Direkte Drucklufterzeugung aus Abwärme mit oszillierenden Thermokompressoren

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Hans-Detlev Kühl
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 388388693

Druckluft ist einer der bedeutendsten, aber zugleich auch teuersten technischen Energieträger, da der Wirkungsgrad von der Erzeugung bis zum Endverbrauch aufgrund der Verkettung diverser Umwandlungs- und Übertragungsverluste typischerweise nur ca. 5% beträgt. Daher verspricht eine zumindest anteilige Substitution der herkömmlichen Drucklufterzeugung mit elektrisch angetriebenen Verdichtern durch andere, bezüglich Primärenergieverbrauch günstigere oder sogar neutrale Technologien erhebliche Einsparungen sowohl unter wirtschaftlichen als auch unter umweltpolitischen Aspekten.Gegenstand dieses Projektes ist daher die direkte Erzeugung von Druckluft aus Wärmeströmen – vorzugsweise aus Abwärme – durch eine Kaskade sog. oszillierender Thermokompressoren. Das zugrundeliegende Prinzip der thermischen Kompression ist prinzipiell vom Stirling-Prozess schon lange bekannt und wurde bereits 1935 in den USA als „Bush Thermocompressor“ patentiert, jedoch bislang nur für wenige Nischenanwendungen im Niederdruckbereich verfolgt. Es wird vorteilhaft durch doppelseitig wirkende Verdrängerkolben realisiert, die das Prozessgas – in diesem Fall die zu verdichtende Luft – zwischen einem „heißen“ und einem „kalten“ Zylinderraum bei konstantem Gesamtvolumen periodisch über einen Regenerator (im Idealfall reversibel) verschieben und so Druckschwankungen hervorrufen. Über Rückschlagventile kann so Druckluft ohne Umwege über elektrische oder mechanische Energie unter Nutzung eines verfügbaren Wärmestroms sehr direkt und effizient erzeugt werden. Um mit einer solchen Maschine technisch nutzbare Druckniveaus zu erreichen, ist die Reihenschaltung in einer Kaskade notwendig, die sich kostengünstig trotz der vom Anfangs- bis zum Enddruck stark veränderlichen Zustandsgrößen der Luft durch eine Kombination baugleicher Einheiten realisieren lässt. Als weitere Vereinfachung finden sog. übersteuerte Freikolben Anwendung, die sich ohne externe Hilfsenergie selbsttätig bewegen.In einem ersten Projektabschnitt wurde hierzu eine Möglichkeit ausgearbeitet, eine Stufe einer solchen Kaskade mit Hilfe analytischer und numerischer Modelle zu berechnen und auszulegen. Hierzu wurden die bislang vorwiegend für geschlossene regenerative Gaskreisprozesse entwickelten theoretischen Grundlagen und Simulationswerkzeuge auf dieses bislang wenig untersuchte Gebiet der offenen, ventilgesteuerten Prozesse übertragen. Am Ende des ersten Projektabschnitts stehen schließlich erste Vorversuche mit einer einzelnen, zu diesem Zweck konstruierten, experimentell variablen Verdichterstufe.Ziel der beantragten zweiten Projektphase ist es, aufbauend auf den Erkenntnissen dieser Vorversuche, eine Kaskade aus mehreren Stufen zu realisieren. Diese soll mit temperierten Wärmeträgerkreisläufen beheizt bzw. gekühlt werden, um die erwarteten Selbstregelungseigenschaften beim Betrieb einer solchen Anlage zu untersuchen, zu optimieren und mit Ergebnissen aus analytischen Überlegungen und Simulationen zu vergleichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen