Stirlingmaschinen in der Wärme- und Kältetechnik Funktion, Anwendungen, Potenziale

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1 Stirlingmaschinen in der Wärme- und Kältetechnik Funktion, Anwendungen, Potenziale Grundlagen Stirling-Kältemaschinen Stirlingmotoren (mit Biomasse / Erdgas betrieben) Zusammenfassung Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas Reutlingen Research Institut RRI Hochschule Reutlingen Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas, wiss. Leiter RRI, Fak. Technik, Hochschule Reutlingen, Alteburgstraße 150, Reutlingen, Tel. +49 (0) , Fax +49 (0) , bernd.thomas@reutlingen-university.de

2 Grundlagen

3 Grundlagen Der Stirlingprozess Kompressionskolben Expansionskolben Erhitzer Regenerator Kurbeltrieb Kühler Kompressionsraum Expansionsraum Robert Stirling Patent: 1816 Arbeitsgas: Luft,Helium Wasserstoff Arbeitsdruck: bar Erhitzertemp: C

4 Grundlagen Thermodynamik des Stirlingprozesses Verdichten Verschieben Entspannen (innere) Abkühlung Erwärmung Kompressionswärme Kompressionswärme Entspannungswärme Arbeit Arbeit Nettoarbeit

5 Grundlagen Stirlingmaschine SOLO V161

6 Grundlagen Der ideale Stirlingprozesses 1 2 isotherme Kompression 2 3 isochore Erwärmung 3 4 isotherme Expansion 4 1 isochore Abkühlung => Carnot-Wirkungsgrad

7 Grundlagen Der reale Stirlingprozesses 1 2 adiabate Kompression 2 3 isochore Erwärmung 3 4 adiabate Expansion 4 1 isochore Abkühlung => Carnot-Wirkungsgrad Weitere Verluste: Druckverluste, Todvolumina, Wärmeübergangs- und Wärmeleitungsverluste

8 Grundlagen alpha, beta, gamma-stirlingmaschine

9 Grundlagen atmosphärische, hermetische Stirlingmaschine hohe Kolbenkräfte Ölschmierung Arbeitsgasverluste schweres Gehäuse trocken laufende Lager hermetisch dicht

10 Stirling-Kältemaschinen

11 Stirling-Kältemaschinen Gütegrade verschiedener Prozesse Stirlingprozess Gütegrad ε/εcarnot / - Temperatur der Kältebereitstellung / C Nesselmann, K.: Verfahren zur Kälteerzeugung unter -100 C, Chemie-Ing.-Techn., 29. Jahrg., Nr. 3, 1957

12 Stirling-Kältemaschinen Vorteile/Nachteile Vorteile hohe Gütegrade bei niedrigeren Kältebereitstellungstemperaturen => Tiefkühlung, Verflüssigung von Erdgas und Luft, HT-Supraleitung, Kühlung von IR-Detektoren, Kryo-Medizin umweltneutrales Kältemittel (Helium, Wasserstoff) Flexibilität hinsichtl. Temperatur und Leistung der Kälteerzeugung wartungsarm Nachteile geringe Leistungsdichte höhere Drücke => schwere (teure) Ausführung

13 Stirling-Kältemaschinen Stirling Cryogenics BV 1-stufige Stirlingkältemaschine SPC-1 1 Zyl.(beta)Stirlingmaschine Arbeitsgas: Helium Temp.bereich: K Kälteleistung: 0,7-3 kw Antriebsleistung: 6-12 kw Wartungsintervall: h Status: am Markt verfügbar Quelle:

14 Stirling-Kältemaschinen Stirling Cryogenics BV 1-stufige Stirlingkältemaschine SPC-4 4 Zyl.(beta)Stirlingmaschine Arbeitsgas: Helium Temp.bereich: K Kälteleistung: 3,5-12 kw Antriebsleistung: kw Wartungsintervall: h Status: am Markt verfügbar Quelle:

15 Stirling-Kältemaschinen Stirling Cryogenics BV 1-stufige Stirlingkältemaschine StirLITE zur Erzeugung von LN2 1 Zyl.(beta)Stirlingmaschine Arbeitsgas: Helium LN2-Produktion: 2,5 l/h Antriebsleistung: <8 kw Wartungsintervall: h Status: am Markt verfügbar Quelle:

16 Stirling-Kältemaschinen AIM INFRAROT-MODULE GmbH Stirling-Kryokühler SF 100 Quelle: 1 Zyl.(gamma)Stirlingmaschine Arbeitsgas: Helium Kälteleistung: 2 W Antriebsleistung: 58 W jeweils bei 80K/23 C Lebensdauer: > h Status: am Markt verfügbar

17 Stirling-Kältemaschinen Global Cooling Stirling-Kühler SC Zyl.(beta)Freikolben- Stirlingmaschine Arbeitsgas: Helium Kälteleistung: 75 W COP: 1,2 jeweils bei -23/35 C Status: am Markt verfügbar Quelle:

18 Stirling-Kältemaschinen Global Cooling Kühlboxen mit Stirling-Kühlern Verschiedene Ausführungen für Kühltemperaturen von +4 C / -18 C / -40 C / -80 C Max. Leistungsaufnahme: 48 W (bei Variante -80 C: 130 W) Inhalt: 25 Liter Stromversorgung: 12 V DC Status: am Markt verfügbar Quelle:

19 Stirlingmotoren

20 Stirlingmotoren Vorteile / Nachteile geschlossener Kreisprozess keine Verunreinigungen im Prozessraum hohe Lebensdauer geringer Wartungsaufwand äußere Wärmezufuhr schadstoffarme Verbrennung Einsatz beliebiger Brennstoffe Bio -Brennstoffe Nachteile durch die äußere Wärmezufuhr träges Lastwechselverhalten hochwarmfeste Werkstoffe / Kosten

21 Quelle:

22 Mit regenerativen Brennstoffen betriebene Stirlingmotoren

23 Stirlingmotoren Cleanergy Biokraftverk V161 Quelle: 2 Zyl.(alpha)Stirling Motor Brennstoff: Bio-/Klärgas Status: am Markt verfügbar Arbeitsgas: Helium Elektr. Leistung: 2-9 kw Heizleistung: 8-26 kw Elektr. Wirkgrad: 25 % Gesamtwirk.grad: %

24 Stirlingmotoren SOLO Stirling V161 a.d. Kläranlage Rosenfeld Gekoppelte Produktion von Kraft und Wärme aus Bio-, Klärund Deponiegas in kleinen, dezentralen Stirlingmotor-BHKWs Gefördert im Programm BWPLUS Zeitraum: Projektpartner: Hochschule Reutlingen Universität Hohenheim ZSW Stuttgart

25 Stirlingmotoren SOLO Stirling V161 a.d. Kläranlage Rosenfeld Emissionsmessungen durch die LUBW und Vergleich mit Ottomotor-BHKW Schadgaskomponente Ottomotor-BHKW (Quelle : UIS report) Mittelwert Maximalwert untersuchte Anlagen SOLO Stirling V161 Kohlenmonoxid CO [mg/nm 3 ] Schwefeldioxid SO 2 [mg/nm 3 ] Stickoxide NO X als NO 2 [mg/nm 3 ] Gesamtkohlenstoff C ges [mg/nm 3 ] Gasförmige, anorganische Chlorverbindungen als HCL Gasförmige, anorganische Fluorverbindungen als HF [mg/nm 3 ] 0,16 0,2 3 [mg/nm 3 ] 1,5 2,9 4 Formaldehyd [mg/nm 3 ] Nicht nachweisbar Nachweisgrenze: 1 Nicht nachweisbar Nachweisgrenze: 0,2 Nicht nachweisbar Nachweisgrenze: 0,2 Nicht nachweisbar Nachweisgrenze: 1 Alle Angaben beziehen sich auf den Normzustand (1013hPa, 0 C, trocken) und bezogen auf 5 Vol% Sauerstoff im Abgas

26 Stirlingmotoren Stirling Biopower FleXgen G38 Quelle: Zyl. Siemens-Stirling Motor Brennstoff: Bio-/Klärgas Status: am Markt verfügbar Elektr. Leistung: 38 kw Therm. Leistung: 65 kw Elektr. Wirkgrad: 27,5 % Gesamtwirk.grad: 75 %

27 Stirlingmotoren Stirling Biopower FleXgen G38 Motor seit 20 Jahren in USA bei STM Power Inc. entwickelt Bisher über 50 Testanlagen aufgebaut mit zum Teil mehreren h Betriebserfahrungen Vorläufermodell STM (ENX25) in mehreren Generationen entwickelt Taumelscheiben antrieb doppelt wirkende Kolben Quelle:

28 Stirlingmotoren Stirling Denmark SD4-E 4 Zyl. Siemens-Stirling Motor Brennstoff: Holz-Hackschnitzel Status: am Markt verfügbar Arbeitsgas: Helium Mittl. Arbeitsgasdruck 45 bar Elektr. Leistung: 35 kw Therm. Leistung: 88,5 kw Elektr. Wirkungsgrad: 28 % Quelle:

29 Stirlingmotoren Stirling Denmark SD4-E Aufbau des Erhitzers (Vorversion) Quelle:

30 Stirlingmotoren Stirling Denmark SD4-E Heizungswasser Austritt Kamin Economiser Luftvorwärmer Anlagenschema Elektrische Leistung Zuluft Heizungswasser Eintritt Brennstoff- (Hackschnitzel) zufuhr Quelle:

31 Stirlingmotoren SUNMACHINE 2 Zyl.(alpha)Stirling Motor Brennstoff: Holzpellets, Solar Arbeitsgas: Stickstoff Elektr. Leistung: 1,5-3 kw Therm. Leistung: 4,5-10 kw Die Firma Sunmachine hat im April 2010 Insolvenz angemeldet.

32 Vortragsreihe Sonderprobleme der HLK-Technik Stirlingmotoren HOVAL Agrolyt Quelle: Hochschule Reutlingen, Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas

33 Stirlingmotoren HOVAL Agrolyt Stückholzvergaserkessel Agrolyt mit 1 Zyl. (beta) Stirling-Motor Brennstoff: Stückholz Status: abgeschlossener Feldtest Elektr. Leistung: Heizleistung: 0,8 1,1 kw kw Quelle:

34 Mit Erdgas betriebene Stirlingmotoren

35 Stirlingmotoren BHKW-Prüfstand an der Hochschule Reutlingen

36 Stirlingmotoren WhisperGen 4 Zyl. Siemens-Stirling Motor Brennstoff: Erdgas Status: am Markt verfügbar Elektr. Leistung: 1 kw Heizleistung: 7,5 8,3 kw Heizleistung: 13,2 14,5 kw (mit Zusatzbrenner) Elektr. Wirkungsgrad: 10 % Gesamtwirk.grad: % Quelle:

37 Stirlingmotoren SenerTec Ecogen Freikolben-Stirlingmotor Brennstoff: Status: Erdgas Markteinführung Elektr. Leistung: 0,3-1 kw Heizleistung: 4-6 kw Heizleistung: kw (mit Zusatzbrenner) Elektr. Wirkungsgrad: % Gesamtwirk.grad: >92 % Quelle: Weisenberger, D.: Konzeption einer 1kW Energiezentrale mit Stirling-Heizgerät, Vortrag, CEP10

38 Stirlingmotoren Freikolben-Stirlingmotoren Quelle:

39 Stirlingmotoren Mini-BHKW: Vergleich Gesamtwirkungsgrade

40 Stirlingmotoren Mini-BHKW: Vergleich elektr. Wirkungsgrade

41 Stirlingmotoren elektrischer Wirkungsgrad ηelektr. = ηverbr. ηprozess ηmech. ηgen. ηelektr. = ηverbr. ηstirling mit TBezug = 0 C, cp = const => ηverbr. = = 50 % mit ηstirling = 30 % => ηelektr. = 15 %

42 Stirlingmotoren elektrischer Wirkungsgrad mit Luvo mit TBezug = 0 C, cp = const => ηverbr. = = 78 % mit ηstirling = 30 % => ηelektr. = 23,4 %

43 Stirlingmotoren elektrischer Wirkungsgrad mit Luvo Der Luftvorwärmer bewirkt eine entscheidende Verbesserung des mechan./elektrischen Wirkungsgrades von Stirlingmotoren. Problem: Höhere Temperaturen in der Brennkammer => höhere Materialbelastung => höhere Wärmeverluste => höhere NOx-Bildung

44 Stirlingmotoren Abwärmenutzung Bei der Abwärmenutzung kann kein Luftvorwärmer eingesetzt werden. => schlechte Ausnutzung der Abwärme (und/oder geringer Wirkungsgrad des Stirlingprozesses)

45 Zusammenfassung

46 Zusammenfassung Der Stirlingprozess ist ein geschlossener Kreisprozess, der im Idealfall den Carnot-Wirkungsgrad erreichen kann. Stirlingmaschinen sind in der Kältetechnik etabliert. Stirlingmotoren sind für stationäre Anwendungen (z.b. KWK) insbesondere zum Einsatz von regenerativen Brennstoffen geeignet. Vorteile: geringer Wartungsaufwand, geräuscharmer Betrieb, geringe Abgasemissionen Bei der thermodynamischen Auslegung ist die Randbedingung der isothermen Beheizung zu beachten. Einsatz eines Luftvorwärmers ratsam, Abwärmenutzung problematisch