Im Projekt StirliQ+ wurde die seit 2016 erforschte StirliQ-Technologie weiterentwickelt, die thermische Energie im Niedertemperaturbereich (< 100 °C) nutzbar machen soll. Gekoppelt mit einem Generator wird dabei die thermische Energie in elektrische umgewandelt. Der StirliQ-Motor basiert auf dem Prinzip des Stirling-Motors, verwendet jedoch kein gasförmiges oder flüssiges Arbeitsmedium, sondern ein überkritisches Fluid. Besonders überkritisches CO₂ zeigt in diesem Bereich außergewöhnliche Eigenschaften, wie eine geringe spezifische Wärmekapazität und eine sehr hohe reziproke isotherme Kompressibilität. Bereits im Vorprojekt konnte gezeigt werden, dass der StirliQ-Motor gegenüber der konventionellen Stirling-Technologie deutliche Effizienzvorteile bietet.

Ziele des Projekts waren die Kostenoptimierung, die Maximierung des Wirkungsgrads gemäß physikalischen Rahmenbedingungen, die Langzeitlaufstabilität und die Leistungsregelung. Zur Erreichung dieser Ziele wurde eine neuartige Prozessführung auf Basis eines Axialkolbenmotors im Projekt untersucht.

Komponentenentwicklung und Simulation

Im Rahmen der Komponentenentwicklung wurden zentrale Bauteile für den Betrieb mit überkritischem CO₂ konzipiert, angepasst und gefertigt. Hierzu zählen die Wellendichtung, die Kolbenringe sowie die Ventilplatte, um schließlich die Spaltverluste durch Leckage zu minimieren. Im Projekt wurde ein einfaches Berechnungsmodell auf Gesetzmäßigkeiten von Hagen-Poisseuille entwickelt, dessen Berechnungsergebnisse zur Optimierung der oben genannten Bauteile herangezogen wurden.

Parallel wurde ein Simulationsmodell in Aspen HYSYS sowie DWSIM erstellt, um verschiedene thermodynamische Betriebspunkte des Prozesses abzubilden. Ein zusätzlich entwickeltes Python-Modell lieferte erweiterte Einblicke in die Prozessführung und ermöglichte insbesondere unter variablen Betriebsbedingungen eine realitätsnahe Abbildung des StirliQ-Prozesses. Mit diesem, im Projekt entwickelten Python Modell, wurden unterschiedliche Betriebsfenster (Druck, Temperatur, etc.) untersucht, was zu wichtigen Erkenntnissen für die Effizienzsteigerung führte. Unter gewissen Rahmenbedingungen wurde neben CO2 als Arbeitsmedium auch R32 für die Evaluierung der Technologie in übergeordneten Systemen betrachtet. So konnte zum Beispiel gezeigt werden, dass unterschiedliche Temperaturniveaus unter Umständen unterschiedliche Arbeitsmedien zur Maximierung des Wirkungsgrades verlangen.

Integration in Energiesysteme

Zur Integration der SitrliQ-Anlage in übergeordnete Energiesysteme wurden zwei Anwendungsszenarien analysiert. Ziel war die Nutzung bisher ungenutzter Abwärmequellen zur Bereitstellung elektrischer Energie. Hierbei wurden unterschiedliche thermodynamische Randbedingungen sowie Lastprofile berücksichtigt, um unter anderem die jährlich erzeugbare elektrische Energie des StirliQ+ Anlage abzuschätzen. Bezüglich einer realen Umsetzung eine StirliQ-Anlage wurden Rahmenbedingungen erarbeitetet, die für die Integration des StirliQ-Motors in jedem Fall beachtet werden sollten.

Versuche und Optimierung

Für die Laboranlage wurde ein Prozessleitsystem mit Messdatenerfassung entwickelt. Dies umfasste die Visualisierung von Prozess- und Messdaten, ein PID-basiertes Mess-, Regel- und Steuerungskonzept sowie die Erweiterung der Messtechnik durch Soft-Sensor-Strategien. Erste Versuche dienten der Überprüfung der Bauteile hinsichtlich Dichtheit und Leckage. Die am Prüfstand durchgeführte Parameterstudien konnten grundsätzlich die Funktionstüchtigkeit StirliQ-Prozessführung nachweisen und eine Optimierung der Startmasse des Arbeitsmediums zulassen.

Ausblick

Auf Basis der bisherigen Ergebnisse erscheint die Realisierung eines Demonstrationsprojekts grundsätzlich vielversprechend. Chancen liegen insbesondere in der hohen Flexibilität des Systems, seiner Skalierbarkeit und der Möglichkeit, vorhandene Technologien (z. B. Standardwechselrichter) zu nutzen. Herausforderungen und Risiken bestehen vor allem in der Sicherstellung der Langzeitstabilität sowie in der Validierung der Technologie unter wechselnden und realen Einsatzbedingungen.

Projektleitung

4ward Energy Research GmbH

Projekt- bzw. Kooperationspartner:innen

• Prozess Optimal CAP GmbH
• PK Haustechnik GmbH

DI Robert Pratter
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