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Strom und Wärme aus Holz

Andreas Gimsa entwickelt ein Mini-Blockheizkraftwerk mit Stirling-Motor Strom und Wärme aus Holz

Heizen muss jeder Haushalt. Warum dabei nicht gleich auch noch den Strom für den eigenen Verbrauch erzeugen? Andreas Gimsa vom Potsdamer Stirling Technologie Institut derzeit entwickelt ein Blockheizkraftwerk, das sehr effizient Wärme und Strom aus dem nachwachsenden Rohstoff Holz erzeugen soll. In der Reihe Potsdamer Köpfe stellt er die Technik vor.

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Der Prototyp im Labor des Stirling-Instituts.

Quelle: Christel Köster

Potsdam. In dem kleinen Raum ist es warm und sehr laut. Der Krach kommt von einem Motor im Zentrum, der stark ruckelt und vibriert. Daneben leuchten an einer Wand mehrere Glühlampen. „Das zeigt, dass das System funktioniert“, erklärt Andreas Gimsa, Geschäftsführer des Stirling Technologie Instituts Potsdam. Gimsa hat eine Vision und die Lämpchen zeigen, dass er auf dem Weg ist, sie zu realisieren. Die Idee: Seinen Strom kann sich jeder selbst im Heizungskeller erzeugen, durch ein mit Holzpellets befeuertes Mikro-Blockheizkraftwerk, das mit einem hocheffizienten Stirling-Motor arbeitet. Im Rahmen der Reihe „Potsdamer Köpfe“ wird Andreas Gimsa sein Projekt am Sonnabend, dem 12. Dezember, einem größeren Publikum vorstellen.

Der Stirling-Motor stammt noch aus der Anfangszeit der industriellen Revolution, als die Dampfmaschine gerade ihren Siegeszug antrat. 1816 meldete ihn der schottische Geistliche Robert Stirling zum Patent an. Beim Sterling-Motor wird ein Arbeitsgas, meist Luft, in einem geschlossenen Kreislauf an einer Stelle erhitzt, an einer anderen gekühlt. Dadurch bewegt sich ein Kolben hin und her, dessen Kraft genutzt werden kann. In der Theorie ist der Stirling-Motor anderen Verbrennungsmotoren überlegen, weil er einen Wirkungsgrad von über 50 Prozent erreichen kann, erklärt Andreas Gimsa, der zur Stirling-Technik promoviert hat. Das heißt, dass die Hälfte der bei der Verbrennung eingesetzten Energie in Bewegungsenergie umgewandelt wird. Zum Vergleich: Otto-Motoren kommen auf 25 bis 30 Prozent, Dieselmotoren auf etwas mehr als 30 Prozent. Bei der Dampfmaschine ist der Wirkungsgrad noch einmal deutlich geringer.

Aber es waren immer wieder technische Probleme, die dazu geführt hatten, dass der Stirling-Motor ein Nischenprodukt blieb. Zum Beispiel werden sehr hohe Temperaturen erreicht. Das ist nicht leicht zu steuern. Regulär angewendet wird die Technik deshalb bis heute nur an wenigen Stellen. U-Boote mit Sterling-Motor zum Beispiel können nicht leicht vom gegnerischen Sonar geortet werden, weil der Antrieb so laufruhig ist. Quasi in umgekehrter Richtung kann Sterling-Technik als Kältemaschine genutzt werden. Damit lassen sich Gase auf Temperaturen unter minus 200 Grad Celsius kühlen.

Auf jeden Fall hat die Erfindung, die im kommenden Jahr ihren 200. Jahrestag feiern kann, eine eingeschworene Fangemeinde, für die das 2009 gegründete Potsdamer Institut wichtig ist. Gerade hat Gimsa von einem Tüftler aus Bayern ein Modell zugesandt bekommen. Zylinder und Kolben aus glänzendem Edelstahl sind auf einer kleinen Holzplatte montiert. „Wir müssen sehen, was sich daraus machen lässt“, meint der Ingenieur. Stirling-Motoren können vielfältige Formen annehmen. Zusammen mit Schülern der Montessori-Oberschule Potsdam plant das Stirling-Institut eine Bewässerungsanlage, die mit einem solar betriebenen Stirling-Motor arbeitet. Die Energie liefert ein Parabolspiegel, der Sonnenwärme einfängt. Der Motor versetzt Pleuelstangen in Bewegung, die eine Pumpe antreiben.

Das Besondere an der Stirling-Technik: Weil das Arbeitsgas wie bei der Dampfmaschine von außen erhitzt wird, kann der Verbrennungsprozess sehr gleichmäßig ablaufen. Und es kann jeder beliebige Brennstoff zum Betrieb verwendet werden. Also auch der nachwachsende Rohstoff Holz, der für andere Motoren tabu ist. In Gimsas Labor steht ein herkömmlicher Pellets-Heizkessel. An der Seite wurde der Motor eingesetzt. „Die Schalldämmung fehlt noch“, erklärt Gimsa. Das System soll am Ende nicht lauter sein als ein Heizkessel. Auch die Schwingungen des Motors müssen noch vermindert werden. Nebenan in einem Büro sitzt Ingenieur Lars Domann am Computer und arbeitet mit Simulationsmodellen für die Temperaturen im Kessel. 1000 bis 1200 Grad sollen es sein, möglichst gleichmäßig. „Das ist wichtig, um die Schlackebildung zu verhindern“, erklärt Domann.

Andreas Gimsa ist sich sicher, die noch offenen Fragen bald zu klären. Die Firma Enerlyt, für die das Sterling-Institut Begleitforschung macht, werde sein Mikro-Blockheizkraftwerk zur Marktreife bringen können. Mit einer Leistung von 15 Kilowatt thermisch, davon vier Kilowatt Grundlastwärme und einem Kilowatt elektrisch würde es ungefähr ausreichen, um einen Vier-Personen-Haushalt zu versorgen, ist er überzeugt. In der Heizperiode könnte ein Großteil des Eigenbedarfs so gedeckt werden.

Nach Berechnung der Firma Enerlyt, bei der Gimsa ebenfalls Geschäftsführer ist, sollen die Anschaffungskosten für den Motor ungefähr so hoch liegen wie für den Heizkessel selbst – bei rund 10 000 Euro. Damit wäre von einer Wirtschaftlichkeit des Systems auszugehen. Denn die Betriebskosten für den selbst produzierten Strom wären konkurrenzlos günstig.

An erster Stelle aber steht Gimsa zufolge der Klimaeffekt. Schließlich würden die Pellets überwiegend aus Abfällen zusammengepresst, die etwa bei der Möbelproduktion anfallen. Hinzu komme der Vorteil der Kraft-Wärme-Kopplung. „Mit keinem anderen Heizsystem wird eine derart hohe CO2-Einsparung erzielt“, erklärt er selbstbewusst.

Andreas Gimsa stellt sein Projekt im Rahmen der Reihe „Potsdamer Köpfe“ am kommenden Sonnabend, dem 12. Dezember, ab 11 Uhr, in der Wissenschaftsetage vor, Am Kanal 47, Raum Süring.

Kraft-Wärme-Kopplung boomt

Bei der Stromerzeugung aus Brennstoffen entsteht Abwärme, die in konventionellen Kraftwerken oft ungenutzt entweicht. In einem Heizkraftwerk wird sie genutzt, um öffentliche und private Gebäude mit Heizwärme zu versorgen. Dadurch lässt sich sehr viel Energie sparen.

Blockheizkraftwerke (BHKW) gibt es in den unterschiedlichsten Größen. Mikro- und Minianlagen reichen etwa von einem Kilowatt bis 20 Kilowatt. Große Anlagen, die etwa von Stadtwerken gebaut werden, haben teilweise über 100 Megawatt Leistung.

Über 7000 neue BHKW mit einer Gesamtleistung von 1,67 Gigawatt wurden laut Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (Bafa) 2014 in Betrieb genommen. 2013 waren es knapp 7000 Anlagen mit 1,39 Gigawatt Gesamtleistung. Die Anlagen werden zu über 90 Prozent mit Erdgas betrieben.

Einige Hersteller wie Viessmann und Sener-Tec bieten bereits Mikroblockheizkraftwerke zum Kauf an, die mit einem Stirlingmotor betrieben werden. Auch diese werden in der Regel mit Erdgas befeuert.

Der Stromversorger Lichtblick wollte gemeinsam mit dem VW-Konzern mit dem sogenannten Zuhause-Kraftwerk den Strommarkt in Deutschland umkrempeln. 100.000 Mini-BHKW mit einer Leistung von je 20 Kilowatt sollten als sogenanntes Schwarmkraftwerk die schwankende Einspeisung von Wind- und Sonnenstrom abfedern. In Betrieb gingen aber nur 1000 Mini-Kraftwerke. Man sehe das aber nicht als Scheitern, sondern als „Testfeld für die Zukunft“, so Lichtblick-Sprecher Ralph Kampwirth.

Von Ulrich Nettelstroth

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