Biomasse-Verstromung mittels Stirlingmotor Grundlagen und praktische Erfahrungen

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1 Biomasse-Verstromung mittels Stirlingmotor Grundlagen und praktische Erfahrungen BIOENERGIESYSTEME GmbH Sandgasse 47, A-8010 A Graz,, Austria TEL.: +43 (316) ; FAX: +43 (316) office@bios-bioenergy bioenergy.at; HOMEPAGE:

2 Übersicht Definition und Einsatzgebiete von Biomasse Klein-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen Der Stirlingmotor-Prozess Grundlagen und Anwendung Pilotanlagen auf Basis Stirlingmotoren Entwicklungsziele und Ausblick

3 Einsatzgebiete für Biomasse Klein-Kraft Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen Elektrische Nennleistung von Biomasse Klein-Kraft-Wärme- Kopplungsanlagen: < 100 kw el Niedrige elektrische Wirkungsgrade nur wärmegeführter Betrieb wirtschaftlich sinnvoll Biomasse Klein-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen für die Grundlastabdeckung in kleinen Fernwärmenetzen Biomasse Klein-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen für kleine holzbe und verarbeitenden Betriebe (mit Prozesswärmebedarf) und für große Hotels Biomasse Klein-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen für Gebiete ohne elektrische Versorgung (Insellösungen)

4 Stirlingmotor-Prozess Grundprinzip Auf einem geschlossenen Kreislauf basierender Heißgasmotor, bei dem das Arbeitsgas in einem periodischen Ablauf in einem kalten Volumen komprimiert und in einem heißen Volumen expandiert wird Arbeitsgas: Luft, Stickstoff, Helium oder Wasserstoff (dzt. wird meist Helium eingesetzt) Die Stirlingmotor-Technologie ist für Biomasse Klein-Kraft- Wärme-Kopplungsanlagen gut geeignet

5 Stirlingmotor-Prozess Arbeitstakte 1-2 (isochorer Heiztakt) 2-3 (isothermer Expansionstakt) 3-4 (isochorer Kühltakt) 4-1 (isothermer Kompressionstakt)

6 Stirlingmotor-Prozess Schema der Einbindung in eine Biomasse-KWK KWK-Anlage Erhitzer- Wärmetauscher Luftvorwärmer Regenerator Economiser Rauchgas Generator Biomasse Luft Wärmeabnehmer Feuerraum Stirlingmotor Kühler- Wärmetauscher

7 Stirlingmotor-Prozess Energieflussbild für f r eine Biomasse-KWK 90 kw 300 kw Biomasse Primärenergie Feuerung Luftvorwärmer Economiser 245 kw 155 kw Stirling Motor 114 kw Rauchgasverluste 41 kw Wärme 140 kw 105 kw 219 kw 5 kw Wärmeverluste 35,5 kw Generator 0,5 kw Elektrische Energie 35 kw

8 Stirlingmotor-Prozess Einbindung in ein Fernwärmesystem 600 Leistung [kw] Spitzenlastkessel Biomassekessel 2 KWK-Modul Stromproduktion Betriebsstunden [h]

9 Stirlingmotor-Prozess Kenngrößen und Rahmenbedingungen Hohe Verbrennungstemperaturen für hohe Wirkungsgrade notwendig entsprechende Auslegung der Feuerung und Luftvorwärmung erforderlich Größenordnung der elektrischen Leistung von Stirlingmotoren liegt zwischen 10 kw el und 100 kw el, in Zukunft eventuell bis zu 150 kw el Der elektrische Wirkungsgrad liegt zwischen 6 bis 20 % (abhängig von den Temperaturen des Rauchgases und des Kühlwassers) Sehr kompakte Bauform (Aufrüstung bestehender Anlagen möglich)

10 Stirlingmotor-Prozess Betrieb und Regelung Entsprechende Auslegung des Erhitzerwärmetauschers für hohe Staubeladungen erforderlich (um Verschlackungen und Ascheablagerungen zu reduzieren) Automatische Abreinigungssystem für den Erhitzerwärmetauscher empfehlenswert (z.b. mit Druckluft) Anlagen mit Stirlingmotoren laufen im vollautomatischen Betrieb (auch die An- und Abfahrzustände werden automatisch geregelt) Das Teillastverhalten muss verbessert werden (kann durch entsprechende Anpassungen am Motor vergleichsweise einfach erfolgen)

11 Stirlingmotor-Prozess ökologische Aspekte Geräuscharmer Betrieb (die Lärmbelastung ist um rund 90% niedriger als die von Dieselmotoren) Keine gesetzlichen Auflagen bzgl. des Einsatzes von Helium oder Luft als Arbeitsgas vorhanden

12 Entwicklung einer KWK-Technologie auf Basis Stirlingmotor Entwicklung des Stirlingmotors: Technische Universität Kopenhagen Entwicklung der gesamten Biomasse KWK-Technologie: MAWERA Holzfeuerungsanlagen GmbH in Zusammenarbeit mit BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH Ziel: Entwicklung einer ausgereiften und marktfähigen Klein- Kraft-Wärme-Kopplungstechnologie auf Basis von Stirlingmotoren (elektrische Nennleistung 35 und 70 kw)

13 35 kw el Stirlingmotor Technische Universität Kopenhagen

14 35 kw el Pilotanlage auf Basis Stirlingmotor Übersicht

15 35 kw el Pilotanlage auf Basis Stirlingmotor Feuerung

16 70 kw el Stirlingmotor Technische Universität Kopenhagen

17 70 kw el Pilotanlage auf Basis Stirlingmotor Übersicht

18 KWK-Anlagen auf Basis Stirlingmotor - Stand der Entwicklung KWK-Anlagen auf Basis Stirlingmotor befinden sich derzeit in der Entwicklungsphase Erstes dänisches Pilotprojekt auf Basis Biomasseverbrennung - Inbetriebnahme 1998/99; TU Kopenhagen; P el = 28 kw; rund Betriebstunden Erstes dänisches Pilotprojekt auf Basis Biomassevergasung - Inbetriebnahme 2001; Vølund / TU Kopenhagen; P el = 35 kw; Testläufe sind derzeit im Gange Erstes österreichisches Pilotprojekt - Inbetriebnahme 09/2002; Mawera, Hard; P el = 35 kw; Dauertest ist derzeit im Gange Erstes EU-Pilotprojekt in Österreich - Inbetriebnahme der Anlage 10/2003; Mawera, Hard; P el = 70 kw; Dauertests sind angelaufen

19 Stirlingmotor-Proze Prozess - Technologiebewertung Stärken Kompakte Bauform Vollautomatischer Betrieb Wartungs- und geräuscharm Für Kleinanlagen geeignet Schwachstellen Erhitzer-Wärmetauscher Keine Langzeiterfahrungen für den Betrieb mit Biomassefeuerungen vorhanden Die Anwendung ist auf Hackgut, Sägespäne und Pellets beschränkt (asche- und chlorarme Brennstoffe)

20 Stirlingmotor-Prozess Entwicklungsziele und Ausblick (I) Serienfertigung wird die Produktionskosten deutlich reduzieren Großes Marktpotential in Österreich, Deutschland und Norditalien gegeben Der elektrische Anlagenwirkungsgrad liegt zwischen 6 und 20% (derzeit realistisch: 12 14%) Wärmegeführter Betrieb und korrekte Anlagenauslegung ist sehr wichtig: Ziel: über Volllaststunden pro Jahr

21 Stirlingmotor-Prozess Entwicklungsziele und Ausblick (II) 2003: Betrieb von 2 Pilotanlagen (35 and 75 kw el ) Stunden Dauertests 35 kw el -Pilotanlage: mehr als Stunden in Betrieb 70 kw el - Pilotanlage: seit 10/2003 in Betrieb Optimierung der Technologie und Vorbereitung der Kleinserienproduktion 2004: Fertigstellung der ersten Kleinserie von Stirlingmotoren und Einbau der Motoren in Demonstrationsanlagen

22 Konstruktion, Diskussion und Optimierung des Stirlingmotors durch 3D Konstruktion