Mehr Strom aus Holz-Pellets

Mit der Stirlingtechnologie können innerhalb einer Funktionseinheit Strom und Wärme erzeugt werden. Stirlingmotoren nutzen im Gegensatz zu Otto- oder Dieselmotoren eine externe Wärmequelle. Sie können daher auch mit festen Brennstoffen wie Holzpellets, Hackschnitzel oder Scheitholz betrieben werden. Forschung und Entwicklung am Stirlingmotor konzentrieren sich deshalb auch auf feste Brennstoffe. Man hofft auf Märkte in waldreichen Ländern Europas und Nordamerikas, sowie in Entwicklungs- und Schwellenländern.

Von der Idee zum Projekt

Frauscher Thermal Motors entwickelt bereits seit mehr als zehn Jahren gasbetriebene Stirlingmotoren. Aus der Idee der Einbindung in einen Biomassebrenner mit höchstmöglicher Effizienz entstand gemeinsam mit Hargassner Heiztechnik, der verstärkt Technologien zur effizienten Wärme- und Strombereitstellung anbieten möchte, dem Biomassekompetenzzentrum Bioenergy 2020+ und dem Institut für Verfahrenstechnik der TU Wien das vom Klima- und Energiefonds geförderte Projekt StirBio, das im März 2013 startete.
Um einen hohen elektrischen Wirkungsgrad zu erzielen, wollte man mit extrem heißen Verbrennungsgasen arbeiten. Diese sollten durch eine gezielte Dosierung der Verbrennungsluft erreicht werden. Die größte Herausforderung ist dabei die Übertragung der Wärme auf das Arbeitsgas im Motor und die Verhinderung der Verschmutzung der Wärmeübertragungsfläche. Abgelagerte Ascheteilchen wirken korrosiv und verringern den Wirkungsgrad einer Anlage.

Unerreichte elektrische Effizienz

Erklärtes Ziel des Projektes war die Entwicklung einer 30 kW_th Pellets-Versuchsfeuerung zum Betrieb eines 5 kW_el Stirlingmotors mit verbesserter elektrischer Effizienz. Alle Komponenten – Stirlingmotor, Erhitzerwärmetauscher und Pelletsbrenner – wurden entsprechend der Zielsetzung optimiert und mit CFD (numerische Strömungssimulation) weiter verbessert. Die erforderlichen hohen Verbrennungsgastemperaturen über 1200° C stellen an das Material, die Fügetechnik, aber auch an das Störungsmanagement besondere Ansprüche. Mit der ersten Versuchsanlage konnte bereits ein Wirkungsgrad von 13% erzielt werden.
Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wurde eine weitere Versuchsanlage konzipiert. Mit Luftvorwärmung, vergrößertem Brennkammerquerschnitt, stärkerer Isolierung der Brennkammer und weiteren Adaptierungen wurde kurzfristig ein bisher noch nicht publizierter elektrischer Wirkungsgrad von 15% erreicht. Im 100 h Dauerversuch nahm die elektrische Effizienz allerdings laufend ab und lag nach 114 h nur noch bei 3%. Zum einen führte die sich bildende Ascheschicht zum Druckverlust, zum anderen deuteten die Daten auf die Ausbildung eines Bypasses vorbei am Erhitzerwärmetauscher.

Marktreife in Sicht ?

Projektleiter Ernst Höftberger sieht das nicht als Rückschlag: „Es hat sich gezeigt, dass die gesteckten Ziele mit dem gewählten Design erreichbar sind. An erster Stelle steht nun die Entwicklung einer automatischen Wärmetauscher-Abreinigung.“ Die Weiterentwicklung hochtemperaturbeständiger Materialien, dauerhafte Abdichtung der Komponenten untereinander und nach außen sowie Maßnahmen gegen eine allfällige Korrosion seien ebenfalls lösbar.
„Die Marktreife einer Biomasse-Pellets-KWK-Anlage mit hoher elektrischer Effizienz ist in greifbare Nähe gerückt“, zeigt sich Höftberger vom Erfolg des Projekts überzeugt.