StirliQ+ Komponentenentwicklung des Expansions-Stirling-Generators mit überkritischem Fluid als Arbeits- & Schmiermedium

Ausgangssituation/Motivation

Die neuartige StirliQ-Technologie, die seit 2016 entwickelt und erforscht wird, stellt eine Alternative zu aktuell verfügbaren KWK-Technologien dar. Die technische Neuerung 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. Der Expansionsraum, in dem auch die Wärmeübertragung erfolgt, stellt 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 bestimmten stoffspezifischen 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, mit der die Standzeitprobleme eines klassischen Stirling-Motors überwunden werden.

Inhalte und Zielsetzungen

Damit die StirliQ-Technologie als KWK-Anlage in dem beabsichtigten industriellen Leistungsbereich und der einfachen Bauweise realisiert werden kann, bedarf es weiterer umfassender Forschungsarbeiten, die Inhalte des gegenständlichen Projekts sind:

• Definition der grundsätzlichen Geometrie des Expansionsraums und des Wärmeeintrages.
• Exakte Definition eines sinnvollen Gleichgewichts zwischen dem Druckverlust der beiden Wärmeübertragungsfluide sowie der Apparategröße, um den StirliQ-Wirkungsgrad zu maximieren.
• Definition des Expansionsfluides und des damit einhergehenden Wärmetauscher-Werkstoffes.
• Erarbeitung / Entwicklung einer Steuerung.
• Optimierung der Dichtheit des Systems.
• Erarbeiten von Integrationsmöglichkeiten in ein übergeordnete industrielles Energiesystem bzw. in das Stromnetz.

Ziel des Projekts StirliQ+ ist es, auf Basis der bisherigen Entwicklungsschritte einen nahezu wartungsfreien, langsam drehenden Expansions-Generator zu konzipieren bzw. zu erforschen, welcher durch Verwendung eines überkritischen Fluids als Arbeits- und Schmiermittel eine Absenkung der sinnvollen Wärme-Grenztemperatur ermöglicht sowie das Potential hat, die technischen Hürden herkömmlicher Stirling-Motoren zu überwinden.

Methodische Vorgehensweise

• Untersuchung unterschiedlicher Arbeitsmedien bzgl. stoffspezifischer Kriterien
• Simulation typischer Anwendungsfälle
• Modellierung und Simulation eines StirliQ-Motors
• Durchführung von Sensitivitätsanalysen
• Iterative Überarbeitungs- und Adaptionsschleifen zur Optimierung des Systems
• Errichtung einer Laboranlage
• Durchführung, Auswertung und Analyse von Laborversuchsserien
• Erarbeitung der System-Integrationsvoraussetzungen des StirliQ-Motors
• Systembilanzierung für unterschiedliche Anwendungsfälle
• Ergebnisworkshops mit Expert:innen
• Erarbeiten von Empfehlungen für die (Weiter)entwicklung des StirliQ-Motors

Erwartete Ergebnisse

Die Ergebnisse des Projekts sind weitere Detailerkenntnisse sowie Verbesserungen der bisherigen Entwicklungen, die als Randbedingungen für die weitere Technologieerforschung dienen. Die Prozessparameter des StiliQ-Motors sind soweit eingegrenzt, dass eine belastbare Vordimension von Apparatekomponenten möglich ist.

Projektleitung

4ward Energy Research GmbH

Projekt- bzw. Kooperationspartner:innen

• Prozess Optimal CAP GmbH
• PK Haustechnik GmbH

DI Robert Pratter
Reininghausstraße 13a
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Tel.: +43 (664) 88 500 337
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