Projekt 10370/01

Entwicklung eines Regenerativ-Brenners für Stirlingmotoren

Projektdurchführung

WS-Wärmeprozesstechnik GmbH
Dornierstr. 14
71272 Renningen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im Rahmen des beantragten Vorhabens sollte ein Regeneratorbrenner für den Einsatz von Stirlingmotoren entwickelt werden.

Ziel dabei waren die:
- Senkung der Schadstoffemissionen auf Werte modernster Niedertemperatur-Heizanlagen;
- bei gleichzeitiger Steigerung oder Beibehalten des elektrischen Wirkungsgrades leistungsfähiger Stirlingmaschinen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAus dem Bereich der Thermoprozessanlagen lagen dem Projektträger Erfahrungen über den Einsatz von FLOX®-Brennern (FLOX® - Flammlose Oxidation, neues Verbrennungsverfahren bei dem die thermische Stickoxidbildung durch strömungstechnische Maßnahmen weitgehend unterbunden wird) vor.
Für den Einsatz in Stirling-Maschinen mussten aber einige Besonderheiten beachtet werden. Dies sind insbesondere:
- eine kompakte und gewichtsreduzierte Bauweise;
- die Abstimmung von Brennraum und Brenner zur Gewährleistung der für eine effiziente und saubere Verbrennung notwendigen Strömungsbedingungen.
Modernste Hilfsmittel, wie die Computersimulation der Strömungs-, Wärme- und Stoffübertragungsvorgänge und ein gut ausgerüstetes Versuchslabor, standen für die Entwicklung zur Verfügung. Die Entwicklung wurde in enger Zusammenarbeit mit dem Stirlinghersteller und Kooperationspartner SOLO durchgeführt.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen dieses Vorhabens wurde ein Brenner mit integriertem regenerativem Wärmetauscher zur Verbrennungsluftvorwärmung entwickelt. Der Brenner arbeitet nach dem Verbrennungsverfahren der flammlosen Oxidation für niedrige NOx-Emissionen trotz hoher Luftvorwärmung. Der Brenner konnte erfolgreich betrieben werden, im Dauereinsatz zeigten sich jedoch immer wieder Detailprobleme auf. Diese führten dazu, einen Brenner mit rekuperativem Luftvorwärmer zu bauen, der nun seid einigen Monaten im Dauertest läuft. Die Emissionswerte liegen deutlich unter denen von früher eingesetzten Rekuperativbrennern. Darüber hinaus lässt die Vermeidung von Temperaturspitzen eine Verbesserung der Lebensdauer der teuren Stirling-Erhitzer-Komponenten erwarten. Geringe CO-Emissionen treten noch auf. Diese werden nicht als systembedingt angesehen und sollten sich durch Optimierung der Brennkammergestaltung auf sehr geringe Werte reduzieren lassen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Arbeiten der Firma WS Wärmeprozesstechnik GmbH sind durch Vorträge auf nationalen und inter-nationalen Vorträgen einem Großteil der Entwicklungsgruppen von Stirling-Maschinen bekannt gemacht worden. Es besteht eine Vielzahl von Kontakten zu Entwicklungsgruppen von Stirling-Maschinen. Ergebnisse werden auch auf der firmeneigenen Internetseite präsentiert.


Fazit

Die generelle Machbarkeit des Einsatzes von Regenerativbrennern für Stirling-BHKW wurde aufgezeigt. Die derzeitige Energiepreissituation rechtfertigt aber nicht die möglicherweise erheblichen Mittel für die vollständige Entwicklung zum wartungsfreien Einsatz in Serien-BHKW. Die etwas weniger wirksamen rekuperativen Brenner sind einfacher zu betreiben und erlauben geringere Fertigungskosten.
Die Anwendung der flammlosen Oxidation schöpft das NOx-Emissionsminderungspotential, das mit äußerer Verbrennung verbunden ist, gut aus. Verbleibende geringe CO-Emissionen können durch weitere Optimierung der Brennkammergestaltung mit Sicherheit auf nahe Null-Werte reduziert werden.