Heat 2 Power:
Die Neue Stirlingmotor-Technologie []

Allgemein

Die Neue Stirling Technologie hat das Ziel,

• In erster Linie elektrischen Strom zu erzeugen. Sie soll nicht, wie klassische Machinen es tun, überwiegend Wärme bereitstellen. Heat to Power !
• die Nutzung von bislang ungenutzten Energie­quellen wirtschaftlich zu gestalten. Wir brauchen in Zukunft viel mehr elektrischen Stom, und dies aus klima­neutralen Quellen: Verwertung von bislang ungenutzten Wärme­quellen wie Abwärme aus industriellen Prozessen, Abfackelung von Reststoffen oder Gase aus Deponien oder Biogas­anlagen, Abwärme von Rauchgasen etc. sind hier die möglichen Anwendungs­gebiete.
• Energieressourcen effizienter einzusetzen und darum bestehende technische Lösungen, wie grosse Dieselmotoren, Gasmotoren oder Mikroturbinen zu ersetzen und dadurch die Wirkungs­grade substantiell zu erhöhen und den Schadstoff­ausstoss zu reduzieren.
• die Energiewende zu pushen, indem es zur Rückverstromung von Überschussleistung aus volatiler erneuerbarer Energieerzeugung, eingesetzt wird. Solar- oder Windkraft­anlagen bräuchten eine Vorrichtung zur Umwandlung von Peakleistung in gespeicherte Energie und zurück in Strom, damit eine gesicherte Mindest­leistung als Grundlast zur Verfügung steht. Als Speicher könnten Hochtemperatur-Wärme­speicher eingesetzt werden. Die Rückverstromung kann dann in einer Neuen Stirling Anlage erfolgen. Dieses Tandem aus neuen Technologien eröffnet für die Energiewende völlig neue Möglichkeiten.
• Durch diese Massnahmen den Verbrauch von Primärenergie und die Notwendigkeit von H₂-Infrastruktur und Gaskraft­werken insgesamt zu reduzieren.

Schiffsantriebe

Schiffe erzeugen 2% der globalen CO₂-Emmissionen und darüber­hinaus erhebliche Mengen an Stickoxiden, Feinstaub und sonstigen Schad­stoffen. Auch hier gibt es nun eine Alternative, die Treibstoff­verbrauch, CO₂- und Schadstoff­emmissionen reduziert. Die Neue Stirling Technologie ist prädestiniert als Energie-Erzeugungs­anlage für Hybrid­antriebe auf Schiffen und übertrifft in der Effizienz und Umwelt­freundlichkeit alle bekannten Systeme. Das Stirling Gen-Set läuft immer bei optimaler Drehzahl und Wirkungsgrad und liefert die Energie an eine Puffer-Batterie.
Der lautlose, vibrationsarme Motor erfordert wenig Neben­aggregate und erspart einen langen Wellen­tunnel. Eine Abgas­renigung ist dank der optimalen externen Verbrennung meist nicht erforderlich. Als klima­neutrale Brennstoffe bieten sich H₂ oder Bio-LNG an. Bei geeigneter Auslegung des Brenners kann man auch von Hafen zu Hafen den Brennstoff wechseln, zum Beispiel auf Diesel.
Es tritt ausserdem kein Metanschlupf auf: Da Methan etwa 20 bis 25 mal klimaschädlicher ist als CO₂, war es bisher als alternativer Kraftstoff in herkömmlichen Schiffsmotoren klimaschädlicher als Diesel.
Auf Passagierschiffen ist vor allem der vibrationsarme, lautlose und emmissionsarme Betrieb von Vorteil.

U-Boote

Die Neue Stirling Technologie könnte das Design von U-Booten revolutionieren. U-Boote hatten bislang zwei Antriebe: einen klassischen Motor für Überwasser­fahrt, einen AIP (Air independent Propulsion) für Tauchfahrt. Der AIP, meistens ein Brennstoffzellen­antrieb oder ein klassischer Stirling-Motor, leistete bislang nur bescheidenes. Tatsächlich kann man sich leicht ausmalen, dass die installierten wenigen hundert kW des AIP vielleicht für eine geraume Zeit einen Unterwasser­verbleib ermöglichen. Grosse Sprünge, bzw. hohe Reichweiten bei Marsch­geschwindigkeit sind aber nicht drin.

Die Lösung: Ein einziger Neuer Stirling Motor ersetzt beide vorhandenen Systeme, den klassischen Diesel Antrieb und den platz­raubenden AIP gleichzeitig. Man kann volle Kraft immer über und unter Wasser fahren. Man muss nur genug O₂ in den Tanks mit sich führen, was einfach zu realisieren ist: Für eine stöchiometrische Verbrennung von 1kg Diesel sind 0.58kg O₂ erforderlich. 1000 l Diesel benötigen somit nur 1.00 m³ O₂ bei 335 bar.
Die Entspannung des komprimierten O₂ auf Umgebungs­druck erzeugt eine immense Temperatur­absenkung, welche zur Kühlung und Wirkungsgrad­verbesserung der Stirling-Anlage bei gleichzeitiger Reduktion der Wärme­signatur verwendet werden kann.
Hohe Reichweite, weniger Komplexität, lautloser Betrieb bei hohem Wirkungsgrad, weniger Platzbedarf sind das Resultat. Niemand braucht mehr Atom-U-Boote.

Typischer Aufbau moderner konventioneller U-Boote. Hier: U-216 Konzept von HDW mit Brennstoffzellen-AIP.

Stahlwerke

Die Hauptprobleme bei der Wärmerückgewinnung in Stahlwerken besteht darin, dass das Abwärme­angebot die Nachfrage übersteigt und dass die Stromerzeugung in Turbinen nur bei niedrigen Wirkungsgraden erfolgt, im wesentlichen weil für einen optimalen Betrieb eine konstante Wärmequelle notwendig wäre. Turbinen können zudem nur zuvor ausgekoppelte Wärme in Form von Dampf oder Gas verwenden.

Die Neue Stirling Technologie schafft hier Abhilfe. Die Zwischenspeicherung und Glättung der anfallenden Abwärme kann in Thermospeichern erfolgen. Die Übertragung der Abwärme auf Dampf oder Gas ist oft nicht erforderlich oder sehr simpel ausgeführt. Die Wärme kann dann per Umluftkreisläufe an die Neue Stirling Technologie übertragen werden.

Viele Abwärmelecks in der Produktion, wie Wandwärme, können auf diese Weise zur Strom­produktion verwendet werden. In der Kokerei verbleibt bislang etwa die Hälfte der eingesetzten Energie als sensible Wärme im heissen Koks. Weitere potenzielle Wärme­quellen sind das Konvertergas sowie Abgase des Elektro­lichtbogenofens mit Schrott­vorwärmung, Hochofen­schlacke, Konverter­schlacke, der Stahlguss und der Wälzstahl.

Prinzipiell können alle warmen Anlagen­oberflächen als Wärmequelle dienen.

Wo bleibt all diese Wärme letztendlich?

Energierückgewinnung aus Wärmespeichern - Glättung von regenerativer Energieerzeugung

Im Rahmen der Energiewende ist es unabdingbar, volatile Energie aus Windkraft und Photovoltaik speichern zu können. Worin besteht die Notwendigkeit, Strom zu speichern? Bei Dunkelflauten wird kein Strom erzeugt. Darüberhinaus -und dieses Problem ist noch viel drastischer- braucht niemand die unregelmässig auftretende Spitzen-Leistung.

Die Konsequenz aus der unzuverlässigen Erzeugung sind teure, unrentable Backup-Kraftwerke, Abhängigkeit von Gas, erforderlicher Netzausbau, Abregelung von Stromerzeugung und deren Bezahlung, Export von Überschussleistung zu Negativpreisen, Überkapazitäten bei der EE-Erzeugung, etc. etc.

Die einzige kosten­günstige, ressourcenschonende, schnell realisierbare Möglichkeit zur Zwischen­speicherung von Energie­spitzen in der gebotenen Grössen­ordnung und mit überschau­barem Aufwand ist der Einsatz von Hochtemperatur-Wärme­speichern und die Rück­verstromung der hierin als Wärme gespeicherte Energie in einer Neuen Stirling Anlage.

Eine Neue Stirling Anlage in Verbindung mit sensiblen Wärme­speichern würde einen elektrischen Wirkungsgrad von ca. η_total> 0.9_Speicher x >0.5_Stirling = >0.45 erreichen, und damit auch die Wasserstoff-Rückverstromung übertreffen. Mikroturbinen erreichen ohnehin nur einen Wirkungsgrad von 25 ... 30%.
Diese Konstellation erlaubt es, elektrische Energie ebenso bedarfs­gerecht und grundlast­fähig bereitzustellen wie ein Kohle- oder Kernkraftwerk. Das gilt sogar, wenn keine Sonne scheint oder Wind weht und der thermische Speicher leer ist, indem für kurze Zeit Energie mit konventionellem Brennstoff erzeugt wird (Hybrid­betrieb mit Methan oder Biomasse).

Hochtemperatur-Wärmespeicher und Neue Stirling Anlage können als Tandem u.U. auch dezentral, zum Beispiel quartiersgebunden, plaziert werden und dann im Rahmen einer Kraft-Wärmekopplung eingesetzt werden.

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Ausführungsbeispiel: Glättung von Peak-Leistung aus regenerativer Energieerzeugung

Während Zeiten mit Erzeugung von Spitzenleistung: Überproduktion wird verwendet zum Aufladen eines Hochtemperatur-Wärme­speichers.

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Zeiten ohne Erzeugung von regenerativer Spitzenleistung: Stromerzeugung durch Neue Stirling-Anlage durch Entladen eines Wärme­speichers.

Aluminiumwerke

Bei der Primäraluminiumherstellung aus Bauxit wird Abwärme in Höhe von rund 45% des elektrischen Energie­bedarfs im wesentlichen über die Wände der Elektrolysezellen ausgetragen. Hierzu lagen bislang keine technischen Lösungen vor.

Ein Umluftsystem könnte die Oberflächenwärme der Elektrolysezellen aufnehmen und auf eine Neue Stirling Anlage übertragen. Dies wäre eine erhebliche Energierückgewinnung und Kostenersparnis.

Abwärme aus industriellen Prozessen

Nach Angaben des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik IPM könnte Abwärme, wenn sie in Strom gewandelt wird, in Deutschland fünf bis zehn konventionelle Kohle­kraftwerke ersetzen und damit als CO₂-freie Stromquelle gelten. Diese Berechnung basiert jedoch noch auf das zurzeit Machbare mit vorhandenen Technologien, wie Rückverstromung mittels Turbinen, so dass das Potenzial wahrscheinlich noch grösser ist.

Aktuell geht diese Abwärme noch grösstenteils verloren: Nur ein Drittel der den technischen Prozessen zugeführten Energie wird genutzt. Die Problematik bei der Nutzung ist ähnlich wie bei den regenerativen Energien: Diese Energieform fällt zyklisch an und muss zeitweise zwischen­gespeichert beziehungsweise geglättet werden. Hinzu kommt, dass die Abwärme erst eingesammelt und zur Rückverstromung bereitgestellt werden muss, was mit den vorhandenen Systemen oft schwerig, wenn nicht unmöglich und zudem meist auch unrentabel ist.

Auch die Lösung dieser Aufgabenstellung führt zum gleichen Ergebnis: Hochtemperatur-Wärme­speicher könnten die Energie aufnehmen und somit eine Neue Stirling Anlage kontinuierlich antreiben. Solche Konstellation wäre nicht nur effizienter, sondern sie eröffnet auch ganz neue Möglichkeiten zur Nutzung von Wärme, die an Stellen auftritt, die man vormals nie in Betracht gezogen hatte. Darüberhinaus ist diese Anwendung in der Ausgestaltung sehr viel simpler und eröffnet neue preisgünstigere Installationen zum Abgreifen und Abspeichern der Wärme.

Das hier vorgeschlagene System dagegen vereinfacht die Anlage nochmals. Die Effizienz der nachgeschalteten Neuen Stirling Anlage lässt sich optimieren, wenn ein Hochtemperatur-Wärme­speicher mit industrieller Abwärme vorgeheizt wird und eventuell nicht erreichte Spitzen­temperaturen im Speicher mit Peakleistungen aus regenerativer Strom­erzeugung auf Endtemperatur gebracht wird.

Ausführungsbeispiel Abwärmenutzung

Kontinuierliche Stromerzeugung durch eine Neue Stirling Anlage bei zyklischem Anfall von Abwärme:

Während Zeiten mit Erzeugung von Abwärme: Stromerzeugung durch Neue Stirling-Anlage und gleichzeitiges Aufladen eines Hochtemperatur-Wärme­speicher.


Das zirkulierende Gas hat nach der Energieabgabe an die Neue Stirling Anlage oder an den Hochtemperatur-Wärme­speicher noch ausreichend Rest­temperatur, um ein Fernwärme­netz oder einen atmosphärischen Zweizonen­speicher zu speisen.

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Zeiten ohne Erzeugung von Abwärme: Stromerzeugung durch Neue Stirling-Anlage durch Entladen eines Wärme­speicher.

Deponie- und Schwachgase

Der Abbau organischer Abfallstoffe auf Deponien erzeugt ein Gemisch aus brennbaren Methan (CH₄) und Kohlendioxid (CO₂) und weiteren Gasen wie Schwefel­wasserstoff etc. Der Methananteil nimmt mit der Zeit ab, ab 25% spricht man von "Schwachgas". Auch in geringeren Konzentrationen ist das Deponiegas gesundheits­schädlich. Wegen seiner Schädlichkeit wird das Gas mittels einer kontrollierten Deponie­entgasung aufgefangen und abgefakelt. Die bei der Verbrennung freigesetzte Wärme bleibt beim Abfackeln ungenutzt. Bisherige Nutzungen mittels Gasmotor oder Gasturbine funktionieren nur mit einem hinreichend hohen Methangehalt. Hierbei gibt es aber den sogenannten "Methanschlupf": Bis zu ca. 2% des Methans gelangt unverbrannt in die Atmosphäre.
Beim GWI (Gaswärme.Institut e.V., Essen) wurde schon seit 2008 in dieser Richtung geforscht und COSTAIR-Brenner für eine effiziente Verbrennung entwickelt. Nun ist es an der Zeit, hiermit eine Neue Stirling Anlage zu speisen.

Zementwerke

Die Zementproduktion ist ein extrem energieintensiver Prozess. Der durchschnittliche spezifische thermische und elektrische Energiebedarf für die Produktion einer Tonne Zement liegt gegenwärtig bei rund 3,14 GJ. Der Energiebedarf kann u.a. durch Sekundär-Brennstoffe und durch die zunehmende Verwendung von anderen Haupt­bestandteilen und/oder Sekundärstoffen neben dem Zementgrundstoff ("Klinker") bei der Zement­herstellung gesenkt werden.

Der Zementsektor ist ein bedeutender Verursacher von Treibhausgas­emissionen, der weltweit für etwa 7 % der CO2-Emissionen und in der EU für etwa 4 % verantwortlich ist. Die Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Deckung des Heizbedarfs macht 35 % der CO2-Emissionen von Zement aus. Die restlichen 65 % sind auf direkte Prozess­emissionen zurückzuführen (Umwandlung des CaCO₃ in CaO+CO₂). Das CO₂ kommt quasi aus dem Rohstoff, dem Kalk-Gestein. Hieran kann auch eine Neue Stirling Anlage nicht viel ändern ...

Aber die immensen Abwärmemengen müssen verwertet werden! Auf den Diagrammen der Webseiten der Zement­werke werden schön die Energie­ströme und deren Rüc­kgewinnung dargestellt. Etwa Primärluft aus dem Kühler als Vorwärmung für den Ofen, oder Sekundärluft aus dem Kühler für weitere Anwendungen. Warum wird nicht die Oberflächen­wärme des Drehrohrofens (bis 450°C) oder des Kühlers verwertet?



Wärmebild-Foto des 92m langen Drehrohrofens von Tianrui Group Cement Company, China

BHKW - Blockheizkraftwerke

Bisherige BHKW nutzen Restenergie von anderen Prozessen und verwandeln diese zu einem geringen Anteil- in Elektrizität (ca. 30 ... 40%) und zum grossen Teil in Wärme. Mit einer Neuen Stirling-Anlage lässt sich der Anteil an elektrischer Energie­erzeugung erhöhen. Dies ist ein weiterer grosser Schritt zur Realisierung der Energiewende.