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Schukey-Technik revolutioniert Thermodynamik

Die Schukey-Technologie ist eine völlig neue Schlüsseltechnologie, deren Innovationspotenzial durchaus mit der Dampfmaschine oder dem Ottomotor vergleichbar sein könnte. Eine Schukey-Maschine kann durch einfache Modifikation zur Wärme- oder Kälteerzeugung genutzt werden und selbst aus niedrig-enthalpischer Wärme Strom produzieren. Durch einen einfacheren Aufbau und geringere Anschaffungs- als auch Betriebskosten macht sie damit insbesondere der ORC-Technik Konkurrenz. Vielversprechende Anwendungsbeispiele der Schukey-Technik ergeben sich z. B. in der Abwärmeverstromung von Schiffsdieselmotoren, zur Effizienzsteigerung von Blockheizkraftwerken, in Kombination mit Solarthermie und zur solaren Kälteerzeugung und Klimatisierung.

Schukey-Technik revolutioniert Thermodynamik (Foto: Volker Bergholter)

Schukey-Technik revolutioniert Thermodynamik (Foto: Volker Bergholter)

Vorteile der Schukey-Technologie

Mit Hilfe der Schukey-Technologie kann die Energieeffizienz und damit der Energieverbrauch nahezu jeder Abwärme erzeugenden Anlage und Maschine um zweistellige Prozentsätze verbessert werden. In dem gleichen Maße wie die Energieeffizienz steigt, sinken die CO2-Emissionen. Klima- und Kälteanlagen mit Schukey-Technologie kühlen direkt die Umgebungsluft. Sie benötigen daher keine chemischen Kältemittel. Die Schukey-Technologie kann weltweit in zahlreichen Einsatzgebieten konventionelle Energieumwandlungsmaschinen und Kältekompressoren als die wirtschaftlichere und umweltverträglichere Technologie ersetzen. Es können Einsatzgebiete erschlossen werden, für die es bisher keine technische Lösung gab wie z. B. die Elektrizitätsgewinnung aus Niedertemperaturabwärme oder der Elektrizitätsgewinnung und Kälteerzeugung mit thermischen Solaranlagen.

Funktionsweise einer Schukey-Maschine

Eine Schukey-Maschine ist eine Verdrängermaschine. Sie arbeitet nach einem Drehkammerschwingsystem. Das bedeutet, dass sich in einem gemeinsamen Gehäuse zwei Rotoren kreisförmig in eine Richtung mit zyklisch sich ändernden Geschwindigkeiten so zueinander drehen, dass zwischen den Rotoren Kammern entstehen, die das darin befindliche gasförmige Medium sowohl komprimieren als auch expandieren können. Diese Bewegung wird durch zwei jeweils einen Rotor antreibende Getriebe realisiert. Der Ein- und Auslass des Mediums erfolgt über mechanisch gesteuerte Schlitze, über die auch das Kompressions- und Expansionsverhältnis gesteuert werden kann. Somit kann eine Schukey-Maschine mit wenigen Modifikationen zu einer reinen Expansionsmaschine, zu einer kombinierten Kompressions- und Expansionsmaschine oder zu einer Kompressionsmaschine werden. Als reine Expansionsmaschine wandelt sie Wärmeenergie in Bewegungsenergie um, als Kompressions- und Expansionsmaschine ist sie ein Kälte- bzw. Klimaaggregat oder eine Wärmepumpe, als Kompressionsmaschine ist sie ein Kompressor.

Verstromung von Niedertemperatur-Abwärme

Innerhalb einer Schukey-Maschine befinden sich Kompressions- und Expansionsmaschine sowie die Getriebe in einem gemeinsamen Gehäuse. Geringe innere Widerstände führen so zu einem hohen Gütegrad und energieverbrauchende Nebenaggregate wie z. B. Ventile, Nockenwelle oder Steuerkette werden überflüssig. Insgesamt besteht das Aggregat der Schukey-Maschine aus nur 50 Einzelteilen. Nur 15 davon sind bewegt und führen nur Rotationsbewegungen in einer Richtung aus. Zudem findet keine innere Verbrennung statt, sodass jede Form von Wärme wie z. B. Abwärme und Solarthermie in Bewegungsenergie und damit auch in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Darüber hinaus zeigen Schukey-Maschinen als Verdrängermaschinen ein exzellentes Teillastverhalten auch bei stark schwankender Wärmezufuhr. Gerade diese Eigenschaften machen die Schukey-Technologie überall da einsetzbar, wo etwa entsprechend den Produktionsbedingungen unterschiedlich hoch temperierte Abwärmeströme mit zeitlichen Unterbrechungen eine wirtschaftliche Verstromung mit Technologien wie z. B. dem Organic Rankine Cycle (ORC) sonst nicht möglich war. Bereits ab rund 120 °C und weniger als 1,2 bar kann eine Energieumwandlung u.a. im Gas-Prozess, Dampfkraft-Prozess und Joule-Prozess stattfinden.

Anwendungsbeispiel 1: Abwärmenutzung von Schiffsdieselmotoren

Anhand der Konstruktions- und Betriebsdaten typischer Containerschiffe von 2.800 bis ca. 8.000 TEU (Twenty-foot Equivalent Unit) mit Antriebsleistungen von 37 MW bis knapp 70 MW wurde die Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit der Schukey-Technologie untersucht. Unter den gegebenen Bedingungen kann eine Kraftstoffeinsparung von 10,3% erzielt werden. Der mit Hilfe der Schukey-Technologie erzeugte elektrische Strom wird in das Bordnetz eingespeist. Die erzeugte Strommenge ist dabei wesentlich größer als der Verbrauch für die Containerkühlung. Am Beispiel eines 8.000 TEU-Schiffes können jährlich knapp 7.400 ts Schweröl eingespart werden. Dies entspricht bei einem Bunkerölpreis von 400 $/t einer jährlichen Kosteneinsparung von knapp $ 3.000.000. Die Investition in Höhe von ca. $ 2.500.000 amortisiert sich dabei innerhalb eines Jahres. Durch die Steigerung der Brennstoffeffizienz sinkt der CO2 Ausstoß des o.g. 8.000 TEU-Schiffes um jährlich 24.000 t. Der flächendeckende Einsatz der Schukey-Technologie im Schiffsverkehr könnte mehr als 14 Mio. t Treibstoff jährlich einsparen und die CO2-Emissionen um jährlich ca. 46 Mio. t senken. Das ist drei Mal soviel wie durch den Ersatz von "Glühbirnen" durch Energiesparlampen in ganz Europa.

Anwendungsbeispiel 2: Effizienzsteigerung von Blockheizkraftwerken

Die Abwärme eines Blockheizkraftwerks wird vielfach zur Wärmeversorgung genutzt. Ein wesentlich besserer Nutzungsgrad des BHKW kann sich jedoch durch den Einsatz eines Schukey-Motors zur Stromproduktion aus der entstehenden Abwärme bieten. In einem Synthesegaserzeuger nach dem Dampfreformationsverfahren und einem gasmotorbetriebenen BHKW könnte der Einsatz der Schukey-Technologie die elektrische Leistung um 100 kW von 275 kW auf 375 kW steigern. Bei einer Primärenergiezufuhr von 1 MW steigt der elektrische Wirkungsgrad von 27,5% auf 37,5%. Dies könnten sonst nur wesentlich größere Kraftwerke erreichen. Bei jährlich 7.800 Betriebsstunden erzeugt diese Anlage dann zusätzlich 780.000 kWh elektrischen Strom. Wirtschaftlichkeitsberechnungen ergeben, dass die Aus- oder Nachrüstung eines BHKW des o. g. Typs dessen Elektrizitätszeugungskosten auf ca. 12,1 Ct./ kWH sinken lässt. Damit ist das BHKW auch ohne Einspeisevergütung wirtschaftlich zu betreiben.

Anwendungsbeispiel 3: Solarthermische Nutzung der Schukey-Technologie

Solarthermie-Kraftwerke gewinnen insbesondere in südlichen Ländern an Bedeutung. Die derzeit realisierten und geplanten Vorhaben sind jedoch ausschließlich Großkraftwerke mit einer elektrischen Leistung bis zu mehreren 100 MW. Mit der Schukey-Technologie könnte mittels handelsüblicher Vakuumröhrenkollektoren mit einer Kollektorfläche von 40m2 eine Leistung von 2,5 bis 5 kWel abgegeben werden. Je nach Bedarf wird dann entweder Strom produziert oder ein Gebäude klimatisiert. Eine solarthermische Anlage dieser Größenordnung deckt zusätzlich ca. 77% des Wärmebedarfs eines durchschnittlichen Einfamilienhauses. Lediglich im Umfang von weniger als ca. 2.000 kWh muss jährlich zusätzlich beheizt werden. Erfolgt dies elektrisch, wird neben der Solarthermie kein zweites Heizsystem benötigt. Mit diesem Prinzip könnten solarthermische Heizkraftwerke mit Schukey-Technologie auch in unseren Breiten wirtschaftlich betrieben werden und in Gebieten mit höherer Sonneneinstrahlung der gesamte Energiebedarf einschließlich der Klimatisierung gedeckt werden. Die Stromerzeugungskosten lägen in unseren Breiten in der Größenordnung des Netzbezuges, in sonnenreicheren Gegenden ließen sie sich etwa halbieren.

Anwendungsbeispiel 4: Solare Kälte und Klimatisierung

Den weltweit rasant wachsenden Markt für Klima- und Kältetechnik dominieren zurzeit noch Kompressorkälteanlagen. Ihre Nachteile sind u. a., dass sie für ihren Betrieb elektrischen Strom und chemische Kältemittel benötigen. Letztere sind bekanntermaßen umweltschädlich und/oder gefährlich; und nicht überall, wo Klimatisierungsbedarf besteht, ist die Versorgung mit elektrischem Strom gesichert. Mit Schukey-Technologie betriebene Klima- und Kälteanlagen wandeln Wärme z. B. aus Solarthermie in Kälte um, ohne dafür elektrischen Strom und ein chemisches Kältemittel zu benötigen, denn gekühlt wird direkt die Umgebungsluft ohne einen getrennten Kühlmittelkreislauf. Eine Schukey-Maschine als Wärme-Kraftmaschine wandelt die mit Hilfe einer thermischen Solaranlage gesammelte Wärme in zunächst in Bewegungsenergie um, die dann eine zweite Schukey-Maschine, ausgelegt als Klimamaschine, mechanisch antreibt. Die zweite Schukey-Maschine ist Bestandteil einer Klimaanlage, die direkt die Umgebungsluft kühlt. Wird keine Klimatisierung benötigt, liefert die solarthermische Anlage elektrischen Strom und speist diesen ein. So kann Solarenergie zur Klimatisierung genutzt werden und die Gesamteffizienz einer solarthermischen Anlage steigt, weil sie auch dann Nutzenergie in Form von Kälte liefert, wenn kein oder nur geringer Wärmebedarf besteht. Kälte aus Solarwärme ist mit Schukey-Technologie zu etwa der Hälfte der üblichen Kosten zu produzieren.

Für weitere Informationen steht Ihnen hier das Executive Summary "Markteintritt der Schukey-Technologie" des aktuellen Geschäftsplans der Thermodyna Maschinen und Anlagen GmbH zum Download zur Verfügung.

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"Schukey-Technik revolutioniert Thermodynamik" wurde am 25.01.2013 verfasst