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
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
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
V H ARBEITSPRINZIP p V C X V H V C Verdränger- Kolben V H, V C KOMPRIMIEREN HEIZEN ENTSPANNEN KÜHLEN
RESONANZPRINZIP p V H, V C x V H V H / V C V C Resonanzkolben DRUCKÄNDERUNG GEGEN VOLUMENÄNDERUNG VERSETZT
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
konventioneller vs. Resonanz - Stirling Freikolben-Stirling. frei schwingender Verdränger frei schwingende Resonanzmasse Arbeitskolben Verdränger- Arbeitskolben International patentiert
RESONANZ - STIRLING Brennkammer Heizrohre Entspannungs volumen Regenerator MECHANISCHER AUFBAU Verdränger- Arbeitskolben Kühler Resonanzkolben Kompressionsvolumen Lineargenerator Gegenschwingmasse Tellerfedern
~ 1 m
TEILLAST- BETRIEB Stabiler Arbeitsbereich T H ( C) 700 600 500 400 300 Resonanz- Stirling übliche Stirlings 10 20 30 40 50 WRK (Ws) ETA (%) 35 Resonanz- Stirling 30 25 übliche Stirlings 20 10 20 30 40 50 WRK Ws)
MESSRESULTATE VOLLLAST TEILLAST Elektrische Leistung N EL 1 800 W 1'235 W Heizleistung Q 9 000 W 6'500 W Verfügbare Heizleistung Q H 6'300 W 4'600 W elektr. Wirkungsgrad ή EL 20-21 % 19-20 % Gesamtwirkungsgrad ή TOT ( 90 % ) (90 %) Druckverhältnis p MAX /p MIN 1.30 1.33 1.26 1.30) Frequenz f 50 Hz 50 Hz Direkte Netzeinspeisung des erzeugten Stroms
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
H.X. FLOX BRENNER (Lean Combustion) Temperaturen: Luft-Vorwärm. ~ 600 700 C Verbrennung ~ 1200 1300 C Heizrohre ~ 800 850 C O 2 - Konzentration am Venturi - Eintritt: ~ 4 6 %
RESONANZ- STIRLING STROMPRODUZIERENDE HEIZUNG Wartungsarm, sauber wenig Lärm, vibrationsfrei Hoher elektrischer und Gesamtwirkungsgrad Kompakte Maschine dank hoher Leistungsdichte
KWK zum Antrieb einer WP ( VIRTUELLES KRAFTWERK ) VERBRENNUNG Wärmezufuhr : 1.0 KWK Elektrizität 0.20 WP KALTE QUELLE Wärmemenge : 0.6 0.8 Wärmeabfuhr : 0.8 Wärmeabgabe 0.8 1.0 Verfügbare Energie Heizwärme total: Einsparung: 1.60 1.80 (37 45%)
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 52 59 0.88 1.60 2.00 41 59 0.70 1.25 1.50 Bei KKW-Antrieb ist der CO 2 -Ausstoss 1.5 2 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.
Prof. Dr. H.J. Leibundgut, ETHZ: "Wir haben eine dramatische Aufgabe vor uns" Wir haben ein Stoffproblem und nicht ein Energieproblem (2006)
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
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
Vergleich der Wärme- und Stromproduktion einer SOFC-fuel cell mit einer Resonanz Stirling KWK Q TH (kw) 16 8 2 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 1 0 0 2000 4000 5000 8760 t (h)
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
Wie weiter? Adressen: info@stirling.ch www.stirling.ch PCT - Patent : WO 2011/ 123 961 US - Patent Appl.: US 2013/ 0031899 A1 Verbesserung von Komponenten Feldtestanlagen : Langzeit Erprobung Betrieb im Netz / praktische Anwendung Industrielle Herstellung kommerzielle Abwicklung Partner
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