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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
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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)
Die beiden Kolben
müssen mit einer
festen
Phasenverschiebung
schwingen
frei
schwingender
Verdränger
Arbeits-
kolben
Elektrischer
Lineargenerator
Tellerfedern
Entspannen
Komprimieren
Aufheizen
Kühlen
ARBEITSPRINZIP
KOMPRIMIEREN HEIZEN
ENTSPANNEN KÜHLEN
VC
VH
VH
VC
p
VH , VC
X
Verdränger-
Kolben
RESONANZPRINZIP
VC
VH,
VH
p
VH / VC
VC
x
Resonanzkolben
DRUCKÄNDERUNG GEGEN VOLUMENÄNDERUNG VERSETZT
der Verdrängerkolben Y wird
durch den Hauptkolben X
angeregt und kann infolge des
Regenerators in einem
Frequenzband mitschwingen
die Frequenz des Hauptkolbens X
wird durch den Lineargenerator
bestimmt,
jene des Resonanzkolbens Y durch
seine Masse und die wirkende
pneumatische Federkraft
X = Hauptkolben
Y = Verdrängerkolben,
resp. Resonanzkolben
p = Druck des Arbeitsgases
die Phasendifferenz der beiden Kolben
kann sich laufend verändern, was zu einem
instabilen Verhalten führen kann
übliche Freikolben-Stirlings Freikolben-Resonanzstirling
p
Y
X
A X Y p
t
Y(f) X(f)
A
Freq.
Y(f) X(f)
A
Freq
.
exakte Frequenzabstimmung :
feste Differenz der Phasenlagen:
stabil auch bei hohen Druckamplituden
STABILITÄT DER STIRLING – FREIKOLBEN-SYSTEME
konventioneller vs. Resonanz - Stirling
Freikolben-Stirling .
frei
schwingender
Verdränger
frei
schwingende
Resonanz-
masse
Arbeits-
kolben
Verdränger-
Arbeits-
kolben
International
patentiert
RESONANZ -
STIRLING
Brennkammer
Heizrohre
Entspannungs
volumen
Regenerator
Verdränger-
Arbeitskolben
Kühler
Resonanzkolben
Kompressions-
volumen
Lineargenerator
Gegenschwing-
masse
Tellerfedern
MECHANISCHER
AUFBAU
~ 1
m
TH
(°C)
700
600
500
400
300
TEILLAST-
BETRIEB
ETA (%)
35
30
25
20
10 20 30 40 50 WRK Ws)
Resonanz-
Stirling
übliche
Stirlings
10 20 30 40 50 WRK (Ws)
Resonanz-
Stirling
übliche
Stirlings
Stabiler
Arbeitsbereich
MESSRESULTATE
VOLLLAST TEILLAST
• Elektrische Leistung NEL 1’800 W 1'235 W
• Heizleistung Q 9’000 W 6'500 W
• Verfügbare Heizleistung QH 6'300 W 4'600 W
• elektr. Wirkungsgrad ήEL 20 - 21 % 19 - 20 %
• Gesamtwirkungsgrad ήTOT ( 90 % ) (90 %)
• Druckverhältnis pMAX/pMIN 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
O2- Konzentration
am Venturi - Eintritt: ~ 4 – 6 %
RESONANZ-
STIRLING
STROMPRODUZIERENDE HEIZUNG
• Wartungsarm, sauber
• wenig Lärm, vibrationsfrei
• Hoher elektrischer und
Gesamtwirkungsgrad
• Kompakte Maschine dank hoher
Leistungsdichte
Elektrizität
0.20
KWK zum Antrieb einer WP ( VIRTUELLES KRAFTWERK )
Verfügbare Energie
Heizwärme total: Einsparung:
1.60 – 1.80 (37 – 45%)
Wärmeabgabe
0.8 – 1.0
KALTE QUELLE
Wärmemenge :
0.6 – 0.8
VERBRENNUNG
Wärmezufuhr : 1.0
Wärmeabfuhr :
0.8
KWK
WP
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.
ANTRIEB EINER WÄRMEPUMPE (WP) MIT STROM
eines Kohlekraftwerkes (KKW) oder einem Mikro-KWK (- KWK)
CO2-Ausstoss Steinkohle: 400 g/kWh Erdgas : 220 g/kWh
Braunkohle: 450 g/kWh
Electricity
20%
KWK
WP
Bedarf
KKW
Bedarf
WKK
Ratio
Energie-
verbrauch
Ratio CO2-
Ausstoss
ohne
Abwärme 52 59 0.88 1.60 – 2.00
mit
Abwärme 41 59 0.70 1.25 – 1.50
Bei KKW-Antrieb ist der CO2-Ausstoss
1.5 – 2 mal höher als bei KWK,
ähnlich hoch wie bei üblichen
Gasheizungen
Electricity
43%
KKW
WP
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
EL
Betriebs-
dauer
Unterhalt
Invest-
itionen
Schad-
stoffe
flexibler
Betrieb
Brenn-
stoff
Schwefel
Halogene
Diesel-
Engine
Otto -
Engine
Microgen
-Stirling
Resonanz-
Stirling
Rankine
cycle
PEMFC –
Fuel-cell
SOFC –
Fuel-cell
VERGLEICH VERSCHIEDENER
KWK - TECHNOLOGIEN
t (h)
QTH
(kW) 16
8
2
0
Normalisierter Wärme-
Bedarf eines Gebäudes
Verfügbare Wärme
Resonanz-Stirling Verfügbare Wärme
SOFC-fuel cell
0 2000 4000 5000 8760 t (h)
NEL
(kW) 2
1
0
Elektrische Leistung
Resonanz-Stirling Elektrische Leistung
SOFC – fuel cell
Vergleich der Wärme- und Stromproduktion einer
SOFC-fuel cell mit einer Resonanz – Stirling KWK
SOFC-fuel cell:
1kWel EL = 30 – 60%
Resonanz - Stirling:
2 kWel EL = 20%
EINFACHES MASCHINENKONZEPT: eignet sich zur Serienherstellung
ZUSAMMENFASSUNG
• 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 ?
• 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
• Adressen: [email protected]
www.stirling.ch
VERDANKUNGEN
• SIG NER : Services Industriels, Genf
• Klimastiftung: Schweiz
• J.P. Budliger: Konzept, Berechnungen
• M. Lindegger: Entwicklung elektrischer Lineargenerator
• Prof. H.P. Biner: Steuerung – Regelung
DANKE FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT
