FREIKOLBEN - RESONANZSTIRLING: Das Herzstück fortschrittlicher «Stromerzeugender Heizungen»

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1 FREIKOLBEN - RESONANZSTIRLING: Das Herzstück fortschrittlicher «Stromerzeugender Heizungen» Rudolf Schmid AG, Thörishaus (R. Schmid, J.P. Budliger) TECHNIK - STIRLING für STROMPRODUZIERENDE HEIZUNGEN - RESONANZ - FREIKOLBENSYSTEME - AUFBAU, FUNKTIONSWEISE - BETRIEBS CHARAKTERISTIKEN WIRTSCHAFTLICHKEIT - ENERGIE- EINSPARUNGEN / UMWELT-BELASTUNG - ERWARTETE VORTEILE VERGLEICH MIT ALTERNATIVEN TECHNOLOGIEN

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3 KWK : KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG = STROMPRODUZIERENDE HEIZUNG Lokale Stromproduktion am Ort ihres Verbrauchs Die gesamte Abwärme der Einheit dient zum Heizen Flexibler Betrieb entsprechend Bedarf Kleine Einheiten als Ersatz bestehender Heizkessel zuverlässiger, langdauernder Betrieb einfaches, ökonomisches Massenprodukt neues Konzept einer STIRLING - Freikolbenmaschine

4 Konventioneller Freikolben-Stirling (nach W. Beale, 1974) frei schwingender Verdränger Arbeitskolben Aufheizen Entspannen Komprimieren Kühlen Elektrischer Lineargenerator Tellerfedern Die beiden Kolben müssen mit einer festen Phasenverschiebung schwingen

5 V H ARBEITSPRINZIP p V C X V H V C Verdränger- Kolben V H, V C KOMPRIMIEREN HEIZEN ENTSPANNEN KÜHLEN

6 RESONANZPRINZIP p V H, V C x V H V H / V C V C Resonanzkolben DRUCKÄNDERUNG GEGEN VOLUMENÄNDERUNG VERSETZT

7 STABILITÄT DER STIRLING FREIKOLBEN-SYSTEME Y p A X Y p X t X = Hauptkolben Y = Verdrängerkolben, resp. Resonanzkolben p = Druck des Arbeitsgases A übliche Freikolben-Stirlings Y(f) X(f) der Verdrängerkolben Y wird durch den Hauptkolben X angeregt und kann infolge des Regenerators in einem Frequenzband mitschwingen A Freikolben-Resonanzstirling Y(f) X(f) die Frequenz des Hauptkolbens X wird durch den Lineargenerator bestimmt, jene des Resonanzkolbens Y durch seine Masse und die wirkende pneumatische Federkraft Freq. Freq. die Phasendifferenz der beiden Kolben kann sich laufend verändern, was zu einem instabilen Verhalten führen kann exakte Frequenzabstimmung : feste Differenz der Phasenlagen: stabil auch bei hohen Druckamplituden

8 konventioneller vs. Resonanz - Stirling Freikolben-Stirling. frei schwingender Verdränger frei schwingende Resonanzmasse Arbeitskolben Verdränger- Arbeitskolben International patentiert

9 RESONANZ - STIRLING Brennkammer Heizrohre Entspannungs volumen Regenerator MECHANISCHER AUFBAU Verdränger- Arbeitskolben Kühler Resonanzkolben Kompressionsvolumen Lineargenerator Gegenschwingmasse Tellerfedern

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13 TEILLAST- BETRIEB Stabiler Arbeitsbereich T H ( C) Resonanz- Stirling übliche Stirlings WRK (Ws) ETA (%) 35 Resonanz- Stirling übliche Stirlings WRK Ws)

14 MESSRESULTATE VOLLLAST TEILLAST Elektrische Leistung N EL W 1'235 W Heizleistung Q W 6'500 W Verfügbare Heizleistung Q H 6'300 W 4'600 W elektr. Wirkungsgrad ή EL % % Gesamtwirkungsgrad ή TOT ( 90 % ) (90 %) Druckverhältnis p MAX /p MIN ) Frequenz f 50 Hz 50 Hz Direkte Netzeinspeisung des erzeugten Stroms

15 ERWARTETE VORTEILE DES RESONANZ - SYSTEMS Günstiger, flexibler Teillastbetrieb : Hohe Heizrohrtemperaturen Hoher Wirkungsgrad (auch unter Teillast) Stabiler Betrieb, ohne komplexes Kontrollsystem Höhere Druckverhältnisse und Wirkungsgrade FLOX Verbrennung in einem weiten Lastbereich Heizrohre werden nicht überhitzt

16 H.X. FLOX BRENNER (Lean Combustion) Temperaturen: Luft-Vorwärm. ~ C Verbrennung ~ C Heizrohre ~ C O 2 - Konzentration am Venturi - Eintritt: ~ 4 6 %

17 RESONANZ- STIRLING STROMPRODUZIERENDE HEIZUNG Wartungsarm, sauber wenig Lärm, vibrationsfrei Hoher elektrischer und Gesamtwirkungsgrad Kompakte Maschine dank hoher Leistungsdichte

18 KWK zum Antrieb einer WP ( VIRTUELLES KRAFTWERK ) VERBRENNUNG Wärmezufuhr : 1.0 KWK Elektrizität 0.20 WP KALTE QUELLE Wärmemenge : Wärmeabfuhr : 0.8 Wärmeabgabe Verfügbare Energie Heizwärme total: Einsparung: (37 45%)

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20 ANTRIEB EINER WÄRMEPUMPE (WP) MIT STROM eines Kohlekraftwerkes (KKW) oder einem Mikro-KWK ( - KWK) CO 2 -Ausstoss Steinkohle: 400 g/kwh Erdgas : 220 g/kwh Braunkohle: 450 g/kwh Electricity 43% Electricity 20% KKW WP KWK WP ohne Abwärme mit Abwärme Bedarf KKW Bedarf WKK Ratio Energieverbrauch Ratio CO2- Ausstoss Bei KKW-Antrieb ist der CO 2 -Ausstoss mal höher als bei KWK, ähnlich hoch wie bei üblichen Gasheizungen Es darf nicht sein, dass der mangelnde Antriebsstrom für die WP aus Kohlekraftwerken bezogen wird : Das im Ausland ausgestossene CO2 belastet unsere Atmosphäre stark und trägt zur Klimaerwärmung bei.

21 Prof. Dr. H.J. Leibundgut, ETHZ: "Wir haben eine dramatische Aufgabe vor uns" Wir haben ein Stoffproblem und nicht ein Energieproblem (2006)

22 OEKONOMIE Brennstoff-Einsparung ~ 40% (flexible Leistungsanpassung nach Bedarf) Vertretbare Kosten bei Serienproduktion Stromproduktion bei Spitzenbedarf (im Winter) (komplementär zu Wärmepumpenbetrieb) Einfache Installation (retrofit units) Aufladung elektrischer und hybrider Automobile Erneuerbare Energien (Biomasse, Solar) Zuverlässiger Betrieb mit minimalem Unterhalt

23 VERGLEICH VERSCHIEDENER KWK - TECHNOLOGIEN EL Unterhalt flexibler Betrieb Betriebsdauer Investitionen Schadstoffe Brennstoff Schwefel Halogene Diesel- Engine Otto - Engine Microgen -Stirling Resonanz- Stirling Rankine cycle PEMFC Fuel-cell SOFC Fuel-cell

24 Vergleich der Wärme- und Stromproduktion einer SOFC-fuel cell mit einer Resonanz Stirling KWK Q TH (kw) Normalisierter Wärme- Bedarf eines Gebäudes Verfügbare Wärme Resonanz-Stirling Verfügbare Wärme SOFC-fuel cell SOFC-fuel cell: 1kWel EL = 30 60% Resonanz - Stirling: 2 kwel EL = 20% 0 N EL (kw) 2 Elektrische Leistung Resonanz-Stirling t (h) Elektrische Leistung SOFC fuel cell t (h)

25 ZUSAMMENFASSUNG EINFACHES MASCHINENKONZEPT: eignet sich zur Serienherstellung LANGER, UNTERHALTSFREIER, FLEXIBLER BETRIEB EINFACH ZU STARTEN, nach Vorheizung auf über 500 C STABILER BETRIEB mit minimalem Kontrollaufwand HOHER GESAMT- UND ELEKTRISCHER WIRKUNGSGRAD TEILLAST DURCH VERMINDERUNG DER HEIZLEISTUNG HOHER TEILLASTWIRKUNGSGRAD DIREKTE NETZ-EINSPEISUNG DES ERZEUGTEN STROMS

26 Wie weiter? Adressen: PCT - Patent : WO 2011/ US - Patent Appl.: US 2013/ A1 Verbesserung von Komponenten Feldtestanlagen : Langzeit Erprobung Betrieb im Netz / praktische Anwendung Industrielle Herstellung kommerzielle Abwicklung Partner

27 VERDANKUNGEN SIG NER : Klimastiftung: Services Industriels, Genf Schweiz J.P. Budliger: Konzept, Berechnungen M. Lindegger: Entwicklung elektrischer Lineargenerator Prof. H.P. Biner: Steuerung Regelung DANKE FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT