Kickstarter Story

Der Klimawandel ist überall spürbar. Diskussionen und Debatten zum Klimaschutz und zur Energiewende sind in allen Medien präsent. Forscher, Ingenieure, Aktivisten und andere Gruppen investieren viel Zeit, um die Energiewende sowohl durch innovative technische Lösungen als auch durch politisches und gesellschaftliches Engagement zu beschleunigen und ein Umdenken zu erreichen.

Als Forschungsgruppe Energietechnik der Hochschule Koblenz wollen wir ebenfalls einen Beitrag dazu liefern. Wir befassen uns seit mehr als 15 Jahren mit effizienteren Technologien und Lösungen zur Strom- und Wärmeerzeugung für den häuslichen und industriellen Gebrauch.

Die Sonne ist die Grundlage unseres Lebens. Sie spendet Wärme, liefert Licht zur Photosynthese aller Pflanzen und bestimmt maßgeblich über Winde, verdunstet Mio. Tonnen Wasser pro Tag und beeinflusst damit das Wetter auf unserem Planeten.

Unsere aktuellen Energiequellen Erdöl, Erdgas und Kohle sind über Jahrtausende gespeicherte Sonnenenergie, die wir nun immer weiter dezimieren und dabei klimaschädliches CO₂ ausstoßen. Wie können wir es schaffen die uns täglich vorhandene Energie so zu nutzen, dass wir damit mehr und mehr unseren täglichen Bedarf abdecken?

Einfamilienhäuser werden heute meist mit Strom und Wärme versorgt über

• den lokalen Strom- und Gasversorger
• eine ergänzende Photovoltaikanlage mit oder ohne Batteriespeicher zur Stromerzeugung und Eigennutzung
• einen ergänzenden Solarkollektor zur Brauchwassererzeugung und Heizungsunterstützung
• Wärmepumpen zur Gebäudeheizung – manchmal immerhin schon gekoppelt mit Photovoltaikanlagen

Der Bezug fossiler Brennstoffe wie Erdgas wird immer teurer - nicht zuletzt auch wegen der steigenden CO₂-Bepreisung, die weltweit von immer mehr Staaten eingeführt wird. Teuer für den Endverbraucher sind und bleiben auf absehbare Zeit die Batteriespeicher.

Ein Batteriespeicher kostet aktuell ca. 1.000 bis 1.500 EUR pro kWh gespeichertem Strom und die meisteingesetzten Lithium-Ionen-Akkus sind bisher schlecht recycelbar, die Rohstoffgewinnung von Lithium, Kobalt, Mangan, Nickel oder Kupfer sind und bleiben sehr problematisch.

Was ist, wenn wir das Thema von einem anderen Blickwinkel betrachten?

Im Gegensatz zu Strom kann Wärme sehr günstig und effektiv gespeichert werden. Jeder kennt das Prinzip der Thermoskanne, bei der Kaffee oder Tee über mehrere Stunden heiß bleiben. Derselbe Effekt gelingt bei größeren Wärmespeichern durch geschickte Wärmedämmung sogar besser.

Ein Zahlenbespiel: Ein 1 m³ Wasserspeicher kostet rund 1.500 EUR und kann 45 kWh Wärme speichern. Mit diesen 45 kWh Wärme kann ein Einfamilienhaus bereits einen Tag beheizt werden. Die Investitionskosten liegen gerade mal bei 30 bis 35 EUR pro kWh gespeicherter Wärme, also nur bei 1/40 der Kosten eines Batteriespeichers!

Oder anders gesagt: Wenn man statt mit einer Photovoltaikanlage zur Stromerzeugung bei gleicher Dachfläche mit einer Solarkollektoranlage zur Wärmeerzeugung arbeitet, kann in Form von Wärme mehr eingesammelte Energie viel leichter gespeichert werden als das durch Strom möglich wäre.

Dabei stellt sich jedoch die Frage: Was bringt uns die Wärme, wenn wir Strom brauchen, den wir direkt durch eine Photovoltaikanlage erzeugen könnten? Antwort: Wärme kann in Strom gewandelt und die Abwärme auch zur Raumheizung genutzt werden.

Die Umwandlung von Wärme in Strom erfolgt bisher in konventionellen Kraftwerken (Kohle, Gas oder nuklear), wobei hier hohe Temperaturen von einigen hundert Grad erforderlich sind - weit höhere Temperaturen als sie Solarkollektoren zur Verfügung stellen können.

Wenn man dasselbe mit niedrigeren Temperaturen hinkriegen würde – das wärs! Es gibt bisher aber keine markttauglichen Stromerzeuger, die aus Wärme bei niedrigen Temperaturen zwischen 120-200 °C mit Solarkollektoren als Wärmequelle arbeiten könnten.

Dabei gibt es seit langem eine Technik, die auch schon bei kleinsten Temperaturdifferenzen wie z. B. auf einer Kaffeetasse oder sogar mit Handwärme funktioniert: der Stirling- oder Heißluftmotor. 

Der im Beispiel gezeigte Motor dreht sich zwar und ist schön anzusehen, aber es lässt sich leider keine nennenswerte Leistung erzeugen, geschweige denn ein elektrischer Verbraucher versorgen. Der Wirkungsgrad ist bei diesem Stirling-Modell einfach zu gering.

Anders als bei Otto- oder Dieselmotoren findet bei Stirlingmotoren keine Verbrennung im Zylinder statt, sondern die Wärme wird von außen über die Zylinderwände einem innen befindlichen Gas zugeführt. Hier tritt auch direkt das Hauptproblem auf: Um dauerhaft mehr Leistung zu erzeugen, muss schnell viel Wärme von außen durch die Wand auf das Gas übertragen werden. Das geht viel langsamer und schlechter als im Gasraum ein Feuer zu entfachen - eben z.B. Benzin oder Gas zu verbrennen wie beim Otto-Motor. Käuflich erwerbbare Stirlingmotoren haben daher geringere Wirkungsgrade als vergleichbare Otto- und Dieselmotoren ähnlicher Größe und arbeiten dabei immer noch mit Erdgas, welches außerhalb des Zylinders verbrannt wird.

Wir als Forschungsteam beschäftigen uns seit vielen Jahren mit der Optimierung von Bauteilen und Komponenten zur Wärmeübertragung und versuchen nun seit mehr als 18 Monaten mit innovativen Möglichkeiten den Wärmeeintrag des Stirlingmotors zu verbessern. Durch ein Verfahren, das gerade patentiert wird, können wir mithilfe einer Flüssigkeitseindüsung den Wärmeeintrag auch bei niedrigerenTemperaturen beschleunigen und dadurch die Effizienz deutlich steigern. 

Voraussichtlich reichen Temperaturen von nur etwa 150 °C und damit kann der Solarkollektor als Wärmequelle eingesetzt werden, um zukünftig Strom zu erzeugen.

Eine Versorgung eines EFH kann mit dem Stirlingmotor wie folgt aussehen:

Ein Solarkollektor auf dem Dach dient dabei als Hauptenergiequelle. Die Wärme gelangt in den Wärmespeicher und kann von dort aus bei Bedarf entnommen werden. Sie wird dabei sogar zweimal genutzt: Erstens zum Antrieb des Stirlingmotors zur Stromerzeugung und zweitens zur Raumheizung. Ein starkes Argument, da auf diese Weise kaum Verluste entstehen. Besonders in den Übergangsmonaten von März bis Mai und von September bis November kann dadurch gleichzeitig Wärme und Strom genutzt werden. Im Sommer ist die Stromversorgung gesichert und überschüssiger Strom kann verkauft werden. In strengen Wintermonaten kann das System aufgrund des geringen Solareintrags mit einer alternativen Wärmequelle, z. B. ein Ofen beheizt mit Scheitholz oder Holzpellets, betrieben werden.

Durch diesen Aufbau lassen sich nicht nur die laufenden Kosten für Strom- und Brennstoffbezug und die Abhängigkeit von Strom- und Gaslieferanten reduzieren, sondern auch die Effektivität steigern. Die eintreffende Solarenergie wird wesentlich effektiver genutzt als bei reinen Photovoltaikanlagen mit Batteriespeicher zur Stromerzeugung. Dies zeigen die Energieflüsse: Die Verluste beim Niedertemperatur-Stirling-Motor "E-LISE" sind mit 40 % viel kleiner als bisher bei Photovoltaik-Systemen mit 87 %. Der Stromanteil ist zwar mit 12 % um 1 % geringer, dafür nutzt man aber über 48 % der Sonneneinstrahlung als Wärme, die ansonsten völlig verloren geht.  

In unserem System wird die Energie günstiger gespeichert. Anstelle einer teuren Li-Ionen-Batterie wird ein preiswerter Wärmespeicher eingesetzt, der bei Bedarf Wärme für die Stromerzeugung liefert. Zusätzlich wird das Stromnetz entlastet, was die Kosten des zugekauften Stroms weiter senkt.

Der Prototyp wird im wesentlichen drei Anschlüsse nach außem haben:

• Anschluss für die Wärmequelle (Wärmespeicher gespeist durch Solarkollektor, oder Ofen bei geringem Solareintrag),
• elektrischer Anschluss ans Hausnetz und
• Anschluss für Raumbeheizung (Heizkörper oder Fußbodenheizung)

In den vergangenen Monaten haben wir Vorversuche zur Nutzbarkeit von Solarer Wärme zur Stromerzeugung im Stirling-Motor abgeschlossen und die Ergebnisse zur Veröffentlichung eingereicht. Die Messreihen belegen das Potenzial einer deutlichen Verbesserung des Stirling-Prozesses. Mit Hilfe unserer Simulationssoftware wollen wir im nächsten Entwicklungsschritt eine Zwei-Zylinder-Maschine planen, aufbauen und optimieren.

Ab Frühjahr 2022 wollen wir den aktuellen Prüfstand erweitern und ein Prototyp bauen.

Weitere Informationen finden Sie auf Kickstarter:

www.kickstarter.com/projects/e-lise/e-lise-electric-liquid-injection-stirling-engine