Interessante Optionen in der dezentralen Energieversorgung ergeben sich mit dem Einsatz von erdgasbetriebenen Gas-Otto-Motor-, Mikrogasturbinen-, Stirlingmotor- und PEMFC-Modulen. In dem Zusammenhang ist zu beachten, dass die Nutzungsmöglichkeiten dieser KWK-Systeme auch durch die elektrischen und thermischen Bedarfswerte und -strukturen der zu versorgenden Objekte bestimmt werden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist, neben einer experimentellen und theoretischen Untersuchung ausgewählter KWK-Module, die vergleichende Bewertung von KWK-Anwendungen in der Hausenergieversorgung. Am Beispiel der Energieversorgung von Modell-Siedlungen nach VDI 2067-7 wird der stationäre Betrieb der untersuchten KWK-Module im bi- und polyvalenten Einsatz nachgebildet und bilanziert. Zur Bewertung der KWK-Konzepte erfolgt ein Vergleich zu einer konventionellen Energieversorgungsstrategie mit getrennter Bereitstellung elektrischer und thermischer Energie. Als Indikatoren zur Beurteilung der dezentralen Energieversorgungsvarianten dienen definierte energetische, ökologische und ökonomische Faktoren. Im Rahmen von Simulationsanalysen wird die Bedeutung der Integrations- und Einsatzweise der KWK-Module untersucht. Ein Variantenvergleich der Energieversorgungsstrategien verdeutlicht, welche Einsatzmöglichkeiten der KWK-Module für die untersuchte Struktur der Hausenergieversorgung beim gegenwärtigen Stand der Technik zweckmäßig sind.

Sundsvall Energi har ansvaret för den gamla deponin på Blåbergets avfallsanläggning strax västerut från Sundsvall. Mellan slutet av 1960-talet fram till och med 2008 har ca 2 miljoner ton avfall deponerats. Från denna deponi har det under en längre tid producerats stora mängder deponigas. Deponigasen har tidigare använts i en hetvattenpanna vid Nacksta och tillfört värme till fjärrvärmesystemet. På grund av ineffektiv drift och minskande metaninnehåll i deponigasen stoppades transporten av deponigas till Nacksta 2013. Därefter har deponigasen enbart använts för fackling vilket innebär att deponigasen förbränns i en gasfackla. Enligt bestämmelser måste deponigas behandlas och användas för exempelvis energiutvinning eftersom innehållet i deponigasen har en kraftig växthuseffekt då gasen består av ca 40–60 % metan och 30–50 % koldioxid. Metan har en 28 gånger högre potential för global uppvärmning jämfört med koldioxid över en 100-årsperiod. I detta examensarbete har syftet varit att undersöka vilka möjligheter som finns för att ta vara på deponigasens energiinnehåll och därmed föreslå ett tekniskt alternativ gentemot enbart fackling av deponigasen. Dessutom har arbetet som syfte att beskriva den miljömässiga- och ekonomiska nyttan. Arbetet har utförts genom att energiinnehållet har tagits fram genom formler och antaganden samt att värmebehovet och uppskattningen av investeringskostnaden tagits fram. Nuvärdesmetoden och PayOffmetoden använts i samband ekonomiberäkningen i arbetet. Värmebehovet på anläggningen fick styra över hur mycket effekt som värmekällan bör ha för att klara högsta årsbehovet. Examensarbetet resulterade i att det mest lämpliga teknikalternativet, nämligen Stirlingmotorn, användes i detta arbete. På grund av ogynnsamma förutsättningar för att täcka värmebehovet på anläggningen har antagandet gjorts att den producerade värmen i stället gör miljönytta genom att tillföra värme till en av lakvattendammarna. Den producerade elen beräknades ha en täckningsgrad på ca 19 % av totala energiförbrukningen på anläggningen. Lönsamhetskalkylerna visar att lönsamheten för en eventuell investering blir ogynnsam vid låga elpriser samt vid låga metanhalter. Dock blir lönsamheten lämpligare vid höga elpriser och lägre investeringskostnader. Dessutom kunde det konstateras att lönsamheten blir betydligt gynnsammare om värmeproduktionen skulle ha nyttiggjorts samtidigt som elproduktionen. / Sundsvall Energi is responsible for taking care of the old landfill at  Blåberget waste facility west of Sundsvall. Between the end of the 1960s to year 2008, about 2 million tons of waste were deposit at the landfill. Large amounts of landfill gas have been produced at this landfill over the years. The landfill gas has previously been burned in a boiler at Nacksta and therefore added some heat to the district heating system. Due to inefficiency and declining methane content in the landfill gas, the distribution of landfill gas to Nacksta ended in 2013. Since then, the landfill gas has only been torched at the landfill site. Since the landfill gas has a strong greenhouse effect and due to regulations, the landfill gas must be treated and used for, as an example, energy utilization. Methane has a 28 times higher contribution risk to global warming compared to carbon dioxide over a 100-year period. In this project, the purpose has been to investigate what opportunities there are to utilize the energy content in the landfill gas and by that suggest an alternative instead of just torching the landfill gas. Additionally, the further purpose with the project is to describe the  environmental and economic benefits of the solution. The work has been done by determine the energy content by using formulas and assumptions. In addition, the heat demand for the landfill site as well as the estimation of investment cost was determined. The NPV and the Pay-Off was used in the economic calculations. The heat demand of the landfill site was the deciding factor of how much power the technical alternative should have to meet the highest annual heat demand. The project resulted in the fact that the most suitable technical alternative, namely the Stirling engine, became the technical choice in this work. Due to unfavorable conditions for the heat production from the Stirling engines at the plant, the assumption was made that the produced heat instead got  to supply heat to one of the leachate ponds. The electricity produced was calculated to meet around 19% of the total energy consumption at the landfill site. The economical estimates showed that the profitability of an eventual investment becomes unfavorable at low electricity prices and at low methane contents. However, the investment becomes far more profitable at high electricity prices and at lower investment costs. In addition, the results showed that profitability would be far more favorable if the produced heat had been utilized for property heating simultaneously as the electricity got produced.

Interessante Optionen in der dezentralen Energieversorgung ergeben sich mit dem Einsatz von erdgasbetriebenen Gas-Otto-Motor-, Mikrogasturbinen-, Stirlingmotor- und PEMFC-Modulen. In dem Zusammenhang ist zu beachten, dass die Nutzungsmöglichkeiten dieser KWK-Systeme auch durch die elektrischen und thermischen Bedarfswerte und -strukturen der zu versorgenden Objekte bestimmt werden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist, neben einer experimentellen und theoretischen Untersuchung ausgewählter KWK-Module, die vergleichende Bewertung von KWK-Anwendungen in der Hausenergieversorgung. Am Beispiel der Energieversorgung von Modell-Siedlungen nach VDI 2067-7 wird der stationäre Betrieb der untersuchten KWK-Module im bi- und polyvalenten Einsatz nachgebildet und bilanziert. Zur Bewertung der KWK-Konzepte erfolgt ein Vergleich zu einer konventionellen Energieversorgungsstrategie mit getrennter Bereitstellung elektrischer und thermischer Energie. Als Indikatoren zur Beurteilung der dezentralen Energieversorgungsvarianten dienen definierte energetische, ökologische und ökonomische Faktoren. Im Rahmen von Simulationsanalysen wird die Bedeutung der Integrations- und Einsatzweise der KWK-Module untersucht. Ein Variantenvergleich der Energieversorgungsstrategien verdeutlicht, welche Einsatzmöglichkeiten der KWK-Module für die untersuchte Struktur der Hausenergieversorgung beim gegenwärtigen Stand der Technik zweckmäßig sind.

Das Ziel der vorliegenden Dissertationsschrift bestand darin, für die äquatornahen Regionen mit hoher solarer Einstrahlung einen solaren Niedertemperatur-Stirlingmotor zu entwickeln, berechnen, konstruieren und fertigen, experimentelle Untersuchungen durchzuführen sowie die Ergebnisse auszuwerten. Des Weiteren war im Rahmen dieser Arbeiten die Gültigkeit der Schmidt-Theorie für den Niedertemperatur-Stirlingmotor zu überprüfen. Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurden drei Varianten des solaren Niedertemperatur-Stirlingmotors(Stirlingmotor III, IV und IV-A)konstruiert und gefertigt sowie mit Hilfe eines Sonnensimulators (800 W / m2) getestet. Zur Ermittlung der Heißgastemperatur wurde ein mathematisches Modell erstellt, dessen Gültigkeit für den solaren Niedertemperatur-Stirlingmotor durch umfangreiche Experimente bestätigt werden konnte. Die Voraussetzungen der Schmidt-Theorie sind relativ ideal und bei dem solaren Niedertemperatur-Stirlingmotor nicht erfüllt. Trotzdem ist die Schmidt-Theorie auch auf den Stirlingmotor anwendbar. Eine vereinfachte Beziehung zur Berechnung der Leistung (Gl. 3.80) wurde abgeleitet und experimentell überprüft. Die Leistungsoptimierung erfolgte unter Berücksichtigung des Einflusses von Phasenwinkel, Verdichtungsverhältnis und Drehzahl. Der optimale Bereich des Phasenwinkels liegt zwischen 60° und 100°, empfohlen wird ein Winkel von 90°. Der optimale Drehzahlbereich liegt zwischen 18 und 25 U / min. Solare Niedertemperatur-Stirlingmotoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie immer die maximal mögliche mechanische Leistung abgeben, indem die Drehzahl sinkt und die Heißgastemperatur steigt. Die Reduzierung des Totvolumens ist für die Leistung des Niedertemperatur-Stirlingmotors von großer Bedeutung. So konnte durch das Einbringen eines Verdrängers in den Arbeitskolben die mechanische Leistung um etwa 10 % gesteigert werden. Weiterhin konnte experimentell nachgewiesen werden, dass sowohl das Anbringen der Abdeckungsfolie als auch der Einsatz eines Regenerators wichtige Voraussetzungen für den stabilen Betrieb des solaren Niedertemperatur-Stirlingmotors sind. Beim Stirlingmotor IV-A wurde neben der kontinuierlichen auch die diskontinuierliche Bewegung des Verdrängers realisiert. Die durchgeführten Versuche haben ergeben, dass bei letzterer Bewegungsart das übertragbare mechanische Moment größer ist. Voraussetzung für die diskontinuierliche Bewegung ist ein massenloser Verdränger. Dieser wurde durch das Anbringen von Ausgleichsgewichten verwirklicht. Die entsprechenden experimentellen Arbeiten führten zu dem Ergebnis, dass im Durchschnitt eine um ca. 10 % höhere mechanische Leistung erzielt werden kann. Im Ergebnis der durchgeführten theoretischen und experimentellen Untersuchungen an den drei Varianten des solaren Niedertemperatur-Stirlingmotors kann festgestellt werden, dass mit der Maschine IV-A die günstigsten Parameter erreicht wurden. Vorteilhaft bei dieser Version sind insbesondere einfachere Fertigung, gute Abdichtung, kleinere Strömungsverluste sowie eine um etwa 2 K niedrigere Kaltgastemperatur. Der Stirlingmotor IV-A sollte Prototyp für Feldtest werden.

Das Ziel der vorliegenden Dissertationsschrift bestand darin, für die äquatornahen Regionen mit hoher solarer Einstrahlung einen solaren Niedertemperatur-Stirlingmotor zu entwickeln, berechnen, konstruieren und fertigen, experimentelle Untersuchungen durchzuführen sowie die Ergebnisse auszuwerten. Des Weiteren war im Rahmen dieser Arbeiten die Gültigkeit der Schmidt-Theorie für den Niedertemperatur-Stirlingmotor zu überprüfen. Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurden drei Varianten des solaren Niedertemperatur-Stirlingmotors(Stirlingmotor III, IV und IV-A)konstruiert und gefertigt sowie mit Hilfe eines Sonnensimulators (800 W / m2) getestet. Zur Ermittlung der Heißgastemperatur wurde ein mathematisches Modell erstellt, dessen Gültigkeit für den solaren Niedertemperatur-Stirlingmotor durch umfangreiche Experimente bestätigt werden konnte. Die Voraussetzungen der Schmidt-Theorie sind relativ ideal und bei dem solaren Niedertemperatur-Stirlingmotor nicht erfüllt. Trotzdem ist die Schmidt-Theorie auch auf den Stirlingmotor anwendbar. Eine vereinfachte Beziehung zur Berechnung der Leistung (Gl. 3.80) wurde abgeleitet und experimentell überprüft. Die Leistungsoptimierung erfolgte unter Berücksichtigung des Einflusses von Phasenwinkel, Verdichtungsverhältnis und Drehzahl. Der optimale Bereich des Phasenwinkels liegt zwischen 60° und 100°, empfohlen wird ein Winkel von 90°. Der optimale Drehzahlbereich liegt zwischen 18 und 25 U / min. Solare Niedertemperatur-Stirlingmotoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie immer die maximal mögliche mechanische Leistung abgeben, indem die Drehzahl sinkt und die Heißgastemperatur steigt. Die Reduzierung des Totvolumens ist für die Leistung des Niedertemperatur-Stirlingmotors von großer Bedeutung. So konnte durch das Einbringen eines Verdrängers in den Arbeitskolben die mechanische Leistung um etwa 10 % gesteigert werden. Weiterhin konnte experimentell nachgewiesen werden, dass sowohl das Anbringen der Abdeckungsfolie als auch der Einsatz eines Regenerators wichtige Voraussetzungen für den stabilen Betrieb des solaren Niedertemperatur-Stirlingmotors sind. Beim Stirlingmotor IV-A wurde neben der kontinuierlichen auch die diskontinuierliche Bewegung des Verdrängers realisiert. Die durchgeführten Versuche haben ergeben, dass bei letzterer Bewegungsart das übertragbare mechanische Moment größer ist. Voraussetzung für die diskontinuierliche Bewegung ist ein massenloser Verdränger. Dieser wurde durch das Anbringen von Ausgleichsgewichten verwirklicht. Die entsprechenden experimentellen Arbeiten führten zu dem Ergebnis, dass im Durchschnitt eine um ca. 10 % höhere mechanische Leistung erzielt werden kann. Im Ergebnis der durchgeführten theoretischen und experimentellen Untersuchungen an den drei Varianten des solaren Niedertemperatur-Stirlingmotors kann festgestellt werden, dass mit der Maschine IV-A die günstigsten Parameter erreicht wurden. Vorteilhaft bei dieser Version sind insbesondere einfachere Fertigung, gute Abdichtung, kleinere Strömungsverluste sowie eine um etwa 2 K niedrigere Kaltgastemperatur. Der Stirlingmotor IV-A sollte Prototyp für Feldtest werden.

In this thesis, the potential to purify water utilizing waste heat from a unit which stores thermal energy and converts it to electricity is studied. The unit, called TES.POD, is developed by Azelio AB and is in this thesis used as a heat source to drive an air gap membrane distillation (AGMD) unit developed by Scarab Development AB. Heat from the TES.POD and ambient air temperature constitutes a temperature difference over a membrane used as a driving force to vaporize a part of the water that transfer through the membrane, and later condensates as clean distilled water as the contaminations stays in the hot stream of feed water. An analysis has been conducted to determine quasi-steady performance of the combined system for estimating the amount of purified water that can be supplied when the TES.POD unit is in peak electricity discharge mode. The 26 kW of waste heat accessible from the TES.POD is shown to enable two AGMD-modules producing purified water at a production of 7, 1l/h per unit having the feed water at 50°C and cooling water at 25°C. A correlation between the amount of waste heat and distilled water production is determined, as the TES.POD could be configured to produce less electricity and more waste heat at a higher temperature. The correlation showed that an 9% increase in cooling temperature, lead to an 30% increase in pure water output and a 33% decrease in electricity output. The results show that when implementing the two companies’ units together, a system that both provides electricity and distilled water is obtained. This is a system with a high demand, especially in off-grid areas with lack of both resources but with accessible renewable energy sources. Moreover, by using waste heat to purify water, it can also reduce the production cost compared to cases where conventional energy sources are used. The potential revenue of the production was estimated to 673 790 SEK/year with an implementation cost of 93 861 SEK with yearly operational expenses estimated to 14 080 SEK/year. / I detta arbete undersöks möjligheten att rena vatten med spillvärme från ett system vilket lagrar termisk energi och av den producerar elektricitet, när det behövs. Systemet är utvecklat av Azelio AB och har produktnamnet TES.POD. Vattendestillationen utförs med en så kallad air gap membrane distillation (AGMD) modul, utvecklad av Scarab Development AB. Värmen från TES.POD och omgivningstemperaturen utgör, i AGMD-modulen, en temperaturdifferens vilken i sin tur skapar en partielltryckskillnad över membranet. Denna partielltryckskillnad låter en del av det förorenade vattnet som flödar i AGMD-modulen att förångas och passera genom membranet. Föroreningarna stannar kvar i det strömmande vattnet och ångan kondenserar som renat vatten.  Arbetet visar att de 26kW som finns att tillgå i form av spillvärme är tillräckligt för att driva två AGMD-moduler att producera 7,1 l/h destillerat vatten per modul. Detta är under förutsättningar att det förorenade vattnet är 50°C och kylvattnet är 25°C. I rapporten återfinns också ett samband mellan mängden spillvärme och produktionen av destillerat vatten, eftersom TES.POD kan konfigureras till att producera spillvärme vid en högre temperatur. Sambandet visade på att 9% ökning av spillvärmens temperatur motsvarar 30% ökning i produktionen av destillerat vatten och en minskad elektricitetsproduktion på 33%.  Resultatet visar på att integrationen av dessa två produkter bildar ett system som både producerar rent vatten och elektricitet när så önskas. Detta system har till synes en stor efterfrågan, speciellt i områden utanför fast el- och vattennätverk men med goda förnyelsebara energikällor. Dessutom, eftersom vattendestillationen sker med spillvärme, kan produktionskostnaderna vara lägre än då konventionella energikällor används. Den potentiella inkomsten från produktionen estimeras till 673 790 SEK/year med en inköpskostnad om 93 861 SEK samt årliga omkostnader om 14 080 SEK/year.

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