KMU Innovativ „Klimaschutz: TEG-Brenner · 2015. 11. 13. · KMU Innovativ: Klimaschutz:...

Abschlussbericht

KMU Innovativ „Klimaschutz: TEG-Brenner“

promeos GmbH

Förderkennzeichen: 01LY0911A

Klimaschutz: Neuartiger stromliefernder Gasbrenner durch Integration von Dünnschicht-Thermoelektrogeneratoren und

Gas-Porenbrenner

Projektbeginn: 1.9.2009 - Projektende: 30.6.2011

KMU Innovativ: Klimaschutz: Neuartiger stromliefernder Gasbrenner durch Integration von Dünnschicht-Thermoelektrogeneratoren und Gas-Porenbrenner

Abschlussbericht zum 30.06.2011 Seite 2 von 23

INHALTSVERZEICHNIS

I. Kurzdarstellung .............................................................................................................. 3

I.1. Zielsetzung des Vorhabens ......................................................................................... 3

I.2. Voraussetzungen für die Durchführung des Vorhabens ............................................... 3

I.3. Wissenschaftlicher und technischer Stand, an den angeknüpft wurde ......................... 3

I.4. Zusammenarbeit mit anderen Stellen .......................................................................... 3

I.5. Bisheriges Ergebnis und Ausblick ................................................................................ 4

II. Detaillierte Ergebnisse ................................................................................................... 6

II.1. Wesentliche Entwicklungsschritte ................................................................................ 6

II.2. Beschreibung der TE-Elemente Baugruppen .............................................................. 6

II.3. Versuchsaufbau .......................................................................................................... 8

II.4. Versuchsdurchführung und -ergebnisse .................................................................... 10

II.5. Zusammenfassung der Entwicklungsergebnisse ....................................................... 18

III. Vergleich des Projektes mit der Planung ..................................................................... 19

III.1. Zeitplan wurde angepasst ......................................................................................... 19

III.2. Ressourcen- und Arbeitsplan erfüllt ........................................................................... 19

III.3. Ausgaben im Plan und strukturell angepasst ............................................................. 19

III.4. Voraussichtlicher Nutzen und Verwertbarkeit des Ergebnisses ................................. 19

III.5. Fortschreibung des Verwertungsplan ........................................................................ 20

III.6. Keine störenden F+E Ergebnisse von Dritten ............................................................ 20

III.7. Bekannt gewordener Fortschritts auf dem Gebiet bei anderen Stellen ...................... 20

III.8. Veröffentlichungen des Ergebnisses ......................................................................... 21

Anhang: Relevante wissenschaftliche Publikation von promeos Mitarbeitern ............................. 22



I. Kurzdarstellung

I.1. Zielsetzung des Vorhabens

Das anwendungsnahe Entwicklungsvorhaben „Kraftbrenner“ hat zum Ziel, einen vorserienreifen gasbefeuerten Brenner mit hoher elektrischer Leistungsgeneration mittels zugekaufter Dünn-schicht-Thermoelektrogeneratoren (TE-Elementen) für industrielle Öfen zu entwickeln. Die Aufgabe bedeutet für promeos die Entwicklung einer neuartigen Volumenbrennergeometrie mit Wärmesenke, um den theoretisch hergeleiteten Anforderungen der erhofften effizienteren Nutzung von Dünnschicht-Peltiers direkt im Brenner gerecht zu werden. Das System muss in seiner Leistung modular aufgebaut sein und einen ausreichend hohen Verstromungs-wirkungsgrad aufweisen. Brenner, Wärmesenke und Peltierverschaltung sind durch eine zu entwickelnde Leistungselektronik und Steuerungstechnik effizient nutzbar zu machen.

I.2. Voraussetzungen für die Durchführung des Vorhabens

Die Identifikation und Beschaffung geeigneter TE-Elemente ist ein Teil des Vorhabens. Sofern dies technisch möglich ist, sollen die Erkenntnisse aus der Anpassungsentwicklung des speziell auf den Betrieb mit TE-Elementen anzupassenden Brenners auf die Spezifikation der zu be-schaffenden TE-Elemente einwirken. Der zu entwickelnde Brenner und die zu findenden TE-Elemente sollen gemeinsam die Mach-barkeit der zum Schutzrecht angemeldeten Gerätekonstellation „gasbefeuerter Brenner mit ho-her elektrischer Leistungsgeneration“ zeigen.

I.3. Wissenschaftlicher und technischer Stand, an den angeknüpft wurde

Der früher von Dritten verfolgte Einbau von TE-Elementen direkt im Brennraum von Heizgeräten führt zu einem offensichtlich unterschiedlichen Wärmeeintrag in die Elemente, da dieser sowohl eine Funktion des Ortes im Brennraum, als auch der Leistung des Verbrennungssystems, als auch der mittleren Heizmittel-Temperatur ist. Der elektrische Wirkungsgrad bleibt dabei subop-timal. Außerdem ist bekannt, dass die maximalen Betriebstemperaturen auf der heißen Seite der TE-Elemente noch unbefriedigend niedrig sind, ohne dass hierzu genaue Grenztemperaturen publiziert wurden.

I.4. Zusammenarbeit mit anderen Stellen

Die im Rahmen der zweijährigen Vorrecherchen und Vorversuchen von promeos weltweit zu-gänglichen TEG Muster beschränkten sich auf wenige Handmuster ohne jegliche oder mit nur unzureichender Spezifikation. Vor diesem Hintergrund hat dieses Vorhaben auch das Ziel, überhaupt Muster hinsichtlich solcher Anwendungen zu identifizieren, zu charakterisieren und deren Entwicklungspotenziale aufzuzeigen.



Die bisherigen Recherchen zur Verfügbarkeit von TE-Elementen und deren Vermessung sind sehr ernüchternd. Es scheinen weltweit nur etwa fünf Anbieter tatsächlich lieferfähig zu sein. Die erhaltenen Muster erfüllen die technischen Erwartungen hinsichtlich oberer Betriebstemperatur und damit verbundener Standzeit nach Aussagen der Hersteller nicht.

I.5. Bisheriges Ergebnis und Ausblick

Der neuartige Lösungsansatz eliminiert nachgewiesener Maßen die funktionalen Abhängig-keiten der TE-Elemente Verwendung an einer Brennerheizung, indem die TE-Elemente und die zugehörige Wärmesenke nicht im Brennraum sondern im Porenbrenner selbst integriert werden und zwar mittelbar an die poröse Struktur, in welcher die Wärmefreisetzung stattfindet. Damit sind keine Veränderungen am Brennraum des Wärmeerzeugers (Heizung, Industrieofen, etc.) notwendig. Dadurch könnte das größtmögliche Erst- und Nachrüstungspotenzial für solche Komponenten zugänglich gemacht werden. Umfangreiche Parameterstudien zur Homogenität des Wärmeleistungsstromes an den eigens entwickelten Wärmetauscherflächen des Brenners radial zur Ausströmungsrichtung des Brenngases haben gezeigt, dass der erste Teil der Aufga-be erfolgreich gelöst wurde. Damit steht ein Brenner auch als skalierbare Plattformtechnologie zur Verfügung, der optimal geeignet ist, um große Stückzahlen an TE-Elementen effizient mit gleichmäßig homogenem Wärmestrom einsetzen zu können. In dem zweiten Schritt wurde nun nachgewiesen, dass die Temperaturen für den optimalen Betrieb der derzeit verfügbaren TEG praktisch unabhängig von der Brennerleistung durch den Porenbrenner zur Verfügung gestellt werden können. Das durch die gemessenen Wärmeströme am Brennerprototyp bestätigte Verfahren und seine gerätetechnische Realisierung wurde zum Patent angemeldet und am 14.11.2010 offen gelegt (DE 10 2009 047 751 A1). Allerdings erfüllen die uns bisher verfügbaren und vermessenen TE-Elemente die technischen Erwartungen nicht, d. h. die möglichen maximalen Temperaturen an den TEG und die Wirkungs-grade der Elemente sind für eine wirklich effektive Ausnutzung noch zu gering. Behauptungen von Dritten, dass mittlerweile bessere Komponenten verfügbar seien, konnten wir nicht bestäti-gen. Die im Rahmen dieses Vorhabens für diese Hochleistungsanwendung als vielversprechend identifizierten TE-Elemente aus russischer Entwicklung für Weltraumanwendungen wurden nicht geliefert. Deshalb wurde auf Produkte eines deutschen Lieferanten für Niedertemperatur-anwendungen zurückgegriffen. Die damit verbundene Einschränkung wurde vorab umfangreich analysiert und für akzeptabel bewertet. Die jetzt tatsächlich gemessenen TE-Ströme und Leis-tungen liegen aufgrund der bisher aus Sicherheitsgründen niedrigen Betriebstemperatur um ei-nen Faktor 100 unter den angestrebten Werten. Die grundsätzliche Eignung konnte damit aber schon gezeigt werden. Allerdings zeigten die bisherigen Ergebnisse, dass der zunächst homogene Wärmestrom aus dem Brennergehäuse am Übergang in die TE-Baugruppen sehr inhomogen wird und ähnliche Probleme auf der kalten Seite bestehen. Deshalb wurde im weiteren Arbeitsplan zusätzlich zu dem geplanten Versuchsprogramm noch ein Schwerpunkt auf die Analyse der Ursachen für diese problematischen Wärmeübergänge und deren Beseitigung gelegt. Es zeigte sich, dass auf der einen Seite die Ursachen im Bereich der eigentlichen Halbleiterbau-steine der TE-Elemente beziehungsweise deren Aufbau und Kontaktierung liegen. Hier werden



einfach die notwendigen Anforderungen an die Robustheit gegenüber mechanischer und ther-mischer Belastung nicht realisiert. Deshalb ist für promeos keine sofortige Lösung machbar, für den Lieferanten nur über einen längeren Entwicklungszeitraum. Letztendlich konnte im Rahmen des Vorhabens die Eignung des Porenbrenners und dessen po-sitives Alleinstellungsmerkmal in Kombination mit TE-Elementen nachgewiesen werden. Von Seiten der Brennertechnik, wäre eine sofortige Umsetzung in praktischen Anwendungen mög-lich, dies scheitert zurzeit einzig und allein daran, dass im Moment keine ausreichend leistungs-starken und robusten TE-Elemente kommerziell verfügbar sind. Seit Anfang Juli 2011 liegt eine Anfrage für on-board Nutzung vor, welche den weiteren Entwick-lungsweg der Technologie beeinflussen wird.



II. Detaillierte Ergebnisse

II.1. Wesentliche Entwicklungsschritte

- Konzeptionelle und konstruktive Arbeiten - Wärmetechnische Vermessung des Versuchsaufbaus - Optimierung der wärmetechnischen Vermessung - Überprüfung und Bau der Wärmesenke (Kühlelement) - Anpassung der Wärmesenke an die tatsächlich real verfügbare TEG Option - Entwurf und Bau der Steuerungsschnittstelle - Verfeinerung der Messtechnik unter Einbezug der Wärmesenke - Festlegung der TE-Elemente Spezifikation - TE-Elemente in kleiner Stückzahl verfügbar machen - Bau der elektrischen Verschaltung und der Ansteuerung - Meßreihen mit den TE-Elementen - Start der Analyse der Fehlfunktionen - Elemente zur Nacharbeit beim Hersteller - Überprüfung und Verbesserung der Elemente - Vermessung der Elemente im ursprünglichen Aufbau - Auswertung der Daten und Fehlersuche - Maßnahmen zur Verbesserung des Wärmeübergangs - Spezielle Anpassungen aufgrund der nicht ausreichenden Robustheit der Elemente - Durchführung von Versuchen am vollständigen System - Auswertung der Daten und Fehlersuche

II.2. Beschreibung der TE-Elemente Baugruppen

Trotz umfangreicher weltweiter Recherchen können auch Anfang 2011 keine TE-Elemente be-zogen werden, die tatsächlich in Losgrößen von >10 Stück auch >100 W elektrischer Leistung aus dem Betrieb bei Temperaturen von 300°C erreichen und dabei Standzeiten von >100h zei-gen. Deshalb wurde das weitere Vorgehen an diese Einschränkung angepasst: In der Hoffnung schneller Entwicklungsfortschritte bei den TE-Elemente Herstellern kann der promeos Brenner in den kommenden Jahren rasch steigende maximale Betriebstemperaturen für TE-Elemente bereit stellen. Das Konzept mit niedriger Packungsdichte wurde darum mit einer einfachen variablen Wärme-senke ausgelegt und vermessen, um zunächst mit relativ niedrigen Betriebstemperaturen von deutlich unter 300°C die Validität des Gerätekonzeptes unter Beweis zu stellen. Der Aufbau des TE-Elemente Demonstrators zur dezentralen Stromerzeugung aus Verbren-nungsprozessen mittels Dünnschicht Thermogeneratoren stellt sich so dar: Eine Moduleinheit („Grundbausteine“) basiert auf vier Thermogeneratorzellen (Abbildung 1 und 2), die thermisch parallel geschaltet an eine Heißseite des angepassten Porenbrenners ther-



misch angekoppelt werden. Zukünftig können durch streifenförmige Brennergeometrie viele sol-cher Heißseiten dargestellt werden. Alle Schnittstellen und die Halbleiter wurden zunächst auf das Ziel der Wandlung von thermi-scher Verlustwärme (radial zum Brenngasmassenstrom) über das Reaktorgehäuse in elektri-scher Energie in der Größenordnung einiger Watt ausgelegt. Im Vorfeld erfolgte hierzu eine Simulation, um das Ergebnis einzugrenzen. Kommerziell verwertbar wird das Konzept ab einer elektrischen Leistung von ca. 100 W, was eine deutlich höhere Packungsdichte erfordert. Auf Basis des TEG-Systems erfolgt die Datenverarbeitung (Zusammenfassung der Messwerte), Auswertung (Konsolidierung und Verdichtung) und Übertragung der Messdaten (zum PC). Zu Verifikationszwecken wird neben der eigenen Meßumgebung auch die Auswertung mittels der durch den Lieferanten beigestellten Lösung durchgeführt. Die Powerzellen können elektrisch auch in Reihe geschaltet werden, um die Auswertung bzw. Fehlersuche zu vereinfachen.

Abbildung 1: 2 Powerzellen mit jeweils 2 x 3 TEGs auf Grundplatte mit thermischem Isolator (Grün) (LINKS) sowie mit Ankopplungsplatte für Wasserkühlung (RECHTS).



Abbildung 2: Prinzip Aufbau 4 Powerzellen.

II.3. Versuchsaufbau

Wie in den Vorberichten beschrieben, ist es aufgrund des Brenners kein Problem die zur Ver-sorgung der TE-Elemente notwendige maximale Oberflächentemperatur von 200°C bereitzustel-len. Schwieriger gestaltet sich dabei die mechanische Kopplung von heißer Brennerseite und den TE-Elementen. Die Gründe liegen hier einerseits auf den praktisch nicht vermeidbaren Unebenheiten im Brennerrahmen, die sich deswegen besonders negativ auswirken, da die TE-Element nicht robust genug aufgebaut sind, um eine entsprechend starke Anpressung und da-mit gut wärmeleitende Verbindung herzustellen. Nach kleinen konstruktiven Anpassungen ist das Brennergehäuse, bestehend aus dem Poren-körper, dem Isolationsverbund am Rand und dem einfassenden Metallgehäuse sehr gut geeig-net, um einen örtlich und zeitlich homogenen Wärmestrom in der Größenordnung von 1-10% der Verbrennungswärmeleistung bereit zu stellen. Die Variation wird durch die Ausführung des Iso-lationsverbundes am Gehäuserand und durch die Güte der thermischen Ankopplung des Wär-menutzers an das Gehäuse bestimmt. Das konstruktive Problem besteht vor allem auch darin, die TE-Elemente für diese Entwick-lungsarbeit leicht auswechselbar und trotzdem gut wärmeleitend an das Brennergehäuse anzu-koppeln. Die ersten Versuche zeigten nun, dass die damals favorisierte Schraubverbindung zur Befestigung der TE-Elemente nicht die gewünschten Ergebnisse erzielte. Die Hauptursache da-für liegt darin, dass es damit nicht möglich war eine so hohe Flächenpressung zwischen Bren-nerrahmen und Kontaktfläche der TE-Elemente aufzubringen, dass der Wärmeübergangswider-stand dauerhaft genügend klein war und blieb. Zudem kam es, wenn nur über diese Schraub-



stellen die Verbindung vorgenommen wurde zur Verformungen innerhalb des mechanischen Aufbaus der TE-Elemente, die wiederum zu Ausfällen der Elemente führten. An dem grundsätzlichen Aufbau der zu einer Einheit zusammengefassten 4 TE-Elemente hat sich nichts verändert. D.h. vier einzelne Baugruppen (Zelle) wurden im Sandwich Aufbau mit Thermoelektrogeneratoren bestückt, gemäß Abstimmung und Voruntersuchung von promeos und dem TEG-Lieferanten. Die Abmessungen des Gesamtaufbaus aller vier Zellen wurden auf die Seitenlänge des Porenbrenneraufbaus angepasst (30 cm Länge und 2 cm Breite). Pro Zelle werden 6 TE-Elemente platziert, so dass die thermische Energie einer Brennerwandseite in ins-gesamt 24 TEs eingekoppelt wird (Abbildung 1 und 2). Die Leistungsmessung erfolgt über externe Schnittstellen sowie durch interne Auswertung einer speziellen TE-Sensorzelle. Die Energiesenke wird mittels eines schraubverbundenen Kühlwasserkanals dargestellt. Abbildung 3 zeigt den Versuchsaufbau der dritten Generation mit optimierten Wärmeübergän-gen auf der Heiß- und auf der Kaltseite durch Schraubverbindungen und Kontaktblecheinlagen, wie er auch schon bei den letzten Untersuchungen verwendet wurde. Mit diesem Aufbau konnten nun nicht dauerhaft ein so guter Wärmeübergang zwischen Bren-nerrahmen und TE-Elementen hergestellt werden, dass die maximale Zieltemperatur von 200°C an allen TE-Elementen erreicht wurde. Deshalb wurde mit Blick auf die Maximierung des Wärmeübergangs und unter Berücksichtigung der mechanischen Sensibilität des Aufbaus der TE-Elemente von der früheren Schraubverbin-dung zwischen TE-Elementen und Brenner abgewichen und eine möglichst großflächige Anpressung der gesamten Gruppe an den Brennerrahmen realisiert. Zusätzlich wurde, um die immer noch nicht optimale wärmetechnische Verbindung auszugleichen, über zusätzliche Blech Energie aus der Verbrennung in die Elemente geleitet. Ein Verfahren, dessen grundsätzlicher Aufbau auch Gegenstand der von promeos durchgeführten Patentanmeldung ist.

Abbildung 3: Versuchsaufbau Ende 2010.



Abbildung 4: Details des Mechanismus zur Anpressung der TE-Elemente

Abbildung 5: Details mit Wasseran-schluß und zusätzlichem Leitblech zur Auskopplung von Wärme aus der Verbrennungszone

II.4. Versuchsdurchführung und -ergebnisse

Der Brenner und die Kältesenke werden für jeweils einen Meßpunkt bei konstanter Leistung be-trieben, was durch die konstanten Massenströme von Brenngas und Kühlwasser geregelt wird. Dadurch steht eine konstante Temperaturdifferenz auf der Heiß- und auf der Kaltseite der TE-Elemente bereit, welche einen konstanten Wärmestrom generiert. Die Konstanz der Temperaturen wird durch kontinuierliche Messungen kontrolliert. Die an den unterschiedlichen Schichten der TE-Elemente anliegenden Temperaturen sind nur schwer oder nur indirekt messbar. Zunächst wurden die eigenen Systemtemperatursignale ana-lysiert und kritisch hinterfragt. Die Aussagekraft der Meßwertgeber in den TE-Elemente wird kritisch beurteilt, da die TE-Elemente stark unterschiedliche Temperatur zeigen und bis zur Lösung der inhomogen räumli-chen Temperaturverteilung der angekoppelten Elemente weiterhin an allen Meßpunkten entlang des Gehäuses die Temperatur erfasst werden muss. Abbildung 6 zeigt ein repräsentatives Meßergebnis, das im Folgenden erläutert wird. In den vier Gruppen sind insgesamt ca. 1.000 TEG-Zellen (kleineste Einheit) verbaut. In Abbildung 6 sind rechts oben die an den TE-Elementen gemessenen Temperaturen zu er-kennen, welche stabil über mehrere Stunden anliegen. Die Temperatur auf der Heißseite liegt bei 3 Elementen praktisch gleich, während an einem eine um ca. 30K höherer Temperatur an-liegt. Diese Differenzen sind wie schon erläutert, auf die nicht gleichmäßige wärmetechnische Kontaktierung der TE-Elemente mit dem Brennerrahmen zurückzuführen. Diese Nachteile konn-ten im Rahmen des Vorhabens zwar mittels zusätzlicher Maßnahmen vermindert aber nicht voll-ständig beseitigt werden.

Das Problem, dass bei gleicher Temperatur auf der Heizseite das T über den Elementen und die erzeugten Spannungen und damit auch Leistungen unterschiedlich sind konnte nicht erklärt und beseitigt werden.

Leitblech zur zusätzlichen Einkopplung von Energie aus dem Abgas



Abbildung 6: Repräsentatives Messergebnis (Temperaturen und Leistung). Die Wärmeübergänge wurden mit allen Methoden des Standes der Technik überprüft und opti-miert und brachten keine signifikante Verbesserung. Der Austausch oder die Vertauschung der TE-Elemente-Baugruppen zeigte keine Verbesserung. Unabhängig von den noch nicht geklärten Ursachen der Temperaturdifferenzen gilt es die nicht proportionale elektrische Leistung zu plausibilisieren: Während im Beispiel die obere Baugruppe aus 54K Temperaturdifferenz 0,06Wel generiert, schafft die dritte Baugruppe in Abbildung 6 aus 57K 0,79Wel. Hierfür konnten noch keine stichhaltigen Erklärungen gefunden werden. Abbildung 7: Elektrische Leistung laut Hersteller je TE-Element

0

2

4

6

8

10

30 40 50 60 70 80 90 100

Heisse Seite, °C (Kalte Seite 25°C)

P_el,

mW



Bisher konnten im Laborbetrieb „Wärme - in – Strom“ Wirkungsgrade von nur ca. 0,5% gezeigt werden. Dies genügt für Energy harvesting Anwendungen für Niedrigstleistungsverbraucher, nicht jedoch für Motoren, Aktoren und andere klassische Verbraucher. Hierfür 2-3% gelten als notwendig. Die anliegenden Temperaturen entsprechen den Empfehlungen des Herstellers. Abbildung 7 zeigt die erwartete stetige Leistungszunahme mit wachsender Temperaturdifferenz und wachsender oberer Temperatur einer Zelle. Abb. 7 bezieht sich auf eine TEG-Zelle als kleinste Baueinheit. Es sind in Abbildung 6 ca. 1.000 Zellen verbaut. Für 75 K Temperaturdiffe-renz beträgt der Erwartungswert 8 mW je Zelle, insgesamt also 8W. Tatsächlich werden hier ca. 2 W gemessen. Es wurden nun umfangreiche Tests durchgeführt, bei denen der Einfluß der Brennerleistung und der Kühlleistung auf die TEGs untersucht wurde. Leider konnte bei allen durchgeführten Mes-sungen nur selten der Zustand erreicht werden, dass alle TEG einwandfrei funktionierten. Dies war allerdings nicht auf Probleme thermischer Art, also außerhalb der TEG liegend, zurückzu-führen, sondern ist in den TEGs selbst begründet. Die Zuverlässigkeit und Stabilität des gesam-ten Aufbaus der TEG ist nicht ausreichend für eine Anwendung wie im vorliegenden Fall. Den-noch konnten mit den Versuchen die im Vorfeld formulierten und hergeleiteten Erwartungen durch das System Porenbrenner-TEG grundsätzlich nachgewiesen werden. Das heißt auf der einen Seite kann die Temperatur an der heißen Seite der TEG so eingestellt werden, dass die vom Hersteller geforderte maximale Temperatur nicht überschritten wird, der Brenner selbst weist auf der gesamten Nutzfläche für die TEG praktisch überall die gleiche Temperatur auf. Somit läßt sich die Brennerfläche effektiv für die Stromerzeugung nutzen und zwar so, dass an der gesamten Anschlußfläche die gleichen Bedingungen herrschen, es sind also keinerlei Ver-änderungen und Anpassungen weder auf Seiten des Brenners noch der TEG notwendig. Die unterschiedlichen Temperaturen welche in den jeweiligen Meßreihen an den einzelnen TEGs auftreten sind eine Kombination aus nicht immer gleich guter thermischer Kontaktierung von den TEGs an den Brenner und unterschiedlicher thermischer Widerstände in den einzelnen TEGs. Der Wärmeübergang konnte trotz aller Versuche nicht über alle TEGs gleich gut gestaltet werden. Dies liegt nicht daran, dass an der Brenneroberfläche unterschiedliche Temperaturen vorliegen, dies konnte durch Messungen bestätigt werden, sondern dies ist einfach in dem Mus-teraufbau begründet, der weder so gestaltet ist, dass eine wirkliche plane Oberfläche aller TEGs gegeben ist, noch so, dass mit entsprechender Anpressung evt. kleine Unterschiede ausgegli-chen werden können.



Abbildung 8: 2 TEG bei einer Brennerleistung von 10kW in Betrieb Ein ganz entscheidender Vorteil für die Kombination von Porenbrenner und TEG ist jedoch die Tatsache, dass die den TEG zur Stromerzeugung zur Verfügung stehende Energie praktisch unabhängig von der Brennerleistung ist und das diese Energie direkt am Brenner ausgekoppelt werden kann und somit völlig unabhängig von den nachgeschalteten Wärmeübertragungsflä-chen geschehen kann. Die Anwendung von TEGs im Bereich der Verbrennungstechnik ist im-mer beschränkt, eingeschränkt und limitiert dadurch, dass der Wärmeübergang an die TEG di-rekt mit der Brennerleistung gekoppelt ist und somit starken Schwankungen unterliegt. Zudem müssen die TEG so positioniert werden, dass in keinem Fall die maximale zulässige Temperatur am TEG überschritten wird. Die maximalen Temperaturen treten im Bereich des Wärmetau-schers oder des Abgasweges, wo die TEG normalerweise positioniert sind, aber bei Nennleis-tung des Brenners auf. Es muß also der Wärmeübergang so schlecht gemacht werden, dass in diesem Fall die Grenztemperatur nicht überschritten wird, mit anderen Worten, die Effektivität der Stromerzeugung wird auf einen einzigen Betriebspunkt des Gesamtsystems hin optimiert. Im Umkehrschluß bedeutet dies, dass in allen anderen Betriebspunkten die Effizienz sinkt. Sollen solche Systeme jedoch in kleinen und mittelgroßen Anlagen zur Wärmeerzeugung eingesetzt werden, so sind aus Effizienzgründen die Anlagen, respektive die Brennersysteme, so ausge-führt, dass der Brenner einen möglichst großen Leistungsbereich stufenlos durchfahren kann. Bei richtiger Dimensionierung des Wärmeerzeugers bedeutet dies, dass der Brenner nur selten mit Nennleistung arbeitet, dafür aber umso länger im mittleren oder kleinsten Leistungsbereich. Aus dem oben gesagten folgt daraus, dass der Wirkungsgrad der TEG bei konventionellen Sys-temen immer weit vom Optimum entfernt ist. Bei der Kombination von Porenbrenner und TEG stellt sich der Sachverhalt nun völlig anders da, denn hier kann das TEG praktisch immer mit



dem höchsten Wirkungsgrad arbeiten, unabhängig von der gerade benötigten Brennerleistung. Die Abbildung 11 unterstreicht diese Aussage deutlich.

Abbildung 9: 2 TEG bei einer Brennerleistung von 15kW in Betrieb Obwohl die Brennerleistung um den Faktor 2 variiert, sind die Änderungen an der Temperatur auf der heißen Seite der TEG kleiner als 7K, d. h. kleiner als 4%. In Summe bedeutet dies, dass es möglich ist eine Kombination von Brenner und TEG zu schaf-fen, die unabhängig von der Brennerleistung mit dem höchst möglichen elektrischen Wirkungs-grad der TEG arbeitet und diese Baueinheit ist völlig unabhängig von den nachfolgenden Pro-zessen. D. h. welcher Wärmetauscher zur Nutzung des Abgases nachgeschaltet ist oder was auch immer verfahrenstechnisch mit dem Abgas nach dem Brenner geschieht ist ohne Einfluß auf die Wirkungsweise und Effektivität der vorgeschalteten Stromerzeugung.



Abbildung 10: 4 TEG bei einer Brennerleistung von 20kW in Betrieb

150

160

170

180

190

200

6 8 10 12 14 16 18 20 22

Jh

eiß

e S

eit

e i

n

C

Brennerleistung in kW

Temperaturverlauf an der heißen Seite der TEG als Funktion der Brennerleistung

Abbildung 11: Einfluß der Brennerleistung auf die Temperatur am TEG



Die Erzeugung des elektrischen Stromes ist natürlich an die über den TEG vorherrschende Temperaturdifferenz gekoppelt. Als Energiesenke bietet sich Wasser aufgrund seiner hohen spezifischen Wärmekapazität, seiner problemlosen Verfügbarkeit und seiner allgemeinen Unbe-denklichkeit bezüglich Gesundheit und Sicherheit an. Sollte eine Kombination von Porenbrenner und TEG in üblichen Wärmeerzeugern eingesetzt werden, bietet sich das umlaufende Wasser als Energiesenke an, was den weiteren Vorteil bietet, dass die „Abwärme“ aus der Stromerzeu-gung im Gesamtsystem erhalten bleibt und somit nicht zur Wirkungsgradverschlechterung bei-trägt. Die Abbildung 12 zeigt, dass bei sehr niedrigen Wassermassenströmen die Temperaturdifferenz über dem TEG zu klein wird und der elektrische Wirkungsgrad bzw. die elektrische Leistung entsprechend abnimmt.

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

ele

ktr

isch

e L

eis

tun

g/W

Massenstrom Wasser/(g/s)

Einfluß des Kühlmassenstromes auf die elektrische LeistungVerlauf für einen TEG

TEG 3

Abbildung 12: Einfluß des Kühlmassenstromes auf die elektrische Leistung für ein TEG Für alle 4 TEG konnte in Summe die folgende elektrische Leistung als Funktion des Kühlmas-senstromes erzeugt werden. Abbildung 14 verdeutlicht, dass wie erwartet die erzeugte elektrische Leistung letztendlich an die Temperaturdifferenz gekoppelt ist. Diese korreliert mit der erzeugten Leistung und nimmt, wie physikalisch zu erwarten, monoton mit abnehmendem Kühlwasserstrom ebenfalls ab.



0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

1,10

1,20

1,30

1,40

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1,90

2,00

2,10

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

ele

ktr

isch

e L

eis

tun

g/W


Einfluß des Kühlmassenstromes auf die elektrische LeistungVerlauf für in Summe 4 TEG

Abbildung 13: Einfluß des Kühlmassenstromes auf die elektrische Leistung

92,5

95,0

97,5

100,0

102,5

105,0

107,5

110,0

112,5

115,0

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

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0,90

1,00

1,10

1,20

1,30

1,40

1,50

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1,70

1,80

1,90

2,00

2,10

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

delt

aT

Wasser

in K

ele

ktr

isch

e L

eis

tun

g/W


Einfluß des Kühlmassenstromes auf die elektrische LeistungVerlauf für in Summe 4 TEG

elektri. Leistung deltaT Wasser

Abbildung 14: Zusammenhang zwischen elektrischer Leistung und Temperaturdifferenz



II.5. Zusammenfassung der Entwicklungsergebnisse

Die durchgeführten Untersuchungen bestätigten grundsätzlich die im Vorfeld beschriebenen und erwarteten Vorteile einer Kombination von Porenbrenner und TEG. Stichpunktartig läßt sich dies wie folgt ausdrücken: Mit dem Porenbrenner ist es möglich, die Temperatur an der heißen Seite des TEG so einzustellen, dass dessen maximale Grenztemperatur nicht überschritten wird. Dies läßt sich relativ einfach, ohne Eingriff in die eigentliche Brennertechnik umsetzen. D. h. die Eigenschaften des Brenners werden dadurch in keiner Weise negativ beeinflußt. Die Brennerfläche, die zur Anbringung der TEG dient, kann vollkommen plan gestaltet werden und weist in beiden Dimensionen nur geringe Temperaturunterschiede auf. D. h. die TEG haben an allen Stellen des Brenners die gleichen Randbedingungen vorliegen und es sind weder verschiedene TEG als Funktion des Ortes auszuwählen, noch ist damit die Leistung der TEGs eine Funktion des Ortes. Die den TEG zur Verfügung stehende Leistung ist praktisch keine Funktion der Brenner- leistung, also davon entkoppelt. Dies ist ein entscheidender Vorteil gegenüber konventionellen Brenner-Systemen. Bedeutet dies doch, dass die TEG in allen Betriebspunkten des Brenners mit dem optimalen elektrischen Wirkungsgrad arbeiten können. Durch die Positionierung der TEG an dem Brenner oder den Brennern wird keinerlei Ein- fluss auf die nachfolgenden Prozesse genommen. Ob das Abgas nach der Verbrennung einem Wärmetauscher zugeführt wird oder direkt als Energiequelle genutzt wird, ob das Abgas nach dem Brenner mit andern Stoffen vermischt wird, ist alles völlig separiert von dem Einsatz der TEG. Damit kann überall da, wo der Brenner eingesetzt wird auch elektrischer Strom erzeugt werden. Die zur Verfügung stehenden TEG erfüllen nicht die Erwartungen bezüglich des elektrischen Wirkungsgrades, der mechanischen Stabilität und der allgemeinen Betriebszuverlässigkeit. Dies schmälert jedoch in keinster Weise die im Rahmen dieses Projektes erarbeiteten und nachge-wiesenen grundsätzlichen Vorteile einer Kombination von Porenbrenner und TEG.



III. Vergleich des Projektes mit der Planung

III.1. Zeitplan wurde angepasst

Das Projekt wurde am 1.9.2009 begonnen. Aufgrund der Lieferschwierigkeiten mit geeigneten TEGs wurde der Projektplan überarbeitet, an die Entwicklungsschwierigkeiten angepasst und dafür eine kostenneutrale Verlängerung der Projektlaufzeit um vier Monate beantragt und ge-nehmigt. Das Projekt wurde zum 30.06.2011 abgeschlossen und die angestrebten Ergebnisse weitge-hend erreicht.

III.2. Ressourcen- und Arbeitsplan erfüllt

Der Personaleinsatz und damit der Aufwand entsprechen weitgehend der ursprünglichen Pla-nung. Die größte Änderung ergab sich durch notwendige und sinnvolle Umwidmung von Fremdmitteln (Unterauftrag zur TEG Entwicklung) in eigenen Personalaufwand für Vermessung und Anpassungsentwicklung. Prototypen mit seriennahen Niedrigleistungs-TE-Elementen wurden aufgebaut, in Betrieb ge-nommen und vermessen.

III.3. Ausgaben im Plan und strukturell angepasst

Im Projekt fielen vor allem Ausgaben für Material (Blechteile, Keramikkomponenten) und Steuer- und Regelungstechnik an. Bisher sind vier der 34 TE-Elemente (10%) ausgefallen, ohne dass die Ursache klar ist.

III.4. Voraussichtlicher Nutzen und Verwertbarkeit des Ergebnisses

Das unabhängige Teilziel „gasbefeuerter Brenner mit homogenem radialen Wärmeleistungs-strom“ wurde im Projektzeitraum erreicht. Das übergeordnete Ziel „gleichmäßige, weitgehend von der Brennerleistung unabhängige Elektrische Leistungsauskopplung“ wurde teilweise er-reicht. Noch zu lösende Schwierigkeiten im Haus liegen in der großflächigen gleichmäßigen thermi-schen Ankopplung von TEG Platinen. Hier werden Entwicklungen aus der großflächigen Löttechnik zukünftig aufgenommen werden. Die aktuell dominierenden Probleme der Wärmeübergänge wurden so nicht erwartet und kön-nen noch nicht vollständig erklärt werden. Hierin sollte dennoch kein längerfristiges Risiko für die kommerzielle Verwertbarkeit der Ergebnisse liegen.



Das bekannte, aber in seiner Höhe unterschätzte Risiko der Leistungsfähigkeit der TE-Elemente wird auf absehbare Zeit das kommerzielle Gesamtziel (effizienter Systemverbund Brenner mit TE-Elementen) unerreichbar erscheinen lassen. Allerdings kommen gerade aus dem militärischen Bereich immer wieder überraschende Fort-schritte. So wurden uns Anfang Juli erneut vielversprechende Hochleistungs-TEG (4-5% elektri-scher Wirkungsgrad) angeboten. Sofern eine Lieferung tatsächlich erfolgt, könnte das den kommerziellen Durchbruch bedeuten. Das ursprünglich am höchsten eingeschätzte Risiko der Standzeit kann noch nicht neu bewertet werden, da die bisher realisierte geringe Leistung des Systemverbunds noch keine Aussagen zur Standzeit erlaubte. Die kommerzielle Umsetzung der Entwicklungsergebnissen wird also nur von der kommerziellen Verfügbarkeit von leistungsfähigen TE-Elementen abhängen.

III.5. Fortschreibung des Verwertungsplan

Hinsichtlich der Verwertung haben sich im Vergleich zur Antragsfassung damit starke Änderun-gen ergeben. Es sind weiterhin viele Querschnittanwendungen im Sinne der Anschlussfähigkeit absehbar, die jedoch nur erschlossen werden könnten, wenn leistungsstarke TE-Elemente kommerziell ver-fügbar werden. Damit würden sich viele neue Anwendungen im Bereich der gewerblichen Pro-zesswärme und der Raumwärme ergeben. Wahrscheinlich sind notwendige wissenschaftliche Fortschritte bei der TE-Elemente Material-entwicklung abzuwarten, deren grundsätzliche Machbarkeit von promeos nicht beurteilt werden kann. Nach aktuellem Kenntnisstand steht zu befürchten, dass solche TE-Elemente höherer Leistung (>100 W), höherer Betriebstemperatur (>300 °C) und längerer Standzeit (>8.000 h) heute noch nicht wirklich kommerziell verfügbar sind. Doch sind Überraschungen denkbar und plausibel, nachdem in 2010 die weltweiten Entwicklungsbemühungen rund um TEG eine Renaissance er-fahren haben.

III.6. Keine störenden F+E Ergebnisse von Dritten

Bis heute sind keine störenden F+E Ergebnisse von Dritten bekannt geworden.

III.7. Bekannt gewordener Fortschritts auf dem Gebiet bei anderen Stellen

Es wurde kein das eigene Vorhaben tangierender Fortschritt von anderen Stellen im Markt iden-tifiziert. Angekündigt wurde ein Durchbruch von o-flexx (http://www.o-flexx.com/unternehmen/ueber-o-flexx/strategie/), jedoch noch nicht von Dritten bestätigt. Dennoch ist aufgrund der großen Bedeutung der TEG-Technologie gerade für Militär und Welt-raumfahrt und der engen Verquickung mit Materialgrundlagenforschung nicht auszuschließen,

http://www.o-flexx.com/unternehmen/ueber-o-flexx/strategie/)



dass andere Stellen kurz vor dem Durchbruch in der Entwicklung von Hochleistungs-TEG ste-hen.

III.8. Veröffentlichungen des Ergebnisses

Die Entwicklung wurde in vier internen, aufeinander aufbauen Entwicklungsberichten dokumen-tiert. Es wurde ein Patent angemeldet und offen gelegt. Da einerseits das Interesse des Marktes für TEG Lösungen gerade im Bereich industrieller Pro-zesswärme hoch ist, andererseits die Technologie noch keine Marktreife aufweist, wurde be-wusst das Entwicklungsergebnis noch nicht breit bekannt gemacht, also weder publiziert noch auf Messen ausgestellt, sondern nur in Einzelgesprächen erläutert und beworben.



Anhang: Relevante wissenschaftliche Publikation von pro-meos Mitarbeitern

Beiträge mit Bezug zum Vorhabend für Konferenzen, Symposien, Fachtagungen:

3 D. Trimis, F. Durst (1995), Combustion in a porous medium - advances and applications, 3rd Int. Conf. on Comb. Techn. for a Clean Environment (Clean Air III), Lisbon, Portugal, July 1995.

5 D. Trimis, F. Durst (1995), Verbrennung in porösen Medien und technische Anwendun-gen, VDI-GET Thermodynamik-Kolloquium, Halle, Oktober 1995.

9 D. Trimis, F. Durst (1996), Untersuchungen zu Verbrennungsvorgängen in freien Flam-men und deren Grenzen, 5. Fachtagung Laser¬methoden in der Strömungsmesstechnik (GALA 96), Berlin, September 1996.

10 D. Trimis, F. Durst (1996), Compact low emission combustion reactors with integrated heat exchangers using porous medium combustion, First European Conference on Small Burn-er Technology and Heating Equipment ECSBT 1, Zürich, Schweiz, September 1996.

12 D. Trimis, F. Durst, O. Pickenäcker, K. Pickenäcker (1997), Porous medium combustor versus combustion systems with free flames, 2nd International Symposium on Heat Transfer Enhancement and Energy Conservation (ISHTEEC '97), Guangzhou (Canton), China, Juni 1997.

16 D. Trimis (1998), The porous burner technique and its applications, CHAUD ´98, Lau-sanne, Schweiz, October 1998. Invited Lecture.

17 S. Mößbauer, O. Pickenäcker, K. Pickenäcker, D. Trimis (1999), Application of the por-ous burner technology in energy- and heat-engineering, 5th International Conference on Tech-nologies and Combustion for a Clean Environment (Clean Air V), Lisbon, Portugal, July 1999.

18 G. Brenner, K. Pickenäcker, O. Pickenäcker, D. Trimis, K. Wawrzinek, T. We-ber (1999), Stabilized combustion and heat transfer in porous inert media - an experimental and numerical study, 5th International Conference on Technologies and Combustion for a Clean Environment (Clean Air V), Lisbon, Portugal, July 1999.

24 O. Pickenäcker, D. Trimis, F. Durst (2000), Low emission burner based on staged com-bustion in an inert porous medium - Experimental and numerical investigations, 2nd European Conference on Small Burner and Heating Technology ECSBT2, Stuttgart, March 2000.

30 D. Trimis (2000), Stabilized combustion in porous media - Applications of the porous burner technology in energy- and heat-engineering, AIAA-FLUIDS 2000 Conference, Denver, USA, June 2000. Invited Lecture.

37 S. Mößbauer, W. Grüber and D. Trimis (2001), Exhaust gas recirculation in porous burn-ers for the target application zero emission steam engines, 6th International Conference on Technologies and Combustion for a Clean Environment (Clean Air VI), Porto, Portugal, July 2001.



39 K. Wawrzinek, D. Trimis (2001), Development of a Wobbe number sensor for controlled combustion of gaseous fuels with varying quality, 6th International Conference on Technologies and Combustion for a Clean Environment (Clean Air VI), Porto, Portugal, July 2001.

51 D. Trimis (2002), Ceramic structures as supports for natural gas combustion, 10th Inter-national Ceramics Congress & 3rd Forum on New Materials (CIMTEC 2002), Florence, Italy, Ju-ly 2002. Invited Lecture.

59 D. Trimis (2003), Stabilized combustion in porous media; Principles and Applications, 7th International Conference on Technologies and Combustion for a Clean Environment (Clean Air VII), Lisbon, Portugal, July 2003. Keynote Lecture.

60 D. Trimis, K. Wawrzinek (2003), Flame stabilization of highly diffusive gas mixtures in porous inert media, 12th International Conference on Modelling Fluid Flow (CMFF’03), Budap-est, Ungarn, September 2003.

64 D. Trimis (2004), Stabilisierte Verbrennung in porösen Medien; Funktionsprinzipien und Anwendungen, 7. DECHEMA-Vortragstreffen des Hochschullehrer-Nachwuchses für Techni-sche Chemie und Biotechnologie (Dozententreffen), Frankfurt, Januar 2004.

69 Z. Al-Hamamre, S. Diezinger, P.Talukdar, F. von Issendorff*, D. Trimis (2005), Combus-tion of Low Calorific Gases from Landfills and Waste Pyrolysis Using Porous Medium Burner Technology, WasteEng 05, Albi (Frankreich), Mai 2005.

70 S. Diezinger, V. Stamatov. M. Steven, S. Kaeding, M. Boltze, F. von Issendorff, D. Trimis (2005), OFF-GAS POROUS BURNER / HEAT EXCHANGER SYSTEM FOR HIGH TEMPERA-TURE FUEL CELLS, 8th International Conference on Technologies and Combustion for a Clean Environment (Clean Air VIII), Lisbon, Portugal, Juni 2005.

76 S. Diezinger, M. Steven, P. Talukdar, Z. Al-Hamamre, F. von Issendorff, D. Trimis (2005), Numerische und experimentelle Untersuchung von Verbrennungsvorgängen niederkalo-rischer Gase in Porenbrennern, 22. Deutscher Flammentag, Braunschweig, September 2005.

85 D. Trimis (2006), Grundlagen der Porenbrennertechnologie, 15. Kolloquium der Deut-schen Vereinigung für Verbrennungsforschung DVV, Erlangen

90 S. Voß, Z. Al-Hamamre, D. Trimis (2007), Verbrennung von Schwach- und Mittelgasen in Porenbrennern - Emissionsverhalten und Verbrennungs¬stabilität, Koll. 9, 58. Berg- und Hüttenmännischer Tag 2007, Freiberg

94 A. Zbogar-Rasic, M. Altendorfner, M. Steven, F. von Issendorff, D. Trimis (2007), Investi-gation of Design Parameters Influencing the Performance of Premixed Surface Burners, 9th Int. Conf. on energy for a clean environment CleanAir9, Povoa De Varzim, Portugal

KMU Innovativ „Klimaschutz: TEG-Brenner · 2015. 11. 13. · KMU Innovativ: Klimaschutz:...

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