Restwärme-Power

Ein neu konstruierter Dampfmotor soll helfen, Abwärme aus unterschiedlichen Quellen kostengünstig in Strom umzuwandeln und so die Energieeffizienz zu steigern.
nach Quelle: E&M PowerNews, 16. Januar 2017

Die Restwärme beispielsweise aus den Abgasen von BHKW-Modulen, aus industriellen Prozessen oder aus Biomasseanlagen geht oft noch ungenutzt in die Atmosphäre. Dieses Energiepotenzial kann man genauso wie die Verbrennungswärme aus Holzhackschnitzeln in waldreichen Gegenden weltweit nutzen, um daraus dezentral Strom zu erzeugen. Auch die Wärme aus Solarthermieanlagen lässt sich in sonnenreichen Gegenden verwenden, um Strom zu produzieren. Die Entwickler des Münchner Unternehmens Energetikon AG haben sich zum Ziel gesetzt, für diese Einsatzbereiche eine thermodynamische Maschine zu entwickeln, die möglichst einfach, kompakt und wartungsarm ist, und die zudem kostengünstig angeboten werden soll.

Um die Wärme in elektrische Energie umzuwandeln, bietet sich die Nutzung von Wasserdampf als Arbeitsmedium an. Dieser wird bei der Energetikon-Entwicklung nicht in einer Turbine, sondern in einem neuartigen Kolbenmotor entspannt. „Während Benzin- und Dieselmotoren in den letzten 100 Jahren bis zur Perfektion weiterentwickelt wurden, blieb die Kolbendampfmaschine praktisch auf dem Stand von 1930 stehen“, umreißt Jürgen Klunker, der bei Energetikon für die Geschäftsentwicklung zuständig ist, den Entwicklungsbedarf.

Um die Erfahrungen der modernen Motorenentwicklung zu nutzen und um den Dampfmotor möglichst kompakt und robust zu gestalten, entschied sich der früher in der Luft- und Raumfahrt tätige Entwicklungsleiter Schlomo Melamed, ein komplett neues Aggregat zu entwerfen. Bei diesem sind die drei Zylinder sternförmig angeordnet − eine Konzeption, wie sie früher im Flugzeugbau eingesetzt wurde. Die Anordnung der Zylinder im Kreis und nicht in Reihe (wie beim Automotor) benötigt weniger Platz, außerdem entstehen beim Betrieb durch die gleichmäßigere Verteilung der bewegten Massen geringere Vibrationen.
 
Optimierte Strömungsverhältnisse für den Dampf
 
Weil der Dampf bei dem Motor im Kreisprozess geführt wird, muss die Maschine ohne Schmieröl laufen. Denn nur etwas Öl im Dampfkreislauf verändert laut Melamed die Thermodynamik. Ein geschlossener Wasser-Dampf-Kreislauf ist auch eine Voraussetzung, wenn man das Aggregat etwa zur Umwandlung von Wärme aus Solarthermieanlagen in wüstenähnlichen Gegenden einsetzen möchte, um dort Strom zu erzeugen. In Verbindung mit einem kostengünstigen Wärmespeicher ist dies sogar 24 Stunden am Tag möglich, sagen die Konstrukteure.

Nach der grundsätzlichen Entscheidung für die Sternmotor-Konstruktion machten sich die Entwickler an die Arbeit und bauten zwei Prototypen, mit denen sie dann erste Versuchsreihen durchführten. Dabei wollte man unter anderem die optimale Größe und Form von Kolben und Zylindern sowie von Dampfein- und -auslass finden. Wasserdampf strömt nämlich anders als ein Treibstoff-Luft-Gemisch in einen Verbrennungsmotor, erläutert Melamed, weshalb man nicht einfach die Ein- und Auslassventile von dort auf den Dampfmotor übertragen konnte. Ziel der Entwickler war es hier, die Verwirbelungen und damit den Strömungswiderstand möglichst geringzuhalten.

Besonderes Augenmerk richteten die Konstrukteure auch auf die Dichtungen zwischen Kolben und Zylinderwand. Anders als bei einem Benzin- oder Dieselmotor können sie nicht mit Öl geschmiert werden, was intensive Tests mit neuen Materialien und Material-Kombinationen nötig machte.

Mittlerweile sind alle offenen Fragen soweit geklärt, dass die beiden Prototyp-Motoren problemlos laufen. Sie werden sich auch nicht mehr wesentlich in ihrer Größe und Grundkonstruktion verändern, sagt Entwicklungsleiter Melamed, nur eine Wärmeisolierung werden die Aggregate später noch erhalten.
 
Mehrere Sterne auf einer Achse
 
Die Motoren mit einem Hubraum von rund 2 l und einem Gewicht von 78 kg liefern elektrische Leistungen zwischen 5 und 25 kW − je nach Dampfdruck und -temperatur. Bei etwa 180 Grad Celsius und vier bar Druck beginnt der Motor zu laufen, bis 380 Grad Celsius und 15 bar Druck reicht sein Einsatzgebiet.
Die Aggregate lassen sich auch zusammenschalten, wenn größere Leistungen erreicht werden sollen. Eine Möglichkeit dafür ist etwa, mehrere der 3-Zylinder-Sterne auf einer Achse anzuordnen. Eine andere ist es, über eine Dampfleitung einzelne Motoren mit je einem Generator gemeinsam zu betreiben.
Die grundsätzlichen Ziele sehen die Konstrukteure erreicht: Der Motor ist sehr einfach aufgebaut, denn er besteht aus weniger als 50 Teilen. Zudem soll die kompakte Maschine robust und langlebig sein.

Die letzten beiden Punkte will man jetzt mit Langzeittests überprüfen und untermauern. Dazu sucht das junge Unternehmen Investoren, die beim nächsten Schritt hin zur Serienreife helfen. In mehreren Schritten müsste noch eine Gesamtsumme von bis zu 1,2 Mio. Euro investiert werden, schätzt man bei Energetikon. Als nächste Arbeiten sind dann Tests mit mehreren 1 000 Stunden Dauerbetrieb und bei Dampfdrücken- und -temperaturen, wie sie in Industriebetrieben anfallen, vorgesehen. Danach könnten die ersten Pilottests bei Interessenten beginnen.

Autor: Armin Müller

Weitere Informationen:
http://www.energetikon.com/