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
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
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. 1500 Mitarbeiter Aus Erfahrung aus den Alpen! Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 3
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
Geschäftsfelder Heiztechnik Klimatechnik Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 5
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
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
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
Hoval Heiztechnik Solarsysteme Belaria BioLyt MultiJet UltraGas Thermalia AgroLyt UltraOil TopGas Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 9
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
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
Funktionsprinzip Stirling-Motor
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
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
Prinzipieller Aufbau Erhitzerkopf Verdrängerkolben Regenerator Kühler Arbeitskolben 2 Kurbelzapfen 90 phasenverschoben Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 15
Prinzipieller Ablauf Isotherme Kompression Isochore Erwärmung Isotherme Expansion Isochore Abkühlung Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 16
Stirling und Stückholzkessel
Einbau beim Stückholzkessel Flammenumkehr bei ca. 800 C Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 18
Vorversuche bei Hoval Teil 1 Technische Daten der Testanlage 1: Kessel Holzvergaser Hoval PuroLyt (45) Thermische Leistung 20 45 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. 1300 h Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 19
Einbau Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 20
Einbau Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 21
Vorversuche bei Hoval Teil 2 Technische Daten der Testanlage 2: Kessel Holzvergaser Hoval AgroLyt (35) lambda Thermische Leistung 18 36 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. 1200 h Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 22
Zusammenhang Messwerte: Elektr. Leistung <--> Erhitzerkopf-Temperatur AgroLyt Stirling Messwerte über einen Zeitraum von 6 Stunden 1000 P elektr. [W]/T Erhitzerkopf [ C] 900 800 700 600 500 400 300 1 2 3 4 5 6 7 8 Messpunkte P el. [W] T E-Kopf [ C] Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 23
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. 2500 Betriebsstunden gefahren. Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 24
Projektverlauf 2004 / 2005 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
Projektbeispiel Poschiavo (CH) Inselanlage ohne Anschluss ans öffentliche Stromnetz Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 26
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
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
Projektbeispiel Harpstedt (DE) AgroLyt mit Stirling im Netzverbund (380 Volt Drehstromgenerator) Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 29
Projektbeispiel Sulzbach (DE) 1 AgroLyt mit Stirling im Netzverbund (380 Volt Drehstromgenerator) Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 30
Projektbeispiel Sulzbach (DE) 2 AgroLyt mit Stirling im Netzverbund (380 Volt Drehstromgenerator) Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 31
Weitere Feldtest-Standorte in DE Hoval Stirling-Motor, 2. Generation Weinstadt (Stuttgart) Stockach (Bodensee) Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 32
Projektverlauf 2004 / 2005 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
Motorkühlung: Konzept ideale hydraulische Einbindung Wichtig: Möglichst hohe Temperaturdifferenz im Stirling-Prozess Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 34
Motorkühlung 1: Reale hydraulische Einbindung (Beispiel 1: Sulzbach) Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 35
Motorkühlung 2: Reale hydraulische Einbindung (Beispiel 2: Stockach) Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 36
Projektverlauf 2006-2008 Begleitung und Auswertung des Feldtests Optimierung des Gesamtsystems Monitoring-Projekt mit IZES, Saarbrücken / FNR Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 37
Optimierung des Gesamtsystems Monitoring-Projekt mit IZES, Saarbrücken / FNR Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 38
Ab 2006: Prüfstandsversuche mit Pelletskessel Stirling-Motor mit Pelletskessel (50 / 70 kw thermisch) Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 39
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!
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: 230.- 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
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 14 49 kw 20 69 kw 20 73 kw Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 42
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 31 105 kw 39 130 kw 43 149 kw 43 156 kw Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 43
urban sites Stückholz, Scheitholz (Bsp. Buche) 4 kwh / kg 1 Raum-Meter (Ster) = 450 kg = 1`800 kwh Pellets-Anwendung 50 300 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
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
Tankraum oft nicht direkt neben Kessel => immer mit Sauger Entfernung bis zu 25 Meter in Sonderfällen auch mehr Hoval / Jan-12 Hoval Biomasse 46
sonstige Lager-Möglichkeiten z.b. Standsilo mit Sauger 47
sonstige Lager-Möglichkeiten z.b. Erdtank mit Sauger Spezial - Maulwurf-System für Erdtanks bis ca. 30 t (50 m 3 ) 48
Hoval - Gewebesilos auf Anfrage: bis 30 Tonnen Pellets Standard-Silos bis 10 t Trog-Silos Industrie-Gross-Silos 49
Projektbeispiel 1 Rathaus Pliezhausen bei Stuttgart (DE) monovalente Kaskade 2x BioLyt (70) Pufferspeicher 1500 ltr. 2x Gewebesilo 50
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
Details 52
Projektbeispiel 3 MFH Hochhaus Ludwigsburg (DE) 1x BioLyt (160) / 1x Ölkessel (Bestand) 1x 50 m3 Pellets-Erdspeicher bivalente Kaskade 53
Projektbeispiel 4 Klinik Seeschau Kreuzlingen / Bodensee (CH) 1x BioLyt (160) 1x UltraGas (250) bivalente Kaskade 54
Projektbeispiel 5 Schulzentrum Burgebrach bei Bamberg (DE) 3x BioLyt (160) Nahwärme Netz, inkl. Hallenbad monovalente Kaskade 450 kw! 55
Projektbeispiele Alle diese Anlagen speziell die, wo ein Grundlastkessel mit Pellets läuft sind potentielle Einsatzgebiete für die Stirling- Kombination! 56
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
BioLyt (50, 70) mit Stirling-Motor: Einbau hinten Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 58
Erste Feldtestanlage Die erste Hoval Stirling - Feldtestanlage mit Pellets. In Betrieb seit Juni 2007. Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 59
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
Neubergschule: Hydraulische Einbindung Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 61
Projektverlauf 2008-2010 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
Herstellerangaben Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 63
Projektverlauf 2008-2010 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
Projektverlauf 2008-2010 Erste Inbetriebnahmen dieser AgroLyt - Stirling - Anlagen ab Februar 2009 Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 65
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
Aktueller Projektstatus Diplomarbeit Leistung in Watt 1500 1450 1400 1350 1300 1250 1200 1150 1100 1050 1000 950 900 850 800 750 700 650 600 550 500 Leistung in Abhängigkeit von Temperatur und Druck (100% Stickstoff) 580 590 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700 710 720 730 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
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. 1000 Std. mit Stückholz 1000 kwh / Jahr = ca. 200.- Euro Vision: 3 kw elektr. / 3000 Std. mit Pellets 9000 kwh / Jahr = ca. 1800.- Euro Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 68
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
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
Weitere Infos / Publikationen Hoval / Jan-12 Stirlingmotor - Wärme und Strom aus Biomasse 71
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Wärme und Strom aus Biomasse Daniel Hegele, Dipl. Ing. (FH) / Hoval AG, Vaduz (Liechtenstein) ZG1 ZG2 ZG3