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-gefeuerten Mini-Kraftwerke verkaufen; im nächsten Jahr sollen es bereits um die 8000 sein, bekundete Betz auf dem 2. Stirling Kongress, der Anfang März 2008 in Stuttgart stattfand.
Maschine kostet 23000 Euro
Als Vorteil des Sunmachine-Aggregats hob Rudy Betz die nach außen druckdichte Lösung mit Anordnung des Generators innerhalb des Druckbereichs hervor. 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 alle 80000 Betriebsstunden notwendig. Im Gerät selbst gäbe es keine Aschebildung.
Nach Berechnungen von Sunmachine stellt das Pelletgerät die Heizenergie quasi umsonst zur Verfügung. Denn der Stromertrag (pro eingespeiste Kilowattstunde) aus Grundvergütung (0,1082 Euro), KWK-Bonus (0,02 Euro) und Technologie-Bonus (0,02 Euro) decke bereits die Kosten für den Einkauf der Pellets (Bezugspunkte: 1 kg Pellet = 0,15 Euro; 14,5 kW „Mikro-KWK Sunmachine-Pellet“ mit 90 % Wirkungsgrad = 10 kWh Wärme und 3 kWh Strom bei Volllast). Anstatt mit DIN-Pellets könne die Anlage auch mit sogenannten Nawaro-Pellets betrieben werden, die z.B. aus Durchforstungsholz, wie Käfer-, Kronen- und beschädigtes Stammholz, gewonnen werden („Nawaro“ steht als Abkürzung für „Nachwachsende Rohstoffe“). In diesem Fall käme zusätzlich ein Nawaro-Bonus von 0,06 Euro pro eingespeister kWh Strom hinzu. Allerdings seien die Nawaro-Pellets im Schnitt um 3 Ct teurer, was aber bei 3000 Betriebsstunden pro Jahr dennoch zu einem Überschuss von 308 Euro führe.
Rund 23000 Euro soll die Maschine kosten und das Gesamtsystem (inkl. Pufferspeicher und Pelletlager) zwischen 33000 und 35000 Euro. Ab April 2008 soll es auch eine Erdgas-Variante geben, ab 2009 ein Gerät mit Notstromfunktion.
Marktstart mit 35 kWel-Aggregat
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. Interessant: An dem im Jahr 2004 gegründeten Unternehmen ist auch der in der TGA-Branche eher für die Themen Behaglichkeit, Produktivität und Lufthygiene bekannte Prof. Bjarne W. Olesen beteiligt.
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 ist eine modulare Baureihe, die von 35 bis 500 kWel reicht. Die Stirlingmotor-Aggregate sollen sowohl für die Nachrüstung von bestehenden Biomasse-Heizkessel 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 Geschäftsführer Lars Jagd die Stirlingmotor-Technologie bereits als „Heiligen Gral“ der dezentralen Stromerzeugung (siehe auch Kasten „Milliardenmarkt Stirlingmotor-KWK).
Nachrüst-Modul für Pellet-Kessel
Welchen Einfluss der Stirlingmotor künftig auf unsere Wärmeerzeugung nehmen wird, zeigt auch die Entwicklung der Stirlingpowermodule Energieumwandlungs GmbH, Graz. Das von den drei Firmen KWB, Ökofen und Oekostrom initiierte Unternehmen will zunächst ein Nachrüstmodul für den 15-kW-Pelletkessel 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, Freiburg, durchgeführten Optimierungsmaßnahmen waren die Minderung der Wärmetauscherverschmutzung und die Reduzierung der Reinigungsintervalle durch schmutzabweisende Oberflächen der Wärmeübertrager. Hinzu kam 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 die Kosten reduzieren 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 Pelletkessel installiert, die sich für eine Nachrüstung eignen. Später soll auch noch eine Hackschnitzelvariante angeboten werden.
Keine Plug & Play-Technik
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, MVV Energie AG, Mannheim, bei der Asue-Tagung im September 2007 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“, meinte Dr. Stefan Holler.
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“, warnte er. 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 pro Jahr an Stromkosten.
Wirtschaftlicher als Wärmepumpe
Aus Sicht von Jens Dertenkötter von Bosch Thermotechnik, Wetzlar, 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 Bosch 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 eigenen Geräten sowie mit 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.
Das Heiztechnikunternehmen hat deshalb sein Mikro-KWK-Gerät bezüglich 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 mit den Maßen 900 x 600 x 450 mm bis zu 24 kW thermische Leistung zur Verfügung stellen.
Hoher Eigenstromverbrauch
Welche Leistungssteigerungen in den Stirlingmotor-Anwendungen noch liegen, belegen die Optimierungsmaßnahmen von IZES, Institut für Zukunftsenergiesysteme gGmbH, 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 selbst erzeugtem Strom stieg damit von ursprünglich nur 44 auf immerhin 76 % an. Typisches Problem bei dem mittels Scheitholzkessel betriebenen Stirlingmotor war ein stromzehrendes Takten. Dieses konnte durch das Anheben der Anschalttemperatur (jetzt 375 °C, vorher 275 °C) sowie durch höhere Kalt- und Warmstarttemperaturen behoben werden.
Sehr gute Leistungs- und Emissionswerte (Blauer Engel gemäß RAL-ZU 108) wurde bei der Solo Maschine „Solo V 161 Modul“ gemessen. Die dort eingesetzte Technologie (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 kW elektrisch und 8 bis 22 kW thermisch 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.
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 die 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.
Milliardenmarkt Stirlingmotor-KWK
Dass der Stirlingmotor künftig eine ernst zu nehmende 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 Milliarden Menschen, die immer noch ohne Strom leben. Hierfür wird eine Stromkapazität von 500 bis 1000 GW Stromkapazität benötigt, die mittels Biomasse erzeugt werden könne.
Mikro-KWK im Internet
http://www.bosch-thermotechnik.de
http://www.stirling-systems.ch
http://www.stirlingpowermodule.com
(Übersicht ohne Anspruch auf Vollständigkeit)
Weitere Informationen
Unser Autor Wolfgang Schmid ist freier Fachjournalist für Technische Gebäudeausrüstung, München; E-Mail: wsm@netsurf.de
