Heat 2 Power-Engine []

Stationärer Temperaturverlauf mit hohen Temperatur­differenzen

Die gesamte Heat2Power‑Engine arbeitet mit stabilen, stationären Temperaturverhältnissen – ohne zyklische Erhitzung oder Abkühlung von Bauteilen. Die konsequente Trennung von Hochdruck‑/Heißgasbereich und Niederdruck‑/Kaltgasbereich erzeugt dauerhaft große Temperaturdifferenzen im Prozess.

• Getrennte Hochdruck- und Niederdruckleitungen Im Gegensatz zu klassischen Stirlingmaschinen durchströmt das Arbeitsgas keine abwechselnd kalten und heißen Leitungen. Alle Strömungswege sind thermisch eindeutig zugeordnet – Mischtemperaturen treten im gesamten Kreislauf nicht auf.
• Tiefe Temperaturen im Kompressionszylinder Vor Eintritt in die Kompressionszylinder wird das Arbeitsgas in einer Absorptionskältemaschine (AKM) gezielt abgekühlt. Dadurch entstehen Temperaturdifferenzen, die bei klassischen Stirlingmotoren konstruktiv nicht erreichbar sind. Die Temperatur nach der AKM bildet einen stabilen thermodynamischen Fixpunkt; Änderungen an anderer Stelle beeinflussen diesen Wert nicht.
• Keine Thermoschocks Da keine Bauteile zwischen heiß und kalt pendeln, entstehen keine thermischen Schock­belastungen. Dies erhöht die Lebensdauer der Komponenten und verhindert temperatur­induzierte Materialermüdung.
• Stabile Prozessführung Die klare thermische Trennung zwischen heißer und kalter Seite sorgt für reproduzierbare Betriebszustände und ermöglicht eine präzise Regelung des gesamten Systems – unabhängig von Lastwechseln oder externen Temperaturschwankungen.

Optimierter apparativer Aufwand

• Die Heat2Power-Engine ist eine beeindruckend einfache Konstruktion und setzt auf ein klares, modulares Design mit wenigen zentralen Baugruppen.
• Der apparative Aufwand ist minimal – ohne komplexe Nebenaggregate wie Turbolader, Ventiltrieb oder aufwendige Kühlkreisläufe.
• Bauteile sind geometrisch einfach, modular aufgebaut und dadurch leicht zu fertigen, zu warten und zu skalieren.
• Das Hypozykloid‑Getriebe ersetzt die klassische Kurbelwelle und sorgt für eine präzise, verlustarme Bewegung der Kolben.
• Eine einfache interne Mechanik übernimmt die grundlegenden Steuerfunktionen – robust, wartungsarm und frei von komplizierten Vorrichtungen.

Vielseitigkeit und Variabilität

• Die Heat2Power-Engine kann jede geeignete zentrale Wärmequelle nutzen – von industrieller Abwärme über Deponiegas bis hin zu Überschuss­leistung aus erneuerbarer Erzeugung.
• Die Anlage ist flexibel umrüstbar auf verschiedene Brennstoffarten (z. B. Diesel, Bio-LNG, H₂) und damit ideal für maritime sowie industrielle Anwendungen.
• Die hohe Variabilität macht das System zu einem zentralen Baustein der Energiewende: direkte Rückverstromung von Abwärme, dezentrale Backup-Kraftwerke bei Dunkelflauten sowie Glättung und Rückverstromung von Überschuss­leistung mittels Hochtemperatur-Wärmespeichern.

Effiziente Wärmeübertragung

• Großzügig dimensionierbare Wärmeübertrager Erhitzer und Kühler liegen direkt in den Leitungen des Gaskreislaufs. Ihre Größe ist nicht durch den Zylinderkopf begrenzt, wodurch hohe Wärmeübertragungs­leistungen möglich werden.
• Gegenstromprinzip statt Wärmeleitung durch massive Wandstärken Externe Gegenstrom­wärmeübertrager ermöglichen kurze Wärmewege und klare Temperaturprofile. Das Gas muss nicht durch dicke Metallwände beheizt oder gekühlt werden, wie es bei klassischen Stirlingmaschinen üblich ist.
• Stabile Temperaturen durch stationären Betrieb Die stationäre Betriebsweise verhindert thermische Wechsellasten. Die kalte Seite kann durch Nachverdichtung und gezielte Kühlung sogar unter Umgebungs­temperatur liegen, was die nutzbare Temperaturdifferenz weiter erhöht.
• Geeignet für große Wärmemengen Gegenstromwärmeübertrager können deutlich größere Wärmemengen aufnehmen und abgeben als die wärmeleitenden Strukturen klassischer Stirlingmotoren.
• Konstante Wärmeübertragungsbedingungen Der quasi‑kontinuierliche Massenstrom im Gaskreislauf vermeidet die zyklischen Strömungs­schwankungen klassischer Stirlingmaschinen. Die Wärme­übertrager arbeiten dadurch ohne Totzeiten stets im optimalen Betriebsfenster.

Thermodynamische Effizienz

• Modifizierter Stirling-Prozess mit realistischen Zustandsänderungen Die Heat2Power-Engine nutzt keine idealisierten isothermen Prozesse, sondern realistische adiabate und polytrope Zustands­änderungen mit hohen Druckgradienten. Dadurch steigt die Nutzarbeit pro Zyklus deutlich.
• Volle Ausnutzung des pV-Diagramms Die Prozesszustände werden nahezu vollständig ausgefahren. Die vier Arbeitsphasen überlappen sich kaum, jede Zustandsänderung ist klar abgegrenzt und thermodynamisch sauber definiert.
• Klares Temperaturprofil ohne Vermischung Die erhitzte bzw. gekühlte Gasmenge entspricht exakt der expandierten bzw. komprimierten Menge. Es entstehen keine Mischtemperaturen wie bei klassischen Stirlingmaschinen.
• Hoher Kompressionsgrad für mehr Nutzarbeit Der Kompressionsgrad ist nicht durch Kraftstoffeigenschaften limitiert. Die höhere Verdichtung führt zu deutlich mehr Nutzarbeit und einer erheblich gesteigerten Leistungsdichte.
• Deutlich höhere Leistungsdichte Die Leistungsdichte liegt bis zu Faktor 3 über klassischen Stirlingmaschinen und 10–50 % über Diesel- oder Ottomotoren – bei gleichzeitig stabiler Temperaturführung.

Geringe interne Verluste

• Großzügige Strömungsquerschnitte Alle Leitungen im Gaskreislauf besitzen ausreichend große Durchmesser. Der klassische Zielkonflikt „geringe Strömungs­widerstände vs. geringer Totraum“ entfällt vollständig.
• Geringe Spül- und Ladewechselverluste Die klare Trennung der Gasströme und die kurzen Befüll- und Entleerungswege verursachen nur minimale Druck- und Strömungsverluste.
• Keine Nebenaggregate mit hohem Eigenverbrauch Die Heat2Power‑Engine benötigt keine energieintensiven Neben­aggregate wie Gebläse, Pumpen oder interne Regenerator­einrichtungen. Dadurch bleibt der Eigenenergie­bedarf sehr niedrig.

Reduzierung von Wärmeverlusten:

• Adiabate Prozessschritte Die Expansion und Kompression erfolgen weitgehend adiabatisch und erzeugen große Temperaturänderungen im Arbeitsgas. Da während dieser Zustandsänderungen keine Wärme über die Zylinderwände ausgetauscht wird, müssen weder Kompressionswärme abgeführt noch Expansionswärme zugeführt werden. Dies reduziert die internen Wärmeverluste erheblich im Vergleich zu Systemen, die auf quasi-isotherme Prozessführung angewiesen sind.
• Gleiche Wandtemperaturen in beiden Zylinderkammern Da die heißen und kalten Gasströme strikt getrennt geführt werden, besitzen beide Kammern eines Zylinders gleiche Wandtemperaturen. Unerwünschte interne Wärmeflüsse werden dadurch weitgehend vermieden.
• Thermisch getrennte Gaswege Keine wechselseitige Erhitzung oder Abkühlung durch gemeinsam genutzte Rohrleitungen, das Arbeitsgas führt nicht wie bei der Standardmaschine Wärme nutzlos durch beheizte Leitungen beim Ausschiebe­takt vom Arbeits­zylinder weg. Die klare Trennung von Hochdruck‑/Heißgasbereich und Niederdruck‑/Kaltgasbereich verhindert Mischtemperaturen und minimiert Wärme­leitung zwischen den Prozessbereichen.
• Isolierbare Baugruppen Alle Baugruppen können gezielt thermisch isoliert werden. Die Einhausung der Anlage ermöglicht zudem, Abstrahlwärme kontrolliert zu nutzen oder zu minimieren.
• Effiziente Nutzung externer Wärmequellen Abwärme wird nicht unkontrolliert abgeführt, sondern kann über externe Wärme­übertrager oder Speicher gezielt in den Prozess zurückgeführt werden.

Verschleiß

• Kolben dienen nicht zur Außendichtung – sie arbeiten mit kleinem Spalt zur Zylinderwand.
• Führung der Kolbenstange erfolgt außerhalb der Zylinderkammern – also außerhalb der heißesten Bereiche.
• Kaum oder keine Schmierung notwendig – z. B. durch Einsatz von Kunststoff-Gleitlagern.
• Ölfreier Betrieb der Kompressionszylinder möglich.
• Äusserst wenig Dichtstellen - und nur ausserhalb der heissesten Bereiche.
• Kurze Kolben, hohle Kolbenstangen und niedrige Drehzahlen → geringe Massenkräfte.
• Gaspuffer am Zyklusende und geringe Drehzahl → reduzierte Trägheitskräfte.
• Lineare Anordnung der Zylinder (Boxermotor) sorgt für Druckspitzen-Ausgleich – Totpunkte kompensieren sich.

Geringe Reibungsverluste

• Es wirken keine Seitenkräfte auf die Kolben – dadurch geringe Reibung und keine Notwendigkeit für Führungsdichtungen.
• Flache Kolbengeometrie in den doppeltwirkenden Zylindern → nur zwei Kolbenringe pro doppeltwirkendem Zylinderpaar ( = vier Kammern ) erforderlich.
• Kolbenringe dienen nicht zur Außendichtung – minimaler Spalt & geringer Anpressdruck ausreichend.
• Gasdichtung konzentriert sich auf Kolbenstangenbereiche – nur dort entstehen relevante Reibungsverluste.
• Leckageströme entstehen ausschließlich zur Kurbelwellenseite – maximal zwei kleine potenzielle Stellen für vier Kammern.

Vergleich einer 2-Zylinder-Maschine mit anderen Maschinen

Hohe Effizienz und Energieausbeute:

• Hoher thermodynamischer Wirkungsgrad durch große Temperaturdifferenz und hohe Verdichtung.
• Kein zyklisches Aufheizen / Abkühlen von Bauteilen – stabile Temperaturführung reduziert Verluste.
• Kompressionsverhältnis ist nicht durch Kraftstoffeigenschaften limitiert – Verdichtung erfolgt unabhängig vom Brennstofftyp.
• Keine Abwärme über das Abgas – Wärme bleibt im System und kann zurückgeführt werden.
• Reibungswärme, Rückführungswärme und Abstrahlwärme werden sinnvoll verwertet – z. B. zur Brennluftvorwärmung.
• Wärmerückgewinnungssysteme einfach integrierbar – z. B. durch Einhausung oder Rekuperator.
• Der theoretische Carnot-Wirkungsgrad wird nahezu erreicht – dank stabiler Prozessführung und großer ΔT.
• Gesamtwirkungsgrad übertrifft deutlich den aller bekannten „Heat to Power“-Systeme.

Umweltfreundlichkeit:

• Der hohe Wirkungsgrad der Maschine bedeutet niedrigen Energiebedarf – weniger Brennstoffeinsatz pro kWh.
• Zentralbrenner mit kontinuierlicher Erwärmung – keine Explosion, keine instabile Flammfront.
• Einsatz emissionsarmer Brennerkonzepte wie Flammlose Oxidation (FLOX)  , Porenbrenner , oder COSTAIR-Brenner  -Technologie möglich.
• Brennstofffreiheit im Arbeitstakt: Energieübertragung durch Wärme, nicht durch Verbrennung im Zylinder.
• System kann auch mit industrieller Abwärme, Biogas oder EE-Überschussstrom betrieben werden – hohe Brennstoffvielfalt.
• Ideal für dezentrale Rückverstromung oder Speicherlösungen – etwa mit Hochtemperatur-Wärmespeichern.

Wirtschaftlichkeit und Kosten

• Investition in hohe Effizienz Die Heat2Power‑Engine ist als hochwertige Industrieanlage ausgelegt. Ihre außergewöhnliche thermodynamische Effizienz erschließt Energie, die in anderen Systemen ungenutzt verloren geht – und schafft einen wirtschaftlichen Nutzen, der den Investitionsaufwand deutlich übersteigt.
• Niedrige Betriebskosten Der stationäre Betrieb, geringe interne Verluste und der Verzicht auf verschleißintensive Nebenaggregate reduzieren die laufenden Kosten erheblich.
• Lange Lebensdauer Konstante Wandtemperaturen, keine Thermoschocks und geringe mechanische Belastungen führen zu einer außergewöhnlich langen Lebensdauer der Anlage.
• Hohe Energieausbeute aus externen Wärmequellen Die Heat2Power‑Engine erreicht ihren höchsten Wirkungsgrad beim Betrieb mit externen Brennern – etwa als Ersatz für Turbinen oder konventionelle Gaskraftwerke. Durch die sehr effiziente Nutzung der zugeführten Wärme sinken die spezifischen Energiekosten deutlich.