Erfahrungen mit Strom erzeugenden Heizungen Solo Stirling-BHKW in einer Berliner Feuerwache 07. September 2006, Leipzig ASUE-Fachtagung Strom erzeugende Heizungen Silvio Grafe - VNG - Verbundnetz Gas AG
Feuerwache Kreuzberg Wiener Straße 64, 10999 Berlin 365 Tage im Jahr besetzt 24 Stunden Betrieb 15-20 MA 12/12 hohes Einsatzaufkommen ca. 950 Alarme/Monat
Hintergrund für den Einsatz starkes Engagement im Mikro-KWK-Bereich (VNG, GASAG ) Diplomarbeit vorliegende Messdaten für Zeitraum Juli 2002 - Juni 2003 ¼ - stündliche Lastgangmessungen von Strom- und Wärme für Gebäudebeheizung und Trinkwassererwärmung Ergebnis: kontinuierlicher, ganzjähriger Strom- und Wärmebedarf ca. 5.680 h - 100% Auslastung ca. 7.800 h - mit Teillast
Jahresdauerlinien Strom und Wärme P elektrisch Geordnete Jahresdauerlinien für elektrische und thermische Energie Q thermisch 50kW 250kW 45kW 40kW Wirkleistung Wärme 200kW 35kW 30kW 150kW 25kW 20kW 100kW 15kW 10kW 50kW 5kW 0kW 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Stunden/Jahr Dr.-Ing. Straßberger Dipl.-Ing. Seidel 0kW
Auslastung Prozentuale Auslastung des BHKW Moduls Solo Stirling 100% 80% 5680h M1 el 60% 40% 20% Berechnungsgrundlagen: Messergebnisse 7/02 6/03 keine Netzeinspeisung 100%Wärmeauslastung Herstellerangaben P,Q,η 7800h 0% 4000 8000 12000 16000 20000 24000 28000 32000 36000 40000 Anzahl der Messwerte (4000Messwerte entsprechen 1000Stunden) Dr.-Ing. Straßberger Dipl.-Ing. Seidel
Hauptkomponenten Stirlingmotor Erhitzer Regenerator Gaskühler Kompressionszylinder Expansionszylinder Kurbeltrieb
Wirkungsweise Bewegung von 2 Kolben (Arbeits- und Verdrängerkolben) Arbeitskolben verrichtet mechan. Arbeit (Expansionszylinder) unter Wärmezufuhr Kompression unter Wärmeabfuhr Arbeitsmedium wird in einem Kreisprozess aus zwei Isothermen und zwei Isochoren periodisch expandiert und komprimiert (Verschieben des Arbeitsgases zwischen den Zylindern durch Kolbenbewegung Erzielbare Leistung und der Wirkungsgrad hängen sowohl von den Temperaturen der Wärmezu- und Wärmeabfuhr ab, als auch von der gesamten Volumenänderung in der Maschine und dem mittleren Arbeitsgasdruck
Vergleich Otto-/Stirlingmotor Ottomotor Offener Kreisprozeß Innere Verbrennung Stirlingmotor Geschlossener Kreisprozeß Äußere Verbrennung
Merkmale von SOLO Stirling Elektrische Leistung 2-7,5 kw Wärmeleistung 8-22 kw Elektrischer Wirkungsgrad 22-24,5 % Gesamtwirkungsgrad > 90 % Arbeitsgas Helium (130 bar) Emissionen CO, max. 50 mg/m 3 Emissionen NOx, max. 80 mg/m³ Emissionen HC, max. 2 mg/m³ Abmessungen L x B x H 1280 x 700 x 980 mm Gewicht 450 kg
Emissionen Schadstoffemissionen des Stirling-BHKW im Vergleich zu konventionellen BHKW (in mg/m³) 400 350 300 250 NO x CO 200 HC 150 100 80 50 50 2 15 5 0 0 Mini BHKW + Katalysator Mini BHKW + Katalysator + Lambda Stirling BHKW + Floxbrenner momentan Stirling BHKW + Floxbrenner erwartet
Vorteile keine Rückstände aus der Verbrennung im Motorraum Primärenergieeinsparung breite Anwendungsmöglichkeit CO 2 -Reduzierung laut Hersteller: geringerer Verschleiß (durch geringere Verbrennungsrückstände) Wartungsintervalle zwischen 5.000-8.000 h geringere Betriebskosten geringere Schadstoffemissionen gegenüber Gas-Ottomotoren mit Katalysator Untersuchung und Nachweis im Projekt
Projektpartner Verbundnetz Gas Aktiengesellschaft GASAG Berliner Gaswerke Aktiengesellschaft GASAG Wärmeservice GmbH SOLO STIRLING GmbH Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden
Projektziele Erprobung Praxistauglichkeit Kundenakzeptanz Primärenergieeinsparung Emissionsminderung Einbindung SHK- und Elektrohandwerk - Monitoring 2 ½ Jahre zur Bestimmung der Leistungs- und Energiewerte des BHKW - Wochen-, Monats- und Jahresbilanzen von Stromerzeugung und Wärmeabgabe - Vergleich mit vorherigem Zustand (konventioneller Heizkessel) - Standzeit/Zuverlässigkeit
Aufstellort Heizungsraum der Berliner Feuerwache SOLO Stirling microkwk-modul Feierliche Inbetriebnahme
Einbindung in Objektversorgung nachträglich installiert Mitteldruckanschluss vorhanden (80 mbar) optimaler Geräteanschlussdruck 55 mbar parallel mit vorhandenen Heizkessel verbunden (Kessel aber auch Stirlingmotor können bei nicht vorhandenem Wärmebedarf abgeschaltet werden ) zwei in Reihe geschaltete Pufferspeicher Eigenverbrauch der erzeugten Elektroenergie überschüssiger Strom wird durch den Netzbetreiber nach Prognose vergütet Monitoring mittels Datenfernübertragung vom ILK
Ergebnisse aus dem Monitoring Tagesmittel Leistungen und Gesamtwirkungsgrad 40 kw 1,00 36 kw 0,90 32 kw 0,80 28 kw 0,70 24 kw 0,60 Leistung 20 kw 16 kw 12 kw 0,50 0,40 0,30 Wirkungsgrad 08 kw 0,20 04 kw 0,10 00 kw 20.1.2006 21.1.2006 22.1.2006 23.1.2006 24.1.2006 25.1.2006 26.1.2006 Gesamt 0,00 Erdgas (Heizwert) in kw elektr. Leistung in kw therm. Leistung in kw Gesamtwirkungsgrad
Ergebnisse aus dem Monitoring Messzeitraum (Juni) Zeitraum (von März bis Juli) Erdgas (Brennwert) 4.818 kwh 39.511 kwh BHKW- Wärme 2.845 kwh 25.006 kwh BHKW-Strom 818 kwh 5.882 kwh Betriebsstunden 235 h 1.517 h BHKW-Wärme mittel 12,1 kw 16,48 kw BHKW-Strom mittel 3,5 kw 3,9 kw ηth mittel 66 % 70 % ηel mittel 19 % 17 % ηges mittel 84 % 87 % Laufzeit: (Zeitraum 27.03.-31.07.) 1.517 h ca. 50 %
Ergebnisse aus dem Monitoring Randbedingungen: gemessene Energiemengen für den Betrachtungs- Zeitraum Erdgaspreis 0,06 /kwh gesamte Eigennutzung der erzeugten Elektroenergie
Ergebnisse aus dem Monitoring Störungen: 08.12. Pleulschaden an der Maschine 01.06. Ausfall wegen Lagerschaden 06.06. Umbau Gaszähler mehrmals Störung 32 mehrmals Störung 31 (31,32 optimaler Betriebszustand wird nicht erreicht - mögl. Ursachen: Thermoelement, Gaszufuhr, zu niedrige Temperatur) mehrmals Stillstand des BHKW (vermutlich wegen Störung) 27.07. Ausfall Datenaufzeichnung Ende Juli ca. 200 Starts wahrscheinlich: Defekt an der Maschine Austausch
Fazit Installation problemlos sehr gute Zusammenarbeit aller Projektpartner Abweichungen von Herstellerangaben - mittlerer Arbeitsdruck (Helium) nur 130 bar - höhere Vorlauftemperatur im Heizkreis (ϑ Betrieb = 68 C, ϑ max, Hersteller = 65 C) - T-Spreizung um 6 K höher im Vergleich zur Herstellerangabe von ca. 14 K) bisher: elektrische Leistung häufige Störanfälligkeit Wartungskosten Beweis der Funktions- und Praxistauglichkeit im Langzeittest
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Silvio Grafe silvio.grafe@vng.de (0341) 443 2844