Stirlingmotor: So funktioniert die stille Wärmekraftmaschine im BHKW

Wie funktioniert ein Stirlingmotor?

Ein Stirlingmotor wandelt Wärme in mechanische Energie um, ohne dass im Inneren etwas verbrennt. Eine externe Wärmequelle erhitzt ein eingeschlossenes Gas, meist Luft, Wasserstoff oder Helium.

Das Gas dehnt sich aus, treibt einen Kolben an und kühlt anschließend wieder ab. Dieser Kreislauf wiederholt sich fortlaufend und erzeugt so eine gleichmäßige Bewegung. Der Motor besteht aus einem Zylinder mit zwei Kammern auf unterschiedlichem Temperaturniveau. Im heißen Bereich dehnt sich das Gas aus und verdrängt einen Kolben.

Anschließend strömt es in den kalten Bereich, zieht sich zusammen und wird dort verdichtet. Danach fließt es zurück in die heiße Kammer und der Kreislauf beginnt erneut. Weil der Motor mit erhitztem Gas statt mit einer Verbrennung im Zylinder arbeitet, wird er auch Heißgasmotor genannt.

Eine zentrale Rolle spielt der Regenerator, ein Wärmespeicher zwischen den beiden Kammern. Er nimmt Wärme auf, während das Gas zur kalten Seite strömt. Beim Rückweg gibt er sie wieder ab. Dadurch muss weniger Wärme neu zugeführt werden, was den Wirkungsgrad deutlich verbessert.

Der entscheidende Unterschied zum Verbrennungsmotor: Der Stirlingmotor braucht eine externe Wärmequelle und erzeugt die Wärme nicht selbst. Deshalb lässt er sich mit fast jeder Wärmequelle kombinieren, etwa einem Gasbrenner, einer Pelletfeuerung oder einer Solarthermieanlage.

Welchen Wirkungsgrad erreicht ein Stirlingmotor im Blockheizkraftwerk?

Ein Stirlingmotor erreicht im Blockheizkraftwerk einen Gesamtwirkungsgrad von 80–90 %. Der elektrische Anteil liegt dabei nur bei 10–15 %, während 70–80 % als Wärme genutzt werden. Verbrennungsmotoren erzeugen im Vergleich deutlich mehr Strom, dafür bei etwas niedrigerem Gesamtwirkungsgrad.

Wirkungsgrad im Vergleich

Der niedrige Stromanteil ist der Hauptgrund, warum sich Stirlingmotoren gegenüber Gasmotoren und Brennstoffzellen am Markt schwertun. Für Gebäude mit hohem Strombedarf lohnt sich eine höhere elektrische Ausbeute meist mehr als der etwas bessere Gesamtwirkungsgrad.

Wo kommen Stirlingmotoren im Blockheizkraftwerk zum Einsatz?

Stirlingmotoren treiben Blockheizkraftwerke an, die Strom und Wärme gleichzeitig erzeugen. Eine externe Wärmequelle, meist ein Gasbrenner oder eine Pelletfeuerung, erhitzt das Arbeitsgas und setzt den Generator in Bewegung. Für Einfamilienhäuser ist die Auswahl heute klein.

Im Aufbau übernimmt der Gasbrenner oder die Feuerung die Erwärmung des Arbeitsgases. Der Stirlingmotor treibt darüber einen Drehstromgenerator an, der Strom erzeugt.

Ein Wärmetauscher führt gleichzeitig Wasser am heißen Bereich vorbei und nutzt es als Heizwasser. Ein Pufferspeicher kann überschüssiges warmes Wasser zwischenspeichern, sodass bei erneutem Bedarf weniger Energie nachgeführt werden muss.

Der Markt für private Ein- und Zweifamilienhäuser ist heute deutlich kleiner als noch vor einigen Jahren. Erdgasbetriebene Stirlingmotor-BHKW werden seit 2020 von keinem Hersteller mehr neu produziert.

Am Markt verfügbar ist noch ein pelletbetriebenes Modell. Der Grund für den Rückgang: Brennstoffzellenheizungen erzeugen aus derselben Gasmenge deutlich mehr Strom und haben den kleinen Leistungsbereich bis etwa 3 kW inzwischen weitgehend übernommen.

Weil der Stirlingmotor mit nahezu jeder Wärmequelle arbeitet, ließ er sich in der Vergangenheit auch mit einer Solarthermieanlage oder einer bestehenden Ölheizung kombinieren, wenn deren Abwärme ausreichend hoch war.

Einen ausführlichen Überblick zur Kraft-Wärme-Kopplung finden Interessierte separat. Für Ein- und Zweifamilienhäuser bieten sich heute eher Mikro-BHKW oder Mini-BHKW mit Verbrennungsmotor oder Brennstoffzelle an, da hier die Gerätevielfalt größer ist.

Was kostet ein Blockheizkraftwerk mit Stirlingmotor?

Ein Mikro-BHKW kostet zwischen 13.000 € und über 20.000 €, im Schnitt rund 19.000 € für das Gerät allein. Mit Pufferspeicher, einem zusätzlichen Kessel für Spitzenlasten und der Installation liegt die Gesamtinvestition häufig deutlich höher.

Beispielrechnung Gesamtinvestition

Für ein BHKW mit Stirlingmotor werden am Markt keine gesonderten Preise ausgewiesen. Wegen der geringen Modellauswahl bewegen sich die verfügbaren Anlagen in derselben Preisspanne wie andere Mini- und Mikro-Blockheizkraftwerke, sind aber deutlich schwerer zu beschaffen.

Wer die Investitionshöhe unabhängig von der Motorart einordnen möchte, findet weitere Details zu den Kosten eines Blockheizkraftwerks.

Lohnt sich ein Stirlingmotor-BHKW für Einfamilienhäuser?

Ein Stirlingmotor-BHKW lohnt sich nur, wenn der Wärmebedarf über das ganze Jahr konstant hoch bleibt. In einem einzelnen Einfamilienhaus reicht der Bedarf dafür meist nicht aus. Wirtschaftlich wird die Anlage vor allem in Mehrfamilienhäusern oder bei mehreren Gebäuden an einem gemeinsamen Wärmenetz.

Damit sich die hohen Anschaffungskosten rechnen, muss das erzeugte Warmwasser durchgehend abgenommen werden, auch im Sommer. Je mehr Verbraucher an das System angeschlossen sind, desto gleichmäßiger lässt sich die Wärme nutzen.

In einem Blockheizkraftwerk im Einfamilienhaus schwankt der Bedarf dagegen stark zwischen Winter und Sommer, was die Wirtschaftlichkeit eines Stirlingmotor-BHKW zusätzlich erschwert.

Welche Alternativen gibt es zum Stirlingmotor-BHKW?

Für die meisten Einfamilienhäuser sind Brennstoffzellenheizungen und Wärmepumpen inzwischen die gefragteren Alternativen zum Stirlingmotor-BHKW. Brennstoffzellen erzeugen aus derselben Gasmenge deutlich mehr Strom, Wärmepumpen kommen ganz ohne Verbrennung und ohne Brennstofflieferung aus.

Wer weiterhin auf Kraft-Wärme-Kopplung setzen will, findet im direkten Vergleich von Brennstoffzelle und Blockheizkraftwerk eine Einordnung, welche Technik zum eigenen Bedarf passt.

Wer dagegen unabhängig von Gas- oder Pelletlieferungen heizen möchte, findet in einer Wärmepumpe von thermondo eine Alternative, die ganz ohne Verbrennung arbeitet. In Kombination mit einer eigenen Solarstromanlage lässt sich der benötigte Strom zusätzlich teilweise selbst erzeugen.

Fazit

Der Stirlingmotor bleibt eine elegante, aber seltene Lösung für Blockheizkraftwerke. Sein hoher Gesamtwirkungsgrad überzeugt technisch, doch die geringe Stromausbeute und das kleine Marktangebot bremsen die Verbreitung in Einfamilienhäusern.

Wer einen konstant hohen Wärmebedarf hat, etwa in einem Mehrfamilienhaus, kann von der leisen und wartungsarmen Technik profitieren. Für die meisten Eigenheimbesitzer sind heute Brennstoffzellenheizungen oder Wärmepumpen die praktikablere Wahl.

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