Stirlingmotor-KWK-Branche in Gründerstimmung Sunmachine will 2008 noch 4500 Geräte verkaufen

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1 Stirlingmotor-KWK-Branche in Gründerstimmung Sunmachine will 2008 noch 4500 Geräte verkaufen Wolfgang Schmid* Nach dem Boom in der Photovoltaik zeichnet sich jetzt ein neuer Trend ab: die stromerzeugende Heizung mittels kühlschrankgroßem Mikro-Blockheizkraftwerk. Während noch vor ein paar Jahren das Brennstoffzellen-Heizgerät als künftiger Favorit unter den Mini- Kraftwerken galt, scheint jetzt das Stirlingmotor-Kraft-Wärme-Aggregat die Nase vorn zu haben. Sunmachine will noch in diesem Jahr rund 4500 pelletgefeuerte Mikro-KWK produzieren, andere Hersteller signalisieren nah am Markt zu sein. Dass es bei den Kraftzwergen trotz forciertem Markteintritt einzelner Anbieter noch erheblichen Entwicklungsbedarf gibt, belegen verschiedene Veranstaltungen zum Thema stromerzeugende Heizung. Der nachfolgende Bericht basiert auf der ASUE-Fachtagung Wärme und Strom im Haus selbst erzeugen (28. September 2007, Augsburg) und dem 2. Deutschen Stirling Kongress (2. März 2008, Stuttgart). *) Wolfgang Schmid, Freier Fachjournalist für Technische Gebäudeausrüstung, München; Zuerst die gute Nachricht: Die Heizungsindustrie macht endlich Ernst mit der stromerzeugenden Heizung. Außenseiter Sunmachine ist dabei, die Massenproduktion von Stirlingmotor-KWK-Geräten aufzunehmen. Damit sich die Maschine für den Nutzer möglichst schnell rentiert, werden zunächst Antriebe mit nachwachsenden Rohstoffen wie Normal-Pellets, Nawaro-Pellets und Biogas forciert, bevor eine Erdgas-Variante nachgelegt wird. Auch ein Gerät für Notstrom bzw. Inselbetrieb sei in Entwicklung, kündigte Rudy Betz von Sunmachine auf dem 2. Deutschen Stirling Kongress in Stuttgart an. Eigentlich sollten die Geräte des Allgäuer Herstellers schon ab 2006 in größerer Stückzahl produziert werden, doch auch Sunmachine entschied sich für eine weitere Optimierungsrunde, da die anvisierten Leistungen und Wirkungsgrade nach eigenem Bekunden nicht erreicht wurden. Damit kommen wir zu der eher schlechten Nachricht: Wie bei den Brennstoffzellen-Heizgeräten läuft auch bei dem Stirlingmotor-BHKW nicht alles nach Plan; die Ergebnisse der Feldtests sind eher ernüchternd. Prof. Dr. Bernd Thomas von der Fakultät Technik/Maschinenbau, Reutlingen, und Autor des Fachbuches Mini-Blockheizkraftwerke, Grundlagen, Gerätetechnik, Betriebsdaten (Vogel Verlag) sieht insbesondere noch Optimierungsdefizite zwischen dem Bedarf eines Ein- und Zweifamilienhauses an Heizwärme und Strom und dem Angebot eines Mikro-KWK an Wärme und Strom. Wolle man die Geräte wirtschaftlich betreiben, müsse man von mindestens 5000 Volllaststunden ausgehen, ein Wert, der in einem durchschnittlichen Ein- und Zweifamilienhaus kaum erreicht werde. Deshalb seien Mikro- KWK eher zur Grundlastversorgung in Mehrfamilienhäusern geeignet. Prinzip des Stirlingmotors. Ein abgeschlossenes Arbeitsgas, zum Beispiel Helium, Luft oder Stickstoff, wird von außen an zwei verschiedenen Stellen abwechselnd erhitzt und gekühlt. Bild: Österreichische Energieagentur Sinnvolle Einatzgebiete für KWK-Anlagen Bei Simulationsrechnungen auf der Basis der VDI- Richtlinie 4655 Referenzlastprofile von Ein- und Zweifamilienhäusern für den Einsatz von KWK-Anlagen für ein Einfamilienhaus (3 Personen, Stromverbrauch 5250 kwh/a, Brauchwasserwärmebedarf 1500 kwh/a, Heizwärme variabel) habe ein Mikro-BHKW mit 1 kw el und 2,5 kw th gegenüber einem Mini-BHKW mit 5 kw el und 12 kw th bei Stromoptimierter Betriebsweise jährliche Betriebszeiten von über 7000 Stunden erreicht. Das 5/12 kw Mini-BHKW käme dagegen nur auf etwa 3800 Betriebsstunden pro Jahr. Ein Nachrüstsatz der Fa. Stirlingpowermodule für Pelletheizkessel der Fabrikate KBW und Ökofen. Bei 15 kw Nennheizleistung beträgt die elektrische Leistung 1 kw. Bild: Mikro-KWK mit 1 kw el und 2,5 kw th Leistung sei deshalb die ideale Größe für das Einfamilienhaus, so Prof. Thomas. Von anderer Stelle wurde ein ganzjähriger Grundstrombedarf von mindestens 5 kw genannt, um einen wirtschaftlichen Betrieb zu gewährleisten. Generell seien die meisten Mikro- und Mini- BHKWs für die jeweilige Anwendung zu groß dimensioniert, so die Erfahrungen von 58 IKZ-Haustechnik Heft 9 /2008

2 Biomasse gibt es auf der ganzen Welt praktisch umsonst. Prof. Henrik Carlsen, Gründer der Stirling Denmark ApS, hat einen Stirlingmotor mit derzeit 35 kw el entwickelt, der aus Biomasse Strom erzeugt. Bild: Stirling-Denmark Helmut Kaumeier von Erdgas Schwaben. Offenbar scheint bei der stromerzeugenden Heizung auch eine starke emotionale Komponente im Spiel zu sein. Anders lässt sich der Erfolg des Dachs von Senertec kaum erklären. Trotz oftmals nicht darstellbarer Wirtschaftlichkeit wird das gas- bzw. dieselmotorangetriebene Kleinst- BHKW vielfach auch im Einfamilienhaus eingesetzt. Rund 60 % aller Senertec-Anlagen seien deshalb mit Pufferspeichern ausgerüstet, bekennt Dietmar Weisenberger von Senertec. Ideale Einsatzgebiete für den Dachs seien jedoch Mehrfamilienhäuser, Hotels, Pensionen, Altenheime und Kliniken mit 6000 bis 8000 Vollbetriebsstunden pro Jahr. Entwicklungsziel von Stirling Denmark ist eine modulare Baureihe von Stirlingmotoren im Leistungsbereich von 35 bis 500 kw elektrisch für die Nachrüstung wie auch für schlüsselfertige Anlagen. Bild: Stirling-Denmark BHKW statt Wärmedämmung Ein Mikro-BHKW aber nur nach seiner Wirtschaftlichkeit aufgrund von Vollbetriebsstunden zu betrachten, ist nach Ansicht von Hartmut Meißner von Powerplus Technologies, Hersteller des Ecopower Klein-BHKWs, zu einseitig. Bei der energetischen Modernisierung eines Wohnhauses seien die EnEV-Vorgaben hinsichtlich Anlagenaufwandszahl bereits erfüllt, wenn 70 % des Wärmebedarfs durch ein BHKW abgedeckt würden. Es sei deshalb sinnvoller, abgängige Heizkessel in Mehrfamilienhäusern durch entsprechend dimensionierte BHKW-Module plus Spitzenlastkessel zu ersetzen. In vielen Fällen erübrige sich dadurch die Sanierung der Gebäudehülle. Bis der Austausch Heizkessel gegen Mikro-KWK eine Selbstverständlichkeit ist, wird es allerdings noch einige Zeit dauern. Dr. Stefan Holler, MVV Energie, Mannheim, sieht aufgrund der Testergebnisse (Stand September 2007) von 20 Whispergen-Geräten (1 kw el, 7 kw th, 4,5 kw Zusatzbrenner) noch Optimierungsbedarf. Auffallend sei das Takten und die damit ver- Heft 9 /2008 IKZ-Haustechnik 59

3 Sieht aus wie steckerfertig, ist es aber nach den Erfahrungen der Tester von MVV Energie (noch) nicht: das Whispergen-Mikro-KWK. Bild: Whispergen bundenen Anfahr- und Abschaltverluste. Abhilfe könne durch größere Pufferspeicher geschaffen werden, denn nur so sei ein optimaler Betriebszustand zu erreichen, so Holler. Auch sei das Regelungskonzept der Whispergen-Geräte noch unbefriedigend, da sich der Nutzer ein persönliches Lastmanagement zurechtlegen müsse. MVV habe deshalb eine eigene Regelung entwickelt. Ideal sei eine Mischung von strom- und wärmegeführtem Betrieb. Inzwischen seien die Ergebnisse des Praxistests aber positiv, berichtet Dr. Holler auf dem Stirling-Kongress im März 2008 in Stuttgart. 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. Obwohl das theoretische Marktpotenzial in Deutschland mit einem Ersatzbedarf von rund Heizgeräten pro Jahr sehr hoch sei, müsse man derzeit noch von ungünstigen Rahmenbedingungen ausgehen. Bei erdgasbetriebenen 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- KWKs 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 pro Jahr an Stromkosten. Auch beim dampfbetriebenen Mini-BHKW Lion Powerblock müsse noch nachgebessert werden. Die Zweizylinder-Freikolbenmaschine mit integriertem Lineargenerator reagiere noch zu träge auf Laständerungen. Die Gutachter der DBI Gas- und Umwelttechnik Berlin wiesen auf der ASUE-Tagung außerdem auf das hohe Betriebsgeräusch hin, das eine Aufstellung im Wohnbereich erschwere. BBT: Gerät für höheren Energiebedarf Jens Dertenkötter von Bosch Thermotechnik (BBT), Wetzlar, sieht das Mikro-KWK auf der Basis eines Stirling- Freikolbenmotors als künftigen Ersatz für konventionelle Heizungen, insbesondere in Ländern mit hoher CO₂-Belastung durch die Stromerzeugung, beispielsweise Deutschland, Niederlande und Großbritannien. BBT 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. Parallel soll bis zu 1 kw elektrischer Leistung erzeugt werden können. Über die Booster-Funktion könne das Wandgerät mit den Maßen 900 x 600 x 450 mm bis zu 24 kw an thermischer Leistung zur Verfügung stellen. In der Handhabung soll das Mikro-KWK mit integrierter Zusatzheizung ähnlich einfach sein wie ein Wandheizgerät, so Dertenkötter. Der eigentliche Stirlingmotor ist für den Installateur eine wartungsfreie Blackbox. Alle Zusatzkomponenten sind heutigen Servicetechnikern bekannt. Im Gegensatz zu anderen Herstellern von Stirlingmotor- BHKWs, die hauptsächlich mit einem kinematischen Stirlingmotor arbeiten, setzt BBT einen hermetischen Freikolben- Stirling mit Lineargenerator Informationen über Mikro-KWKs im Internet (Auszug) Bosch Thermotechnik EC Power Enatec Enerlyt Honda Ecowill Hoval/Dr. Kammerich Infinia MTS-Group OTAG PowerPlusTechnologies Rinnai Senertec Stirling Denmark ApS Stirling Systems (Solo) Stirling Systems AG Stirlingpowermodule Sunmachine Sunpower Whispergen 60 IKZ-Haustechnik Heft 9 /2008

4 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 BBT-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. Ericsson statt Stirling Dass sich in der Stirlingmotor-Szene viel bewegt, zeigt auch die Entwicklung der Enerlyt Technik GmbH, Potsdam. Zusammen mit anderen Forschungseinrichtungen hat Dr.-Ing. Andreas Gimsa den klassischen Stirlingmotor zum neuartigen 4-Zyklen-Motor, System Ericsson, weiterentwickelt. Vorteil des Ericsson-Kreisprozesses sei der höhere elektrische Wirkungsgrad von derzeit 20 % sowie die beliebige Wahl des Brennstoffes. Ziel der Entwicklung sei die Nutzung naturbelassener, nachwachsender Rohstoffe, denn nur dies sei ökologisch sinnvoll. Ein Vorteil gegenüber Mikro-BHKWs mit Verbrennungsmotor sei das Entfallen von Schmiermitteln und Ölfiltern. Auch sei die Lärmentwicklung von Stirling- bzw. Ericsson-Motoren sehr viel geringer als die von Diesel- und Ottomotoren. Das von Enerlyt entwickelte Aggregat erzeugt aus einer Brennstoffleistung von 5 kw eine elektrische Leistung von 1,0 kw. Derzeit werden mehrere Maschinen auf Versuchsständen getestet; in etwa zwei Jahren ist eine Kleinserie geplant. Rund 8000 Euro soll das reine Aggregat einmal kosten. Triebfeder für die Entwicklung ist laut Dr. Gimsa das enorme Marktpotenzial für die stromerzeugende Heizung von rund Anlagen pro Jahr. IZES: Abgaswerte nicht die besten Das Institut für Zukunftsenergiesysteme ggmbh (IZES), Saarbrücken, legte die Labor- und Feldtestergebnisse von gleich drei unterschiedlichen Stirling-Mikro-KWKs vor. Beim Whispergen-Gerät lagen die Leistungen der drei getesteten MK IV-Geräte teilweise weit über den vom Hersteller angegebenen Toleranzwerten. Probleme gibt es allerdings bei den Abgaswerten (NO x 260 bis 280 mg/ Noch in diesem Jahr will das im Allgäu ansässige Unternehmen Sunmachine 4500 Stirling-Mikro-KWK-Geräte produzieren. Bild: Wolfgang Schmid m; CO 280 bis 380 mg/m). Auch wurden die Maschinen im laufenden Betrieb lauter, bemerkte Dr. Bodo Groß vom IZES. Sehr gute Leistungs- und Emissionswerte (Blauer Engel gemäß RAL-ZU 108) wurden 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-, Deponieund 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. Welche Leistungssteigerungen in den Stirlingmotor-Anwendungen noch liegen, belegen die Optimierungsmaßnahmen von IZES an der Kombination Scheitholzkessel/Stirlingmotor 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 Heft 9 /2008 IKZ-Haustechnik 61

5 erzeugtem 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 Kaltund Warmstarttemperaturen behoben werden konnte. Dr. Bodo Groß misst dem Stirlingmotorantrieb mit Biomasse eine große Bedeutung bei, da hier die CO₂-Bilanz gegenüber der getrennten Erzeugung von Wärme und Strom wesentlich besser sei. Stirling Denmark setzt auf Biomasse Biomasse gibt es praktisch auf der ganzen Welt und fast umsonst. Deshalb fokussiert Stirling Denmark, ApS, Lyngby, eine Ausgründung von Forschungsaktivitäten der Technischen Universität Dänemark, ganz auf die Verfeuerung von Biomasse zum Antrieb des 35 kw el Stirling-Aggregats. Ein Gerät dieser Größe könne beispielsweise 50 Einfamilienhäuser per Nahwärme mit Strom und Wärme versorgen, so Lars Jagd, Geschäftsführer des im Jahr 2004 gegründeten Unternehmens. Das 35-kW el - Modul sei speziell auf die Anwendung mit Biomassefeuerungen optimiert, habe große Wärmeübertragungsflächen, ein niedriges Druckverhältnis, ein hermetisch geschlossenes Kurbelgehäuse sowie eine geringe Drehzahl. Entwicklungsziel der Dänen sei eine modulare Baureihe, die von 35 bis 500 kw el reiche. 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. Mit Holzpellets Strom erzeugen 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 Biomasseheizungen, Ökofen Pelletheizungen und Oekostrom AG initiierte Unternehmen will zunächst ein Nachrüstmodul für den 15- kw-pelletkessel anbieten und damit bei Nennleistung 1 kw el 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 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 Euro mit Preisdegression je nach Stückzahl. Aktuell seien rund Pelletkessel installiert, die sich für eine Nachrüstung eignen. Später soll auch eine Hackschnitzelvariante angeboten werden. Fazit Nicht das Brennstoffzellen- Heizgerät und auch nicht die verbrennungsmotorischen Mikro-KWKs mit ihrer vergleichsweise aufwendigen Wartung sind Schrittmacher für die stromerzeugende Heizung, sondern Stirlingmotorangetriebene Mikro-KWKs. Wird zur Befeuerung Biomasse eingesetzt, lässt sich die Heizwärme künftig bezogen auf Deutschland quasi kostenlos aus den Erträgen der Rückspeisevergütung, aus KWK-Bonus, Technologie-Bonus und Nawara-Bonus, erwirtschaften. Doch auch die Erdgasvariante wird nicht lange auf sich warten lassen: Zu attraktiv ist das Marktpotenzial von rund Geräten pro Jahr, allein in Deutschland. Die Heizungsbranche hätte mit dem leicht integrierbaren Stirlingmotor- Generator endlich eine heizungsnahe Innovation, mit der sich der Evolutionsprozess des Brennwert-Heizgerätes reibungslos fortsetzen lässt. 62 IKZ-Haustechnik Heft 9 /2008