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Diplomarbeit |
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8 Stirling-Motoren (Thermoelektrische
Konverter TEK) |
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Zusammenstellung eines
vorläufigen Prospekts der Firma Heidelberg Motor GmbH.
Einleitung, Funktionsweise von TEK
Der TEK ist eine Wärmekraftmaschine nach dem Stirling-Prinzip
mit integriertem elektrischen Generator. Er unterscheidet sich grundlegend
von gebräuchlichen Verbrennungsmotoren. Antriebsenergie wird
hier als Hochtemperaturwärme von außen, beispielsweise
durch heißes Rauchgas einer Feuerung über den Erhitzer-Wärmetauscher,
zugeführt. Ebenfalls von außen wird über den Kühler-Wärmetauscher
eine zweite niedrige Temperatur eingestellt. Aus der Differenz zwischen
hohem und niedrigen Temperaturniveau wird - mit thermodynamischen
Wirkungsgrad - mechanische Arbeit erzeugt. Anders als beim Otto-Motor
gibt es dabei keine innere Verbrennung und keinen Ladungswechsel,
sondern es werden zwei konstante Temperaturen von außen vorgehalten.
Beim TEK Motor nutzen zwei Kolben übereinander den gleichen
Zylinder. Der Verdränger 2 leistet keine Arbeit, sondern verschiebt
alternierend ein geschlossenes Arbeitsgasvolumen zwischen heißem
Raum 4 und kaltem Raum 3. Auf diesem Weg passiert das Gas den Kühler
5, den als Wärmezwischenspeicher wirkenden Regenerator 6 und
den Erhitzer 7 bzw. in umgekehrter Reihenfolge und wird dabei abgekühlt
oder erhitzt. Die daraus resultierende zyklische isotherme Druckschwankung
des Arbeitsgases treibt über den Arbeitskolben 1 und ein spezielles
Getriebe die Kurbelwelle an. Leistung und Wirkungsgrad sind dabei
wesentlich von der Höhe des Temperaturunterschiedes zwischen
Raum 3 und Raum 4 abhängig.
| Daraus wird zu etwa
ein Drittel mechanische Energie erzeugt, welche der Generator
in Strom wandelt. Die übrigen zwei Drittel fallen fast
vollständig als Warmwasser an und können für
Heizzwecke genutzt werden. Innerhalb des Motors wird eine
abgeschlossene Heliummenge unter erhöhtem Druck (100
bar!) als Arbeitsmedium verwendet.
Der TEK nützt erneuerbare Energiequellen
wie Biomasse oder Geothermie. Auch konventionelle Brennstoffe
können verwertet werden.
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Seine Vorteile:
Integrierte Bauweise (braucht wenig Platz)
Saubere, äußere Verbrennung
Verschiedenste Brennstoffe möglich
Hohe Lebensdauer (muß sich noch herausstellen; Anm. d. Autors)
Wartungsarm
Einfache Einbindung
Geräuscharm
Seine Nachteile:
Keine praktischen Erfahrungen vorhanden
Einsatzgebiete
Dezentrale Energieversorgung von Industrie-, Büro- und Wohnkomplexen
mit oder ohne Kraft-Wärme-Kopplung.
Energetische Nutzung von :
Entsorgungsgasen
Rauchgasen aus Feststoffeuerungen, auch mit nachwachsenden Rohstoffen
(Biomasse)
vergasten Brennstoffen
Heißgasströmen aus der Prozeßtechnik
Als Energiewandler für künftige Wärmespeicher
In Ländern der Dritten Welt, in denen ohne großen Wartungsaufwand
ein BHKW betrieben werden kann. Zu überlegen ist hier, ob in
Gebieten mit starker Sonneneinstrahlung nicht auch ein Betrieb als
reiner Generator zur Stromerzeugung, der seine Wärme über
Sonnenkollektoren beziehen kann, wirtschaftlich ist.
Wirtschaftlichkeit
Im Prospekt über den TEK 40 ist eine Vergleichsrechnung zu
einem Gasmotor als BHKW aufgeführt:
Vorteile eines TEK gegenüber Diesel- und Gasmotoren:
Niedrige Wartungskosten: Keine Ventile, Steuerorgane, kein Ölwechsel,
langlebige Verschleißteile
Hohe Lebensdauer: Hermetisch geschlossenes System ohne Verschmutzungseintrag
von außen; Sinusförmiger Druckverlauf ohne Druckstöße;
Geringe spezifische Bauteilbelastung; Wenig bewegte Teile.
Gute Abgaswerte durch äußere Verbrennung:Brennerwände
sind ständig heiß, d.h. kein Reaktionsabbruch an kalten
Wänden; Saubere Verbrennung durch kontinuierlichen Prozeß
mit frei einstellbaren Verbrennungsparametern.
Verschiedene Brennstoffe: Flüssig, Gasförmig, Rauchgase
von Festbrennstoffen:
Einfache Einbindung: Einfacher Kamin - keine druckfeste Auspuffanlage;
Keine schallgedämpfte Lüftungsanlage erforderlich; Geringer
Raumbedarf; Einfache Einbindung für Nutzwärme durch direkte
Warmwasserankopplung.
Geräuscharm: Kein Auspuffgeräusch; Kein Ventiltrieb; Keine
Einspritzanlage; Gleichmäßiger Druckverlauf.
Vergleichende Wirtschaftlichkeitsberechnung TEK gegen Gasmotor
- BHKW:
| Maschinendaten |
TEK |
Gasmotor BHKW |
| Elektrische Leistung
(kW) |
40 |
51 |
| Nenn-Heizleistung (kW) |
88 |
94 |
| Heizleistung Brennwert
(kW) |
96,8 |
103,4 |
| Wirkungsgrad (%) |
0,286 |
0,305 |
| Leistungsaufnahme (kW) |
140 |
167 |
| Modulpreis (DM bzw.
DM/kWel) |
120 bzw. 3,0 |
125,74 bzw. 2,465 |
| Regelwartung (DM/h,
bzw. DM/kWh) |
-0,40 bzw. -0,010 |
-2,65 bzw. -0,052 |
| Grundüberholung (DM
nach 25.000 h |
-8 |
enthalten |
| Betriebsdaten |
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| Betriebsstunden (h/a) |
7250 |
7250 |
| Stromerzeugung (kWh) |
290 |
369,75 |
| Wärmeerzeugung (kWh) |
701,8 |
749,65 |
| Primärenergiepreis
(DM/kWh) |
-0,043 |
-0,043 |
| Wert der erzeugten
Wärme (DM/kWh) |
0,065 |
0,065 |
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TEK |
Gasmotor-BHKW |
| Gegenüberstellung |
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| Kapitalgebundene Kosten |
-18,417 DM/a |
-21,990 DM/a |
| Verbrauchsgebundene
Kosten |
-43,645 DM/a |
-52,062 DM/a |
| Betriebsgebundene Kosten |
-9,238 DM/a |
-24,350 DM/a |
| Sonstige Kosten |
-2,102 DM/a |
-2,522 DM/a |
| Summe Kosten |
-73,402 DM/a |
-100,925 DM/a |
| Wärmeerlös |
45,617 DM/a |
48,727 DM/a |
| Stromerzeugungskosten |
-27,785 DM/a |
-52,197 DM/a |
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| Stromkosten (DM/kWh
el) |
-0,096 |
-0,141 |
Bezogen auf den Strompreis ergeben sich
dabei für das Gasmotor-BHKW um 47% höhere Stromerzeugungskosten
gegenüber dem TEK. Beispielanlagen
Seit 1995 befindet sich ein TEK HM 40 bei Heidelberg Motor im Probebetrieb.
Eine Beispielanlage im eigentlichen Sinn ist noch nicht verfügbar,
da ein erster Prototyp von Heidelberg Motor erst 2000 h Alltagsbetrieb
hinter sich gebracht hat. Der Betrieb der Anlage soll bis dato ohne
große Probleme laufen.
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Technische Daten
des TEK HM 40 mit Gasbefeuerung:
Elektrische Leistung: 40 kW
Nutzwärme: 88 kW
Zugeführte Brennstoffleistung: 140 kW
Breite x Tiefe x Höhe mit
Gasbrenner wie abgebildet: 0,8 x 1,0 x 1,9 m³
Gewicht: 1400 kg
Weiteres Beispiel aus Neuseeland:
The WhisperGen WG800 Engine
Output: 800w, 12-15 volt, continuous duty, congeneration 6kW
water heating
Fuel: Diesel, LPG, Kerosene
Control: Self managing, remote display, programming options.
Electric start Intelligent battery bank management, staged
charging.
Cooling: Water cooled. Heat exchanger and pumps included.
Safety: Full electronic safety features
Dimensions: 450mm x 400mm x 400mm (wxdxh)
Enclosure: Moulded FRP, insulated
Weight: 40 kg
Noise levels: Less than 52 DBA
Servicing
interval: 5000hr
Availability: Evaluation units July 1996, commercial sales
March 1997. |
HEATPULSE®:
Obwohl Stirling Motoren einen guten Wirkungsgrad erzielen ist Ihr
Verhältnis zwischen Gewicht und Wirkungsgrad schlechter, als
das von vergleichbaren Dieselmotoren: 5 bis 10 kg/kWmech zu 1 bis
2 kg/kWmech. Das Gewicht von HEATPULSE® (Stirling-Motor aus
Neuseeland) erreicht nur 40 % bis 50 % des Gewichts von konventionellen
Sterling Motoren.
Die Preise von konventionellen Stirling Motoren bewegen sich zwischen
8,000 bis 10,000 DM/kWmech. In Massenfertigung wird der Preis auf
4,000 DM/kWmech bis 2,000 DM/kWmech sinken. Bisherige Kalkulationen
sagen für HEATPULSE® einen Preis voraus, der 50% niedriger
sein wird, als der von konventionellen Stirling Motoren.
Hier ein Vergleich zwischen HEATPULSE® und einen konventionellen
Stirling Motor:
| (Technicus Data): |
Conventional Stirling
Engines |
HEATPULSE® |
| Temperature at hot
end |
up to 800 °C |
up to 300 °C |
| Thermodynamic efficiency: |
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| Ideal Carnot efficiency |
72% |
48% |
| % of ideal Carnot efficiency
achieved |
50% |
75% |
| Actual efficiency achieved |
36% |
36% |
| Working gas |
helium or hydrogen |
air |
| Pressure |
40 to 190 bar |
0.5 to 1 bar |
| Frequency |
typically 50 Hz |
1 to 5 Hz |
| Mechanical performance |
1 kW to 600 kW |
1 kW to 20 kW |
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| Specific example: 3
kWel Stirling motor |
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| Energy input |
9 kW |
8,33 kW |
| Temperature-hot end |
700 °C |
300 °C |
| Temperature-cool end |
55 °C |
30 °C |
| Electrical performance |
3 kWel |
3 kWel |
| Efficiency |
33% |
36% |
| Volume of chamber |
75 cm3 |
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| Compression |
1 : 1.8 |
01:02 |
| Working gas |
helium |
air |
| Frequency |
3,000 rev./min |
300 rev./min |
| Pressure |
40 to 100 bar |
0.5 to 1 bar |
| Weight |
about 90 kg |
Target: 30 to 45 kg |
| Material heater head |
high-grade steel |
glass |
| Material wall of chamber |
cast steel |
aluminum |
| Material regenerator |
inox-steel mesh |
light steel/plastic
compound |
Entwicklung, Aussichten
Die Entwicklung auf diesem vielversprechenden Markt ist noch nicht
abgeschlossen, so daß mit großen Fortschritten zu rechnen
ist. Die verschiedenen Hersteller von Heizungsanlagen sind nun dazu
aufgefordert, das Projekt Stirling-Motor noch wirtschaftlicher zu
gestalten.
Die Heidelberg Motor GmbH hat sich folgende Planungsdaten gesetzt:
Zieldaten für Serienmaschinen vom Typ TEK 40/10
Investitionskosten < 3000 DM/kWel
Wartungsintervalle > 5000 h
1995: Prototypen mit Dauererprobungszeiten > 1000 h
1996: Null Serie. Maschinen für Pilotanlagen
1997: Serienproduktion mit Garantieleistung
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