Grundlagen der Stirlingmotoren Technik - vom

Grundlagen der Stirlingmotoren Technik vom Prototyp bis zur Serienreife
Edgar Schmieder
SOLOStirling GmbH
Stuttgarter Straße 41
D- 71069 Sindelfingen
[email protected]
www.stirling-engine.de
Seit 1990 beschäftigte sich die Solo Kleinmotoren GmbH in Sindelfingen, Hersteller
von Motoren und Geräten, mit der Technik von Stirlingmaschinen. Auf Basis einer
schwedischen Entwicklung entstand 1994 ein neuer Motor mit einer Wellenleistung
von 10 kW/ 1500 min-1, der für Anwendungen in der Kraft-Wärme-Kopplung, der
Solarstrom- Erzeugung und als Kältemaschine geeignet ist.
Solo Stirling GmbH ist im Rahmen eines MBO 2004 als eigenständige Firma
entstanden. Forschung und Entwicklung sowie die Produktion von Stirlingmotoren
zur Kraft-Wärme-Kopplung gehören zum Kerngeschäft.
Erste Patentanmeldung 1816
Funktionsweise des STIRLINGMOTORS
Das Konzept der Stirlingmaschine ist seit Anfang des 19. Jahrhunderts bekannt und
war damals auch weit verbreitet. Heute wird sie mit neuen technischen Möglichkeiten
wieder aufgegriffen und weiterentwickelt.
Stirlingmaschinen haben zwei geschlossene Arbeitsräume, zum Beispiel in zwei
Zylindern mit zwei Kolben und führen die Wärme zu Ihrem Antrieb über
Wärmetauscher zu und ab. Daher können sie beliebige Wärme-Quellen nutzen und
weisen geringe Schadstoffemissionen auf.
Bild: Prinzip des Stirlingmotors, Vergleich mit Ottomotor
In der Kraft-Wärme-Kopplung kommen spezielle Gasbrenner zum Einsatz, damit wird
der Erhitzer und damit das Arbeitsgas auf etwa 650 °C erwärmt, das führt zur
Ausdehnung und Bewegung der Kolben in der Expansionsphase. In einem
Gaskühler wird die Wärme während der Kompressionsphase auf niedrigem Niveau
aus dem Kreisprozess entnommen, diese Wärme steht zur Nutzung für Heizzwecke
zur Verfügung. Ein Regenerator zwischen Erhitzer und Gaskühler ermöglicht dem
Stirling- Prozess den höchstmöglichen Carnot- Wirkungsgrad.
Das Arbeitsgas bleibt immer in der Maschine, dadurch können keine
Verbrennungsrückstände in den Motor gelangen der somit sehr wartungsarm und
leise läuft. Der Druck des Arbeitsgases kann zur Leistungsanpassung variiert
werden, damit ist die Maschine modulierbar. Es können Gase mit besonders guten
thermodynamischen Eigenschaften verwendet werden, hier kommt Helium oder
Wasserstoff zum Einsatz. Bei Otto- oder Dieselmotoren wird dagegen immer Luft als
Arbeitsgas verwendet, die Verbrennung findet immer innerhalb des Zylinders statt.
Die Vorteile von Stirlingmaschinen bei stationärem, dezentralem Einsatz sind daher:
•
•
•
•
•
Lange, wartungsfreie Laufzeiten
Geringe Schadstoffemissionen.
Problematische Brennstoffe können genutzt werden
Feste Brennstoffe sind grundsätzlich verwendbar
Stufenlose Leistungsmodulation
Mit dieser Technik steht speziell der Kraft-Wärme-Kopplung bei kleinen Leistungen
unter 10 kW el eine überlegene Antriebsquelle zur Verfügung.
Regenerator
Erhitzer
Gaskühler
Kolben
Expansion
Kolben
Kompression
Kurbeltrieb
Bild: Aufbau des Solo Stirling 161
.A RT OF
Problem:
Wie kann man die Luft schnell erhitzen und abkühlen?
Lösung:
Mit einem Verdränger oder Regenerator!
Heißes
Ende
Kaltes
Ende
Man braucht nur
ein Wärmegefälle
η = (Th-Tk)/Th
Verdrängerkolben
(nicht dichtend)
Abwärme
Wärmezufuhr
Wärmeabfuhr
Bild: Vereinfachte Darstellung des Stirlingprinzips
TECHNOLOGY
Nach dem Stirlingmotor wurde bei Solo ein spezieller Brenner entwickelt, der mit
Luftvorwärmung und flammloser Oxidation arbeitet (FLOX), WS Wärmeprozesstechnik). So konnte ein sehr guter feuerungstechnischer Wirkungsgrad mit sehr
geringen Schadstoffemissionen kombiniert werden. Weiter ist ein Abgaswärmetauscher zur Brennwertnutzung nachgeschaltet.
Seitenansicht mit Brenner
.ART
OF
TECHNOLOGY
Erhitzer
Brenner
Puffer
Brennkammer
Kurbelgehäuse
Generator
Bild: Motor Stirling 161 mit FLOXbrenner und Generator
Gefördert von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) wurde ein 3-jähriger
Feldtest von 1997 – 2000 mit 16 Stirlingmotoren durchgeführt. Etwa 120.000 Betriebsstunden wurden akkumuliert, auf einzelnen Motoren über 24.000 Stunden.
Nach der TÜV und DVGW-Zertifizierung, wurde 2004 mit der Serienproduktion
begonnen. Derzeit sind europaweit 63 Module im Einsatz.
Micro KWK mit Stirlingmotoren
Es wurde demonstriert, dass lange wartungsfreie Laufzeiten und sehr geringe
Wartungskosten erreicht werden können, damit eröffnen sich interessante
Möglichkeiten für die Kraft- Wärme- Kopplung mit Stirlingmotoren. Mit Stirlingmotoren
sind Wartungsintervalle von 5.000 Bh bis 8.000 Bh zu erreichen.
Die Schadstoffemissionen mit dem Floxbrenner sind vergleichbar niedrig, auch ohne
Katalysator und Lamdasonde, wie in der modernen Gasbrennwerttechnik.
Der Stirlingmotor ist in der Leistung modulierbar, wobei der Wirkungsgradverlust in
der Teillast maximal 1,5% beträgt. Der Gesamtwirkungsgrad liegt mit, je nach
Rücklauftemperatur, 90 - 98% besonders hoch. Ein Energiemanager mit
Datenübertragung per Modem ist vorgesehen, Fernsteuerung und Ferndiagnose mit
der Option zum virtuellen Kraftwerk sind möglich.
Die Maschinen sind nach DVGW zertifiziert und mit „CE“ ausgezeichnet. 2003 erhielt
die Firma SOLOStirling den Bundesinnovationspreis, den Friedrich Eberle Preis,
sowie 2005 vom Bundesumweltamt den „Blauen Engel“. 2004 wurde mit der
Serienproduktion begonnen. Zielkunden sind Energieversorger (Contracting),
Stadtwerke und Kommunen, Industrie und Gewerbe und Wohnbaugesellschaften.
Nur mit dem verstärkten Ausbau von microKWK sind die gesteckten KlimaschutzZiele und geringerer Verbrauch an fossilen Brennstoffen und die Reduzierung von
CO2 Emissionen erreichbar.
Bild: Solo Stirling microKWK- Modul
Technische Daten Solo Stirling 161 im Micro- KWK- Modul:
Elektrische Leistung:
Thermische Leistung:
Elektrischer Wirkungsgrad:
Gesamtwirkungsgrad, ca.:
Arbeitsgas:
Wartungsintervall, ca.:
Wartungskosten:
Emissionen CO, max.
NOx, max.
HC, max.
Ölverbrauch:
Abmessungen:
Gewicht:
2 – 9.0kW
8 – 26 kW
24 %
95%
Helium
5.000 – 8.000 h
0,012 €/kWhel
50 mg/m3
80 mg/m
2 mg/m3
keiner
1280 x 700 x 980 mm
460 kg
700
mg/m3
650
Schadstoffemissionen verschiedenener
Erdgas- Motoren in Micro- KWK- Modulen
600
500
500
400
CO
NOx
300
150
200
HC
80
50
100
2
15
5
0
0
Ottomotor
mit Katalysator
Ottomotor
+ Katalysator
+ Lambda
Stirling
+ Floxbrenner
erreicht
Stirling
+ Floxbrenner
erwartet
TA Luft
Bild: Schadstoffemissionen Stirling im Vergleich zu konventionellen- Motoren und TA
Luft
Der „Blaue Engel“
.ART
OF
TECHNOLOGY
Messergebnisse – Solo, Herstellerangaben, Blauer Engel
Angaben
Solo
Messdaten
2-9,5 kW
1,2-9,2 kW
&
8-26 kW
Q
BHKW
ηel
Pel
„Blauer
Engel“
Messdaten
ηel
26,05 %
26,8 %
6,0-24,8 kW
ηges
89 %
98,5 %
22-24 %
24,8-26,8 %
CO
300
mg/Nm³
191
mg/Nm³
92-96 %
95,1-98,5 %
NOx
53-60
dB(A)
< 65 dB(A)
250
mg/Nm³
105
mg/Nm³
(50-100% Last)
ηges
Schall
(1m Abstand)
Bild: Solo Stirling microKWK- erfüllt „Baue Engel“
erfüllt !
Verschiedene Brennstoffe in Stirlingmotoren
Erdgas ist relativ einfach zu verbrennen. In Vorversuchen zeigte der SOLOStirling
Brenner auch keine grundsätzlichen Probleme bei Bio-, Klär- oder Deponiegas, auch
bei Werten von etwa 40 % Methangehalt.
Die Vorteile liegen dann in den geringen Wartungsanforderungen und den günstigen
Schadstoffemissionen. Ein Eindringen von Brennstoffresten in das Schmieröl ist nicht
möglich, Ölwechsel daher nicht nötig. Mit Deponiegas laufen nach Anpassungen an
Brenner und Gaszufuhr Dauerversuche.
Grundsätzlich können in Stirlingmotoren feste Brennstoffe auch direkt verfeuert
werden, bei festen Brennstoffen ist jedoch die technische Umsetzung schwieriger.
Die Koppelung einer konventionellen Festbrennstoff- Feuerung an den Stirlingmotor
ist daher keine befriedigende Lösung, Versuche haben dies bestätigt. Die
Entwicklung einer speziellen Feuerung mit Luftvorwärmung und Maßnahmen zur
Ascheminderung sind notwendig.
Die Arbeiten an einer entsprechenden Feuerung laufen. Das Ergebnis soll ein
automatisch und kontinuierlich arbeitendes Blockheizkraftwerk mit 4 – 9 kW el für den
Betrieb mit Holzpellets sein.
Damit steht erstmalig eine Technologie zur Verfügung, die dezentrale Kraft- WärmeKopplung aus biogenen Brennstoffen möglich macht.
Verwertung schwachkalorischer biogener Gase wie z.B. Biogas, Klärgas,
Deponiegas
Dieses Pilotprojekt, gefördert vom Land Baden-Württemberg, besteht inhaltlich im
wesentlichen darin, bei der praktischen Umsetzung, mit einem an die jeweils
unterschiedlichen Anforderungen, entsprechende Modifikationen des Brennersystems auf die Verschiedenheit der Gasqualitäten für einen Dauerbetrieb mit dem
Stirlingmotor anzupassen.
Das Projekt, mit einer Laufzeit von zwei Jahren, wird von einem technisch-wissenschaftlichen Monitoring durch die Fachhochschule Reutlingen begleitet. Erste
Maschinen sind bereits mit guten Betriebsergebnissen im Einsatz.
Kläranlage Rosenfeld - Optimierung der Faulgasverwertung
Faulgasverwertung nur mit Heizung (Ist-Zustand)
4.800 l/a Heizöl
Energieinhalt:
48.000 kWh
20 %
85 %
30.000 m³ /a Faulgas
Energieinhalt:
17 % Heizöl
68 % Faulgas
Wärme
204.000 kWh
Heizung
80 %
192.000 kWh
15 %
Gesamtwirkungsgrad
85 %
12000 m³/ a abgefackelt
Verluste :76 800 kWh
Verluste : 36.000 kWh
Faulgasverwertung mit Blockheizkraftwerk Stirling-Motor ( Solo )
15 %
1.840 l/a Heizöl
Energieinhalt:
18.400 KWh
7%
Heizung
Verluste
Wärme ( ca 8 % )
16.000 kWh
85 %
Wärme gesamt
204.000 kWh
42 000 m³ /a Faulgas
Energieinhalt:
268.800 kWh
Wärme : 92 %
188.000 kWh Gesamtwirkungsgrad
70 %
93 %
BHKW
94 %
Strom
24 %
64.000 kWh
6%
Wärme und Stromgewinn aus Gasnutzung
Verluste :
Gemeinsames Entwicklungsprojekt SOLO/HOVAL gefördert von der Deutschen
Umweltstiftung DBU zur Produktion von Holzgas aus Holzpellets sowie Anpassung
des Brennersystems Stirlingmotors V161
Bild: Versuchsaufbau zur Holzpellet-Vergasung mit externem Holzvergaser
In einem vom BMBF geförderten Forschungsprojekt wurde an der Hochschule
Reutlingen auch die Zertifizierungsmessung „Der Blaue Engel“ durchgeführt.
SOLOStirling erhält als erstes miniBHKW überhaupt das Umweltzeichen.
Stirlingmotoren werden insgesamt spannende Entwicklungs- und Marktpotentiale
vorausgesagt. Dies gilt insbesondere für biogene Brennstoffe, ob fest, flüssig oder
gasförmig. Für diese so genannten Nischenanwendungen stehen Stirlingmotoren
gegenüber konventionellen Motorentechnologien außer Konkurrenz.
Als einen ersten Schritt zur Umsetzung ist ein Entwicklungsprojekt gemeinsam mit
der Hoval –Vaduz zur Vergasung von Holzpellets. Dieses von der DBU geförderte
Projekt sieht vor, in einer extern angeordneten Vergasereinheit, ein qualitatives
hochwertiges Holzgas bereitzustellen und anschließend mit einem modifizierten
Brennersystem mit dem Stirlingprozess in Wärme und Strom umzuwandeln.
Die ersten Feldtestanlagen werden zur Jahresmitte 2006 ihren Betrieb aufnehmen.
Das Ziel für eine Serienproduktion ist für das Jahresende 2007 in der Planung.
Der Charme, einer CO2 neutralen Bereitstellung von Wärme und Strom dezentral in
dieser Leistungsklasse, wäre nicht mehr zu übertreffen.
Als eine ebenfalls Stirling-spezifische Anwendung zählt die Verwertung von hochtemperaturigen Abgasvolumenströmen, im Bereich der gewerblichen und
industrieellen Prozesswärme, als auch von Biomassefeuerungen.
Ein Projekt der Fachhochschule Bingen hatte die Zielsetzung, u.a. eine geeignete
Modifizierung des Erhitzerkopfes im Hinblick der Geometrie als auch der Metallorgie
zu entwickeln.
Bild: Versuchsaufbau der Fachhochschule Bingen, Abgasvolumenstrom einer
Biomassefeuerung
Projekt Stukitzbad Graz, Österreich
Ein Projekt im Anlagencontracting: als Contractinggeber tritt das E-Werk Gösting auf,
als Contractingnehmer die Grazer Freizeitbetriebe. Gemeinsam mit der Grazer
Energieagentur GEA wurde erstmalig in Österreich ein Contractingmodell KraftWärme-Kopplung mit Stirling-Motoren realisiert. Das Anlagenkonzept stellt sich wie
folgt dar: Zweierkaskade Stirlingmotoren, Heizwasserspeicher 1.500l, Spitzenlastwärmequelle Gasbrennwerttechnik.
Nach einer zweijährigen Betriebszeit mit je ca. 16.000 Stunden wurde rechnerisch
ein elektrischer Wirkungsgrad von 23% und thermischer Wirkungsgrad von 70%
(Gesamtwirkungsgrad 93%) ermittelt, wobei jährlich 70.000 kWh Strom und 250.000
kWh Wärme dem Freizeitbad zur Verfügung gestellt werden konnte. Die jährliche
CO2 Einsparung beträgt ca. 32 t.
Auch bei diesem Projekt waren die entscheidenden Kriterien der hohe Gesamtwirkungsgrad und die sehr niedrigen Emissionen.
Bild: Zweier-Kaskade Stirlingmotoren Stukitzbad A-Graz
Projekt: Hotel Erika, Bad Kissingen
Die Anwendung der Kraft-Wärme-Kopplung ist in Hotels besonders attraktiv. Die
Installation der Anlage erfolgte 2004. Nach dem ersten Betriebsjahr wurden 6.800 Bh
(Vollast) und 924 Bh (Teillast) gefahren. Der Deckungsbeitrag an der gesamten
Wärmelast betrug somit 29.8%.
Die Anlage ist als Komplettsystem installiert und besteht aus Heizwasserspeicher
2x1.000l und Frischwassermodul zur Bereitstellung von Brauchwasser. Aus
hygienischen Gründen wurde auf die Verwendung von herkömmlichem
Brauchwasserboiler verzichtet. Die Betriebszeiten des BHKW-Moduls wurden in die
täglichen Strombedarfsspitzen verlegt, die damit erzielte Einsparung durch das
Kappen des Spitzenbedarfs an Strom, liegt bei ca. 4.500 €/a.
Die Möglichkeit einer stufenlosen Leistungsmodulation war mitentscheidend für die
bisherigen positiven Erfahrungen.