Ideallösung mit Anlauf

STIRLING Wartungsarm und mit Emissionsbestnoten zählt der Stirling zu den Hoffnungsträgern in der dezentralen Strom- und Wärmeerzeugung. Die ersten Serienprodukte liefen allerdings nicht immer reibungslos.

14. November 2006

In den fast 200 Jahren, die seit der Patentanmeldung durch Robert Stirling verstrichen sind, hat es der Heißluftmotor noch immer nicht zur Massenanwendung gebracht. Trotz klarer Vorteile gegenüber konventionellen Verbrennungsmaschinen. So lässt sich prinzipiell jede Wärmequelle nutzen, um den Prozess in Gang zu setzen.

Im spanischen Almeria sind dies riesige Hohlspiegel, in deren Zentren Motoren der Sindelfinger Firma Solo Sonnenenergie tanken. Mehrere dieser Dish-Stirling haben in dem Solartestzentrum seit Ende der 90er-Jahre rund 40.000 Betriebsstunden akkumuliert. Vergleichbare Anlagen laufen erfolgreich in den USA und der Türkei. In Deutschland wird die Nürnberger Firma Sunmachine noch in diesem Jahr mit einem Holzpellets-Stirling an den Markt gehen. Etwa 20 Vorseriengeräte sind seit April im Dauerbetrieb.

Solo hat die Serienfertigung vor zwei Jahren aufgenommen. Von der gasbetriebenen Variante des Stirling 161 wurden inzwischen rund 120 Modelle verkauft. Eines davon an die Berliner Gasag, die jedoch nur noch „verhalten optimistisch“ ist, was den Testlauf in der Feuerwache Kreuzberg betrifft. Der Motor soll hier - als erstes Stirling-BHKW in einer öffentlichen Einrichtung der Hauptstadt - auf Praxistauglichkeit und Kundenakzeptanz hin geprüft werden, um einen „wesentlichen Beitrag zur Markteinführung“ zu leisten. Den dreijährigen Feldversuch hatte die Gasag im vergangenen November gemeinsam mit der VNG Verbundnetz Gas gestartet. Wenn das BHKW läuft, liefere es gute Ergebnisse, sagt Dr. Stefan Bredel-Schürmann, Geschäftsführer der Gasag WärmeService GmbH. „Leider läuft es nicht immer.“

Weiter als andere Techniken

Nachdem die Maschine im Dezember wegen eines Pleuelschadens ausgefallen war, kam sie im Lauf des Jahres noch einige weitere Male zum Stillstand, unter anderem wegen eines Lagerschadens. Die elektrische Leistung sei bisher unter den Erwartungen geblieben, zudem habe die häufige Störanfälligkeit zu höheren Wartungskosten geführt, berichtete Silvio Grafe von der VNG unlängst bei einer Fachtagung der Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch. Grafes Fazit fällt gleichwohl positiv aus. Als einer „ressourcenschonenden und sehr, sehr effizienten Form der Energieumwandlung“ gehöre dem Stirling die Zukunft. Vergleichbare Technik wie Brennstoffzelle und Dampfmotoren lägen „auf der Zeitschiene wesentlich weiter zurück“.

In der Kreuzberger Feuerwache wurde der Solo Stirling 161 (2 bis 9,5 kWel; 8 bis 26 kWth) in bestehende Gebäudetechnik integriert. Er ist parallel mit dem Heizkessel verbunden, sodass sich im Sommer bei fehlendem Wärmebedarf zunächst der Kessel, prinzipiell aber auch das BHKW, über motorische Absperrklappen vom Netz nehmen lasse, erklärt Grafe. Doch gerade wegen ihres kontinuierlichen Strom- und Wärmebedarfs ist die Wache ideal für den Probelauf.

Nach Messdaten aus einer Diplomarbeit kann man den Stirling hier circa 5.800 h in Voll- und rund 7.800 h in Teillast fahren. Als weniger günstig erweise sich die mit 68 °C recht hohe Vorlauftemperatur im Heizkreis, laut Hersteller sollte der Maximalwert bei 65 °C liegen - höhere Grade schmälern die elektrische Leistung.

Was die „anfänglichen Probleme“ betrifft, so zeige sich der Hersteller kooperativ, berichtet Dr. Bredel-Schürmann. Und auch die Anwender geben sich konziliant. Grafe: „In einem ersten Praxistest muss man der Technik noch Schwächen zugestehen.“ Solo befinde sich auf „sehr, sehr gutem Weg“.

Probleme erst mit der Serie

Mit der Entwicklung von Stirlingmotoren beschäftigt sich Solo seit 1990. Einen dreijährigen Feldtest bei mehreren Energieversorgern haben die ersten 16 Prototypen des Solo Stirling 161 im Jahr 2000 auch unter Volllast anstandslos bewältigt. Erst mit dem Übergang zur Serienfertigung ab 2004 seien Materialprobleme aufgetreten, die auch zu dem Pleuelschaden an dem Aggregat in der Berliner Feuerwache geführt haben, erläutert Edgar Schmieder, Projektmanager bei Solo.

Um den Stirling-Prozess mit sehr hohem Wirkungsgrad umsetzen zu können, bedürfe es absoluter Präzision - und damit strenger Fertigungsvorgaben. Von einem Zulieferer seien diese nicht eingehalten worden. Inzwischen habe man jedoch eine Methode entwickelt, die nötigen Toleranzen messtechnisch exakt zu dokumentieren, und auch ein entsprechender Zulieferer ist gefunden. Die Kolbenstangen seien nun in der geforderten Qualität verfügbar, sodass die etwa 15 von dem Materialproblem betroffenen Anlagen beim nächsten Service nachgerüstet werden können. Denn trotz des Mankos, so Schmieder, seien alle diese Motoren, wenngleich mit reduzierter Leistung, weiterhin in Betrieb.

Auch in Fürth läuft eine der ersten Serienmaschinen des Solo 161 im Test. Energie-Agentur Mittelfranken (EAM) und infra Fürth haben für den Probelauf, der wie in Berlin von einem wissenschaftlichen Messprogramm flankiert wird, ein Heizwerk ausgewählt. Der Wärmekreislauf des Stirling- Moduls ist in das Nahwärmenetz eines Wohngebietes mit 79 Gebäuden eingebunden. Die Kombination aus Heizwerk (max. 4,5 MWth) und Stirling-BHKW erlaube Versuchsreihen in diversen Betriebs- und Lastzuständen, ohne dass die Kundenversorgung beeinträchtigt würde, erläutert EAM-Geschäftsführer Martin Reuter. Der Solo Stirling verspreche auch bei Teillast optimale Ausnutzung und einen Gesamtwirkungsgrad von über 90 %. Aufgrund der recht hohen Rücklauftemperatur aus dem Nahwärmenetz seien die Voraussetzungen nicht gerade optimal. Dennoch habe man das prognostizierte Wirkungsgradband schon zu Beginn der Testphase einhalten können.

Reuters Resümee fällt positiv aus, wenngleich das Aggregat bereits einige Male außer Betrieb war: Im ersten Jahr ein Pleuelschaden, im zweiten ein Bruch an der Kurbelwelle, dazu einige kleinere Schäden, die rascher zu beheben waren. Grundlegende Probleme des Motorenkonzepts sehe EAM nicht, wiewohl technische Detailfragen noch zu klären seien.

Sinnvoll wäre eine weitere Erprobung mit einer größeren Anzahl von Maschinen. EAM-Projektleiter Stefan Kupp steht dem Thema mittlerweile „ambivalent“ gegenüber. „Einerseits möchte ich es puschen, andererseits kann ich das nur mit Vorbehalt tun.“ Ein Pleuelbruch nach weniger als 8.000 Bh sei keine Bagatelle. Es stelle sich die Frage, ob dies systembedingt ist oder nur ein Ausreißer. Aus Solos Sicht ist die Antwort klar: Von 120 Serienmotoren läuft die überwiegende Mehrzahl fehlerfrei.

So berichtet etwa der Contracting-Anbieter Elyo von durchweg positiven Erfahrungen mit dem Stirling 161. „Wir sind sehr zufrieden“, sagt Regionalleiter Dr. Jens Göring. Im schwäbischen Hirschlanden ist seit November 2005 ein BHKW in ein Nahwärmenetz miteingebunden. Versorgt werden 100 Einfamilienhäuser, ein Altenhilfezentrum sowie eine Anlage für betreutes Wohnen. Den Strom aus dem gasgefeuerten BHKW verwendet Elyo vorwiegend zur Deckung des Eigenbedarfs im Heizhaus. Von der Leittechnikzentrale des Unternehmens im sächsischen Hohenstein-Ernstthal aus wird die Anlage fernüberwacht, gesteuert und optimiert.

Wirkungsgrad von gut 79%

Auch die Suez-Tochter verweist auf den Zusammenhang zwischen der Rücklauftemperatur aus dem Wärmenetz und der erzielbaren elektrischen Leistung: Je höher die Grade desto niedriger die Ausbeute. Bei 60 °C werden in Ditzingen-Hirschlanden 6,5 kWel gemessen. Der Gesamtwirkungsgrad erreicht gut 79 %. Zu den Vorteilen der Anlage zählt Elyo den geringen Wartungsaufwand und Verschleiß - nennenswerte Schäden seien bisher ausgeblieben. Aufgrund der externen Verbrennung bleibe der Motorinnenraum frei von Rückständen. Ein weiterer Pluspunkt: Ganz ohne Katalysator und Lambdasonde werden Schadstoffemissionen erreicht, die weit unter denen anderer Motorenkonzepte liegen.

Nachteile des Stirlings sieht Elyo vor allem in den bisher geringen Betriebserfahrungen, einer fehlenden Massenproduktion sowie den derzeit noch vergleichsweise hohen spezifischen Investitionen. Auch seien die technischen Potenziale noch nicht voll ausgeschöpft. Zudem würde man Verbesserungen im Service und Support durchaus begrüßen. Sollten sich die positiven Erfahrungen indes fortsetzen, werde man weitere Projekte auf Stirling-Basis in Angriff nehmen.

Die Gasag hat ihren zweiten Probelauf gerade gestartet - in einem Einfamilienhaus. Mitte Juli wurde ein erdgasbetriebenes Stirling-BHKW der neuseeländischen Firma WhisperGen (1 kWel; 7,5 kWth) installiert. Der zweijährige Test soll zeigen, ob sich die Technik für Haushaltskunden eignet. Auch die Mannheimer MVV Energie wird die stromerzeugende Heizung der Neuseeländer unter die Lupe nehmen. Für den Versuchslauf ab Oktober konnten sich 20 Haushalte freiwillig melden.

Hans Forster

Universell Einsetzbar - Das Prinzip des Stirling-MotorsSauberer Kreisprozess

Stirlingmotoren erhalten Antriebsenergie von außen. So lassen sich unterschiedlichste Brennstoffe einsetzen - aber auch Solarenergie. Im dicht geschlossenen Inneren wird ein Arbeitsgas erhitzt. Es dehnt sich aus und bewegt so zwei phasenverschoben arbeitende Kolben. Der eine im ‚heißen’ Expansionszylinder, der andere im Kompressionszylinder, wo das Arbeitsgas abkühlt, um komprimiert in den ersten Zylinder zurückzufließen. So ensteht ein Kreisprozess.

Erschienen in Ausgabe: 11/2006