Universalgenerator ohne Kurbelwelle

Matthias Gräbner 18.09.2008

Wie wandelt man chemische am besten in elektrische Energie?

Verbrennungsmotoren sind eine bewährte Methode, eine Energieform in eine andere umzuwandeln. Geschickt greifen sie die bei der Oxidation des Brennstoffs entstehende mechanische Energie auf. Dass ein Teil der ebenfalls frei werdenden Wärmeenergie in die Umgebung gepustet wird, nimmt man ebenso in Kauf wie die durch die Konstruktion des Motors entstehenden Reibungsverluste. Will man ein Fahrzeug auf sich drehenden Rädern vorwärts bewegen, braucht man eben die Kurbelwelle, um lineare in Rotations-Bewegung umzusetzen.

Unsinnig wird dieser Umweg aber eigentlich, wenn das Ziel in der Gewinnung elektrischer Energie besteht. Dass eine Brennstoffzelle problemlos effizienter als ein Dieselgenerator arbeiten kann, liegt daran, dass hier weniger verlustbehaftete Umwandlungen stattfinden müssen. Nur sind Brennstoffzellen eben nicht mit jedem Treibstoff anzufeuern - ideal wäre es doch, man könnte auf das zurückgreifen, was eben gerade zur Verfügung steht.

Eben dies verspricht ein Generatorkonzept, an dem Forscher seit Ende der 90-er arbeiten. Der so genannte Freikolben-Lineargenerator (englisch: free piston linear alternator, FPLA) verwirklicht das wohl einfachstmögliche Konzept einer Verbrennungsmaschine. In ihm bewegt sich ein Kolben frei zwischen zwei Brennkammern hin und her. Eine Kurbelwelle braucht es nicht, denn elektrische Energie lässt sich aus dieser linearen Bewegung ebenso gut gewinnen wie aus einer Rotation. Dazu ist der Kolben in der Mitte mit Permanentmagneten bestückt; um den Kolben herum ist eine Spule arrangiert. Die Bewegung des Magneten, das haben wir schon in der Schule gelernt, induziert in der Spule einen Stromfluss.

Anzeige

Das Prinzip, da sind sich die Fachleute einig, hat ein paar interessante Vorteile. Es wäre zum Beispiel relativ einfach, die Kompressionsraten zu ändern. Damit könnte sich der Freikolbenmotor gut an unterschiedliche Treibstoffe anpassen. Heute Benzin, morgen Diesel, übermorgen Palmöl, und nächste Woche vielleicht sogar Wasserstoff? Theoretisch kein Problem. Zum anderen könnte man auf diesem Prinzip basierend eine Zündmethode (HCCI) erreichen, die die Vorteile von Otto- und Dieselmotor kombiniert.

Der Freikolben-Lineargenerator ist eine sehr effiziente Zweitaktmaschine, die in jedem Takt Energie erzeugt

Während man im Ottomotor eine Luft-Treibstoff-Mischung künstlich (nämlich elektrisch) zündet, spritzt man im Dieselmotor den Treibstoff in die komprimierte Luft, so dass er von selbst zündet. Die Verbrennung läuft im Ottomotor deshalb sauberer ab, der Dieselmotor hingegen arbeitet effizienter. In der Freikolben-Linearmaschine hingegen könnte man ein homogenes Luft-Treibstoff-Gemisch zur Selbstzündung bringen und so eine schadstoffarme Verbrennung und hohe Effizienz gleichzeitig erreichen.

So weit, so praktisch. Dass die Freikolbenmaschine noch nicht überall im Einsatz ist, deutet schon darauf hin, dass es da den ein oder anderen Nachteil geben muss. Es ist zum Beispiel schwierig, den Kolben zu steuern. Die Kraftdichte ist relativ niedrig, und die Variationen von Zyklus zu Zyklus sind hoch. Deshalb gibt es bisher nur ein paar Prototypen sowie Simulationen des Motors. Eine in dieser Hinsicht beispielhafte Arbeit liefert nun ein chinesisches Forscherteam in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Energy & Fuels ab.

Den Wissenschaftlern ist es gelungen, mit ihrer Simulation einige wesentliche Kennzeichen des Freikolben-Lineargenerators zu erarbeiten. Sie zeigen darin zum Beispiel, dass die zu beherrschenden Höchsttemperaturen stets niedriger als im gewöhnlichen Verbrennungsmotor liegen. Dadurch entstehen bei der Verbrennung weitaus weniger Stickoxide. Zudem können sie belegen, dass die oben beschriebene Zündmethode tatsächlich funktioniert - und zwar unabhängig von der Treibstoffart. Denn der Kolben wird stets so lange in den einen Zylinder gepresst, bis der Zündzeitpunkt des Treibstoff-Luft-Gemischs erreicht ist - die Verbrennungsreaktion treibt den Kolben dann wieder zur anderen Seite.