Forscher entwickeln Mikro

Apr 28, 2023

Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungssysteme (mKWK) sind eine innovative Lösung für energieeffiziente Häuser und Gebäude. Diese Systeme erzeugen gleichzeitig Wärme und Strom aus einer einzigen Quelle, beispielsweise Erdgas, und können Energiekosten und CO2-Emissionen deutlich reduzieren.

Nun haben Forscher des Oak Ridge National Laboratory in Zusammenarbeit mit Enginuity Power Systems gezeigt, dass ein mCHP-Prototyp, der von einer innovativen Technologie mit nach innen gerichteten Gegenkolbenmotoren angetrieben wird, eine Gesamtenergieeffizienz von mehr als 93 % erreichen könnte. Das umweltfreundliche mCHP wurde als Ersatz für einen Backup-Generator oder einen herkömmlichen Gas-Warmwasserbereiter entwickelt und schaltet zwischen Erdgas, Wasserstoff oder Biogas um und kombiniert Batteriespeicher und Solarenergie.

Die Forscher evaluierten einen mCHP-Prototyp, der einen Viertakt-Gegenkolbenmotor (OP4S) verwendet. Der OP4S-Motor kann mit mehreren Kraftstoffen betrieben werden, darunter erneuerbares Gas (Biogas), Erdgas und Propan sowie Wasserstoff, um gleichzeitig mechanische Energie und Abwärme in Form von heißem Kühlmittel und Abgas zu erzeugen. Die Abwärme wird zurückgewonnen und im 52-Gallonen-Wassertank gespeichert und kann als normale Warmwasserversorgung und für Raumheizungsanwendungen verwendet werden.

Es ist umweltfreundlich und kostengünstig, da die sonst verschwendete Wärme aufgefangen und wiederverwendet wird, um in einem einzigen Prozess Wärmeenergie in kleinem Maßstab für ein Gebäude bereitzustellen. Dies ermöglicht eine höhere Effizienz im Vergleich zu herkömmlichen Geräten, die nur eine Funktion erfüllen.

Während der Demonstration ermöglichte der mCHP-Prototyp Ausgangsleistungen im Bereich von 3,2 bis 7,4 kW mit einem Wirkungsgrad von bis zu 26,4 % des Wechselstromstroms und bis zu 93,1 % des Gesamtwirkungsgrads des mCHP bei stöchiometrischen Verbrennungsmodi. Darüber hinaus beeinträchtigte der 24-Stunden-Betrieb im stöchiometrischen Modus die Leistung des mCHP nicht, was auf das gute Potenzial der Zuverlässigkeit und Haltbarkeit des Prototyps hinweist.

Das mCHP wurde auch im mageren Verbrennungsmodus betrieben, was eine Verbesserung der elektrischen Energieeffizienz um mehr als 30 % ermöglichte. Der maximale AC-Wirkungsgrad des Magerverbrennungsmodus betrug 35,2 %, wobei der Motorwirkungsgrad nahezu 40 % betrug.

Der mCHP-Prototyp ermöglicht eine kostengünstige und flexible Anpassung thermischer und elektrischer Lasten, indem er die Komplexität der Verteilung und Installation reduziert und gleichzeitig eine hohe Effizienz und die Möglichkeit bietet, eine Vielzahl von Brennstoffen, einschließlich Biogas und Wasserstoff, zu nutzen. Es wird erwartet, dass die neuartige Technologie die Akzeptanz von mKWK fördert und die Einführung von mKWK in kleinen Wohn- und Gewerbegebäuden für abgelegene und unterversorgte Gemeinden beschleunigt.

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