Stromerzeugende Heizung mit Stirlingmotor - Energie
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S tromerzeugende Heizung mit Stirlingmotor Stirlingmotor Die Markterschließung hat begonnen: Martin Dehli Schnitt durch einen Freikolben-Stirlingmotor mit einer elektrischen Leistung von 1 kWel und einer Wärmeleistung von 5 bis 8 kWth [1], [12] Ursprünglich vor allem als Entwässerungspumpe in Kohlegruben eingesetzt, konnte sich der Stirlingmotor rasch neue Anwendungsgebiete erschließen. Stromerzeugende Heizung mit Stirlingmotor (Gekürzte Fassung eines Beitrags im “HeizungsJournal” 7/8 2012. Der Verfasser dankt B.Eng. Thorsten Loth für seine Mitarbeit.) In den letzten Jahren haben mehrere Unternehmen intensiv daran gearbeitet, den Stirlingmotor zur Serienreife zu entwickeln und als Bestandteil einer stromerzeugenden Heizung marktfähig zu machen. Für einen Einsatz bei der Wärmeversorgung von Wohngebäuden etwa von bestehenden Ein- und Zweifamilienhäusern sowie älteren und neuen Mehrfamilienhäusern - könnten insbesondere kleine Stirling-Aggregate interessant sein, deren elektrische Leistung bei etwa 1 kW und deren Wärmeleistung bei etwa 5 bis 8 kW liegt. Diese Baugröße eignet sich dafür, in die Heizungsanlage einbezogen zu werden und die Grundlast des Heizwärmebedarfs einschließlich der Trinkwassererwärmung zu übernehmen. Stromseitig könnte ein Teil des häuslichen Strombedarfs mit dem Stirling-Gerät abgedeckt werden. Der Stirlingmotor im Überblick Der Stirlingmotor, der auch als Heißgasmotor bekannt ist, ist eine Wärmekraftmaschine, bei der thermische Energie teilweise in mechanische Energie umgewandelt wird. In einem hermetisch 14 geschlossenen System wird ein unter Druck stehendes Arbeitsgas - in der Regel Wasserstoff, Stickstoff oder Helium im Wechsel durch eine externe Wärmequelle bei hoher Temperatur erwärmt und durch eine externe Wärmesenke bei niederer Temperatur abgekühlt. Die dabei auftretenden Druckverhältnisse ermöglichen es, einen Überschuss an mechanischer Arbeit zu erzeugen, die im ablaufenden Kreisprozess über eine zyklische Kolbenbewegung als mechanische Energie zur Stromerzeugung genutzt wird. Bereits im Jahr 1816 wurde der erste Stirlingmotor auf seinen schottischen Erfinder Robert Stirling patentiert. Damals begann sich England - und zeitverschoben auch andere Länder wie z. B. Frankreich und Deutschland - zu einem Industrieland zu entwickeln, wobei die von James Watt verbesserte Dampfmaschine eine wichtige Rolle spielte. Allerdings waren die damaligen Dampfmaschinen sicherheitstechnisch noch nicht sehr ausgereift: Um die Wirkungsgrade zu erhöhen, ging man auf höhere Betriebsdrücke und -temperaturen über, wobei es häufiger zu Kesselexplosionen und zu tödlichen Unfällen kam. Daher war es ein Ziel, mit Hilfe des Stirlingmotors als Antriebsquelle die Arbeiten in Steinbrüchen und Kohlegruben sicherer zu gestalten. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren weltweit rund 250.000 Stirlingmotoren in Betrieb. Sie wurden beispielsweise als Antrieb für Wasserpumpen, Tischventilatoren und Nähmaschinen eingesetzt. Daneben wurde vereinzelt versucht, den Stirlingmotor auch als Schiffs- und Kraftfahrzeugantrieb sowie für weitere, stationäre Anwendungen zu nutzen. Dabei konnte er sich jedoch nicht gegen die H u b k o l b e n - Ve r b r e n n u n g s m o t o r e n durchsetzen, die als Benzin-, Gas- und Dieselmotoren auf dem Prinzip der inneren Verbrennung beruhen und dadurch die Vorteile einer leichten Bauweise und einer guten Regelbarkeit aufweisen: Leichtbau und die Fähigkeit zum Teillastbetrieb sind die Voraussetzungen von Otto- und Dieselmotoren für die automobile Anwendung. Auch bei stationären Anwendungen wurde der Stirlingmotor in der Frühzeit des 20. Jahrhunderts mehr und mehr durch den Hubkolbenmotor - sowie durch den Elektromotor in Verbindung mit der Stromerzeugung in Großkraftwerken - verdrängt. Die Ingenieure verloren jedoch den Stirlingmotor wegen seiner grundsätzlich sehr guten thermodynamischen Eigenschaften nicht aus dem Blickfeld: Sein theoretischer Vergleichsprozess hat einen Wirkungsgrad (gewinnbare mechanische Energie bzw. Strom geteilt durch die eingesetzte Hochtemperaturwärme), der wie der Carnot-Prozess den höchstmöglichen Wert erreicht [10]. Sein höheres Gewicht und seine begrenzte Regelbarkeit stören vor allem bei stationären Anwendungen nicht; die - im Vergleich zum Hubkolbenmotor - längere Lebensdauer, der gleichmäßigere, leisere Lauf und der geringe Wartungsbedarf sind von Vorteil. Deshalb hat der Stirlingmotor S tromerzeugende Heizung mit Stirlingmotor Stirlingmotor Wirkungsgrade bzw. Leistungszahlen auf. Unter realen Bedingungen lassen sich diese theoretischen Werte nicht erreichen. Der ideale Prozess dient daher als Vergleichsprozess, um zu beurteilen, welches Verbesserungspotenzial beim realen Prozess vorhanden ist. - Der ideale Kreisprozess Der thermodynamisch ideale StirlingProzess besteht aus den folgenden vier Zustandsänderungen [10]: - Isotherme Verdichtung des Arbeitsgases bei einer gleich bleibend niedrigen Temperatur unter Arbeitszufuhr sowie gleichzeitiger, in der Regel etwa gleich großer Wärmeabfuhr über einen Kühler - Isochchore Erhitzung des Arbeitsgases bei gleich bleibendem Volumen, wobei das Arbeitsgas die nötige Wärme aus einem regenerativen thermischen Speicher - dem Regenerator - erhält Wandhängendes Stirling-System [12] Oben: Erdgas-Brennwertgerät Unten: Stirlingmotor für die energiesparende, gekoppelte Bereitstellung von Strom und Wärme (KraftWärme-Kopplung (KWK)) in Haushalten und im Gewerbe gute Voraussetzungen. Experten erwarten, dass er in dem sich allmählich entwickelnden Marktsegment der "Stromerzeugenden Heizung" bzw. der "Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung" (also der Klein-Blockheizkraftwerke (BHKW)) gute Marktchancen haben wird. Wird er als Kleinmotor genutzt, kann der Stirlingmotor leichter als ein Hubkolbenmotor in die klassische Heizungstechnik integriert werden und z. B. parallel zu einem wandhängenden Erdgas-Brennwertgerät betrieben werden. Im Vergleich mit kleinen Hubkolbenmotoren - soweit diese als umgerüstete Fahrzeugmotoren aus der Großserie stammen - muss er aber den Kostennachteil kleinerer Stückzahlen wettmachen und den hohen Großserien-Reifegrad von Hubkolbenmotoren erst noch erreichen. - Isotherme Entspannung des Arbeitsgases bei einer gleich bleibend hohen Temperatur unter Arbeitsabgabe und gleichzeitiger, in der Regel etwa gleich großer Wärmezufuhr (Hochtemperaturwärme) über einen Erhitzer - Isochchore Abkühlung des Arbeitsgases bei gleich bleibendem Volumen, wobei das Arbeitsgas Wärme an denselben regenerativen thermischen Speicher (Regenerator) abgibt, aus dem zuvor die isochore Erhitzung erfolgte Bei allen vier Zustandsänderungen muss Wärme übertragen werden. Mechanische Energie wird dem Arbeitsgas bei der isothermen Verdichtung zugeführt und bei der isothermen Entspannung vom Arbeitsgas abgegeben. Der Unterschied von abgegebener und zugeführter mechanischer Arbeit stellt die nach außen abzuführende - und damit nutzbare - mechanische Energie dar, die zur Stromerzeugung dient. Wird die bei der isothermen Verdichtung des Arbeitsgases frei werdende Wärme im Kühler auf einem Temperaturniveau von etwa 50 bis 70 °C abgeführt, das beispielsweise zum Heizen und zur Trinkwassererwärmung ausreicht, dann ist diese Wärme keine wertlose Abwärme, sondern eine Nutzwärme. - Die Verwirklichung des Kreisprozesses Die folgende Prozessbeschreibung bezieht sich auf einen bei der stromerzeugenden Heizung verwendeten Freikolben-Stirlingmotor. Im Zylinder bewegen sich zwei Kolben auf und ab: der Arbeitskolben, über den die mechanischen Arbeiten zu- und abgeführt werden, und der Verdrängerkolben, der nur zum Aufund Abschieben des Arbeitsmittels beiträgt. Arbeitskolben und Verdrängerkolben bewegen sich um einen Winkel von 90 Grad phasenverschoben; andere Phasenverschiebungen sind je nach Bauweise und Motortyp möglich. Dabei eilt der Arbeitskolben dem Verdrängerkolben voraus. Vor dem ersten Teilschritt (I) stehen der Arbeitskolben im unteren Totpunkt und der Verdrängerkolben oben im heißen Bereich. Das Arbeitsgas ist unten im kalten Bereich und hat den größtmöglichen Raum eingenommen. Bei der im ersten Teilschritt zwischen den Zuständen 1 und 2 ablaufenden isothermen Verdichtung des Arbeitsmittels fährt der Arbeitskolben vom unteren in den oberen Totpunkt. Der verfügbare Raum wird verringert und dabei das Arbeitsgas unter Druckzunahme verdichtet. Damit die Temperatur nicht ansteigt, muss das Arbeitsgas gekühlt werden. Die durch die Verdichtung entstehende Wärme wird Das Funktionsprinzip Bei jedem Kreisprozess einer Kraft- oder Arbeitsmaschine wird zwischen dem idealen und dem realen Prozess unterschieden. Ideale Prozesse beschreiben die theoretischen Bestfälle, weisen die höchstmögliche Effizienz aus und zeigen die theoretisch maximal erreichbaren Stirling-Prozessschritte im p,V-Diagramm und im T,S-Diagramm [10] 15 S tromerzeugende Heizung mit Stirlingmotor Stirlingmotor I II III IV Prozessschritte im Freikolben-Stirlingmotor [1] deshalb vollständig an den Kühler übertragen. Der Verdrängerkolben verbleibt währenddessen im heißen Bereich. Beim zweiten Teilschritt (II) zwischen den Zuständen 2 und 3 bewegt sich der Verdrängerkolben nach unten in den kalten Bereich, während der Arbeitskolben praktisch unbeweglich in seiner Position im oberen Totpunkt verharrt. Das Arbeitsgas wird durch die Abwärtsbewegung des Verdrängerkolbens aus dem kalten Bereich verdrängt und in den heißen Bereich geschoben. Dabei wird ein thermischer Speicher - der Regenerator - durchströmt, der beispielsweise ein Metallgespinst als thermische Speichermasse aufweist. Beim Strömen des Arbeitsgases vom kalten in den heißen Bereich gibt der Regenerator die in ihm gespeicherte Wärme an das Arbeitsgas ab; dies bewirkt eine Temperatur- und Druckerhöhung bei gleich bleibendem Volumen (isochore Erwärmung). Beim dritten Teilschritt (III) zwischen den Zuständen 3 und 4 wird - bedingt durch den jetzt hohen Druck des Arbeitsgases - der Arbeitskolben nach unten in den unteren Totpunkt gedrückt, wobei der Druck abnimmt. Gleichzeitig wird außerhalb des Zylinders in einem Brenner - z. B. durch die Verbrennung von Erdgas oder von Holzpellets - Hochtemperaturwärme erzeugt, die über einen Wärmeübertrager (den Erhitzer) in den Zylinder hinein an das sich ausdehnende Arbeitsgas übertragen wird. Damit wird ein Temperaturabfall verhindert, der sich bei der gleichzeitigen Arbeitsabgabe ohne eine Wärmezufuhr einstellen würde. Somit ergibt sich eine Expansion des Arbeitsgases, die isotherm (also bei gleich bleibender hoher Temperatur) abläuft. Der Verdrängerkolben bewegt sich während der Ausdehnung des Arbeitsgases praktisch nicht. Beim vierten Teilschritt (IV) zwischen den Zuständen 4 und 1 - nach der Abwärtsbewegung des Arbeitskolbens und we16 gen der Phasenverschiebung um eine viertel Umdrehung - bewegt sich nun der Verdrängerkolben wieder nach oben in den heißen Bereich hinein. Gleichzeitig verharrt der Arbeitskolben im unteren Totpunkt; damit bleibt das verfügbare Volumen des Arbeitsmittels unverändert (isochore Zustandsänderung). Das im oberen heißen Bereich befindliche Arbeitsgas wird verdrängt und strömt durch den thermischen Speicher (Regenerator) hindurch nach unten in den kalten Bereich. Dabei gibt das heiße Arbeitsgas die Wärmemenge an die thermische Speichermasse des Regenerators wieder ab, die zuvor beim zweiten Teilschritt (II) zwischen den Zuständen 2 und 3 aufgenommen worden war. Mit der Temperatur fällt auch der Druck weiter ab; wegen dieser Druckabnahme wird der Arbeitskolben später nach oben "gesaugt". Damit ist der Anfangszustand 1 wieder erreicht und der Kreisprozess geschlossen. Die einzelnen Teilschritte können wieder von Neuem beginnen. Die geradlinige Bewegung des Arbeitskolbens wird dazu genutzt, in einem Lineargenerator elektrischen Strom zu erzeugen. Durch die Federlagerung des Arbeitskolbens wird eine netzkonforme Stromerzeugung erreicht, d. h. Strom bei einer Wechselspannung von 230 Volt mit einer Frequenz von 50 Hertz; damit kann auf einen Wechselrichter oder auf einen Frequenzumformer verzichtet werden. Bei dem hier beschriebenen Freikolben-Stirlingmotor beträgt die elektrische Nennleistung 1 kWel. In der Realität können isotherme und isochore Zustandsänderungen nicht genau erreicht werden; damit vermindert sich der Wirkungsgrad. Daneben treten die folgenden Exergieverluste auf, die den Wirkungsgrad weiter verringern: Reibungsverluste; allmähliche Druckabnahme des Arbeitsgases infolge von schleichendem Austritt aus dem System; unerwünschte Wärmeabgabe über die Motoroberfläche wegen nicht vollständig möglicher Wärmedämmung; Verschlechterung der Wärmeübertragung zwischen Arbeitsgas und Wärmeaggregaten (Kühler, Erhitzer und Regenerator) wegen hoher Prozessgeschwindigkeit; Totraumbzw. Schadraumeffekt. Der Totraum- bzw. Schadraumeffekt entsteht durch die Art der Kolbenbewegungen. Ein unerwünscht großer Totraum entsteht durch eine kontinuierliche Bewegung von Arbeits- und Verdrängerkolben, die, auf einer Zeitachse aufgetragen, einem sinusförmigen Verlauf entspricht. Durch eine diskontinuierliche Kolbenbewegung, bei der sich längere Ruhephasen der Kolben ergeben, wird der Totraum deutlich kleiner. Eine diskontinuierliche Kolbenbewegung lässt sich nur in Sonderfällen und nur näherungsweise verwirklichen; dabei treten höhere Geräuschemissionen und größere mechanische Belastungen auf. Bauarten Der Stirling-Kreisprozess kann mit verschiedenen mechanischen Bauformen verwirklicht werden; am häufigsten werden Hubkolbenmotoren genutzt. Dabei werden drei Hauptbauarten angewandt: der Alpha-, Beta- und Gamma-Typ. Im Vergleich: Kontinuierliche und diskontinuierliche Kolbenbewegung bei einer Phasenverschiebung um 900 [1] S tromerzeugende Heizung mit Stirlingmotor Stirlingmotor - Beim Gamma-Typ bewegen sich Verdränger- und Arbeitskolben in zwei unterschiedlichen Zylindern, die miteinander verbunden sind. Die Verbindungsstelle kann dabei am kalten oder am heißen Ende liegen. Eine Sonderform der Hubkolbenmaschine ist die Freikolbenmaschine. Beim Freikolben-Stirlingmotor sind Verdränger- und Arbeitskolben mechanisch entkoppelt und keine Kurbeltriebe vorhanden. Daher führen die "freien" Bewegungen von Verdränger- und Arbeitskolben kaum zu mechanischer Reibung, und die Kräfte sind wesentlich leichter zu beherrschen. - Vor- und Nachteile des Stirling-Motors Vorteile: + Große Bandbreite von Energieträgern für die Wärmeerzeugung möglich: feste Brennstoffe (z. B. Holzpellets), flüssige Brennstoffe (z. B. Bioöle), gasförmige Brennstoffe (z. B. Erdgas, Biogas); Sonnenenergie Bodenstehendes Stirlingsystem mit Stirlingmotor, Brennwertgerät und Pufferspeicher (SenerTec Dachs) [13] - Der Alpha-Typ besteht aus zwei getrennten Zylindern: einem heißen Arbeitszylinder und einem kalten Verdichtungszylinder. Beide Zylinderkopfseiten sind über einen Kanal miteinander verbunden, in dem sich im Allgemeinen der Regenerator befindet. Anstelle des Verdrängerkolbens gibt es einen zweiten Arbeitskolben. - Beim Beta-Typ bewegen sich Verdränger- und Arbeitskolben in einem gemeinsamen Zylinder, der vom Arbeitskolben abgeschlossen wird. Der Regenerator kann in einem Bypass angeordnet sein, lässt sich aber bei kleinen Leistungen auch unmittelbar in den Verdrängerkolben integrieren. + Infolge gleichmäßiger äußerer Verbrennung des verwendeten Energieträgers im Vergleich zu Hubkolben-Verbrennungsmotoren wesentlich niedrigere Schadstoffemissionen + Wesentlich geringere Geräuschemissionen und Vibrationen + Wartungsarm und langlebig, da nur wenige mechanische Teile erforderlich sind (z. B. keine Ventile) und ein schadstofffreier Motorinnenraum (hermetisch geschlossenes System) verwirklicht ist + Kein Nachfüllen von Getriebeöl nötig (Stirlingmotoren bestimmter Bauart arbeiten ölfrei) + Für die energiesparende gekoppelte Erzeugung von Strom und Wärme (KraftWärme-Kopplung) gut geeignet + Gesamtwirkungsgrad (Summe von Strom und Nutzwärme geteilt durch die Brennstoffenergie) mit 90 bis 95 % hoch Erdgas-Stirlingmaschine im Feldtest (Bosch Thermotechnik) als Freikolbenmaschine [1] Nachteile: - Bei hoher Leistungsdichte - also kompakter Bauweise - sind hohe Betriebsdrücke und Drehzahlen nötig, die ggfs. zu Problemen bei Lagern und Dichtungen führen können - Nur begrenzt geeignet zum Teillastbetrieb als Folge thermischer Trägheit wegen äußerer und nicht innerer Verbrennung; dadurch für einen Teillastbetrieb hoher Regelungsaufwand nötig - Werkstofftechnische Einschränkungen für den Erhitzer: in der Regel nur bis etwa 800 °C hitze- und druckbeständig - Elektrischer Wirkungsgrad bei Kleinaggregaten (Strom geteilt durch die eingesetzte Brennstoffenergie) mit 10 bis 15 % bisher vergleichsweise niedrig - Zwei- bis dreimal so teuer wie ein Ottomotor mit vergleichbarem Leistungsgewicht - Technischer Entwicklungsstand im Vergleich zu Verbrennungsmotoren aus Kraftfahrzeug-Großserien noch verbesserungsfähig Das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung Verschiedene Bauarten des Stirlingmotors: Alpha-, Beta- und Gamma-Typ [6] Die konventionelle Energieversorgung mit Strom und Warme ist durch eine getrennte Erzeugung dieser beiden Energiearten gekennzeichnet. Die bei der Stromerzeugung nicht in mechanische Energie umgewandelte thermische Energie wird als Abwärme der Umwelt zugeführt. Deshalb liegt es nahe, neben der elektrischen dann auch die anfallende 17 S tromerzeugende Heizung mit Stirlingmotor Stirlingmotor Vergleich von kinematischem [14] und Freikolben-Stirlingmotor [1] thermische Energie zu nutzen, wenn diese verwendet werden kann (KraftWärme-Kopplung, KWK). Dadurch kann der Gesamtwirkungsgrad wesentlich verbessert werden. Der mittlere Wirkungsgrad thermischer Kraftwerke liegt in Deutschland zurzeit bei etwa 41 %. Exergetisch betrachtet wird durch die Kraft-Wärme-Kopplung die starke exergetische Abwertung von Wärme in reinen Heizkesseln von bis zu 1200 °C auf nur noch 40 bis 90 °C vermindert, weil dann in Haushalt und Gewerbe aus wertvollem Brennstoff nicht nur geringwertige Niedertemperaturwärme, sondern auch hochwertiger Strom erzeugt wird. Die Kraft-Wärme-Kopplung erfährt inzwischen eine erhöhte politische Aufmerksamkeit. Dank des besseren Gesamtwirkungsgrads (Strom und Nutzwärme geteilt durch die eingesetzte Brennstoffenergie) lassen sich Brennstoff und Emissionen einsparen. Am Beispiel marktgängiger Blockheizkraftwerke mit Verbrennungsmotor zeigt sich, dass bei gleicher Endenergiebereitstellung - 57,4 % Wärme und 23,4 % Strom - mit der KraftWärme-Kopplung im Vergleich zur getrennten Erzeugung von Strom und Wärme eine Primärenergieeinsparung von 15,2 % erreichbar ist. Wird in beiden Fällen vom Einsatz des gleichen Brennstoffs ausgegangen (z. B. Erdgas), so wird auch eine Verminderung der CO2Emissionen um 15,2 % erreicht. Für einen Einsatz in Mehrfamilienhäusern und kleineren Gewerbebetrieben sollten die elektrische Leistung sowie die Nutzwärmeleistung - und damit die Anlage - klein sein. Elektrische Leistungen zwischen 1 und 5 kWel sind dabei von Interesse. Stirlingmotoren decken diesen 18 Leistungsbereich ab, sind aber auch mit Leistungen bis zu 35 kWel im Markt vertreten. Dabei stehen sie gegenwärtig bzw. künftig im Wettbewerb mit folgenden weiteren technischen Systemen: Verbrennungsmotor (Ottomotor), MikroGasturbine, Dampfmotor, ORC-Prozess und Brennstoffzelle Da die Strompreise für Haushaltkunden inzwischen bei 22 bis 25 Ct/kWhel und die Wärmepreise auf Basis Erdgas bei 8 bis 10 Ct/kWhth liegen, erscheint aus wirtschaftlicher Sicht nicht nur die Wärmeerzeugung, sondern vor allem auch eine teilweise Substitution des Strombezugs durch eigen erzeugten Strom interessant; deshalb kommt der Höhe des elektrischen Wirkungsgrads Bedeutung zu. Der elektrische Wirkungsgrad (Strom geteilt durch die Brennstoffenergie) ist bei Stirling-Kleinanlagen der Leistungsklasse von 1 kWel allerdings mit etwa 10 bis 15 % noch vergleichsweise niedrig, während er bei Ottomotoren bei 23 bis 25 % deutlich höher ist. Andererseits ist der Gesamtwirkungsgrad (Summe von Strom und Nutzwärme geteilt durch die Brennstoffenergie) mit 90 bis 95 % hoch. Dezentrale Anlagen der Kraft-Wärme- Kopplung könnten aber nicht nur nach den Erfordernissen der jeweiligen einzelnen Betreiber, sondern mit Hilfe eines "intelligenten Stromnetzes" (so genanntes "smart grid") auch im Sinne des örtlichen Stromversorgungsunternehmens eingesetzt werden. Dabei würde durch die Vernetzung und Zusammenschaltung von vielen dezentralen Erzeugerstationen ein "virtuelles Kraftwerk" entstehen. Die Regelung würde extern über eine Zentrale gesteuert, von der die verbrauchsnahe sowie verbrauchsferne Energieversorgung sowie weitere energiewirtschaftliche Aufgaben übernommen werden würden. Dadurch könnten sich zusätzliche Vermarktungsmöglichkeiten im Rahmen des Stromhandels und bei Systemdienstleistungen ergeben. Wirkungsgradverbesserung durch Verbrennungsluftvorwärmung Eine Möglichkeit, den - beim Stirlingmotor noch deutlich verbesserungsfähigen elektrischen Wirkungsgrad zu erhöhen, ist die Wärmerückgewinnung. Um die für den Prozess nötige Hochtemperaturwärme bereitzustellen, die dem Arbeitsmittel von außen über den Erhitzer mit etwa 600 bis 900 °C zugeführt wird, wird Erdgas - oder z. B. auch Holzpellets - mit Luft verbrannt. Nachdem das Verbrennungsgas seine Wärme an den Prozess abgegeben hat, ist es immer noch etwa 600 bis 900 °C heiß. Damit kann durch einen Wärmeübertrager die Verbrennungsluft auf etwa 500 °C vorgewärmt werden [17]. Hiernach wird die noch vorhandene Abgaswärme in einen Wasserkreislauf eingespeist. Dieser Wasserkreislauf nutzt auch die im Stirlingmotor vom Motorkühlwasser aufgenommene Abwärme. Damit kann das Rücklaufwasser des Heizungskreislaufs auf die nötige Vorlauftemperatur gebracht werden oder Trinkwasser erwärmt werden. Durch eine Verbrennungsluftvorwärmung kann bei Beispiel für einen energetischen Vergleich der gekoppelten (links) sowie der getrennten (rechts) Erzeugung von Strom und Wärme [7] S tromerzeugende Heizung mit Stirlingmotor Stirlingmotor Kleinanlagen mit 1 kWel der elektrische Wirkungsgrad von etwa 10 bis 12 % auf rund 12 bis 15 % gesteigert werden. Sinnvoll ist die Einbindung eines zusätzlichen Pufferspeichers in den Wasserkreislauf, der die Taktfrequenz der stromerzeugenden Heizung vermindert und damit zur Verbesserung des Jahresnutzungsgrades und zu einer längeren Lebensdauer der Anlage beiträgt. Bisher konzentrieren sich die technischen Lösungen für die stromerzeugende Heizung mit kleinen Stirlingmotoren vor allem auf einen Betrieb mit Erdgas und Flüssiggas, weil damit ein schadstoffarmer und verlässlicher Betrieb möglich ist. Daneben sind Konzepte mit Holzpellets als Energieträger interessant (vgl. z. B. [17]). Allerdings werden solche Anlagen in Deutschland zurzeit nicht im Markt angeboten. Marktaussichten und Systeme für die stromerzeugende Heizung Die Marktaussichten für die Stirlingtechnik werden zurzeit "vorsichtig" bis "zurückhaltend positiv" eingeschätzt. In den letzten Jahren haben mehrere Unternehmen intensiv daran gearbeitet, den Stirlingmotor zur Serienreife zu entwickeln und als Bestandteil einer stromerzeugenden Heizung marktfähig zu machen. Für einen Einsatz bei der Wärmeversorgung von Wohngebäuden können kleine, mit Erdgas oder Flüssiggas betriebene Stirling-Aggregate interessant werden, deren elektrische Leistung bei etwa 1 kWel und deren Wärmeleistung bei etwa Brennwerttherme (oben) und Stirlingmotor (unten) (Brötje EcoGen) Viessmann-System “Vitotwin 300-W” mit peripheren Komponenten [11] 5 bis 8 kWth liegt. Diese Größe ist dafür geeignet, in die Heizungsanlage einbezogen zu werden und dort die Grundlast des Heizwärmebedarfs - einschließlich der Trinkwassererwärmung - zu übernehmen. Der Heizwärme-Spitzenbedarf wird - z. B. im Hochwinter - zusätzlich durch ein Brennwertgerät gedeckt. Stromseitig kann ein nennenswerter Teil des häuslichen Strombedarfs mit dem Stirling-Gerät abgedeckt werden. Inzwischen bieten Firmen wie Viessmann, Remeha (Baxi DeDietrich Remeha), Brötje und SenerTec Dachs Anlagen der genannten Größe an. Sie setzen dabei Freikolben-Stirlingmotoren der Firma Microgen ein. Zusätzlich hat Whispergen ein System mit etwa denselben Leistungswerten - als kinematischer Stirlingmotor mit Getriebe - im Programm. Da Stirling-Aggregate keine innere Verbrennung aufweisen, sondern über eine äußere Wärmezufuhr verfügen, können sie nicht sehr rasch von Volllast- auf Teillastbetrieb und umgekehrt gehen. Dieses träge Regelverhalten stellt einen technischen Nachteil dar. Eine schnelle und flexible Anpassung an einen schwankenden Strom- bzw. Wärmebedarf ist also nicht möglich. Dies bedeutet, dass Stirling-Systeme am Besten mit einem zusätzlichen Pufferspeicher betrieben werden sollten, um bei steigendem Wärmebedarf einen Teil der Wärmeleistung aus dem Pufferspeicher decken zu können. Umgekehrt kann bei Strombedarf, aber zeitweise geringem Wärmebedarf Wärme in den Pufferspeicher eingespeichert werden. Während die Hersteller mit Blick auf den Wärmebedarf nicht nur ältere und neue Mehrfamilienhäuser, sondern auch bestehende Ein- und Zweifamilienhäuser als Anwendungsbereiche sehen, weisen Fachleute aus der Stromwirtschaft darauf hin, dass in Einfamilienhäusern die Grundlast des Strombedarfs im Mittel bei etwa 0,3 kWel liegt - also für eine elektrische Leistung von 1 kWel zu niedrig ist. Nicht selbst benötigter Strom muss deshalb häufig ins Netz eingespeist werden; eingespeister Strom ist aber nicht bedarfsgerecht und wird deshalb mit 10 bis 12 Ct/kWhel geringer vergütet als vom Netz bereitgestellter Haushaltstrom, der inzwischen 22 bis 25 Ct/kWhel kostet. Wenn ein Einfamilien-Haushalt das Stirlingsystem nur zur Deckung des Eigenstromverbrauchs nutzt, erreicht man nicht die wirtschaftlich nötigen VolllastBetriebsstunden, die bei mindestens etwa 3500 Betriebsstunden im Jahr oder besser noch deutlich höher liegen sollten. Ohnehin kann nicht der gesamte Eigenstrombedarf gedeckt werden. Nach wie vor muss das öffentliche Stromnetz zur Deckung des zusätzlichen Strombedarfs sowie für weitere Netzfunktionen bereitstehen: zum Anfahren des Stirlingmotors, zur Reserve bei Ausfällen sowie zur Spannungs- und Frequenzhaltung. Für ein sinnvolles Strom- und Wärmemanagement ist deshalb eine entsprechende Regelstrategie erforderlich. Systemlösungen - Viessmann: Deshalb hat Viessmann für sein 1 kWel leistendes System "Vitotwin-300-W" ein Lade- und Regelungskonzept entwickelt, das zu jährlichen Volllast-Betriebsstunden von 5500 h/a führen soll [11]. Dabei wird der Stirlingmotor - abhängig vom Ladezustand des Pufferspeichers - mit Leistungen zwischen 30 % und 100 % modulierend betrieben. Der tägliche Wär19 S tromerzeugende Heizung mit Stirlingmotor Stirlingmotor Das System verfügt über Stromzähler, Gaszähler und Wärmemengenzähler. Der Stromzähler und der Wärmemengenzähler sind nötig, um den Förderbetrag von 5,11 Ct/kWhel für den erzeugten KWK-Strom entsprechend dem Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz erhalten zu können. Der Gaszähler dient dazu, um die auf dem Erdgas lastende Energiesteuer rückerstattet zu bekommen. Seit dem 1. April 2012 kann eine staatliche BAFA-Förderung im Umfang von 1500 € für den 1-kWel-Stirlingmotor beantragt werden. Viessmann gibt an, man habe im Vorfeld künftiger Konzepte für ein "intelligentes Stromnetz" ("smart grid") auch Vorkehrungen für einen stromgeführten Betrieb getroffen. Wandhängendes System mit ErdgasStirlingmotor (unten) und Brennwerttherme (oben) (Viessmann) [11] mebedarf des Gebäudes wird über eine "lernfähige" Regelung erfasst und damit der zu erwartende Wärmebedarf für den folgenden Tag berechnet. Ziel des wärmegeführten Betriebs ist es dabei, eine möglichst lange Laufzeit des Stirlingmotors mit möglichst wenigen Betriebsunterbrechungen - also möglichst wenig "Taktbetrieb" - zu erreichen; der WärmePufferspeicher mit einer ausreichend großen Kapazität muss dabei strategisch optimal beladen und entladen werden können, damit der Stirlingmotor viel Wärme und das zusätzliche Brennwertgerät wenig Wärme für die gesamte Wärmeversorgung beitragen. Bei Bedarf kann der Stirlingmotor auch über eine Stromanforderungsfunktion mittels Zeitschaltuhr oder Funkfernbedienung manuell zugeschaltet werden, um bei einem erhöhten Strombedarf (z. B. beim Waschen oder Kochen) möglichst viel Strom selbst erzeugen zu können. Viessmann benennt als Markt vor allem den Modernisierungsmarkt - also die Heizungssanierung bestehender Wohngebäude mit einem Bedarf an höchster Wärmeleistung von sinnvollerweise 34 kWth oder mehr, einem jährlichen Erdgas- oder Heizölbedarf von 25.000 kWhth oder mehr und einem jährlichen Strombedarf von 3.000 kWhel oder mehr. 20 Das System kann wartungsarm betrieben werden. Die Geräuschemissionen sind zwar deutlich niedriger als bei einer Mikro-KWK-Anlage mit Verbrennungsmotor, jedoch höher als bei einem wandhängenden Erdgas-Brennwertgerät; somit ist eine Unterbringung im Heizungskeller oder auf dem Dachboden sinnvoller als im unmittelbaren Wohnbereich. - Remeha DeDietrich Remeha sieht für seine stromerzeugende Heizung mit Stirlingmotor namens "eVita" - ähnlich wie Viessmann - den Markt vor allem im Bereich der Heizungsmodernisierung bei bestehenden, älteren Wohngebäuden mit einem entsprechend großen Wärmebedarf; daneben ist auch der Bereich neuer Mehrfamilienhäuser im Blickfeld [12]. Damit die Installation möglichst einfach ist und für den Stirlingmotor ein Grundlastbetrieb mit geringem "Takten" erreicht werden kann, werden mehrere bedarfsgerecht zugeschnittene Systempakete offeriert. Eines dieser Systempakete enthält einen Kombispeicher für die Trinkwassererwärmung und für die Wärme-Pufferspeicherung. Remeha-System "eVita" mit Kombispeicher [12] wärmegeführten Betrieb vor, wobei der Stirlingmotor bei der Wärmeerzeugung so lange Vorrang hat, bis dessen Leistung heizungsseitig nicht mehr ausreicht; erst dann wird der Zusatzbrenner mit rund 18 kW Leistung Wärme-Spitzenlast zugeschaltet. Dabei wird der Stirlingmotor jedoch nicht modulierend, sondern nur in Volllast betrieben. - Whispergen Das neuseeländische Unternehmen Whispergen hat einen kinematisch arbeitenden Vierzylinder-Stirlingmotor entwickelt, der in Spanien von EHE Efficient Home Energy S.L. gefertigt wird [14]. Auch das Whispergen Stirling-System in Deutschland vom Unternehmen sanevo angeboten - wird sinnvollerweise mit einem Kombispeicher (mit Trinkwasserund Pufferfunktion) kombiniert. Das System enthält einen Stirlingmotor mit den Leistungswerten 1 kWel und etwa 7 kWth und ein Gas-Brennwertgerät für einen modulierenden Betrieb zwischen etwa 7 und 22 kWth. - SenerTec SenerTec hat - ähnlich wie Viessmann als Markt hauptsächlich die Heizungssanierung von älteren Gebäuden mit einem jährlichen Wärmebedarf von 28.000 kWhth oder mehr im Blick [13]. Das SenerTec Dachs-System enthält einen Stirlingmotor mit den Leistungswerten 1 kWel und 5,8 kWth. Um ausreichend hohe jährliche Betriebsstunden zu erzielen und ein zu häufiges Takten zu vermeiden, wird das System nur zusammen mit einem Pufferspeicher mit 530 Litern Inhalt und als Standgerät angeboten. Die Regelstrategie sieht einen Kinematischer Erdgas-Stirlingmotor im Schnitt (Whispergen) [14] S tromerzeugende Heizung mit Stirlingmotor Stirlingmotor Anlage von Stirling DK. Links: Stirlingmotor mit Kessel zur Wärmeerzeugung; rechts: vorgeschalteter Biomasse-Gegenstromvergaser [18] - Bosch Thermotechnik Bosch Thermotechnik hat vor einigen Jahren einen Kooperationsvertrag mit dem japanischen HeizungstechnikUnternehmen Rinnai, der italienischen Gruppe Merloni Termosanitari (MTS) und dem niederländischen Unternehmen Enatec micro-cogen geschlossen. Ziel ist dabei die Entwicklung einer Mikro-KWKTechnik auf Basis eines FreikolbenStirlingmotors, der u. a. von der Firma Infinia auch für die solarthermische Stromerzeugung angeboten wird. Der erdgasbefeuerte Stirlingmotor mit den Leistungswerten 1 kWel und etwa 7 kWth wird zurzeit in umfangreichen Feldtests erprobt. Die Integration in ein wandhängendes Gerät mit einem zusätzlichen Brennwertkessel zur Wärme-Spitzendeckung ist vorgesehen. Auch liegen Erfahrungen mit der Verwendung von Holzpellets als Energieträger vor. - CleanGen (vormals Solo-Stirlingmotor) Das Unternehmen sanevo vertreibt mit dem CleanGen-Stirlingmotor (beim schwedischen Unternehmen Cleanergy auch unter dem Namen Cleanergy verfügbar) ein weiteres System, das eine Weiterentwicklung des bekannten Solo- Stirlingmotors darstellt [15]. Dieser Motor kann modulierend betrieben werden und elektrische Leistungen von 2 bis 9 kWel sowie Wärmeleistungen von etwa 8 bis 25 kWth bereitstellen. Er erreicht elektrische Wirkungsgrade zwischen 23 und 27 % sowie Gesamtwirkungsgrade von bis zu 95 %. Sein Einsatzbereich ist nicht der Wohngebäudebereich, sondern eher der Markt für Gewerbebetriebe und Industrieunternehmen [15]. - Stirling DK: Stirlingmotor für Biomasse Für gewerbliche und industrielle Anwendungen hat die dänische Firma Stirling DK einen Stirlingmotor für unterschiedliche Arten von Biomasse als Energieträger entwickelt [16]. Der Motor hat eine elektrische Leistung von 35 kWel sowie eine Wärmeleistung von etwa 140 kWth. Werden mehrere Aggregate parallel geschaltet, können diese Werte vervielfacht werden. Um Biomassen unterschiedlicher Beschaffenheit (z. B. auch Holzhackschnitzel) einsetzen zu können, werden diese wegen Verschmutzungsproblemen am Erhitzer und aus Emissionsgesichtspunkten nicht unmittelbar verbrannt, sondern in einem Gegenstromvergaser in ein biomassebasiertes Brenngas umgewandelt, das darauf zur Hochtemperatur-Wärmeerzeugung im Stirlingmotor verbrannt wird. Quellen: CleanGen-Stirlingmotor (Cleanergy) [1]: Wodraschka, T.: Der Stirling-Motor in der Heizungstechnik. Bosch Thermotechnik GmbH, Buderus Deutschland. 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 Strom und Warme. Fachvortrag, Hochschule Esslingen, Esslingen 2005. [5]: Was ist ein Stirlingmotor? http://www.stirlingmotor.org [6]: Kühl, H.-D.: Ein neuartiger, bedarfsgerecht umschaltbarer Gaskreisprozeß für eine integrierte, dezentrale Wärme-Kraft-KälteKopplung. VDI-Berichte Nr. 1594 "Fortschrittliche Energiewandlung und -anwendung. Schwerpunkt: Dezentrale Energiesysteme", S. 59/68. VDI-Gesellschaft Energietechnik, Tagung Bochum 13./14.3.2001. VDI-Verlag, Düsseldorf 2001. [7]: Energie der Zukunft - Mikro-KWK, Langfristige Szenarien der gesamtwirtschaftlich optimalen Integration von Mikro-KWK-Anlagen in das österreichische Energiesystem. Energy Economics Group, TU Wien, 2010. [7]: von Roon, S.; Steck, M.: Dezentrale Bereitstellung von Strom und Wärme mit Mikro-KWK-Anlagen - Effizienzvorteile, Techniken, Potenziale und das Konzept 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. Verlag Springer Vieweg, Wiesbaden 2012. [11]: Eitzenhofer, S.: Die Zeit ist reif für MikroKWK. Viessmann Werke Allendorf GmbH. Vortrag auf der CEP Landesmesse, 29.3.2012, Stuttgart. www.cep-expo.de [12]: Jahn, J.: Remeha eVita - Technik und Erfahrungen ein Jahr nach der Markteinführung. 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 Betrieb im Einfamilienhaus. SenerTec Kraft-Wärme-Energiesysteme GmbH. Vortrag auf der CEP Landesmesse, 29.3.2012, Stuttgart. www.cepexpo.de [14]: Zimmermann, A.: Zwei Jahre Whispergen in Serie, 1.000 im Keller. Efficient Home Energy S.L. Vortrag auf der CEP Landesmesse, 29.3.2012, Stuttgart. www.cep-expo.de [15]: Baumüller, A.: Weiterentwickelter AlphaStirlingmotor 9 - 10 kW für KWK und Solarbetrieb. Neue und bewährte Komponenten der Cleanergy V 161 aus schwedischer Serienfertigung. Cleanergy AB. Vortrag auf der CEP Landesmesse, 29.3.2012, Stuttgart. www.cepexpo.de [16]: Jagd, L.: Biomass Stirling engine based HP Plants; status of commercial installations in Germany, Denmark, and United Kingdom. Vortrag auf der CEP Landesmesse, 29.3.2012, Stuttgart. www.cep-expo.de [17]: Loth, T.: Auslegung und Untersuchung eines Verbrennungsgas-Wärmeübertragers für eine Mikro-Kraft-Warme-Kopplungs-Anlage mit einem pelletbefeuerten Stirlingmotor. Bachelorarbeit Hochschule Esslingen / Bosch. O Esslingen / Schwieberdingen 2012. 21
