Wer sich über Heizungen informiert, stößt zunehmend auf Begriffe wie Blockheizkraftwerk, Kraft-Wärme-Kopplung oder Stirlingmotor. Letzterer ist vielen eher aus dem Modellbau bekannt, kommt aber auch in Kombination mit einem Blockheizkraftwerk zum Einsatz, das gleichzeitig Strom und Wärme erzeugt.

Wie ein Stirlingmotor funktioniert

Vereinfacht besteht ein Stirlingmotor aus zwei Zylindern mit je einem Kolben, gefüllt mit einem Gas, das sich bei Erwärmung stark ausdehnt. Wird das Gas im ersten Zylinder erhitzt, dehnt es sich aus und bewegt den Kolben. Über die Kolbenstange und ein Rad wird diese Bewegung in eine Drehbewegung umgesetzt. Anschließend gelangt das Gas in den zweiten, gekühlten Zylinder, wo es sich zusammenzieht und den Kolben zurückzieht. Moderne Varianten sind so gebaut, dass die Bewegung des Kolbens allein durch Ausdehnen und Zusammenziehen des Gases erfolgt. Der Stirlingmotor in einem BHKW entspricht dieser einfachen Bauform.

Einsatz als Wärmepumpe oder Kältemaschine

Da sich das Gas gezielt erhitzen oder kühlen lässt, ist der Stirlingmotor auch als Wärmepumpe oder Kältemaschine einsetzbar. Ein wesentlicher Unterschied zum Verbrennungsmotor ist, dass beim Verbrennungsmotor die Energie im Inneren freigesetzt wird, während beim Stirlingmotor die Wärme von außen zugeführt wird.

Vorteile gegenüber anderen Motoren

Ein Verbrennungsmotor ist stets auf einen bestimmten Energieträger wie Gas, Benzin oder Diesel ausgelegt. Ein Stirlingmotor dagegen lässt sich mit nahezu jeder Wärmequelle betreiben, ob Sonnenenergie, fossile oder erneuerbare Brennstoffe, Erdwärme oder Pellets. Sein Vorteil liegt somit in der flexiblen Wahl der Wärmequelle, sodass sich auch erneuerbare Wärmequellen nutzen lassen. Zudem läuft der Motor sehr leise und ruhig, da die schlagartigen Verbrennungen des Verbrennungsmotors entfallen. Dank seines einfachen Aufbaus ist er verschleißarm und wartungsarm, was die Betriebskosten senkt.

Der Wirkungsgrad

Der theoretisch mögliche Wirkungsgrad eines Stirlingmotors wird durch den Carnot-Wirkungsgrad beschrieben. Dieser ergibt sich aus eins minus dem Verhältnis der unteren zur oberen Prozesstemperatur, jeweils in Kelvin. Je größer der Temperaturunterschied zwischen der heißen und der kalten Seite, desto höher der mögliche Wirkungsgrad. In der Praxis wird das theoretische Maximum jedoch nicht erreicht. Die obere Prozesstemperatur liegt meist unter etwa 800 Kelvin, also rund 527 Grad Celsius, da Materialien, die höhere Temperaturen aushalten, sehr teuer sind. Die untere Temperatur liegt oft bei etwa 400 Kelvin, also rund 127 Grad Celsius. Setzt man diese Werte ein, ergibt sich eins minus 400 geteilt durch 800, also rund 0,5. Der theoretische Carnot-Wirkungsgrad läge damit bei etwa 50 Prozent, der tatsächliche Wirkungsgrad liegt entsprechend darunter. Mit einem Abgas-Wärmetauscher lässt sich die Abwärme zum Vorwärmen der Verbrennungsluft nutzen und so der Gesamtwirkungsgrad verbessern.

Kraft-Wärme-Kopplung im BHKW

In einem Blockheizkraftwerk kommt das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung zum Tragen: Die Wärme erzeugt über den Generator Strom, während die anfallende Abwärme das Heiz- oder Brauchwasser erwärmt. So wird der eingesetzte Brennstoff sehr gut ausgenutzt. Mit modernen Wärmetauschern erreicht ein Stirling-BHKW einen hohen Gesamtnutzungsgrad, da sowohl der erzeugte Strom als auch die Wärme genutzt werden.

Lohnt sich ein BHKW mit Stirlingmotor?

Ein hoher Gesamtnutzungsgrad setzt voraus, dass Strom und Wärme möglichst gleichmäßig genutzt werden. Deshalb lohnen sich Blockheizkraftwerke in der Regel erst ab einem entsprechenden Wärmebedarf, etwa in größeren Ein- und Zweifamilienhäusern oder Mehrfamilienhäusern. Gerade in den Sommermonaten sinkt der Wärmebedarf, sodass in kleinen Gebäuden keine gleichmäßige Auslastung entsteht. Ein höherer Warmwasserbedarf, etwa durch mehr Bewohner, verbessert die Wirtschaftlichkeit. Vor der Anschaffung sollten Sie daher Ihren Wärmebedarf genau ermitteln lassen. Können Sie die erzeugte Wärme vollständig nutzen, lohnt sich ein solches Gerät, da sich die geringe Wartung und lange Lebensdauer in niedrigen Betriebskosten niederschlagen.

Geschichte des Stirlingmotors

Die Ursprünge reichen weit zurück: Weil frühe Dampfmaschinen wegen der hohen Drücke gefährlich waren, entwickelte der schottische Geistliche Robert Stirling eine sicherere Antriebsmaschine und ließ 1816 ein Patent für seine Wärmekraftmaschine anmelden, die heute als Stirlingmotor bekannt ist. Der Verbrennungsmotor verdrängte ihn jedoch bald, da der Stirlingmotor für Fahrzeuge wegen seiner Trägheit und langen Anlaufzeiten ungeeignet ist. In Heizungsanlagen, die als Blockheizkraftwerk geplant sind, hat die Technik in den vergangenen Jahren wieder Anwendung gefunden. Zusammengefasst ist der Stirlingmotor im BHKW eine interessante Technik für alle, die Strom und Wärme flexibel erzeugen möchten, sofern der Wärmebedarf hoch genug ist, um die Anlage wirtschaftlich zu betreiben.

Zusammengefasst verbindet der Stirlingmotor im BHKW eine flexible Wahl der Wärmequelle mit einem leisen, wartungsarmen Betrieb und dem Vorteil der Kraft-Wärme-Kopplung. Da er die Wärme von außen zugeführt bekommt, lässt er sich mit ganz unterschiedlichen Brennstoffen betreiben, was ihn besonders vielseitig macht. Seine Wirtschaftlichkeit hängt jedoch stark davon ab, ob der erzeugte Strom und die Wärme möglichst gleichmäßig genutzt werden. Wer über ein solches Gerät nachdenkt, sollte deshalb den eigenen Wärmebedarf sorgfältig ermitteln und sich fachkundig beraten lassen, welche Lösung sich für das jeweilige Gebäude lohnt.