IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 19/1998, Seite 38 ff.
HEIZUNGSTECHNIK
Einsatz eines Stirlingmotors für die Kraft-Wärme-Kopplung
Ergebnisse eines Feldversuches
Dipl.-Ing. Christoph Butterweck, Dipl.-Ing. Tibor Brockmann, Dipl.-Ing. Andreas Maul, Dipl.-Ing. Horst Schell*
Das zunehmende Umweltbewußtsein läßt die Forderung nach einem schonenden Umgang mit unseren Primärenergieressourcen und nach der Vermeidung bzw. der Verringerung von Schadstoffemissionen immer lauter werden. Nicht zuletzt hierdurch ist eine Verschärfung der Vorschriften und Grenzwerte erreicht worden, deren technische Realisierung eine Vielzahl von Lösungskonzepten ermöglichte. Zu diesen Konzepten gehört auch die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK).
Im Juli 1993 entstanden bei der rhenag Rheinischen Energie AG erste Überlegungen, einen Stirlingmotor in einem Praxisversuch auf seine Einsatzmöglichkeiten im Bereich der KWK zu untersuchen. Zum Einsatz kam ein Aggregat der Firma Solo vom Typ V160, der in den folgenden drei Jahren in der zur Gasversorgung Euskirchen GmbH (GVE) gehörenden Gasübernahmestation "Wallenthalerhöhe" betrieben wurde.
| Bild 1: Funktionsprinzip eines Stirlingmotors. |
Der Stirlingmotor
Geschichtlicher Rückblick
Zu Beginn des 19. Jahrhunderts, als die Weiterentwicklung der Dampfmaschine in vollem Gange war, versuchten zahlreiche Erfinder, das seinerzeit als Arbeitsmedium genutzte Wasser durch Luft zu ersetzen. Die breit gestreute Forschung dieser Zeit brachte eine große Vielfalt von Heißluftmotorsystemen hervor, von denen eines im Jahre 1816 - von dem Schotten Dr. Robert Stirling konstruiert - patentiert wurde.
Mitte der dreißiger Jahre wandte man sich erneut der Untersuchung des Heißluftmotors zu, wobei die Einsatzmöglichkeiten von neuen wärme- bzw. oxidationsbeständigen Werkstoffen genauer untersucht wurden. Ebenso wurden die Erkenntnisse aus den Gebieten der Strömungstechnik und Wärmeübertragung in die Forschungen mit einbezogen.
Bild 2: Der Stirlingprozeß im pV-Diagramm.
Man beschäftigte sich zunächst mit dem Bau von kleinen Motoren, die als Antriebsquelle für Stromerzeuger benutzt wurden. Im Zuge der Verbesserung der elektronischen Bauteile und vor allem durch die Entwicklung von Transistoren wurde der Stirlingmotor für den ursprünglich gedachten Verwendungszweck jedoch immer weniger wichtig. Gleichwohl wiesen die theoretischen Untersuchungen aber eindeutig auf die Verwendbarkeit des Prinzips für größere Motoren hin. Heute ist das Stirlingprinzip vor allem wegen der bei diesem Verfahren kombinierten Kraft- und Wärmeerzeugung im kleinen Leistungsbereich von Interesse, da die Einsatzmöglichkeiten solcher Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen ein weit gefächertes und noch längst nicht ausgeschöpftes Potential bieten.
Funktionsprinzip
Robert Stirling hatte bereits im Jahr 1816 erkannt, daß eine periodische Temperaturveränderung erreicht werden kann, indem ein Arbeitsgas zwischen einem Raum mit konstant hoher Temperatur und einem Raum mit konstant niedriger Temperatur hin- und herbewegt wird. Die Volumenänderungsarbeit des Gases kann hierbei genutzt werden (Bild 1).
Der als 90° V-Zweizylinder konzipierte Stirlingmotor der Firma Solo verfügt über einen Verdichtungs- und einen Arbeitszylinder, zwischen denen das Arbeitsgas hin- und hergeschoben wird, wobei es durch Abkühlung auf etwa 100°C verdichtet und durch Erhitzung auf 650°C expandiert wird.
| Bild 3: Schnitt durch den Stirlingmotor V160. |
Der Brenner ist mit einem Luftvorwärmer ausgestattet, der die Abgaswärme auf die Verbrennungsluft überträgt. Die Abgastemperatur beträgt 180°C - 250°C. Eine weitere Absenkung der Abgastemperatur, beispielsweise zur Brennwertnutzung, ist durchaus denkbar.
Die Leistung kann stufenlos zwischen zwei und neun kWel eingestellt werden. Eine elektronische Regelung hält die Temperatur des Arbeitsgases durch Steuerung des Brennergebläses konstant. Ein Prozessor überwacht außerdem Öldruck, Kühlwassertemperatur, Drehzahl bei Generatorbetrieb sowie weitere Sicherheitsparameter und gibt im Störfall definierte Fehlermeldungen aus.
Erste Betriebsergebnisse
Laboruntersuchung
Im Frühjahr 1994 wurde eine Untersuchung durchgeführt, bei der die Emissionen sowie die Wirkungsgrade des Stirlingmotors ermittelt wurden.
Technische Daten des Stirlingmotors V160 |
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Arbeitsvolumen 160 m3Der Gesamtwirkungsgrad erhöht sich mit zunehmender elektrischer Leistungsabgabe und erreicht im Nennlastfall einen Höchstwert von 82%. In diesem Betriebspunkt beträgt der elektrische Wirkungsgrad 23% während thermisch 59% erreicht werden.
Bei Vollast sinkt der Luftüberschuß von 
2,5 im Leerlauf auf 
1,5 ab. Da mit sinkender Luftzahl die NOx- und CO-Emissionen ansteigen, wurde der Luftüberschuß so eingestellt, daß ein möglichst emissionsarmer Betrieb erreicht wurde. Für einen Restsauerstoffgehalt im Abgas von 5% wurden bei Nennlast NOx-Emissionen von 750 mg/m3 und CO-Emissionen von 450 mg/m3 gemessen.
Durch eine externe Abgasrückführung konnte zwar eine Absenkung der NOx-Emissionen erreicht werden, jedoch mußten im Gegenzug steigende CO-Konzentrationen in Kauf genommen werden. Sowohl die Schadstoffemissionswerte als auch das Emissionsverhalten lassen auf ein beträchtliches Optimierungspotential schließen. Derzeit wird ein neues Brennersystem (Floxbrenner) getestet, welches insbesondere im Hinblick auf die NOx-Bildung deutlich verbesserte Abgaswerte erwarten läßt.
Praxistest
Seitens der GVE wurde die Installation des Stirlingmotors in der Gasübernahmestation so vorgenommen, daß hinsichtlich der Wassertemperaturen (bis 70°C) und der Heizleistung (bis 19 kWth) der Wärmebedarf eines Mehrfamilienhauses simuliert wurde. Die hydraulische Einkopplung erfolgte in den Rücklauf der Heizungsanlage, die zur Erdgasvorwärmung genutzt wird. Der Wärmetauscher des Motors wurde mit etwa 2,0 m3/h durchströmt. Mittels einer Datenfernübertragung zur GVE wurden die wesentlichen Anlagenparameter stündlich aufgezeichnet.
| Bild 4: Installation des V160 in der Gasübernahmestation in Euskirchen. |
Bis zum Mai 97 wurden über 16.000 Betriebsstunden erreicht. Während der Betriebszeit wurden 28.600 m3 Heizungswasser um durchschnittlich 5°C erwärmt, wozu eine thermische Arbeit von 167.000 kWhth notwendig war. Bei einem Erdgasverbrauch von 31.000 m3 ergab sich ein durchschnittlicher elektrischer Wirkungsgrad von 19% sowie ein thermischer Wirkungsgrad von 59%.
Der Stirlingmotor arbeitet aufgrund seiner kontinuierlichen externen Verbrennung deutlich leiser als ein vergleichbarer Gas-Ottomotor. Bei völlig ungedämpftem Betrieb erreichte das getestete Aggregat trotzdem einen Lärmpegel, der mit einer lauten Unterhaltung vergleichbar ist. Auch mit Schallschutzhaube verblieb ein Geräuschpegel, der als verbesserungsbedürftig angesehen werden muß.
| Bild 5: Hydraulisches Schaltschema der Anlage. |
Fazit
Der Stirlingmotor hat in den vergangenen drei Jahren unter Beweis gestellt, daß seine Technologie heute soweit ausgereift ist, daß ein zuverlässiger Betrieb mit guten Wirkungsgraden erreicht werden kann. Verbesserungsbedarf besteht im wesentlichen bei der aktuellen Brennerperipherie. Es wird aber davon ausgegangen, daß mit der nächsten Brennergeneration diese Schwachstelle behoben sein wird. Das Prinzip selbst erwies sich während des Feldversuches als ausgesprochen zuverlässig. Die von dem Aggregat im Vollastbetrieb erreichten Wirkungsgrade können bereits als konkurrenzfähig bezeichnet werden, obgleich das Optimierungspotential noch nicht ausgeschöpft ist. Ein wirtschaftlicher Betrieb konnte aber nicht erzielt werden, da die Investitionskosten zur Zeit noch vergleichsweise hoch sind.
Ausblick
Gemessen an den zur Zeit auf dem Markt angebotenen Mini-BHKW-Modulen stellt das Potential des Stirlingmotors eine nicht zu unterschätzende Alternative dar. Da einerseits die Einsatzmöglichkeiten für KWK-Anlagen im untersten Leistungsbereich in ausreichendem Maße vorhanden sind, andererseits jedoch aufgrund der bislang nur selten wirtschaftlich arbeitenden Mini-BHKW-Technologie diese so gut wie nicht ausgenutzt wurden, dürfte eine starke Nachfrage derartiger Aggregate vorhanden sein. Als mögliche Einsatzorte sind neben dem Wohnbereich auch das Gewerbe, die Kleinindustrie sowie die öffentlichen Gebäude zu nennen. Im Zuge des wachsenden ökologischen Bewußtseins innerhalb der Bevölkerung sowie aufgrund der verschärften Anforderungen und strengeren gesetzlichen Auflagen wird den innovativen und energiesparenden Technologien eine stärkere Bedeutung zukommen.
Q u e l l e n v e r z e i c h n i s
[1] GVE: V160 Stirling, Kraft-Wärme-Modul Wallenthalerhöhe; Logbuch der Gasübernahmestation
[2] Solo Kleinmotoren GmbH: Bedienungs- und Wartungsanleitung für den V160 Stirling-Motor mit Generator (380 VAC, 50 Hz)
[3] GWI: Ermittlung der Emissionswerte und der Wirkungsgrade eines Blockheizkraftwerkes mit von einem Stirling-Motor angetriebenen Generator
[4] Philips GmbH: Philips Lehrbriefe, Elektrotechnik und Elektronik; Band 2, Technik und Anwendungen
[5] Baumüller: Stand der Technik des Stirlingmotors V160 und Weiterentwicklung bei Solo; eine Präsentation der rhenag und der GVE
[6] Schell: Einbindung des BHKW in die Gasübernahmestation der GVE; eine Präsentation der rhenag und der GVE
[7] Gossen: Erste Betriebserfahrungen mit dem Stirling-Klein-BHKW; eine Präsentation der rhenag und der GVE
[8] Gossen: Der Stirlingmotor V160 im Praxiseinsatz als Blockheizkraftwerk; Europäisches Stirling Forum, 26.-28. Februar 1996 in Osnabrück
*) Dipl.-Ing. Christoph Butterweck, Dipl.-Ing. Tibor Brockmann, Dipl.-Ing. Andreas Maul, Mitarbeiter der rhenag Rheinische Energie Aktiengesellschaft. Dipl.-Ing. Horst Schell, Mitarbeiter der Gasversorgung Euskirchen GmbH (GVE).
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