Einbindung von Stirling-Motoren in Stückholz- und Pelletskessel. Wärme und Strom aus Biomasse

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1 Einbindung von Stirling-Motoren in Stückholz- und Pelletskessel Wärme und Strom aus Biomasse Daniel Hegele, Dipl. Ing. (FH) / Hoval AG, Vaduz (Liechtenstein) ZG1 ZG2 ZG3

2 Inhalt Einbindung von Stirling-Motoren in Stückholz- und Pelletskessel Die Firma Hoval Idee / Vorversuche Projekt 1: Stirling und Stückholzkessel Projekt 2: Stirling und Pelletskessel Aktueller Projektstatus und Ausblick Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 2

3 Hoval - Gruppe Heiztechnik- und Klimatechnik-Hersteller Zentraler Sitz in Vaduz (Liechtenstein) Hauptmärkte: CH und AT Weitere Niederlassungen: DE, IT, UK Weltweiter Vertrieb über Exportabteilung Ca Mitarbeiter Aus Erfahrung aus den Alpen! Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 3

4 Stammhaus Vaduz (Liechtenstein) Zentraler Sitz der Hoval Gruppe mit: Gruppenleitung Forschung & Entwicklung Produktionsstandort (einer von fünf) Marketing Zentrale Logistik Zentrales Ersatzteil-Lager Aus Erfahrung aus den Alpen! Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 4

5 Geschäftsfelder Heiztechnik Klimatechnik Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 5

6 Hoval Klimatechnik Systeme für Hallenklimatisierung Dezentrale Lösungen zum Lüften, Heizen und Kühlen AdiaVent Umluftgerät zum Kühlen TopVent Umluftgerät zum Heizen und Kühlen TopVent gas Umluft- und Zuluftgeräte zum Heizen RoofVent Be- und Entlüftungsgerät mit Energierückgewinnung zum Heizen und Kühlen Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 6

7 Hoval Klimatechnik Kontrollierte Wohnraumlüftung Gesundes Wohnraumklima mit Wärme- und Feuchterückgewinnung HomeVent RS-180 / RS-250 / RS-500 für Wohnungen / Einfamilienhäuser / Geschäftsräume Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 7

8 Hoval Heiztechnik Systeme für Solarenergie, Wärmepumpen, Biomasse, Öl und Gas für EFH und Grossanlagen; 10 bis 3000 kw Solarsysteme Belaria BioLyt MultiJet UltraGas Thermalia AgroLyt UltraOil TopGas Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 8

9 Hoval Heiztechnik Solarsysteme Belaria BioLyt MultiJet UltraGas Thermalia AgroLyt UltraOil TopGas Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 9

10 Idee dezentrale, CO 2 -neutrale Stromerzeugung aus Holz hochwertige elektrische Energie als Abfallprodukt der Wärmeerzeugung Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 10

11 Möglichkeiten für die Holzverstromung - Holz vergasen => Gas-Motor - Holz verbrennen => Dampf-Motor / -Turbine - Holz verbrennen => Stirling-Motor Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 11

12 Funktionsprinzip Stirling-Motor

13 Funktionsprinzip Das grundsätzliche Prinzip eines Stirling-Motors besteht darin, dass die Wärmeenergie von aussen zugeführt wird. Die Wärme, welche von aussen zugeführt wird, erhitzt ein Arbeitsgas, welches sich in Folge ausdehnt und über einen Kolben mit Kurbelwelle eine Drehbewegung erzeugt. Hiermit wird dann in der Regel ein Generator zur Stromerzeugung angetrieben. Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 13

14 Funktionsprinzip Durch einen entsprechenden mechanischen Aufbau des Motors strömt das erhitzte Gas danach in eine kühle Zone, wo es sich beim Abkühlen wieder zusammenzieht, um für eine erneute Wärmeaufnahme bereit zu sein. Durch dieses Prinzip der äusseren Wärmezufuhr ist der Stirling-Motor für den Betrieb mit Festbrennstoffen - wie z.b. Holz - geradezu prädestiniert. Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 14

15 Prinzipieller Aufbau Erhitzerkopf Verdrängerkolben Regenerator Kühler Arbeitskolben 2 Kurbelzapfen 90 phasenverschoben Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 15

16 Prinzipieller Ablauf Isotherme Kompression Isochore Erwärmung Isotherme Expansion Isochore Abkühlung Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 16

17 Stirling und Stückholzkessel

18 Einbau beim Stückholzkessel Flammenumkehr bei ca. 800 C Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 18

19 Vorversuche bei Hoval Teil 1 Technische Daten der Testanlage 1: Kessel Holzvergaser Hoval PuroLyt (45) Thermische Leistung kw Stirling-Motor / Generator Einheit Beta-Maschine, Dr. Kammerich (D) Asynchron-Generator, elektr. Leistung 1 kw Netzparallelbetrieb (Einspeisung) Test-Zeitraum Mai bis November 2001 Betriebsstunden: ca h Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 19

20 Einbau Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 20

21 Einbau Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 21

22 Vorversuche bei Hoval Teil 2 Technische Daten der Testanlage 2: Kessel Holzvergaser Hoval AgroLyt (35) lambda Thermische Leistung kw Stirling-Motor / Generator Einheit Beta-Maschine, Dr. Kammerich (D) Asynchron-Generator, elektr. Leistung 1 kw Netzparallelbetrieb (Einspeisung) Test-Zeitraum April bis November 2003 Betriebsstunden: ca h Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 22

23 Zusammenhang Messwerte: Elektr. Leistung <--> Erhitzerkopf-Temperatur AgroLyt Stirling Messwerte über einen Zeitraum von 6 Stunden 1000 P elektr. [W]/T Erhitzerkopf [ C] Messpunkte P el. [W] T E-Kopf [ C] Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 23

24 Vorversuche Zusammenfassung Nach den ersten 1300 h wurde der Stirling- Motor kpl. zerlegt und von Motoren- Spezialisten auf Verschleiss untersucht. Das Ergebnis war sehr ermutigend es war keine Abnutzung sichtbar. Ohne irgendwelche Teile zu tauschen, wurde der Motor wieder zusammengebaut und erneut tagtäglich für weitere 1200 h befeuert. Hoval Stirling-Motor, 1. Generation Insgesamt wurde der Motor von Mai 2001 bis November 2003 im Alltagsbetrieb über ca Betriebsstunden gefahren. Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 24

25 Projektverlauf 2004 / : Entscheid, Projekt weiterzuführen 7 Stück neue Stirling-Motoren wurden daraufhin produziert (2. Generation) Einsatz dieser Maschinen auf realen AgroLyt - Anlagen ab Sommer 2005 (Feldtest) Hoval Stirling-Motor, 2. Generation Test der verschiedenen hydraulischen Einbindungsmöglichkeiten Test von Notkühlung und Notabschaltung Optimierung der Kesselregelung auf die motorspezifischen Anforderungen Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 25

26 Projektbeispiel Poschiavo (CH) Inselanlage ohne Anschluss ans öffentliche Stromnetz Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 26

27 Ausgangslage: System vorher Notstromaggregat 450 Watt peak 24 V Batterie-Block vorher: Photovoltaik-Anlage plus Notstromaggregat Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 27

28 System neu 450 Watt peak 1 kw 24 V Batterie-Block neu: Stromversorgung im Winter durch AgroLyt mit Stirling Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 28

29 Projektbeispiel Harpstedt (DE) AgroLyt mit Stirling im Netzverbund (380 Volt Drehstromgenerator) Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 29

30 Projektbeispiel Sulzbach (DE) 1 AgroLyt mit Stirling im Netzverbund (380 Volt Drehstromgenerator) Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 30

31 Projektbeispiel Sulzbach (DE) 2 AgroLyt mit Stirling im Netzverbund (380 Volt Drehstromgenerator) Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 31

32 Weitere Feldtest-Standorte in DE Hoval Stirling-Motor, 2. Generation Weinstadt (Stuttgart) Stockach (Bodensee) Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 32

33 Projektverlauf 2004 / : Entscheid, Projekt weiterzuführen 7 Stück neue Stirling-Motoren wurden daraufhin produziert (2. Generation) Einsatz dieser Maschinen auf realen AgroLyt - Anlagen ab Sommer 2005 (Feldtest) Hoval Stirling-Motor, 2. Generation Test der verschiedenen hydraulischen Einbindungsmöglichkeiten Test von Notkühlung und Notabschaltung Optimierung der Kesselregelung auf die motorspezifischen Anforderungen Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 33

34 Motorkühlung: Konzept ideale hydraulische Einbindung Wichtig: Möglichst hohe Temperaturdifferenz im Stirling-Prozess Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 34

35 Motorkühlung 1: Reale hydraulische Einbindung (Beispiel 1: Sulzbach) Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 35

36 Motorkühlung 2: Reale hydraulische Einbindung (Beispiel 2: Stockach) Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 36

37 Projektverlauf Begleitung und Auswertung des Feldtests Optimierung des Gesamtsystems Monitoring-Projekt mit IZES, Saarbrücken / FNR Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 37

38 Optimierung des Gesamtsystems Monitoring-Projekt mit IZES, Saarbrücken / FNR Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 38

39 Ab 2006: Prüfstandsversuche mit Pelletskessel Stirling-Motor mit Pelletskessel (50 / 70 kw thermisch) Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 39

40 Pellets bieten im Leistungsbereich zw. 50 und 300 kw die gleichen Vorteile gegenüber der Öl- und Gasheizung wie im Ein- oder Zweifamilienhaus! Auch im öffentlichen und gewerblichen Bereich!

41 Argumente pro Holz-Heizung CO 2 -neutral. Keine Verschärfung des Treibhauseffekts. Kaum Gefahrenpotential bei Transport und Lagerung. Krisensicher: Unabhängigkeit vom internationalen Brennstoffmarkt. Stärkt die heimische Wirtschaft. Wertschöpfung bleibt im Land. Holz-Brennstoffe sind im Vergleich zu Heizöl und Erdgas sehr attraktiv zumindest in der EU: Beispiel Pellets: je Tonne (entspricht ca. 5 Cent / kwh; bei Öl/Gas sind es ca. 7-9 Cent / kwh) Holz-Heizungen werden in vielen Regionen finanziell gefördert (wie z.b. Solar- und Windenergie-Anlagen). 41

42 Pelletskessel für grösseren Leistungsbereich Entwicklung eines flexiblen und kompakten Spezialheizkessels für Pellets im grösseren Leistungsbereich. Seit 2005 / 2006 Typen BioLyt (50) BioLyt (70) BioLyt (75) Heizleistung kw kw kw Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 42

43 Pelletskessel für grösseren Leistungsbereich Entwicklung eines flexiblen und kompakten Spezialheizkessels für Pellets im grösseren Leistungsbereich. Seit 2009: Typen BioLyt (110) BioLyt (130) BioLyt (150) BioLyt (160) Heizleistung kw kw kw kw Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 43

44 urban sites Stückholz, Scheitholz (Bsp. Buche) 4 kwh / kg 1 Raum-Meter (Ster) = 450 kg = 1`800 kwh Pellets-Anwendung kw v.a. bei urban sites (im Ggs. zu Hackschnitzeln) > 70 % sind Sanierungen enge Heizräume Kessel-Positionierung / -Anschlüsse oft nicht veränderbar schwierige Kessel-Einbringung Platzbedarf für Wartung bisheriger Öl-Tankraum oft nicht direkt neben Kessel Emissionen spielen wichtige Rolle Hoval / Jan-12 44

45 Pelletskessel BioLyt (50, 70) im Schnitt > 70 % sind Sanierungen enge Heizräume Kessel-Positionierung / -Anschlüsse oft nicht veränderbar schwierige Kessel- Einbringung Platzbedarf für Wartung Tankraum oft nicht direkt neben Kessel Emissionen spielen wichtige Rolle Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 45

46 Tankraum oft nicht direkt neben Kessel => immer mit Sauger Entfernung bis zu 25 Meter in Sonderfällen auch mehr Hoval / Jan-12 Hoval Biomasse 46

47 sonstige Lager-Möglichkeiten z.b. Standsilo mit Sauger 47

48 sonstige Lager-Möglichkeiten z.b. Erdtank mit Sauger Spezial - Maulwurf-System für Erdtanks bis ca. 30 t (50 m 3 ) 48

49 Hoval - Gewebesilos auf Anfrage: bis 30 Tonnen Pellets Standard-Silos bis 10 t Trog-Silos Industrie-Gross-Silos 49

50 Projektbeispiel 1 Rathaus Pliezhausen bei Stuttgart (DE) monovalente Kaskade 2x BioLyt (70) Pufferspeicher 1500 ltr. 2x Gewebesilo 50

51 Projektbeispiel 2 Kirchengemeinde in Tettnang (DE) bivalente Kaskade 1x BioLyt (160) 1x UltraGas (150) 40 m 2 Solaranlage Heizzentrale im Gemeindezentrum mit Kindergarten zudem Anschluss von 3 weiteren Gebäuden (Wärmeverbund) 51

52 Details 52

53 Projektbeispiel 3 MFH Hochhaus Ludwigsburg (DE) 1x BioLyt (160) / 1x Ölkessel (Bestand) 1x 50 m3 Pellets-Erdspeicher bivalente Kaskade 53

54 Projektbeispiel 4 Klinik Seeschau Kreuzlingen / Bodensee (CH) 1x BioLyt (160) 1x UltraGas (250) bivalente Kaskade 54

55 Projektbeispiel 5 Schulzentrum Burgebrach bei Bamberg (DE) 3x BioLyt (160) Nahwärme Netz, inkl. Hallenbad monovalente Kaskade 450 kw! 55

56 Projektbeispiele Alle diese Anlagen speziell die, wo ein Grundlastkessel mit Pellets läuft sind potentielle Einsatzgebiete für die Stirling- Kombination! 56

57 Pelletskessel BioLyt (50, 70) im Schnitt > 70 % sind Sanierungen enge Heizräume Kessel-Positionierung / -Anschlüsse oft nicht veränderbar schwierige Kessel- Einbringung Platzbedarf für Wartung Tankraum oft nicht direkt neben Kessel Emissionen spielen wichtige Rolle und Konzept perfekt geeignet für die Einbindung eines Stirling-Motors Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 57

58 BioLyt (50, 70) mit Stirling-Motor: Einbau hinten Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 58

59 Erste Feldtestanlage Die erste Hoval Stirling - Feldtestanlage mit Pellets. In Betrieb seit Juni Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 59

60 Projektbeispiel: Neubergschule in Neckarsulm (DE) Doppelkessel 2x BioLyt (70) mit Anschluss Nebengebäude (Wärmeverbund) Grundlastkessel mit Stirling-Motor (Testbetrieb seit Juni 2007) Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 60

61 Neubergschule: Hydraulische Einbindung Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 61

62 Projektverlauf Überarbeitung der Motorkonstruktion im Hinblick auf die Serienproduktion Vorbereitung der ersten kleinen Serienproduktion und Markteinführung Beginn Projekt 3 kw - Maschine (Prototyp) Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 62

63 Herstellerangaben Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 63

64 Projektverlauf Produktion / Verkauf der 3. Generation vom AgroLyt -Stirling mit 1 kw elektr. seit Herbst 2008 Hoval Stirling-Motor, 3. Generation (0-Serie) Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 64

65 Projektverlauf Erste Inbetriebnahmen dieser AgroLyt - Stirling - Anlagen ab Februar 2009 Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 65

66 Aktueller Projektstatus Status 2011: ca. 10 Anlagen (1 kw) mit Stückholz in Betrieb 3 Test-Anlagen (1 kw) mit Pellets in Betrieb, u.a. bei der HLK-Innung in München Projekt 3 kw in Arbeit, u.a. auch Diplomarbeit Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 66

67 Aktueller Projektstatus Diplomarbeit Leistung in Watt Leistung in Abhängigkeit von Temperatur und Druck (100% Stickstoff) Temperatur in C 8 bar 10 bar 12 bar 14 bar 16 bar 18 bar 20 bar Linear (8 bar) Linear (10 bar) Linear (12 bar) Linear (14 bar) Linear (16 bar) Linear (18 bar) Linear (20 bar) Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 67

68 Ausblick / Wirtschaftlichkeit Priorität: Weiterarbeit am Projekt Pellets-Stirling und am 3 kw Motor Einspeisevergütung für Strom aus Biomasse: ca. 20 Cent / kwh Heute: 1 kw elektr. / max Std. mit Stückholz 1000 kwh / Jahr = ca Euro Vision: 3 kw elektr. / 3000 Std. mit Pellets 9000 kwh / Jahr = ca Euro Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 68

69 Resonanz am Markt grundsätzlich grosses Interesse am Konzept (Begeisterung für die Idee Strom aus Holz ) in Abhängigkeit vom Ölpreis mehr oder weniger aber heute noch keine Wirtschaftlichkeit gegeben (geringe Einspeisevergütung im Vgl. zu Photovoltaik, keine BHKW- Förderung) VW Lupo 3-Liter-Auto Effekt => jeder findet`s toll aber keiner kauft`s Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 69

70 Ausblick aus Sicht von Hoval Projekt läuft weiter / System AgroLyt -Stirling bleibt im Verkauf Weiterarbeit am Projekt BioLyt-Stirling (Pellets) und am 3 kw Motor allerdings aktuell kein Schwerpunktprojekt im Bereich F&E Biomasse (kommerziell wichtiger sind z.b. die Pellets-Grosskessel bis 300 kw) FAZIT: Hoval bleibt am Projekt Biomasse-Stirling dran (einige andere sind ja ausgestiegen); aber ohne Termindruck, weil Gesamtsystem derzeit noch nicht wirtschaftlich darstellbar ist. Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 70

71 Weitere Infos / Publikationen Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 71

72 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Wärme und Strom aus Biomasse Daniel Hegele, Dipl. Ing. (FH) / Hoval AG, Vaduz (Liechtenstein) ZG1 ZG2 ZG3