Projekt 03873/01

Feldversuch eines Kleinst-BHKWs auf Basis eines Stirlingmotors

Projektträger

SOLO STIRLING GmbH
Stuttgarter Str. 41
71069 Sindelfingen
Telefon: 07031/301-216

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bei kleinen Blockheizkraftwerken unter 10 kWel können durch den Einsatz von Stirlingmotoren wirtschaftliche und umweltrelevante Vorteile erreicht werden. Die langen wartungsfreien Laufzeiten machen den wirtschaftlichen Betrieb der kleinen Module zur Erzeugung der Wärme-Grundlast oft erst möglich. Durch die Anwendung moderner Brennertechnologie sind sehr geringe Schadstoffemissionen auf dem Niveau der Brennwerttechnik, also deutlich bessere Werte als bei Gas-Ottomotoren, erreichbar. Auch die gute Regelbarkeit der Stirlingmotoren ist von Vorteil. Später bestehen Chancen, problematische und sogar feste Brennstoffe zu nutzen.
Ziel des Vorhabens war, auf Basis einer vorhandenen Motorkonstruktion mit 9 kWel/1500 min-1 entsprechende BHKW zu entwickeln und aufzubauen, im praktischen Einsatz an geeigneten Standorten mit typischen Anwendern Langzeiterfahrung zu gewinnen und diese wieder in die Konstruktion einfließen zu lassen. Dem Hersteller wie dem Anwender sollten so Grundlagen zu einer Entscheidung über Herstellung bzw. Einsatz geschaffen werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZunächst wurde ein Prototyp mit 9 kWel und 20 kWth projektiert und dann fünf weitere für die erste Projektphase aufgebaut. Für diese erste Phase des Vorhabens wurden ältere Brenner aus einer schwedisch-amerikanischen Entwicklung eingesetzt, die Maschinen liefen im Raum Stuttgart. Für die zweite Phase wurde eine Brenner-Neuentwicklung verwendet, die Module im Gesamt-Wirkungsgrad und am Gehäuse verbessert und an Standorten in ganz Deutschland betrieben und teils mit lokalem Personal gewartet. Eine Datenerfassung sammelte und übertrug Messwerte per Modem.
Anfänglich waren Probleme mit der Einbindung in die Heizungsanlagen zu überwinden und Fehler an den Modulen zu beseitigen bis überall kontinuierlicher Dauerbetrieb zu Betriebserfahrung mit Verschleißbeurteilung führte. An Verschleißproblemen im Motor musste konstruktiv und fertigungstechnisch intensiv gearbeitet werden, dabei konnten Fortschritte erzielt werden.
Der in einem anderen DBU-Vorhaben entwickelte Brenner musste zunächst im Haus an Versuchsmaschinen erprobt werden, er wurde schließlich erfolgreich bei externen BHKW-Modulen verwendet. Die Erprobung und Verbesserung der Maschinen aus der zweiten Phase der Felderprobung läuft über das Projekt hinaus weiter.


Ergebnisse und Diskussion

Es wurde ein BHKW-Modul mit erdgasbeheiztem Stirlingmotor getestet und weiterentwickelt. Die Leistung liegt - modulierend - bei 2 - 9 kWel und 8 - 24 kWth. Der elektrische Wirkungsgrad beträgt 24 %, der gesamte über 90 %, Brennwertnutzung ist möglich. Die Zuverlässigkeit der BHKW-Module hat ein erfreuliches Niveau erreicht, die Wartungsintervalle können 5.000 bis 8.000 Stunden Betrieb ohne Service erwarten lassen. Die Wartungskosten sind damit geringer als bei Ottomotoren.
Die Schadstoffemissionen der Flox-Brenner sind deutlich geringer als bei konventionellen Motoren, hier ist das Niveau des Blauen Engels erreicht. Es ist noch mit weiteren Fortschritten zu rechnen. Die Schallemissionen sind gering.
Die Wirtschaftlichkeit ist bei kleinen BHKW und niedrigen Strompreisen schwierig darstellbar, nur durch Eigenverbrauch und lange Laufzeiten sind positive Ergebnisse erreichbar, wenn nicht zusätzliche Unterstützung greift.
Das Projekt wurde im Ablauf etwa planmäßig durchgeführt, es traten jedoch Probleme auf, deren Lösung mehr Zeit als erwartet benötigte. Auch die Brennerentwicklung war schwieriger und zeitraubender als erwartet, die Ergebnisse sind jedoch zufriedenstellend. Die akkumulierten Laufzeiten dagegen sind länger als geplant ausgefallen, etwa 90.000 Stunden gesamt. Einzelne Maschinen haben Laufzeiten von 10.000 bis 20.000 Stunden erreicht.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das Erdgas-BHKW wurde auf der Hannover-Messe 2001 auf einem eigenen Stand in der Energie-Halle 13 gezeigt. Das Interesse war sehr groß und allgemein positiv, ein starker Trend zu biogenen Brennstoffen war erkennbar. Viele Kontakte konnten aufgenommen werden, die auch bereits zu Aufträgen geführt haben. In diesem Rahmen und im Anschluss wurden Beiträge in der FAZ, Neue Energie, Sonne, Wind und Wärme, Wirtschaftswoche und anderen Zeitschriften veröffentlicht.
Weitere Veröffentlichungen fanden bei den Europäischen Stirlingforen in Osnabrück 1998 und 2000 und finden im September 2001 bei der Internationalen Stirlingkonferenz - diesmal vom VDI in Osnabrück durchgeführt - statt.


Fazit

Die ursprünglich formulierten Zielsetzungen des Vorhabens, anschlussfertige BHKW-Erprobungsmodule mit 9 kWel Stirlingmotoren aufzubauen, realistische Standorte dafür zu finden und vorzubereiten sowie Erfahrungen mit Installation, Betrieb und Wartung zu machen, sind erreicht worden. Es lassen sich auch Aussagen zur Betriebssicherheit und Energie- und Schadstoff-Einsparung machen. Die Wirtschaftlichkeit und das Marktrisiko sind einschätzbar. Die Abwicklung des Projektes hat länger gedauert als geplant. Viele unvorhergesehene Schwierigkeiten waren zu überwinden. Es steht heute ein weitgehend ausgereifter Stirlingmotor mit dazugehöriger BHKW-Peripherie zur Verfügung. Eine Vorserienfertigung dieser Maschine ist möglich und wird vorbereitet. Die Wirtschaftlichkeit von Kraft-Wärme-Kopplung ist allerdings nach der Liberalisierung der Strommärkte und den gesunkenen Strompreisen nicht leicht erreichbar, das macht die Marktsituation schwierig. Dennoch ist ein hohes Interesse an dieser Technik zu spüren. Solo bereitet daher mit aller Vorsicht eine Markteinführung vor und wird zunächst 40 Erdgas-Vorserien-BHKW-Module bauen. Diese dienen zum Aufbau eines Vertriebs- und Service-Netzes. Die Kunden (Installationsbetriebe) erhalten Schulungen über Installation und Betrieb und sollen sich mit den Maschinen in die Technik einarbeiten können.
Gleichzeitig werden biogene Brennstoffe diskutiert, das Interesse daran hat nicht zuletzt mit den steigenden Preisen fossiler Energieträger deutlich zugenommen. Für eine dezentrale Stromerzeugung aus fester Biomasse steht bei Leistungen unter rund 500 kWel keine Technik zur Verfügung, hier könnte der Stirlingmotor eine Nische besetzten.

Übersicht

Fördersumme

577.296,08 €

Förderzeitraum

02.12.1993 - 12.09.2001

Bundesland

Baden-Württemberg

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik