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Diplomarbeit
8 Stirling-Motoren (Thermoelektrische Konverter TEK)
 
  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.

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
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
   
TEK Gasmotor-BHKW
Gegenüberstellung
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
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.

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:  
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
   
Specific example: 3 kWel Stirling motor
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
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