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, 72762 Reutlingen, www.reutlingen-university.de Tel. +49 (0)7121 271-7041, Fax +49 (0)7121 271-7004, bernd.thomas@reutlingen-university.de
Grundlagen
Grundlagen Der Stirlingprozess Kompressionskolben Expansionskolben Erhitzer Regenerator Kurbeltrieb Kühler Kompressionsraum Expansionsraum Robert Stirling 1790-1878 Patent: 1816 Arbeitsgas: Luft,Helium Wasserstoff Arbeitsdruck: 1 150 bar Erhitzertemp: 600-750 C
Grundlagen Thermodynamik des Stirlingprozesses 1. 2. 3. 4. Verdichten Verschieben Entspannen (innere) Abkühlung Erwärmung Kompressionswärme Kompressionswärme Entspannungswärme Arbeit Arbeit Nettoarbeit
Grundlagen Stirlingmaschine SOLO V161
Grundlagen Der ideale Stirlingprozesses 1 2 isotherme Kompression 2 3 isochore Erwärmung 3 4 isotherme Expansion 4 1 isochore Abkühlung => Carnot-Wirkungsgrad
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
Grundlagen alpha, beta, gamma-stirlingmaschine
Grundlagen atmosphärische, hermetische Stirlingmaschine hohe Kolbenkräfte Ölschmierung Arbeitsgasverluste schweres Gehäuse trocken laufende Lager hermetisch dicht
Stirling-Kältemaschinen
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
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
Stirling-Kältemaschinen Stirling Cryogenics BV 1-stufige Stirlingkältemaschine SPC-1 1 Zyl.(beta)Stirlingmaschine Arbeitsgas: Helium Temp.bereich: 65-200 K Kälteleistung: 0,7-3 kw Antriebsleistung: 6-12 kw Wartungsintervall: 6.000 h Status: am Markt verfügbar Quelle: www.stirlingcryogenics.com
Stirling-Kältemaschinen Stirling Cryogenics BV 1-stufige Stirlingkältemaschine SPC-4 4 Zyl.(beta)Stirlingmaschine Arbeitsgas: Helium Temp.bereich: 65-200 K Kälteleistung: 3,5-12 kw Antriebsleistung: 24-47 kw Wartungsintervall: 6.000 h Status: am Markt verfügbar Quelle: www.stirlingcryogenics.com
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: 6.000 h Status: am Markt verfügbar Quelle: www.stirlingcryogenics.com
Stirling-Kältemaschinen AIM INFRAROT-MODULE GmbH Stirling-Kryokühler SF 100 Quelle: www.aim-ir.com 1 Zyl.(gamma)Stirlingmaschine Arbeitsgas: Helium Kälteleistung: 2 W Antriebsleistung: 58 W jeweils bei 80K/23 C Lebensdauer: > 20.000 h Status: am Markt verfügbar
Stirling-Kältemaschinen Global Cooling Stirling-Kühler SC-..08 1 Zyl.(beta)Freikolben- Stirlingmaschine Arbeitsgas: Helium Kälteleistung: 75 W COP: 1,2 jeweils bei -23/35 C Status: am Markt verfügbar Quelle: www.globalcooling.com
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: www.globalcooling.com
Stirlingmotoren
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
Quelle: www.cleanergyindustries.com
Mit regenerativen Brennstoffen betriebene Stirlingmotoren
Stirlingmotoren Cleanergy Biokraftverk V161 Quelle: www.cleanergyindustries.com 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: 92-96 %
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: 1.10.2005 31.3.2008 Projektpartner: Hochschule Reutlingen Universität Hohenheim ZSW Stuttgart
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 ] 470 648 31 35 Schwefeldioxid SO 2 [mg/nm 3 ] 23 32 11 15 Stickoxide NO X als NO 2 [mg/nm 3 ] 560 5276 33 59 Gesamtkohlenstoff C ges [mg/nm 3 ] 137 587 11 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 ] 19 86 8 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
Stirlingmotoren Stirling Biopower FleXgen G38 Quelle: www.qalovis.com www.stirlingbiopower.com 4 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 %
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 10.000 h Betriebserfahrungen Vorläufermodell STM 4-120 (ENX25) in mehreren Generationen entwickelt Taumelscheiben antrieb doppelt wirkende Kolben Quelle: www.qalovis.com www.stirlingbiopower.com
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: www.stirling.dk
Stirlingmotoren Stirling Denmark SD4-E Aufbau des Erhitzers (Vorversion) Quelle: www.stirling.dk
Stirlingmotoren Stirling Denmark SD4-E Heizungswasser Austritt Kamin Economiser Luftvorwärmer Anlagenschema Elektrische Leistung Zuluft Heizungswasser Eintritt Brennstoff- (Hackschnitzel) zufuhr Quelle: www.stirling.dk
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.
Vortragsreihe Sonderprobleme der HLK-Technik Stirlingmotoren HOVAL Agrolyt Quelle: www.hoval.de Hochschule Reutlingen, Prof. Dr.-Ing. Bernd Thomas
Stirlingmotoren HOVAL Agrolyt Stückholzvergaserkessel Agrolyt mit 1 Zyl. (beta) Stirling-Motor Brennstoff: Stückholz Status: abgeschlossener Feldtest Elektr. Leistung: Heizleistung: 0,8 1,1 kw 18-36 kw Quelle: www.hoval.de
Mit Erdgas betriebene Stirlingmotoren
Stirlingmotoren BHKW-Prüfstand an der Hochschule Reutlingen
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: 102-96 % Quelle: www.sanevo.de www.whispertech.com
Stirlingmotoren SenerTec Ecogen Freikolben-Stirlingmotor Brennstoff: Status: Erdgas Markteinführung Elektr. Leistung: 0,3-1 kw Heizleistung: 4-6 kw Heizleistung: 10 22 kw (mit Zusatzbrenner) Elektr. Wirkungsgrad: 12-14 % Gesamtwirk.grad: >92 % Quelle: Weisenberger, D.: Konzeption einer 1kW Energiezentrale mit Stirling-Heizgerät, Vortrag, CEP10
Stirlingmotoren Freikolben-Stirlingmotoren Quelle: www.sunpower.com
Stirlingmotoren Mini-BHKW: Vergleich Gesamtwirkungsgrade
Stirlingmotoren Mini-BHKW: Vergleich elektr. Wirkungsgrade
Stirlingmotoren elektrischer Wirkungsgrad ηelektr. = ηverbr. ηprozess ηmech. ηgen. ηelektr. = ηverbr. ηstirling mit TBezug = 0 C, cp = const. 1600-800 => ηverbr. = = 50 % 1600-0 mit ηstirling = 30 % => ηelektr. = 15 %
Stirlingmotoren elektrischer Wirkungsgrad mit Luvo mit TBezug = 0 C, cp = const. 2050-800 => ηverbr. = = 78 % 1600-0 mit ηstirling = 30 % => ηelektr. = 23,4 %
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
Stirlingmotoren Abwärmenutzung Bei der Abwärmenutzung kann kein Luftvorwärmer eingesetzt werden. => schlechte Ausnutzung der Abwärme (und/oder geringer Wirkungsgrad des Stirlingprozesses)
Zusammenfassung
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