Der Wanka-Multi-Hybrid-Motor - die effizientere ORC-Alternative


Technische Anlagen können nicht betrieben werden, ohne dass Abwärme entsteht. Abwärme = Energieverlust. Je höher die Temperatur und das Volumen der Abwärme umso größer der Verlust. Abwärme aus Produktionsprozessen und Wärmeerzeugungsanlagen wird in der Regel in die Umwelt entlassen und trägt zur Erderwärmung bei und ist somit umweltschädlich. Energie, die in der Abwärme steckt, kann ab einer gewissen Temperatur genutzt werden.

Das geschieht üblicherweise in einem sogenannten ORC-Prozess. Herkömmliche ORC-Prozesse haben im Allgemeinen einen niedrigen Wirkungsgrad und sind relativ teuer. Sie arbeiten mit Fluiden, die zum Teil umweltschädlich sind und stehen auf der Liste verbotener Fluide bei der EU. Außerdem sind diese Anlagen erst ab Größenordnungen > 100 kW verfügbar.

Den Partnern der EES ist es gelungen, unter Einsatz moderner Technologien eine Wärmekraftmaschine zu entwickeln, die wesentlich preisgünstiger ist und einen höheren Wirkungsgrad (20-36% ab 85°C-900°C) aufweist. Weiterhin benötigt die (Wärmekraftmaschine) für den Betrieb keinerlei schädliche Fluide. Das Verfahren wurde zum Patent angemeldet und ist reif zur Vermarktung.

Durch den Einsatz des Wanka-Multi-Hybrid-Motors kann die Effizienz bestehender und neu zu errichtender Anlagen und Maschinen aller Art, bei denen Wärme oder Abwärme in fast allen Formen anfällt, signifikant erhöht und der Primärenergieverbrauch teilweise neutralisiert werden. Die Anlagen und Maschinen, mit welchen Brennstoffen sie auch immer betrieben werden, arbeiten sparsamer, umweltfreundlicher und zukunftsfester. Die kurze Amortisationszeit von unter 5 Jahren für die Nachrüstung bestehender Anlagen macht den Einsatz des Wanka-Multi-Hybrid-Motors für die Betreiber äußerst lukrativ, senkt sie die Kosten bzw. steigert die Einnahmen.

Funktion

Der Wanka-Multi-Hybrid-Motor arbeitet mit der Erhitzung eines Mediums - Wasser - das seinen Aggregatzustand flüssig / Dampf wechselt und dabei Arbeit verrichtet. Zusätzlich wird der Thermolyse-Effekt ausgenutzt, in dem Wasser in seine Bestandteile, Wasserstoff und Sauerstoff, aufgespalten wird. Dieses Gemisch wird dann gezündet. Die Verdampfung des Wassers erfolgt mit heißer Luft, die wiederum von der Wärmequelle über entsprechende Wärmetauscher erhitzt wurde.
Die Funktion veranschaulicht die nebenstehende Illustration.
Schematische Darstellung der WANKA-Hybrid-Technologie
Schematische Darstellung der Wanka-Multi-Hybrid-Technologie

Wir unterscheiden 3 Phasen des Betriebs:
1. Vorheizphase:
Mit der über das geöffnete Vorwärmeventil strömenden Prozesswärme wird das Wasser im Tank aufgeheizt. Bei Erreichen der Soll-Temperatur wird das Vorwärmeventil geschlossen.
2. Anlassen:
Der Motor wird wie ein normaler Verbrennungsmotor mit einem Anlasser gestartet. Der damit eingeleitete Arbeitszyklus wird danach selbständig wiederholt. Ein Motormanagement steuert die Drehzahl des Motors.
3. Betrieb
Der Motor arbeitet wie ein herkömmlicher Dieselmotor. Er saugt mit Hilfe eines Ventilators die im Wassertank vorgewärmte und in der Aufheizkammer von der Prozesswärme erhitzte Außenluft an und verdichtet sie. Durch die Verdichtung erhöht sich die Temperatur der Luft auf über 1000°C. Zum Zeitpunkt der höchsten Verdichtung wird Wasser aus dem Tank eingespritzt, das sofort verdampft. Durch den Thermolyse-Effekt wird zusätzlich ein Teil des Wassers in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten, der sofort gezündet wird. Beide Ereignisse sorgen für den Vortrieb des Kolbens. Der Abdampf gibt seine Wärme an den Wassertank ab, wird im Demister vom Wasser befreit und in die Atmosphäre entlassen. Der Motor überträgt die Bewegungsenergie über eine Welle an den Generator. Der erzeugte Strom wird in das Netz eingespeist.

Der Motor

3-Scheiben Wankel-Motor von Wankel Supertec GmbH D-Cottbus
3-Scheiben Wankel-Motor von
Wankel Supertec GmbH D-Cottbus
Der Motor des Wanka-Multi-Hybrid-Systems ist ein seit Jahrzehnten und in Millionen von Exemplaren bewährter Kreiskolben-Motor. Der Kreiskolbenmotor, auch als Wankel-Motor bekannt, ist ein Viertakt-Motor mit 3 Kammern, bei dem bei jeder Kolbenumdrehung drei komplette Viertakt-Sequenzen durchlaufen werden. Er kann sowohl als Benzin- als auch als Dieselmotor ausgelegt werden. Nur wird er hier nicht mit Benzin oder Diesel-Treibstoff betrieben, sondern einfach mit heißer Luft und Wasser. An Stelle der hier dargestellten Zündkerzen befinden sich wie beim Diesel Einspritzdüsen, mit denen nach der Komprimierung der heißen Luft Wasser eingespritzt wird, das sofort verdampft und den Kolben antreibt. Der Wirkungsgrad der Wanka-Multi-Hybrid-Motor wurde von einer deutschen, sowie einer französischen technischen Hochschule berechnet und mit 29% ausgewiesen. Damit liegt er bei mehr als dem Doppelten des ORC-Prozesses. Außerdem ist die Wanka-Multi-Hybrid-Motor günstiger herzustellen und ist wegen der fehlenden umweltbelastenden Fluide wesentlich umweltfreundlicher.

Funktion des Wanka-Multi-Hybrid-Motors im Vergleich zum Dieselmotor

TaktAls DieselAls Wärmekraftmaschine
1. AnsaugenUmgebungsluft wird angesaugtErhitzte Prozessluft wird angesaugt
2. Verdichten und EinspritzenDie angesaugte Luft wird komprimiert und erhitzt sich dadurch auf 700-900°C. Im Bereich der höä Verdichtung wird unter hohem Druck Dieselkraftstoff eingespritzt.Die angesaugte Luft wird komprimiert und erhitzt sich dadurch auf über 1000°C. Im Bereich der höä Verdichtung wird unter hohem Druck vorgewärmtes Wasser eingespritzt, das durch den Thermolyse-Effekt in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird..
3. ExpandierenDer Kraftstoff entzündet sich sofort selbst, verbrennt und verursacht einen vielfachen Druckanstieg, der den Kolben weitertreibt.Das Wasser verdampft sofort, dehnt sich dabei auf das 1620-fache Volumen aus, das Wassertoff - Sauerstoff - Gemisch wird gezündet und verbrennt und treibt den Kolben weiter.
4. AusstoßenDas verbrannte Gemisch wird als Abgas ausgestoßen und der Brennraum für den nää Zyklus freigemacht.Der entspannte Dampf wird zur Weiterbehandlung ausgestoßen und der Brennraum für den nää Zyklus freigemacht.

Die Animation zeigt den Funktionsablauf eines Wankel-Motors:




Anwendungsbereiche

1. Geothermie

Hier wird die Erdwärme aus dem Bohrloch, die als überhitztes Wasser bzw. Dampf zur Verfügung steht über einen Wärmetauscher genutzt, um die Verbrennungsluft des WMHM zu erhitzen. Der WMHM treibt einen Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom an. Diese Art der Wärmenutzung ist wesentlich effektiver als herkömmliche ORC-Verfahren. Thermodynamische Berechnungen lassen ideale Umwandlungsgrade von bis zu 35% erwarten, die auch durch das KIT Karlsruher Institut für Technologie ermittelt wurden. Eigene Berechnungen lassen Umwandlungsgrade von 20% bis zu 24% erwarten. Höhere Wassertemperaturen führen zu noch höheren Verstromungseffizienzen. Sehr wichtig für die Bewertung des WMHM-Verfahrens ist aber auch, dass diese Wärme-in-Strom-Umwandlung bei sehr geringem Eigenstrom-Verbrauch erfolgt, was in einer im Vergleich zu bestehenden Verfahren größeren Nettoverstromung entspricht.

2. Nachwärmeverstromung

Hier wird die Nachwärme eines Verbrennungsprozesses über einen Wärmetauscher genutzt, um die Verbrennungsluft des WMHM zu erhitzen, die vom Wankelmotor angesaugt und in der Motorkammer bei hohem Verdichtungsverhältnis auf über 40 bar komprimiert und auf über 1.000°C erhitzt wird. In die komprimierte heiße Luft wird erhitztes Wasser eingespritzt, das sofort verdampft. Außerdem sorgt die hohe Temperatur für eine Thermolyse des Wassers. Das entstandene Gasgemisch aus Abgas, Luft, Wasserstoff und Sauerstoff wird gezündet und verbrennt unter hoher Temperatur. Die dabei resultierende impulsartige Volumenerhöhung generiert eine Druckerhöhungskraft im Motor, die den Rotationskolben antreibt. Das resultierende Luft/Dampfgemisch wird schließlich über Auslassschlitze durch den Rotationskolben aus der Kammer herausgeführt, um die Kammer für den nächsten Zyklus bereitzustellen. Der WMHM treibt einen Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom an. Die Nachwärme zusammen mit der Thermolyse des eingespritzten Wassers sorgen also für eine Leistungssteigerung der Gesamtanlage.

3. Abgasreinigung

In diesem Anwendungsfall wird das belastete, mit Umgebungsluft angereicherte Abgas direkt vom WMHM angesaugt,in der Motorkammer bei hohem Verdichtungsverhältnis auf über 40 bar komprimiert und auf über 1.000°C erhitzt. In die komprimierte heiße Luft wird erhitztes Wasser eingespritzt, das sofort verdampft. Außerdem sorgt die hohe Temperatur für eine Thermolyse des Wassers. Das entstandene Gasgemisch aus Abgas, Luft, Wasserstoff und Sauerstoff wird gezündet und verbrennt unter hoher Temperatur. Dabei werden die Schadstoffe und Rußpartikel im Abgas bis auf einen minimalen Rest unterhalb der gesetzlichen Grenzwerte verbrannt. Dadurch ergibt sich ein Reinigungseffekt, mit dem Stickoxyde, Formaldehyd und andere Schadstoffe eliminiert werden. Als Endprodukt bleibt nur Wasser mit geringfügigen Resten aus der Verbrennung übrig.