Aladin II – Gas-powered micro decentral combined heat and power station

• Unité de recherche: OFEN
• Numéro de projet: SI/501278
• Titre du projet anglais: Aladin II – Gas-powered micro decentral combined heat and power station

Mots-clé (Anglais)

Gas-powered micro combined heat and power station

Electric efficiency above 30%

Total efficiency above 92%

Very low emissions

Market price of less than CHF 12’500

Description succincte (Allemand)

Umsetzung des in Vorprojekten entwickelten schadstoffarmen und hocheffizienten Klein-BHKWs zu einem serientauglichen Produkt.
Das Vorhaben ist in drei Teilprojekte gegliedert:

• Entwicklung eines Leichtlauf-Schmieröls mit hoher Lebensdauer für Stationär-Gasmotoren.
• Entwurf von einer Steuerung und Regelung des Systems für Stromnetz-geführten Betrieb.
• Optimierung von Emissionen und Verbrauch in Kaltstart und Warmlauf.

Description succincte (Anglais)

Advancing the highly efficient, low-pollutant emitting micro-CHP plant prototype developed at ETH Zurich to a product, suitable for séries production. The undertaking entails three work units:

• Development of a long-lived, low-friction lubricating oil for stationary gas-engines
• Design of a control system for opération in a grid-stabilization scheme
• Minimization of the pollutant émissions and fuel consumption during cold-start and warm-up.

Rapport final (Allemand)

Im Rahmen des vorliegenden F&E Projektes wurde eine hoch flexible und hoch effiziente mBHKW Anlage entwickelt mit welcher auch die Ölentwicklung für Gasmotoren vorangetrieben werden konnte. In einem parallel dazu verlaufenden Pilot- und Demonstrationsprojekt (P&D Projekt) [2] wurden vier weitere Anlagen mit den daraus gewonnenen Erkenntnissen gebaut und betrieben. Eine an der ETH entwickelte Anlagensteuerung für den autonomen Betrieb ermöglicht zusammen mit einer ebenda entwickelten Lambda- und Wasserkreislaufregelung den schadstoffarmen, effizienten und sicheren Stationärbetrieb sowie die Übertragung der Messdaten. Zudem kann die Anlage per Fernwartungszugriff übers Internet beobachtet, bedient und mit Softwareupdates ausgestattet werden. Die Anlage erreicht bei Volllast 7.5 kW elektrische Leistung einen elektrischen Wirkungsgrad von 32% sowie einem thermischen Wirkungsgrad von 56%. Die Schadstoffkonzentrationen liegen im Stationärbetrieb mit <10 mg/Nm3 NOx, <35 mg/Nm3 CO und <5 mg/Nm3 THC (total hydro carbon) 25 (NOx) bis 20 (CO) mal tiefer als die gesetzlichen Grenzwerte der LRV. THC Emissionen sind zur Zeit nicht limitiert. 

Die Unterscheidung zwischen Stationärbetrieb und Kaltstartphase ist entscheidend für die Regelung der Wasserkreisläufe sowie der Motorparameter wenn über den ganzen Betrieb optimale Bedingungen bezüglich Verfügbarkeit von Wärme und minimalen Schadstoffemissionen gelten sollen. Für ein schnelles Aufwärmen der Anlage wurde deshalb eine gegenüber dem Stationärbetrieb angepasste Regelung des Wasserkreislaufes entwickelt. Um die Kaltstartemissionen zu minimieren wurden aufgrund einer Projektstudie zu möglichen Systemen drei Methoden weiterverfolgt, umgesetzt und weiterentwickelt. Mit der Kombination aus zwei rein softwaremässig umsetzbaren Strategien lassen sich die akkumulierten Schadstoffmassen während einer mit einem Kaltstart beginnenden Laufzeit von einer Stunde gegenüber dem Referenzfall um 82% (NOx) und 62% (THC) reduzieren. Ein Anstieg der total akkumulierten CO Masse um 15% wird in Kauf genommen, da der Grenzwert der LRV sogar gemittelt über diesen Kaltstart immer noch um das 8.9-Fache unterschritten wird. 

Mit dem optimierten Kaltstartverhalten eignet sich die entwickelte Anlage sehr gut für Netzstabilisierungsaufgaben z.B. als Teil eines BHKW-Schwarmes. 

Documents annexés

• Schlussbericht - Aladin II – Entwicklung eines Gasbetriebenen, Hochflexiblen „Near-Zero“ Emission Mikro-Blockheizkraftwerks [PDF] 4'105 kB

Rapport final (Anglais)

In the context of the R&D project “Aladin II”, a highly flexible and highly efficient micro combined heat and power unit (mCHP) has been developed which has been also utilized to drive forward the development of a specialized oil for gas engines. With the knowledge gained, four further plants were built and operated within a parallel pilot and demonstration project (P&D project) [2]. ETH Zurich has developed a supervisory system control that enables the unit to be operated autonomously. The design and implementation of dedicated control systems for the air/fuel ratio as well as the hydraulic circuits allows the mCHP to operate safely with near-zero emissions and high efficiencies under steady-state conditions. A tailored data transfer and remote control system provides means for quick and easy diagnosis capabilities as well as streamlined data processing and subsequent analysis. The mCHP is operated under full load and reaches an electrical power output of 7.5 kW, an electrical efficiency of 32% and a thermal efficiency of 56%. The pollutant emissions under steady-state conditions average out at <10 mg/Nm. for nitrogen oxide (NOX), <35 mg/Nm. for carbon monoxide (CO) and <5 mg/Nm. for total hydrocarbons (THC). For NOX this is about 25 and for CO about 20 times lower than the regulatory limits of the swiss clean air act (LRV). THC are not limited to date. 

A distinction has been drawn between the steady-state and the cold-start phase. This is pivotal for the control of the hydraulic circuits as well as the engine parameters, if optimal emission behavior and maximized efficiencies have to be ensured throughout the entire range of operation. For the minimization of pollutant emissions during the cold-start phase, an experimental study has been conducted that investigates the potential of three key methods to optimize the emission behavior. The results demonstrate that the combination of two portable, software-based strategies leads to a reduction of the cumulated pollutant emissions of -82% (NOx) and -62% (THC) compared to a reference case for a one-hour measurement period. However, carbon monoxide rises by about +15%. This is deemed to be acceptable as this cold-start performance still goes below the limit of the swiss clean air act (LRV) that holds for steady-state conditions by a factor of 8.9. 

With the optimized cold-start behavior, the developed mCHP unit is suitable for providing grid stability services, e.g. as a part of a CHP-swarm. 

Rapport final (Français)

Dans le cadre du projet de recherche et développement «Aladin II», une unité de production combinée de chaleur et d'électricité (mCHP) très flexible et hautement efficace a été développée. En parallèle, les connaissances acquises ont permis de construire et opérer quatre mCHP supplémentaires lors d’un projet pilote et de démonstration (P&D) [2]. L'ETH Zurich a mis au point un système de contrôle permettant de faire fonctionner l'unité de manière autonome. La conception et la mise en oeuvre de systèmes de contrôle dédiés au rapport air / carburant ainsi qu'aux circuits hydrauliques permettent au mCHP de fonctionner en toute sécurité avec des émissions quasi nulles et des rendements élevés en régime permanent. Un système de transfert de données et de contrôle à distance sur mesure permet de diagnostiquer rapidement et facilement des données, ainsi que de traiter et d'analyser les données. Le mCHP fonctionne à pleine charge et atteint une puissance électrique de 7,5 kW, un rendement électrique de 32% et une efficacité thermique de 56%. Les émissions de polluants à l'état d'équilibre sont en moyenne inférieures à 10 mg / Nm³ pour les oxydes d'azote (NOX), <35 mg / Nm³ pour le monoxyde de carbone (CO) et <5 mg / Nm³ pour les hydrocarbures totaux (THC). Pour le NOX, il s’agit d’environ 25 et pour le CO d’environ 20 fois plus bas que les limites réglementaires de l'Ordonnance sur la protection de l'air suisse (LRV). Le THC n'est pas limité à ce jour. 

Une distinction a été établie entre la phase de démarrage et la phase de démarrage à froid. Cela est essentiel pour le contrôle des circuits hydrauliques ainsi que pour les paramètres du moteur afin de garantir un comportement optimal en matière d’émission et des rendements sur toute la plage de fonctionnement. Pour minimiser les émissions de polluants pendant la phase de démarrage à froid, une étude expérimentale a été menée pour étudier le potentiel de trois méthodes clés pour optimiser le comportement des émissions. Les résultats démontrent que la combinaison de deux stratégies basées sur un logiciel conduit à une réduction des émissions cumulées de polluants de -82% (NOX) et -62% (THC) par rapport à un cas de référence pour une période de mesure d'une heure. Cependant, le monoxyde de carbone atteint environ + 15%. Ceci est considéré comme acceptable car cette performance de démarrage à froid reste inférieure à la limite de l'Ordonnance sur la protection de l'air suisse par un facteur de 8,9. 

Avec le comportement optimisé de démarrage à froid, l'unité mCHP développée est appropriée pour fournir des services de stabilité de réseau, par ex. dans le cadre d'un essaim de cogénération.