Mini-BHKW mit gasbefeuerten Stirlingmotor

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) mit Stirlingmotoren

Wirtschaftlichkeit und Ökologie

Nach dem Prinzip der KWK wird mit diesem System Strom und Wärme erzeugt.

Moderne Stirling-Konzepte sehen allgemein stationäre Aggregate vor, die über einen angekoppelten Generator Strom erzeugen.

Durch die im Gegensatz zu Otto- und Dieselmotoren geschlossenen Arbeitsräume und die Wärmezufuhr von außen, sind sie unabhängig von der Art der Wärmequelle.

Es können sowohl fossile (Gas, Öl) als auch erneuerbare (Biomasse, Sonne) Energieträger eingesetzt werden.

Rückstände aus der Verbrennung können nicht in das Innere des Stirlingmotors gelangen, was zu geringeren Verschleiß und damit zu langen wartungsfreien Laufzeiten führt.

Stirlingmotoren als Antriebseinheit in kleinen BHKWs weisen gegenüber konventionellen BHKWs Vorteile auf, die besonders bei kleinen Leistungen zum Tragen kommen.

- Wartungsintervalle von 5.000 bis 8.000 h

- mindestens 10 mal niedrigere Schadstoffemissionen gegenüber

  Gas-Ottomotoren mit Katalysator

Die KWK ist unter dem Gesichtspunkt Primärenergie- und CO2-Einsparung eine sehr wirksame Maßnahme und bei korrekter Auslegung der Anlagen für den Betreiber auch wirtschaftlich.

Bedingung ist, dass am Standort sowohl für den erzeugten Strom als auch für die Wärme genügend Bedarf besteht und jährliche Laufzeiten über 5.000 h erreicht werden.

Geeignete Einsatzgebiete:

- Wohnanlagen mit zentraler Nahwärmeversorgung

- Schwimmbäder

- Gewerbebetriebe

- Hotels

Geeignete Brennersysteme für fossile Brennstoffe (Erd- oder Flüssiggas)

sollten die thermische Stickoxydbildung minimieren oder ganz unterdrücken (z. B. flammenlose Oxydation).

Die Emissionen (NOx, CO, Partikel/ HC) liegen damit auch bei hoher Luftvorwärmung nur bei wenigen mg/m³.

HC oder Ruß sind nicht nachweisbar.

Funktion und Technik des Stirlingmotors (Heißluftmotor)

Bei einem konventionellen Verbrennungsmotor (mit innerer Verbrennung) erhält man einen Arbeitsgewinn, in dem man eine bestimmte Luftmenge bei niedriger Temperatur komprimiert, sie anschließend durch eine schnelle Verbrennung erhitzt und sie danach bei hoher Temperatur expandieren lässt.

Das gleiche Prinzip, nämlich ein Arbeitsgas auf einem niedrigen Temperaturniveau zu komprimieren, um es anschließend auf einem hohen Temperaturniveau zu expandieren, liegt auch dem Stirlingmotor zugrunde.

Der Stirlingmotor ist eine Wärmekraftmaschine, dessen Antriebsenergie außerhalb des Motors zugeführt wird.

Der schottische Geistliche Robert Stirling hatte 1816 den Heißluftmotor zum Patent angemeldet.

Er fand heraus, dass eine periodische Änderung der Gastemperatur erreicht werden kann, indem man das Gas mit einem Verdrängungskoben zwischen einem Raum mit konstant hoher Temperatur und einem Raum mit konstant niedriger Temperatur hin und her bewegt.

Um dabei möglichst wenig Wärme zu verlieren, wurde zwischen den beiden Räumen ein Regenerator eingefügt, an den das Gas beim Durchströmen Wärme abgibt, bevor es in den gekühlten Raum eintritt.

Beim Zurückströmen des Gases in den heißen Raum kann die im Regenerator gespeicherte Wärme wieder aufgenommen werden.

Kombiniert man nun den Verdrängerkolben mit einem Arbeitskolben, erhält man einen Stirlingmotor.

Nachdem das Arbeitsgas unter Abgabe von Wärme an den Rekuperator vom Verdrängerkolben in den kalten Raum gefördert wurde, erzeugt es durch die mit seiner Abkühlung verbundene Volumenverringerung einen Unterdruck am Arbeitskolben.

Dadurch setzt sich dieser in Bewegung und verrichtet eine Arbeit.

Anschließend fördert der Verdrängungskolben das Arbeitsgas durch den Regenerator zurück in den heißen Raum.

Die mit der aus dem Regenerator zurückgewonnenen und der von außen zugeführte Wärme verbundene Ausdehnung des Arbeitsgases führt nun zu einen Überdruck am Arbeitskoben, der jetzt wiederum Arbeit verrichten kann.

Werden der Verdrängungskolben und der Arbeitskolben über ein Triebwerk oder ein schwingfähiges System im richtigen Phasewinkel miteinander gekoppelt, kann das gesamte System als selbständige Wärme-Kraft-Maschine betrieben werden.

> Bild

(Bildquelle:www.bhkw.portal.de)

Vor- und Nachteile, Anwendung

Vorteile

- Wärmezufuhr von außen

Es kann jede Wärmequelle zur Beheizung des heißen Raumes verwendet werden.

- Niedrigere Emissionswerte

im vergleich zu Otto- und Dieselmotoren durch die externe Verbrennung.

- Geringe Geräusche

arbeitet deutlich leiser als ein vergleichbarer Gas-Ottomotor

- Wartungsarm

Das Stirlingprinzip ist sehr zuverlässig, anwenderfreundlich und pflegeleicht.

Durch geschlossene Bauweise keine Verbrennungsrückstände im Motor, kein Ölverbrauch, kein Ölwechsel.

Wartungsintervalle alle 5000-8000 h.

- Leistungsmodulation

Die abgegebene Leistung kann ohne nennenswerte Wirkungsgrad-Verluste dem jeweiligen Bedarf angepasst werden.

Nachteile

Z. Z. noch hohe Investitionskosten

Das benötigte Investitionsvolumen ist aufgrund der geringen Stückzahl noch sehr hoch und liegt derzeit bei ca. 24.500 €.

(Ein Funktionsmodell für den Schreibtisch kostet ca. 150 €)

Anwendung

Ein großes Marktpotenzial wird dem Stirlingmotor im kleinen Leistungsbereich prognostiziert.

(Quelle:www.bhkw.portal.de)

Planungsaspekte

Die Anlage ist somit so auszulegen, dass die Maschine weitgehend durchläuft und nicht häufiger als einmal am Tag abgestellt wird.

Aufbau und Funktion (Beispiel)

Stirlingmotor für Erd-/ Flüssiggas

Stirlingmotor

Das Prinzip des Heißgas- oder Stirlingmotors ist nicht neu.

Ein Arbeitsgas (Luft oder Helium) wird zwischen zwei Zylindern (Expansions- bzw. Kompressionszylinder) hin- und hergeschoben, ohne den Motor zu verlassen.

Aufbau des Moduls

- Maschinengehäuse

zur Schall- und Wärmedämmung, Zugriffsicherung,

Schutz vor evtl. austretenden Flüssigkeiten

- Stirlingmotor mit angeflanschten Generator,

Vorratsbehälter für Helium

- Überwachungselektronik und Sicherheitskonzept

- Monitor und Bedienungselemente

- Generator und Netzanbindung

Die Wärmeenergie, die an der Kurbelwelle in Bewegungsenergie umgewandelt wird, führt man den Arbeitsgas von außen über einen Wärmetauscher (Erhitzer) zu.

Die Wärmezufuhr kann durch verschiedene Energiequellen (Öl-, Gas-, Biomassebrenner) erfolgen. In diesem Beispiel ist ein Gasbrenner für Erd-/ Flüssiggas eingesetzt.

Der Erhitzer (Rohrbündel-WT) wird von einem Brenner erhitzt (bei Gasbrenner ca. 740°C). Die hohe Arbeitsgastemperatur muss anschließend in dem Arbeitsgaskühler heruntergekühlt werden.

Zur Verbesserung des thermodynamischen Kreisprozesses befindet sich dazwischen ein Regenerator (hochporöser Körper mit hoher Wärmekapazität zur Energiezwischenspeicherung).

Brenner und Gasstrecke

Der in die Brennkammer integrierte Gasbrenner mit Gebläse verfügt über einen Luftvorwärmer (Gegenstrom-WT). Damit wird  das Abgas auf ca. 200-300°C abgekühlt und die zugeführte Frischluft (Verbrennungsluft) vorgewärmt.

Die vorgewärmte Luft wird erst in der Brennkammer mit dem Brennstoff vermischt.

Durch die Luftvorwärmung wird ein höherer Wirkungsgrad des Stirlingmotors erreicht.

Zur Verminderung der Schadstoff-Emissionen wird in der Brennkammer ein sehr hoher Anteil Abgas rezirkuliert, wodurch die Reaktion gebremst und räumlich verteilt wird (flammenlose Oxydation).

Dieses Verfahren ist erst nach Erreichen der Betriebstemperatur in der Brennkammer stabil durchführbar.

Die Gasstrecke besteht aus einem Start-Strang und dem Haupt-Strang. Die Verbindung zum Brenner besteht aus flexiblen Edelstahlschläuchen.

Der Gasvordruck sollte mindestens 45 mbar betragen.

Abgaswärmetauscher

Kühlsystem

Die Temperatur des Abgases wird hier auf ca. 30°C über der Kühlwassereintrittstemperatur abgesenkt.

Je nach der Wasserzufuhrtemperatur und der entsprechenden Kondensation können 2-4 kW thermischer Leistung gewonnen werden.

Bei Rücklauftemperaturen > 50°C ist wenig Kondensat zu erwarten, dann muss der Abgas-WT regelmäßig gereinigt werden.

Die Wärmeabfuhr aus dem Motor erfolgt hauptsächlich im Gaskühler.

Weiterhin ist ein innerer Kühlkreislauf mit Pumpe, Druckausgleichsgefäß und Wärmetauscher vorhanden.

Der Plattenwärmetauscher dient zur hydraulischen Entkopplung zum äußeren Verbraucher (Heizsystem).

Einbindung

Gasanschluss

Als Brenngase können z. Z. Erd- und Flüssiggas eingesetzt werden.

Der Vordruck muss zwischen 45 und 65 mbar liegen. Druckschwankungen müssen vermieden werden.

Die Dimensionierung der Zuleitung erfolgt für eine Gasleistung von 40 kW.

Volumenstrom bei Erdgas 1,6-4 m³/h, bei Propan 1,4-3,1 kg/h.

Kühlwasseranschluss

Bei der Auswahl der Abwärmenutzung ist auf eine möglichst geringe VL-/ RL-Temperatur vom/ zum Modul zu achten. Die VL-Temperatur zum Modul sollte, unter Beachtung der RL-Temperatur (Brennwerttechnik) 65 °C nicht übersteigen.

Für den äußeren Kreis muss eine eigene Pumpe installiert werden, Durchfluss > 0,5-2 m³/h.

Elektrischer Anschluss

Der Anschluss des Moduls an das hauseigene Niederspannungsnetz erfolgt hinter dem EVU-Stromzähler, 5-adriges Kabel (5x4 mm²), 25 A Sicherungen (träge).

Soll eine Rückspeisung an das zuständige EVU erfolgen, ist ein zusätzlicher Stromzähler erforderlich.

Abgas, Zuluft

Der Kondensations-Abgaswärmetauscher ist im Modul integriert. Die daran anzuschließende Abgasleitung muss kondensatresistent und dicht sein (Edelstahl oder Kunststoff) und für Brennwerttechnik zugelassen.

Die Abgasanlage ist durch den Bezirksschornsteinfeger abnahme- und überwachungspflichtig.

Die Zuluftöffnungen des Aufstellungsraumes wird nach den üblichen Vorschriften für Brennerleistung 40 kW ausgelegt.

Regelungstechnische Schnittstellen zu anderen Systemen

Die gewünschte Leistung wird dem Prozessor

- durch manuelle Vorwahl des Druckes an der Maschine,

- durch einen zusätzlichen Temperaturfühler an einem Speicher

  oder dem Heizungs-Rücklauf

von außen durch ein MSR-System vorgegeben.

Weitere Möglichkeiten sind sind gegeben.

Technische Daten (Beispiel)

Quelle: solo Stirling

Hydraulisches System

Eine hohe Wirtschaftlichkeit ergibt sich bei kleineren Anlagen, wenn diese die Wärme-Grundlast decken.

Hohe Wirkungsgrade und lange Wartungsintervalle werden erreicht, wenn der Stirlingmotor lange Laufzeiten aufweist.

Um sowohl eine lange Laufzeit zu erzielen, als auch die Wärmebereitstellung bei kleiner Leistung sicherzustellen, ist ein hydraulisches System erforderlich, das beiden Anforderungen gerecht wird:

1. Schichten-Wärmespeicher

Ein spezieller Schichten-Wärmespeicher und ein intelligentes Wärmemanagement verhindern ein ein ständiges Starten und Stoppen des Motors.

2. Zentraleinheit

Über eine Zentraleinheit sind der Stirlingmotor, die Heizkreise, die Brauchwarmwasserabgabe und der spezielle Wärmespeicher miteinander vernetzt.

Primär werden die Heizkreise direkt vom Stirlingmotor mit Wärme versorgt.

3. Regelung

Die Regelung des Massenstroms in den Heizkreisen erfolgt nach der Außentemperatur. Dieser Massenstrom muss immer erzielt werden.

Sinkt die Wärmeabnahme und somit der Massenstrom, wird der Massenstrom in den Wärmespeicher erhöht und so die Überschusswärme dort gespeichert.

Steigt die Speichertemperatur, wird die Leistung des Motors stufenlos reduziert bis er ggf. ganz abschaltet.

Nun werden die Heizkreise direkt aus dem Wärmespeicher versorgt, so dass der Motor erst wieder gestartet wird, wenn der Speicher ausreichend entladen worden ist.

4. Trinkwarmwasserbereitung

Die vollhygienische Trinkwarmwasserbereitung erfolgt über einen Schichten-Wärmespeicher in Verbindung mit einer Frischwasserstation (Durchlauferhitzerverfahren mittels Platten-WT), also ohne  Bevorratung.

Im oberen Teil des Schichten-Wärmespeichers wird lediglich die Wärme bereitgehalten und bei Bedarf der Frischwasserstation zugeführt.

Der Bereitschaftsteil des Speichers wird durch den Stirlingmotor mit Zieltemperatur beladen.

Ein spezielles Ladesystem ermöglicht ein schnelles nachladen des Speichers und verhindert so, dass der Stirlingmotor unnötig lange hohe Temperaturen erzeugen muss.

Anpassung an Verbraucherschwankungen

Durch diese Hydraulik ist es weiterhin möglich, das Heizleistungsvermögen von Motor und Wärmespeicher optimal den zyklischen Verbraucherschwankungen anzupassen.

Vor dem Beginn der Schwachlastzeiten wird versucht, den Speicher möglichst zu entladen.

Danach belädt der Motor den Speicher mit kleinster möglicher Leistung, um wiederum auf eine lange Laufzeit zu kommen.

Ist dann der Speicher voll geladen, können auch Leistungsspitzen problemlos abgedeckt werden.

Für wesentlich mehr Informationen stehen wir Ihnen mit einer persönlichen Fachberatung jederzeit gerne zur Verfügung.

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