StirliQ Erforschung eines langsamdrehenden Expansions-Stirling-Generators mit überkritischem Fluid als Arbeits- & Schmiermedium

Eine neue Alternative zu aktuell verfügbaren KWK-Technologien stellt die neuartige StirliQ-Technologie dar, welche seit Frühjahr 2016 über die Durchführung einer technischen Machbarkeitsstudie und weiteren F&E-Arbeiten verifiziert und erforscht wurde. Die besondere technische Neuheit dieser Technologie ist der StirliQ-Motor, welcher im Gegensatz zum herkömmlichen Stirling-Motor weder mit einem gasförmigen noch mit einem flüssigen, sondern mit einem überkritischen Fluid als Arbeits- und Schmiermedium arbeitet (vereint die Vorteile von gasförmigen sowie flüssigen Arbeitsmedien an einem optimierten Betriebspunkt). Die Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie erfolgt ebenfalls durch Volumsexpansion sowie -kontraktion, allerdings mit sehr geringem Verschleiß durch besonders langsame Kolbenbewegungen (1 Kolbenzyklus dauert 1 Minute) in einem Ölbad und hohem Druck zwischen 100 und 170 bar. Dadurch kann diese Technologie bei instationären Prozessparametern, welche bei der industriellen Abwärmenutzung vorherrschen, sehr gut eingesetzt werden. Das Arbeitsmedium ist chemisch inert und mit Schmiermittel übersättigt. Im Expansionsraum erfolgt gleichzeitig die Wärmeübertragung und stellt somit das Herzstück des StirliQ-Motors dar. Die Prozessbedingungen im Expansionsraum, insbesondere Druck und Temperatur, bestimmen die Kompressibilität, den isobaren Wärmeausdehnungskoeffizienten, die Viskosität, den Wärmeleitkoeffizienten sowie die spezifische Wärmekapazität. Dies ermöglicht die stufenlose Optimierung des Arbeitsmediums hinsichtlich Gas- bzw. Flüssigkeitseigenschaften.
Als Arbeitsmedium werden überkritische Fluide entsprechend bestimmter stoffspezifischer Kriterien eingesetzt, welche einen möglichst hohen Raumausdehnungskoeffizienten bei einer minimalen Kompressibilität aufweisen. Somit bestehen spezielle Anforderung an das Arbeitsmedium: Die Kompressibilität des Arbeitsmediums soll beim Arbeitspunkt ein Minimum erreichen. Dies bewirkt eine minimale Kolbenhub-Geschwindigkeit, um die Standzeitprobleme eines klassischen Stirling-Motors zu überwinden. Diese Eigenschaft würden flüssige Arbeitsmedien zwar erfüllen, doch diese weisen ungünstige bzw. unwirtschaftliche Voraussetzungen für diesen Einsatz auf. Sie besitzen ein kleines Verhältnis zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten und der spezifischen Wärmekapazität. Dadurch benötigt man bei flüssigen Arbeitsmedien eine hohe Wärmestromdichte in Relation zur erzeugten Volumsänderungsarbeit. In weiterer Folge wären große und unwirtschaftliche Apparate in Relation zur erzeugten elektrischen Energie notwendig.
Damit die StirliQ-Technologie als KWK-Anlage in dem beabsichtigten industriellen Leistungsbereich und der einfachen Bauweise realisiert werden kann, bedarf es noch einer umfassenden Forschungsarbeit: (1) Definition der grundsätzlichen Geometrie des Expansionsraums und des Wärmeeintrages. (2) Das sinnvolle Gleichgewicht zwischen dem Druckverlust der beiden Wärmeübertragungs-Fluide sowie der Apparategröße muss exakt definiert werden, um den StirliQ-Wirkungsgrad zu maximieren. (3) Definition des Expansionsfluides und des damit einhergehenden Wärmetauscher-Werkstoffes. (4) Steuerung. (5) Dichtheit des Systems. (6) Integration in das übergeordnete industrielle Energiesystem bzw. Stromnetz.
In dem zugrundeliegenden Projekt steht somit die technische Erforschung eines neuartigen StirliQ-Motors im Fokus. Ziel ist es, einen nahezu wartungsfreien, langsamdrehenden Expansions-Generator zu erforschen, welcher durch Verwendung eines überkritischen Fluids als Arbeits- und Schmiermittel eine Absenkung der sinnvollen Wärme-Grenztemperatur ermöglicht. Diese Technologie hat das Potential, die technischen Hürden der bisher eingehend untersuchten Stirling-Motoren zu überwinden. Das Projekt soll darauf abzielen, dass spezifische Stromgestehungskosten unter der Netzparität erzielt werden.
Durch das Projekt wird somit die Technologie erforscht. Diese Ergebnisse dienen als Randbedingungen für die weitere Technologieerforschung: Basierend auf definierten industriellen Abwärmeniveaus und Medien sind durch das Projekt die Prozessparameter des StirliQ-Motors soweit eingegrenzt, dass eine belastbare Vordimension von Apparatekomponenten möglich ist.

Ausgangssituation

Abgesehen von der Brennstoffzelle unterliegt die Nutzung industrieller Abwärme mittels der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) dem Carnot-Wirkungsgrad. Bei einer Abwärmetemperatur von unter 100°C sind daher i.d.R. nur elektrische Wirkungsgrade von ca. 10 bis 20% erzielbar. Demnach ist der Betrieb von KWK-Anlagen insbesondere in diesem Temperaturbereich bislang aus wirtschaftlichen Gründen nur eingeschränkt möglich.
Unter den aktuell verfügbaren KWK-Technologien für eine etwaige industrielle Abwärmenutzung von unter 100°C ist aktuell nur der ORC-Prozess technisch einsetzbar, wobei hierbei ein wirtschaftlicher Betrieb noch nicht möglich ist. Für den Einsatz unter 100°C bedarf es daher neuer Technologien. Es sind kostengünstige Technologien erforderlich, welche bei der geringen Temperatur teillastfähig, wartungsarm und robust sind, damit sie einen wirtschaftlichen Betrieb ermöglichen. Eine solche sinnvolle Technologie-Alternative stellt die neuartige StirliQ-Technologie dar.