TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Felder und Wellen

WÄrme (II)

Im Jahr 2005 beginnen der Physikprofessor Orest Symko und sein Team an der University of Utah in Salt Lake City ein fünfjähriges Forschungsprojekt mit dem Titel ,Thermal Acoustic Piezo Energy Conversion (TAPEC)’, das maßgeblich von der US-Army mit 2 Mio. $ finanziert wird. Ebenfalls mit an Bord sind Mitarbeiter der Washington State University und der University of Mississippi.

Schon Mitte 2007 kann eine Methode vorgestellt werden, um Wärme zuerst in Schallwellen, und diese anschließend in Elektrizität umzuwandeln. Bei dem letzteren Schritt handelt es sich um eine seit Jahrzehnten bekannte Methode, bei der sogenannte akustische Wärmemotoren (acoustic heat engines, o. thermoacoustic engines, TA) zum Einsatz kommen, die selbst keine  Lärmbelästigung verursachen sollen.

Die Umwandlung von Wärme in Töne fand bei Rijke noch in einem Rohr statt, das etwa einen Meter lang war – viel zu lang für Symkos Zwecke. Um den Prozeß auf einem viel kleineren Raum zu realisieren füllt Symko kleine Röhren, sogenannte Resonatoren, mit einem Material, das eine große Oberfläche aufweist, wobei er mit diversen Materialien wie Metall, Kunststoff, Glasfaser, Baum- und Stahlwolle experimentiert, die er zwischen zwei Wärmetauscher setzt. Die akustischen Schwingungen werden dann zu einem piezoelektrischen Element geleitet, das durch die Schallwellen verformt wird und sie so in Elektrizität umwandelt.

Im Jahr 2009 kann das Team optimierte und miniaturisierte Generatoren von 11 – 18 cm Länge vorweisen, die einen Wirkungsgrad von 40 % erreichen und hocheffiziente Kraftwerke, Autos oder sogar eine neue Generation von Solaranlagen möglich machen könnten. Außerdem stellt die Gruppe den bislang kleinsten akustischen Wärmemotor von nur 1,8 mm Länge her, der zu Clustern zusammengesetzt pro Kubikzentimeter 1 W erzeugt.

Die Zylinder lassen sich dabei so klein bauen, daß sie für Menschen unhörbaren Ultraschall erzeugen. Ein derartiger Generator könnte auch in einen Laptop eingebaut werden, dessen Abwärme dann nicht länger den Schoß des Nutzers erhitzt, sondern den Akku des Computers nachlädt. Die Serienreife soll bereits Mitte 2009 erreicht werden.

Bei den Versuchen stellt sich zudem heraus, daß ringförmige TA-Vorrichtungen doppelt so effizient sind wie zylindrische Geräte, da der Druck und die Geschwindigkeit der Luft in der ringförmigen Vorrichtung immer synchron sind, im Gegensatz zu zylinderförmigen Systemen.

Symko, der auch an einer Reihe von Patenten im Bereich der Dünnschichttechnik beteiligt ist, hatte sein erstes Patent gemeinsam mit weiteren Kollegen der University of Utah bereits 2001 unter dem Titel ,High frequency thermoacoustic refrigerator’ angemeldet (US-Nr. 6.574.968, erteilt 2003; s.a. Nr. 6.804.967 von 2004 sowie, Nr. 7.240.495 von 2007). Weitere Patente in diesem Bereich sind Nr. 8.004.156 von 2011 und Nr. 8.629.600 von 2014. Über praktische Umsetzungen ließ sich bislang nichts finden.

Insbesondere für den Einsatz in ländlichen Gebieten Afrikas und Asiens wird das thermoakustische Prinzip im Rahmen des im Februar 2007 gestarteten multinationalen Projektes ,Stove for cooking, refrigeration und electriciy’ (SCORE) umgesetzt, das hierfür vom britischen Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) mit einer Summe von 2 Mio. £ ausgestattet wird (andere Quellen: 4 Mio. $), und an dem in erster Linie eine Reihe britischer Universitäten beteiligt sind.

Dabei geht es um die Entwicklung eines holzbefeuerten Generators, der außer zum Kochen auch zum Kühlen von Nahrung geeignet ist. Immerhin nutzen noch heute rund 2 Milliarden Menschen offenes Feuer, bei dem etwa 93 % der entstehenden Hitze ungenutzt bleibt.

Beim SCORE-Ofen wird die Wärme nicht nur zum Kochen verwendet, sondern auch zu einem Rijke-Rohr geleitet, das sie in einen Ton umwandelt. Dessen Transformation in Elektrizität bewerkstelligen hier jedoch keine piezoelektrischen Elemente, sondern ein linearer Alternator, der ähnlich wie die im Kapitel Muskelkraft beschriebenen M2E-Geräte funktioniert. Durch die Schallwellen wird ein Magnet innerhalb einer Spule hin und her bewegt und somit ein Strom induziert.

Die Zielvorgaben für den 3.-Welt-Generator lauten: Gewicht 10 – 20 kg, Verbrauch zwei Holzscheite pro Stunde (= 1 kg/h), Leistung 1,6 kW thermisch und 75 - 100 W elektrisch (über Pufferbatterie), Wirkungsgrad über 18 %, Preis rund 30 €. SCORE beabsichtigt zudem, lokale Kräfte auszubilden, um die Herstellung der meisten Komponenten in Werkstätten vor Ort durchzuführen. Die Großproduktion soll ab 2012 beginnen – ins Auge gefaßt sind 1 Mio. Stück pro Jahr. Bis dahin wird auch untersucht, ob Versionen für Brennstoffe wie Dung oder Gas sinnvoll sind.

Grundlegend für die SCORE-Entwicklung sind die thermoakustischen Stirlingmotoren und Kühlgeräte, die im Laufe der vergangenen Jahre am Los Alamos Forschungsinstitut, von der NASA und vom US-Militär entwickelt worden sind (s.o.).

Im Juni 2009 meldet die University of Nottingham als Mitglied des SCORE-Konsortium das erste Patent für ein einfaches und preisgünstiges Herstellungsverfahren mit teilweise sehr dünnen und leichten Materialien an (US-Nr. 20110162827, veröffentlicht 2011).

Ein mit Propan betriebener Herd erzeugt im August 2009 eine Leistung von 19,5 W, was es ermöglicht, LEDs zu betreiben und gleichzeitig ein Mobiltelefon aufzuladen. Die ersten Feldversuche mit dem SCORE-Konzept sollen Anfang 2010 in Nepal beginnen, die Serienproduktion dann 2012.

Tatsächlich ist im Januar 2013 ist zu erfahren, daß in Kenia der erste SCORE-Stove installiert worden sei, gefolgt von der Nachricht im Juli, daß die Technik nun auch von Gurkhas in Nepal angewandt wird.

Im  August 2013 veröffentlichen Artur J. Jaworski und Xiaoan Mao von der University of Leicester, die ebenfalls ein Mitglied des SCORE-Konsortiums ist, einen Bericht über den aktuellen Stand bei der Entwicklung thermoakustischer Geräte für die Strom- und Kälteerzeugung, deren Forschungs- und Entwicklungsarbeit zunächst an der Universität Manchester durchgeführt und anschließend im Rahmen des SCORE-Projekts an die Universität Leicester übertragen wurde.

Dem zufolge haben die Arbeiten zwei Ziele: Zum einen, den frühen Demonstrator eines Low-Power-Stromerzeugers zu entwickeln, der etwa 10 - 20 W Strom liefern soll, und zweitens einen verbrennungsbetrieben thermoakustischen Kühler für die Lagerung von lebenswichtigen medizinischen Gütern in Gebieten ohne Zugang zu Stromnetz. Neben einer Reihe von Demonstrantionsmodellen der Einfachversion und deren Prüfung im Labor erfolgen auch die Planung, der Bau und die Prüfung eines elektrisch betriebenen Demonstrators, bei dem ein thermoakustischer Motor mit stehenden Welle an einen thermoakustischen Kühler mit einer Wanderwelle gekoppelt ist.

Die Autoren berichten zudem von Arbeiten an einer hochskalierten Version des Stromerzeugers, der unter Verwendung einer zweistufigen Motorkonfiguration 100 W Strom liefern soll. Außerdem skizzieren sie die Fragen der Integration des thermoakustischen elektrischen Generators und des thermoakustischen Kühlers in einem einzigen System, die zukünftig von Gruppen weiterverfolgt werden, die sich aus dem ursprünglichen SCORE-Projekt ausgegliedert haben.

Danach scheint aber der ,Ofen ausgegangen’ zu sein, und auch von den eigentlich geplanten 1 Mio. Stück pro Jahr ist kein Sterbenswörtchen mehr zu hören.

Im Oktober 2008 berichten Forscher der Tsinghua University in Peking um Kaili Jiang und Shoushan Fan über die Entwicklung neuer Lautsprecher, die aus dünnen Filmen aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen bestehen. Die nur wenige Dutzend Nanometer dick, sind die Lautsprecher transparent, flexibel, dehnbar und können zudem in jeder beliebigen Form und Größe zugeschnitten werden. Anders als die meisten sonstigen Lautsprecher besitzen die auf Nanoröhrchen basierenden Geräte keine Magnete oder bewegliche Teile.

Hergestellt werden sie, indem man Kohlenstoff-Nanoröhrchen von 10 nm Durchmesser wie Gras auf einem 4-Zoll-Siliziumwafer wachsen läßt. Anschließend werden diese Nanoröhrchen in einen kontinuierlichen Film von bis zu 10 cm Breite und 60 m Länge verwandelt, was genug ist, um bis zu 500 Stück 10 cm² große Lautsprecher zu machen. An dem dünnen Film sind zwei Elektroden angebracht, sodaß bei Anlegen einer sinusförmigen Spannung über den thermoakustischen Effekt ein Ton emittiert wird.

Die Nano-Lautsprecher können auf nahezu jeder Oberfläche montiert werden, einschließlich Wänden, Decken und Fenster – aber auch auf Fahnen und Kleidung.

In einer weiteren Meldung vom September 2013 werden zusätzliche Details bekannt, welche die Akustik-Branche aufschrecken, da die Technologie, den Schall durch Erwärmung und Abkühlung der Luft anstatt durch mechanische Schwingungen zu erzeugen, aller Voraussicht nach zu Lautsprechern und Kopfhörern führen wird, die wesentlich haltbarer sind als traditionelle Modelle, die bewegliche Teile besitzen, um einen Klang zu produzieren. Mehr bewegliche Teile bedeuten aber auch mehr Chancen, daß etwas brechen kann.

Nun stellen die Forscher auch erste Modelle von Kopfhörern vor, die als Leitermaterial Kohlenstoff-Nanoröhrchen nutzen und den thermoakustischen Effekt verwenden um die umgebende Luft zu erwärmen und abzukühlen und dabei Schallwellen zu erzeugen.

Wichtig ist dabei, daß es zwischenzeitlich gelungen ist, das 2008 aufgetretene Problem, daß das Gerät schnell überhitzt und inoperabel wird, zu überwinden. Dies wurde durch die Herstellung eines Silizium-Chips erreicht, der Rillen enthält. Da die Nanoröhrchen in Form von 1 µm dünnen Fäden quer über den Rillen liegen, kann die Wärme durch diese schnell entweichen.

Das nun präsentierte Paar Ohrhörer, in dem die thermoakustischen Chips integriert sind, ist zu diesem Zeitpunkt bereits ein Jahr lang ohne Überhitzung und ohne signifikante Anzeichen von Verschleiß in Betrieb. Die neuen Lautsprecher lassen sich zudem mit niedrigen Kosten in den gleichen Anlagen herstellen, die verwendet werden um Computerchips zu produzieren.

Im März 2010 gibt das Xerox zugehörige Palo Alto Research Center (PARC) den Beginn einer Aktion bekannt, mechanische Kompressoren in Kühlschränken und Klimaanlagen durch thermoakustische Kompressoren zu ersetzen. Während mechanische Kompressoren typischerweise nur etwa 12 % des theoretischen Maximums erreichen, läßt sich diese Effizienz durch thermoakustische Komponenten mindestens verdreifachen. Dabei kann ein derartiger Kompressor potentiell mit 10.000 Zyklen pro Sekunde arbeiten.

Der Technik des thermoakustischen Kopplers kann zu Druckern und Kopierern zurückverfolgt werden, als das PARC (das als internen Labor von Xerox agierte, bevor es 2002 als eigenständige Tochter ausgegründet wurde) Forschungen zur Nutzung von Schallwellen durchgeführt hat, um Tintenstrahltröpfchen für die Fotobildqualität zu konzentrieren. Obwohl die Technologie vielversprechend war, wurde sie von Xerox nicht kommerzialisiert.

Nach Computersimulationen wird am PARC ein grundlegender Prototyp des thermoakustischen Kompressors hergestellt, der für Umgebungstemperaturen konzipiert ist, was als Durchbruch gilt, da es nicht nur Energie sparen, sondern auch den Einsatz von Luft als Kühlmittel ermöglichen kann. Zwei weitere Prototypen in naher Zukunft sollen die Simulationen validieren. Ein im April 2010 eingereichtes Patent ,Thermoacoustic apparatus with series-connected stages’ wird 2013 erteilt (US-Nr. 8.584.471; vgl. Nr. 8.375.729). Als Erfinder werden David Eric Schwartz und Sean Garner genannt.

Ebenfalls im Jahr 2010 entwickelt Paul Montgomery, ein Maschinenbau-Absolvent der Pennsylvania State University, den funktionierenden Prototyp eines kleinen Thermo-Generators, der an einem Ofen angebracht Wärme in Schallwellen und dann in Strom umwandelt.

Mit dem aus einem Lautsprecher und anderen billigen Komponenten konstruierten Gerät  kann ein ,schmutziger’ Holzherd in einen relativ sauberen konvertiert werden – der zudem als Stromgenerator fungiert. Dabei nutzt der Wandler die Resthitze des Ofens, um innerhalb eines Resonators eine Schallwelle mit hoher Amplitude zu erzeugen. Die Welle wird dann über den Lautsprecher im umgekehrten Betrieb geleitet, wobei die gewünschte Elektrizität produziert wird.

Die Vorrichtung ist aus einem Keramikstapel gemacht, der an einem Ende erhitzt, und am anderen gekühlt wird. Der Zellen-Stapel befindet sich in einem länglichen Resonator aus gefalteten Blech mit einem Lautsprecher an einem Ende, wobei die Anordnung der Zellen in Form hohler, rechteckiger Durchlässe der Länge nach entlang dem Resonator verläuft und damit der Luft erlaubt, hin und her zu fließen.

Die Vorteile des 10 W Prototyps sind die projizierten niedrigen Kosten von etwa 25 $, daß er keine beweglichen Teile außer dem Lautsprecher hat, und daß die Konstruktion effizienter zu sein verspricht, als die thermoelektrischen Generatoren, die in ähnlichen Umsetzungen installiert sind. Zudem wird ein Teil der erzeugten Elektrizität zum Betrieb eines internen Lüfters verwendet, der den rußigen Rauch wieder über die Flammen bläst, um die meisten Schadstoffe zu zerstören. Der Lüfter verbessert auch die Effizienz des Ofens, so daß er weniger Brennmaterial verbraucht und schneller kocht.

Montgomery, der sein Studium bei dem o.g. Prof. Steven Garrett absolviert hat, überläßt den Ofen-Prototyp der Folgeklasse. Diese soll nun die Menge an Elektrizität erhöhen, indem anstelle des Lautsprechers ein Wandler mit beweglichen Magneten verwendet wird.

Im Januar 2011 erscheinen Berichte über eine Neuentwicklung der 2006 gegründeten kanadischen Firma Etalim Inc. in Vancouver, deren Technologie ebenfalls auf die o.e. thermoakustischen Entwicklungen am Los Alamos National Laboratory zurückgeht. Das von privaten Venture-Investoren und der Sustainable Development Technology Canada (SDTC) geförderte Unternehmen war ein Gewinner des New Ventures BC Wettbewerbs im Jahr 2009 und wird im Juni 2011 durch die BC Technology Industry Association (BCTIA) als ,vielversprechendste vorkommerzielle Technologie’ ausgezeichnet.

Das erste erteilte Patent ,Thermal acoustic passage for a stirling cycle transducer apparatus’ wird 2010 angemeldet (US-Nr. 9.382.874, erteilt 2016). Als Erfinder werden neben dem Unternehmesgründer Thomas Walter Steiner noch Briac Medard de Chardon und Takao Kanemaru genannt. Daneben laufen noch diverse weitere Anmeldungen (u.a. US-Nr. 20110162362 von 2008; Nr. 20120159943 von 2010; Nr. 20130239564 von 2011 und Nr. 20150247491 von 2013).

Das Startup-Unternehmen hat einen neuen Motor entwickelt, der etwa die Größe eines Basketballs hat und Strom mit der Effizienz einer Brennstoffzelle erzeugen könnte, dabei aber nur etwa so viel wie ein Verbrennungsmotor kostet. Die Vorrichtung teilt einige Prinzipien des Stirling-Motors, wie den wiederholten Expansion-Kontraktion-Zyklus, der Wärme in mechanische Arbeit wandelt, indem er einen Kolben antreibt. Nicht relevant ist dagegen das grundsätzliche Problem von Stirling-Motoren, keine traditionellen Methoden der Abdichtung wie Kautschuk oder Schmierstoff verwenden zu können – sondern nur hochpräzise Metall-auf-Metall-Teile, die dementsprechend teuer sind.

Basierend auf der Thermoakustik gelingt es, beim Etalim TAC (Thermal Acoustic Converter) alle reibenden Teile und Dichtungen zu beseitigen, die anfällig für Verschleiß und Leckage sind. Im Inneren des völlig verkapselten Motors ersetzt eine Platte aus Metall den Kolben eines herkömmlichen Stirlings. Wird auf der Oberseite der Metallplatte unter Druck stehendes Helium erwärmt, verstärkt dies die durch das Gas reisenden Schallwellen, wodurch die Platte vibriert und eine unterhalb angebrachte (und durch eine Kühlschicht aus Helium getrennte) Metallmembran eine Welle nach unten drückt, die mit einem Generator verbunden ist.

Die Schwingung der Platte bewegt die Welle um nur zwei Zehntel eines Millimeters pro Zyklus, so daß mit jedem Zyklus nicht viel Helium bewegt wird. Da der Motor aber schnelle 500 Zyklen pro Sekunde erreicht, läßt sich mehr Leistung aus ihm herausholen.

Der 2010 gefertigte erste Prototyp zeigt zwar, daß das Konzept funktioniert, da jedoch eine relativ geringe Wärme verwendet wird, erreicht seine Effizienz nur 10 %. Ein zweiter Prototyp, der in diesem Frühjahr fertig gebaut werden soll, soll bei 500°C eine Effizienz von 20 – 30 % erreichen. Ein kommerzielles Produkt mit 40 % Wirkungsgrad bei 700°C, wie es die Computermodelle vorhersagen, ist dann für das Jahr 2012 geplant. Dieses soll zunächst als billiger und länger haltender Konkurrent von Brennstoffzellen verkauft werden, die bei KWK-Systemen in Eigenheimen zum Einsatz kommen.

Das Unternehmen glaubt, den Motor für weniger als 1 $/W produzieren zu können, und hat als langfristiges Ziel einen Preis vom 0,15 $/W im Auge (später: 0,30 $/W) – sowie einen Wirkungsgrad von 46 % (42 % elektrisch). Da dies erfordert, die Temperatur auf 1.000°C zu erhöhen, ist die Verwendung von Keramik geplant. Dies würde auch der anvisierten wartungsfreien Lebensdauer von 40 Jahren entgegenkommen. Angedacht wird bereits ein 30 kW System.

Im April 2013 nimmt Etalim einen neuen, HT genannten 1 kW Prototyp in den Testbetrieb, mit dem die Leistungsspezifikationen der Produktebene verwirklicht werden sollen.

Bei den Versuchen, erstmals auch mit Wärme aus einer externen Quelle, erreicht die HT-Version bei einer Temperatur von 700°C eine mechanische Leistung von 860 W Spitze. Zudem wird der HT-TAC in den Prototyp eines Mikro-KWK-Systems integriert und getestet. Außerdem werden ein passender elektromagnetischer Generator mit einem Wirkungsgrad von 88 %, sowie eine Erdgas-Brenner mit 70 % entwickelt. Die trotzdem vom Gesamtsystem erzielte Effizienz von nur 18 % im Vergleich zu dem Ziel von 27 % erfordert allerdings intensive Nacharbeiten.

Im Mai informiert die Firma darüber, daß sie aus der ,ecoENERGY Innovation Initiative’ des kanadischen Ministeriums für Naturresourcen einen Zuschuß in Höhe von 1,4 Mio. $, sowie von Sustainable Development Technology Canada (SDTC) einen weiteren erhalten habe, der sogar 2,95 Mio. $ beträgt.

Aus dem Abschlußbericht vom Mai 2014 ist dann zu erfahren, daß das Projekt, den TAC von seinen Zustand als Laborprototyp zu einer vorkommerziellen Beta-Einheit mit Multi-Brennstoff-Betrieb weiter zu entwickeln, bereits im Januar 2011 gestartet und bis März 2014 gelaufen ist – mit der Projektförderung ab dem Oktober 2012. Daran beteiligten sich mit Bar- und/oder Sachmitteln auch die Firmen IBC Technologies und Union Gas.

Im November 2014 wird Etalim mit einem nicht bezifferten Zuschuß aus dem EUREKA-Programm bedacht, um die Kommerzialisierung der TAC-Technologie für Mikro-KWK auf dem europäischen Markt voran zu bringen.

Der 1 kW HT-Prototyp erreicht im Juni 2015 einen thermischen Wirkungsgrad von 28,5 %. Nun beginnen die Arbeiten an der endgültigen Produktversion H10, die eine noch höhere Leistung verspricht. Tatsächlich wird damit bereits im Dezember ein Wirkungsgrad von 30 % demonstriert. Nun plant das Unternehmen gemeinsam mit seinen nicht genannten europäischen Partnern im ersten Halbjahr 2017 Feldtests durchzuführen, um im zweiten Halbjahr mit der kommerziellen Produktion zu beginnen.

Der Einsatz von thermoakustischen Generatoren, die von Radioisotopen beheizt werden, wird Ende 2012 von den beiden Unternehmen Airbus Defence & Space und Airbus Group Innovations sowie dem französischen Entwicklungslabor HEKYOM vorgeschlagen.

Dieses war 2002 von Prof. Maurice-Xavier Francois in Orsay gegründet worden, der sich schon seit 1995 mit der Thermoakustik befaßt. Gemeinsam mit Emmanuel Bretagne meldet er 2005 das Patent für eine ,Acoustic Power Transmitting Unit for Thermoacoustic Systems’ an (US-Nr. 20080276625, veröffentlicht 2008; Priorität: FR-Nr. 0404773 von 2004).

Nicht ganz klar ist, warum das völlig identische Patent ein weiteres mal 2005 angemeldet wird, und zwar diesmal von der Université Pierre et Marie Curie sowie dem Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Paris, und warum es dann erst neun Jahre später veröffentlicht wird (US-Nr. 8.640.467, erteilt 2014).

Die Partner untersuchen in ihrer selbst finanzierten Studie die mögliche Verwendung eines solchen Generatortyps für Weltraummissionen, da er gegenüber anderen – wie den existierenden Thermoelement-basierten Systemen oder dem vorgeschlagen Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG) – zumindest theoretisch über leichte Vorteile verfügt. Mehr Informationen über die letztgenannten Umsetzungen finden sich unter Nuklearbatterie.

Die von HEKYOM patentierte Architektur des thermoakustischen Motors, die für diese Projekte vorgeschlagen wird, erlaubt den Bau eines TA-Motors vom Stirling-Typ ohne die üblichen Nachteile eines herkömmlichen Wanderwellen-Motors, der in der Regel eine sperrige und schwere schlaufenartige Maschine ist.

Konkret werden zwei verschiedene Einsatzfälle analysiert: ein Telekommunikationssatellit in einer geostationären Umlaufbahn mit einem elektrischen Leistungsbedarf von 40 kW, sowie eine Mission zur Erforschung des tiefen Alls, deren elektrischer Leistungsbedarf 100 W beträgt. Mit dem Ziel, die hohe Effizienz der neuen Architektur für Hochtemperaturanwendungen zu demonstrieren, entwickeln die Partner gemeinsam einen entsprechenden thermoakustischen Motor, der für einen Temperaturbereich von 400 – 1.000°C ausgelegt ist. Über einen Prototypen als Konzeptnachweis, der im Jahr 2013 entwickelt und gebaut wird, scheint das Projekt bislang aber nicht hinausgekommen zu sein.

Im Dezember 2012 startet an der University of Glasgow in Großbritannien ein Dissertationsprojekt über dreieinhalb Jahre zum Thema ,Energieernte aus Motorabgasen mit einem thermoakustischen Generator’.

Abgase sind für Energy-Harvesting-Anwendungen sehr attraktiv, da der thermische Wirkungsgrad von modernen Verbrennungsmotoren nur 20 – 40 % beträgt, wobei ein typischer Mittelklassen-Personenkraftwagen unter städtischen Verkehrsbedingungen schätzungsweise 29 % der Wärmeenergie aus der Kraftstoff-Verbrennung im Motor über die Abgase, und weitere 33 % durch das Kühlwasser und die Wärmeabstrahlung verliert. Dabei liegt die Temperatur der Abgase je nach Motortyp und Betriebsbedingungen zwischen 500°C und 900°C.

Um die Technologie der thermoakustischen Nutzung von Abgasen zu kommerzialisieren, sollen in dem Projekt einige der verbleibenden fundamentalen und technischen Herausforderungen angegangen werden, wobei zunächst ein verbessertes Modell entwickelt wird, um das Gesamtsystem zu optimieren – und insbesondere der Kopplungsmechanismus zwischen dem thermoakustischen Motor und der linearen Lichtmaschine. Anschließend will man sich auf die Optimierung des Wärmetauschers konzentrieren, der Wärme aus den Abgasen extrahiert.

Im Laufe dieses Projekts soll auch der  Prototyp eines solchen thermoakustischen Generators gebaut und getestet werden, um zur weiteren Verbesserung der Modellierung die experimentellen Ergebnisse mit den vorausgegangenen Simulationen zu vergleichen. Leider ließ sich bislang nicht das Geringste über den Fortschritt dieses Projekts finden.

Daß das Thema Thermoakustik zunehmend an Interesse gewinnt, belegt das 1.  Internationale Workshop über Thermoakustik, das im Jahr 2013 im niederländischen Den Bosch abgehalten wird. Bereits im Mai 2014 folgt an der Sendai Tohoku Universität in Japan der 2. Workshop, während der 3. im Oktober 2015 wieder in den Niederlanden an der Universität Twente stattfindet.

Im Oktober 2013 gewinnt das Projekt ,Waste Heat Smartly: Thermoacoustic Technology’ den zweiten Platz beim renommierten Wettbewerb ,EDP University Challenge 2013’, der von der Firma EDP Renewables in Spanien gesponsert wird.

Die vier Studenten Burkhard Hauck, Heny Kusumawardani, Davide Lora und Daniel Negrin von der Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) setzen sich mit ihrem Konzept gegen mehr als 80 konkurrierende Projekte durch: Die Verwendung eines thermoakustischen Motors um die Abwärme von Fahrzeug zurückzugewinnen und Strom zu erzeugen. Details darüber gibt es allerdings nicht zu erfahren.

Im Dezember 2013 erscheinen die ersten – und bislang auch letzten – Berichte über das von den zwei Stanford-Professoren James Gibbons und Lambertus Hesselink gegründete Startup Nirvana Energy Systems Inc. in Portola Valley, Kalifornien, das sich mit der Entwicklung eines kostengünstigen Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung-Systems (μ-KWK) für den Heimgebrauch beschäftigt, das Gas in Strom umwandelt und für die Erwärmung des Brauchwassers und die Raumheizung sorgt.

Der Thermo Acoustic Power-Stick (TAPS) basiert der Firma zufolge teilweise auf der von Xerox PARC entwickelten und von der NASA weiter verfeinerten Technologie (s.o.), die nun exklusiv an die Nirvana Energy lizenziert worden sei. Hauptinvestor in das Unternehmen, dessen F&E-Einrichtung sich in Cleveland, Ohio, befindet, ist die Floodgate aus Palo Alto.

Die TAPS-Technologie sei ruhig und vibrationsfrei und kann daher in der Küche, im Keller oder auf dem Dachboden plaziert werden, wobei das rund 25 kg wiegende Gerät nur 80 cm lang ist und einen Durchmesser von 20 – 25 cm hat. Ohne den Bedarf an Wartung und Instandhaltung soll die Lebensdauer mehr als 15 Jahre betragen. Der TAPS soll 1 – 4 kW elektrische, und 15 – 30 kW thermische Leistung produzieren, und dies mit einer Systemeffizienz von mehr als 90 %. Zudem sollen mehrere TAPS über das Internet vernetzt und zu einem dezentralen, virtuellen Kraftwerk verbunden werden.

Nirvana gibt zwar bekannt, daß man das gesamte Jahr 2014 über Tests durchführen wird, um sich dann der Zertifizierung und anderen regulatorischen Anforderungen zu widmen. Dies scheint bislang aber noch nicht abgeschlossen worden zu sein (Stand 2016).

Ein großer Durchbruch bei der solar-thermoakustischen Stromerzeugung wird im April 2014 bekanntgegeben. Die 2009 gegründete Firma Qnergy – eine Tochtergesellschaft der israelischen Firma Ricor Cryogenic & Vacuum Systems, die sich seit 1967 mit Stirling-Geräten beschäftigt – stellt auf ihren Testfeld in Ogden, Utah, einen neuen Weltrekord auf, indem die Schallwellen in ihrem thermoakustischen Generator, die durch Sonnenwärme erzeugt werden, eine elektrische Leistung von 1 kW liefern. Mehr darüber findet sich unter Stirling-Motor.

Im Dezember 2014 ist zu erfahren, daß die Stanford University acht Initiativ-Zuschüsse von insgesamt etwa 1,5 Mio. $ erhält – wobei einer davon für ein Projekt gedacht ist, bei dem ein miniaturisierter thermoakustischer Motor entwickelt werden soll, der die Abwärme von Computern und anderen elektronischen Geräten konvertiert.

Die Forscher Lambertus Hesselink, Jeffrey Lin und Carlo Scalo, letzterer von der Purdue University, wollen zuerst die Machbarkeit eines derartigen Miniatur-Motors beurteilen, um anschließend das Design der vorläufigen Version eines Geräts entwickeln, das mindestens 20 % der Abwärme wieder hereinzuholen kann. Motiviert wird das Team von der Berechnung, daß eine solche Technologie bei voller Kommerzialisierung allein in den USA pro Tag 6 Mio. $ an Stromkosten einsparen könnte.

Das Team berichtet im November 2015, daß es die erste High-Fidelity-Navier-Stokes-Simulation eines kompletten thermoakustischen Motors mit piezoelektrischer Energieextraktion durchgeführt habe. Das Modell umfaßt einen 51 cm langen zylindrischen Resonator, der an einem Ende einen thermoakustischen Stapel enthält, und am anderen Ende mit einer piezoelektrische Membran aus PZT-5A bedeckt ist, die auf die Frequenz des thermoakustisch-verstärkten Modus von 388 Hz abgestimmt ist. Über praktische Umsetzungen ist noch nichts bekannt.

 

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