Der Hydrogasmotor
Der Hydrogasmotor 

Energieerzeugung mit superkritischem CO2

Thermodynamischer Kreisprozess – oder der Hydrogaskreisprozes

kurz HGM ( Hydrogasmotor)

 

 

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

 

 

 

 

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 zukzessive 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.

Einmal weil der Fokus zunehmend auf der Stromgewinnung liegt und 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 nichtidealem überkritischen Arbeitsgas bei Drücken oberhalb 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 Stirlingmotore) zu eliminieren, haben wir eine langsamlaufende 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 er auch für die Abgas- Nachverstromung vorgeschalteter KWK-Anlagen einsetzbar. da er schon oberhalb von 300°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 Hydrogas Kreisprozess 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, Prozesswäre 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 el. Energie als alternative zu el 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 (geringere Investitionskosten)
  • Erhöhte Effizienz (dadurch erhöhte Stromproduktion bei gleichem Wärmeeintrag)
  • Schnelle Regelung teillastfähiges System
  • Extrem langsam laufendes System nur 60 upm.
  • Umweltverbesserung 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 PHYSIKKritischer 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  Hydrogasmotorr 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-Hydrogas-Motore 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 Hydro Gas Motor viel effizienter und kostengünstiger in Bewegung umgewandelt werden, als bei allen bisherigen vorhandenen Wärmekraftmaschinen.