Einleitung

Vorhaben


Entwicklung eines rotierenden Wärmetauschers als zentrale Komponente eines Nano-Blockheizkraftwerks

Problem

Die Energiewende im Bereich Heizungsanlagen befinden sich in einer schwierigen Situation. Mit dem derzeitigen Energiemix können die Energieziele ohne signifikante Probleme für Wirtschaft, Wohlstand und gesellschaftliche Akzeptanz nicht gelöst werden. Die Energiepreise in Deutschland sind sehr hoch und nach Krisen, wie die Corona Krise, können Finanz- und Wirtschaftskrisen als Folge auftreten. Deindustrialisierung in Bereichen mit katastrophalen Folgen kann eine Folge sein.

Die Innovation im Heizungskeller bzgl. Reduktion der Kohlendioxid Emissionen von besonderer Wichtigkeit (siehe:  https://www.bdh-koeln.de/waermewende ). Es gibt gute Entwicklungen wie z.B. Brennstoffzellen, deren Industriereif und Gesamtkosten ohne Förderung sich aber noch herausstellen werden. Derzeit skalieren viele Ansätze zu Kogeneration von Wärme und Strom nicht für kleine Installationen.   

Lösungsansatz

Ein neuartiges System als Nano-BHKW, das ca. 2,5kW elektrische Leistung liefern soll, bei Kosten unter 10000 Euro für den Endverbraucher soll das Ziel sein. Eine lange Lebensdauer ist ebenfalls wichtig. Als Lösungsansatz  wird eine Erfindung der FH Darmstadt genutzt. Ein rotierender Wärmetauscher, der gleichzeitig mechanische Energie an einen Elektrogenerator transferiert, ist die zentrale Komponente des Nano-BHKW. Hierin findet die Umwandlung eines heißen Gasstroms in Rotationsenergie, Wärmetransfer von der Gasströmung an Wasser und Wasserdampf und Umwandlung der thermische Energie des Wasserdampfes in Rotationsenergie statt. Dieses System ist eine Gas- und Dampfturbine, an die man sich aufgrund des rotierenden Gehäuses und neuartigen Ansatzes erst gewöhnen muss. Es liegen fast keine Schaufeln vor und die Wandschubspannung wird für den Vortrieb genutzt.  Aufgrund des Leistungsbereiches, der für Ein-und Zweifamilienhäuser angemessen ist, spricht man nach einer neueren Definition  von einem Nano-BHKW.  Da dieses System auf klassischer Thermodyanmik und Mechanik basiert, sind zwecks höherer Effizienz Hochtemperaturprozesse anzustreben. Vorteil ist auch, dass Kraftwerksprozesse bekannt sind und gut funktionieren. Das rotierende Wärmerohr  besticht durch einen extrem einfachen Aufbau, bei dem das Arbeitsfluid gleichzeitig als Dichtung zwischen Verdampfer und Kondensator dient. Diese Konstruktion ermöglicht es, die für ein Kraftwerk notwendigen Druckdifferenzen zu realisieren und sinnvolle Leistungsabgaben zu erzielen. Damit ist dieses spezielle Wärmerohre als Kern für ein neuartiges Nano-Blockheizkraftwerk (Nano-BHKW) einsetzbar. Es ist anzumerken, dass Verdichtung, Verbrennung, Expansion und Kühlung wie in jeder Wärmekraftmaschine auch hier genutzt werden.

Technologie

Die Zentraleinheit dieses innovativen Nano-BHKW mit einer thermischen Leistung von ca. 10 kW ist die kompakte Dampfturbine (KDT). Wärmeenergie wird in elektrische Energie umgewandelt, wobei die Restwärme für Heizzwecke genutzt wird.

kdt_35cm_hochAbb. 1 Tests am rotierenden Wärmerohr (Rotating Heat Pipe) als zentraler, integrierter Wärmetauscher und Schubkomponente 
Das Konzept wurde an der Hochschule Darmstadt entwickelt. Ihre wichtigsten Vorteile sind die geringe Größe und die Einfachheit der Kon­struktion.

Es gibt keine Ventile und keine Pumpen, und dennoch ist der vollständige Zyklus eines Kraftwerks realisiert.
Dieses Design ist besser als bestehende Lösungen für die kombinierte Wärme- und Stromerzeugung bei sehr kleinen Installationen im Bereich kleinster thermischer Leistungen geeignet. Im Vergleich zu bisherigen Mikro-BHKW-Systemen führt die einfache und robuste Konstruktion zu geringeren Herstellungs- und Wartungskosten.
Der thermische Eingang für die KDT beträgt typischerweise 10 kW. Der berechnete elektrische Wirkungsgrad beträgt etwa 10% für Arbeits­flüssigkeiten wie Toluol oder Xylol bei einer Temperaturdifferenz von etwa 200 °C zwischen Verdampfer und Kühler. Ein großer Vorteil der  organischen Flüssigkeiten ist, dass sie weniger Energie für den Verdampfungsprozess benötigen, somit bleibt mehr Energie für die Umsetzung in mechanische Arbeit übrig, was den Wirkungsgrad des Systems erhöht.
Die KDT besteht aus einem kleinen Zylinder (Abb.1), der um eine statische Achse rotiert. Es liegt die Anordnung einer herkömmlichen Turbine vor – nur sind die Rollen von Stator und Rotor vertauscht. Der rotierende Zylinder ist durch eine mit ihm verbundene Platte in Verdampfungs- und Kondensationskammer unterteilt. Zwischen dem Rand der Unterteilungs­platte und der Zylinderinnenwand besteht ein kleiner Spalt, durch den das Arbeitsfluid strömen kann. Düsen sind mit der Trennplatte verbunden. Der Schub des verdampften und beschleunigten Arbeitsfluids wirkt als erste Antriebsstufe. Weitere Stufen erlauben eine bessere Nutzung der thermischen Energie. Nachdem das Arbeitsmittel den Kühler verlassen hat, befördern es Zentrifugalkräfte zur Innenwand des Zylinders und durch den Spalt zwischen rotierender Scheibe und rotierendem Zylinder zurück in die Verdampfungskammer. Der Kraftwerkskreislauf ist somit geschlossen. Durch die Wahl der richtigen Menge an Arbeitsfluid in Kombination mit der richtigen Drehzahl ist der Spalt immer abgedeckt. Das Arbeitsfluid dient auch als Dichtung zwischen Verdampfungs- und Kondensationskammer.

Studie für eine kleine Gas- und Dampfturbinenkombianlage

Eine weitere Verbesserung des elektrischen Wirkungsgrads kann durch die Integration einer kleinen Gasturbine erreicht werden. Es wird das ca. 80 Jahre alte, bewährte Konzept der Kombination einer Gasturbine mit einer Dampfturbine genutzt. Fortschritte in der Technologie machen es nun möglich, dass dieser Ansatz auch bei sehr kleinen thermischen Energien genutzt werden kann.

gud_aa1Abb. 2: Schema einer Designstudie zum Nano-BHKW auf Basis einer Gas- und Dampfturbinenkombianlage.

Gas- und Dampfkombianlagen sind heutzutage im Bereich fossiler Verbrennung am effizientesten. Es wird zunächst der hohe Energiegehalt des Gases bei hohen Temperaturen zur effizienten Wandlung eines Teils der thermischen in mechanische Energie genutzt. Ein großer Teil Abwärme wird nachfolgend in der Dampfturbine in mechanische Energie gewandelt. Die restliche Abwärme wird dann für Heizzwecke genutzt. Eine Visualisierung der Design­studie ist in Abb. 2 dargestellt.

 

Ausblick

Die kostengünstige Produktion der Komponenten Verdichter und Expansionsstufe ist heutzutage Standard bei Turboladern im Automobil-Bau oder bei kleinen Gasturbinen im Modellbau. Es ist somit offensichtlich, dass eine preiswerte Produktion der Zentral-Komponente  möglich ist. Die Entwicklungsleistung bis dahin ist aber erheblich und in einem Land mit Fokussierung auf Diskussionsorgien sehr schwer bis unmöglich zu finanzieren. Jede durch riskmanager getriebene Firma, wird risikointensive Entwicklungen meiden und sich auf Kerngeschäft fokussieren. Eine phasenweise Entwicklung kann durch vertiefte Studien mit Computational Fluid Dynamics und Experimenten durchgeführt werden. Das entspricht ca 10 Disserationen. Gemäß DFG Sätzen sind das ca 2,1 MIo Euro bei einer Promitionsdauer von 3 Jahren und Kosten von ca 70.000 Euro. Die Materialkosten und Softwarekosten können auch auf 2 Millionen geschätzt werden. Die Produktentwicklung übersteigt diese Kosten bei weitem. Daher sieht man , dass aufgrund der Zeitschiene und Restrisikos jeder konservative Entscheider solch riskante Entwicklungen scheut.  Innovatoren die es verkraften, dass das Gesamtsystem zu teuer werden kann und die sich dennoch freuen, dass die getätigten Ausgaben in Bildung (Dissertation, Diplomarbeiten, etc)  gesteckt wurden, werden gesucht.


Dennoch_ Ziel ist eine Massenproduktion dieses preiswerten Nano-BHKW mit über 100.000 Einheiten/Jahr. Die Produktionskosten sind vergleichbar mit dem typischen Endverbraucherpreis für Automobil-Turbolader, der oftmals bei unter 1.000 € liegt. Dies ist eine wichtige Eigenschaft; denn nur preiswerte Technologien können am Markt Erfolg haben und auch bei der Reduktion der Netto-Kohlendioxid-Emissionen einen Skaleneffekt er­zielen. Beim Einsatz in einer Größenordnung von 1.Mio Nano-BHKW  ist mit einer Reduktion der CO2- Emissionen von einigen Millionen Tonnen pro Jahr zu rechnen. Ausgangswert der Schätzung für den Nutzen eines Nano-BHKW ist ein Vergleich von Erdgas-Blockheizkraftwerk zu Kohle-Kraftwerk. Für den Betrieb mit Biogas oder Biodiesel ist die Bilanz für Kohlendioxid-Emissionen sogar noch erheblich günstiger. Auch sollte Wasserstoff unbedingt genutzt werden, da die Stromproduktion durch PV-Anlagen und Windturbinen zunehmen wird und Erdgasleitungen für den Transport von Wasserstoff genutzt werden können.

Es ist zu hoffen, dass eine Finanzierung für einige Wissenschaftler und Ingenieure gefunden wird um die Forschungsarbeiten für einen Demonstrator und die Entwicklungsarbeiten für einen Prototypen angegangen werden können. Ziel sollte es sein dass 2030 viele hundert Tausend Heizungen mit dieser neuen Technologie ausgestattet werden.  Die Technologie erlaubt es, dass verschiedene Brennstoffe wie Gas, Biogas, Flüssigbrennstoffe, etc. eingesetzt werden. Zukünftig dürfte es interessant sein Power to X Szenarien mit diesem Nano BHKW zu nutzen. Die Brennstoffe sind durch Solar- und Windenergie (Power to X) hergestellte flüssige und gasförmige Brennstoffe (Wasserstoff, Methan, Flüssigbrennstoffe,…), die gespeichert werden können . In Zeiten mit geringer Verfügbarkeit von Wind- und Solarenergie, kann daraus dann   Wärme und Strom erzeugt werden können. Die Vorteile sind:

  • Dezentrale Stromerzeugung
  • Wirtschaftlicher Betrieb in Einfamilienhäusern
  • Nutzung der vorhandenen Infrastruktur wie Gasleitungen und Flüssigtanks in Regionen , in denen keine Gasleitung liegt.