mit Verbrennungsmotor hätte der Stirlingmotor den Vorteil, dass er weder über wartungsintensive Glüh- bzw. Zündkerzen, Ventile, Steuerkette oder ein Ölbad verfüge. Es reiche aus, das Gerät einmal pro Jahr einer Inspektion zu unterziehen; eine Wartung sei nur alle 80000 Betriebsstunden – also nach etwa zehn Jahren – notwendig. Im Gerät selbst gäbe es keine Aschebildung.
Nach Berechnungen von Sunmachine stellt die Pelletvariante dem Betreiber die Heizenergie quasi umsonst zur Verfügung, denn der Stromertrag pro eingespeiste Kilowattstunde aus der Grundvergütung (0,1082 Euro), der KWK-Bonus (0,02 Euro) und der Technologie-Bonus (0,02 Euro) decke bereits die Kosten für den Einkauf der Pellets1).
Würde man anstatt der Normal-Pellets die Anlage mit Nawaro-Pellets betreiben, so käme zusätzlich ein Nawaro-Bonus von 0,06 Euro pro eingespeister kWh Strom hinzu. Allerdings seien Nawaro-Pellets im Schnitt um 0,03 Euro/kg teurer, was aber bei 3000 Betriebsstunden pro Jahr dennoch zu einem Überschuss von 308 Euro führe. Rund 23000 Euro soll die Maschine kosten, das Gesamtsystem mit Pufferspeicher und Pelletlager zwischen 33000 und 35000 Euro.
Betz rechnet vor, dass sich ein Mikro-KWK vom Typ Sunmachine bereits ab 1500 Betriebsstunden pro Jahr lohne, man aber 3000 bis 5000 Betriebsstunden anstreben sollte. Das Argument, dass Pellets auch wieder teurer werden könnten, lässt Betz nicht gelten. „Der jährliche Zuwachs an Holzmasse beträgt 17 m3/ha Wald. Da 30 % des Holzuwachses im Wald verbleiben ist der Nachschub gesichert.“
Fast kostenlose Biomasse zu Strom
Auch die Stirling Denmark ApS, Lyngby, eine Ausgründung der Technischen Universität Dänemark, sieht jetzt den Zeitpunkt für einen Marktstart mit einem 35-kWel-Aggregat, das durch die Verfeuerung von Biomasse angetrieben wird. Die gebe es praktisch auf der ganzen Welt umsonst, so Lars Jagd, Geschäftsführer des im Jahr 2004 gegründeten Unternehmens, an dem auch der in der TGA-Branche eher für die Themen Behaglichkeit, Produktivität und Lufthygiene bekannte Professor Bjarne W. Olesen beteiligt ist.
Während die meisten Marktakteure auf das Ein- und Zweifamilienhaus fokussieren, streben die Dänen die kommerzielle Nutzung in Nahwärmesysteme bis hin zur reinen Verstromung an. Entwicklungsziel der Dänen ist eine modulare Baureihe, die von 35 bis 500 kWel reicht. Die Stirlingmotor-Aggregate sollen sowohl für die Nachrüstung von bestehenden Biomasse-Heizkesseln geeignet sein als auch für schlüsselfertige KWK-Lösungen. Das größte Absatzpotenzial sieht das Unternehmen in der Stromerzeugung in Ländern mit überschüssiger Biomasse bei gleichzeitig hoher Abhängigkeit von Ölimporten. Schon ab 21 Cent/kWh sei beispielsweise die Stromerzeugung mittels Kokosnussschalen rentabel. Nicht ganz unbescheiden sieht Lars Jagd die Stirlingmotor-Technologie bereits als „Heiligen Gral“ der dezentralen Stromerzeugung (siehe Infokasten „Milliardenmarkt Stirlingmotor-KWK“).
Nachrüstmodul für KWB und Ökofen
Welchen Einfluss der Stirlingmotor künftig auf unsere Wärmeerzeugung nehmen wird, zeigt auch die Entwicklung der Stirlingpowermodule Energieumwandlungs GmbH, Graz. Das von KWB Biomasseheizungen, Stanzel & Ptak OEG, Ökofen Pelletheizungen und Oekostrom AG initiierte Unternehmen will zunächst ein Nachrüstmodul für den 15-kW-Pellet-Heizkessel anbieten und damit bei Nennleistung 1 kW Strom gewinnen. Vorausgegangen waren Optimierungsmaßnahmen an der Brennkammer, um deren Temperatur zu erhöhen und damit die Leistung des Stirlingmotors zu verbessern.
Weitere Schwerpunkte der unter Federführung des Fraunhofer-Instituts für solare Energiesysteme durchgeführten Optimierungsmaßnahmen waren die Minderung der Wärmeübertragerverschmutzung und die Reduzierung der Reinigungsintervalle durch schmutzabweisende Oberflächen der Wärmeübertrager. Hinzu kamen eine Luftvorwärmung zur Erhöhung der Brennkammertemperatur, die Optimierung der Beladungsstrategie des Wärmespeichers sowie ein intelligentes Wärmemanagement für längere Laufzeiten bzw. weniger Starts und Stopps.
Der Vier-Zylinder-Motor soll äußerst leise und vibrationsfrei laufen und im wärmegeführten Betrieb eingesetzt werden. Wer Kosten einsparen wolle und bereits eine PV-Anlage installiert habe, könne die dort vorhandenen Gleichrichter sowie die Stromeinspeiseperipherie mitbenutzen.
Nach Aussage von Karl Wolfgang Stanzel, Mitgesellschafter von Stirlingpowermodule, sind derzeit fünf Anlagen in Betrieb und weitere 25 für den nächsten Winter in Planung. Ab Mitte 2009 soll der kommerzielle Verkauf beginnen. „Wir sind nah dran“, kommentiert Stanzel den Entwicklungsstand. Ziel seien Anfangskosten von rund 10000 Euro mit Preisdegression je nach Stückzahl. Aktuell seien rund 30000 Pellet-Heizkessel installiert, die sich für eine Nachrüstung eignen. Später soll auch eine Hackschnitzelvariante angeboten werden.
„50 % Eigenstromerzeugung möglich“
Das extrem hohe Marktpotenzial für die Strom erzeugende Heizung, gehandelt werden Zahlen von 90000 bis 600000 Geräten pro Jahr, scheint jetzt das Entwicklungstempo nochmals zu beschleunigen. Während sich Dr. Stefan Holler bei der ASUE-Tagung im September 2007 (siehe TGA 12-2007 Strom erzeugende Heizung – Noch Optimierungsbedarf) noch eher zurückhaltend über die Marktreife von Whispergen-Geräten äußerte, klangen die Ergebnisse der Praxistests auf dem Stirling Kongress in Stuttgart etwas optimistischer: „Die Technologie ist erprobt und zuverlässig. Die Herstellerangaben zur thermischen und elektrischen Leistung wurden erreicht und teilweise sogar übertroffen.“
Nach den jetzt vorliegenden Erfahrungen könne mit einer Whispergen-Mikro-KWK 25 bis 50 % des Strombedarfs eines Einfamilienhauses durch dezentrale Erzeugung gedeckt werden. Allerdings müsse man bei der Markteinführung die für Mikro-KWK eher ungünstigen Rahmenbedingungen einkalkulieren. „Bei Erdgas-angetriebenen Geräten ist die Vergütung für eingespeisten Strom zu gering, als dass dadurch ein Kaufanreiz entstehen könnte. Und beim Mehrfamilienhaus gibt es Probleme, den erzeugten Strom abzurechnen, da der Erzeuger von Mikro-KWK-Strom in den Wettbewerb zu den lokalen Stromlieferanten tritt.“
Auch scheint die Installation eines Stirling Mikro-KWK nicht ganz so einfach zu sein, wie mancher Hersteller sich das vorstellt. „Das ist keine Plug&Play-Technik“, warnt Holler. Auch müsse das „Kraftwerksprivileg“ noch teuer erkauft werden: Bei einem künftigen Set-Preis von rund 9000 Euro für ein Erdgas-Mikro-KWK der Größe 1/7 kW spare der Betreiber – heutige Rahmenbedingungen vorausgesetzt – gerade mal 200 Euro/a Stromkosten.
„Wirtschaftlicher als Wärmepumpe“
Aus Sicht von Jens Dertenkötter von Bosch Thermotechnik muss ein Mikro-KWK ähnlich einfach zu warten sein wie ein wandhängendes Heizgerät. „Der eigentliche Stirlingmotor ist für den Installateur eine wartungsfreie Blackbox. Alle Zusatzkomponenten sind heutigen Servicetechnikern bekannt.“ Im Gegensatz zu anderen Herstellern von Stirlingmotor-BHKW, die hauptsächlich mit einem kinematischen Stirlingmotor arbeiten, setzt BBT einen hermetischen Freikolben-Stirling mit Lineargenerator und Dauermagneten ein. Dadurch trete an den Spaltdichtungen praktisch keine Reibung auf.
Allgemein sei der Reifegrad des jetzt zur Verfügung stehenden Vorseriengerätes sehr hoch. Durch einen Feldtest mit 500 Bosch-Thermotechnik-Geräten und weiteren 500 Geräten des Kooperationspartners MTS mit gleichem Stirlingmotor wolle man die Marktreife absichern und dann in die Massenfertigung einsteigen. Bei Bosch Thermotechnik sehe man das Stirling-Mikro-KWK als wichtige Option zur CO2-Einsparung im Altbau weit wirtschaftlicher als eine Wärmepumpe oder eine Solaranlage mit Heizungsunterstützung, betonte Dertenkötter auf dem Stirling Kongress in Stuttgart.
Bosch Thermotechnik hat deshalb sein Mikro-KWK-Gerät in Abmessung und Leistung ganz auf den Gebäudebestand abgestimmt. Die Wärmeleistung bei Nur-Stirling-Betrieb soll zwischen 3 und 7 kW modulieren und parallel bis zu 1 kW Strom erzeugen. Über die Booster-Funktion könne das Wandgerät (HBT: 900 x 60 x 45 cm) eine thermische Leistung von bis zu 24 kW zur Verfügung stellen.
Hoher Eigenstromverbrauch
Welche Leistungssteigerungen in den Stirlingmotor-Anwendungen noch liegen, belegen Optimierungsmaßnahmen von IZES, Institut für Zukunftsenergiesysteme, Saarbrücken, an der Scheitholzkessel-Stirlingmotor-Kombination von Hoval/Dr. Kammerich. So konnte durch die Erhöhung der Ein- bzw. Ausschalttemperatur des Stirling-Aggregates der Bezug von Anlaufstrom aus dem Netz von 29 auf 6 % gesenkt und der Stromverbrauch im Stand-by-Betrieb von 27 auf 18 % reduziert werden. Der Nettoertrag an selbsterzeugtem Strom stieg damit von ursprünglich nur 44 auf immerhin 76 % an. Typisches Problem bei dem mittels Scheitholzkessel betriebenen Stirlingmotor war ein stromzehrendes Takten, das durch das Anheben der Anschalttemperatur (jetzt 375 °C, vorher 275 °C) sowie höhere Kalt- und Warmstarttemperaturen behoben werden konnte.
Sehr gute Leistungs- und Emissionswerte (Blauer Engel gemäß RAL-ZU 108) wurden bei der Solo Maschine „Solo V 161 Modul“ gemessen. Die dort eingesetzte Technik (Arbeitsgas Helium mit maximal 150 bar) eigne sich für eine große Bandbreite an Brennstoffen, unter anderem auch für Bio-, Klär-, Deponie- und Grubengas. Wegen der vergleichsweise großen Leistung für ein Mikro-KWK von 2,0 bis 7,5 kWel und 8 bis 22 kWth sei das Gerät aber eher für Nischenanwendungen geeignet. Weniger überzeugend seien dagegen die Abgaswerte des getesteten Whispergen-Gerätes (NOx 260 bis 280 mg/m3; CO 280 bis 380 mg/m3). Auch wurden die Maschinen im laufenden Betrieb lauter, bemerkte Dr. Bodo Groß von IZES.
Fazit
Es scheint, dass das Stirlingmotor-Mikro-KWK gegenüber dem Brennstoffzellen-Heizgerät schneller am Markt und auch einfacher in der Handhabung sein wird. Bei erdgasangetriebenen Geräten ist die Wirtschaftlichkeit bei den heutigen Rahmenbedingungen jedoch noch nicht gegeben. Wer dagegen auf Biomasse-befeuerte Stirlingmotor-KWK setzt, kann die Investition über umfangreiche Boni innerhalb akzeptabler Zeiträume refinanzieren. Ob die Strategie von Stirling Denmark Sinn macht, die weltweiten Biomasse-Vorräte bei niedrigem Wirkungsgrad zu verstromen, bedarf wohl noch einer Technikfolgenabschätzung.
1) Bezugspunkte: 1 kg Pellet = 0,15 Euro. 14,5 kW „Mikro-KWK Sunmachine-Pellet“ mit 90 % Wirkungsgrad und 10 kWh Wärme und 3 kWh Strom bei Volllast.
Informationen über Mikro-KWK (Auswahl)
Bosch Thermotechnik http://www.bbt.thermotechnik.de
EC Power https://www.ecpower.eu/de/
Enatec http://www.enatec.com
Enerlyt https://enerlyt.de/
Honda Ecowill http://www.honda.co.jp
Hoval/Dr. Kammerich http://www.hoval.com
Infinia http://www.infiniacorp.com
MTS-Group http://www.mtsgroup.com
Otag http://www.otag.de
PowerPlusTechnologies http://www.ecopower.de
Rinnai https://www.rinnai.co.jp/
Senertec https://www.senertec.de/
Stirling Denmark ApS https://www.stirling.dk/
Stirling Systems (Solo) http://www.stirling-engine.de
Stirling Systems AG http://www.stirling-systems.ch
Stirlingpowermodule http://www.stirlingpowermodule.com
Sunmachine http://www.sunmachine.com
Sunpower http://www.sunpower.com
Whispergen http://www.whispergen.com
Milliardenmarkt Stirlingmotor-KWK
Dass der Stirlingmotor künftig eine ernstzunehmende Alternative in der dezentralen Stromerzeugung einnehmen könnte, verdeutlicht das Geschäftsmodell der Stirling Denmark ApS, Lyngby, eine Ausgründung der Technischen Universität Dänemark unter der Leitung von Prof. Henrik Carlsen. Das Unternehmen will sich künftig ausschließlich um die Nutzung bisher fast wertloser Biomasse für die Verstromung in Stirlingmotor-Aggregaten bzw. für die Kraft-Wärme-Koppelung kümmern. Für Lars Jagd, Geschäftsführer des Unternehmens, ist die Stirlingmotor-Technik bereits heute wettbewerbsfähig. Jagd beschreibt die Rahmenbedingungen so:
Kosten für Holzhackschnitzel: 1…2 Ct/kWh
Kosten für Stroh: 0…1 Ct/kWh
Kosten für Biomasse: 0…2 Ct/kWh
Kosten für Dieselöl: 7…10 Ct/kWh
Der Markt für Biomasse-Stirling-KWK bzw. Stirling-Generatoren wird sich aus Sicht von Stirling Denmark in folgende Märkte aufteilen, die jeweils Marktpotenziale im Milliardenbereich versprechen:
- Nachrüstung von vorhandenen Biomasse-Feuerungen mit Stirling-Aggregaten zur Stromerzeugung
- Schlüsselfertige Biomasse-KWK-Module mit Hocheffizienz-Energienutzung bei hoher wirtschaftlicher Rendite
- Ersatz „Hunderttausender“ von Diesel-Stromaggregaten in der ganzen Welt, die lokal Strom in Inselnetzen erzeugen. Zielländer sind insbesondere China, Indien, Indonesien sowie Afrika, Südamerika und Alaska. Der weltweite jährliche Markt für Dieselgeneratoren beläuft sich auf rund 40 Mrd. Euro bzw. etwa 20 GW installierte Leistung
- Basisversorgung für rund 1,6 Mrd. Menschen, die noch ohne Strom leben. Hierfür wird eine Stromkapazität von 500 bis 1000 GW benötigt, die mittels Biomasse erzeugt werden könne.
Wolfgang Schmid
ist Freier Fachjournalist für Technische Gebäudeausrüstung, München, E-Mail: wsm@netsurf.de
Nach den Feldtests von MVV Energie, Mannheim, können in einem Einfamilienhaus zwischen 25 und 50 % des Strombedarfs durch ein Whispergen-Gerät gedeckt werden.
