Neue Serie Teil V: KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG ALS ZUKUNFT · Heizung verwendeten Freikolben-Stirling-motor (vgl. Abb. 2 und Abb. 3). Im Zylinder bewegen sich zwei Kolben auf und ab: Der

1 HEIZUNGSJOURNAL 7/8 2012

KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG ALS ZUKUNFTStirling-Systeme auf Erd- und Flüssiggasbasis für die Gebäudesanierung interessant

Neue Serie Teil V:

In den letzten Jahren haben mehrereUnternehmen intensiv daran gearbei-tet, den Stirlingmotor zur Serienreifezu entwickeln und als Bestandteil ei-ner stromerzeugenden Heizung markt-fähig zu machen. Für einen Einsatzbei der Wärmeversorgung von Wohn-gebäuden – etwa von bestehendenEin- und Zweifamilienhäusern sowieälteren und neuen Mehrfamilienhäu-sern – könnten insbesondere kleineStirling-Aggregate interessant sein,deren elektrische Leistung bei etwa 1 kWund deren Wärmeleistung bei etwa 5 bis 8 kW liegt. Diese Größe ist dafürgeeignet, in die Heizungsanlage ein-bezogen zu werden und dort die Grund-last des Heizwärmebedarfs einschließ-lich der Trinkwassererwärmung zu über-nehmen. Stromseitig könnte ein Teildes häuslichen Strombedarfs mit demStirling-Gerät abgedeckt werden.

in mechanische Energie umgewandelt wird.In einem hermetisch geschlossenen Systemwird ein unter Druck stehendes Arbeitsgas– in der Regel Wasserstoff, Stickstoff oderHelium – im Wechsel durch eine externeWärmequelle bei hoher Temperatur erwärmtund durch eine externe Wärmesenke beiniederer Temperatur abgekühlt (Abb. 1).Die dabei auftretenden Druckverhältnisseermöglichen es, einen Überschuss an me-chanischer Arbeit zu erzeugen, die im Rah-men des ablaufenden Kreisprozesses übereine zyklische Kolbenbewegung als mecha-nische Energie zur Stromerzeugung genutztwird.

Bereits im Jahr 1816 wurde der ersteStirlingmotor auf seinen schottischen Erfin-der Robert Stirling patentiert. Damals be-gann sich England – und zeitverschobenauch andere Länder, wie zum BeispielFrankreich und Deutschland – zu einem In-dustrieland zu entwickeln, wobei die vonJames Watt verbesserte Dampfmaschineeine wichtige Rolle spielte. Allerdings wa-ren die damaligen Dampfmaschinen si-cherheitstechnisch noch nicht sehr ausge-reift: Um die Wirkungsgrade zu erhöhen,ging man auf höhere Betriebsdrücke und -temperaturen über, wobei es häufiger zuKesselexplosionen und tödlichen Unfällenkam. Daher war es ein Ziel, mit Hilfe desStirlingmotors als Antriebsquelle die Arbei-ten in Steinbrüchen und Kohlegruben si-cherer zu gestalten. Ursprünglich vor allemals Entwässerungspumpe in Kohlegrubeneingesetzt, konnte sich der Stirlingmotorrasch neue Anwendungsgebiete erschlie-ßen.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts warenweltweit rund 250.000 Stirlingmotoren inBetrieb. Sie wurden beispielsweise als An-trieb für Wasserpumpen, Tischventilatorenund Nähmaschinen eingesetzt. Danebenwurde vereinzelt versucht, den Stirlingmo-tor auch als Schiffs- und Kraftfahrzeugan-trieb sowie für weitere, stationäre Anwen-dungen zu nutzen. Dabei konnte er sich je-doch nicht gegen die Hubkolben-Verbren-nungsmotoren durchsetzen, die als Benzin-,Gas- und Dieselmotoren auf dem Prinzipder inneren Verbrennung beruhen und da-durch die Vorteile einer leichten Bauweiseund einer guten Regelbarkeit aufweisen:

Leichtbau und die Fähigkeit zum Teillast -betrieb sind die Voraussetzungen von Otto-und Dieselmotoren für die automobile Anwendung. Auch bei stationären Anwen-dungen wurde der Stirlingmotor in derFrühzeit des 20. Jahrhunderts mehr undmehr durch den Hubkolbenmotor – sowiedurch den Elektromotor in Verbindung mitder Stromerzeugung in Großkraftwerken –verdrängt.

Die Ingenieure verloren jedoch den Stir-lingmotor wegen seiner grundsätzlich sehrguten thermodynamischen Eigenschaften– sein theoretischer Vergleichsprozess er-reicht mit dem Carnot-Wirkungsgrad (ge-winnbare mechanische Energie bzw. Stromgeteilt durch die eingesetzte Hochtempe-raturwärme) den thermodynamisch höchst -möglichen Wert – nie aus dem Blickfeld.Insbesondere bei stationären Anwendun-gen stören sein höheres Gewicht und seinebegrenzte Regelbarkeit nicht. Dagegensind seine – im Vergleich zum Hubkolben-motor – längere Lebensdauer, sein gleich-mäßigerer, leiserer Lauf sowie sein geringerWartungsbedarf von Vorteil. Deshalb bringter für die energiesparende, gekoppelte Be-reitstellung von Strom und Wärme (Kraft-Wärme-Kopplung, KWK) in Haushalten undGewerbebetrieben gute Voraussetzungenmit. Experten erwarten, dass er in dem sichallmählich entwickelnden Marktsegmentder „Stromerzeugenden Heizung“ bezie-hungsweise der „Mikro-Kraft-Wärme-Kopp-lung“ (also der Klein-Blockheizkraftwerke,BHKW) gute Marktchancen haben wird.Wird er als Kleinmotor genutzt, kann derStirlingmotor leichter als ein Hubkolben-motor in die klassische Heizungstechnik in-tegriert werden und beispielsweise parallelzu einem wandhängenden Erdgas-Brenn-wertgerät betrieben werden. Im Vergleichmit kleinen Hubkolbenmotoren – soweitdiese als umgerüstete Fahrzeugmotorenaus der Großserie stammen – muss er aberden Kostennachteil kleinerer Stückzahlenwettmachen und den hohen Großserien-Reifegrad von Hubkolbenmotoren erst nocherreichen.

2. Das Funktionsprinzip

Bei jedem Kreisprozess einer Wärmekraft-sowie Kraftwärmemaschine wird zwischendem idealen und dem realen Prozess unter-

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KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG

Die Markterschließung hat begonnenStromerzeugende Heizung mit Stirlingmotor

Wie funktioniert eigentlich ein Stirlingmo-tor, und welche Chancen hat diese Technikaus heutiger Sicht? Kann der Heizungs -bauer ein Partner bei der Markterschlie-ßung sein?

Der folgende Beitrag will Antworten aufdiese Fragen geben.

1. Der Stirlingmotor im Überblick

Der Stirlingmotor, der auch als Heißgas -motor bekannt ist, ist eine Wärmekraftma-schine, bei der thermische Energie teilweise

Abb. 1 · Schnitt durch einen Freikolben-Stirlingmotor mit einer elektrischenLeistung von 1 kWel und einer Wärme -leistung von 6 bis 8 kWth. [12]

schieden. Ideale Prozesse beschreiben dietheoretischen Bestfälle, weisen die höchst-mögliche Effizienz aus und zeigen die theo -retisch maximal erreichbaren Wirkungsgradebeziehungsweise Leistungszahlen auf. Un-ter realen Bedingungen lassen sich diesetheoretischen Werte nicht erreichen. Derideale Prozess dient daher als Vergleichs -prozess, um zu beurteilen, welches Verbes-serungspotenzial beim realen Prozess vor-handen ist.

2.1 Der ideale KreisprozessDer thermodynamisch ideale Stirling-Prozessbesteht aus den folgenden vier Zustands-änderungen:

• Isotherme Verdichtung des Arbeitsgasesbei einer gleich bleibend niedrigenTemperatur unter Arbeitszufuhr undgleichzeitiger, in der Regel etwa gleichgroßer Wärme abfuhr über einen Kühler.

• Isochchore Erhitzung des Arbeitsgasesbei gleich bleibendem Volumen, wobeidas Arbeitsgas die nötige Wärme auseinem regenerativen thermischen Speicher – dem Regenerator – erhält.

• Isotherme Entspannung des Arbeits -gases bei einer gleich bleibend hohenTemperatur unter Arbeitsabgabe undgleichzeitiger, in der Regel etwa gleichgroßer Wärme zufuhr (Hochtemperatur-wärme) über einen Erhitzer.

• Isochchore Abkühlung des Arbeitsgasesbei gleich bleibendem Volumen, wobeidas Arbeitsgas Wärme an denselben

regenerativen thermischen Speicher(Regenerator) abgibt, aus dem zuvor die isochore Erhitzung erfolgte.

Bei allen vier Zustandsänderungen mussWärme übertragen werden. MechanischeEnergie wird dem Arbeitsgas bei der iso-thermen Verdichtung zugeführt und beider isothermen Entspannung vom Arbeits-gas abgegeben. Der Unterschied von ab-gegebener und zugeführter mechanischerArbeit stellt die nach außen abzuführende– und damit nutzbare – mechanische Ener-gie dar, die zur Stromerzeugung dient. Wirddie bei der isothermen Verdichtung des Ar-beitsgases frei werdende Wärme im Kühlerauf einem Temperaturniveau von etwa 50bis 70 ° C abgeführt, das beispielsweise zumHeizen und zur Trinkwassererwärmung aus-reicht, dann ist diese Wärme keine wertloseAbwärme, sondern eine Nutzwärme.

2.2 Die Verwirklichung des Kreisprozesses

Die folgende Prozessbeschreibung beziehtsich auf einen bei der stromerzeugendenHeizung verwendeten Freikolben-Stirling-motor (vgl. Abb. 2 und Abb. 3). Im Zylinderbewegen sich zwei Kolben auf und ab: Der Arbeitskolben, über den die mechani-schen Arbeiten zu- und abgeführt werden,und der Verdrängerkolben, der nur zumAuf- und Abschieben des Arbeitsmittelsbeiträgt. Arbeitskolben und Verdränger-kolben bewegen sich um einen Winkel von90 Grad phasenverschoben, andere Pha-senverschiebungen sind je nach Bauweiseund Motortyp möglich. Dabei eilt der Ar-beitskolben dem Verdrängerkolben voraus.

Vor dem ersten Teilschritt (1) stehen derArbeitskolben im unteren Totpunkt undder Verdrängerkolben oben im heißen Bereich. Das Arbeitsgas befindet sich un -ten im kalten Bereich und hat den größt-möglichen Raum eingenommen. Bei derim ersten Teilschritt zwischen den Zu -ständen 1 und 2 ablaufenden isothermenVerdichtung des Arbeitsmittels fährt derArbeitskolben vom unteren in den oberenTotpunkt. Der verfügbare Raum wird ver-ringert und dabei das Arbeitsgas unterDruckzunahme verdichtet. Damit die Tem-peratur nicht ansteigt, muss das Arbeits-gas gekühlt werden. Die durch die Ver-dichtung entstehende Wärme wird des-halb vollständig an den Kühler übertragen.Der Verdrängerkolben verbleibt während-dessen im heißen Bereich.

Beim zweiten Teilschritt (2) zwischenden Zuständen 2 und 3 bewegt sich derVerdrängerkolben nach unten in den kal-ten Bereich, während der Arbeitskolbenpraktisch unbeweglich in seiner Position imoberen Totpunkt verharrt. Das Arbeitsgaswird durch die Abwärtsbewegung des Verdrängerkolbens aus dem kalten Be-reich verdrängt und in den heißen Bereichgeschoben. Dabei wird ein thermischerSpeicher – der Regenerator – durchströmt,der beispielsweise ein Metallgespinst alsthermische Speichermasse aufweist. BeimStrömen des Arbeitsgases vom kalten inden heißen Bereich gibt der Regeneratordie in ihm gespeicherte Wärme an das Ar-beitsgas ab. Dies bewirkt eine Temperatur-und Druckerhöhung bei gleich bleibendemVolumen (isochore Erwärmung).



Abb. 2 · Freikolben-Stirlingmotor: Schnittzeichnung und Außenansicht. [1]

Abb. 3 · Prozessschritte im Freikolben-Stirlingmotor. [1]

Stirling

Erhitzerkopf

Regenerator

Kühler

VerdrängerArbeitskolben

AlternatorGenerator

Erhitzer

Regenerator

Kühler

Verdränger-kolben

Arbeits-kolben

Linear-generator

1 2 3 4

Beim dritten Teilschritt (3) zwischen denZuständen 3 und 4 wird – bedingt durchden jetzt hohen Druck des Arbeitsgases –der Arbeitskolben nach unten in den unte-ren Totpunkt gedrückt, wobei der Druckabnimmt. Gleichzeitig wird außerhalb desZylinders in einem Brenner – zum Beispieldurch die Verbrennung von Erdgas odervon Holzpellets – Hochtemperaturwärmeerzeugt, die über einen Wärmeübertrager(den Erhitzer) in den Zylinder hinein an dassich ausdehnende Arbeitsgas übertragenwird. Damit wird ein Temperaturabfall verhindert, der sich bei der gleichzeitigenArbeitsabgabe ohne eine Wärmezufuhreinstellen würde. Somit ergibt sich eine Expansion des Arbeitsgases, die isotherm(also bei gleich bleibender hoher Tempe -ratur) abläuft. Der Verdrängerkolben be-wegt sich während der Ausdehnung desArbeitsgases praktisch nicht.

Beim vierten Teilschritt (4) zwischen denZuständen 4 und 1 – nach der Abwärts -bewegung des Arbeitskolbens und wegender Phasenverschiebung um eine Viertel-Umdrehung – bewegt sich nun der Ver-drängerkolben wieder nach oben in denheißen Bereich hinein. Gleichzeitig verharrtder Arbeitskolben im unteren Totpunkt.Damit bleibt das verfügbare Volumen desArbeitsmittels unverändert (isochore Zu-standsänderung). Das im oberen heißenBereich befindliche Arbeitsgas wird ver-drängt und strömt durch den thermischenSpeicher (Regenerator) hindurch nach untenin den kalten Bereich. Dabei gibt das heißeArbeitsgas die Wärmemenge an die ther-mische Speichermasse des Regeneratorswieder ab, die zuvor beim zweiten Teil-schritt (2) zwischen den Zuständen 2 und 3aufgenommen worden war. Mit der Tem-peratur fällt auch der Druck weiter ab.Wegen dieser Druckabnahme wird der Ar-beitskolben quasi nach oben „gesaugt“.Damit ist der Anfangszustand 1 wieder er-reicht und der Kreisprozess geschlossen.Die einzelnen Teilschritte können wiedervon Neuem beginnen.

Die geradlinige Bewegung des Arbeits-kolbens wird dazu genutzt, in einem Linear-generator elektrischen Strom zu erzeugen.Durch die Federlagerung des Arbeitskol-bens wird eine netzkonforme Stromerzeu-gung erreicht, das heißt Strom bei einerWechselspannung von 230 Volt (V) mit ei-ner Frequenz von 50 Hertz (Hz). Damitkann auf einen Wechselrichter oder auf ei-nen Frequenzumformer verzichtet werden.

Bei dem hier beschriebenen Freikolben-Stirlingmotor beträgt die elektrische Nenn-leistung 1 kWel.

2.3 Idealer und realer Kreisprozess im Vergleich

In der Realität können isotherme und iso-chore Zustandsänderungen nicht genauerreicht werden (vgl. Abb. 4). Dies ist miteiner Verschlechterung des Wirkungsgradsverbunden. Daneben treten die folgendenExergieverluste auf, die den Wirkungsgradweiter verringern:

• Reibungsverluste,

• allmähliche Druckabnahme des Arbeitsgases infolge von schleichenderDiffusion aus dem System,

• unerwünschte Wärmeabgabe über die Aggregatoberfläche wegen nichtvollständig möglicher Wärmedämmung,

• Verringerung der Wärmeübertragungzwischen Arbeitsgas und Wärme -aggregaten (Kühler, Erhitzer und Regenerator) wegen hoher Prozess-geschwindigkeit,

• Totraum- bzw. Schadraumeffekt.

Der Totraum- beziehungsweise Schadraum-effekt entsteht durch die Art der Kolben-bewegungen. Ein unerwünscht großer Tot -raum entsteht durch eine kontinuierlicheBewegung von Arbeits- und Verdränger-kolben, die, auf einer Zeitachse aufgetra-gen, einem sinusförmigen Verlauf entspricht.



p

V

3

24

1 Abb. 4 · Idealer (eckig) und realer (oval)Stirling-Prozess im Druck, Volumen-Diagramm(p,V-Diagramm).

Abb. 5 · Kontinuierliche unddiskonti nuierliche Kolbenbe-wegung bei einer Phasenver-schiebung um 90 Grad. [1]

kontinuierlicheKolbenbewegung

diskontinuierlicheKolbenbewegung

0°0° 90° 180° 270° 360°

• Der α-Typ besteht aus zwei getrenntenZylindern: einem heißen Arbeitszylinderund einem kalten Kompressionszylinder.Beide Zylinderkopfseiten sind über einenKanal miteinander verbunden, in demsich typischerweise der Regeneratorbefindet. Anstelle des Verdrängerkolbensgibt es einen zweiten Arbeitskolben.

• Beim β-Typ bewegen sich Verdränger-und Arbeitskolben in einem gemein -samen Zylinder, der vom Arbeitskolbenabgeschlossen wird. Der Regeneratorkann in einem Bypass angeordnet sein,lässt sich aber bei kleinen Leistungenauch unmittelbar in den Verdränger -kolben integrieren.

• Beim γ-Typ bewegen sich Verdränger- undArbeitskolben in zwei unterschiedlichen

Zylindern, die miteinander verbundensind. Die Verbindungsstelle kann dabeiam kalten oder am heißen Ende liegen.

Für Sonderanwendungen wird der Stirling-prozess nicht in einer Hubkolbenmaschine,sondern zum Beispiel als Flachplatten- undals Kreiskolbenmaschine umgesetzt. EineSonderform der Hubkolbenmaschine ist dieFreikolbenmaschine (vgl. Abb. 7). Beim Frei-kolben-Stirlingmotor sind Verdränger- undArbeitskolben mechanisch entkoppelt undkeine Kurbeltriebe vorhanden. Daher wei-sen die „freien“ Bewegungen von Verdrän-ger- und Arbeitskolben nur eine geringemechanische Reibung auf, und die Kräftesind leichter zu beherrschen.

4. Das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung

Die konventionelle Energieversorgung mitStrom und Wärme ist durch eine getrennteErzeugung dieser beiden Energiearten ge-kennzeichnet. Die bei der Stromerzeugungnicht in mechanische Energie umgewan-delte thermische Energie wird als Abwärmeder Umwelt zugeführt. Deshalb liegt esnahe, neben der elektrischen dann auchdie anfallende thermische Energie zu nutzen,wenn diese verwendet werden kann (Kraft-Wärme-Kopplung, KWK). Dadurch kannder Gesamtwirkungsgrad wesentlich ver-bessert werden. Der mittlere Wirkungsgradthermischer Kraftwerke liegt in Deutsch-land zurzeit bei etwa 41 Prozent.

Exergetisch betrachtet wird durch dieKraft-Wärme-Kopplung die starke exerge-tische Abwertung von Wärme in reinen Heiz-kesseln von bis zu 1.200 ° C auf nur noch40 bis 90 ° C verringert, weil dann in Haus-halt und Gewerbe aus wertvollem Brenn-stoff nicht nur geringwertige Niedertempe-raturwärme, sondern auch hochwertigerStrom erzeugt wird.

Durch eine diskontinuierliche Kolbenbewe-gung, bei der sich längere Ruhephasen derKolben ergeben, kommt es zu einem deut-lich kleineren Totraum. Die zeitlichen Ver-läufe der beiden Bewegungsarten sind inAbbildung 5 dargestellt. Eine diskontinuier-liche Kolbenbewegung kann nur in Sonder -fällen und nur näherungsweise verwirklichtwerden. Dabei treten höhere Geräusch-emissionen und größere mechanische Be-lastungen auf.

3. Bauarten

Der Stirling-Kreisprozess kann mit verschie-denen mechanischen Bauformen verwirk-licht werden. Am häufigsten werden Hub-kolbenmotoren genutzt. Dabei werdendrei Hauptbauarten angewandt: der α-, β-und γ-Typ (vgl. Abb. 6).



Kinematischer Stirlingmotor Freikolben-Stirlingmotor

Keine Reibung anSpaltdichtungen

Reibung in den Lagern

Abb. 6 · α-, β- und γ-Bauarten des Stirlingmotors. [6]

Abb. 7 · Kinematischer Stirlingmotor(links) und Freikolben-Stirlingmotor(rechts). [1]

Vor- und Nachteile des Stirling-MotorsVorteile:+ große Bandbreite von Brennstoffen

für die Wärmeerzeugung möglich: feste Brennstoffe (z. B. Holzpellets),flüssige Brennstoffe (z. B. Bioöle), gasförmige Brennstoffe (z. B. Erdgas, Biogas); Sonnenenergie;

+ infolge gleichmäßiger äußerer Ver-brennung des verwendeten Energie-trägers im Vergleich zu Hubkolben-Verbrennungsmotoren wesentlichniedrigere Schadstoffemissionen;

+ wesentlich niedrigere Geräusch-emissionen und Vibrationen;

+ sehr wartungsarm und langlebig, da nur wenige mechanische Teile erforderlich sind (z. B. keine Ventile)und ein schadstofffreier Motor -innenraum (hermetisch geschlossenesSystem) verwirklicht ist;

+ kein Nachfüllen von Getriebeöl nötig (Stirlingmotoren bestimmter Bauartlaufen völlig ölfrei);

+ für die energiesparende gekoppelteErzeugung von Strom und Wärme (Kraft-Wärme-Kopplung) gut geeignet;

+ Gesamtwirkungsgrad (Summe vonStrom und Wärme geteilt durch die eingesetzte Brennstoffenergie) mit 90 bis 95 Prozent hoch.

Nachteile:– bei hoher Leistungsdichte – also kom-

pakter Bauweise – sind hohe Betriebs-drücke und Drehzahlen nötig, diegegebenenfalls zu trockenlaufendenLagern und Dichtungen führen können;

– nur begrenzt geeignet zum Teillast -betrieb als Folge thermischer Trägheit wegen äußerer und nicht innererVerbrennung: dadurch für einenTeillastbetrieb hoher regelungstech -nischer Aufwand nötig;

– werkstofftechnische Einschränkungenfür den Erhitzer: in der Regel nur bisetwa 800 ° C hitze- und druckbeständig;

– elektrischer Wirkungsgrad bei Klein-aggregaten (Strom geteilt durch dieeingesetzte Brennstoffenergie) mit 12 bis 15 Prozent bisher vergleichs-weise niedrig;

– zwei- bis dreimal so teuer wie einOttomotor mit vergleichbarem Leis-tungsgewicht;

– technischer Entwicklungsstand imVer gleich zu Verbrennungsmotorenaus Kraftfahrzeug-Großserien nochverbesserungsfähig.



Abb. 8

a) Erdgas-Stirlingmaschine im Feldtest (Bosch Thermotechnik) als Freikolbenmaschine. [1]

b) Erdgas-Stirlingmotor (unten) und Brennwerttherme (oben) („eVita“ von Remeha). [12]

c) Erdgas-Stirlingmotor (unten) und Brennwerttherme (oben) (Viessmann). [11]

d) Erdgas-Stirlingmotor (unten) und Brennwerttherme (oben) (Brötje-„EcoGen“).

e) Erdgas-Stirlinggerät mit Zusatzbrenner und Pufferspeicher (SenerTec-„Dachs“). [13]

f) Mit Gas aus Biomasse befeuerter Stirlingmotor (Stirling Denmark). [15]

g) In einen Holzpelletkessel integrierter Stirlingmotor.

h) Erdgas-Stirlingmotor (Whispergen).

a) b)

c)

d) e) f)

g) h)

Bedingt durch steigende Öl- und Erd-gaspreise und ein gestärktes Umweltbe-wusstsein erfährt das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung inzwischen eine erhöhtepolitische Aufmerksamkeit. Dank des bes-seren Gesamtwirkungsgrads dieser Tech-nik lassen sich Brennstoff und Emissioneneinsparen. Die Bundesregierung versuchtmit finanziellen Anreizen ihr Vorhaben –den Anteil der KWK-Stromerzeugung vonaktuell 12 Prozent bis 2020 auf 25 Prozentauszubauen – voranzubringen. Abbildung9 zeigt den energetischen Vorzug der Kraft-Wärme-Kopplung auf. Im dargestelltenBeispiel ist bei gleicher Endenergiebereit-stellung – 57,4 Prozent Wärme und 23,4Prozent Strom – mit der Kraft-Wärme-Kopp-

lung im Vergleich zur getrennten Erzeu-gung von Strom und Wärme eine Primär-energieeinsparung von 15,2 Prozent erreich-bar. Wird in beiden Fällen vom Einsatz desgleichen Brennstoffs ausgegangen (z. B.Erdgas), so wird auch eine Verminderungder CO2-Emissionen um 15,2 Prozent er-reicht.

Für einen Einsatz in Mehrfamilienhäu-sern und kleineren Gewerbebetrieben soll-ten die elektrische Leistung sowie die Nutz-wärmeleistung – und damit die Anlage –klein sein. Elektrische Leistungen zwischen1 und 5 kW sind dabei von Interesse. Stir-lingmotoren decken diesen Leistungsbe-reich ab, sind aber auch mit Leistungen bis

zu 35 kW im Markt vertreten. Dabei ste-hen sie gegenwärtig beziehungsweise künf-tig im Wettbewerb mit folgenden weiterentechnischen Systemen:

• Verbrennungsmotor (Ottomotor) (vgl. Abb. 10),

• Mikro-Gasturbine,

• Dampfmotor,

• ORC-Prozess und

• Brennstoffzelle.

Da die Strompreise für Haushaltkunden in-zwischen bei 22 bis 25 Cent / kWh und dieWärmepreise auf Basis Erdgas bei 8 bis 10 Cent / kWh liegen, erscheint aus wirt-schaftlicher Sicht nicht nur die Wärmeer-zeugung, sondern vor allem auch eine teil-weise Substitution des Strombezugs durcheigen erzeugten Strom interessant. Des-halb kommt der Höhe des elektrischenWirkungsgrads besondere Bedeutung zu.Der elektrische Wirkungsgrad ist bei Stir-ling-Kleinaggregaten der Leistungsklassevon 1 kWel allerdings mit etwa 10 bis 15 Pro-zent noch vergleichsweise niedrig, wäh-rend er bei Ottomotoren bei 23 bis 25 Pro-zent deutlich höher ist. Andererseits ist derGesamtwirkungsgrad mit 90 bis 95 Pro-zent hoch.

Dezentrale Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung könnten aber nicht nur nach denErfordernissen der jeweiligen einzelnen Be-treiber, sondern mit Hilfe eines „intelligen-ten Stromnetzes“ (so genanntes „smartgrid“) auch im Sinne des örtlichen Strom-versorgungsunternehmens eingesetzt wer-den. Dabei würde durch die Vernetzung



Kraft-Wärme-Kopplung Ungekoppelt

Verluste derVorkette12,3 %

(beste verfügbare Technik)

Primärenergie-einsatz100 %

Brennstoffeinsatz87,7 %

Umwandlungs-verluste undEigenbedarf

6,9 %


3,4 %

Verluste derVorkette

8,5 %

Primärenergie-einsatz69,3 %

Primärenergie-einsatz48,6 %

Wärme

Stromnetto

Verteilungs-verluste

1,3 %


17,9 %

Verluste d.Vorkette

6 %



57,4 % 57,4 %

23,4 % 23,4 %

Abb. 9 · Energetischer Vergleich der gekoppelten (links) und getrennten (rechts) Erzeugung von Strom und Wärme. [7]

Abb. 10 · Erdgas-Hubkolbenmotor mit kleiner Leistung(Vaillant).

und Zusammenschaltung von vielen de-zentralen Erzeugerstationen ein „virtuellesKraftwerk“ entstehen. Die Regelung würdeextern über eine Zentrale gesteuert, von derdie verbrauchsnahe sowie verbrauchsferneEnergieversorgung sowie weitere energie-wirtschaftliche Aufgaben übernommenwerden würden. Dadurch könnten sich zu-sätzliche Vermarktungsmöglichkeiten imRahmen des Stromhandels und bei Sys-temdienstleistungen ergeben.

5. Wirkungsgradverbesserung durchVerbrennungsluftvorwärmung

Eine Möglichkeit, den – beim Stirlingmotornoch deutlich verbesserungsfähigen – elek-trischen Wirkungsgrad zu erhöhen, ist dieWärmerückgewinnung (vgl. Abb. 11). Umdie für den Prozess nötige Hochtempera-turwärme bereitzustellen, die dem Arbeits-mittel von außen über den Erhitzer mitetwa 600 bis 900 ° C zugeführt wird, wirdErdgas mit Luft verbrannt. Auch Holzpel-lets können dabei als Brennstoff dienen.Nachdem das Verbrennungsgas seine Wär-me an den Prozess abgegeben hat, ist esimmer noch etwa 600 bis 900 ° C heiß. Da-mit kann über einen Wärmeübertrager dieVerbrennungsluft auf etwa 500 ° C vorge-wärmt werden. Bei Kleinanlagen mit 1 kWel

kann der elektrische Wirkungsgrad vonetwa 10 bis 12 Prozent auf rund 12 bis 15Prozent gesteigert werden. Zusätzlich steigtauch der feuerungstechnische Wirkungs-grad, da durch die niedrigere Abgastempe-ratur der Abgasverlust abnimmt. Ande -rerseits verringert sich durch die Verbren-nungsluftvorwärmung der Wirkungsgradfür die Wärmebereitstellung etwas, weilweniger nutzbare Wärme dem bereits abgekühlten Abgas entnommen werdenkann. [17]

Die Verbrennungsluftvorwärmung ist beieinem erdgasbefeuerten Stirlingmotor ein-facher als bei einem pelletbefeuerten Stir-lingmotor: Bei der gestuft ablaufendenVerbrennung von Biomasse ist die Auftei-lung der Verbrennungsluft in Primär- undSekundärluft nötig. Für eine Vorwärmungist nur die Sekundärluft geeignet, die zurOxidation der entstandenen Brenngase inder Sekundärbrennkammer dient. Eine Vor-wärmung der Primärluft könnte zur Er -weichung der Asche und damit zur Ver-schlackung und Versinterung führen, wo-bei Betriebsstörungen die Folge wären. [17]



Stirling-Motor

Pellets

1 kWel

Stirling-Motor

1 kWel

10 kWAbgas

800-900 °C

Abgas ein

Luft aus

800-900 °C

Kessel

10 kW

Kessel

10 kW

Pellets

8,4 kW

500 °C7,4 Nm3/h

Luft ein

20 °C7,4 Nm3/h

Luft

1,6 kW

Abgas aus

Wärmeübertrager

Abb. 11 · Verbesserung des elektri-schen Wirkungsgrads durch Verbren-nungsluftvorwärmung (oben: ohneLuftvorwärmung; unten: mit Luftvor-wärmung). [17]

6. Neben Erd- und Flüssiggas: Auch Holzpellets als Energieträger möglich

Bisher konzentrieren sich die technischenLösungen für die stromerzeugende Hei-zung mit kleinen Stirlingmotoren vor allemauf einen Betrieb mit Erd- und Flüssiggas,weil damit ein schadstoffarmer und ver-lässlicher Betrieb möglich ist. Daneben sindKonzepte mit Holzpellets als Energieträgerinteressant. Allerdings werden solche Anla-gen in Deutschland zurzeit nicht im Marktangeboten. Abbildung 12 zeigt den grund-sätzlichen Aufbau einer Mikro-KWK-Anla-ge mit pelletbefeuertem Stirlingmotor. Da-bei ist zur Wirkungsgradverbesserung un-ter anderem eine Luftvorwärmung vorge-sehen. [17]

Die Holzpellets gelangen zum Beispielüber ein Zuteilungssystem aus einem Pel-letbehälter auf den Brennteller in der Primär-brennkammer, wo sie überwiegend in einenergiereiches Gas umgewandelt werden.Die Luftzufuhr von Primär- und Sekundär-

luft wird über jeweils ein Druckgebläse ge-trennt geregelt. Der heiße Bereich des Stir-lingmotors wird von den Verbrennungsgasenaus der Sekundärbrennkammer umströmt.

Bei der Stromerzeugung mit dem Stir-lingmotor entsteht auch Abwärme. Diesewird mit Hilfe einer Abgaskühlung sowieüber die Motorkühlung genutzt. Zunächstdient das heiße Abgas als Wärmequelle fürdie Luftvorwärmung. Hiernach wird dienoch vorhandene Abgaswärme in einenWasserkreislauf eingespeist. Dieser Was -serkreislauf nutzt auch die im Stirlingmo-tor vom Motorkühlwasser aufgenommeneAb wärme. Damit kann das Rücklaufwas-ser des Heizungskreislaufs auf die erforder-liche Vorlauftemperatur gebracht oderTrinkwasser erwärmt werden. Sinnvoll istdie Einbindung eines zusätzlichen Puffer-speichers in den Wasserkreislauf, der dieTaktfrequenz der stromerzeugenden Hei-zung vermindert und damit zur Verbes-serung des Jahresnutzungsgrades und zueiner längeren Lebensdauer der Anlagebeiträgt. [17]

7. Marktaussichten und Systeme

7.1 Markt für die stromerzeugende Heizung

Die Marktaussichten für die Stirlingtechnikwerden zurzeit „vorsichtig“ bis „zurückhal-tend positiv“ eingeschätzt. In den letztenJahren haben mehrere Unternehmen in-tensiv daran gearbeitet, den Stirlingmotorzur Serienreife zu entwickeln und als Be-standteil einer stromerzeugenden Heizungmarktfähig zu machen. Für einen Einsatzbei der Wärmeversorgung von Wohnge-bäuden können insbesondere kleine, mit Erdgas oder Flüssiggas betriebene Stir-ling-Aggregate interessant werden, derenelektrische Leistung bei etwa 1 kWel undderen Wärmeleistung bei etwa 5 bis 8 kWth liegt.

Diese Größe ist dafür geeignet, in dieHeizungsanlage einbezogen zu werden unddort die Grundlast des Heizwärmebedarfs– einschließlich der Trinkwassererwärmung– zu übernehmen. Der Heizwärme-Spit-zenbedarf wird – beispielsweise im Hoch-winter – zusätzlich durch ein wandhängen-des Brennwertgerät gedeckt. Stromseitigkann ein nennenswerter Teil des häusli chenStrombedarfs mit dem Stirling-Gerät abge-deckt werden. Inzwischen bieten Firmenwie Viessmann, Remeha (BDR Thermea),



Abb. 12 · Mögliches Schaltschemaeiner pelletsbefeuerten stromerzeu-genden Heizung mit Stirlingmotorund Luftvorwärmung. [17]

Kamin

Sauggebläse(Abgas)

öffentliches Netz Stromeigenverbrauch

Wasserkreislauf Pelletsilo

Wär

me-

Verb

rauc

her

Pumpe Druckgebläse(Primärluft)

Förder-schnecke

Zünd-vorrichtung

Druckgebläse(Sekundärluft)

Luftvor-wärmung

Abgas

230V / 50 Hz˜

1 kWel

WÜ

WÜ

Stirling-motor

Sekundär-brennkammer

Primär-brennkammer

Brötje und SenerTec Anlagen der ge-nannten Größe an. Sie setzen dabei Frei-kolben-Stirlingmotoren der Firma Micro-gen ein. Zusätzlich hat Whispergen einSystem mit etwa denselben Leistungswer-ten – jedoch als kinematischer Stirlingmo-tor mit Getriebe – im Programm.

Da Stirling-Aggregate keine innere Ver-brennung aufweisen, sondern über eineäußere Wärmezufuhr verfügen, könnensie nicht sehr rasch von Volllast auf Teil -lastbetrieb und umgekehrt gehen. Diesesträge Regelverhalten stellt einen techni-schen Nachteil dar. Eine schnelle und flexible Anpassung an einen schwanken-den Strom- beziehungsweise Wärmebe-darf ist also nicht möglich. Dies bedeutet,dass Stirling-Systeme am besten mit einemzusätzlichen Pufferspeicher betrieben wer-den sollten, um bei steigendem Wärmebe-darf einen Teil der Wärmeleistung aus demPufferspeicher decken zu können. Umge-kehrt kann bei Strombedarf, aber zeitweisegeringem Wärmebedarf Wärme in denPufferspeicher eingespeichert werden.

Während die Hersteller mit Blick auf denWärmebedarf nicht nur ältere und neueMehrfamilienhäuser, sondern auch beste-hende Ein- und Zweifamilienhäuser als Anwendungsbereiche sehen, weisen Fach-leute aus der Stromwirtschaft darauf hin,

dass in Einfamilienhäusern die Grundlast desStrombedarfs im Mittel bei etwa 0,3 kWliegt – also für eine elektrische Leistung von1 kW zu niedrig ist. Nicht selbst benötigterStrom muss deshalb häufig ins Netz ein -gespeist werden. Eingespeister Strom ist abernicht bedarfsgerecht und wird deshalb mit10 bis 12 Cent / kWh geringer vergütet alsvom Netz bereitgestellter Haushaltstrom,der inzwischen 22 bis 25 Cent / kWh kostet.

Wenn ein Einfamilien-Haushalt das Stir-ling system nur zur Deckung des Eigen-stromverbrauchs nutzt, erreicht man nichtdie wirtschaftlich nötigen Volllast-Betriebs-stun den, die bei mindestens etwa 3.500Betriebsstunden im Jahr oder besser nochdeutlich höher liegen sollten. Ohnehin kannnicht der gesamte Eigenstrombedarf gedecktwerden. Nach wie vor muss das öffentlicheStromnetz zur Deckung des zusätzlichenStrombedarfs sowie für weitere Netzfunk-tionen bereitstehen: Zum Anfahren des Stir-lingmotors, zur Reserve bei Aggregatsausfällenund zur Spannungs- und Frequenzhaltung.

7.2 Viessmann: Heizungsmo-derni sierung im Blickpunkt

Für ein sinnvolles Strom- und Wärmema-nagement ist eine entsprechende Regel-strategie erforderlich. Deshalb hat Viess-mann für sein System „Vitotwin-300-W“

Abb. 13 · Viessmann-System„Vitotwin-300-W“. [11]

ein spezielles Lade- und Regelungskonzeptentwickelt, das zu jährlichen Volllast-Be-triebsstunden von 5.500 h / a führen soll[11]. Dabei wird der Stirlingmotor – ab -hängig vom Ladezustand des Pufferspei-chers – mit Leistungen zwischen 30 und100 Prozent modulierend betrieben. Dertägliche Wärmebedarf des Gebäudes wirdüber eine „lernfähige“ Regelung erfasstund damit der zu erwartende Wärme -bedarf für den folgenden Tag berechnet.Ziel des wärmegeführten Betriebs ist es da-bei, eine möglichst lange Laufzeit des Stir-lingmotors mit möglichst wenigen Be-triebsunterbrechungen – also möglichstwenig „Taktbetrieb“ – zu erreichen. DerWärme-Pufferspeicher mit einer ausrei-chend großen Kapazität muss dabei strate-gisch optimal beladen und entladen wer-den können, damit der Stirlingmotor vielWärme und das zusätzliche Brennwertge-rät wenig Wärme für die gesamte Wärme-versorgung beitragen. Bei Bedarf kann derStirlingmotor auch über eine Stromanfor-derungsfunktion mittels Zeitschaltuhr oderFunkfernbedienung manuell zugeschaltet

werden, um bei einem erhöhten Strombe-darf (z. B. beim Waschen oder Kochen)möglichst viel Strom selbst erzeugen zukönnen.

Viessmann benennt als Markt insbeson-dere den Modernisierungsmarkt – also dieHeizungssanierung bestehender Wohnge-bäude mit einem Bedarf an höchster Wär-meleistung von sinnvollerweise 34 kWth

oder mehr, einem jährlichen Erdgas- oderHeizölbedarf von 25.000 kWh oder mehrund einem jährlichen Strombedarf von3.000 kWh oder mehr.

Viessmann bietet das System „Vitotwin-300-W“ als integriertes, wandhängendesGerät mit den Maßen 480 x 480 x 900 mmund einem Gesamtgewicht von 120 kg an.Das Gerät enthält den Stirlingmotor mitden Leistungswerten 1 kWel und 6 kWth

und das Gas-Brennwertgerät für einenmodulierenden Betrieb zwischen 6 und 20 kWth. Der Gesamtwirkungsgrad wirdmit 96 Prozent (brennwertbezogen) be -ziehungsweise 107 Prozent (heizwertbezo-gen) angegeben. Ein Kombi-Pufferspei-cher – zum Beispiel mit 750 Litern Inhalt –



kommt zum wandhängenden Gerät nochhinzu (vgl. Abb. 13). Ein in einer beste-henden Heizungsanlage bereits vorhan -dener Pufferspeicher kann in das System einbezogen werden. Der Installationsauf-wand soll in etwa demjenigen eines wandhängenden Brennwertgerätes ent-sprechen.

Das System verfügt über Stromzähler,Gaszähler und Wärmemengenzähler. DerStromzähler und der Wärmemengenzäh-ler sind nötig, um den Förderbetrag von5,11 Cent / kWhel für den erzeugten KWK-Strom entsprechend dem Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz erhalten zu können.Der Gaszähler dient dazu, um die auf demErdgas lastende Energiesteuer rückerstat-tet zu bekommen. Seit dem 1. April 2012kann eine staatliche BAFA-Förderung imUmfang von 1.500 € für den 1-kWel-Stir-lingmotor beantragt werden.

Viessmann gibt an, man habe im Vor-feld künftiger Konzepte für ein „intelligen-tes Stromnetz“ („smart grid“) auch Vor-kehrungen für einen stromgeführten Be-trieb getroffen.

Das System kann sehr wartungsarm be-trieben werden. Die Geräuschemissionensind zwar deutlich niedriger als bei einerMikro-KWK-Anlage mit Verbrennungsmo-

tor, sind jedoch höher als bei einem wand-hängenden Erdgas-Brennwertgerät. Des-halb ist eine Unterbringung im Heizungs-keller oder auf dem Dachboden sinnvollerals im unmittelbaren Wohnbereich.

Damit bei der Markterschließung keinePlanungsfehler gemacht werden, sieht Viess-mann eine Schulung von Heizungsbauernausgewählter Fachfirmen vor, die nach ei-ner dreitägigen Schulung ein Zertifikat er-halten. Damit soll unter anderem sicher -gestellt werden, dass bei der Auswahl von Gebäuden, die mit dem System aus -gestattet werden sollen, der Strom- undWärmebedarf und das System sinnvoll auf-einander abgestimmt werden können. Das Schulungspaket enthält eine Vorbe -reitung über „E-Learning“, einen TagSchulung zu Fragen des Verkaufs, der Auslegung und der Wirtschaftlichkeitsbe-rechnung, einen Tag Schulung für Mon -tage und Kundendienst und eine Erst-Inbetriebnahme mit dem Viessmann-Kun-dendienst.

7.3 Remeha: Unterschiedliche Systempakete für den Markt derMikro-KWK

Remeha sieht für seine stromerzeugendeHeizung mit Stirlingmotor namens „eVita“– ähnlich wie Viessmann – den Markt vor

allem im Bereich der Heizungsmodernisie-rung bei bestehenden, älteren Wohnge-bäuden mit einem entsprechend großenWärmebedarf. Daneben ist auch der Be-reich neuer Mehrfamilienhäuser im Blick-feld [12]. Damit die Installation möglichsteinfach ist und für den Stirlingmotor einGrundlastbetrieb mit geringem „Takten“erreicht werden kann, werden mehrere be-darfsgerecht zugeschnittene Systempaketeofferiert. Eines dieser Systempakete enthälteinen Kombispeicher für die Trinkwasser -erwärmung und für die Wärme-Pufferspei-cherung (Abb. 14). Die bisherige Betriebs -praxis habe gezeigt, dass im Hinblick aufeinen wirtschaftlichen Betrieb ein solcherKombispeicher sinnvoll sei. Trotzdem hältRemeha daran fest, auch Systempaketeohne Speicher anzubieten.

Das „eVita“-System wird von Remehazum Listenpreis von 11.950 € angeboten.Das Viessmann-Gerät liegt preislich in ei-nem ähnlichen Rahmen. Handwerksbetrie-be offerieren den Kunden diese Technik zuPreisen zwischen 17.000 und 19.000 €.Die jährliche Pflichtwartung wird mit 250 €verrechnet.

7.4 SenerTec: Pufferspeicher als Teil des Gesamtsystems

SenerTec hat – ähnlich wie Viessmann – alsMarkt hauptsächlich die Heizungssanie-rung von älteren Gebäuden mit einemjährlichen Wärmebedarf von 28.000 kWhoder mehr im Visier [13]. Das SenerTec-„Dachs“-System enthält einen Stirlingmo-tor mit den Leistungswerten 1 kWel und5,8 kWth. Um ausreichend hohe jährlicheBetriebsstunden zu erzielen und ein zuhäufiges Takten zu vermeiden, wird dasSystem nur zusammen mit einem Puffer-speicher mit 530 Litern Inhalt und alsStandgerät angeboten. Die Regelstrategiesieht einen wärmegeführten Betrieb vor,wobei der Stirlingmotor bei der Wärme -erzeugung so lange Vorrang hat, bis des-sen Leistung heizungsseitig nicht mehrausreicht. Erst dann wird der Zusatzbren-ner mit rund 18 kW Leistung Wärme-Spit-zenlast zugeschaltet. Dabei wird der Stir-lingmotor jedoch nicht modulierend, son-dern nur in Volllast betrieben. SenerTeclegt im Sinne einer vorsichtigen, qualitativeinwandfreien Markterschließung Wert aufdie Schulung von Heizungsbauern – dieSchulung sei Voraussetzung für einenMarktpartnervertrag.



Abb. 14 Remeha „eVita“ mit Kombispei-cher. [12]

Abb. 15 Whispergen-System mit 800-Liter-Kombi-speicher. [14]

7.5 Whispergen mit kinematischem Stirlingmotor

Das neuseeländische Unternehmen Whis-pergen hat einen kinematisch arbeitendenVierzylinder-Stirlingmotor entwickelt, der inSpanien von Efficient Home Energy S.L.(EHE) gefertigt wird [14]. Auch das Whis-pergen-Stirling-System – in Deutschlandvom Unternehmen sanevo angeboten –wird sinnvollerweise mit einem Kombispei-cher (mit Trinkwasser- und Pufferfunktion)kombiniert (vgl. Abb. 15). Das System ent-hält einen Stirlingmotor mit den Leistungs-werten 1 kWel und etwa 7 kWth und einGas-Brennwertgerät für einen modulieren-den Betrieb zwischen etwa 7 und 22 kWth.

7.6 Bosch Thermotechnik: Anlagen im Feldtest

Bosch Thermotechnik als europaweitgrößtes Unternehmen der Wärmetechnikhat vor einigen Jahren einen Kooperations-vertrag mit dem japanischen Heizungs-technik-Unternehmen Rinnai, der italie -nischen Gruppe Merloni Termosanitari(MTS Group) und dem niederländischenUnternehmen Enatec micro-cogen ge-schlossen. Ziel ist dabei die Entwicklung einerMikro-KWK-Technik auf Basis eines Frei-kolben-Stirlingmotors, der unter anderemvom Unternehmen Infinia auch für die so-larthermische Stromerzeugung angebotenwird. Der erdgasbefeuerte Stirlingmotor mitden Leistungswerten 1 kWel und etwa 7 kWth

wird zurzeit in umfangreichen Feldtests er-

probt. Die Integration in ein wandhängen-des Gerät mit einem zusätzlichen Brennwert-kessel zur Wärme-Spitzendeckung ist vorge-sehen. Auch liegen Erfahrungen mit der Ver-wendung von Holzpellets als Energieträger vor.

7.7 Weiterentwickelter Solo-Stirlingmotor

Das Unternehmen sanevo vertreibt mit dem„CleanGen“-Stirlingmotor – beim schwe-dischen Unternehmen Cleanergy auch

unter dem Namen „Cleanergy“ verfügbar– ein weiteres System, das eine Weiterent-wicklung des bekannten Solo-Stirlingmo-tors darstellt (vgl. Abb. 16) [16]. Dieser Mo-tor kann modulierend betrieben werdenund elektrische Leistungen von 2 bis 9 kWel

sowie Wärmeleistungen von etwa 8 bis 25 kWth bereitstellen. Er erreicht elektrischeWirkungsgrade zwischen 23 und 27 Pro-zent sowie Gesamtwirkungsgrade von biszu 95 Prozent. Sein Einsatzbereich ist aller-



Abb. 16 · Stirlingmotor „CleanGen“ (Cleanergy), vormals Solo-Stirlingmotor. [16]

Abb. 17 · Stirlingmotor von Stirling DK.Unten: Stirlingmotor (grün) mit Kessel zur Wärmeerzeugung (blau). Oben:Schema mit vorgeschaltetem Gegen-stromvergaser auf Biomassebasis. [15]

woodchips

drying

pyrolysis

gasification

oxidation

ash

productgas gasification

air pre heater

heat

electricity

Combustionchamber

Stirlingengine

air pre heater

economiser

heat

air

air

dings nicht der übliche Wohngebäudebe-reich, sondern eher der Markt für Gewer-bebetriebe und industrielle Anwendungen.

7.8 Markt: Nicht ohne RisikenDie Firma Sunmachine, die sich bis zumJahr 2011 auf Stirlingmotoren für Erdgassowie für Holzpellets als Energieträger spe-zialisiert hatte, ist im Markt für Stirling-Sys-teme nicht mehr präsent, da das Unterneh-men Insolvenz anmelden musste. Der pel-letbefeuerte Stirlingmotor war auf elektri-sche Leistungen von 1,5 bis 3,0 kWel sowieauf Wärmeleistungen von etwa 4,5 bis10,5 kWth hin ausgelegt.

7.9 Stirling DK: Stirlingmotor für Biomasse

Für gewerbliche und industrielle Anwen-dungen hat das dänische UnternehmenStirling DK einen Stirlingmotor für unter-schiedliche Arten von Biomasse als Ener-

gieträger entwickelt [15]. Der Motor verfügtüber eine elektrische Leistung von 35 kWel

sowie über eine Wärmeleistung von etwa140 kWth. Werden mehrere Aggregate pa-rallel geschaltet, können diese Werte ver-vielfacht werden. Um Biomassen unterschied-licher Beschaffenheit (z. B. auch Holzhack-schnitzel) einsetzen zu können, werdendiese wegen Verschmutzungsproblemenam Erhitzer und aus Emissionsgesichts-punkten nicht unmittelbar verbrannt, son-dern in einem Gegenstromvergaser in einbiomassebasiertes Brenngas umgewan-delt, das darauf zur Hochtemperatur-Wär-meerzeugung im Stirlingmotor verbranntwird (vgl. Abb. 17).

8. Zusammenfassung

Der Markt für die stromerzeugende Hei-zung (Mikro-KWK) ist in Bewegung ge-kommen. Als Alternative zu Anlagen

mit herkömmlichen Hubkolben-Verbren-nungsmotoren bieten inzwischen namhafteUnternehmen der Heizungstechnik Sys -teme mit Stirlingmotoren auf Erdgas- undFlüssiggasbasis an, die gekoppelt Stromund Wärme erzeugen können und vor al-lem für die Gebäudesanierung interessantsein können. In Kombination mit Brenn-wert geräten und Speichern können sieeine elektrische Leistung von 1 kWel undeine Wärmeleistung zwischen etwa 6und 22 kWth bereitstellen. Mit angepass -ten Regelstrategien kann bei einem hin -reichend großen Gebäudewärmebedarfder Stirlingmotor im Grundlastbetrieb eingesetzt werden. Damit lässt sich einwirtschaftlich vertretbarer Betrieb sicher-stellen. ■

[Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Ing. Martin Dehli,Fakultät Versorgungstechnik und

Umwelttechnik, Hochschule Esslingen]



Quellen:[1] Wodraschka, T.: Der Stirling-Motor

in der Heizungstechnik. Bosch Thermotechnik GmbH, BuderusDeutschland. Vortrag, Berlin 2010.

[2] Deutsche Vereinigung des Gas- und Wasserfaches e.V.: Eine Chance für den Stirlingmotor?DVGW Technologie-Report Nr. 2 / 2008.

[3] www.m-niggemann.com/fh_diplom_theorie.htm

[4] Dehli, M.: Möglichkeiten der dezentralen Erzeugung von Stromund Wärme. Fachvortrag, Hochschule Esslingen, Esslingen.

[5] Was ist ein Stirlingmotor?www.stirlingmotor.org

[6] Kühl, H.-D.: Ein neuartiger, bedarfsgerecht umschaltbarer Gaskreisprozess für eine integrierte,dezentrale Wärme-Kraft-Kälte-Kopplung. VDI-Berichte Nr. 1594„Fortschritt liche Energiewandlungund -anwendung. Schwerpunkt:Dezentrale Energie systeme“, S. 59 / 68. VDI-Gesellschaft Energietechnik, Tagung Bochum 13. / 14.3.2001. VDI-Verlag, Düsseldorf 2001.

[7] von Roon, S.; Steck, M.: Dezentrale Bereitstellung von Strom und Wärme mit Mikro-KWK-Anlagen – Effizienzvorteile, Techniken, Potenziale und dasKonzept des virtuellen Kraftwerks.Online veröffentlicht, Springer Verlag, 20.11.2009.

[8] Golbach, A.: Möglichkeiten der dezentralen Energieversorgung in Kraft-Wärme-Kopplung. Arbeitskreis Zukunftsenergien:Energie & Haus – Das große Energieeffizienzpotenzial. Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung e.V. Berlin, 14.12.2005.

[9] Dehli, M.: Dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung mit Stirling-Motoren –Wie weit ist die Entwicklung?www.energie-fakten.de, 5.2.2009.

[10] Doering, E.; Schedwill, H.; Dehli, M.:Grundlagen der Technischen Thermodynamik. 7. Auflage. VerlagSpringer Vieweg, Wiesbaden 2012.

[11] Eitzenhofer, S.: Die Zeit ist reif fürMikro-KWK. Viessmann WerkeAllendorf GmbH. Vortrag auf derCEP Landesmesse, 29.3.2012,Stuttgart. www.cep-expo.de

[12] Jahn, J.: Remeha eVita – Technik undErfahrungen ein Jahr nach der Markt-einführung. DeDietrich Remeha GmbH. Vortrag auf der CEP Landesmesse,29.3.2012, Stuttgart. www.cep-expo.de

[13] Weisenberger, D.: Dachs Stirling SE –Erste Erfahrungen aus dem Betriebim Einfamilienhaus. SenerTec Kraft-Wärme-Energiesysteme GmbH.Vortrag auf der CEP Landesmesse,29.3.2012, Stuttgart. www.cep-expo.de

[14] Zimmermann, A.: Zwei Jahre Whispergen in Serie, 1.000 im Keller.Efficient Home Energy S.L. Vortragauf der CEP Landesmesse,29.3.2012, Stuttgart. www.cep-expo.de

[15] Jagd, L.: Biomass Stirling engine basedCHP Plants; status of commercialinstallations in Germany, Denmark,and United Kingdom. Vortrag aufder CEP Landesmesse, 29.3.2012,Stuttgart. www.cep-expo.de

[16] Baumüller, A.: WeiterentwickelterAlpha-Stirlingmotor 9 - 10 kW fürKWK und Solarbetrieb. Neue undbewährte Komponenten der Cleanergy V 161 aus schwedischerSerienfertigung. Cleanergy AB.Vortrag auf der CEP Landesmesse,29.3.2012, Stuttgart. www.cep-expo.de

[17] Loth, T.: Auslegung und Unter -suchung eines Verbrennungs -gas-Wärmeübertragers für eineMikro-Kraft-Warme-Kopplungs-Anlage mit einem pelletbefeuertenStirlingmotor. Bachelorarbeit an der Hochschule Esslingen. Esslingen 2012.

[18] Energie der Zukunft – Mikro-KWK,Langfristige Szenarien der gesamt-wirtschaftlich optimalen Integrationvon Mikro-KWK-Anlagen in das öster-reichische Energiesystem. EnergyEconomics Group, TU Wien, 2010.



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Neue Serie Teil V: KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG ALS ZUKUNFT · Heizung verwendeten Freikolben-Stirling-motor (vgl. Abb. 2 und Abb. 3). Im Zylinder bewegen sich zwei Kolben auf und ab: Der