“Mikro-KWK sind keine Gelddruckmaschinen“

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• Die momentan zur Verfügung stehenden Stirlingmotor-KWK-Geräte mit einer Leistung von 1 kW_el sind für energieoptimierte Einfamilienhäuser eher zu groß. In Verbindung mit einem Pufferspeicher und vorausschauenden Lade- und Regelkonzepten lässt sich die Laufzeit deutlich erhöhen.
• Der elektrische Wirkungsgrad von Stirlingmotoren lässt sich beispielsweise durch eine Luftvorwärmung steigern, durch den relativ hohen Aufwand ist aber nicht mit einer schnellen Realisierung im unteren Leistungsbereich zu rechnen.
• Zurzeit bauen die ersten Hersteller größere Fertigungskapazitäten auf, die mittelfristig zu sinkenden Preisen für Stirlingmotor-KWK-Geräte führen werden.

Nach jahrzehntelanger Entwicklungsarbeit, vielen Rückschlägen Abb. 1 aufgrund konstruktiver, materialtechnischer und fertigungstechnischer Probleme hat zumindest in der 1-kW_el-Klasse die Serienproduktion der Stirling-Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungs-Geräte begonnen. Als Vorteile gegenüber den Kleinst-BHKW-Geräten mit Verbrennungsmotor vom Typ Dachs, Honda oder ecopower werden der geringe Wartungsaufwand durch den Wegfall der Ölschmierung, das gute Teillastverhalten, die niedrigen Emissionswerte und die längere Lebensdauer des Motors angegeben.

Nachteil ist der gegenüber Geräten mit Verbrennungsmotor und Brennstoffzelle geringere elektrische Wirkungsgrad. Geräteentwicklungen mit Luftvorwärmung deuten aber darauf hin, dass künftig – zumindest bei größeren Leistungen – mit höheren elektrischen Wirkungsgraden gerechnet werden kann. Ob der Stirlingmotor auch für die Befeuerung mit Bio-Festbrennstoffen geeignet ist, bleibt abzuwarten. Bedeutend wartungsärmer, energie­effizienter und schadstoffärmer sind Stirling-Aggregate mit vorgeschaltetem Gegenstromvergaser. Erfreulich ist, dass der vielgepriesene Solo-Stirling (aktuell 2 bis 9 kW_el und 8 bis 25 kW_th, siehe unten) mit Cleanergy einen Investor gefunden hat, der das Aggregat jetzt für den Betrieb mit gasförmigen Brennstoffen, aber auch für die solarkonzentrierende An­wendung als Kleinserie anbietet.

Prof. Thomas: Luftvorwärmung steigert den Wirkungsgrad

In seinem Einführungsvortrag wies der Moderator des 4. Deutschen Stirling-Kongresses, Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas vom Reutlinger Research Institut (RRI), Hochschule Reutlingen, auf das Funktionsprinzip des Stirlingmotors sowie dessen Vor- und Nachteile hin. Zu den Vorteilen zählt er den geschlossenen Kreisprozess, die hohe Lebensdauer und den geringen Wartungsaufwand. Nachteile seien das träge Lastwechselverhalten, die hohen Investitionskosten sowie die hohen Anforderungen an die Auslegung und Ausführung.

So sei der Gesamtwirkungsgrad (elektrisch und thermisch) von Stirling-Mikro-KWK-Geräten direkt von der Rücklauftemperatur des Heizsystems abhängig. Beim Vergleich des Gesamtwirkungsgrades liege sowohl das Whispergen-Gerät Abb. 2 als auch das CleanergyGerät (vormals Solo) an der Spitze, wobei der Wirkungsgrad des Cleanergy-Gerätes bei steigender Rücklauftemperatur stärker als der von anderen Fabrikaten abfalle. Bei den elektrischen Wirkungsgraden komme das Whispergen-Gerät auf rund 10 %, das CleanergyGerät auf 23 bis 27 % und schneide damit sogar besser als das ecopower-Gerät (mit Otto­motor) von Vaillant ab. Auch der Dachs von Senertec sei – bezogen auf den elektrischen Wirkungsgrad – nur unwesentlich besser als das Nachfolgemodell von Solo. Nur das ­dänische KWK-Gerät XRGI 156 von EC-Power (mit Ottomotor, modulierend von 6 bis 15 kW_el) schneide mit konstant 30 % elektrischem ­Wirkungsgrad besser ab, so die Vergleichsmessungen von Thomas.

Die Ursachen für die großen Unterschiede zwischen den Stirling-KWK-Geräten liegen, so Thomas, bei der Luftvorwärmung (Luvo) der Verbrennungsluft. So könne der elektrische Wirkungsgrad von Stirling-Heizgeräten seinen Berechnungen zufolge durch Luvo theoretisch von 15 auf 23,4 % gesteigert werden. Allerdings sei der Aufwand dazu relativ hoch, das bedeutet, dass sich die Luftvorheizung nur bei Geräten mit höheren Leistungen lohnt.

Viessmann: Höhere Laufzeiten durch lernfähige Regelung

So gut wie alle Anbieter von Mikro-KWK-Geräten auf der Basis des Stirlingmotors propagieren den Einbau ihrer Geräte in Ein- und Zweifami­lienhäusern. Aus der Energiewirtschaft kommt verhaltene Kritik an der Werbestrategie der Hersteller, denn die Geräte seien für diese Zielgruppe viel zu groß. So liegt die durchschnittliche elektrische Grundlast eines Einfamilienhauses gerade mal bei 300 W, die elektrische Leistung des Stirling-Hauskraftwerkes aber bei 1 kW. Bei konventioneller Betriebsweise erreichen Stirlingmotor-KWK-Geräte kaum die notwendige Laufzeit von 3500 h/a, die als Grenzwert für die Wirtschaftlichkeit gilt.

Viessmann hat deshalb auf der Basis seiner Feldtest-Erfahrungen ein Lade- und Regelungskonzept entwickelt, das die Laufzeit des Vitotwin-300-W-Gerätes Abb. 3 von durchschnittlich 3500 h auf rund 5500 h erhöht. Erreicht wird die Laufzeitverlängerung durch die Modulation des Stirlingbrenners auf bis zu 30 % in ­Abhängigkeit des Ladezustands des Puffer­speichers. Außerdem werde der tägliche ­Wärmebedarf des Gebäudes über eine system­optimierte Regelung erfasst und damit die Laufzeiten und die Ladestrategie für den ­folgenden Tag vorbestimmt, erklärt Stefan Eitzenhöfer von Viessmann. Wichtig sei eine ausreichend hohe Speicherkapazität, damit möglichst viel Wärme aus dem Betrieb des ­Stirlingmotors genutzt werden kann und der eingebaute Zusatzbrenner möglichst wenig einschaltet. Eine höhere Wirtschaftlichkeit werde erreicht, wenn das Vitotwin-Gerät die Grundlast in größeren Gebäuden übernehme. Eitzenhöfer: „Bei Viessmann häufen sich die ­Anfragen, in wieweit unser Gerät die Grund­lastversorgung übernehmen kann.“

Im Hinblick auf die BAFA-Förderung – seit 1. April 2012 liegt der Investitionszuschuss für KWK-Anlagen mit 1 kW_el bei 1500 Euro – hat Viessmann „förderrelevante Messtechnik“ in das Gerät integriert, das heißt, Strom-, Gas- und Wärmeverbrauch und damit auch die Geräteenergieeffizienz können direkt im Gerät abgelesen bzw. abgerufen werden. Im Vorfeld möglicher Smart-Grid-Funktionen habe Viessmann bereits Vorkehrungen getroffen, das Stirlinggerät auf Anforderung stromgeführt zu betreiben. Auch könne der Nutzer das Gerät bei einem abzusehenden höheren Eigenstrombedarf durch Haushaltsgeräte manuell zuschalten. Offen blieb, wie schnell das Stirling-Heizgerät nach dem Einschalten die volle elektrische Leistung erreicht.

Größte Schwachstelle bei der Marktein­führung der Stirling-Heizgeräte ist deren ­planerische Integration (Objektauswahl) durch den Heizungsfachmann und damit die Sicherstellung der Wirtschaftlichkeit. Auch wenn ­diese Äußerung von den Geräteherstellern so nicht gefallen ist, widerspiegelt sie die Situation auf dem mit vielen Hoffnungen verknüpften Mikro-KWK-Markt. Viessmann hat dazu ­einen Filter vorgeschaltet: Ohne Zertifizierungsschulung gibt es für den Installateur keine Verkaufsfreigabe. Die Schulungskosten belaufen sich auf 400 Euro pro Teilnehmer und beinhalten:

• Vorbereitung mit E-Learning
• 1 Tag Presales-Schulung zum Thema Verkauf, Auslegung und ­Wirtschaftlichkeitsberechnung
• 1 Tag Aftersales-Schulung mit Montage- und Service-Training
• Erstinbetriebnahme zusammen mit dem Viessmann-Kundendienst

Aus Sicht von Eitzenhöfer hat das Stirlingmotor-Heizgerät gute Chancen, sich im künftigen Wettbewerb in der Mikro-KWK-Geräteklasse sowohl gegen den Verbrennungsmotor als auch gegen die Brennstoffzelle zu behaupten. „Das Teillastverhalten des Stirlingmotors ist gut und der Gesamtwirkungsgrad des Gerätes höher als bei solchen mit Verbrennungsmotor und Brennstoffzelle. Außerdem sind die Wartungskosten beim Stirling niedriger“, betont Eitzenhöfer. Mittelfristig sehe er bei den Stirlingmotor-Heizgeräten noch Entwicklungspotenzial beim elektrischen Wirkungsgrad, zum Beispiel durch Luftvorwärmung.

Remeha: Stirling-Gerät besser als Grundlastheizkessel einsetzen

DeDietrich Remeha positioniert sein Stirlingmotor-KWK-Gerät eVita (1 kW_el) primär als Ersatz für Heizkessel in energetisch nicht sanierten Ein- und Zweifamilienhäusern, bekommt jedoch verstärkt Anfragen, ob das Gerät auch für den Dauerbetrieb zur Grundlastversorgung in größeren Gebäuden geeignet sei, berichtet Jürgen Jahn, DeDietrich Remeha, Emsdetten. Aktuell gehe rund 95 % des Geräteabsatzes in die Modernisierung, nur 5 % in den Neubaubereich. Mit 85 % sei das Einfamilienhaus noch der entscheidende Absatzmarkt, nur 15 % gehen in Zwei- bis Sechsfamilienhäuser, davon ein Teil über Contracting.

Remeha hat bisher 550 eVita-Geräte verkauft und strebt für das Jahr 2012 die Produktion von 1000 Geräten an. Jahn: „Derzeit übersteigt die Nachfrage unsere Produktion.“ Um die Installation zu vereinfachen und das verschleißfördernde Takten zu unterbinden bietet Remeha fünf Systempakete an, darunter eines mit Kombispeicher Abb. 4 (Trinkwassererwärmer und Pufferspeicher) sowie eines mit Systempufferspeicher zur Systemtrennung (für Mehrfamilienhäuser). „Ein Pufferspeicher war beim eVita-Gerät zunächst nicht zwingend vorgeschrieben“, räumt Jahn ein. Ursprünglich sei davon ausgegangen worden, dass die Modulation des Stirlingmotor-Brenners zur Leistungsanpassung an die Heizungsanlage für einen störungsfreien Betrieb ausreiche. Die Praxis hätte aber gezeigt, dass erst ein Pufferspeicher zu längeren Betriebszeiten führt und damit das unerwünschte, weil verschleißfördernde Takten reduziert werden kann.

Für Installateure nicht unwichtig ist der Hinweis auf das Geräuschproblem. So soll das Stirling-Heizgerät – Geräuschpegel 46 db(A) in 1m Abstand – nicht unmittelbar an einer Wand zum Schlafzimmer befestigt werden. „Das Schallproblem war für den Hersteller eine Herausforderung“, gibt Jahn freimütig zu. Deshalb ist der Stirlingmotor komplett in Federn gelagert.

Remeha bietet das Paket eVita-Gerät mit 400-l-Pufferspeicher zum Listenpreis von 11950 Euro an; die aktuellen Handwerkerangebote lägen bei 17000 bis 19000 Euro. Für die jährliche Pflichtwartung werden etwa 250 Euro veranschlagt. Remeha gibt die Lebensdauer des Motors mit etwa 40000 h an; im Vergleich dazu geht Viessmann bei seinem Stirling-Gerät von 50000 h aus. Wird das Stirlingmotor-Gerät zur Abdeckung der Grundlast eines Mehrfamilienhauses eingesetzt, wäre bei 8000 h/a pro Jahr nach fünf Jahren ein Motoraustausch notwendig. Über dessen voraussichtliche Kosten wurden keine Angaben gemacht, nur so viel: Die Produktionskosten für den Stirlingmotor sollen – je nach den erreichbaren Stückzahlen – zwischen 2000 und 3000 Euro liegen.

Senertec: Weiterhin „sanfter“ Markteintritt für den Stirling Dachs

Wie bereitet ein Unternehmen aus dem Mikro-KWK-Segment den Markteintritt für ein Stirlingmotor-Heizgerät vor, das europaweit rund 28000 Mikro-KWK-Anlagen vom Typ Dachs verkauft hat? Zitat: „Ganz sanft, mit 200 Anlagen in diesem Jahr und dann jedes Jahr ein bisschen mehr.“ Jochen Senft vom Dachs-Hersteller Senertec in Schweinfurt empfiehlt, den Markt für die Kleinst-KWK-Geräte vom Typ Stirling behutsam aufzubereiten, um Imageschäden durch falsche Planung und mangelhafte Installationen von vornherein zu vermeiden.

Das gelte insbesondere für die Dimensionierung und Einbindung eines Pufferspeichers. „Unsere Erfahrungen zeigen, dass so ein System ohne Pufferspeicher nicht funktioniert.“ Mehr noch: Den Stirling Dachs SE Abb. 5 gibt es nicht als Wandgerät, sondern nur als Komplettsystem mit Befestigung und Einhausung am Pufferspeicher; ein dezenter Hinweis auf das offensichtlich ernstzunehmende Schallproblem. Senertec gibt die Schallemission nach DIN 45635-01 mit 45 db(A) an, das entspricht in etwa der Lautstärke eines Kühlschranks.

Im Gegensatz zum Wettbewerb verwendet Senertec nicht die vom Hersteller des Stirlingmotors mitgelieferte Regelung, sondern die des Dachs-Geräts. Die Regelstrategie sei so konzipiert, dass dem Brenner des Stirlingmotors bei der Wärmeversorgung so lange Priorität eingeräumt wird, bis auf der Heizseite eine Unterversorgung eintritt. Erst nach Ablauf eines Zeitglieds geht der Zusatzbrenner in Betrieb. Mit diesem Trick könnten die Laufzeiten des Stirlingmotors erheblich verlängert werden. Im Gegensatz zu Viessmann verzichtet Senertec auf eine modulierende Fahrweise. Senft: „Die Modulation des Stirlingmotors hat sich aus unserer Sicht als nicht vorteilhaft erwiesen.“

Als Beleg für die Richtigkeit dieser Regelstrategie präsentierte Senft die Ergebnisse eines Feldtests in einem Einfamilienhaus, Baujahr 1995, mit einem Heizwärmebedarf von 28000 kWh/a, einem Gasverbrauch von 35000 kWh/a und einem Stromverbrauch von 7500 kWh/a. Durch die Optimierung von Speicherladestrategie und Regellogik habe der Stirlingmotor rund 88 % (4392 Brennerstunden bei 1697 Brennerstarts) der Heizarbeit geleistet, der Spitzenlastbrenner nur 12 % (179 Brennerstunden, 367 Starts). Der Strombezug konnte um 33 % reduziert werden.

Bei der Zertifizierung geht Senertec ähnliche Wege wie der Wettbewerb: Ohne Dachs-Stirling-Training kein Marktpartnervertrag und damit auch kein Stirlingmotor-Heizgerät. Auch die jährlichen Wartungsarbeiten werden dezidiert vorgegeben. Für das dritte bis fünfte Betriebsjahr oder bis zu 20000 kWh Stromproduktion bietet Senertec ein Sicherheitspaket für derzeit 490 Euro an, das wichtige teure Bauteile wie den Stirlingmotor mit abdeckt, jedoch keine typischen Verschleißteile. Fragen zur Wirtschaftlichkeit des Stirling-Gerätes wurden eher ausweichend beantwortet. Je nach Gebäude seien 400 bis 800 Euro Energiekosteneinsparung möglich. Eine Gelddruckmaschine dürfe man aber nicht erwarten. „Kunden wollen so eine Anlage, unabhängig von der Wirtschaftlichkeit“, sagte Senft. Bei der heutigen Senertec-Kundschaft dominiere bei der Kaufentscheidung eher das Bauchgefühl.

Whispergen: Fertigungskapazität für 30000 Geräte pro Jahr

Wer bisher das Stirling-Mikro-KWK-Gerät als Nischenprodukt eingeschätzt hatte – Stichwort „sanfter Markteintritt“ – bekommt spätestens bei den von Alexander Zimmermann, EHE (Efficiency Home Energy s.L.), Tolosa, Spanien, genannten Zahlen und Fakten einen ganz anderen Eindruck. Der Markt sei bereits in Bewegung. EHE verfüge mittlerweile über Fertigungsgebäude mit 2700 m² Produktions- und Lagerfläche; noch im Jahr 2012 sei eine Verdoppelung der Fläche geplant, womit eine Fertigungskapazität von 30000 Geräten pro Jahr zur Verfügung stehe. Aufgrund von Langzeittests über 100000 h sei inzwischen eine Gerätelebensdauer von zehn Jahren nachgewiesen, so Zimmermann. EHE ist ein Gemeinschaftsunternehmen von WhisperTech Limited, Neuseeland, und Mondragon Cooperative Corporation (MCC) im gleichnamigen Ort im spanischen Baskenland. Hinter MCC verbirgt sich die siebtgrößte Indus­triegruppe Spaniens mit mehr als 100 eigenständigen Unternehmen.

In Deutschland wird das Whispergen-Gerät (1 kW_el, 8 kW_th, 30 kW thermische Spitzenlast) mit einem speziell für das Aggregat entwickelten Pufferspeicher angeboten. Dadurch könne die Wärme- und Stromerzeugung entkoppelt, gleichzeitig der Eigenverbrauch an Strom optimiert oder das Gerät in ein virtuelles Kraftwerk eingebunden werden. Die Daten aus 1000 installierten Whispergen-Geräten Abb. 6 ergeben folgende Durchschnittswerte:

• 2700 Betriebsstunden des Stirlingmotors pro Jahr
• 3 Stunden durchschnittliche Laufzeit pro Start
• Laufzeitverhältnis Stirlingmotor zu Zusatzbrenner 80:20
• Geeignet für Objekte mit einem Jahres­wärmebedarf von 33000 bis 35000 kWh/a
• Thermische Spitzenlasten bis 7 kW schafft der Stirlingbrenner allein, mit Pufferspeicher 10 kW über die Dauer von bis zu 2 h und 20 kW mit Pufferspeicher und Zusatz­brenner über die Dauer von bis zu 2 Stunden.

Durch den Verzicht auf Nachtabsenkung könne in vielen Fällen die Spitzenlast am Morgen verhindert und damit die Laufzeit des Stirlingmotors (ohne Zusatzbrenner) verlängert werden. Entwicklungspotenzial sieht Zimmermann bei der Verbesserung der elektrischen Effizienz, der Weiterentwicklung der Regelung sowie der Erweiterung der Systempalette mit speziell ausgewählten Pufferspeichern.

Stirling DK: Dezentrale Anlagen mit bis zu 300 kW_el

Stirlingmotoren gelten als energetische Allesfresser, zumindest wenn der Brennstoff gasförmig ist. Die Direktbefeuerung mit festen Bio-Brennstoffen hat sich weniger bewährt. Die Veraschung der Erhitzerwärmeübertrager bei direkter Verbrennung führte in der Vergangenheit zu hohen Wartungskosten, die Effizienz ging nach unten und Ausfälle häuften sich. Stirling DK, Lynby, Dänemark, Hersteller von Stirlinganlagen bis 300 kW_el, entschied sich deshalb, die Direktverbrennung von Bio-Brennstoffen zugunsten einer abgestimmten Kombina­tion von Stirlingmotor mit einem Gegenstrom-Vergaser zu ersetzen Abb. 7 und nur noch Komplett- oder OEM-Anlagen zu liefern.

Damit hat das Unternehmen nicht nur das Emissions- und Reinigungsproblem im Griff, sondern auch die Arbeitsgastemperatur. Bei Anlagen mit direkter Verbrennung waren die Wärmeübertrager nach 300 h total verascht, bei Anlagen mit Gegenstromvergaser sind die Wärmeübertrager des Stirlingmotors auch nach 4000 h noch sauber.

Ein Beispiel aus der Praxis: Bei einer Hackschnitzel-Anlage mit Gegenstromvergasung – geplante Feuerungsleistung 200 kW – wurden bei einer tatsächlichen Leistung der Gegenstrom-Vergaser-Feuerung von 225 kW eine ausgekoppelte Wärmeleistung von 165 kW und eine elektrische Leistung von 35 kW bei einem elektrischen Wirkungsgrad von 15,5 % gemessen. Die Staubemission der Anlage lag bei 3, CO- und NO_X-Emission bei je 3. Aktuell sind 16 solcher ­Anlagen in Betrieb mit elektrischen Leistungen von 35, 70 und 140 kW. Durch den modularen Aufbau können elektrische Leistungen von bis zu 300 kW erzeugt werden. Die Anlagen befinden sich in England (8), Dänemark (1), Italien (1) und Deutschland (2 in Flensburg, 4 in Tabarz). Auch StirlingDK verfolgt eine langsame Markteinführung, um Erfahrungen aus den laufenden Anlagen in die neuen Projekte einfließen zu lassen.

Cleanergy: Solo-Stirlingmotor für die Serienproduktion weiterentwickelt

Spätestens der Vortrag von Andreas Baumüller von der Cleanergy AB, Göteborg, Schweden, machte klar, dass es sich bei den Stirlingmotor-KWK-Geräten nicht um Zwischenprodukte bis zur Marktreife von Brennstoffzellen-Heizgeräten handelt, sondern um eine eigenständige Technologie mit hohem Innovationspoten­zial. Bei der Cleanergy-Geräteserie handelt es sich um die Weiterentwicklung des bekannten Solo-Stirlingmotors, der auf der Grundlage einer schwedischen Entwicklung aus den 1970er-Jahren ab 2003 von der Solo Kleinmotoren GmbH, Sindelfingen, bzw. von der Solo Stirling Motor, Sindelfingen, in einer Kleinserie (150 Maschinen) gebaut wurde, darunter auch eine Variante als Kältemaschine.

Trotz exzellenter Leistungs- und Emissionswerte – die Maschinen entsprachen schon damals den Anforderungen des „Blauen Engels“ – und mehr als 2 Mio. Betriebsstunden scheiterte Solo an Material- und Fertigungspro­blemen und damit an der Vermarktung des ­Stirling-Aggregats. Nach einem weiteren (erfolglosen) Anlauf der schweizerischen In­vestorengruppe Swiss Stirling Systems AG ­kaufte 2008 die Cleanergy AB die Rechte an der Entwicklung und fokussierte den Neustart auf eine kosteneffiziente Produktion und ­höhere Stückzahlen.

Aktuell wird ein Stirlingmotor-Gerät mit 9 kW_el für Brenngase und ein StirlingmotorAggregat für konzentrierende Solaranlagen mit 10 kW_el angeboten. Eine Besonderheit im Produktportfolio von Cleanergy ist ein OffGrid-Stromaggregat auf der Basis von Erdgas für die Versorgung von Infrastruktureinrich­tungen entlang den russischen Ferngasleitungen. Derzeit wird pro Tag ein StirlingmotorAggregat gefertigt; die Kapazität des Werkes liegt in der jetzigen Ausbaustufe bei 1000 Geräten pro Jahr.

Der entscheidende Unterschied des Clea­n­ergy-Stirlingmotor-Aggregats zu den Geräten des Wettbewerbs ist die Fähigkeit zur Modulation der elektrischen Leistung zwischen 2 und 9 kW mit entsprechenden variablen Wärmeleistungen zwischen 8 und 25 kW. Anders als bei den Kleinst-Stirlinggeräten kann die Leistungsanpassung im Minutenbereich erfolgen. Der elektrische Wirkungsgrad der Maschine liegt durch die integrierte Luftvorwärmung bei 24,5 %, bezogen auf eine Vorlauftemperatur von 50 °C. Das Stirling-Modul für konzentrierenden Solarbetrieb leistet bei einer Konzentratorfläche von 40 bis 55 m² und einer Konzentration von 500 bis 1000 W/m² zwischen 2 und 10 kW_el Abb. 8. Wie es heißt, sind die ersten Tests mit einem chinesischen Solar-Konzentrator-Anbieter erfolgreich verlaufen. In Deutschland werden die Cleanergy-Stirlingmotor-Aggregate von Sanevo Home Energy, Offenbach, angeboten, die auch die Geräte von Whispergen und Bluegen (Brennstoffzellen-Heizgerät) im Programm führt.

Fazit

Stirlingmotor-Heizgeräte entwickeln sich als eine eigenständige Alternative zu den Mikro-KWK-Geräten mit Verbrennungsmotor oder Brennstoffzellen. Bei den Kleinstgeräten mit 1 kW_el und 6 bis 8 kW_th hängt die Wirtschaftlichkeit in erster Linie von der Größe des Pufferspeichers, vom Speichermanagement und von der an die Charakteristik des Stirlingmotors angepassten Regelungsstrategie ab. Die jetzt vorliegenden Erfahrungen deuten darauf hin, dass sich die Kleinstgeräte weniger für Einfamilienhäuser eignen, sondern eher für die Grundlastversorgung in Mehrfamilienhäusern und kleinen Gewerbebetrieben.

Ein Hochkaräter unter den Stirlingmotor-Heizgeräten ist mit Sicherheit der „Solo-Stirling“, der jetzt von der schwedischen Cleanergy produziert wird. Wie keine andere Mikro-KWK-Bauart lässt sich der „Solo-Stirling“ beliebig in der Leistungsabgabe variieren, das heißt, das Gerät kann sowohl strom- als auch wärmegeführt dem jeweiligen Bedarf angepasst werden. Das Gerät verdeutlicht durch seinen vergleichsweise hohen elektrischen Wirkungsgrad von 24,5 % auch das enorme Entwicklungspotenzial, das in dieser Motorbauart steckt. •

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TGA-Planer: In Gebäuden mit nahezu ganzjähriger Heizlast von etwa 6 kW, beispielsweise für Trinkwassererwärmung und Zirkulationsverluste, erreichen Stirlingmotor-KWK-Geräte ideale Laufzeiten. Zu beachten ist allerdings, dass ein Motorwechsel bei der Wirtschaftlichkeitsberechnung berücksichtigt werden muss.

Anlagenbauer: Die Integration eines Stirlingmotor-KWK-Geräts in einem durchschnittlichen Einfamilienhaus ist ohne Pufferspeicher sehr kritisch bezüglich Wirtschaftlichkeit, Takten und Verschleiß.

Bauherren: Wer sich ein Stirlingmotor-KWK-Gerät aus wirtschaftlichen Überlegungen anschaffen will, benötigt eine Wärmesenke, die mindestens 3500 Betriebsstunden gewährleistet und eine Anlagenkonzeption und -regelung, mit der Wärmeproduktion und -abnahme möglichst gut aufeinander ab­gestimmt werden können – und dafür eine sorgfältige Beratung und Planung.

Das vor über 200 Jahren entdeckte Prinzip des Stirlingmotors ist heute nicht nur in der Raumfahrt und beim Militär ein gängiges Prinzip zur Erzeugung von Strom, Wärme oder Kälte, auch bei Wärmebildkameras ist der Stirlingmotor als Kryo-Kühler ein unverzichtbares Standardprodukt. Sein Vorteil liegt darin, dass er sich extrem miniaturisieren lässt und damit direkt in hochpräzise arbeitenden Geräten zur Stromgewinnung oder zur Kühlung eingesetzt werden kann, zum Beispiel als Wärmepumpe in Satelliten und Raumschiffen oder zum Antrieb einer Blutpumpe von Herzunterstützungssystemen. Die Firma AIM, Infrarot-Module GmbH, Heilbronn, baut auf dem Stirlingmotor-Prinzip zum Beispiel Kryo-Kühler zur Kühlung von Hochleistungs-Infrarotsensoren im Leistungsbereich von 0,4 bis 4 W Kälteleistung bei Kühltemperaturen von unter 120 K (<–153 °C). Weltweit sind rund 400000 solcher Kleinkühler im Hosentaschenformat im Einsatz. Hinzu kommen sogenannte HTS-Module zur Kühlung von Hochtemperatur Superleitsystemen sowie N₂-Verflüssiger im Bereich der Luftverflüssigung. Interessant sind die verschiedenen Anordnungen der Mikrokomponenten: als mechanisch integrale Komponente oder als Split-System mit getrennten Einheiten von Motor/Kompressor und Kälteteil. Beim Antriebskonzept kann der Kunde zwischen Rotary (Zwangsantrieb über Kurbelwelle) und Linear (Freischwinger) wählen. Die Carnot-Güte­grade solcher Kryo-Kühler liegen zwischen 10 und 20 % bei etwa 80 K (–193 °C) Kühltemperatur und einigen Watt Kälteleistung. Bei so viel langjährigem Know-how über das ­Stirlingmotor-Prinzip inklusive Fertigungsmethoden muss die Frage erlaubt sein, warum die Entwicklung des Stirlingmotor-Heiz­gerätes so lange gedauert hat. Mehr Infos zu Kryo-Kühlern: https://www.aim-ir.com/de/home.html

ist freier Fachjournalist für Technische Gebäudeausrüstung, München, wsm@tele2.de