Dampfkolbenmotor
Abgeleitet von der Kraftwerkstechnik wird der Dampfkraftprozess auch für kleinste Leistungsgrößen entwickelt. Die Skalierbarkeit nach unten ist wie bei Mikrogasturbinen aufgrund hoher Wirkungsgradverluste und hoher spezifischer Kosten beschränkt. Bei Verwendung anderer Expansionsmaschinen wie zum Beispiel einem Kolben kann der Dampfprozess auch in Mikro-KWK-Anlagen sinnvoll eingesetzt werden. Derzeitige Entwicklungen und Demonstrationsanlagen reichen von Doppelkolben mit Lineargenerator bis zu rotierenden Expansionsmaschinen. Der Austrittsdruck des Dampfes ist so gewählt, dass eine Nutzung der Wärme für Heizzwecke möglich wird.
Aufbau
Die Komponenten des Dampfkraftprozess sind der Vorwärmer, der Verdampfer, der Überhitzer, die Dampfexpansionsmaschine, der Kondensator und die Speisewasserpumpe. Der Dampfkolbenmotor als Expansionsmaschine besteht aus der Einlass- und Auslassöffnung für den Dampf, dem Regel- und Dampfkolben, dem Zylinder und einer Kurbelwelle zur Kraftübertragung (siehe Abbildung 12).
Funktionsprinzip
Dampfkraftprozess: Das Arbeitsmedium Wasser wird im flüssigen Zustand durch die Speisewasserpumpe verdichtet (Abbildung 12; 1 > 2). Das Arbeitsmittel wird unter hohen Druck erwärmt, verdampft und überhitzt (2 > 3). Dabei durchströmt das bei einer externen Verbrennung entstehende Rauchgas in einen Dampfkessel, in dem der Dampf erzeugt wird. Anschließend wird der überhitzte Dampf in der Expansionsmaschine unter Abgabe von mechanischer Arbeit entspannt (3 > 4). Im Kondensator erfolgt die Kühlung des Niederdruckdampfes, der dadurch kondensiert und Wärme an den Heizkreislauf abgibt. Das Arbeitsmedium Wasser hat danach wieder den Ausgangszustand erreicht, und der Dampfkraftprozess beginnt von vorne (4 > 1).
Dampfkolbenmotor: Ein Dampfkolbenmotor besteht aus mindestens einem Zylinder. Die mechanisch bewegten Komponenten des Zylinders sind der Arbeitskolben (Dampfkolben) und der Regelkolben. Während der in Abbildung 13 dargestellten Kolbenstellung strömt überhitzte Dampf durch die Einlassöffnung in den Zylinder. Der Einlassvorgang wird durch Rechtsbewegung des Regelkolbens in die Mittelstellung unterbunden. Der Dampf entspannt sich und gibt mechanische Energie über den Kolben und die Pleuelstange an die Kurbelwelle frei. Bis zum Erreichen des unteren Totpunktes des Arbeitskolbens vergrößert sich das Volumen, und der Dampfdruck nimmt ab. Beim unteren Totpunkt bewegt sich der Regelkolben noch weiter nach rechts, wodurch die Auslassöffnung freigegeben wird. Der Niederdruckdampf strömt durch Hochbewegung des Arbeitskolbens aus dem Zylinder in den Kondensator. Am oberen Totpunkt des Dampfkolbens wird durch den Regelkolben die Einlassöffnung wieder freigegeben, und der Vorgang beginnt von neuem.
Die Leistungsregelung des Dampfkolbenmotors erfolgt über den Hub des Regelkolbens, der die eintretende Dampfmenge bestimmt.
Vorteile und Nachteile
Der Vorteil von Dampfmotoren gegenüber Mikrogasturbinen liegt in der geringeren Verdichtungsarbeit des Arbeitsmediums. Im Gegensatz zu Mikrogasturbinen wird bei Dampfkolbenmotoren das Arbeitsmedium im flüssigen Aggregatszustand mit geringerem Energieaufwand verdichtet. Dadurch bleibt eine höhere Nettoenergie bei der Entspannungsarbeit erhalten. Weitere Vorteile des Dampfkolbenmotors sind die Robustheit und Langlebigkeit, gutes Teillastverhalten und der modulare Aufbau. Gegenüber der Turbine ist der Dampfkolbenmotor bezüglich der Temperatur und des Volumenstroms des Dampfes unempfindlicher. Schwankungen der Dampfqualität, zum Beispiel bei der Verbrennung von Biomasse mit unterschiedlichem Wassergehalt, können durch Dampfkolbenmotoren besser verarbeitet werden als durch Dampfturbinen.
Ein geringer elektrischer Wirkungsgrad, hohe Wartungskosten und ein hoher Lärmpegel sind als Nachteile des Dampfkolbenmotors zu bezeichnen.
Entwicklungsstand
Durch die Anwendung und Erfahrungen in der Kraftwerkstechnik ist der Dampfkolbenmotor eine marktreife Technologie. Als Kraftmaschine für Mikro-KWK-Anlagen ist der Dampfkolbenmotor jedoch im Gegensatz zum Verbrennungsmotor kaum verbreitet. Seit 2006 ist ein Dampfkolbenmotor kombiniert mit einem Lineargenerator auf Basis eines geschlossenen Prozessdampfbetriebs am Markt präsent. Aufgrund seiner Leistungsgröße von 0,2 bis 3 kWel kann diese Entwicklung im Einfamilienbereich als stromerzeugende, wärmegeführte Heizung eingesetzt werden. (Haas et al. 2010)
Mikro-KWK mit Dampfkolbenmotor
Bei der Mikro-KWK-Anlage der Firma Button Energy Energiesysteme GmbH handelt es sich um eine Pellets- oder Feinhackgutfeuerung, die mittels Dampfmotor und Lineargenerator gleichzeitig Wärme und Strom erzeugen kann. Die Anlage wird auch als stromerzeugende Heizung bezeichnet, die mit Holzpellets oder Feinhackgut betrieben werden kann. Die technischen Daten sind Tabelle 3 aufgelistet.
Kraftwandler: | Freikolbendampfmaschine mit integriertem Lineargenerator |
|---|---|
Leistung (modulierend) elektrisch: | 0,3 kWel bis 2kWel (+/-10%) |
Gesamtjahresnutzungsgrad | Bis zu 94% |
Leistung thermisch | 3kW bis 16,0 kW (+/-5%) |
Geräusch | 50–54 dB (A) |
In Abbildung 14 ist das Funktionsprinzip des Dampfkolbenmotors mit Lineargenerator grafisch dargestellt. Der Biomassebrenner (5) erhitzt Wasser in einem Rohrverdampfer (4) zu Prozessdampf von ca. 350 °C mit einem Druck von 25–30 bar. Der Dampf tritt wechselweise in den linken und rechten Arbeitszylinder (3, 10) des Lineargenerators (1) ein, expandiert und erzeugt dabei Strom, indem er die mit dem Doppelkolben (7) fest verbundene Ankerspule (9) durch ein starkes Magnetfeld treibt. Der in der Spule erzeugte elektrische Strom wird über einen Wechselrichter ins Netz gespeist (6). Der Kühlkreislauf führt die Wärme aus dem Lineargenerators über einen Plattenwärmetauscher (8) ab und übergibt diese an den Heizungs- und Brauchwasserkreislauf.
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