Minikraftvarmeanlæg Status

Rapport

Januar 1996

Dansk Gasteknisk Center a/s • D r. Neergaards Vej SB • 2970 Hørsholm • Tlf. 2016 9600 • Fax 4516 1199 • www.dgc.dk • dgc@dgc.dk

Minikraftvarmeanlæg Status

Malene Nielsen

Dansk Gasteknisk Center a/s Hørsholm 1996

Titel Minilcraftvarmeanlæg, Status

Rapport kategori Projektrapport

Forfatter Malene Nielsen

Dato for udgivelse April 1996

Copyright Dansk Gasteknisk Center a/s

Sagsnummer 714.95

Sagsnavn Minikraflvarmeanlæg, Status

ISBN 87-7795-084-4

For ydelser af enhver art udfØrt af Dansk Gasteknisk Center a/s (DGC) gælder:

• at DGC er ansvarlig i henhold til "Almindelige bestemmelser for teknisk rådgivning & bistand (ABR 89", som i

øvrigt anses for vedraget for opgaven.

• at erstatiling sansvaret for fejl, forsømmelser eller skader over for rekvirenten eller tredjemand gælder pr. an­

svarspådragende fejl ellerforsømmelse og altid begrænses til 100% af det vederlag, som DGC har modtagetfor

den pågældende ydelse. Rekvirenten holder DGC skadesløsfor alle tab, udgifter og erstatningskrav, der måtte

overstige DG C's hæftelse.

• at DGC skal- uden begrænsning - omlevere egne ydelser i forbindelse medfejl og forsømmelser i DGC's mate­

riale.

Junil992

Minikraftvarmeanlæg

Status

Rapporten gør status over minikraftvarmeanlæg defineret som enheder mindre

end60 kWe.

Rapporten indeholder en oversigt over udbredelsen af minikraftvarmeanlæg i en

række europæiske lande samt en produktoversigt for minikraftvarmeanlæg/små

gasmotorer.

Forfatter:

Udgivelse:

Copyright:

ISBN:

Malene Nielsen

Dansk Gasteknisk Center a/s

Dansk Gasteknisk Center a/s

87-7795-084-4

DG C-rapport 1

Indholdsfortegnelse Side

l Resume og konklusion .................................. . ............................................... 2

2 Opgavebeskrivelse ....................................................................................... 3

2.1 Formål ................................................................................................ 3

2.2 Baggrund ............................................................................................. 3

3 Arbejdets udførelse ...................................................................................... 4

3.1 Kontakt til udenlandske gasselskaber ....... .. .......................... ... .... .. ..... . .... ....... 4

3. 2 Kontakt til danske leverandører ................................................................... 4

3. 3 Kontakt til udenlandske leverandører ............................................................. 4

3. 4 Litteratursøgning .................................................................................... 4

4 Status for minikraftvarme i Europa .................................................................... 6

5 Produktoversigt. .......................................................................................... 8

6 Gasbaseret minikraftvarme ............... . ............ . ............................................... 12

6.1 Motorer, generelt .................. . ...................................... .... ........... .. ......... 12

6.1.1 Motortyper .................................................................................. 12

6.1.2 Danske leverandørers produktoversigt ................................................... 13

6.2 Elvirkningsgrad ..................................................................................... 14

6.3 Emission ............................................................................................. 15

7 Udviklings- og forskningsaktiviteter ................................................................. 17

7 .l Danske leverandører af minikraftvarme ... .. ................................................... 17

7.2 Gas Research Institute (GRI) .................................................................. . .. 17

7.3 Nationale gasselskaber ............................................................................. 18

7.4 Andet ...... .. . . ... .. .......... ..... .............. ... .................................................. 19

8 Referenceliste ................. ..... .......................... .. .......................................... 21

9 Bilag ............................ .... ...................................................................... 23

714.95 Minikraftvarmeanlæg status h:\714.95\rap\01 rapmni.doc 30-04-96

DGC-rapport 2

1 Resume og konklusion

Ud fra henvendelser til en række europæiske landes gasselskaber er der gjort

status for minikraftvarme; her defineret som enheder < 60 kW e.

Af de adspurgte lande har Italien med ca. 4000 anlæg langt flest minikraft­

varmeanlæg.

Det er konstateret, at det også på det europæiske marked klart er de støkio­

metriske motorer, der er dominerende. Der er ikke fundet omtale af disse

anlæg, som angiver, at emissions- og virkningsgrad er mere gunstige end for

de i Danmark installerede.

Der er opstillet en liste over små gasmotorer, som enten kan leveres i en

minikraftvarmeenhed eller indbygges i en sådan. Listen omfatter kun moto­

rer, som leveres konverteret til gasdrift En række af disse er p.t. ikke repræ­

senteret i Danmark. Listen omfatter bl.a. 5 lean-bum motorer. Emissionsfor­

holdene for flere af motorerne synes bedre end de i Danmark p.t. domine­

rende. Emissionsniveauet forventes således for flere motortyper at kunne nå

under de for større anlæg i Danmark gældende emissionsgrænser.

I Holland gælder emissionsgrænser for motorer< 60 kW e. Grænseværdien

for NOx er 1255 mg/nm3 (motorer <50 kW e). I Schweiz er grænseværdierne

80 mg/nm3 og 650 mg/nm3 for hhv. NOx og CO.

Alle gasselskaber, som har besvaret spørgeskemaet, er involveret i R&D

inden for minikraftvarme. Der er ikke fundet frem til udviklingsprojekter

omhandlende minikraftvarme i GRI (Gas Research Institute). GRI er dog

involveret i projekter vedrørende gasfyrede varmepumpeanlæg. En hertil

udviklet lean-bum motor er klar til produktion.

DGC-rapport 3

2 Opgavebeskrivelse

2.1 Formål

Projektets formål er at udarbejde en state-of-the-art oversigt over gasdrevne

minikraftvarmeprodukter anvendt i såvel Danmark som det øvrige Europa.

Minikraftvarme defineres i denne sammenhæng som anlæg under 60 kW e.

Det er projektets mål, på baggrund af en produktoversigt og en redegørelse

for udviklingsaktiviteter på området, at danne grundlag for beslutninger an­

gående de fortsatte aktiviteter på området. Det er i særlig grad forholdene

omkring emission og elvirkningsgrad, der ønskes belyst.

Projektet er rekvireret af gasselskabernes Fagudvalg for drift og teknik

(FAU-2).

2.2 Baggrund

I Danmark findes der i dag omkring 450 gasmotorbaserede kraftvarmean­

læg, hvoraf kun ca. 40 med den valgte grænse på 60 kW e kan betegnes som

minianlæg. I forbindelse med et tidligere projekt udført af Dansk Gasteknisk

Center a/s (DGC); "Energi- og miljøforhold for små naturgasdrevne gas­

motorbaserede kraftvarmeanlæg (5-50 kW e)", påpeges det, at emissionsni­

veauet for minianlæggene er højere end for tilsvarende større anlæg. De

mindre anlæg har derudover en lavere elvirkningsgrad.

Minianlæggene i Danmark er ikke underlagt emissionskrav, men det er kon­

stateret, at de sjældent overholder de grænseværdier, der gælder anlæg på

over 120 kW indfyret

DGC-rapport 4

Infomations­

søgning

U denlandske

gasselskaber

Leverandører

Litteratur

3 Arbejdets udførelse

Der er udført informationssøgning ved såvel europæiske gasselskaber, dan­

ske og udenlandske leverandører samt i relevante rapporter og tidsskrifter.

3.1 Kontakt til udenlandske gasselskaber

Der er taget kontakt til 7 europæiske gasselskaber, dels for at gøre status for

minikraftvarme, dels for at få kendskab til, hvilke gasmotorleverandører der

er repræsenteret inden for minikraftvarme. Gasselskaberne er blevet tilsendt

et spørgeskema, som sammen med en distributionsliste er vedlagt i bilag l.

Foruden de europæiske gasselskaber har der været taget kontakt til Tokyo

Gas Co. samt Osaka Gas Co.

3.2 Kontakt til danske leverandører

Følgende danske leverandører af minikraftvarmeanlæg er kontaktet:

• Frichs Motor AIS

• Dansk Motor Teknik

• Con-mec Holding aps

• Jenbacher Energiesysteme AS

• Gastech Energi

• PM-Energi

• Fehr & Co. Power Produets

3.3 Kontakt til udenlandske leverandører

Der er taget kontakt til 12 udenlandske leverandører af minikraftvarmean­

læg/små gasmotorer, heriblandt 5 japanske leverandører. En liste over de

kontaktede leverandører findes i bilag 2.

3.4 Litteratursøgning

Der er foretaget litteratursøgning i baserne ENERGY og COMPENDEX.

Forskellige kombinationer af følgende søgeord er anvendt:

• small/micro scale cogeneration

• small/micro scale CHP

• small/micro scale combined heat and power

• dual-purpose power plant

DGC-rapport 5

• gasengine

• lean-bum

• emission

• efficiency

• catalyst

Herudover er der Øgt i relevante tid skrifter.

Den på denne baggrund fremskaffede litteratur fremgår af referencelisten.

DGC-rapport 6

4 Status for minikraftvarme i Europa

Ud fra spørgeskemabesvarelserne fra de europæiske gasselskaber er neden­

stående status for minikraftvarme i Europa (tabel l) udarbejdet.

Der er modtaget svar fra Holland, Storbritannien og Italien, Schweiz og

Tyskland.

Tabeli Oversigt over minikraftvarme i en række europæiske lande

British Gas Italgas Gasunie Omtrentligt antal minikraftvarme 618 < 100 kW. ca.4000 364 anlæg Motortyper støkiometrisk støkiometrisk støkiometrisk

samt 3lean-burn

Katalysator nej nej nej (dog 4 med katalysator)

Repræsenterede produkter Power Torque Biklim(Totem) LangEnergy (motor: Ford) Savener System

Jessari Fichtel & Sachs Jenbach er (SACHS mo-(Totem) tor)

Myndighedskrav til emission? nej nej ( <500 kw e) 800g/GJNOx ved <50 kw. l)

Involveret i R&D i minikraftvarme ja ja ja

Schweiz Tyskland Danmark Omtrentligt antal minikraftvarme ca. 400 ca.40 anlæg <50 kW. Motortyper støkiometrisk støkiometrisk

(enkelte lean-burn

Katalysator ja Ja l nej Repræsenterede produkter Ford Ruhrgas oply- Frichs mini

Fiat/TOTEM ser at man ikke (Valmet motor) Valmet har data for CON-MEC Waukesha minikraftvarme (Waukesha Sharetech < 60 kW e. motor) Di ton Et projekt ved- Jenbacher

rørende mi- (TOTEM, Fiat

nikraftvarme i motor)

Tyskland ven- samt enkelte

tes afsluttet i andre

februar. Myndighedskrav til emission? NOx < 80 nej (<120 kW

mg/nm3 indfyret) C0<650 mg/nm3

Involveret i R&D i minikraftvarme nej ja

l) Svarende til NOx < 1255 mg/nm3 ved 5% 0 2

DG C-rapport

Emission -

grænser

R&D

7

Det fremgår af skemaet, at støkiometriske motorer er donlinerende inden for

minikraftvarme. Der er i de 5 lande opstillet i alt ca. 5500 minikraftvarme­

enheder.

Holland har myndighedskrav til emissionsniveauet for gasmotorer < 60

kW e. De hollandske emissionskrav (for <50 kW e) er 1255 mg/nm3 (5% 0 2)

NOx og således betydeligt over de i Danmark for større anlæg gældende. I

Schweiz er grænseværdierne 80 mglnm3 (ref 5% Oz) NOx og 650 mg/nm3

(ref 5% 02) CO.

Der tillesofte ved leverancen væsentligt skrappere krav end de nævnte. I

Tyskland kræves eksempe]vi ofte "Vz T A-luft" overholdt.

Af de adspurgte gasselskaber er alle bortset fra SVGW (Schweiz) involveret

i R&D inden for minikraftvarme. Der henvises til afsnit 7 J for yderligere

omtale heraf.

DGC-rapport 8

5 Produktoversigt

Produktoversigt Ud fra kontakten til såvel danske som udenlandske leverandører er neden­

stående produktoversigt over minikraftvarmeanlæg/små gasmotorer udar­

bejdet. Kun motorer til gasdrift er medtaget.

Leverandør Motor Type Effekt Varme- Lean-burn l Med eller uden Bemærkninger

effekt støkiome- katalysator

[kW J [kW] trisk

CON-MEC Waukesha G26 26 60 støkiometrisk med

CON-MEC Waukesha G40 40 95 støkiometrisk med

Frichs Valmet 411 mini 22 22 52 støkiometrisk med l uden

Frie h s Valmet 411 mini 30 30 70 støkiometrisk med l uden

Frichs Valmet 612 mini 60 60 125 støkiometrisk med l uden

Jenbacher Fiat TOTEM 7 19 støkiometrisk uden Ombygget benzin

mini

Jenbacher Fiat TOTEM 15 39 støkiometrisk uden Ombygget benzin

E6

Dansk Motor VW Polo 15 36 støkiometrisk med Emmisionsmåling

Teknik omtalt i bilag 4

Dansk Motor uoplyst 12 forskellige 5-60 uoplyst 9 støkiome- med En liste over

Teknik triske produkterne

3 lean-bum findes i bilag 5

Kubota Corpora- Kubota 15 32 lean-bum uden Omtalt i /2/

tion/H.G. Make-

lim Co.

Lang Energy Fiat LESCOGEN 15 15 39 støkiometrisk uden < 1255 mg/nm3

Systems (Totem) NOX 6)

Lang Energy Fiat LESCOGEN 50 47 76 støkiometrisk uden < 1255 mg/nm3

Systems (Totem) NOX 6)

Power Torque IVECO 7450G 42 1) 75 lean-bum uden Ombygget diesel

Power Torque IV ECO 7675G 63 l) 100 lean-bum uden Ombygget diesel

Power Torque FordNA LRG423 22 1) - - - Ombygget benzin

Power Torque/ FordNA CSG649 36 l) - - - Ombygget benzin

Fehr & Co.

Power Torque FordNA WSG858 40 l) - - - Ombygget benzin

Power Torque/ FordNA LSG875 58 l) - - - Ombygget benzin

Fehr& Co.

Power Torque/ Ford EU VSG411 11 1) l - - -Fehr& Co. 23 2)

Power Torque/ Ford EU VSG413 12 l) l - - -Fehr& Co. 27 2)

Power Torque/ Ford EU DOC420 20 l) l - - -

DG C-rapport 9

Leverandør Motor Type Effekt Varme- Lean-burn l Med eller uden Bemærkninger

effekt støkiome- katalysator

[kW J [kW] trisk

Pehr & Co. 42 2)

Power Torque Ford BGS 333 27 - - -Power Torque Ford BGS 444 41 - - -Power Torque Ford BGS 666 59 - - -Fehr&Co. FordSAMCOR SSG630 42

Power Produets

Alex Ketner Briggs & Strat- MARATHON 3,7 - lean-bum uden Først klar til salg

ton sommeren 96

Yanmar Diesel10) Yanmar (4 typer) 3GP72ZC, 5,9 - lean-bum uden Motoren indgår i

3GP88Z, 9,3 varmepumpe

2GP66C, 12,1

3GP68Z 18,5

AISIN AW Daihatsu 549 cc 3l 18,6 4) uden Motoren indgår i

varmepumpe

Sanyo Electric8l Mazda 2184 cc 3) 46,5 4) uden Motoren indgår i

varmepumpe

Yamaha Motor Mazda 2184 cc 3) 55,8 4) uden Motoren indgår i

varmepumpe

Wis-con Total WISCONSIN S)

Power Corp

Wis-con Total CONTINENTAL S)

Power Corp

Solo Kleinmoto- Stirling Power v 160 9 stirling motor uden NOx< 500

ren Systems mg/nm3

CO< 650

mg/nm3 9J

Fichtel & Sachs SACHS 5,5 14,5 lean-bum oxidation s- N0x<400

A.= 1,6-1,7 katalysator mg/nm3 7l

3 stk: opstillet i

Holland

SOKRATHERM MAN G G 50 55 100 støkiometrisk med 11)

(motortype

E0226DE)

SOKRATHERM MAN GG70 70 131 støkiometrisk med 11)

(motortype

6013,5)

l) ved 1500 rpm

2) ved 3000 rpm

3) formentlig flere modeller inden for intervallet 5-60 kW •. Benyttes i varmepumpesystemer.

4) i /4/ omtalt ombygget tillean-bum

5) omtalt i /15/

6) Overholder de hollandske krav på 1255 mg/nm3 ved 5% 0 2

7) angivet i /2/

DG C-rapport

Lean-bum

motorer

10

Nedenfor er hoveddata for lean-bum motorerne samlet. Der er ikke fundet

oplysninger, der peger på væsentligt forbedret el virkningsgrad eller emissi­

onsniveau for de støkiometriske motorer i forhold til de i Danmark opstille­

de.

Motor:

Type:

Effekt:

Omdr.tal:

Luftoverskudstal:

02:

El virkningsgrad:

Størrelse l*b*h:

Leverandør:

Motor:

Type:

Effekt:

Omdr.tal:

Luftoverskudstal:

02:

Elvirkningsgrad:

Størrelse l*b*h:

Leverandør:

Motor:

Type:

Effekt:

Omdr.tal:

Luftoverskuds tal:

02:

El virkningsgrad:

Størrelse l*b*h:

Leverandør:

Motor:

Type:

Effekt:

Omdr.tal:

Luftoverskudstal:

02:

El virkningsgrad:

IVECO aifo, 7000G Range

7450G

42kWe

1500 rpm

1,35

5,95%

33%

861*690*935

Power Torque. Power Torque leverer enten motor eller hele

minikraftvarrneanlæg.

IVECO aifo, 7000G Range

7675G

63kWe

1500rpm

1,33

5,75%

34%

1122*690*935

Power Torque. Power Torque leverer enten motor

eller hele minikraftvarrneanlæg.

SACHS

?

5,5 kWe

?rpm

1,6-1,7

7,7-7,8%

23%

720*1060*1000

Fichtel & Sachs

Kubota

?

15kWe

?rpm

?

?

25%

DG C-rapport

Størrelse l*b*h:

Leverandør:

Motor:

Type:

Effekt:

Omdr.tal:

Lufrøverskudstal:

02:

El v·i rkni ngsgrad:

SLørreJse l*b*h:

Leverandør:

1840*710*1630 Kubota Co. l H.G. Makelim Co.

Briggs & Stratton

MARATHON

3,7 kW~ 3000 rpm "ulLra lean-burn"

?

?%

?

Axel Ketner

11

DGC~rapport 12

Minikraftvarme

Motorbaseret

Støkiometrisk

Lean-bum

6 Gasbaseret minikraftvarme

I forbindelse med minikraftvarme kan såvel brændselsceller, små gasturbi­

ner som gasmotorer anvendes. Dette projekt omhandler dog kun de gasmo­

tor baserede anlæg.

6.1 Motorer, generelt

Et gasmotorbaseret minikraftvarmeanlæg leveres ofte som en samlet enhed

bestående af motor, generator, røggas varmeveksler, styresystem samt evt.

katalysator. Der er i dette projekt fokuseret på gasmotoren, uanset om den

indgår i en samlet enhed eller kun leveres uden de øvrige komponenter.

Følgende motortyper kan være aktuelle i forbindelse med minikraftvarme:

• støkiometrisk motor

• lean-bum motor

• stiding motor

Langt de fleste gasmotorer i Danmark er lean-bum motorer, men inden for

minikraftvarme er det den støkiometriske motor, som er dominerende. Dette

forhold skyldes formentlig, at der ofte er tale om ombyggede bilmotorer.

En liste over små gasmotorer stammende fra Il/ findes i bilag 4. Denne om­

fatter dog kun 5 motorer <60 kW e.

6.1 .1 Motortyper

Støkiometrisk motor

Nogle støkiometriske motorer er forsynet med lambdasonde og trevejs­

katalysator. Emissionsniveauet for de i Danmark opstillede støkiometriske

motorer har hidtil været højt. Dette gælder også dem, der er forsynet med

lambdasonde og trevejskatalysator. (Nærmere herom i afsnit 6.3)

Lean-bum motor

Der er hidtil kun opstillet enkelte små lean-bum motorer i Danmark. Lean­

bum motorer har generelt lave emissionsniveauer pga. den relativt lave for­

brændingstemperatuL Lean-bum drift giver potentielt mulighed for højere

elvirkningsgrad end støkiometriske motorer.

DGC-rapport

Stiding

Produktoversigt,

Danmark

Leverandør

CON-MEC

CON-MEC

Frichs

Frichs

Frie h s

Jenbacher

Stiding motor

Stidingmotorer er generelt egnet til små motorstørrelser. Dette hænger

sammen med, at et stor overflade/volumen-forhold er gunstigt for driften.

Stirlingmotoren, der grundlæggende er en "varmluft motor", har pga. den

kontinuerte forbrænding lav emission af såvel CO, NOx som UHC. Dette

fremgår af nedenstående figur.

800

100

NOx n CO HC. Staub

800

500

lit TA Luft 100

Figur l Emissionsniveaufor forskellige kraftvarmeteknologier 1141

13

Stidingmotorerne er dog endnu ikke kommercielle. Længst driftserfaring har

motortypen V160 fra Stiding Power Systems. Solo Kleinmotoren har field

test af 20 minikraftvarmeanlæg byggende på denne motor.

6.1.2 Danske leverandørers produktoversigt.

Nedenstående liste giver en oversigt over danske leverandørers minikraft­

varmeanlæg.

Motor Type Effekt Varmeeffekt Lean-burn/ Med eller uden

[kW e] [kW] støkiometrisk katalysator

Waukesha G26 26 60 støkiometrisk med

Waukesha G40 40 95 støkiometrisk med

Valmet mini 22 22 52 støkiometrisk med/uden

Valmet mini 30 30 70 støkiometrisk med/uden

Valmet mini60 60 125 støkiometrisk med/uden

Fiat TOTEM 7 19 støkiometrisk uden

mini

DG C-rapport

Leverandør

Jenbach er

Dansk Motor Teknik

Dansk Motor Teknik

PM-Energi

Gastech Energi

(Nedalo unit)

Fehr & Co

Fehr & Co

El virknings grad

14

Motor Type Effekt Varmeeffekt Lean-burn/ Med eller uden

[kW.] [kW] støkiometrisk katalysator

Fiat TOTEM 15 39 støkiometrisk uden

E6

Polo 15 støkiometrisk med

uoplyst 12 forskellige 5-60 uoplyst 9 støkiometriske med

3 lean-burn

Polo :ZJ 15 støkiometrisk

MAN 85 l) lean-burn uden

DEERE 112 l) lean-burn uden

Power

Ford 3J støkiometriske ..

l) dvs. 1 denne sammenhæng ikke at betragte som mtmkraftvarme

2) Samme unit som DMT

3) 6 forskellige Ford motorer, se produktoversigt

6.2 Elvirkningsgrad

Bivirkningsgraden for små motorer ( <60 kW e) ligger typisk på 25-30%, dvs.

lavere end for de større motorer, hvor der typisk opnås 35-40% . Dette hæn­

ger til dels sammen med, at lean-bum drift giver mulighed for højere elvirk­

ningsgrad end ved støkiometrisk drift. El virkningsgraden for de i produk­

toversigten nævnte motorer er nedenfor afbildet som funktion af motorstør­

relse (elvirkningsgraden er den afleverandøren oplyste).

JS

JO . . 25 • • •

IS

IO

MOIDrlt.rr.IM kWe

o 60 110 100 120 140

Figur 2 E/virkningsgrad somfunktion afmotorstørrelse

DGC-rapport 15

Trevejs

katalysator

6.3 Emission

Figur 3 viser emission som funktion af luftoverskudstallet.

UnMr Over Sttlliometrsk Sltklom•tn•k

Figur 3 Emissionsniveauets afhængighed af luftoverskudstallet

Som nævnt er en del af de fungerende minikraftv~meanlæg i dag forsynet

med en trevejskatalysator, der, hvis den fungerer korrekt, reducerer såvel

CO, NOx som UHC i røggassen. Ved brug af trevejskatalysator er det

vigtigt med stor nøjagtighed at styre luftoverskudstallet vha. en lambda­

sonde. Der er dog konstateret det problem, at trevejskatalysatorens

lambdavindue (det aktive interval) dels skrider i værdi, dels indskrænkes i

levetiden. Hertil kommer, at også lambdasondens signal ændres med

driftstiden. Dette kan være ødelæggende for trevejskatalysatorens omsæt­

ningseffektivitet, idet lambdavinduet for trevejskatalysatoren er relativt

lille ved gasfyring. l 11. Figur 4 illustrerer, hvorfor trevejskatalysatorens

omsætningseffektivitet ved indskrænkning og forskydning af lambda­

vinduet mindskes betydeligt.

DG C-rapport

20

06 ~

e, \ 0.4 9

·. g \ •• 0.2 ~

831 0.99 1.00 l .o~0 Airlfbd ratio (A)

a)

8.9i 0.99 1.00 1.0~·0 Airlliål'lllioQ..)

b)

Fis. 2 RelatioiiShip bctween EMF of oxygen seosors aod the windowl of the lhree uy caialyst in gas engine exballlt Calalya:a) fresb calalyst(Pt•l.lg/1 Rh-o.Jg/1), b) after 9000b operation Ou Bogioe:YII.IDIIW 40PIOO-C, GHSV-40000b'1, Temp-600"C

Figur 4 Lambdavinduets forskydning og indskrænkning

16

Ovenstående stemmer overens med resultaterne fra tidligere DGC målin­

ger på minikraftvarmeanlæg /13/.

Emissionsmåling Målinger foretaget på kraftvarmeanlæg med 3-vejs katalysator har vist, at

på et antal af anlæggene kan 3-vejs katalysatoren og motorstyringen bruges

til at fungere således, at emissionsniveauet er lavt. Det synes dog i praksis

svært at sikre en vedvarende effektiv reduktion.

Modificering til

lean-bum

Udviklingsaktiviteter, der sigter mod at udvide lambdavinduet, er i gang.

Dette er nærmere omtalt i afsnit 7.4.

To studerende fra Københavns Teknikum har i samarbejde med Dansk

Motorteknik og DGC foretaget en ombygning af en Ford motor tillean­

bum drift. DGC har herefter foretaget en emissionsmåling på den modifi­

cerede motor og vist, at de for større anlæg gældende emissionsgrænser

kan overholdes. Bivirkningsgraden for motoren blev målt til29,4%. En

nærmere omtale af projektet findes i bilag 3 samt i målerapporten /6/.

DGC-rapport 17

R&D GRI

7 Udviklings- og forskningsaktiviteter

7. 1 Danske leverandører af minikraftvarme

Frichs og Jenbacher har oplyst, at der ikke er sket væsentlige ændringer af

produkter mht. motorteknik og emission de seneste år.

CON-MEC oplyser, at der p.t. er opstillet i størrelsesordenen 20 af deres

anlæg i Danmark. Der er pga. prisniveauet ikke solgt anlæg de seneste år.

Dansk Motor Teknik arbejder med at ombygge flere motorer tillean-bum

drift.

PM-Energi eksperimenterer med forbedret styring af gas/luft blandings­

forhold for støkiometriske motorer med trevejskatalysator. Dette sker ved

at anvende samme lambdasonde, men med et ændret setpunkt. Et lavere

emissionsniveau synes ifølge egne målinger at være opnået. Ombygningen

er af nyere dato, så langtidsvirkningen er ikke kendt, ligesom mere nøjag­

tige emissionsmålinger ikke er foretaget.

7.2 Gas Research lnstitute (G RI)

Inden for gasmotorbaseret kraftvarme findes de overordnede projekter:

• 1421 Prime Mover Emission Monitoring

• 0361 Reciprocating Engine

• 1226 Exhaust Treatment Power Generation

Der er foretaget søgning i GRI NET. Der er søgt på ordene CHP

(combined heat and power), cogeneration, engine, small/micro samt på

ovenstående projektområdebetegnelser. Der er ikke fundet frem til pro­

jekter, som har direkte relevans for gasmotorbaseret minikraftvarme 5-60

kWe. GRI er involveret i projekter vedrørende gasmotorbaseret varme­

pumpesystemer. I denne sammenhæng er lean-bum motoren

MARATHON omtalt (3,7 kWe). GRI har deltaget i udviklingen af denne

lean-bum motor.

DGC-rapport 18

R&D Gasunie

R&D Gaz de

France

7.3 Nationale gasselskaber

Gasunie (Holland) har oplyst, at de arbejder med følgende projekter i for­

bindelse med minikraftvarme:

• Minikraftvarmeanlæg 0,7-5 kWe.

Projektet omfatter feasibility stud y, teknik, markedsundersøgelse samt

testaktiviteter. Der testes fire 5 kWe motorer i laboratoriet.

• Øvrige minikraftvarmeaktiviteter

Disse omfatter brændselsceller, stidingmotorer og turbineanlæg. Der er

taget kontakt til de mest lovende leverandører, hvoraf specielt en stir­

lingmotor fra STC (USA) nævnes.

Gasunie er interesseret i et samarbejde omkring minikraftvarme fx i for­

bindelse med demonstration.

Gaz de France har en række aktiviteter inden for minikraftvarme, som de

dog definerer som 50-300 kWe. Projekterne omfatter:

• Status for kraftvarme 50-300 kWe mht. installationer, fabrikater, tek­

nik, økonomi og markedsanalyse.

• Teknisk program, der omfatter installation, anlægstest/demonstration.

• Udviklingsprogram. I samarbejde med fabrikant(er) foretages udvik­

lingsarbejde af kraftvarmeanlæg for det franske marked. Desuden om­

fatter projektet udvikling af designværktøjer samt certificering.

• Demonstrationsprojekt (planlagt i 1996). Udvikling til kommercielt

produkt.

Dansk Gasteknisk Center a/s har foruden dette projekt følgende aktivi­

teter inden for minikraftvarmeområdet (nyligt afsluttede- snart startende):

• Udvikling af minikraftvarmeenhed, AUS (1994) (721.43)

• Energi- og miljøforhold for små KV-anlæg (1995) (714.07)

• Energi- og miljømåling, minikraftvarmeanlæg (1995) (714.83)

• Minikraftvarmeanlæg til parcelhuse (1995) (714.01)

• Måling på 3 kWe Stirlingmotor-kraftvarmeenhed (1995) (715.10)

• Minikraftvarmeenhed med lean-bum gasmotor (1995)

• Demonstration af forbedrede minikraftvarmeanlæg (1996)

(715.09)

(ny)

DG C-rapport

Stidingmotor

Trevejs­

katalysator

19

De øvrige gasselskaber har ikke oplyst, hvilke R&D projekter de deltager

l.

7.4 Andet

Stidingmotor

Der arbejdes fra mange sider med udvikling af små stirlingmotorer. Ingen

er dog kommercielle endnu.

Stiding Power Systems har udviklet en stirtingmotor på 9 kWe med type­

betegnelsen V 160. Der er produceret 150 stk. med en akkumuleret drifttid

på 285000 timer. En del af motorerne benyttes til varmepumpedrift Mo­

toren overholder de tyske grænseværdier for emission dvs. < 500 mg/nm3

NO x og < 650 mg/nm3 CO (ref. 5% 0 2).

Solo Kleinmotoren arbejder på at opnå serieproduktion af kraftvarmeanlæg

baseret på denne stidingmotor. Planen er at feltprøve 20 af disse motorer i

1996.

EA Technology arbejder med udvikling af en stirlingmotor. De forventer

dog først at have en motor på markedet om 3-5 år.

Gasunie nævner en lovende stidingmotor fra STC (USA) under udvikling.

Y deriigere projekter vedrørende stidingmotorer er omtalt i /3/

Trevej s katalysator

I 110/ omtales et udviklingsprojekt der sigter mod bedre vedvarende akti­

vitet for en trevej s katalysator. Dette sker ved at anvende to forbedrede

lambdafølere (før og efter katalysator). Derudover er styringen af gas/luft

blandingsforholdet ud fra de to lambdafølere forbedret for at sikre stabil

drift.

Figur 5 viser dele af de opnåede resultater.

DG C-rapport

~ 0.6

s: ~

N 0.4 o .... o

~ 0.2

NTK OZA·lSF

DEVELOPED

0 .~ . 1 0.2 0.3 0.4 CH• Conømtration (ppm)

Fig. 5 Chatacteristics of the sensors measureel in CH..t -02 mixed gas. Temporature"" 650°C, ~ conc.=0.5% GHSV= 30000

~ ~ 0.6 ~ 6 'Q 0.4

~ 0.2

0·8.98

Figur 5 Resultatet afforbedret lambdafØler

20

0.99 1.00 1.01

Air/fuel ratio(]..)

DGC-rapport 21

8 Referenceliste

/1/ CADDET Analyses series No. l ; Learning from experiences with

Small-Scale Cogeneration

/2/ VDI-BERICHTE 887; Cogeneration PowerPlantsand Heat Pumps

/3/ Development of small Stiding enginesfor 'micro' CHP applications",

Department of Engineering, University of Cambridge, UK

/4/ "Statistik der Klein-WKK-Anlagen in der Schweiz" U. Kaufmann

151 "NOx reduction technique for gas engineheat pump" K. Isano,

IGU/PE7-94

/6/ Minikraftvarme med lean-bum motor, DGC målerapport 1995

171 Minikraftvarmeanlæg mindre end lO kW e, Karsten V. Frederiksen,

DGC projektrapport, 1996

/9/ GRI R&D Plan 1995-1999 and Research & Development Program

1995-1996

1101 IGRC 1995. Development of an advanced three-way catalyst system

for gas fuelled engine cogeneration systems.

/11/ Mikrokraftviirmeverk med stidingmotorer, Gasteknisk Newsletter

2/1995

/12/ Stiding motor, DGC-notat, Lene S. Kristensen, 1993

/13/ Energi- og miljøforhold for små naturgasdrevne gasmotorbaserede

kraftvarmeanlæg (5-50 kWe). DGC-klientrapport, Jan de Wit, 1995

114/ Der Stidingmotor V 160 -leistungsfahiges Herz von kleinen Blok­

heizkraftwerken, F. Gossen, A. Baumi.iller og H. Schell,

GASW ÅRME Intemational44 (1995), Heft 3, Marz

DG C-rapport 22

/15/ Natural Gas Cooling Equipment Guide, American Gas Cooling Center

/16/ Kraftvarmenyt nr. 17, Dana Lim NS Køge

117/ Klein-BHKW fUr ein Wohn-und Blirogebaucle, G. Wolf,

GASWÅRME International44 (1995), Heft 11, November

/18/ CADDET Result 196, Combinecl heat and power in a medium sized

hotel

DGC-rapport 23

9 Bilag

l. Spørgeskema samt liste over kontaktede gasselskaber

2. Liste over kontaktede potentielle leverandører af minikraftvar­

me/selskaber

3. Sammenfatning af måleresultater fra projektet "Minikraftvarmeenhed

med lean-bum gasmotor'' /6/

4. Liste over små gasmotorer /l!

5. Dansk Motor Tekniks liste over minikraftvarmeanlæg

DG C-rapport 24

BILAG 1

Liste over europæiske gasselskaber, som er kontaktet

Der er modtaget svar fra de med *) mærkede gasselskaber

British Gas plc

Gas Research Centre

Ashby Road

Loughborough

Leichestershire LE11 3QU

ENGLAND

ITALGAS

Studies & Research Department

Largo Regio Parci, 11

1-10152 Torino

ITALY

GASUNIE

Postbus 19

NL-9700 MA Groningen

THE NETHERLANDS

Gas de France

361, av du President Wilson

BP33

F-93211 La Piaine Saint Denis Cdx

FRANCE

*)

*)

*)

DG C-rapport

Ruhrgas Aktiengesellschaft

Halterner Strasse 125

D-46284 norsten

GERMANY

Repsol Butano

San Norberto, 26

E-28021 Madrid

SPAIN

SVGW

Griitlistrasse 44

Postfach 658

CH -8027 Ziirich

SWITZERLAND

25

*)

*)

DG C-rapport 26

Questionnaiie on··smalf:scale coggneration·--(<:. 60. 'kW J,,.,

Your name, address and fax no.:

Cogeneration units in operation in your country

Approx. number of small-scale ( < 60 kW e) cogeneration units : _________ _

Type of small-scale cogeneration units represented (please tick):

- stochiometric engine

- stochiometric engine with catalyst

- lean-bum engine

- Stiding engine

- Other (please specify) --------

Produets represented (name of producers of engine/unit): -----------

DG C-rapport 27

Pollutant limit values af small-scale cogeneration units:

No limit values Limit value (please tick) (number and unit)

NOX

UHC

CO

Other environmentallegislation:

lnvolvement of your company in the area of small-scale cogeneration units

Is your company involved in R&D (research, development and demonstration) in the small­

scale cogeneration field ?

Y es

No

Please, return the questionnaire before 30.10.95 to:

Danish Gas Technology Centre ais

Att: Ms Malene Nielsen

Dr. Neergaardsvej 5A

DK-2970 Roersholm

Denmark

(Fax : +45 45 76 70 15)

Thank you in advance for your assistance.

DG C-rapport 28

Bilag 2

Kontaktede potentielle leverandører af minikraftvarme l selskaber med kendskab til leverandører

Der er modtaget svar fra de med *) mærkede firmaer.

Frichs Motor AJS

Satellitvej 3

8700 Horsens

*)

Jenbacher Energiesysteme AS *)

Industrivej 19

8881 Thorsø

Dansk Motor Teknik *)

Værkstedsvænget 4

5260 Odense S

Tokyo Gas Co., Ltd.

Gas Cooling Technology Project

3-13-1, Minami-senju, Arakawa-ku

Tokyo 116

JAPAN

Lang Energy System

Telefax: +3155 5331691

Petbow Cogeneration

Telefax: +441618 773 212

Power Torque

Herald Way, Binley

Coventry CV3 2RQ

ENGLAND

Telefax: +44 1203 635 878

Combined Power Systems Ltd

Telefax: +44 1618 738 371

*)

*)

Osaka Gas Co *)

Fundamental Research Laboratories

JAPAN

Telefax: +81 6 2226195

Kubota Corporation

Deputy Manager

Farm & Industrial Machinery

R&D Dept. 3

Engine Engineering Dept. 2 & Computa­

tional Research Centre

JAPAN

Telefax: +81 6 648 2607

CON-MEC Holding Aps

Skolevej 8

3660 Stenløse

Sanyo Electric

JAPAN

Telefax: +81 6 991 5468

Aisin AW

JAPAN

Telefax: +81 5662 48 894

Y arnaha Motor

JAPAN

Telefax: +81 538 37 4262

*)

*)

DG C-rapport

Yanmar Diesel Engine Co. Ltd "')

Import Group, Purchasing Division

Chayaftlachi

Kita-ku

Osaka

JAPAN

Telefax: + 81 6 3727 523

Fichtel & Sachs AG

Ernst Sachs Strasse 62

D-97424 Schweinfurt

GERMANY

Telefax: +49 9721 98 27 20

Gasunie Research

Postbus 19

9700 MA Groningen

THE NETHERLANDS

Telefax: +31 50 521 1946

H. G. Makelim Co

S. San Francisco

219 Shaw Road

S. San Francisco

CA94080

USA

Telefax: +l 714 978 6227

*)

SOKRATilERM GmbH *)

Milchstrasse 12

D-32120 Hiddenhansen

GERMANY

Telefax: +49 52 21 660 63

Briggs & Stratton

P.O. Box 702

Milwaukee

Wisconsin: 53201-0702

USA

Axel Ketner

*)

"')

PM-Energi

Tlf.: 98 80 18 22

Gastech Energi

Tlf.: 86 78 59 22

Fehr& Co.

Power Produets

Svendborgvej 90

5260 Odense S

Tlf.: 45 66 14 14

29

*)

"')

"')

DG C-rapport

rS

30

Bilag 3

Sammenfatning af måleresultater fra projektet

"Minikraftvarmeenhed med lean-burn gasmotor /6/

I samarbejde med DGC har to studerende fra Københavns Teknikum i efter­

året 1995 udført en ombygning af en 30 kW e Ford motor (traditionel bilmo­

tor) til en lean-bum motor. Der er efterfølgende foretaget emissions- samt

virkningsgradsmåUnger på motoren. Nedenstående skema giver en oversigt

over resultaterne i det ønskede driftpunkt

El virkningsgrad 29,4%

02 7,1% CO 634,3 mg/nm3 v. 5% 02

NOx 433,6 mg/nm3 v. 5% Oz

UHC 1051,4 mg/nm3 v. 5% 0 2

Det fremgår af skemaet, at gældende myndighedskrav for større motorer er

overholdt. Figur l viser de forskellige driftpunkter, der er målt ved indregu­

leringen af motoren. Grafen viser, at et lavere luftoverskudstal end det valgte

muligvis kunne have givet lavere emissioner.

~ --------------------------------------------~ CH

4500 f """" i l 3500

i:JOOO i .. i~

A

12000 ..

A 1500

CO 1000

11 12 13 14 1.5 16 1,7 18 19 Lufttill

Figur l Emission ved varieret indreguleringspunkt

DGC-rapport 31

Der er ikke foretaget en optimering af stemplerne for brug til naturgasfyring.

Det er opfattelsen, at den modificerede motor ikke er mere optimal for om­

bygning tillean-bum end øvrige bilmotorer.

-.... TJPC EqiM E.lllao ........ s,.ctnc AppliodNO ·-- ... ,....._.", ,". .,.... ..... a- ... - c....,.,.. ..- o....

.-. ..... ...... ... .......... ....... ............ r.~ ... 1,__ •p m •w kWikW, rcdrc:. -- Air

FPl 127 < · L JOOO 15 J,. '" '" , ... , .. """' 514 < . L '""' 264 l '" """' $14 <· L '""' l5 216 )'U

Ford Sl6 6 · L '""' 45 l , .. """' Sl6 6 · L '""' 50 116 , .. Ca '"Pik <i l304 NA 4 - L ·~"

., , ... yn )'U

~NIIallo E2166E 6-V 1500 95 1995 , .. C-.pilor Gll06TA 6 -L 1500 an 115 ,.. , .. Ja

C-.pila. Ol4lNA 6- L 1000 l]] 19 , .. , .. c-". .. 03306TA 6-L 1500 ll6 1.9 ,.. ,.. c...."..., Gl4~NA 6- L 1500 140 116 , .. , .. c:-,w..

03401 "'" 1 - V '""' U7 291 , .. , ..

MAN- 1!2142E Il- V 1500 ITI 1141 ,.. - JW 124G·L 6-L 15011 110 169 ,.. , .. )'U Ja

c-pi!~ w Gl421A 6 - L 1000 117 295 , .. y<>

Caacrpil&lt CiJ.«.IbTA 6-L 1500 19'1 li '" ,.. ,...

c-pli.- Ol79NA 1-V 1000 104 2 ... '" , .. ·- P11950 6-L 1000 2l4 :1.19 , .. - JW 16<0 L 1- L 1500 140 169 , .. , .. , .. '" c-,illw 03412NA 12- v 15011 24S 19 J<• , .. Wau..kulul F 28!1SG • -l 1000 175 li· )'U )'U

c-,; .. Cl«* TA 1-V 1500 110 1.75 , .. , .. , .. ·- Fl5ll Q 6-L 1000 214 2.15 ,.. MAN- E 2141 LE 12-V '""' lOO ,., ,.. ,.. ,... ~ Gl79TA 1-V 1000 lOO 291 , .. '" c.apill• G )91 NA Il - v 1000 ]05 119 , .. , .. c..p;lllr 0 3512 NA 12- v 1000 311 195 , .. , .. ·- Pl5ll G 6 - L IIIII 3l4 lU ,.. ,.. ,.. ,.. ·- Fli950SI 6-L 1000 ll6 3.05 ,.. ,.. ,.. - JW:z44Q.L 12 - V 15011 360 169 ,.. , .. ø .... 20/ll NG 6-l 1000 360 11 ,.. , .. , .. - -INO 6-L 1000 l60 li ,.. ·- LSIOIO Il - V IIIII 317 :tn , .. , .. Ja ·- Fli950SI 6-L 1000 395 3.115 , .. , .. ,.. ,.. ·- 21195GL 6 - L 1000 ]95 1.71 , .. Ja

,.. , .. w ......... FlS21 GSI 6 - L 1000 401 lO) , .. , .. , .. c.pik G 3412 TA Il - V '""' 410 1.14 , .. c::..- Ol99NA 16 - V 1000 410 ZM , .. , .. - -INO 7 - L 1000 420 li , .. ,.. ,.. - -INO 7- L 1000 420 li ,.. CaacqMU. OlSJ6NA 16- v 1000 4)6 l .. '" '" c.a,ilro G!911.A 11 · V 1000 <H 115 , .. , ..

.......... -..... Lo•W. NO. CO c.H.

r/GI r/GI r/GI

u "' n a . ... 141 160 '" 325

l l 750 zoo 275

142 160 215 )2S

l .l 750 115 150

l 110 ]64 n.a.

'" zoo 12S .... 1.5 2SO 194 .... l 210 l64 O.L

l 170 364 LL

l no ]64 ..... l 270 l64 O. L

'" zoo 213 .... 17 110 :120 " l 270 l64 .... 152 "" l"' .... l 270 l64 .... O.L IOD ..... .... 1.7 110 120 " l 270 )64 .... o•• 110 ..... . ... U2 zoo )94 ..... .... IOD .... ..... 1.5 265 lll ..... l 210 ]64 .... l 110 36< n. L

l 270 l64 .... 0.98 210 .... .... .... IOD .... .... 1.7 110 :120 " 0.99 110 150 250

0.99 IOD l,., l50

O .L IOD .... .... 0.91 270 O.L .... 1.74 270 200 130

n .L 100 n. a. O.L

1.42 zoo 394 .... l Z70 l64 .... 0.99 210 2SO 2SO

0.99 IOD 250 l50

l l1U )64 •... l 170 l64 O.L

--

.. acard.l~~~:~t •III• Dlftft_.._... A-. ......... ., •• 1m 1".

'' , .. , .. " , .. , .. " , .. ,.. " ,.. , .. " , .. , .. 91 , .. , .. 93 , .. , .. " ,.. )'U

" , .. , .. 91 ,.. , .. 91 , .. , .. 9l ,.. , .. " ,.. )'U

99 Ja , .. 9l , .. , .. 91 , .. , .. 97 , .. , ..

.... , .. -96 , .. )'U

9l , .. , .. n .L , .. , .. 97 Ja , ..

..... ,.. -95 Ja ,.. 97 Ja ,.. 91 , .. , .. 97 ... Ja

..... Ja ,.. O.L , .. .. 97 , .. ,.. ... , .. '" 99 ,.. .. .... ,.. ..

O.L ,.. ,.. .... Ja ,.. D .L ,.. DO

91 ,.. ,.. "

,.. ,.. 99 ,.. Ja

99 ,.. ... .1 , .. Ja

9l Ja Ja

l

c en -CD o ~ ""' en 3 Q)o

cc Q) en 3 o -o CiJ ""' ...... ~ ......

m -· -Q) cc ~

o (j) () l ~ ti) -c -c o ;::l.

DGC-rapport

Bilag 5

Dansk Motor Tekniks liste over minikraftvarmeanlæg

Motorprogram for Dansk Motorteknik AJS O - 60 kWe.

El- effekt RPM. Type. Kat. Bemærkninger

5 2000 Lean Burn Oxidation 10 2000 Lean Burn Oxidation

15 3000 Lambda = 1. 3-VEJS. Første Jean burn model er leveret til NG MidUNord. 18,5 3000 Lambda = 1. 3-VEJS.

22 3000 Lambda = 1. 3-VEJS. 37 3000 Lambda = 1. 3-VEJS. 50 3000 L.ambda = 1. 3-VEJS. 60 3000 Lambda = 1. 3-VEJS.

22 1500 Lambda = 1 3-VEJS 30 1500 Lean Burn Oxidation 45 1500 Lambda = 1 3-VEJS 60 1500 Lambda = 1 3-VEJS

Alle Lambda = 1 motorer kan leveres som Lean Burn udgave eller udgave med gasinjection system.