KWK-Aggregate mit fester Biomasse - Auf dem Weg zur Markteinführung

Neben den Stirling-KWK-Aggregaten für gasförmige und flüssige Brennstoffe wurden bereits auch Stirlingmotoren für feste Biobrennstoffe entwickelt, die
einen Teil der Verbrennungswärme in elektrische Energie umwandeln und aufgrund der Effizienz und CO2-Neutralität gegen-über den konventionellen Systemen eindeutige Vorteile zu verzeichnen haben. So hat der Stirlingmotor gegenüber den Kleinst-KWK-Aggegaten mit Verbrennungsmotor den Vorteil, dass er kein Getriebe und keine wartungsintensive Zündkerzen, Ventile, Steuerkette oder ein Ölbad enthält. Insofern bleibt der Motorinnenraum auch von Rückständen frei.
Aufgrund der dezentralen und hoch effizienten Parallelerzeugung von Strom und Wärme können die Stirling-KWK-Aggregate einen hohen Gesamtwirkungsgrad von über 90% erreichen. Die Stirling-KWK-Technologiesysteme, bestehend aus Stirlingmotor, Brenner, Gebläse, Wärmezelle und Gasarmatur, arbeiten besonders umweltschonend, da die bei der Stromerzeugung frei werdende Wärme nahezu vollständig als Raumwärme und zur Warmwasserbereitung genutzt werden kann.
Aus diesem Grund wäre es je nach Bautyp und Wärmebedarf sinnvoll, die Stirlingmaschine auf die Grundlast auszulegen und die Spitzenlast mit einem Zusatzbrenner abzufahren. Aufgrund dieser Einsatzvariante kommt das Aggregat auch bei gut gedämmten Gebäuden sowie auch im Sommer bei hohem Komfort der Warmwassernutzung auf die erforderliche Anzahl an Volllast-Betriebsstunden.

Zielsetzung
Im Bereich der ökologischen und ökonomischen Energieanwendung und der europäischen Ziele soll in den kommenden Jahren u.a. eine drastische Erhöhung des Anteils der Biomasse in der Kraft- und Wärmeversorgung angestrebt werden. Bisher war eine Stromerzeugung aus Wärme im Leistungsbereich unter 50 kW auf Basis einer Verfeuerung von fester Biomasse nahezu unmöglich. Die horizontale Verbrennung und das Funktionsprinzip eines Pellet-Wärmeerzeugers stellen sich hierbei als ideale Konfiguration dar. Das entscheidende Plus der Pellet-Wärmeerzeuger gegenüber den Stückholz-Wärmeerzeugern liegt in der längeren Laufzeit. Der Einsatz eines Kleinst-KWK-Aggregats ist in den Anwendungsfällen vorteilhaft, in denen die elektrische und thermische Nutzenergie möglichst zeitgleich und über mindestens 4500 Betriebsstunden im Jahr zur Versorgung benötigt werden.
Der Generator erzeugt eine Wechselspannung mit variabler Frequenz, die über eine Leistungselektronik zuerst gleich geregelt und dann auf eine netzkonforme 50-Hz-Wechselfrequenz umgeformt wird.

Die Einsatzbereiche in den Leistungsbereichen von

• elektrischer Leistung von 5 bis 10 kW
• thermischer Leistung von 10 bis 20 kW

sind für Ein- und Mehrfamilienhäuser, Gewerbebetriebe, Restaurationen, etc. angedacht.

Die Kleinst-KWK-Anlagen mit einer elektrischen Leistung von ca. 1 kW
haben dagegen insbesondere im Modernisierungsmarkt gute Marktchancen. Bei einer richtigen Dimensionierung und hydraulischen Einbindung in das vorhandene Heizungssystem sind im Vergleich zur Brennwerttechnologie Primärenergieeinsparungen zwischen 10 bis 25% realistisch. An den Tagen mit niedrigsten Außentemperaturen sollten zwischen 30 bis 40% des Wärmebedarfs durch das Kleinst-KWK-Aggregat bereitgestellt werden. Zudem ist hier die Einbindung eines Pufferspeichers sinnvoll.

Produkthersteller und Entwicklungsstand
Sunmachine  (Holzpellet-KWK)
Die Verstromung aus Biomasse wird in der Regel mit der Bereitstellung der Wärme kombiniert. Hierbei handelt es sich um Kleinst-KWK-Geräte zum Einsatz in Ein- und Mehrfamilienhäusern, die gleichzeitig neben Wärme auch Strom erzeugen. Das Kleinst-KWK-Aggregate der Sunmachine hat mit einer kombinierten Pelletheizung und in einem Stirlingmotor erzeugten Strom eine Nennleistung von 1,5 bis 3 kWel und von 4,5 bis 10,5 kWth. Der elektrische Wirkungsgrad wird vom Produkthersteller mit über 20% und höher angegeben. Neben der Pelletausführung, bei der ein Sturzbrenner einen Zylinder des Stirlings erhitzt, werden auch die Gasvarianten (Biogas, Erdgas und Flüssiggas) produziert.
Als neue Entwicklung befindet sich das Klein-KWK-Aggregat auf der Basis des Stirlingmotors mit der Antriebsenergie biogener Kraftstoffe wie Hackschnitzel, Pellets und Pflanzenöl aber auch Stück- und Schichtholz in der Vorserienfertigung. Seit Herbst 2006 läuft der erste mit Holzpellets betriebene Stirlingmotor vom Entwickler Sunmachine, Nürnberg und Kempten, der sich besonders bei der Verstromung mit einer Leistung von 3 kWel hervorgetan hat.
Die Holzpellets werden automatisch über eine Förderschnecke vom 80 l fassenden Vorratsbehälter auf den Heizrost transportiert und elektrisch auf ca. 300°C vorgewärmt. Im Anschluss daran, werden die Holzpellets in einem Up-side-down-Brenner vollständig in Gas umgewandelt. Indem das Gas über eine Unterdrucksteuerung nach unten gesaugt, entflammt und bei einer Temperatur von ca. 850°C verbrannt wird trifft die Flamme auf den Erhitzerkopf der Stirlingmaschine (Einzylindermotor mit 520 ccm), in dem das Arbeitsgas (Stickstoff) integriert ist. Das Arbeitsgas dehnt sich aus und lässt nach dem Startimpuls den Stirlingmotor anlaufen. Sobald sich der Stirlingmotor dreht, wird über den integrierten Generator der einspeisefähige Strom produziert. Die relativ hohe Brenntemperatur bewirkt eine effiziente Brennstoffausnutzung. Als Endprodukte bleiben von den  Holzpellets Mineralien und Spurenelemente zurück, die jedoch mit dem Abgas entweichen.
Der Vorteil des Sunmachine-Aggregats besteht in einer nach außen hin druckdichten Ausführung mit Anordnung des Generators innerhalb des Druckbereichs. Der Außenläufer des Synchrongenerators dient gleichzeitig als Schwungrad beim Anlassen.
Nach Herstellerangaben weist der bei einem Arbeitsdruck von 33 bar betriebene Stirlingmotor bei einem thermischen Wirkungsgrad von 65 bis 70% einen elektrischen Wirkungsgrad (aus elektrischer Arbeit/zugeführter Brennstoffwärmeleistung) von 20 bis 25% auf. Der Gesamtwirkungsgrad der Anlage liegt bei ca. 90%.
Entscheidend sind auch die hydraulische Einbindung auf der Wärmeabnehmerseite und das Regelsystem. Die Wärmeabnehmerseite sollte mit einer maximalen Vorlauftemperatur von 85°C gefahren werden. Um einen effizienten Brennwertbetrieb realisieren zu können, sollte die Rücklauftemperatur mit ca. 30°C ausgeregelt werden.
Ab Mitte 2009 ist bei Sunmachine das Vorseriengerät mit Holzpellet-Sterlingmotor erhältlich. Derzeit laufen mehrere Pilotanlagen; bis Ende 2009 sollen über zwei Dutzend Bestellungen ausgeliefert werden.

Stirling Power Module Energieumwandlungs-GmbH, Graz
Die Stirling Power Module Energieumwandlungs GmbH in der Oststeiermark, hat einen pelletbefeuerten Vierzylinder-Stirling mit 15 kWth und 1 kWel entwickelt; alternativ ist eine Hackschnitzelvariante vorgesehen. Derzeit befinden sich
35 KWK-Aggregate mit einer elektrischen Leistung von 1 kW im Feldtest.

Hoval-Vaduz
Bereits Ende März 2007 wurde in einem Forsthaus in Sulzbach (Saarland) ein Kleinst-KWK-Aggregat auf der Basis eines Stückholz-Wärmeerzeugers mit Stirlingmotor als Generatorantrieb in Betrieb genommen. Die Basis bildet ein Standardstückholz-Wärmeerzeuger mit einer Heizleistung von 25 kW, bei dem ein geringer Teil der Heizenergie zur äußeren Wärmezufuhr des Stirlingmotor zur Stromerzeugung verwendet wird.
Das Stirling-KWK-Aggregat, eine Kombination aus Scheitholz-Wärmeerzeuger/Stirlingmotor, arbeitet im dreistufigen Verbrennungsverfahren mit hoher Energieeffizienz. Als Arbeitsgas wurde „Stickstoff“ eingesetzt. Der Wärmeerzeuger verfeuert Stückholz bis 15 cm Durchmesser und 0,5?m Länge sowie Grobhackgut oder Holzbriketts. In der Startphase wird das Stückholz getrocknet und erhitzt, wobei hier Holzgas entsteht, das zusammen mit der vorgewärmten Sekundärluft in die Brennkammer gelangt. Die Verbrennung findet vor dem Wärmeübertragerkopf der Stirlingmaschine statt, wobei die Sekundärluft zur Erreichung eines vollständigen Ausbrandes mittels einer Lambdasondenregelung im richtigen Verhältnis dosiert wird. Die Wärmeerzeugersteuerung und die Tatsache, dass der Generator auch als Anlasser funktioniert, lässt die Aufschaltung des Stirlingmotors auf das Netz in Abhängigkeit von der Erhitzertemperatur zu.
Es besteht somit die Möglichkeit, mit dem Biomasse Stirling KWK ein Wohnhaus mit einer Wohnfläche von ca. 150?m² mit 3 kW thermisch zu beheizen und gleichzeitig 1 kW Strom zu erzeugen.
Für den Holzscheit-Wärmeerzeuger wurden zum Schichtenspeicher außerdem noch zwei Pufferspeicher mit einem Gesamtvolumen von 1000 l aufgestellt, die als Polster den Wärmestoß aus dem vollen Glutbett abfangen, das sich morgens und abends einige Minuten nach der Beschickung des Wärmeerzeugers aufbaut.
Nachteilig wirkt es sich aus, dass der elektrische Wirkungsgrad absinkt je kleiner das KWK-Aggregat konzipiert wurde, d.h. bei einem Kleinst-KWK-Aggregat mit 1 kWel beträgt der Wirkungsgrad nur noch 12%.
Analog zum Sulzbach-Objekt arbeiten seit Herbst 2007 in der Neubergschule in Neckarsulm zwei Pellet-Wärmeerezeuger mit einer Leistung von je 70 kW in Kaskadenschaltung im Feldtest, wobei auf dem Grundlast-Wärmeerzeuger ein Stirling-KWK-Aggregat integriert wurde, das nebenbei elektrischen Strom erzeugt.
Hoval-Vaduz (Lichtenstein) hat zudem im Juni 2009 die Einführung eines Holzpellet-Stirlings bekannt gegeben.

Mawera (Vierzylinder Stirlingmotor)
Das östereichische Unternehmen Marewa (Hard), als Tochter von Viessmann,
Allendorf, greift bei seinem Kleinst-KWK-Konzept auf einen Vierzylinder-Stirlingmotor mit einer elektrischen Leistung von 35?kW zurück, der von Stirling Danmark vertrieben wird. Eine sehr aufwendige Forschungs- und Entwicklungsarbeit stellte hierbei die Realisierung der effizienten Feuersstätte dar, die von Marewa in Zusammenarbeit mit der Bios Bioenergiesysteme GmbH in Graz konzipiert wurde.
Durch die Realisierung einer Hochtemperaturfeuerung mit 1300°C konnten die Voraussetzungen für einen elektrischen Wirkungsgrad von ursprünglich 12% auf jetzt bis zu 18% erreicht werden. Um bei derart hohen Temperaturen eine Verschlackung des Erhitzerwärmeübertragers des Stirlingmotors zu unterbinden, kommen hier nur Brennstoffe mit einem hohen Ascheschmelzpunkt und niedrigem Chlorgehalt zum Einsatz. Hierzu zählen insbesondere Hackschnitzel, Pellets und Sägespäne mit einem geringen Rindeanteil. Zudem wurde der Erhitzerwärmeübertrager mit einem automatischen Abreinigungssystem auf Basis eines Druckluftsystems ausgerüstet.
Nach dem Wärmeübertrager des Stirlingmotors weist das Rauchgas noch eine Temperatur von ca. 850°C auf. Diese Temperatur wird zur Vorwärmung der Verbrennungsluft genutzt und anschließend über einen Ecomiser geleitet, der die Wärme an das Wasser der bestehenden Heizkreise abgibt.
Die Wärmeabfuhr im Kühler-/Wärme-übertrager des Stirlingmotors erfolgt mittels Vorwärmung des Heizungsrücklaufs. Die erreichbare elektrische Leistung ist auch von der Rücklauftemperatur abhängig. Bei 60°C kann der Stirlingmotor eine Leistung von 35 kW erreichen. Bei tieferen Temperaturen steigt diese Leistung an.
 
Stirling Denmark
Stirling Denmark, ApS, Lyngby fokussiert seine Entwicklungen ganz auf die Verfeuerung von Biomasse (Holzhackschnitzel) zum Antrieb des Stirlingaggregats mit 35 kWel.
Mit diesem Biomasse-KWK-Aggregat könnten z.B. als kommerzielle Lösung im Nahwärmekonzept ca. 50 Einfamilienhäuser mit Strom und Wärme versorgen. Das 35-kWel-Modul wurde speziell auf die Anwendung mit Biomassebefeuerung optimiert und hat aus diesem Grund große Wärmeübertragungsflächen, ein niedriges Druckverhältnis, ein hermetisch geschlossenes Kurbelwellengehäuse sowie eine geringe Drehzahl.
Die Entwicklungen von Stirling Denmark bestätigen, dass im Biomassesektor im größeren Leistungsbereich ab ca. 30 kW ein großes Anwendungspotenzial
besteht. Bei einem gleichzeitig kostenlosen Brennstoffeinsatz kann hier die Eigenstromerzeugung mit der KWK im Leistungsbereich ab 30 kW umgesetzt werden. Günstige Einspeisevergütungen für Strom, erzeugt aus Biomasse, sowie in den meisten Fällen auch die vermiedenen Entsorgungskosten für Holzreste, Holzabfälle und die Tatsache, dass gegenwärtig keine vergleichbar effizienten Technologien zur Stromerzeugung aus Biomasse im Leistungsbereich  unter 100 kW zur Verfügung stehen, machen die Stirlingmaschinen für diesen Anwendungsbereich attraktiv.
Für 2009 soll die Serienfertigung mit einer einmoduligen 35-kW-Variante sowie eine doppelmodulige 70-kW-Variante zur Verfügung stehen.
Das Entwicklungsziel von Stirling-Danmark besteht in einer modulare Baureihe, die den Leistungsbereich von 35 kW bis 500 kWel abdecken kann. Zudem sollen die Stirlingmotor-Aggregate sowohl für die Nachrüstung von bestehenden Biomasse-Wärmeerzeugern geeignet sein, als auch für schlüsselfertige KWK-Lösungen.
Derzeit arbeiten die Dänen an der Marktreife des einfacher aufgebauten
9-kW-Monozylinders mit Biogas als Brennstoff.

Resümee
Die Wirtschaftlichkeit eines Kleinst- KWK-Aggregats wird neben den Kapitalkosten stets durch die konkurrierenden Kosten für den Brennstoffbezug und die Erlöse für Strom und Wärme bestimmt. Zudem sind hier auch noch die gesetzlichen Vorgaben und Förderungsmaßnahmen zu berücksichtigen. Aus ökonomischer Sicht erweisen sich derzeit die Kleinst-KWK-Aggregate als nicht rentabel. Bessere Rahmenbedingungen und effektivere Förderungsprogramme könnten aber mit Sicherheit die Serienreife bzw. den Markteintritt beschleunigen.

Autor: Eric Theiß

Links und weitere Informationen zum Thema:
Sunmachine: www.sunmachine.com
Stirling Power Module: www.stirlingpowerodule.com
Hoval/Dr. Kammerich: www.hoval.com
Marewa: www.marewa.com
Stirling Denmark ApS: www.stirling.dk