Besonderheiten Gimsamotor

Transkript

1 Der neuartige 4-Zyklen-Motor von ENERLYT Vortrag von Dr.-Ing. Andreas Gimsa BERLIN BRANDENBURG ENERLYT Technik GmbH Am Buchhorst 35A Potsdam

2 Forschungs- und Entwicklungspartner Brennerentwicklung Technische Universität Dresden, Fakultät Maschinenwesen Regeneratorentwicklung Fraunhofer Institut Fertigungstechnik, Materialforschung Pulvermetallurgie und Verbundwerkstoffe Kolbenringe/Dichtungen Stasskol Kolbenstangendichtungen GmbH Tribologie SGL Carbon GmbH Berechnungsmodelle Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas Fachhochschule Reutlingen, Fachgebiet Thermodynamik Emissionsmessungen Steinbeis-Forschungszentrum Wärme- und Energietechnik, Stirlingmaschinen

3 Marktpotenzial für Mini-BHKW 1987 Deutsche Institut für Wirtschaftsforschung (DIW) Anlagen im deutschen EFH-Bereich 2002 Bokämper Anlagen in Deutschland 2006 Berliner Energieagentur GmbH Anlagen 2007 Marktstudie der VNG Anlagen in Europa pro Jahr, davon Anlagen in Deutschland

4 Stand der Technik Brennstoffzellen In den nächsten 5 Jahren nicht kommerziell verfügbar, innere Oxidation, eingeschränkte Brennstoffwahl Verbrennungsmotoren Sehr Laut, kurze Wartungsintervalle, Verbrauch von Schmierstoff und Filtermaterial, eingeschränkte Brennstoffwahl Dampfmaschinen Schwer, teuer, geringer Wirkungsgrad im kleinen Leistungsbereich Mikrogasturbinen Für Kleinstleistungen nicht verfügbar, benötigen i. d. R. Brenngase, hohe Abgasverluste, Erd-, Deponie-, Klär- und Biogas verwertbar

5 Umweltschutz Bestmögliche Brennstoffausnutzung Gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme über Kraft-Wärme-Kopplung Dezentrale Systeme Reduzierung von Transportverlusten von Brennstoff, Strom und Wärme Nachwachsende Brennstoffe sind CO 2 -neutral Substitution fossiler Brennstoffe Verhinderung der Folgeschäden von Förderung und Transport (Tagebaubrachen, Ölhavarien, Methanverluste)

6 Wirtschaftlichkeit nach VDI 2067 für ein deutsches Bestandshaus Anlagenart Kapitalgebundene Kosten Anlage Niedertemp.-Kessel BHKW BHKW + Kessel Brennstoff Erdgas Erdgas Rapsöl (Grundlast) Betriebsweise monovalent monovalent bivalent Gesamtinvestition Annuität 346,83 /a 818,91 /a 722,57 /a Betriebsgebundene Kosten Gesamt 143,00 /a 188,00 /a 163,00 /a Verbrauchsgebundene Kosten Stromgutschrift Wärmebedarf kwh/a kwh/a kwh/a Wärme Grundlast kwh/a kwh/a kwh/a Wärme Spitzenlast 0 kwh/a kwh/a kwh/a Stromerzeugung 0 kwh/a kwh/a kwh/a Gesamt 1.747,78 /a 2.251,94 /a 2.292,63 /a Strompreis EV 18,00 Cent/kWh 18,00 Cent/kWh 18,00 Cent/kWh Vermiedener Strombezug 0 kwh/a kwh/a 0 kwh/a Vergütung 0 Cent/kWh 9,11 Cent/kWh 20,98 Cent/kWh Stromeinspeisung 0 kwh/a kwh/a kwh/a Gesamt 0,00 /a 994,95 /a 1.258,80 /a Steuererstattung Gesamt 0,00 /a 266,22 /a 0,00 /a Jahresgesamtkosten (Nettobasis) 2.237,61 /a 1.997,68 /a 1.919,40 /a

7 Grundanordnung 1 Expansionskolben der 1. Doppelkolbeneinheit 2 Kompressionskolben der 1. Doppel- Kolbeneinheit 3 Kolbenstange der 1. Doppelkolbeneinheit 4 Kolbenstangenverlängerung der 1. DKE 5 Zylindergehäuse 6 Expansionskolben der 2. DKE 7 Kompressionskolben 2. DKE 8 Kolbenstange der 2. DKE 9 Kolbenstangenverlängerung 2. DKE 10 4-Zyklen-Erhitzer 11 Regenerator Zyklus 1 12 Regenerator Zyklus 2 13 Regenerator Zyklus 3 14 Regenerator Zyklus 4 15 Kühler Zyklus 1 16 Kühler Zyklus 2 17 Kühler Zyklus 3 18 Kühler Zyklus 4 19 Kolbenstangenringe zur Abdichtung 20 Thermische Isolation 21 Kolbenstangendichtung 22 Linearführung 23 Pleuel 24 Kurbelwelle 25 Generator 26 Kurbelgehäuse 27 Zyklenkurzschlussventil Zyklus 1 mit Zyklus 2 28 Zyklenkurzschlussventil Zyklus 3 mit Zyklus 4 Z1 Zyklus 1 Z2 Zyklus 2 Z3 Zyklus 3 Z4 Zyklus 4

8 Erhitzer-Berippung Brennerdüse Hochtemperatur-Erhitzer (austauschbar) 1. Expansionskolben (doppelt wirkend) 2. Expansionskolben Regenerator Kühlerblock Druckbehälter (Arbeitsgas) 2. Kompressionskolben (doppelt wirkend) Linearführung Generator Exzenter-Pleuel mit Kraftaustritt

9 Besonderheiten des 4-Zyklen-Motors Verbesserter Kreisprozess (STIRLING > ERICSSON) Kompakte und montagefreundliche Maschine Einfaches Getriebe, präzise Linearführungen Gleichförmiger Drehkraftverlauf durch 4 Heißgaszyklen Einfacher und austauschbarer Erhitzer Geringe Shuttle- und Wärmeleitungsverluste Nur 2 Kolbenstangendichtungen zum Getriebe Generatorwelle ist die Kurbelwelle Alle 4 Zyklen müssen mit 90 Phasenversatz arbeiten Expansionsraumänderung muss der Kompressionsraumänderung um 90 vorauseilen

10 Technische Daten eines BHKW für EFH Motor 4-Zyklen-Ericsson Hubraum cm³ Brennstoff Rapsöl (Erdgas) Arbeitsgas Helium Mitteldruck 4,5 bar Drehzahl U/min Generator 3-Phasen-Asynchron Gewicht 110 kg Größe H x B x T = 130 x 90 x 70 T Erhitzerwand 766 C T Kühlerwand 73 C Verdichtungsverh. 1,4 Brennstoffleistung 5,0 kw Leistung elektrisch 1,0 kw Leistung thermisch 3,5 kw Wirkungsgrad elek. 20 % Geräusch < 40 db (A) CO 2 -Reduktion kg/a

11 Vom STIRLING zum ERICSSON Druck [bar] 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3, Volumen [cm³] Arbeitsverhältnis STIRLING Arbeitsverhältnis ERICSSON

12 Vom STIRLING zum ERICSSON Wirkungsgrad Gesamthubvolumen = const. mech. [%] Hublänge = 40 mm Expansionskolbendurchmesser [mm] Q& regv Q & regv = P ( κ 1) lnε ( η reg ) Q& reg = 1

13 Druckschwingungen der 4 Arbeitsgaszyklen Gasdruck Zyklus1 Zyklus2 8,0 bar 7,0 bar 6,0 bar 5,0 bar 4,0 bar 3,0 bar Zyklus3 Zyklus4 2,0 bar Kurbelwinkel

14 Druckkraftverlauf an beiden Doppelkolben Druckkraft N N Doppelkolben1 Doppelkolben N N N N N N N Kurbelwinkel

15 Drehkraftanteile beider Doppelkolben Drehkraft Doppelkolben1 Doppelkolben2 Kurbelwelle N N N N N N N Kurbelwinkel

16 Veröffentlichungen Zum Thema: ENERLYT Ericsson-Motoren Entwicklung, Erprobung und Optimierung eines 2-Zyklen-Alpha-Heißgasmotors Gimsa, Dissertationsschrift von der Fakultät Maschinenwesen der Technischen Universität Dresden, 2006 Mini-Blockheizkraftwerke Technologieüberblick (2-Zyklen-Motor) Prof. Dr.-Ing. Thomas, Vogel-Verlag, 2007 Stirling-Maschinentechnik ( Stirling-Bibel ) Beschreibung des Motors (2-Zyklen-Motor) Prof. Steimle, C. F. Müller Verlag, 2007 Stirling-Maschinen ENERLYT-Motorbeschreibung (2-Zyklen-Motor) Werdich und Kübler, Ökobuch-Verlag, 2007

17 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dr.-Ing. Andreas Gimsa BERLIN BRANDENBURG ENERLYT Technik GmbH Am Buchhorst 35A Potsdam