Energieerzeugung mit superkritischem CO2

Thermodynamischer Kreisprozess

oder der Hydrogaskreisprozess

kurz HGM ( Hydrogasmotor)

 

 

1. Funktionsmodell aus dem Jahr 2015, gefördert vom Land Bayern zum Nachweis der Umsetzbarkeit / Machbarkeitsstudie des Thermodynamischen Hydrogaskreisprozesses

 

 

 

 

Brennkammer mit Rippenoberfläche und

Rekubrenner, 20 KW thermische Leistung,

gefördert vom Land Bayern im Rahmen

eines Innovationsgutscheines

Teststand 2019

 

Testmotor mit 2 Zylindern

von 50 mm Hubraum auf 80 mm vergrößert

 

Technische Daten

Arbeitstemperatur: 250 bis 550 Grad

Arbeisdruck: 300 bar

Kolbengeschwindigkeit: 1 Hub/Sec.

Thermische Inputleistung: 22 KW

Elektrische Ausgangsleistung : 5-11KW, je nach Temperatur und Druck

Wirkungsgrad je nach Temperatur: zwischen 20 und 50%

 

 

Leistungssteigerung durch Anzahl der Zylinder beliebig erweiterbar

(10 Zylinder ca. 100 KW el.)

 

 

 

 

Testaufbau 2019

Hydraulikmotor von Rexroth, 45 ccm Schluckvolumen

und elektischer Generator ABM 11 KW  / 1500 upm

Stand der Technik 2020

Ein wesentlicher Aspekt für den Erfolg der Energiewende ist neben der Nutzung alternativer Energiequellen auch die dezentrale Kraft-Wärmekopplung mittels BHKWs. Diese sollen sukzessive die abgeschalteten Kernkraftwerke und die Kohleverstromung ersetzen, die bisher die Grundversorgung sicherstellen und Stromschwankungen ausgleichen.

 

Allein die Erhöhung der Effizienz bzw. des Wirkungsgrades der bereits vorhandenen KWK-Anlagen könnte bereits einige klassische Kraftwerke ersetzen.

Obwohl der Gesamtwirkungsgrad dieser Anlagen nur bei Wärmenutzung recht hoch ist, wird dennoch ein möglichst hoher Wirkungsgrad bei der Stromausbeute angestrebt.

Dies passiert einerseits, weil der Fokus zunehmend auf der Stromgewinnung liegt und andererseits, weil es oft Bereiche oder Zeiten gibt, wo eine Wärmenutzung parallel zum Strombedarf nicht erfolgen kann. Nachdem alle bekannten Systeme die Vorgaben nur unzureichend erfüllen, mussten wir neue Wege gehen, um dieses Ziel bestmöglich umzusetzen.

Dabei haben wir auch einen neuen Kreisprozess für Wärmekraftmaschinen entdeckt, der Hauptbestandteil unseres Patentes ist. Dieser arbeitet mit einem nichtidealen überkritischen Arbeitsgas bei Drücken oberhalb von 100 bis 500 bar und macht daher erheblich höhere Wirkungsgrade als bisherige Prozesse erreichbar.

Der nächste entscheidende Schritt für uns ist nun die praktische Umsetzung mithilfe einer speziell dafür konstruierten Maschine, da sich die vorhandenen Systeme dafür nicht eignen.

Um gleichzeitig die Nachteile der bekannten Systeme (insbesondere Stirlingmotoren) zu eliminieren, haben wir eine langsam laufende Hochdruckmaschine mit überkritischem CO2 als Arbeitsmedium und hydraulischer Energieauskopplung über Freikolben als Medientrenner entwickelt, den sogenannten "Hydrogasmotor" (HGM). Dieser arbeitet mit äußerer Verbrennung und kann sehr flexibel mit allen üblichen Brennstoffen (Gas, Biogas, Festbrennstoff, Biomasse) direkt zur Stromerzeugung eingesetzt werden. Er ist auch für die Abgas- Nachverstromung vorgeschalteter KWK-Anlagen einsetzbar, da er schon oberhalb von 200°C sehr effizient arbeitet.

 
 

 

Weniger Wärme – mehr Strom

Der Hauptgrund für den verbesserten Wirkungsgrad der Energieumwandlung liegt darin, dass die Verwendung von CO2 als Arbeitsmedium in einem Hydrogaskreisprozess weniger Aufwand erfordert, um einen bestimmten Wärmeeintrag in Strom umzuwandeln. Im Allgemeinen bedeutet ein erhöhter Wirkungsgrad eine höhere Leistung bei gleichem Wärmeeintrag, unabhängig von der Wärmequelle (Abwärme, Solar, Prozesswärme oder Erdgas). Wenn die Brennstoffkosten einen erheblichen Anteil an den Gesamtkosten ausmachen (flüssig- und erdgasbefeuerte Anlagen), ist der Vorteil die Senkung der Brennstoffkosten.

 

Zu den laufenden Aktivitäten der Nexus GmbH gehören:

  • Nachweis der Lebensfähigkeit vorhandener Komponenten und Materialeignung
  • Anpassung an Betriebsparameter und Anwendungen
  • Integration und Skalierung bestehender Technologien in neue Anwendungen
  • Abgasverstromung, Speicherung von elektrischer Energie als Alternative zu Batterien
  • Sektorenkopplung Photovoltaik / Hydrogasmotor / Speichermedien
  • Entwicklung robuster Betriebsverfahren für den Betrieb an kritischen Punkten
  • Vorbereitung der Lizenzvergabe
 

Vorteile des Hydrogasmotors

Die CO2-Technologie bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber konkurrierenden Systemen:

  • Geringere Größe im Vergleich zum Dampfsystem (dadurch geringere Investitionskosten)
  • Erhöhte Effizienz (dadurch erhöhte Stromproduktion bei gleichem Wärmeeintrag)
  • Schnelle Regelung, teillastfähiges System
  • Extrem langsam laufendes System mit nur 60 upm.
  • Verbesserung der Umweltbilanz durch Reduktion von Treibhausgasen
  • Erhebliche Verringerung des Wasserverbrauchs
  • Trockene Kühlung, geeignet für trockene Umgebungen

Das Video zeigt, wie flüssiges und gasförmiges CO2 erhitzt wird und sich die Phasengrenze zwischen flüssig und gasförmig auflöst. Dieser Zustand wird superkritisches CO2 genannt. © Sebastian Rath/TU Dresden (Datenschutzrichtlinie)

UNIVERSITÄT KASSEL - INSTITUT FÜR PHYSIK                            Kritischer Punkt                                 Experiment

Erklärung Phasenübergang CO2 Im überkritischen Bereich.

 

Überkritisch ist das Gas, wenn es dank Temperatur und Druck einen Punkt überschreitet, an dem seine Eigenschaften zwischen Gas und Flüssigkeit liegen. Es ist dann genauso dicht wie eine Flüssigkeit, hat aber immer noch dieselbe Viskosität wie ein Gas. In diesem Zustand wird das CO2 über den gesamten Prozess gehalten. Es entstehen also keine Verluste wie bei der Umwandlung von Wasser in Dampf und wieder zurück.

 

Da CO2 seinen kritischen Punkt bei 31 °C und 73 bar hat, ist das Gas in der Brennkammer vom Hydrogasmotor überkritisch. Die Dichtewerte von flüssiger Phase und Gasphase gleichen sich an. Der Stoff ähnelt dann in seinen Fließeigenschaften mehr einer Flüssigkeit als einem Gas. Da CO2 eine 2,5-mal höhere Molmasse als Wasser hat, besitzt es als überkritisches Fluid eine deutlich höhere Dichte als Wasserdampf. CO2-Hydrogasmotoren sind daher bei gleicher Leistung um etwa den Faktor fünf kleiner als Dampfturbinen.

 

 

 

Da sich der Hydrogas-Kreisprozess ausschließlich im überkritischen Bereich bewegt, gibt es (im Gegensatz zum Dampfprozess) keine Siedetreppe, wodurch eine fast vollständige Regeneration der Phasenwechsel-Wärmeenergie möglich ist.

Durch die oben genannte Kombination kann die von außen zugeführte Wärme beim Hydrogasmotor viel effizienter und kostengünstiger in Bewegung umgewandelt werden als bei allen bisherigen vorhandenen Wärmekraftmaschinen.