Minikraftvarmeenhed med Stirling-motor Jan de Wit, Dansk Gasteknisk Center a/s DGC har på vegne af de danske gasselskaber fulgt et svensk ledet projekt med udvikling af lavemissions brændkammer til en naturgasfyret Stirling-motorbaseret kraftvarmeenhed. Enheden er efterfølgende testet i praktisk drift over en periode på et år på en svensk naturgasforsynet varmecentral. Projektet forventes færdigrapporteret i efteråret 2002. Solo V-160/Solo Stirling161 Ovenstående Stirling-motortype blev oprindeligt udviklet i Sverige, væsentligst med sigte på kraftvarme i Mobil Homes og både samt til militær anvendelse, se f.eks. ref./5/. Senere udvikledes motoren bl.a. for stand-alone kraftvarme. Aktiviteterne gik omkring 1990 over på amerikanske hænder, hvor udviklingen frem mod forbedrede udgaver af den kommercielle motor V-160 fuldførtes. Der blev naturligvis løbende udført forbedringer herpå, hvilket førte til, at modellerne yderligere blev kendetegnet med et bogstav fra A-F. I alt har de producerede enheder opnået små 400.000 driftstimer. Af de senest producerede F-versioner kørte flere over 8000 timer uden behov for service. Betegnelsen V skyldes cylinderkonfigurationen, se Figur 1. H:\414\00\2002\jdw_StirlingArtikel.doc
Figur 1: Snittegning, der viser cylinderkonfiguration, krumtapmekanik m.v. for V-160 maskinen (fra /1/) På et tidspunkt opstod der interesse for at anvende motoren til kraftproduktion, og det tyske firma Solo Kleinmotoren videreudviklede V-160 motoren med sigte på anvendelse hertil samt med sigte på produktionsmæssig billiggørelse. Dette udviklingsarbejde, der udførtes sammen med amerikanske Intersol, førte til motoren V-161. Motorenheden, der er afprøvet, er som nævnt version V-161. Ydelsen fra denne er ca. 10 kw mekanisk (8 kw el ) samt ca. 20 kw varme. Omdrejningstallet er 1500 RPM. Yderdimensionerne er 1350 700 980 mm og vægten ca. 350 kg. Arbejdsmediet i motoren er helium under tryk. Databladet for enheden lover 24% elvirkningsgrad ved 50 C kølevandstemperatur. Lunds Universitet har forsynet motoren med nydesignet gasoptimeret lavemissions forbrændingskammer. Der er afprøvet en række forbrændingskamre i laboratoriet, såvel inden for nærværende projekt som i andre projekter. Der er eksempelvis afprøvet brændkamre med flammeløs forbrændingsteknologi (FLOX ), brændkamre med henholdsvis recirkulation af røggas eller brændselsgas, enheder der udnytter katalytisk forbrænding, samt enheder der skal fungere i sam
spil med solfangere! Til brug for den efterfølgende field test af enheden med naturgas valgtes et brændkammer, der udnytter recirkulation af brændselsgas og er forsynet med metalflammeholder, se skitsen Figur 2. Figur 2: Principskitse af brændkammer med recirkulation af brændselsgas m.v. (fra /1/) På Figur 3 ses laboratoriemåledata vedr. emission fra brændkammeret. Figur 3: Laboratoriemåling af emission fra nyudviklet brændkammer Det ses på Figur 3, at hvis man arbejder med et luftoverskud mellem 1,25 og 1,4, opnås lav NO x - emission, ingen målelig uforbrændt emission samt en CO-emission på ca. 40-80 ppm. Disse værdier er væsentlig bedre, end hvad der opnås med traditionel forbrændingsmotorteknologi i samme effektklasse.
Stirling-princippet Stirling-princippet er ikke ganske enkelt, og der findes tilligemed en række forskellige tekniske udførelser for at realisere nævnte princip. Princippet er beskrevet (og indledningsvis patenteret) af den skotske præst og videnskabsmand Robert Stirling i 1816. Grundlæggende er det væsentligt at være opmærksom på, at arbejdet udføres i lukkede omgivelser af et arbejdsmedie (eksempelvis helium under tryk), der opvarmes fra et eksternt forbrændingskammer. I den her anvendte Solo Stirling V-161 findes to stempler; begge fungerer som kombinerede arbejds- og fortrængerstempler. For uddybende beskrivelse af arbejdsprincippet i V-161 henvises til den engelske beskrivelse i Figur 4. Figur 4: Beskrivelse af arbejdsprincip for V-160/161 motoren (fra /1/) Field test Enheden har været opstillet på en naturgasforsynet varmecentral i Gøteborg i lidt over et år. Her har den skullet basere sin produktion som grundlastvarme fra den nævnte central. Der har supplerende været opstillet en traditionel gaskedel i centralen. Tilkobling af Stirling-enheden har dog ikke været helt optimal, og der er kun opnået godt 3000 driftstimer i testperioden.
Field testen står umiddelbart foran afslutning. I skrivende stund mangler kun en afsluttende præcisions emissions- og virkningsgradsmåling. En sådan er udført kort efter idriftsættelsen på centralen. Resultaterne forventes naturligvis at skulle indgå i slutrapporteringen, der forventes klar hen på efteråret (2002). Det kan dog siges, at virkningsgrad og emissioner stort set har været som forventet. Af driftsproblemer har været to heliumlækager samt lidt problemer i relation til kølevandskredsløb (utæthed samt udfald af kølevandspumpe). Figur 5: Solo Kleinmotoren s Solo Stirling 161 (til venstre) i varmecentral for lager tilhørende Göteborg Energi. Til højre er opstillet en naturgaskedel. Perspektiver Der er ved afprøvningerne demonstreret stabil drift. Det nyudviklede brændkammer har vist meget lav emission; der er næsten ingen CO eller uforbrændt gas, og NO x -emissionen er væsentligt lavere, end hvad der almindeligvis opnås med traditionelle stempelmotorer i samme effektklasse. Emissionerne er afhængige af det anvendte luftoverskud; ovenstående resultater fordrer her, at der arbejdes ved luftoverskud mellem ca. 1,25 og 1,4. Stirling-motorprincippet påkalder sig særlig interesse, idet motoren grundlæggende er en varmluftmotor, og at forbrændingen foregår i et kammer uden for motoren. Dette betyder, at der vil kunne udvikles brændkamre til mange slags meget varierende brændsler, herunder diverse bio
brændsler. Dette vil betyde mulighed for elproduktion fra biobrændsler med kraftvarmeenheder i en størrelse, hvor dette tidligere ikke har været muligt/rentabelt. Projektdeltagere Projektet er ledet af Svenskt Gastekniskt Center AB, SGC. Projektets aktive parter har været: Intersol (S), Sydkraft/Sydgas (S), Lunds Universitet (S), Göteborg Energi (S), SOLO Kleinmotoren GmbH (D). En række partnere fra såvel Sverige, Holland og Danmark har støttet projektet økonomisk samt fulgt aktiviteterne. Referencer 1. On Premixed Gas Fuelled Stirling Engine Combustors with Combustion Gas Recirculation ; Doctoral Thesis, Pålsson, Magnus, Lund University 2002 2. Development of an LPG CGR Combustion System with Ultra-Low Emission for a Solo 161 Stirling Engine Based Micro-CHP Unit ; Magnes Pålsson, Conference Paper 2001 3. Development and Field Test of a Solo 161 Stirling Engine Based Micro-CHP Unit with Ultra-Low Emission; Magnus Pålsson, Conference Paper 2001 4. Mini-mikro KV-hjemmeside: www.dgc.dk/mkv (her findes bl.a. link til Solo-Stirling engine) 5. "Development History of the V 160 and the Solo Stirling 161 Engines", Andreas Baumüller, Gunnar Lundholm, Lennart Lundström og Wolfgang Schiel. 9 th International Stiling Engine Conference 2-4 June 1999, Pilanesburg, South Africa.