Der Stirling-Motor in der Heizungstechnik

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Der Stirling-Motor in der Heizungstechnik
Dipl.-Ing. Till Wodraschka, Bosch Thermotechnik GmbH, Buderus Deutschland
Thermotechnology
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TTDB/MKT1 | 20.04.2010 | Wo_100420_Vortrag_Berlin_2010 | © Bosch Thermotechnik GmbH 2008. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder
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Stromerzeugende Heizung - Stirling
Übersicht
Einleitung
Motivation für dezentrale µKWK
Übersicht möglicher Techniken – warum Stirling?
Aufbau, Auslegung und Einbindung des Buderus Stirling Heizgeräts
Wichtige gesetzliche Randbedingungen – kleiner Exkurs
Das Stirling-Heizgerät im Feldtest
Erfahrungen und Perspektiven
Thermotechnology
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Motivation für dezentrale µKWK
Bei der dezentralen Stromerzeugung werden Wärme und Strom mit einem
hohen Gesamtwirkungsgrad dort produziert, wo sie benötigt werden.
CO2-Einsparung mit µKWK auf Basis der Stirling-Technologie:
0,5–1 t CO2 pro Einheit und Jahr
bis zu 15% CO2-Einsparung pro Haus und Jahr
Der Strom kann ggf. zu Spitzenlastzeiten hergestellt werden.
Verringerung des Strombezugs durch Eigenproduktion
Sinnvoll in Ländern mit hoher CO2-Belastung bei der Stromerzeugung wie
Deutschland, Niederlande und Großbritannien.
82% Wärme
38% Strom
13% Strom
62% Verlust
In Bezug auf Hs
Thermotechnology
3
5% Verlust
Vergleich Gas-Brennwert zu Stirling-Heizgerät
Gas
η = 97%
10,3 kWh
Wärmegeführt d.h.:
10 kWh Wärme in
beiden Fällen
Wärme
10 kWh
Verlust: 0,3 kWh
Wärme
Gas
10 kWh
η el =
El. _ Energie _ 1,44kWh
= 85%
zus. _ Gas _ 1,7kWh
12 kWh
Verlust 0,3 kWh
Strom1,44 kWh
ηth = 82%
ηel = 13%
In Bezug auf Hs
Verlust 0,26 kWh
Verlust: 0,56 kWh
85% des zusätzlich
bezogenen Gases wird
in elektrische Energie
umgewandelt
ηges = 95%
Thermotechnology
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Thermotechnology
5
Übersicht möglicher Techniken
µKWK
Stirlingmaschinen
FreikolbenStirling
Motorische
Konzepte
Brennstoffzellen
Interne
Verbrennung
Dampfmaschinen
GasTurbine
Kinemat.
Maschinen
Thermotechnology
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Warum ein Freikolben-Stirling?
Ein Freikolben-Stirling ist wartungsfrei und hermetisch verschlossen
Saubere externe Verbrennung
Keine Reibung in Lagern
Alle Zusatzkomponenten (z.B. Gasbrenner) sind heutigen
Heizungsfachfirmen und Service-Technikern bereits bekannt
Nur geringe Zusatzinstallationen nötig
Potenzial für die Anwendung mit regenerativen
Brennstoffen vorhanden
Beste Wahl aus verfügbaren Konzepten
Thermotechnology
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Geschichte des Stirling-Motors
Bereits 1816 wurde das Prinzip des Stirlingmotors
vom schottischen Pfarrer Robert Stirling patentiert
Nach der Dampfmaschine ist er die zweitälteste
Wärmekraftmaschine
Kohlebefeuerte Wasserpumpe
zur Entwässerung eines
Steinbruchs in Schottland
Thermotechnology
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Stirling-Prozess
exhaust
heating
Cooling
(burner)
P
P
Displacer to
move the gas
Regenerator
Cooling
water in
Power
Piston
Thermotechnology
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Fuel
in
Komponenten Freikolben Stirlingmotor
Erhitzerkopf
Verdrängerkolben
Regenerator
Kühler
Arbeitskolben
N
N
S
S
Lineargenerator
Thermotechnology
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Wichtige Ausstattungsmerkmale (Feldtestgerät)
StirlingRingbrenner
Konzentrischer
Abgasanschluss
80/125 mm
StirlingFreikolbenmotor
LinearGenerator
Gas-BrennwertWärmetauscher mit
Zusatzbrenner (Booster)
Schichtenladespeicher
100 Liter
Thermotechnology
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Technische Eckdaten (Feldtest)
Vollständig integrierte Lösung als
bodenstehende Kompaktheizzentrale
mit Schichtenladespeicher zur
Warmwasserbereitung für hohen
Komfort und Wirkungsgrad
Einbindung analog Gas-Brennwertkessel
Höhe:
Breite:
Tiefe:
Leistung:
1800mm
600mm
600mm
3 – 7 kWth (Stirling)
0,3 – 1 kWel (Stirling)
bis zu 24 kWth (BW Booster)
Thermotechnology
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Geordnete Jahresdauerlinie eines EFH
Leistung in kW
15
12
EFH Baujahr 1980, 150 m2,
spez. Wärmebedarf 100 W/m2
9
6
3
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000 8000 9000
Zeit in Stunden
Längere Laufzeiten und wirtschaftlicherer Betrieb durch
modulierende Betriebsweise
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Tagesgang des Wärmebedarfs eines EFH im
Winter
Thermotechnology
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Tagesgang elektrischer Energie EFH im Winter
Strom Tagesganglinie EFH
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EFH BJ. 1980, 4 Personen,
200 m2, qH = 150 kWh/m2a
4,5
4
Leistung kW
3,5
3
2,5
2
1,5
1 kW
1
0,5
0,3 kW
0:00
23:00
22:00
21:00
20:00
19:00
18:00
17:00
16:00
15:00
14:00
13:00
12:00
11:00
10:00
9:00
8:00
7:00
6:00
5:00
4:00
3:00
2:00
1:00
0:00
0
Zeit
Stirling-Heizgerät mit Arbeitsbereich von 0,3 – 1 kWel ideal geeignet
für Ein- und Zweifamilienhäuser
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Elektrische Einbindung
Z2
Z1
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Elektrische Einbindung (Stirling aus)
100 W
200 W
Z2
300 W
Z1
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Elektrische Einbindung (Stirling im Standby)
200 W
100 W
Z2
100 W
300 W
400
Z1
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Elektrische Einbindung (Stirling im Betrieb)
200 W
100 W
Z2
300 W
Z1
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Elektrische Einbindung (Überschusseinspeisung)
100 W
200 W
Z2
1000 W
700 W
Z1
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Prüfstandsergebnisse und erste Erfahrungen
Die Freikolben-Stirling-Technologie ist zuverlässig und
verfügbar („Wartungsfreundlich“)
Der Reifegrad der Maschinen ist sehr hoch
Der Installationsaufwand ist im Vergleich zu GasBrennwertkesseln nur geringfügig höher
Die Wartung beschränkt sich auf den Gasbrenner und
kann von jeder Heizungsfachfirma durchgeführt werden
Kundennutzen (PE Einsparung) vergleichbar mit
Gasbrennwert + solare TWW
Stromproduktion in Abhängigkeit der Laufzeit im Mittel
1500 kWh
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Perspektiven
Stirling-Heizgeräte bieten ein gutes CO2-Einsparpotential im Vergleich zu
Gas-Brennwertheizgeräten
Stirling-Heizgeräte bieten eine kostengünstige Effizienzsteigerung durch
den hohen Gesamtwirkungsgrad bei der Wärme- und Stromerzeugung.
Die Technik könnte den Grundstein legen für ein dezentrales Netz von
Energieerzeugern, die zu einem virtuellen Netz verschaltet sind
Finanzieller Kundennutzen entspricht heutiger
Gas-Brennwerttechnik + solare TWW
Durch den Einsatzbereich vorwiegend im Gebäudebestand ergibt sich ein
großes Marktpotenzial
Zukünftige Alternative für Gebäude mit Gasanschluss ohne optimale
Möglichkeiten zur reg. Einbindung
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Feldtest 1. Generation in Europa 2009/2010
Installation von Vorseriengeräten zur Bestätigung der Marktreife
UK
D
NL
Ideal geeignet für die
Modernisierung bestehender
Heizungsanlagen
Bevorzugter Einsatz bei erhöhtem
Energiebedarf
Leise und Vibrationsfreie
Betriebsweise
Zuverlässigkeit der Geräte ist das
oberste Ziel.
Die Ergebnisse des Feldtests fließen in die Entwicklung
einer 2. Geräte-Generation ein.
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Vielen Dank für
Ihre Aufmerksamkeit!
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