Aus der Praxis: Heizen mit einem Pellets-Stirling-Motor
Mit viel Sinn für Nachhaltigkeit und regionaltypisches Bauen hat Daniel Zeitler das Handwerkerhaus seiner Großeltern in Nesselwang renoviert und zu seinem Wohnhaus umgebaut. Das massive Bruchsteinmauerwerk des 140 Jahre alten Gebäudes ließ Zeitler stehen und renovierte die Räume im Untergeschoss: Aus der früheren Schreinerwerkstatt wurden Küche und Wohnbereich, das Obergeschoss aus Holz samt Dach wurde abgerissen und durch einen modernen Holzständerbau ersetzt. Somit verfügt das Haus jetzt über 215 Quadratmeter Wohnfläche, wovon 71 Quadratmeter auf eine Einliegerwohnung im zweiten Stock entfallen. Die unteren Geschosse bewohnt Zeitler mit seiner Partnerin.
Um gegen die am Alpenrand zeitweise strengen Winter gewappnet zu sein, ließ er vor knapp drei Jahren ein Energiesystem für Wärme und Strom einbauen. Es besteht aus einer Strom erzeugenden Pelletsheizung sowie einer Photovoltaikanlage mit Batteriespeicher und Elektroheizstab zur Warmwassererzeugung. „Im Winter, wenn ich die Wärme brauche, läuft der Pelletskessel und erzeugt gleichzeitig Strom, im Sommer habe ich die Solarenergie und mache damit Warmwasser“, erklärt Zeitler, wie sein System funktioniert.
Am Beginn der Planungen hatte sich der Bauherr beim Nesselwanger Kompetenzzentrum Naturbauforum informiert und war danach auch mit der Firma Epple in Kontakt gekommen. Der Heizungs- und Elektrofachbetrieb mit 50 Mitarbeitenden aus dem nahegelegenen Ort Wald hat die komplette Anlage installiert. Firmenchef Fritz Epple nennt sie ein harmonierendes Sektorenkopplungs-System, das die im Allgäu reichlich vorhandenen Ressourcen Holz und Sonnenenergie nutze.
Epple setzt ausschließlich auf erneuerbare Energien, vor allem auf Holzheizungen, Solartechnik und Wärmepumpen. Wenn es um Pelletsheiztechnik geht, arbeitet die Firma vorwiegend mit dem österreichischen Hersteller Ökofen zusammen. Zur Beheizung seines Bürogebäudes betreibt Epple in seinem Ausstellungsraum den Strom erzeugenden Ökofen-Kessel Pellematic Condens_e. So konnte sich der Informationstechniker Zeitler gleich um die Ecke die Pelletsheizung mit Stirling-Motor ansehen. Bei dem Gerät sitzt ein Stirling-Motor der Firma Microgen auf einem 16-Kilowatt-Brennwertkessel.
Heißes Gas erzeugt Strom
Bei Stirlinggeräten handelt es sich um abgasfreie „Heißluftmotoren“, die mit von außen zugeführter Wärme funktionieren (siehe Kasten „Stirling-Motoren“). Im Vergleich zu Verbrennungsmotoren benötigen sie wegen des geschlossenen Kreislaufs weniger Wartung. Moderne Stirling-Motoren kommen gänzlich ohne Schmieröl aus.
Beim Ökofen-Modell erhitzt die Pelletsfeuerung das Arbeitsgas Helium des Stirling-Motors, wodurch es sich ausdehnt. „Durch die Kühlung auf der Gegenseite entsteht eine Druckwelle, die einen Arbeitskolben bewegt. Der Kolben induziert direkt Wechselstrom in die umgebende Kupferspule“, erklärt Produktmanager Philipp Tomaschko die eingesetzte Technik.
Die Microgen Engine Corporation hat ihren Stammsitz in den Niederlanden, ihre Motoren produziert sie in China. Gemeinsam mit Ökofen hat sie den Erhitzerkopf an die Pelletsfeuerung adaptiert, um das Anhaften von Flugaschepartikeln zu vermeiden. Zusätzlich ist ein spezielles Reinigungssystem entwickelt worden. „Nach jedem Neustart der Anlage und bei jedem Saugvorgang des Kessels bewegt eine Hebe-/Senkvorrichtung den Stirling-Motor auf und ab. Dadurch werden am Erhitzerkopf anhaftende Partikel abgereinigt und in die Aschelade befördert“, beschreibt Tomaschko die Entwicklung, die dasselbe Wartungsintervall wie bei einem Pelletsbrennwertkessel ermöglicht, „nämlich einmal pro Jahr“.
Laut Typenschild leistet der Stirlingmtor ein Kilowatt elektrisch. Zeitlers Gerät kommt im Pelletsbetrieb jedoch nur auf maximal 800 Watt. „Die Leistung hängt von der Temperaturdifferenz ab“, erklärt Heizungsfachmann Epple, „wird die Rücklauftemperatur höher, geht die Leistung zurück. Bei Heizkörpern würde der Stirling nur 600 Watt liefern. Zeitler heizt mit einer Fußbodenheizung. Deshalb leistet sein Stirling etwas mehr.
100 Prozent unabhängig das ganze Jahr über
Mit deutlich unter zehn Prozent fällt der elektrische Wirkungsgrad des Stirlings zwar sehr niedrig aus. Dem hält Tomaschko jedoch entgegen, dass der Motor durch die kleine Leistung optimal für das Einfamilienhaus ausgelegt sei. Mit einer Photovoltaikanlage und einem Batteriespeicher kombiniert könne auf diese Weise ganzjährig Eigenstrom aus Pellets und Sonne erzeugt werden.
Den Pellets-Stirling sieht Tomaschko als Ergänzung für die Wintermonate: „Die Photovoltaikanlage deckt rund 30 Prozent des Strombedarfs eines Einfamilienhauses. Ein zusätzlicher Stromspeicher ermöglicht rund 70 Prozent Unabhängigkeit, denn mit ihm lässt sich der Sonnenstrom auch nutzen, wenn die Sonne längst Feierabend hat. Mit dem durch die Pelletsheizung angetriebenen Stirling-Motor erreicht man bis zu 100 Prozent Unabhängigkeit.“
Ökofen nennt das Energiekonzept „myEnergy365“. Es lässt sich auch Schritt für Schritt verwirklichen, weil eine vorhandene Photovoltaikanlage integriert oder der Stirling-Motor nachgerüstet werden kann. Für letzteres bietet die Firma den Heizkessel Pellematic Condens mit vorbereiteten Schnittstellen für Hydraulik und Steuerung in einer „eReady“-Version an. „Aufgrund der längeren Amortisationszeit ist der Pellematic Condens_e mit Stirling kein Produkt für die breite Masse, sondern ein Nischenprodukt für Menschen, die unabhängig und ökologisch Strom und Wärme im Eigenheim erzeugen möchten“, sagt Tomaschko.
In Nesselwang entschied sich Zeitler für ein „Ganzjahres-System“: Auf dem Süddach ließ er eine dachintegrierte Photovoltaikanlage mit 3,8 Kilowatt Leistung errichten. Ihm ist klar, dass die Größe für ein Zweifamilienhaus relativ klein bemessen ist. Doch will er mittelfristig auf einem Nebengebäude ein zweites Solarfeld etwa in gleicher Größe installieren lassen, sobald dessen Dach saniert ist. Ein Hybridwechselrichter der Firma Fronius speist überschüssigen Solarstrom in einen Batteriespeicher. Der Hybridwechselrichter wandelt nicht nur den PV-Gleichstrom in Wechselstrom, er regelt auch den 11-Kilowattstunden-Speicher des Herstellers BYD. Die notstromfähige Kombination Fronius/BYD hat bei einem kurzzeitigen Stromausfall bereits ihre Vorzüge ausspielen können: „Da war unser Haus das einzige weit und breit mit Licht“, sagt Zeitler.
Eingangspunkt des Systems ist ein intelligenter Zähler (Smart Meter). Die Regelungen von Fronius und Ökofen kommunizieren miteinander und steuern die Energieflüsse nach Bedarf. Auf der Visualisierungs-App zeigt Zeitler den Verlauf an einem sonnigen Samstag im April und erklärt: „Am Morgen läuft der Stirling-Motor an. Dann kommt Solarstrom dazu, bis gegen Mittag die Batterie voll ist. Daraufhin wandert die Energie in den Heizstab, bis der Temperatur-Grenzwert des Pufferspeichers erreicht ist. Erst danach wird Strom ins Netz eingespeist.“
Das System verfügt über einen dreiphasigen Heizstab, der einen 1.000-Liter-Pufferspeicher belädt. Durch die Vorrangigkeit von Hausnetz, Batteriespeicher und Heizstab tendiert die Stromeinspeisung aus dem Pellets-Stirling gegen Null. „Da die PV-Anlage sehr klein und der Batteriespeicher relativ groß dimensioniert ist, verbrauche ich praktisch alles selbst, was ich produziere“, sagt Zeitler. Er kommt auf eine Eigenverbrauchsquote von 97 Prozent und einen Autarkiegrad von 74 Prozent.
Fritz Epple weist daraufhin, dass sich die Werte auf zwei Haushalte beziehen: „Für so eine kleine Photovoltaikanlage ist der Autarkiegrad sehr gut.“ Ein größeres PV-System würde den Wert zwar auf rund 90 Prozent verbessern, aber dann würde Zeitler mehr Strom einspeisen, was kaum noch wirtschaftlich wäre. Durch die Inbetriebnahme im Jahr 2020 erhält er für den eingespeisten Überschussstrom lediglich 8,4 Cent pro Kilowattstunde. Viel weniger als er für Strom aus dem Netz bezahlen muss.
Zwar strebt Zeitler eine möglichst hohe Unabhängigkeit vom Energieversorger an, sein Haus voll autark zu betreiben und vom Stromnetz zu nehmen, hat er aber nicht vor. Für einen Betrieb ohne Netzanschluss müsste er eine Reihe von Mindestanforderungen beachten (siehe Kasten „Mindestanforderungen“).
Weil die Mietwohnung erst im Herbst vergangenen Jahres bezogen wurde, kann Zeitler den Pelletsverbrauch nur grob auf drei Tonnen im Jahr schätzen. In den bisherigen drei Heizperioden kam der Stirling-Motor auf eine Laufzeit von 4.520 Stunden. Mit 1.500 Jahresstunden im Schnitt rechnet Epple auch in seinen Wirtschaftlichkeitsberechnungen.
Was das kostet
Kostenmäßig gliedert sich Zeitlers Energiesystem in einen Pelletsheizungs- und einen Solarstrom-Teil. Ersterer umfasst die gesamte Installation im Heizraum: Pelletskessel mit Stirling-Motor, Pufferspeicher und Frischwassermodul schlagen mit knapp über 40.000 Euro zu Buche. Zeitler hat mit der Pelletsheizung einen Ölkessel ersetzt und dafür eine Bafa-Förderung bekommen. Auf den Stirling-Motor entfallen rund 12.000 Euro. In die PV-Anlage inklusive Batteriespeicher und Elektroheizstab investierte Zeitler rund 22.000 Euro.
„Ich muss am Anfang in Vorleistung gehen, aber hinterher habe ich mit meinem hohen Autarkiegrad eine Versicherung gegen hohe Energiepreise“, rechtfertigt Zeitler die hohen Anfangsinvestitionen. Er hat kalkuliert, dass sie sich bei gleichbleibenden Strompreisen im Lauf der Lebensdauer von rund 20 Jahren gerade so amortisieren. Bei steigenden Preisen rechnet sich das Gesamtsystem und funktioniert eindeutig wirtschaftlich – und in dieser Hinsicht geben Zeitler die Entwicklungen auf dem Elektrizitätsmarkt der vergangenen Monate natürlich Recht, weshalb er jetzt sagen kann: „Wenn ich mir jetzt die Strompreise anschaue, war es definitiv die richtige Entscheidung.“
Mindestanforderungen für vollständige Autarkie
Als Voraussetzungen für einen vollautarken Betrieb seines Pellets-Stirling-Geräts Pellematic Condens_e nennt Ökofen:
- Der Heizwärmebedarf des Gebäudes sollte bei circa 10-16 kWth liegen.
- Die Mindestauslegung der PV-Anlage sollte auf 5 kWel erfolgen.
- Das Puffervolumen sollte mindestens 1.000 Liter fassen.
- Die Nennkapazität des Stromspeichers sollte mindestens 12 kWh (nutzbar 9,6 kWh) betragen.
- Ab zwei sonnenarmen Tagen hintereinander darf der Stromverbrauch maximal 10 kWh hoch sein.
- Zur Laufzeitverlängerung und für Schlechtwetterphasen wird eine Wärmesenke benötigt (Pool, beheizbare Kellerräume).
- Die PV-Anlage darf nicht anhaltend schneebedeckt sein.
Funktionsprinzip einer Strom erzeugenden Pelletsheizung
Bei der Strom erzeugenden Pelletsheizung Pellematic Condens_e von Ökofen ist ein Stirling-Motor über dem Brennwertkessel angeordnet. Das Arbeitsgas Helium im Stirling-Motor wird durch die Verbrennung der Pellets erhitzt und durch die Umspülung mit dem kalten Rücklauf der Heizung wieder abgekühlt. Durch diese Temperaturdifferenz dehnt sich das Helium aus und zieht sich wieder zusammen. Dabei entsteht eine Druckwelle, die den Arbeitskolben nach oben und unten bewegt. Der Verdrängungskolben drückt Helium durch den Generator vom Kopf zum Kühler. Die Feder am gegenüberliegenden Gehäuseboden drückt den Kolben wieder nach oben. Der Zyklus wiederholt sich 50-mal pro Sekunde. Der magnetische Arbeitskolben ist umgeben von der feststehenden Magnetspule mit Kupferwicklungen. Dadurch entsteht Wechselstrom.
Stirling-Motoren – eine wechselvolle Geschichte
Ein Motor, der keine Abgase ausstößt und den nur Wärme antreibt? Diese Erfindung ist schon über 200 Jahre alt. Das Prinzip des Stirling-Motors hat sich der schottische Pfarrer Robert Stirling 1816 patentieren lassen, als er eine Maschine zur Grubenentwässerung erfand. Ende des 19. Jahrhunderts erlebte der Heißluftmotor dann eine Blütezeit. Es handelte sich für damalige Verhältnisse um ein Massenprodukt, das beispielsweise zum Antrieb von Nähmaschinen und Wasserpumpen eingesetzt wurde. Mit der flächendeckenden Elektrifizierung im 20. Jahrhundert übernahmen dann praktisch ausschließlich Elektromotoren diese Aufgabe. Angesichts des Klimawandels und der Notwendigkeit, Energie effizient zu nutzen, erlebte der Stirling-Motor zwischen 2005 und 2015 eine Renaissance. Überall auf der Welt wurden Stirling-Motoren zum Einsatz in stromerzeugenden Heizungen für Einfamilienhäuser entwickelt.
In Deutschland baute Solo Stirling, Schwesterfirma des bekannten Rasenmäher- und Kleinmotorenherstellers Solo, eine V2-Zylindermaschine mit einer elektrischen Leistung von neun Kilowatt. Nach dem Verkauf des Unternehmens an die schwedische Firma Cleanergy im Jahr 2008 verschwand der Solo Stirling allerdings vom deutschen Markt. Cleanergy-Nachfolger Azelio hat nun ein System vorgestellt, das einen Hochtemperaturspeicher mit einem Stirling-Motor kombiniert. Solar- oder Windstrom schmelzt recyceltes Aluminium. Die Wärme lässt sich längere Zeit speichern und an den Stirling-Motor weiterleiten, der bedarfsgerecht sauberen Strom und Wärme liefert. Das System soll einen geringeren ökologischen Fußabdruck hinterlassen als Lithium-Ionen-Batterien und im Laufe der Zeit keinen Kapazitätsverlust erleiden.
Hauptsächlich für den Einsatz mit Pellets und Solarwärme ist – ebenfalls in Deutschland – die Sunmachine konzipiert worden. Bei der Erfindung des Nürnberger Physikers Eckart Weber erhitzt ein Sturzbrenner einen Zylinder des V2-Stirlings mit drei Kilowatt elektrischer Leistung. Im Sommer kann der Stirling-Motor aus dem Keller geholt und unter einem Solarspiegel im Garten platziert werden, um dann Strom aus Sonnenenergie zu produzieren. Bei der anfänglich vielfach verkauften Maschine führten technische Schwierigkeiten zu finanziellen Problemen und schließlich zur Pleite im Jahr 2010.
In Neuseeland wurde ab 1987 an der University of Canterbury der Vierzylinder-Stirling Whisper Gen entwickelt. Die Arbeiten führte das Unternehmen Whisper Tech fort. Das Joint Venture Efficient Home Energy in Spanien baute eine Fabrik für die europäische Produktion auf und produzierte zwischen 2010 und 2012 die Blockheizkraftwerke in Serie. Das Unternehmen ging jedoch pleite.
Um eine recht clevere Version handelt es sich bei dem 1964 von dem US-Professor William Beale erfundene Freikolben-Stirling-Motor. Bei diesem Einzylinder-Typ kann auf Kurbeltrieb und Wechselrichter verzichtet werden, weil er direkt Wechselstrom erzeugt. Die Technologie eröffnete neue Nischen, sodass 1995 British Gas ein Freikolben-Stirling-Projekt startete, das zum Microgen-Stirling-Motor führte. Das Gerät bewährte sich in Feldtests.
Bestrebungen nach Energieeffizienz und -unabhängigkeit riefen einige europäische Heizungsriesen auf den Plan. So bauten Baxi, Brötje, Remeha und Viessmann sowie der Mini-BHKW-Marktführer Senertec etwa ab 2010 den Microgen-Stirling in stromerzeugende Gasheizungen ein. Mit Erdgasbrenner kam der Stirling-Motor auf eine Leistung von einem Kilowatt elektrisch und sechs Kilowatt thermisch. Von den Mikro-KWK-Systemen wurden einige tausend Stück in Europa verkauft. Technische Probleme und der geringe elektrische Wirkungsgrad verhinderten aber einen durchschlagenden Erfolg. Als die Brennstoffzelle mit viel höherer Stromausbeute und der Aussicht aufkam, sie direkt mit Wasserstoff betreiben zu können, zogen sich die Heizungshersteller zwischen 2015 und 2019 wieder aus der Stirlingtechnologie zurück.
Professor Bernd Thomas von der Hochschule Reutlingen, einer der renommiertesten KWK-Technikexperten Deutschlands, bedauert diese Entwicklung: „Die technischen Probleme hätte man in den Griff kriegen können.“ Umso mehr freut er sich, dass Hersteller Ökofen an seiner 2015 eingeführten Pelletskessel-Stirling-Kombination festhält. Die Firma hatte außerdem daran gearbeitet, einen Freikolben-Stirling des US-Herstellers Qnergy mit 5,6 Kilowatt elektrischer Leistung auf seinen 64-Kilowatt-Pelletskessel aufzusetzen, legte diese Entwicklung aber wegen der ungünstigen gesetzlichen Rahmenbedingungen auf Eis.
Die wechselvolle Geschichte des Stirling-Motors scheint weiterzugehen: Vor kurzem hat die Microgen Engine Corporation bekannt gegeben, an der Kombination ihres Stirlings mit einem Stückholzkessel des slowenischen Herstellers Waltis zu arbeiten. Das Holzscheit-Mikro-KWK-System habe im Februar ein Konformitätszertifikat nach der Euronorm EN 303-5 erhalten.
Eine interessante Neuheit kommt wiederum aus Österreich: Frauscher Motors hat eine Stufenkolben-Technik entwickelt, die innermotorische Verluste reduzieren soll. Versuche des 7,5-Kilowatt-Alphagamma-Motors mit Biogas ergaben elektrische Wirkungsgrade von über 28 Prozent. „Die Effizienz bewegt sich auf dem Niveau des Ottomotors“, erklärt Firmeninhaber Josef Frauscher, der sich nach eigenen Angaben auch schon eingehend mit der Verstromung fester Biomasse beschäftigt hat. Ein Frauscher-Stirling sei sowohl schon mit einem Pelletskessel als auch mit einem Prototyp einer Mikro-Wirbelschichtfeuerung getestet worden.
