Erfahrungsbericht über ein Holzpellet-Stirling-BHKW der Fa. Sunmachine (Entwicklungsstand 2006) zum Klein-KWK-Forum Nordhessen 14. Mai 2008 in Allendorf (Eder) Reinhard Kuhaupt rkuhaupt@t-online-de reinhard.kuhaupt@eon-mitte.com

Gliederung Persönliche Vorstellung Projektrahmen (Gebäude, Heizung, EnEV) Sunmachine-Stirling-Konzept Sunmachine 2006 im Betrieb Betriebserfahrungen, Probleme Neue Sunmachine Pellet 2008 EEG und Wirtschaftlichkeit

Eigene „Projekte“

an unterschiedlichen Wärme-Standorten Biogaserzeugung und -einspeisung Hardegsen - Gesamtkonzept Biogaserzeuger BHKW vor Ort Ankauf von Roh-Biogas Biogasaufbereitung Anbaufläche ca. 800 bis 1.000 ha Elektrische Leistung CO2 inkl. Methanverlust 250 m3/h el=39% th=39% 500 kW 470 m3/h 1.250 kW Bioerdgas 1.021 m3/h (bis zu 1.232 m3/h) 550 m3/h (bis zu 630 m³/h) Aufmethanisierung Benutzungsdauer: 7.500 h/a Input 61.000 t/a: z. B. 90% Mais, 10% Gülle Gärrest 46.000 t/a 500 kW 50 % CH4 für Fermenterbeheizung 5.500 kW 5.616 kW ggf. E.ON Mitte E.ON Mitte Erdgas insgesamt 47 Mio. kWh/a jeweils EEG-Vergütung für Elektr. Energie, Verkauf von Wärme BHKW Erdgasleitung 5.500 kW z. B. 10 Module à 340 kWel und 480 kWw ,ca. 5.100 h/a an unterschiedlichen Wärme-Standorten

Das Gebäude, der Projektstandort

1985 24er Mauerwerk Thermopenverglasung Keine Dachdämmung Ölheizung 38 kW 2008 120 mm WDVS Teilweise 3-fach- Verglasung Dach 300 mm Isoflock 8 m² Solarkollektor 2,2 kW Fotovoltaik WW-Anschluß Waschmaschine und Wäschetrockner Teilweise Lüftung mit WRG Holzpellet-Stirling-BHKW

Gebäudeenergiepass

Gesamtsystem Sunmachine Vorstellung Prinzip „SUNMACHINE“ Brenner Stirling-Prozess Stirling-Motor Übersicht Ansichten Technische Daten Kostenvergleich Impressionen Schlusswort So sieht nun die Sunmachine im Schnitt aus Beim Klicken auf die Folie öffnet sich wieder das Microsoft Office Fenster, mit OK bestätigen, auf das graue Feld klicken, geblockte Inhalte zulassen. Sicherheitswarnung mit ja bestätigen, Simulation maximieren und den Ablauf mit dem Mauspfeil oder Laserpointer zeigen. Text: Der Tagesbehälter wird mit Hilfe eines Saugmotors, der die Pellets aus dem Hauptlager holt, entweder zeitgesteuert oder mit Hilfe von Füllstandsanzeigern befüllt. Mit Hilfe der Förderschnecke werden die Pellets über den Fallschacht auf das vorgeheizte Keramikgitter geworfen, wo sie sofort vergasen. Die Holzgasflamme schlägt mit hoher Geschwindigkeit ( ca. 80-90 km/h) auf den Erhitzerkopf des Stirlingmotors, wodurch dieser angetrieben wird und während dem Heizen nun Strom erzeugt wird. Simulation durch Klicken auf rotes X beenden. Gesamtsystem Sunmachine

Komponenten der Sunmachine Stirling außen liegende, kontinuiertiche Verbrennung keinen Explosionsdruck, nur Ausdehnung keine Zündkerzen keine Ventile keine Steuerkette kein Ölbad wartungsfreier Betrieb laut Simulation 80.000 Bh Vorstellung Prinzip „SUNMACHINE“ Brenner Stirling-Prozess Stirling-Motor Übersicht Ansichten Technische Daten Kostenvergleich Impressionen Schlusswort Ein Stirlingmotor zeichnet sich durch nachfolgende Eigenschaften aus: außenliegende Verbrennung keinen hohen Explosionsdruck keine Zündkerzen keine Ventile kein Ölbad und deshalb über 80.000 Std. wartungsfreier Betrieb Komponenten der Sunmachine

Erhitzerröhrchen Stickstoffgefüllt Expansions- kolbendom Expansions- Vorstellung Prinzip „SUNMACHINE“ Brenner Stirling-Prozess Stirling-Motor Übersicht Ansichten Technische Daten Kostenvergleich Impressionen Schlusswort Expansions- kolbendom Expansions- kolben Erhitzerkopf Regenerator Pleuel Kühler Kurbel- welle Gegen- gewicht Kompressions- kolben So sieht nun der komplette Stirlingmotor aus. Die stickstoffgefüllten Erhitzerröhrchen stecken im Brenner, aber nicht nur die Röhrchen sondern der gesamte Stirlingmotor steht unter 33 bar Stickstoffdruck, ist also komplett mit Stickstoff gefüllt. Den oberen Teil nennt man Erhitzerkopf. Aufgeschnitten sieht das ganze dann so aus. Wir haben hier (rot dargestellt) den heißen Bereich des Stirlingmotors mit Expansionskolben-dom und Expansionskolben und auf der blau gekennzeichneten Seite den kalten Bereich des Stirlingmotors mit Kompressionskolben. Auf der Kurbelwelle befinden sich motortypische Bauteile wie Pleuel, Gegengewicht und Pleuellager. Zwischen der warmen und kalten Seite des Stirlingmotors herrscht ein Temperaturunterschied von ca. 700 Grad. Da von diesem Temperaturunterschied die Leistung eines Stirlingmotors abhängt, wird mit Hilfe eines wasserdurchströmten Kühlers an dieser Stelle der Stickstoff gekühlt. Gleichzeitig wird das dabei erwärmte Wasser für unsere Heizung verwendet. Das wichtigste und faszinierendste Teil eines Stirlingmotors ist der Regenerator. Dieses Bauteil muss in der Lage sein, je nach Drehzahl 500 bis 1000 mal in der Minute eine enorme Wärmemenge zwischenzuspeichern und wieder abzugeben. Um sich eine Vorstellung machen zu können, wie dieses Bauteil in etwa aussieht, Laufbuchse Pleuel- lager

Technische Daten SM - Pellet Datenblatt Sunmachine - Pellet Brennereinheit Brennstoff: Holzpellets, mindestens DIN plus Leistung kW: 7,5 – 14,9 Inspektion: 1 x jährlich Reinigung: nach Anforderung Steuereinheit Bedienung: graphisches Touchdisplay Schnittstelle RS 232: für Modem bzw. PC Optional: 3 Heizkreise und ein Warmwasserbereiter ansteuerbar, Ladeoption für zusätzlichen Pufferspeicher, Schaltausgang für Spitzenlastanforderung Zuführung Pellet – Vorratbehälter Fassungsvermögen: 80 Liter Pelletzuführung: mittels Vakuumförderung zur Sunmachine vom Vorratraum (Sacksilo oder Erdtank) Abgas Abgasführung nach Anforderung bei Feststoffkessel Kondensat <1l/h Stirlingmotor Zylinderanzahl: 1 Hubraum: 520 ccm Drehzahlbereich: 500-1000 U/min Arbeitsgas: Stickstoff mit 33 bar Wechselrichter Netzeinspeisung: einphasig 230 Volt 50 Hz Eingangsspannung: 350-600 Volt Netzüberwachung: 3 Phasen BHKW Netzeinspeiseleistung: 1,5 – 3 kW Thermische Leistung: 4,5 – 10,5 kW Wirkungsgrad elektrisch: 20 – 25 % Gesamtwirkungsgrad: ca. 90 % Vorlauftemperatur: 50 - 75° C Rücklauftemperatur, max. 60° C Optimal: 30° C Schallemissionen: ca. 49 dB Gewicht: (ohne Verkl.) ca. 410 kg Maße LXBXH in mm: 1160x760x1590 Technische Daten SM - Pellet

Die Erstinbetriebnahme

Betrieb mit Kabine

Probleme beim Stirlingmotor und deren Beseitigung Gedrosselt auf 1,5 kW (mittlerweile 3 kWel erreicht) Druckverlust Stickstoff von 27 auf 22 bar innerhalb von 3 Monaten

Funktionsschema der Brennereinheit Vorstellung Prinzip „SUNMACHINE“ Brenner Stirling-Prozess Stirling-Motor Übersicht Ansichten Technische Daten Kostenvergleich Impressionen Schlusswort Glutsensor Kontrollglas Frischlufteinlass Pelletfallschacht Keramikgitter 3 KW Elektroheizung 300°C bei Start Abgas Dämmung Rekuperator Als einer der wichtigsten Steuerorgane gilt der im oberen Teil eingebaute Glutsensor; dieser optische Sensor beobachtet durch ein Kontrollglas die Helligkeit des Glutbettes. (roter Teil) Wenn die Verbrennung auf dem Keramikgitter zu hell ist wird ein Signal an die Förderschnecke gegeben und über den Fallschacht Pellets nachgefördert; Wie bereits erwähnt wird beim Start der Gitterrost und der Brennraum auf 300 Grad aufgeheizt; Der Brennraum ist von einer hocheffizienten Dämmung umgeben, um die Wärmeverluste so gering wie möglich zu halten. Man muss sich jetzt vorstellen, dass ein sehr starkes Saugzuggebläse die Frischluft über einen Spalt in der Außenhaube durch den Brenner durchzieht; (grüne Pfeile) Diese Frischluft gelangt über den Luftvorwärmer zum Keramikgitter und vermischt sich unterhalb davon mit Holzgas Die dadurch entstandene Holzgasflamme schlägt nun mit ca. 80-90 km/h auf den speziell geformten Erhitzerkopf des Stirlings und bildet dabei den schon erwähnten Potenzial- wirbel; Diese Verwirbelung verbrennt alle Restteilchen bzw. Asche bis zur Mineralisierung; Die heißen Abgase mit den schwarzen Mineralteilchen werden nun an dem Luftvorwärmer (Rekuperator) vorbei über einen wasserdurchströmten Brennwertwärmetauscher geführt wo sie kondensieren; Das Kondensat wird in den Kanal eingeleitet (ph-neutral) oder als Dünger verwendet; Im Abgasstrom sitzt eine Lambdasonde, die entsprechend dem CO-Wert die Frischluftzufuhr mittels Microstepers steuert; Potenzialwirbel Abgas mit Lambdasonde über Saugzuggebläse wasserdurchströmter Brennwert WT Funktionsschema der Brennereinheit

Probleme beim Brenner und deren Beseitigung Brenner neigt aufgrund zu hoher Temperatur zum verschlacken (behoben durch geänderte Luftführung ) Zu hoher Stromverbrauch durch lange Vorheizzeit (45 min, neu < 5 min) Stromverbrauch durch Saugzuggebläse etwa 250 W Reinigung vergleichsweise aufwendig (jetzt mech. Rostreinigung, Wartung nur ein mal im Jahr) Unruhige Verbrennung durch falsche Position der Lambda-Sonde (behoben) Fehlstart durch Mängel in der Steuerung Verschmutzung der Wärmetauscherfläche, keine Kondensation

Brennerfunktion, Startvorgang Pelletzuführung 420 – 480 °C Motorstart 670 – 700°C

Pelletnachschub

Elektroschema Sunmachine

Wechselrichtertechnik Wechselrichter und BHKW-Regelung Netzeinspeisung: einphasig 230 Volt 50 Hz Nennleistung: 3 kW Spitzenleistung: 3,3 kW Eingangsspannung: 350 - 600 Volt Wirkungsgrad: max. 95,7 % Netzüberwachung: 3 Phasen Der produzierte Strom wird über einen Wechselrichter eingespeist. In diesem Wechselrichter sind viele Steuerorgane der Sunmachine installiert, aber letztlich sind die Energieversorger es auch gewohnt durch die Photovoltaik, Strom über Wechselrichter einspeisen zu lassen. Wechselrichtertechnik 22

Probleme bei der BHKW-Regelung und deren Beseitigung Drehzahlregelung der Pumpen nicht realisiert (Gleichstrompumpen Fabrikat Laing) Wärmemanagement durch Aufschaltung der Speicher und Heizkreise nicht realisiert

Hydraulikschema Sunmachine

Markteinführungstand 2008 Erreichte Ziele zum Markteintritt 2008 Einhaltung der technischen Daten (3 kW elektrische Leistung bei 7 bis 10 kW thermischer Leistung) Reduzierung der elektrischen Vorheizzeit unter 5 min. Verringerung der Brennerverschmutzung durch Absenkung der Rosttemperatur um 400 K Automatische Rostreinigung, dadurch Brennerwartung nur einmal jährlich erforderlich Heizungsmodul übernimmt alle Regelungs- funktionen bis in die Heizkreise hinein Der produzierte Strom wird über einen Wechselrichter eingespeist. In diesem Wechselrichter sind viele Steuerorgane der Sunmachine installiert, aber letztlich sind die Energieversorger es auch gewohnt durch die Photovoltaik, Strom über Wechselrichter einspeisen zu lassen. Markteinführungstand 2008 25

Ansätze zur Wirtschaftlichkeit Pelletbedarf bei 3 kWel 7 kWth lt. Hersteller 2,25 kg/Bh „normale“ Pellets NaWaRo-Pellets 200 €/t 240 €/t Pelletpreis [€/t] entspricht: 4 ct/kWh 4,8 ct/kWh Einspeisevergütung 16,67 ct/kWh 22,67 ct/kWh Brennstoffkosten je Bh: 45 ct 54 ct Einspeisevergütung je Bh: 50 ct 68 ct ______________________________________________ Überschuss je Bh: 5 ct 14 ct Finanzierung der Investition von 25.000 bis 30.000 € netto „Kesselgutschrift“ von 10.000 €

Vision zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit

Zum guten Schluß: Dank an das Hessische Wirtschaftsministerium, die Hessenenergie sowie die Stadtwerke Wolfhagen Apell an Planer, Installateure und mögliche Betreiber Die technischen Probleme sind lösbar, zum Markteintritt in diesem Jahr hoffentlich gelöst Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit ! www.sunmachine.com

Generator Übersicht Generator Synchrongenerator keine Wellendurchführung alle Teile auf einer Welle Generator ist im Druckbereich integriert d.h. komplett druckdicht nach außen Außenläufer vom Generator = Schwungrad Generator = Anlasser beim Start Vorstellung Prinzip „SUNMACHINE“ Brenner Stirling-Prozess Stirling-Motor Übersicht Ansichten Technische Daten Kostenvergleich Impressionen Schlusswort Jetzt sind wir schon beim Generator angelangt Es handelt sich um einen Synchrongenerator, da wir variabel Drehstrom erzeugen. Zwischen Stirlingmotor und Generator gibt es keine Wellendurchführung d. h. alle Bauteile des Stirlings und des Generators liegen auf einer Welle, so dass der Generator im Druckbereich integriert und somit komplett nach außen druckdicht ist. Auf der nächsten Folie werden wir sehen, dass der Ausläufer des Generators gleichzeitig die Schwungmasse zu dem Stirlingmotor darstellt. Da unser Stirling beim Starten nicht von alleine los läuft, wird der Generator für kurze Zeit als Anlasser genutzt. Übersicht Generator

Schwungrad+Außenläufer Synchrongenerator Expansions- kolben Vorstellung Prinzip „SUNMACHINE“ Brenner Stirling-Prozess Stirling-Motor Übersicht Ansichten Technische Daten Kostenvergleich Impressionen Schlusswort Schwungrad+Außenläufer Synchrongenerator Wicklung+Stator Synchrongenerator Pleuel Kurbel- welle Kompressions- kolben Hier nun der Stirlingmotor mit Generator im Schnitt. Hier sieht man das ca. 40 Kilo schwere Schwungrad, das gleichzeitig der Außenläufer für den Synchrongenerator ist, d. h. dieses Teil dreht sich um die statische Wicklung des Synchrongenerators. Kurbel- wellenlager

http://peterfette.gmxhome.de/alphadia.htm