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Wissenschaft in Unternehmen: Heißer Dampf aus kalter Flamme



Die Dampfmaschin’, dat iss enne jroße schwarze Kasten …«, so beginnt die wohl legendärste Erklärung der universalen Kraftmaschine des 19. Jahrhunderts, vorgetragen in Heinrich Spoerls heiterem Roman »Die Feuerzangenbowle«. Als seine Verfilmung 1944 die Heimatfront bei Laune hielt, war aber längst auch die Welt der Dampfmaschine nicht mehr heil. Zwar entstand noch 1941 das größte Exemplar und lieferte 22000 Kilowatt, doch Elektrogeneratoren und Verbrennungsmotoren für Benzin und Diesel hatten der einstigen Hochtechnologie längst den Rang in Fabriken und Transportwesen abgelaufen.

Dementsprechend überrascht war die Kraftwerks- und Automobilbranche, als die renommierte Berliner Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr (IAV) in den 1990er Jahren eine moderne Form der Dampfmaschine entwickelte, die sowohl im Blockheizkraftwerk (BHKW) als auch im Kraftfahrzeug den Benzin- oder Dieselmotor ersetzen soll.

»Die Dampfmaschine mag auf den ersten Blick nostalgisch anmuten, aber sie verbrennt ihren Kraftstoff kontinuierlich, und ein solcher Prozess lässt sich heutzu­tage so genau steuern, dass kaum noch Schadstoffe frei werden!«, erklärt IAV-­Manager Burkhard Heise. Demgemäß firmierte dieses Projekt in der Machbarkeitsstudie als Zero Emission Engine (ZEE). Seit wenigen Monaten vermarktet die aus der IAV hervorgegangene Enginion AG eine Weiterentwicklung unter dem Namen SteamCell.

Am Grundprinzip der Wärmekraftmaschinen hat sich nichts geändert: Ein Energieträger verbrennt und erhitzt Wasserdampf, dieser dehnt sich aus und setzt ­einen Kolben in Bewegung. Der Kolben treibt dann einen Stromgenerator oder ein Fahrzeug an. Wesentlicher Unterschied: der geschlossene Kreislauf für das umweltfreundliche Arbeitsmedium Wasser beziehungsweise Wasserdampf. Anders als bei üblichen Verbrennungsmotoren kann so kein Schmieröl versickern oder verbrennen. Die moderne Dampfmaschine verwertet die zugeführte Energie zudem wesentlich effektiver als ihre Vorfahren; ein ZEE-Pkw-Motor mit drei Zylindern erreichte in Tests das Niveau eines Diesel-TDI-Motors mit Hochdruckeinspritzung.

Bei den Motoren erfolgt die Umsetzung der thermischen Energie in einem dicht gepackten Bündel aus Verdampferrohren. Mit einem Druck von bis zu 500 Bar strömt der nun heiße Dampf in den Zylinder und verrichtet dort seine mechanische Arbeit. Anschließend gibt er in einem Wärmetauscher seine Restenergie ab, bevor er im Kondensator wieder flüssig wird. Die Restenergie dient zur Vorwärmung des Wassers.

Die Expansion im Hubraum erfolgt durchgängig bei einer Dampftemperatur von mehr als 500 Grad Celsius. Weder Öl noch Wasser kommen deshalb als Schmiermittel für den Kolben in Frage. Vielmehr sorgen spezielle Beschichtungen und Oberflächenstrukturen für eine möglichst verlustarme Trockenreibung zwischen einander berührenden Teilen.

Die Machbarkeitsstudie hat gezeigt, dass sich ein solcher 50-Kilowatt-Motor in ein konventionelles Fahrzeug integrieren lässt. Die Kosten sollen bei Serienfertigung nur wenig über denen vergleichbarer Otto- oder Dieselantriebe liegen.

Leise rasen die Kolben

Vorläufig konzentriert sich Enginion mit seiner SteamCell auf den zweiten Anwendungsbereich: den Einsatz im BHKW. Kaum größer als ein PC, erzeugt diese Dampfmaschine bis zu 25 Kilowatt Wärmeleistung und sechs Kilowatt elektrischer Leistung – genug, um ein Einfamilienhaus mit Strom und Wärme zu versorgen. Obwohl sich im Innern Kolben bewegen, macht die SteamCell nach Herstellerangaben kaum ein Geräusch.

Benzin und Erdgas verbrennt die Maschine ebenso gut wie Rapsöl und Biogas. Zu diesem Zweck entwickelten die Ingenieure in Kooperation mit Wissenschaftlern des Öl-Wärme-Instituts Aachen einen Vergaser, der das Prinzip der »Kalten Flamme« nutzt. Mischt man Öl mit Luft, die zwischen 300 und 450 Grad Celsius warm ist, so findet eine chemische Reaktion statt, bei der langkettige Kohlenwasserstoffmoleküle in kürzere zerlegt werden. Bis zu zehn Prozent der im Brennstoff gebundenen Energie wird dabei freigesetzt, sodass der Vorgang bei etwa 480 Grad Celsius ohne weitere Energiezufuhr in Gang bleibt. Der so vergaste Kraftstoff verbrennt anschließend ohne sichtbare Flamme in einem Porenbrenner. Dessen Poren sind zwar groß genug, um eine thermische Reaktion zu erlauben, andererseits aber zu klein, um eine Flammenfront entstehen zu lassen.

Die Temperaturen liegen dabei um 1200 Grad Celsius, also unterhalb der Grenze, bei der sich Stickoxide bilden. Die SteamCell erfordert somit keinerlei Abgasbehandlung oder Katalysatoren. Sie emittiert zehnmal weniger Schadstoffe als konventionelle Heizungsbrenner und sogar hundertmal weniger als ein Pkw mit Abgaskatalysator. Außerdem lässt sich der Brenner im gesamten Leistungsbereich binnen Zehntelsekunden regeln.

Schon Ende 2004 soll diese Anwendung Serienreife erreichen, 2005 die Produktion starten. Dann wird der Preis einer SteamCell voraussichtlich bei 4000 bis 5000 Euro liegen – und damit sogar konkurrenzfähig zu konventionellen Heizkesseln sein.

Das Unternehmen im Profil


Die Berliner »Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr (IAV)« ist ein Ingenieurbetrieb mit rund 2000 Mitarbeitern. Der Jahresumsatz liegt bei knapp über 150 Millionen Euro. Als Management-Buy-Out entstand die Enginion AG. Die IAV entwickelt Motoren und Fahrzeugkonzepte bis zur Serienreife. Zu den Gesellschaftern zählen beispielsweise Volkswagen, Siemens und Freudenberg. Wichtigste Betätigungsfelder sind die Fahrzeugtechnik, der Komplex Motor/Antrieb sowie die Automobilelektronik. Am ZEE-Projekt waren verschiedene Unternehmen sowie der Lehrstuhl für Strömungsmechanik der Universität Erlangen und das Institut für Mineralogie der FU Berlin beteiligt.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 2003, Seite 92
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
1 / 2003

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 1 / 2003

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