Dreiecksprozess: der Kreisprozess mit dem höchsten Wirkungsgrad

Mit den auf dem Markt verfügbaren Wärmekraftmaschinen, bei denen Turbinen verwendet werden und denen die Kreisprozesse CRC* (Clausius-Rankine-Cycle), ORC* (Organic Rankine Cycle) und Kalina*-Kreisprozess zugrunde liegen, kann Niedertemperaturwärme im Bereich von 100 °C bis 300 °C nur mit hohen Investitionskosten und bei niedrigen Wirkungsgraden energetisch genutzt werden.

Wird ein nach der Erwärmung unter erhöhtem Druck vorliegendes flüssiges Arbeitsmittel im Arbeitsraum einer Kolbenmaschine entspannt, können theoretisch deutlich höhere Prozesswirkungsgrade realisiert werden (Steigerung 30 % bis 80 %). Dies ist auf die simultane Dampferzeugung bei gleichzeitiger Abkühlung der flüssigen Phase zurückzuführen. Hierdurch werden die exergetischen Verluste eines externen Verdampfers, wie er bei den marktüblichen Prozessen eingesetzt wird, umgangen. Die Form des zum Verfahren gehörenden Zyklus erinnert im Temperatur-Entropie-(T-s)- Diagramm an ein Dreieck.

Um das Eintreten von flüssiger Phase in den Zylinderraum zu verhindern, ist der Kolbenmaschine ein Zyklon zur Phasentrennung vorgeschaltet. Mithilfe von Strömungssimulationen (CFD) kann der Trenngrad bzw. die Abscheidung der flüssigen Phase im Zyklon simuliert und hierdurch die Zyklongeometrie optimiert werden. Ziel ist es hierbei, eine möglichst hohe Abscheidung und einen nahezu vollständigen Ladungswechsel pro Arbeitstakt zu realisieren.

Neben einer hohen Abscheidung der flüssigen Phase im Zyklon, einem vollständigen Ladungswechsel und einem geringen Zyklonvolumen (= Totvolumen) ist auch ein schneller Einlass der flüssigen Phase notwendig, um einen hohen isentropen Maschinenwirkungsgrad zu realisieren. Zur Ansteuerung der Ventile werden Tauchspulenaktuatoren eingesetzt, die in Bezug auf den Einlasszeitpunkt und die Einlasslänge elektromechanisch geregelt werden können.

Gegenüber den oben genannten Prozessen zur Nutzung von Niedertemperaturwärme bietet der Dreiecksprozess unter Verwendung einer Kolbenmaschine den weiteren Vorteil, dass er bereits ab sehr kleinen Abwärmemengen sinnvoll eingesetzt werden kann. Kolbenmaschinen können für elektrische Leistung unter 1 kW verwendet werden, wohingegen Turbinen erst ab Leistungen größer 100 kW energetisch sinnvoll eingesetzt werden. Größere Leistungsbereiche können durch Parallelschaltung mehrerer Kolbenmaschinen abgedeckt werden.

Am Institut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik (KIT), dem Institut für Kolbenmaschinen (KIT) und der MOT GmbH wird gemeinsam mit dem Europäischen Institut für Energieforschung der Prototyp einer Kolbenmaschine optimiert, um den neuartigen »Dreiecksprozess« erfolgreich umzusetzen.

* Thermodynamische Kreisprozesse

Projektthema:
Optimierung einer Kolbendampfmaschine  

Projektdurchführung:
EIfER Europäisches Institut für Energieforschung EDF-KIT EWIV
Emmy-Noether-Staße 11
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