Heat 2 Power:
Die Neue Stirlingmotor-Technologie []

Thermodynamischer Wirkungsgrad:

• Klassische Stirlingmotoren erreichen nicht einmal annähernd den im pV-Diagramm gezeigten idealisierten Prozess. Die Isothermen können technisch nicht implementiert werden, da sie nur ein Teilvolumen beeinflussen, nämlich das des beheizten / gekühlten Volumens. Das gesamte expandierte / komprimierte Volumen ist jedoch größer und betrifft die Gesamt­gasmenge, die sich auch zum Teil in dem anderen Zylinder befindet. Die maximale Misch­temperatur über die gesamte Gasmenge ist niedriger, die minimale Misch­temperatur ist höher .

  Die Neue Stirlingmotor-Technologie sieht jedoch vor, dass die Menge an Gas, die während eines Zyklus erwärmt / gekühlt wird, mit der Menge an expandiertem / komprimiertem Gas identisch ist.

• Das Heizen / Kühlen der Zylinderwände bringt den Expansions- und Kompressions­zyklus noch näher an den theoretischen isothermen Zustand heran, was zu einem höheren Wirkungs­grad im Vergleich zum adiabatischen Prozess führt. Die isotherme Expansion und Kompression wird auch dadurch begünstigt, dass keine Wärme zwischen den beiden Kammern eines Zylinders abfließt, da in beiden Kammern die gleiche Temperatur herrscht.. Die durchgehende Kolbenstange in den Zylinder­kammern, die im Vergleich zu anderen Maschinen eine große Oberfläche aufweist, nimmt auch die Temperatur des Gases auf und vergrößert die Kontakt­fläche zwischen Gas und Material.
• Das Schließen der Zylinder während der Hübe bewirkt eine nahezu perfekte isochore Änderung des Zustands der Zyklen ② ③ und ④ ① gemäß dem theoretischen, idealen Prozess. Für die klassische Maschine wäre eine diskontinuierliche Zylinder­bewegung erforderlich.
• Keine Überlappung der Arbeitszyklen: Die Zustandsänderungen (isotherme oder adiabatische Expansion - isochore Kühlung - isotherme oder adiabatische Kompression - isochore Erwärmung sind klar voneinander getrennt. Die Ecken des pV-Diagramms werden besser ausgefahren.
• Aufrechterhaltung des Kompressions­verhältnisses: Da praktisch keine Toträume vorhanden sind, kommt es fast zu keinem Druck- oder Wärme­verlust, da das Gas während der Expansion und Kompression nicht in Rohr­leitungen entweichen kann, wie dies bei der klassischen Maschine der Fall ist.
  
  Die gewonnene Arbeit in kJ berechnet sich zu
  
  W = n·R·ln (V_max/V_min) (T_max - T_min)
  
  Änderungen im Teil "ln (V_max/V_min)" (= Kompressions­verhältnis) dieser Formel wirken sich erheblich auf das Ergebnis aus:
  
  ln (Kompressionsrate = 75) = 4.32
  ln (Kompressionsrate = 50) = 3.91
  ln (Kompressionsrate = 40) = 3.69
  ln (Kompressionsrate = 30) = 3.40
  ln (Kompressionsrate = 22) = 3.09
  ln (Kompressionsrate = 15) = 2.71
  ln (Kompressionsrate = 9) = 2.19
  ln (Kompressionsrate = 5) = 1.61
  ln (Kompressionsrate = 3) = 1.09
  
  
  Während sich das Verdichtungsverhältnis von Benzin- und Diesel­motoren aus den Volumina in den Extrem­positionen der Kolben ergibt, hängt das Verdichtungs­verhältnis klassischer Stirlingmotoren (vom α-Typ) im Wesentlichen vom Totraum und vom Phasen­verschiebungs­winkel der Kolben ab.

  Die notwendigen Wärmetauscher und der Regenerator führen zu erheblichen Totvolumina, so dass klassische Stirling­motoren meist nur ein Verdichtungs­verhältnis in der Größenordnung von 2 bis 3 erreichen, während Otto- und Dieselmotoren typische Werte von 9 und 22 haben.

  Mit anderen Worten: Ein Neuer Stirlingmotor mit einem realisierten Verdichtungsverhältnis von 30 übertrifft klassische Stirling­motoren gleichen Hubraums in Bezug auf die Leistung mindestens um den Faktor 3. Dieselmotoren werden um 10% ... 25% übertroffen, Ottomotoren um ca. 50%. Weiterhin: Die einfache, aber stabile Konstruktion der Zylinder der Neuen Stirlingmotor-Technologie ermöglicht erheblich höhere Verdichtungs­verhältnisse mit den entsprechend höheren Wirkungs­graden.

Geringe interne Verluste:

• Da die Rohrleitungen keinen Totraum mehr darstellen, kann ihr Querschnitt vergrößert werden, was den Strömungs­widerstand verringert.
• In einem grosszügig dimensionierten Generator gibt es auch grosse Strömungsquerschnitte.
• Spülverluste oder Ladewechsel­verluste, wie sie bei Ventil­steuerungen bei Verbrennungs­motoren auftreten, fallen nur in äußerst geringem Mass an.
• Befüllung / Entleerung der Zylinderkammern über kurze Wege und grosse Strömungsquerschnitte.
• Das Arbeitsgas muss nicht nach jedem Takt von einem zu einem anderen Zylinder wechseln und diesen kompletten Weg zurücklegen.
• Es wird nicht wie bei anderen Maschinen erhebliche Leistung für den Betrieb von Neben­aggregaten abgezweigt (Turbolader, Wasserpumpe, Ventiltrieb etc.).

Reduzierung von Wärmeverlusten:

• Da beide Kammern eines Zylinders die gleiche Temperatur haben, entfällt der typische Nachteil herkömmlicher Maschinen, dass Wärme vom heißen zum kalten Teil fließt und sich der Kolben vom heißen zum kalten Bereich bewegt.
• Das Arbeitsgas führt nicht wie bei der Standardmaschine Wärme nutzlos durch beheizte Leitungen beim Ausschiebe­takt vom Arbeits­zylinder weg, es gibt keine wechselseitige Erhitzung/­Abkühlung an gemeinsam genutzten Rohrleitungen.
• Es wird nicht wie bei Verbrennungsmotoren ein erheblicher Anteil der Wärme durch das Abgas ausgeschleust. Ungenutzte Wärme verbleibt im Kreislauf und wird dem Prozess erneut zugeführt. Die Energie ist im System gefangen.
• Da sich je zwei Kammern einen Zylinder teilen, sind die Wandwärme­verluste im Vergleich zu einfach­wirkenden Maschinen halbiert.
• Wenn Heat Pipes , verwendet werden, gibt es keinen großen Temperatur­verlust zwischen Wärme­quelle und Gas.
• Rohrleitungen, Regenerator und Zylinder können leicht gegen Wärmeverlust isoliert werden, die ohnehin nur auf einer Seite der Anlage auftreten. Es gibt keinen gegossenen Motorblock mit grosser Oberfläche, die Wärme abstrahlen könnte oder über die Wärme abgeleitet werden könnte.
• Die verbleibenden Wärmeabstrahlungsverluste über die Oberflächen der Anlage lassen sich zurück­gewinnen: Die gesamte Anlage kann von einem Gehäuse luftdicht umschlossen werden, das Innere dieser Hülle erhitzt sich durch die Wärme­verluste der Anlage. Die zur Verbrennung des Treibstoffes erforderliche Luft kann diesem Raum entnommen werden, in dem gleichzeitg ständig frische kalte Luft aus der Umgebung nachströmt.

  Wenn die warme Luft der Einhausung zur Verbrennung verwendet wird, muss der Brenner eine kleinere Temperatur­differenz erzeugen und spart entsprechend Brennstoff.

Verschleiß

• Die Kolben dienen nicht zur Abdichtung nach aussen und können einen kleinen Spalt zur Zylinderwand aufweisen.
• DIe Lagerung/Führung der Kolbenstange erfolgt ausserhalb der heissesten Bereiche, ausserhalb der Zylinderkammern.
• Wenig oder keine Schmierung erforderlich. Beispielsweise kann durch die Verwendung von Kunststoff-Gleitlagern ein ölfreier Betrieb der Kompressions­zylinder gewährleistet werden. Sowohl das Axiallager als auch die Gleitbeläge des Kolbens können beispiels­weise aus dem Material Iglidur W300 ^© hergestellt werden. Auf Dichtungen kann daher komplett verzichtet werden.
• Spalte zwischen Steuerkolben und Kolbenstange dienen als Luftlager.
• Kurze Kolben, hohle Kolbenstangen und niedrige Drehzahlen führen zu niedrigen Massenkräften.
• Gaspuffer in den Zylindern am Ende des Arbeitszyklus in Kombination mit einer niedrigen Drehzahl reduzieren die Trägheits­kräfte erheblich. Die Wirkung von Druckspitzen aufgrund von adiabatischer statt isothermer Expansion / Kompression werden ausserdem durch Annäherung an den theoretischen isothermen Prozess durch kontinuierliche Beheizung der Zylinderwände vermindert.

  

  Bei isothermer Expansion ist n=1. Bei adiabatischer Expansion ist n=κ, so dass die Kurve steiler verläuft und sich eine höhere Druckdiffernz ergibt, die zu zusätzlichen Kräften an den Kurbelwellenlagern führt. Dies war ein typisches Problem bei Stirlingmotoren nach klassischer Bauart.

  Bei linearer Anordnung von Expansions- und Kompressionszylinder ("Boxermotor") kompensieren sich die in den Zylindern gleichzeitig auftretenden Druckspitzen an den Totpunkten gegenseitig.

Leistungsdichte:

• Im Vergleich zu klassischen Stirlingmotoren wechselt während des Betriebs nicht nur ein Teil der eingeschlossenen Gasmasse von einem Temperatur­niveau zum anderen. Der andere Teil wird in klassischen Maschinen nur komprimiert und expandiert, ohne am thermo­dynamischen Zyklus teilzunehmen und zur Motor­leistung beizutragen. Bei dem Neuen Stirlingmotor hingegen nimmt die gesamte Gasmenge, die expandiert oder komprimiert wird, am thermo­dynamischen Prozess teil. Daher liefern gleiche Zylinder­größen mehr Leistung. Wie oben erläutert, erfordert die Neue Stirlingmotor-Technologie nur ca. ein Drittel der Zylinder­größe im Vergleich zu einem klassischen Stirling­motor, um die gleiche Leistung zu erzielen. Und da die Neue Stirlingmotor-Technologie über doppelt­wirkende Zylinder verfügt, erhöht sich der Vorteil gegenüber klassischen Stirling­motoren mit einfach-wirkenden Zylindern auf den Faktor 6.
• Ein Achtzylinder-Diesel- oder Ottomotor oder ein Vierzylinder-Schiffsmotor (Zweitakt-Diesel) hat die gleiche Anzahl von Arbeitszyklen pro Kurbelwellen­umdrehung wie die hier vorgeschlagene Neue Stirlingmotor-Installation mit nur einem Arbeits­zylinder und einem Kompressions­zylinder. Da die Maschine bei niedriger Drehzahl optimal betrieben werden sollte, ist es ratsam, die Anzahl der Zylinder­paare anstelle der projektierten Drehzahl zu erhöhen, um eine hohe System­leistung zu erzielen.

Geringe Reibungsverluste:

• Der neue Stirlingmotor vermeidet den Nachteil klassischer Maschinen, dass ihre geringere Leistungs­dichte und ihr niedriges Verdichtungs­verhältnis zu einem unnötig langen Kolbenhub und damit zu unnötig hohen Reibungs­verlusten führen.
• Es wirken keine Seitenkräfte auf die Kolben, so dass die Kolben nicht zur Längs­führung oder zum Abdichten in Richtung der Kurbelwellen­kammer verwendet werden. Sie können sehr flach ausgeführt werden, so dass nur ein Kolbenring mit geringem Spaltmass und Anpressdruck erforderlich ist.
  Daher sind für 4 Zylinder­kammern nur zwei Kolbenringe erforderlich (1 doppelt­wirkender heißer Zylinder und 1 doppelt­wirkender kalter Zylinder).
• Da während der Arbeitszyklen minimale Überström­verluste zwischen den beiden Kammern eines Zylinders akzeptabel sind und die Ringe nicht zur Abdichtung nach außen oder zum Kurbelwellen­raum dienen, kann hier die Reibung im Vergleich zu herkömmlichen Maschinen mit geeigneter Konstruktion und definierten Spalt­abmessungen drastisch reduziert werden .
• Die Reibungsverluste aufgrund der erforderlichen Abdichtung gegen Gasverlust konzentrieren sich dagegen auf die kleinen Durchmesser der Kolben­stangen. Mögliche Gas- und Reibungs­verluste können nur bei einem Ringspalt auftreten, der im Vergleich zum Gesamt­durchmesser des Kolbens klein ist. Die Gasverluste (Leckageströme) können auch nur auf der der Kurbel­welle zugewandten Seite auftreten, d. h. maximal zwei kleine mögliche Leck­stellen für vier Zylinder­kammern.
• Wärme, die durch Reibung entsteht, geht nicht wie bei anderen Motortypen durch das Abgas verloren, sondern sie wird zum grossen Teil auf das Arbeitsgas übertragen und ist im System gefangen.

Zur Information: Bei einem Verbrennungsmotor werden von 100 Prozent Kraftstoffenergie nur circa 27 Prozent der Energie als Nutzleistung über die Kurbelwelle abgegeben. Der reine Anteil der Abwärme durch die Motorreibung beträgt 9 Prozent. Geht man von einer konstanten Nutzleistung aus, so fallen bei dem dargestellten Betriebspunkt 48 Prozent der Verbrennungs­abwärme zur Aufbringung der Nutzleistung an, 16 Prozent der Verbrennungs­abwärme gehen als Reibung verloren.
(https://www.springerprofessional.de/)

Vergleich einer 2-Zylinder-Maschine mit anderen Maschinen

• Neue Stirlingmaschine (1 heißer + 1 kalter Zylinder): Vier Arbeitszyklen, Reibwege mit niedrigem Anpressdruck von nur zwei Kolbenringen = 0,5 Arbeitszyklen / Reibweg. Reibung konzentriert an den Kolbenstangen­durchmessern.
• 2-Zylinder-Schiffsmotor (2-Takt-Diesel): Zwei Arbeitszyklen, Reibwege mit hohem Anpressdruck von mehreren Kolbenringen = 0,25 Arbeitszyklen / Reibweg. Reibung tritt an den Kolben­durchmessern auf.
• Stirling-Standardmaschine (1 heißer + 1 kalter Zylinder): Zwei Arbeitszyklen, Reibwege mit hohem Anpressdruck von mehreren Kolbenringen = 0,25 Arbeitszyklen / Reibweg. Reibung tritt an den Kolben­durchmessern auf.
• 2-Zylinder-Otto- oder Dieselmotor (4-Takt): Ein Arbeitszyklus, Reibwege mit hohem Anpressdruck von mehreren Kolbenringen = 0,125 Arbeitszyklen / Reibweg. Reibung tritt hauptsächlich an den Kolben­durchmessern auf.

Hohe Effizienz und Energieausbeute:

• Die Konstruktion ermöglicht es, sehr hohe Wirkungsgrade zu erreichen, indem hohe Temperatur- und Kompressions­verhältnisse beibehalten werden, Reibung, Temperatur-, Abgas- und Kühlwasserverlust verringert werden und die theoretischen isothermen und isochoren Arbeitszyklen ohne deren Überlappung erreicht werden. Annäherung an die Carnot-Effizienz (berechnet anhand der Temperaturen von Erhitzer und Kühler), die sogar höher ist als bei anderen Maschinentypen.
• Eine weitere Brennstoffeinsparung kann durch einfaches Integrieren eines Wärme­rückgewinnungssystems des Brenners erreicht werden. Die Gesamt­effizienz übertrifft unverkennbar alle bekannten "Heat to Power" Systeme.
• Das Verdichtungsverhältnis ist nicht durch die spezifischen Eigenschaften des Kraftstoffs (z. B. Diesel: Selbst­entzündung mit Verdichtung von 21 bar) begrenzt, wie dies bei Explosions­motoren der Fall ist.

Einfacher Aufbau, geringe Komplexität:

• Die Neue Stirlingmotor-Installation ist eine beeindruckend einfache Konstruktion. Grundsätzlich sind für eine beliebige Anzahl von Zylindern nur ein Regenerator oder Rekuperator, ein Erhitzer und ein Kühler von jeweils einfacher Bauart erforderlich. Es gibt keinen Turbolader, Pumpen, komplexes Kühlsystem, komplexe Schmieranlage, komplexe Treibstoffanlage oder Abgasreinigungssysteme. Es wird als externe Anlage nur ein System zur Bereitsstellung des Arbeitsgases benötigt.
• Statt einer komplexen Ventilsteuerung wird genau ein einziges Bauteil verwendet, dass die Funktion des Öffnens und Schliessens der Zylinderkammern umsetzt: Ein Steuerkolben im Inneren der Kolbenstange.
• Wenn der Rekuperator einen ausreichend hohen Wirkungsgrad aufweist und die Heizung / Kühlung an den Zylinderwänden optimal ausgelegt ist, kann ein zusätzlicher Erhitzer oder ein zusätzlicher Kühler relativ klein ausgelegt werden. Es ist jedoch immer empfehlenswert, einen effizienten Kühler in der Niederdruck­leitung aufrechtzuerhalten, da das Abkühlen des Arbeitsgases der einfachste Weg ist, um ein hohes Verhältnis zwischen hoher und niedriger Temperatur zu erreichen.
• Steuerung des diskontinuierlichen Befüllens / Entleerens ohne Nockenwelle, Federn, Riemen, Gestänge, Zahnräder oder ähnliches, keine Hilfsenergie oder Hilfs­aggregate erforderlich. Alle Elemente der Schalt­vorrichtung befinden sich innerhalb der Kolbenstangen und sind keiner Brennerflamme ausgesetzt und erfordern keine Mechanik für externe Steuergeräte.
• Alle Elemente sind austauschbar. Zylinder sind leicht zu reparieren, da die Wärmeübertragungs­elemente, die Auskleidungen, die Wärmeisolations­ringe, die äußeren Gehäuse­ringe usw. ebenfalls leicht austauschbar sind.
• Viele Bauteile können auf einfache Weise als Stahlblech­konstruktionen ohne Gießverfahren modular aufgebaut werden. Es gibt fast nur gedrehte Teile, kaum gefräste oder gegossene Teile. Zum größten Teil werden Komponenten mit einer vergleichsweise einfachen Geometrie verwendet.
• Bei Verwendung von Heatpipes sind keine elektrisch gesteuerten Pumpen erforderlich.
• Insgesamt deutlich weniger M+R-Aufwand.
• Die Maschine ist leicht zu demontieren. Kurze Downtime-Phasen, weniger Personal erforderlich, weniger Ersatzteile erforderlich.

Umweltfreundlichkeit:

• Die Konstellation mit einem Zentralbrenner (kontinuier­liche Erwärmung, keine Explosion) erleichtert die Implementierung eines Wärmerück­gewinnungs­systems.
• Der erwartete hohe Wirkungsgrad der Maschine bedeutet einen geringen Energiebedarf.
• Die Verwendung einer einzelnen Wärme­quelle ermöglicht die Anwendung von Verbrennungs­prozessen mit extrem geringen Schadstoff­emissionen und die Verwendung fort­schrittlicher Brenner, z. B. Flammlose Oxidation (FLOX) , Porenbrenner , COSTAIR-Brenner  usw. Die Verwendung von fortschrittlichen Brennern mit Wärmeführung durch Heat Pipes  allein in das Gas ermöglicht Kraftstoff­einsparungen von 20-50%.
• Die Anlage kann kohlenstofffreie (H₂) oder Biokraft­stoffe verwenden. Es können magere Gase (kalorien­armes Gas) aus verschiedenen Quellen (z. B. Deponien, Biogas, Biomasse­vergasung oder Erdgas­förderung aus minderwertigen Speicheranlagen) verwendet werden, die früher nur unbrauchbar entflammt wurden.
  
  Flüssiges Biomethan, auch LBM (Liquified Biomethane), Bio-LNG oder Regeneratives LNG genannt, bietet sich als klima­neutraler Treibstoff für Schiffe an. Es ist nicht nur platzsparend zu lagern, sondern die Verwendung der genannten Brenner­technologien vermeidet auch den nachteiligen "Methanschlupf", wie er bei anderen Motoren­typen auftritt.
• Aufgrund der geringen Stickoxid­emissionen können die relevanten Emissions­grenzwerte häufig ohne zusätzliches Denitrifikations­system eingehalten werden.

Kosten

• Investitionskosten: Wie oben beschrieben, ist die Anlage im Vergleich zu herkömmlichen Gross­motoren relativ simpel aufgebaut. Sie verzichtet insbesonders auf den auf Schiffen üblichen zahlreichen Neben­aggregaten (z.B. HT- und LT-Kühlwassersystem, Vorheiz­pumpe, Boiler, Startluft­system und Druckluft­anlage, Hilfs­diesel, Spülluft­pumpen, Füllungs­gestänge, Dekompressions­ventile, Spülluf­tgebläse, Kraftstoff-Booster-Pumpen, Ventil­system, Turbolader, Ladeluft­kühler, und und und ....).
  Ohne einen Direkt­vergleich zu anderen Anlagetypen zu bemühen, gebietet alleine der gesunde Menschen­verstand die Erkenntnis, dass die Neue Stirling-Technologie zu drastischen Einsparungen bei Herstellung, Montage, Platzbedarf und Inbetrieb­nahme führt.
• Betriebskosten: Neben geringen Wartungs- und Reparatur­kosten ist hier vor allem der Energie­verbrauch zu betrachten. Schweröl kostet rund 300 USD je Tonne, Marinediesel liegt um mindestens 200 USD darüber. Ein Schiff mit einer Leistung von 12 MW braucht im Jahr knapp 10000 Tonnen. Insgesamt ergibt dies Treibstoff­kosten von 5.000.000 USD p.a. Wenn man hiervon 10% einsparen könnte und dies in eine Neue Stirlingmotor-Anlage mit Hoch­temperatur-Wärme­tauscher investieren würde, hätte man die Ausgaben schnell wieder kompensiert.
• Der hohe Wirkungsgrad kann locker mit dem von Brennstoff­zellen konkurrieren, selbst mit den SOFC-Zellen. Deren Lebensdauer beträgt allerdings nur 10 Jahre, so dass es auf der Hand liegt, H₂ sinnvollerweise in einer Neuen Stirlingmotor-Anlage in Elektrizität zu verwandeln, statt in einer Brennstoffzelle.

Beispiele

Berechnungsbeispiele von 1000-14000 kW  

Vergleich einer Neuen Stirlingmotor-Anlage
mit einem Verbrennungsmotor
(GenSet/Schiffsantrieb)