Stirlingmotor in der Heizung nachrüsten

Ein Stirlingmotor lässt sich nicht an einen vorhandenen Heizkessel anflanschen. Nachrüsten bedeutet in der Praxis, den alten Wärmeerzeuger gegen ein Mikro-KWK-Gerät zu tauschen, in dem Motor, Generator, Hauptbrenner und ein zweiter Spitzenlastbrenner bereits ein Paket bilden. Typisch sind etwa 6 kW Wärme und 1 kW elektrische Leistung aus dem Stirlingteil, dazu kommt ein Zusatzbrenner für kalte Tage, an denen 6 kW für ein Haus nicht reichen. Ein kleiner Anbau an die bestehende Anlage, wie ihn der Begriff nachrüsten nahelegt, existiert nicht. Gasanschluss, Abgasführung für Brennwertbetrieb, ein Pufferspeicher und eine Anmeldung der Stromerzeugung beim Netzbetreiber müssen vorhanden sein oder entstehen. Der Umbau ähnelt damit einer Heizungserneuerung und hat mit einem Anbauteil wenig zu tun. Geplant wird er mit Installateur, Schornsteinfeger und Netzbetreiber gemeinsam.

Reizvoll klingt die Idee wegen eines Temperaturgefälles, das jeder Gaskessel verschenkt. Die Flamme erreicht weit über tausend Grad, das Heizungswasser verlangt aber nur 40 bis 70 Grad. Ein Stirlingmotor sitzt genau in diesem Abstand: Sein Heißteil nimmt die Flammenwärme auf, sein Kaltteil gibt den Rest an das Heizungswasser ab, und ein kleiner Teil der Energie wird unterwegs als Kolbenbewegung abgezweigt, die ein Generator in Strom verwandelt. Wie groß dieser abgezweigte Anteil ausfällt, entscheidet darüber, ob sich der Tausch über Jahre auszahlt oder eine hübsche Technikidee bleibt.

Warum nur ein Sechstel der Leistung als Strom ankommt

Ein Wärmekraftprozess kann höchstens den Carnot-Wert erreichen, der sich allein aus den beiden Temperaturen ergibt. Bei einem Heißteil von 650 Grad (923 Kelvin) und einem Kaltteil von 50 Grad (323 Kelvin) liegt dieser Wert bei 1 minus 323 durch 923, also bei 65 Prozent. Ein reales Gerät erreicht davon nur einen Bruchteil. Der Wärmeübergang durch die Wand des Heißteils ist begrenzt, das Arbeitsgas strömt durch einen Regenerator mit Druckverlusten, der Kolben hat Reibung, und der Lineargenerator wandelt die Bewegung nicht vollständig um. Heraus kommen elektrische Wirkungsgrade von etwa 10 bis 15 Prozent.

Für Hausbesitzer ist das weniger schlimm, als es klingt. Die nicht in Strom verwandelte Energie landet als Heizwärme im Pufferspeicher und wird gebraucht, sie geht also nicht verloren. Bei 1 kW Strom und 6 kW Wärme verhalten sich beide Größen wie 1 zu 6, was Fachleute als Stromkennzahl 0,17 bezeichnen. Der Gesamtwirkungsgrad aus Strom und Wärme liegt bei Brennwertgeräten im Bereich von rund 90 Prozent.

Freikolbenmaschinen mit Lineargenerator kommen ohne Kurbeltrieb aus und haben nur wenige bewegte Teile. Das macht sie leise und wartungsarm, ändert aber nichts an der Physik. Sechs Siebtel der eingesetzten Gasenergie bleiben Wärme, und der Stromertrag hängt vollständig davon ab, wie viele Stunden im Jahr der Motor überhaupt läuft.

Rechenbeispiel für ein Einfamilienhaus mit 18.000 kWh Wärmebedarf

Ob sich die Anschaffung lohnt, zeigt erst die Differenz zwischen zwei Gasverbräuchen: dem des Stirlinggeräts und dem eines normalen Brennwertkessels, der dieselbe Wärme liefert. Die folgenden Annahmen sind frei gewählt, liegen aber im üblichen Bereich. Heizung und Warmwasser brauchen 18.000 kWh pro Jahr, das Stirlingteil deckt davon 70 Prozent, den Rest übernimmt der Spitzenlastbrenner.

Der Brennwertkessel erreicht 95 Prozent, das Stirlinggerät 92 Prozent Gesamtwirkungsgrad. Gas kostet angenommen 10 Cent je kWh, selbst genutzter Strom ersetzt Netzstrom zu 35 Cent, eingespeister Strom bringt 8 Cent. Der Vergleich ist fair gemeint: Beide Geräte liefern am Ende exakt dieselben 12.600 kWh Wärme, nur der Weg dorthin unterscheidet sich. Aus diesen Zahlen entsteht die folgende Kette.

1. Wärme aus dem Stirlingteil: 18.000 kWh mal 0,70 gleich 12.600 kWh.
2. Laufzeit bei 6 kW Wärmeleistung: 2.100 Stunden.
3. Stromerzeugung bei 1 kW: 2.100 kWh, davon die Hälfte im Haus verbraucht.
4. Gaseinsatz des Stirlingteils: 7 kW geteilt durch 0,92 mal 2.100 Stunden gleich rund 15.980 kWh.
5. Gas für dieselbe Wärme im Brennwertkessel: rund 13.260 kWh.
6. Mehrverbrauch an Gas: etwa 2.715 kWh, Kosten etwa 272 Euro.
7. Wert des Stroms: 1.050 kWh zu 35 Cent plus 1.050 kWh zu 8 Cent gleich 451,50 Euro.

Unter dem Strich bleiben rund 180 Euro Vorteil pro Jahr. Interessant ist die Nebenrechnung: Für 2.100 kWh Strom wurden nur 2.715 kWh zusätzliches Gas verbrannt, der Strom entsteht also mit etwa 77 Prozent Wirkungsgrad, weit über dem Wert eines Gaskraftwerks. Das erklärt den Reiz der Kraft-Wärme-Kopplung. Gegen 180 Euro im Jahr stehen aber Geräte, die auch ohne Einbau fünfstellig kosten. Ohne Förderung oder deutlich höhere Strompreise dauert die Amortisation daher viele Jahrzehnte, länger als die Lebensdauer der Technik.

Wann sich der Tausch trotzdem rechnet und wann nicht

Das Rechenbeispiel ist ein Mittelfall. Die Ergebnisse verschieben sich stark, sobald einzelne Annahmen kippen, und mehrere Faktoren wirken dabei in dieselbe Richtung. Je mehr Betriebsstunden das Gerät sammelt, desto mehr Strom entsteht, und je höher der Eigenverbrauch, desto besser der erzielte Strompreis. Ein Haushalt mit Wärmebedarf rund ums Jahr, etwa wegen großer Warmwasserentnahme, ist besser gestellt als ein gut gedämmtes Haus mit kurzer Heizperiode. Eine fünfköpfige Familie mit hohem Duschverbrauch bringt das Gerät auch im Sommer auf einige hundert Betriebsstunden, ein Rentnerpaar im Niedrigenergiehaus kaum.

• Unter etwa 1.500 Betriebsstunden im Jahr fällt der Stromertrag so klein aus, dass die Anschaffung kaum noch zu rechtfertigen ist.
• Gut gedämmte Häuser mit Wärmebedarf unter 10.000 kWh sind ungünstig, weil das Gerät zu selten läuft.
• Ein Haus ohne Gasanschluss scheidet aus, denn Stirlinggeräte für Pellets oder Holz sind kaum verbreitet.
• Fördermittel und hoher Eigenverbrauch machen aus dem Nullsummenspiel einen Gewinn.

Ein Fehler kommt in der Praxis häufig vor: Jeder Start des Brenners kostet Gas, ohne dass schon Strom fließt, denn der Motorkopf muss erst auf Betriebstemperatur kommen. Ein Gerät, das in der Übergangszeit ständig taktet, kann den Vorteil eines ganzen Winters aufzehren. Ob ein Angebot realistisch ist, lässt sich daran prüfen, wie viele Betriebsstunden der Anbieter ansetzt: Rechnungen mit mehr als 5.000 Stunden bei einem normalen Einfamilienhaus sind kaum zu erreichen.

Ein Haus mit Solaranlage nutzt im Sommer den Solarstrom, im Winter läuft das Stirlinggerät genau dann, wenn die Sonne fehlt. Beide ergänzen sich also eher, als dass sie sich behindern. Die Rechnung muss trotzdem für beide Anlagen gemeinsam aufgestellt werden und nicht einzeln, weil sie um denselben Eigenverbrauch konkurrieren.

Pufferspeicher und Betriebsweise im Heizungskeller

Ein Stirlingmotor verträgt kurze Laufzeiten schlecht. Jeder Start heizt erst den Motorkopf auf, Wärme und Strom entstehen nach einigen Minuten, und häufiges Takten drückt den Stromertrag. Deshalb gehört fast immer ein Pufferspeicher dazu. Ein Speicher mit 500 Litern Wasser und 35 Kelvin Temperaturspreizung nimmt 500 mal 4,18 mal 35 durch 3.600, also rund 20,3 kWh auf. Bei 6 kW Wärmeleistung dauert es 3,4 Stunden, bis er voll ist. So lange läuft das Gerät am Stück, ohne dass einzelne Heizkreise es anfordern müssen. Ein Speicher mit nur 200 Litern wäre schon nach 1,4 Stunden voll, das Gerät würde abschalten und kurz darauf wieder starten.

• 200 Liter Speicher: 8,1 kWh Aufnahme, Gerät schaltet nach 1,4 Stunden ab.
• 500 Liter Speicher: 20,3 kWh Aufnahme, rund 3,4 Stunden am Stück.
• 800 Liter Speicher: 32,5 kWh Aufnahme, rund 5,4 Stunden am Stück, braucht aber Stellfläche und Dämmung.

Die Regelung läuft wärmegeführt: Das Gerät startet, wenn Wärme gebraucht wird, und der Strom fällt als Nebenprodukt an. Ein stromgeführter Betrieb zu Zeiten hoher Börsenpreise wäre denkbar, scheitert aber meist an der Größe des Speichers.

Soll stattdessen eine Wärmepumpe einziehen, stehen sich zwei völlig verschiedene Konzepte gegenüber. Bei einer Jahresarbeitszahl von 3,5 braucht die Wärmepumpe für die gleiche Wärmemenge 3.600 kWh Strom, das Stirlinggerät dagegen erzeugt 2.100 kWh Strom und verbraucht Gas. Wie sich ein zweiter Wärmeerzeuger neben einer Wärmepumpe verhält, zeigt der Beitrag Holzvergaser und Wärmepumpe zusammen betreiben.