Stirlingmaschine verlässt die Nischen
VDI nachrichten, Düsseldorf, 29. 8. 08, mg – Lange mit kritischen Augen betrachtet, scheint sich nun ein Durchbruch für die Stirlingmaschine als Antrieb zur Kraft-Wärmekopplung anzubahnen. Dies gilt vor allem im kleinen Leistungsbereich und für Anwendungen bis hinein in den Einfamilienhausbereich.
Neueste Entwicklungen bei Stirlingmaschinen zeigen, dass hier neben fossilen Energieträgern wie Erdgas auch die Biomasse in Form von Holzpellets und Hackschnitzeln zum Einsatz kommen. Ein Beispiel ist die Entwicklung des österreichischen Unternehmens SPM-Stirling Power Module Energieumwandlungs GmbH In Zusammenarbeit mit dem Biomasse-Kesselhersteller KWB bietet die SPM ein komplettes Blockheizkraftwerk (BHKW) auf Basis von Pellets mit 15 kW thermischer und 1 kW elektrischer Leistung an.
Der verwendete Antrieb ist ein neuentwickelter Vierzylinder doppeltwirkender Stirlingmotor. Kernstück des Motors ist ein patentiertes Getriebe mit Massen- und Momentenausgleich, das eine exakte Geradführung der beiden Kolbenstangen mit den vier Kolben in den vier Zylindern ermöglicht. Das Modul ist so ausgelegt, dass die wichtigsten Komponenten durch die Automobilzulieferindustrie gefertigt werden können, womit hohe Stückzahlen, eine Serienfertigung und niedrige Fertigungskosten möglich werden.
Einen ähnlichen Weg beschreitet auch der Liechtensteiner Kesselhersteller Hoval. Feldversuche mit einem Holzvergaserkessel vom Typ Pyrolyt und einer 1-kW-Stirlingmaschine laufen bereits.
Erfreulich ist auch, dass der Nürnberger/Kemptener Hersteller Sunmachine kräftig in seine Produktion investiert und angekündigt hat, bereits in diesem Jahr die Serienfertigung seines Stirling-Pellet-BHKW aufzunehmen.
Einen unkonventionellen Weg zum Einsatz einer Stirlingmaschine in ein Gesamtenergieversorgungssystem für die Landwirtschaft geht die neu firmierte Stirling Biopower, Tochter der westfälischen Farmer Automatic Biomass Technology. Hervorgegangen aus dem bereits vor ca. 30 Jahren gegründetem US-Unternehmen Stirling Thermal Motors (STM) stellt die Stirling Biopower neben anderen Anwendungen den Biomasse-Antrieb der 4-Zylinder-Stirlingmaschine in den Vordergrund.
Die Maschine, mit einer elektrischen Leistung von ca. 38 kW, ist der derzeit einzige kommerziell verfügbare Stirlingantrieb mit Wasserstoff als Arbeitsgas. Bei einem maximalen Arbeitsgasdruck von ca. 15 Mpa und einer Nenndrehzahl von 1500 U/min ist die Maschine in der Lage, z. B. im Betrieb mit Erdgas einen elektrischen Wirkungsgrad von 29 % zu erreichen und liegt damit in ihrer Effizienz bei den Stirlingmaschinen ganz oben.
Für den Antrieb mit Biomasse integriert Farmer Automatic die Stirlingmaschine in ein innovatives Gesamtkonzept zur Entsorgung, Energieversorgung und Klimatisierung von Stallungen. Hierzu wird durch ein automatisches Entmistungs- und Trennungssystem durch Trennung von Urin und Kot der Brennstoff aus Tierfäkalien gewonnen und in einem anschließenden Bandtrockner auf ca. 80 % Trockensubstanz getrocknet. Als Trocknungswärme kann dazu oft allein die Abwärme der Stallungen genutzt werden.
Zur energetischen Weiterverwertung wird der Brennstoff einer neuentwickelten Biomassevergasung zugeführt. Hier wird nicht nur ein brennbares Produktgas erzeugt, sondern dieses bereits im Vergasungssystem (ohne zwischenzeitliche Abkühlung) bei Temperaturen über 1100 °C verbrannt, heiß genug, um damit die anschließende Stirlingmaschine im optimalen Arbeitsbereich zu betreiben. Der erzeugte Strom wird in der Regel zu 100 % ins öffentliche Netz eingespeist, wobei hierfür gemäß dem Erneuerbaren-Energien-Gesetz gegenwärtig bis zu knapp 21 Cent je kWh gezahlt wird. Die erzeugte und über Wärmetauscher ausgekoppelte Wärme kann nun direkt ins Heizungssystem für Wohngebäude und Stallungen eingespeist, zur Warmwassererzeugung oder auch zur Vortrocknung der eingesetzten Biomasse genutzt werden.
Insgesamt ergibt sich durch das System eine Volumenreduktion der Ursprungsmasse um ca. 85 %. Übrig bleiben lediglich ca. 15 % Asche. Damit entfällt für den betreibenden Landwirt die Entsorgung von Gülle vollständig. Durch das Trennungssystem mit anschließendem Abpumpen des anfallenden Urins verbessert sich das Stallklima durch Reduzierung der Ammoniakbildung. Die entstehende Asche kann bei entsprechender Zusammensetzung darüber hinaus vom Landwirt als Düngemittel genutzt bzw. verkauft werden. Die ersten Anlagen sind bereits aufgestellt worden, es bleibt abzuwarten, wie diese sich, z. B. in Konkurrenz mit Biogasanlagen, bewähren.
Bereits reif für die Markteinführung sind Stirling-Mikro-BHKW für die Strom- und Wärmeerzeugung aus Erdgas. Mit bereits 1000 installierten Modulen weltweit und vorwiegend positiven Erfahrungen in Feldtests in Großbritannien und den Niederlanden steht der WhisperGen endlich auch in Deutschland vor der Markteinführung. Erweiterungen in der thermischen Leistung – inzwischen auf 14 kW – machen den WhisperGen auch als vollständigen Ersatz eines Heizkessels attraktiv. Für 2009 plant WhisperGen die Produktion von 3000 Modulen für Europa, die Fertigung soll noch in diesem Jahr in Spanien beginnen.
Auch in seiner extrem wartungsarmen Freikolbenausführung wird der Stirlingmotor salonfähig. So wird der vom US-Unternehmen Sunpower entwickelte Freikolbenstirlingmotor mit einer abgegebenen elektrischen Leistung von 1,1 kW als Herzstück eines Mikro-BHKW gleich bei mehreren namhaften europäischen Heizkesselherstellern wie Remeha, Viessmann und Baxi eingesetzt. Auch hier wird das Modul, dank verschiedener Zusatzbrenner, selbstverständlich auch mit Brennwerttechnik, in mehreren thermischen Leistungsklassen erhältlich sein. In einigen Ländern erfolgt die Markteinführung bereits, auch in Deutschland dürfte ein solches Heizgerät mit „Bonusfunktion Stromerzeugung“ in den nächsten Jahren auf dem Markt erhältlich sein.
Ähnliche Entwicklungen gibt es mit weiteren Freikolbenmaschinen, wobei hier z. B. auch das niederländische Unternehmen Enatec gemeinsam mit dem japanischen Heizgerätehersteller Rinnai an einem Brennwertheizgerät mit Stirlingmotor arbeitet. Als Vertriebspartner wird voraussichtlich der Heizgerätehersteller BBT Thermotechnik das Modul in Deutschland in den Markt einführen.
Arbeiten aus Japan, wie z. B. Neuentwicklungen von Stirlingmikroanlagen für Holzpellets an der Meisei Universität in Tokio zeigen, dass das globale Problem der Ressourcenverknappung und des Klimaschutzes auch die Entwicklungsarbeiten an der Stirlingmaschine vor allem zur Stromerzeugung aus Biomasse beschleunigt hat. Auch hier wird Holzbiomasse als wichtiger Zukunftsenergieträger zur Substitution von Heizöl (und Kerosin) gesehen. Die neuentwickelte Stirlingmaschine soll in dem waldreichen Land vor allem in den kälteren Regionen die Wohngebäude beheizen und gleichzeitig Strom erzeugen.
PETER BECK
Der Autor ist Geschäftsführer der Ecos GmbH, die das Osnabrücker Internationale Stirling Forum am 23. und 24. September organisiert.
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