Heat 2 Power-Engine []

Anders als bei klassischen Stirlingmaschinen mit ständig wechselnden Temperaturzuständen arbeitet die gesamte Heat2Power-Anlage mit einem stabilen thermischen Profil. Der Temperaturgradient zwischen heißer und kalter Seite bleibt dauerhaft erhalten und ermöglicht eine hocheffiziente Auslegung. Statt theoretischer Isothermie setzt das Konzept auf realistische adiabatische Prozesse, die eine Annäherung an physikalische Grenzen erlauben.
Das Arbeitsgas wird vor der Kompression zusätzlich in der Niederdruck­leitung vor Eintritt in die Zylinder heruntergekühlt, hier ist es besonders einfach, tiefe Temperaturen zu erzielen.
Die Folge: maximale interne Wärmerückgewinnung, hohe Wirkungsgrade, geringere Materialspannungen und eine deutlich verlängerte Lebensdauer bei stabiler Prozessführung.

Der Rekuperator ist als Rohrbündel ausgeführt, bei dem der Hochdruckstrom durch die Rohrseite geführt wird – so bleiben Druckverluste gering und die mechanische Auslegung klar beherrschbar.
Der Niederdruckstrom verläuft durch den Mantelraum; der Mantel muss daher nur für den ND-Druck ausgelegt werden, was Material- und Fertigungsaufwand reduziert.
Die Strömungsführung ist durchgängig in Gegenstrom ausgelegt; turbulente Bedingungen werden gezielt über Geometrie und Strömungsgeschwindigkeit eingestellt, ohne zyklische Umkehrpunkte.
Die Rohrseite kann mit glatten oder strukturierten Rohren (z. B. innen gerippt) ausgeführt werden, um den Wärmeübergang zu optimieren, während der Mantelraum baffle‑geführt ist (Segmentierung) für definierte Querschnittsgeschwindigkeiten.
Werkstoffwahl folgt der Temperaturseite: hochwarmfeste Stähle auf der heißen Rohrseite; kosteneffiziente Güten auf der kühlen Mantelseite. Dadurch bleiben kritische Komponenten thermisch und mechanisch entkoppelt.
Skalierung erfolgt über Rohrzahl, Rohrlänge und Manteldurchmesser; die Baugröße ist nicht durch Totvolumina limitiert. Auslegungskriterien sind Druckverlustbudgets, Ziel‑NTU und zulässige Temperaturannäherung.
Der kontinuierliche Gasstrom hält die Turbulenz zeitlich konstant, wodurch der effektive Wärmeübergangskoeffizient nicht zyklisch einbricht und die interne Wärmerückgewinnung maximiert wird.

Die Heat2Power-Engine nutzt ein Hypozykloid-Getriebe, das die klassische Kurbelwelle ersetzt und eine lineare Kolbenführung mit minimalen Seitenkräften ermöglicht.
Dadurch sinken die Reibungsverluste erheblich, und die Kolbengeometrie kann besonders flach ausgeführt werden.
Die interne Mechanik ist bewusst einfach gehalten – ohne komplexe Ventiltriebe oder externe Steuerungselemente.
Alle Baugruppen sind modular angeordnet und können unabhängig voneinander dimensioniert oder ausgetauscht werden.
Selbst bei hohen Temperaturen bleibt die Mechanik stabil, da keine aktive Kühlung oder Schmierung erforderlich ist.
Diese konstruktiven Vereinfachungen führen zu einer hohen Zuverlässigkeit und erleichtern die Skalierung bis in den Leistungsbereich von >10 MW.

Brennstoff- und Quellenneutralität: Die Wärmequelle speist lediglich den heißen Kreislauf; die interne Prozessführung bleibt unverändert.
Lastführung: Wirkungsgrad bleibt auch bei Teillast hoch, da die adiabatische Prozessführung und der stationäre Gasstrom keine zyklischen Einbrüche im Wärmeübergang verursachen.
Speicherintegration: Kopplung mit Hochtemperaturspeichern ermöglicht mittlere Speicherdauern und stabile Dauerlastbereitstellung.
Peripherie-Varianten: Rekuperator und Kühler sind frei skalierbar (Rohrzahl, Länge, Manteldurchmesser), ohne Totvolumen-Limitierung.
Einbauflexibilität: Getrennte Baugruppen erleichtern die Platzierung in Bestandsanlagen, inklusive getrennten Medienwegen und Wartungszonen.

Die Positionierung von Erhitzer und Kühler außerhalb des Zylinders ermöglicht flexible Bauformen – etwa mit integrierten Rohrbündel­wärmeübertragern und externen Heat Pipes. Dank der stationären Betriebsweise treten keine thermischen Wechsellasten auf.
Die kalte Seite kann durch Nachverdichtung und intelligente Kühlung sogar unter Umgebungs­temperatur fallen.

Die gewonnene Arbeit W pro Zyklus hängt maßgeblich von Kompressionsverhältnis und Temperaturdifferenz ab.

Zur Einordnung: Für einen idealisierten isothermen Prozess ergibt sich folgende Näherungsformel:

$$W_\text{iso} = n \cdot R \cdot \ln\left(\frac{V_\text{max}}{V_\text{min}}\right) \cdot \left(T_\text{max} - T_\text{min}\right)$$

Typische Kompressionsverhältnisse:
– Klassischer Stirlingmotor: ca. 2–3
– Ottomotor: ca. 9
– Dieselmotor: ca. 22
– Heat2Power-Engine: bis ≥30 → deutlich höhere Leistungsdichte

Beispielhafte Werte für ln(Vmax/Vmin):
ln(30) ≈ 3.40  ln(22) ≈ 3.09  ln(9) ≈ 2.19  ln(3) ≈ 1.09

➡ Mit einem realisierbaren Verhältnis von z. B. 30 erreicht die Heat2Power-Engine eine dreifach höhere Nutzarbeit im Vergleich zu klassischen Stirlingmaschinen. Durch doppeltwirkende Zylinder erhöht sich die Leistungsdichte zusätzlich – Faktor 6 gegenüber einfachwirkenden Maschinen.

Bei der Heat2Power-Engine-Technologie erfolgen die Zustandsänderungen (Expansion, Kompression, isochore Erwärmung/Kühlung) jeweils an anderen Orten nacheinander in der Anlage. Sie erfolgen sequenziell und ohne Überlappung oder Vermischung.

Durch Verschliessen der Zylinder und geringe Toträume stimmt die beheizte/kühlbare Gasmenge exakt mit der expandierten/komprimierten Menge überein. Bei klassischen Stirlingmaschinen bleibt dagegen ein Großteil der eingeschlossenen Gasmasse thermisch inaktiv – sie wird zwar komprimiert und expandiert, trägt aber kaum zur Leistung bei, da sich die Expansion/Kompression nutzlos in den Regenerator fortpflanzt.

Eine Kurbelwellenumdrehung führt bei der Heat2Power-Engine bereits zu zwei Arbeitstakten. Ein einziges Zylinderpaar ersetzt daher bei gleicher Zykluszahl einen klassischen V8-Otto-, Diesel- oder Schiffsmotor mit 4–8 Zylindern. ➡ Ergebnis: Deutlich höherer thermodynamischer Wirkungsgrad.

Die Rohrleitungen sind vollständig strömungstechnisch aktiv – sie stellen keinen Totraum dar und können daher mit großem Querschnitt ausgeführt werden. Dadurch sinkt der Strömungswiderstand.
Im Gegensatz zu Otto- oder Dieselmotoren treten keine Ladewechselverluste auf. Durch die kurze Wegführung und gezielte Steuerung im Inneren der Kolbenstange wird das Arbeitsgas effizient geführt und kann nicht verloren gehen.

Bei klassischen Maschinen fließt Wärme vom heißen zum kalten Teil des Zylinders, insbesondere wenn der Kolben sich zyklisch zwischen diesen Bereichen bewegt. Bei der Heat2Power-Engine herrscht in beiden Kammern identische Wandtemperatur – dadurch entsteht kein interner Wärmestrom und keine thermische Verschiebung.

Die Wärmeverluste an der Wandoberfläche werden durch geteilte Zylinder (je zwei Kammern pro Block) reduziert. Die Oberfläche pro Kammer ist kleiner als bei einfachwirkenden Maschinen – dadurch halbieren sich die Verluste durch Wärmeleitung.

Heat Pipes ermöglichen eine verlustarme Verbindung zwischen externer Wärmequelle und Gaskreislauf. Sie benötigen keine beweglichen Teile und erzeugen keine eigene Strömung – das reduziert den Wärmeverlust auf ein Minimum.

Die Kolben dichten nicht in Richtung Kurbelwellengehäuse ab und benötigen keine klassische Ölführung. Dadurch kann auf Schmiermittel weitgehend verzichtet werden – besonders im kalten Bereich.

Kompressionszylinder lassen sich mit langlebigen Polymerlagern wie Iglidur W300 © ausführen.

Durch geringe Drehzahlen (ca. 200–600 min⁻¹) und kurze, leichte Kolben sind Massenkräfte minimal. Hohle Kolbenstangen senken die bewegte Masse weiter. Am Ende des Arbeitstakts wirkt ein Gaspuffer, der gemeinsam mit der niedrigen Drehzahl die Belastung durch Trägheitskräfte reduziert.

Die lineare „Boxer“-Konfiguration – also gegenüberliegende Zylinderanordnung – sorgt für mechanischen Ausgleich: Druckspitzen treten gleichzeitig auf und heben sich auf. So bleiben Lager und Kolben mechanisch entlastet.

Die Heat2Power-Engine-Technologie nutzt eine nahezu adiabate Expansion und Kompression. Die Grafik zeigt zwei Kurven:
– Adiabatische Expansion (n = κ): steile Druckverlaufskurve mit hoher Druckdifferenz.
– Isotherme Expansion (n = 1): flacher Druckverlauf.

Klassische Stirlingmotoren leiden unter geringen Leistungsdichten – auch durch Streckung der ursprünglichen 90°-Anordnung der Kolben, was zu höheren Reibungsverlusten führt. Die Heat2Power-Technologie erreicht dank hoher Kompressionsverhältnisse dieselbe Leistungsausbeute mit deutlich kürzerem Hub.

Da Seitenkräfte auf die Kolben vollständig entfallen, können diese flach konstruiert werden – Führungsdichtungen oder Längsabstützungen sind unnötig. Pro doppeltwirkendem Zylinder genügt ein einziger Kolbenring mit geringem Spaltmaß – zur thermischen Trennung, nicht zur Außendichtung.

Die Abdichtung gegen Gasverlust erfolgt ausschließlich im Bereich der Kolbenstange – mit deutlich kleinerem Durchmesser als der Kolben selbst. Dadurch entstehen nur geringe Reibungsverluste auf kleiner Fläche. Zudem treten mögliche Leckagen ausschließlich auf der der Kurbelwelle zugewandten Seite auf – also maximal zwei potenzielle Leckstellen für vier Zylinderkammern.

Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren wird die durch Reibung entstehende Wärme nicht über das Abgas abgeführt – sie bleibt im System und wird größtenteils ans Arbeitsgas übertragen. Dadurch entsteht ein positiver Nebeneffekt: Die Reibungswärme unterstützt indirekt den Heizprozess und erhöht die Effizienz.

Die Reibungsverluste lassen sich drastisch durch den Einsatz einer Hypozykloid-Geradführung reduzieren. Ein klassischer Kurbeltrieb erzeugt drei- bis fünfmal mehr Reibungsverlust als eine Hypozykloid-Geradführung – abhängig von Drehzahl, Schmierung und Baugröße.

Zur Information: Bei Verbrennungsmotoren werden von der gesamten Energie im Kraftstoff nur etwa 27 Prozent als nützliche Arbeit über die Kurbelwelle vom Motor abgegeben. Ungefähr 9 Prozent der Energie gehen durch Reibung im Motor als Wärme verloren.
(https://www.springerprofessional.de/)

Wenn keine Hypozykloid-Geradführung zum Einsatz kommt, sondern eine Kurbelwelle, kann man die Mechanik durch ein grosses Pleuelstangenverhältnis positiv beeinflussen. Das Verhältnis zwischen der Länge der Pleuelstange und dem Hub des Motors (Pleuelstangenverhältnis, engl.: Rod Ratio) beeinflusst entscheidend die Dynamik des Kolbens, also den Geschwindigkeitsverlauf über die Hublänge.

Ein grosses Kolbenstangenverhältnis führt zu gleichmässigerer Kolbengeschwindigkeit, also zu geringeren Spitzengeschwindigkeiten und -beschleunigungen des Kolbens.

$$\dot{s}(\alpha) \approx \omega \cdot r \cdot \left( \sin(\alpha) + \frac{1}{2\lambda} \cdot \sin(2\alpha) \right)$$

ω = Winkelgeschwindigkeit, ergibt sich aus der Drehzahl über ω = 2π · (n/60).
r = Kurbelradius. 2 x r = Hub des Kolbens
α = Kurbelwinkel (aktuelle Winkelposition der Kurbel)
λ ist das Rod Ratio, das Verhältnis von Pleuellänge zu Kurbelradius: λ = l / r. Ein größeres λ bedeutet, dass die Kolbenbewegung näher an einem idealen Sinusverlauf liegt, was zu ruhigerem Lauf, geringeren Seitenkräften und damit zu weniger Reibung führt.

Die Heat2Power-Engine arbeitet mit nur zwei Zylindern – einem Expansions- und einem Kompressionszylinder – die jedoch doppeltwirkend ausgelegt sind. Dadurch entstehen vier Arbeitstakte pro zwei Motor-Umdrehungen, während z. B. ein Viertakt-Verbrennungsmotor nur einen Arbeitstakt alle zwei Umdrehungen liefert.

Die Reibungsstellen sind optimiert: Es werden nur zwei große Kolbenringe für ein Zylinderpaar verwendet (statt vier bis sechs), die Abdichtung erfolgt aber an der Kolbenstange – dort mit deutlich kleineren Durchmessern.

Bei Einsatz einer Hypozykloid-Geradführung anstatt einer Kurbelwelle entfallen zudem die Reibstellen der Kreuzkopf-Axialführung.

Fazit: Die Neue Stirlingmaschine erzeugt mehr thermodynamisch nutzbare Arbeit mit geringerer Reibung – der Reibungsverlust pro Arbeitstakt beträgt nur etwa 10 % bis 25 % im Vergleich zu klassischen Maschinen.

Die Heat2Power-Engine erreicht eine besonders hohe Effizienz, da sie viele klassische Verlustquellen eliminiert.
Der thermodynamische Wirkungsgrad nähert sich dem Carnot-Wirkungsgrad an, der durch die Temperaturdifferenz zwischen Heiß- und Kaltseite definiert ist:
η = 1 – Tkalt / Theiß

Beispiel: Bei T_heiß = 1100 K und T_kalt = 300 K ergibt sich:
η ≈ 1 – 300 / 1100 ≈ 0.727 → 72.7 %

Da keine zyklischen Temperaturwechsel auftreten, können hochtemperatur­feste Materialien eingesetzt werden – ohne Rissbildung oder Alterung. Rückgeführte Wärme aus Brennerumgebung, Kolbenreibung oder Abstrahlung ist entweder im System gefangen und wird dem Kreislauf wieder zugeführt, oder kann zur Vorwärmung der Brennluft genutzt werden – dadurch sinkt der erforderliche Brenner­energieeinsatz.

➡ Die Gesamtenergieausbeute ist damit deutlich höher als bei Otto-, Diesel- oder klassischen Stirlingmotoren.

Die Heat2Power-Engine arbeitet nicht mit explosionsartiger Verbrennung wie bei Dieselmotoren, sondern mit kontinuierlicher Erwärmung über einen zentralen Brenner. Dadurch entstehen keine Flammenrückschläge, keine Druckspitzen, und die Emissionen sind deutlich reduziert.

Brennersysteme wie FLOX (flameless oxidation), Poren- oder Strahlbrenner können eingebaut werden – sie arbeiten mit besonders niedrigen NO_x-Emissionen und ermöglichen niedrigen Schadstoffausstoss auch ohne Abgas­nachbehandlung.

Die Neue Stirlingmotor-Technologie verzichtet auf viele kostentreibende Komponenten klassischer Maschinen: keine Ventiltriebe, keine Zylinderköpfe mit komplexen Steuerungen, keine Schmiermittelkreisläufe.

Die Bauteile sind meist rotationssymmetrisch und können kostengünstig auf CNC-Maschinen gefertigt werden. Durch modularen Aufbau lassen sich Zylindergruppen oder andere Komponenten einfach austauschen – ideal für Wartung oder Serienproduktion.

Da keine Ölkreisläufe notwendig sind, entfallen nicht nur deren Anschaffung, sondern auch Betriebskosten für Öl, Filter und regelmäßigen Austausch.

➡ Insgesamt liegt das Verhältnis von Investition zu Leistungsfähigkeit deutlich unter dem klassischer Motoren – bei zugleich geringeren laufenden Kosten.