TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Felder und Wellen

Wärme (I)

Über die verschiedenen Effekte, die im Bereich von Temperatur, Elektrizität und/oder Elektromagnetismus wechselwirken, spreche ich ausführlich im Kapitel Wärmeenergie.

Im Zusammenhang mit dem Micro Energy Harvesting sollen hier die aktuellen Entwicklungen der vergangenen Jahre präsentiert werden, wobei es einmal um die Ausnutzung sehr geringer Temperaturunterschiede geht, und zum anderen um Technologien, die bislang allgemein kaum bekannt sind.

Bei den thermischen Energiesammlern (vorzugsweise für Anwendungen am menschlichen Körper) handelt es sich zumeist um thermoelektrische Generatoren (TEG), die den Seebeck-Effekt nutzen, um die Temperaturdifferenz zwischen dem Körper und seiner Umwelt in elektrische Energie umzuwandeln. Thermoelektrischen Elemente werden aber auch schon seit vielen Jahrzehnten in Satelliten eingesetzt, wo sie das extrem starke Temperaturgefälle zwischen ihrer von der Sonne beschienenen heißen, und ihrer kalten, dunklen Seite nutzten. Eine ausführliche Betrachtung dieser Technologie findet sich in dem entsprechenden Kapitelteil über den thermoelektrischen Effekt.

Eine weitere Technologie, die zunehmend an Interesse gewinnt, ist die Mitte des 19. Jh. aufgekommene Thermoakustik, die mit Namen wie dem des englischen Physikers und Nobelpreisträgers John William Strutt (Baron Rayleigh) oder des niederländischen Physikers Pieter Leonhard Rijke verknüpft ist.

Mit dessen, erstmals 1859 beschriebenem, Rijke-Rohr von 80 cm Länge und 3,5 cm Durchmesser ist es möglich, Wärme direkt in Töne umzuwandeln. Dies geschieht, indem dem System von einer Seite Wärme zugeführt wird, welche die Luft in dem Rohr in Schwinngungen versetzt.

Kernelement eines heutigen thermoakustischen Resonators ist ein Zylinder, der Luft und ein Material mit großer Oberfläche enthält, z.B. Glasfasern oder Stahlwolle, welche zwischen zwei Wärmetauschern plaziert werden. Wird dem System nun Wärme zugeführt, bis ein bestimmter Grenzwert erreicht ist, beginnt die Luft im Innern zu vibrieren und erzeugt einen einfrequenten Ton wie eine Flöte. In der abgebildeten Montage, die das Foto einer Wärmebildkamera nachahmt, sind die warme (rot) bzw. kalte (blau) Zone zu sehen, die mit einer Frequenz von ca. 20 Hz schwingt.

Dabei wirkt der größenordnungsmäßig 1 m lange und 10 cm durchmessende und an deiden Seiten offene Zylinder, in dessen unterer Hälfte sich bei etwa 1/4 der Länge ein Heizgitter befindet, ähnlich wie der Resonanzkörper einer Geige und verstärkt eine bestimmte Tonhöhe. Hierdurch gelingt es, Hitze in einen Ton zu verwandeln, also die chaotische Bewegung der Luftmoleküle in regelmäßig schwingende Luftteilchen, die ihrerseits (in den modernen Systemen) eine piezoelektrische Elektrode in Schwingung versetzen, welche wiederum den elektrischen Strom erzeugt.

Weitere Forschungen lassen lange auf sich warten, bis sich Nikolaus Rott im Jahr 1969 erneut damit beschäftigt und 1980 die mathematischen Grundlagen der Thermoakustik vorlegt.

Die zeitlich davor liegenden Patente der Firma Bell Telephone Labor Inc. aus New York unter den Namen ,Electric power source’ (US-Nr. 2.549.464, angemeldet 1947, erteilt 1951, Erfinder: Ralph V. L. Hartley) sowie ,Heat-controlled acoustic wave system’ (US-Nr. 2.836.033, angemeldet 1953, erteilt 1958, Erfinder: Warren A. Marrison) scheinen nie umgesetzt worden zu sein, ebenso wenig wie das Patent ,Traveling wave heat engine’ von Peter Hutson Ceperley aus Annandale, Virginia (US-Nr. 4.114.380, angemeldet 1977, erteilt 1978).

Weitere Patente aus dieser Zeit sind ,Sound production using large volume plasmas’ von Alan E. Hill aus Albuquerque, New Mexico (US-Nr. 4.219.705, angemeldet 1978, erteilt 1980) – sowie ein Patent der Schweizer Firma Sulzer Brothers Ltd. aus Winterthur, in welchem als Erfinder ein Heinz Baumann genannt wird (US-Nr. 4.584.840, angemeldet 1984, erteilt 1986). Hier wird als Priorität ein Schweizer Patent aus dem Jahr 1983 aufgeführt (CH-Nr. 335/83).

Unter dem Titel ,Cooling machine or heat pump’ ist eine Kältemaschine oder Wärmepumpe beschrieben, die ein thermoakustisches Arbeitssystem mit einer Wärmequelle und einer Wärmesenke besitzt. Die Maschine kann in einem Kühlsystem verwendet werden, in welchem die aus einer Kältekammer entfernte Wärmeenergie als Wärmequelle des thermoakustischen Arbeitssystems dient. Ebenso ist eine Wärmepumpen-Heizungsanlage machbar, deren thermoakustisches Antriebssystem mit Wärmeenergie aus einer Wärmeaustauschfläche am Brenner versorgt wird.

Ein weiteres Patent des Unternehmens trägt den Namen ,Thermoacoustic device’ und nennt als Erfinder einen Ulrich A. Muller (US-Nr. 4.625.517, angemeldet und erteilt 1986). Es läßt sich nichts darüber finden, daß die Firma je ein Produkt daraus gemacht hat.

Ebenfalls im Jahr 1986 erteilt wird das Patent ,Thermoacoustic magnetohydrodynamic electrical generator’ das 1984 im Namen der Vereinigten Staaten von Amerika angemeldet wurde und als Erfinder John C. Wheatley und Gregory W. Swift aus Los Alamos, sowie Albert Migliori aus Santa Fe nennt – wobei die Örtlichkeit der beiden ersteren vermutlich auf das Los Alamos National Laboratory verweist (US-Nr. 4.599.551).

Ein Unternehmen, das sich schon früh mit thermoakustischen Systemen beschäftigt, ist die im Jahr 1986 von Kees de Blok gegründete niederländische Firma Aster Thermoacoustics (Aster Thermoacoustische Systemen) in Veessen, die als unabhängiges Forschungsunternehmen theoretische und experimentelle Arbeiten auf dem Sektor der thermischen Energieumwandlung durchführt.

Auf die Thermoakustik war de Blok 1985 in einem wissenschaftlichen Artikel gestoßen, als er in seiner Rolle als Wissenschaftlicher Mitarbeiter des staatlich-niederländischen Post- und Telekommunikationsunternehmens PTT (später: KPN) auf der Suche nach einer Möglichkeit war, für die Entwicklungsländer einen auf Solarenergie basierenden Kühlschrank zu bauen.

Der erste funktionsfähige Prototyp besitzt einen Gasbrenner, ein mehr als 3 m langes, mehrfach geknicktes PVC-Rohr und einen invertierten Lautsprecher, um den durch Wärme erzeugten Schall in Elektrizität umzuwandeln. Dem folgen jahrelange Versuche und Studien. Als sich beim Thema der Wiederverwendung industrieller Abwärme zeigt, daß herkömmliche Wärmepumpen keine hohen Temperaturdifferenzen nutzen können, bietet sich als Alternative eine thermoakustische Wärmepumpe an, die  Schallwellen statt eines Kühlmittels verwendet.

Das erste Patent wird unter dem Titel ,Thermo-acoustic system’ im Jahr 1998 angemeldet (EP-Nr. 1025401, erteilt 2000; vgl. US-Nr. 6.314.740, angemeldet 2000, erteilt  2001). Der Name des Erfinders wird hier mit Cornelis Maria de Blok angegeben, als Miterfinder ist ein Nicolaas Adrianus Hendrikus Jozef Van Rijt genannt.

In Zusammenarbeit mit dem ECN, dem Energieforschungszentrum der Niederlande, wird im Jahr 2000 ein Prototyp gebaut, auf dessen Grundlage die Firma Bronswerk Heat Transfer B.V. (BHT), ein Hersteller von Wärmetauschern und Kühlgeräten, eine kommerzielle Wärmepumpe entwickelt, die etwa zwei Jahre später auf dem Markt kommen soll. Dies scheint aber nicht geklappt zu haben, denn in der Chronologie tut sich eine mehrjährige Lücke auf. Mehr dazu siehe unten.

Erst im Jahr 2010 ist wieder etwas von Aster zu hören, als im Rahmen des europäischen Projekts THATEA und mit Förderung des Niederländischen Wirtschaftsministeriums ein thermoakustischer Generator (thermoacoustic power, TAP) gebaut wird, der auf dem Konzept einer vierstufigen Wanderwelle und mehreren Energiewandlern (Thermoacoustic Energy Converters, TEACs) basierend 100 kW Abwärme bei 130 – 150°C in Strom umwandeln soll.

Die Firma arbeitet bei dem TAP-Projekt mit den Unternehmen Huisman Innovations B.V. und Innoforte zusammen. Installiert werden soll der TAP in einer Pappenherstellungsanlage der Smurfit-Kappa Group in Nieuweschans. Nach dem erfolgreichen Abschluß dieses Pilotprojekts will de Blok im Jahr 2012 mit der Vermarktung und Lieferung von thermoakustischen Stromerzeugern für industrielle Wärmerückgewinnung im Leistungsbereich von 100 kW bis 1 MW beginnen.

Das gleiche Konzept eines 4-Stufen-Wanderwellenmotors wird auch in einer thermoakustischen Kochvorrichtung für Entwicklungsländer umgesetzt, die bei Atmosphärendruck betrieben wird und neben Warmwasser bis zu 50 W Strom erzeugt. Zugleich will de Blok aber auch an seinem ursprünglichen Plan weiterarbeiten: dem auf Solarenergie basierenden Kühlschrank.

Im November 2010 wird ein in Zusammenarbeit mit der Universität Nottingham entwickelter und gebauter 2-stufiger thermoakustischer Motor erfolgreich auf einem Prototyp-Holzofen installiert, der an der City University London entworfen und gebaut wurde, wobei das Ganze auf Anhieb funktioniert.

Bei einem Druck von 150 kPa und der Verwendung eines Standard-Lautsprechers als Lineargenerator wird die höchste elektrische Leistung bei einer Regenerator-Temperaturdifferenz von 350°C gemessen: 23 W. Da der akustisch-elektrische Umwandlungswirkungsgrad dieses Lautsprechers nur 35 % beträgt, ist an der Nottingham University bereits ein besseres Gerät mit einem Wirkungsgrad von 60 % im Bau, mit dem sich die elektrische Leistung auf fast 40 W erhöhen soll.

Der Bau des 100 kW TAP beginnt im April 2011, die ersten Tests folgen im Juni, und schon im Juli kann die Pilotanlage zum Kunden transportiert werden, wo sie bis Ende September installiert wird. Bis zur Inbetriebnahme dauert es dann aber noch bis zum März 2012.

Die hauptsächlichen Ziele dieses Pilotprojekts sind es, die Skalierbarkeit der Thermoakustik vom Labormaßstab zu industriellen Temperatur- und Leistungsstufen sowie die wirtschaftliche Machbarkeit der TAP zu beweisen. Während das erste Ziel erreicht werden kann und dabei einen Wirkungsgrad von 38 % erreicht, trifft dies für das wirtschaftliche Ziel nicht zu.

Als Grund werden die hohen Kosten der Lineargeneratoren angegeben, welche zur Umwandlung der Schallleistung in Strom zum Einsatz kommen, und die mit 3.000 € pro installierten Kilowatt bereits die Zielkosten der komplett installierten TAP übersteigen. Die für 2012 beabsichtigte Markteinführung wird daher erst einmal verschoben.

Zwischenzeitlich, im November 2011, meldet Aster, daß der im Zuge des europäischen Gemeinschaftsprojekts THATEA entwickelte mehrstufige Wanderwellenmotor erfolgreich mit dem thermoakustischen Teil eines Kühlschranks verbunden wurde, der von den französischen Projektpartnern Hekyom und CNRS entworfen und gebaut worden ist.

Das integrierte System ähnelt dem 4-stufigen Niedertemperatur-Motor, nur daß hier eine der Motorphasen von der Kühlzelle ersetzt wird. Das Ergebnis ist ein 3-stufiger thermoakustischer Motor, der einen einstufigen thermoakustischen Kühlschrank betreibt. Wird der Motor mit 211°C heißem Thermoöl versorgt, erreicht die Temperatur des Kühlschranks -40,5°C. Die Wirkungsgrade des Motors und der Kühlzelle betragen 34 % bzw. 29 %.

Aster beginnt zudem, diese Konfiguration zu einem solarbetriebenen Kühler zu entwickeln – in Form eines Zusatzes für auf Vakuumröhren basierende Solaranlagen. Die Ausgangstemperatur dieses Kollektortyps beträgt bis zu 160°C, was für den Antrieb eines mehrstufigen thermoakustischen Motors ausreichend ist. Aufgrund der jüngsten Verbesserungen, und da sich die Preise von Vakuumröhrenkollektoren seit den ersten Versuchen im Jahr 2004 um fast eine Größenordnung reduziert haben, geht das Unternehmen von einer Amortisationszeit von 5 – 8 Jahren aus. Ein erster Prototyp und eine Demonstration der Technik ist für den Sommer 2012 geplant.

Im August  2012 berichtet Aster, daß man als Option sowohl für Low-Cost-Generatoren für den ländlichen Raum, wobei die Firma hierbei mit der FACT-Stiftung in den Niederlanden und dem britischen SCORE Project kooperiert (s.u.), als auch für industrielle Anwendungen mit hoher Leistung daran arbeitet, die akustische Wellenbewegung in Rotation zu konvertieren, um statt der teuren Linear-Generatoren die allgemein üblichen und günstigen Achsial-Generatoren zu nutzen.

Eine Möglichkeit, die durch die Druckänderung der akustischen Welle entstehende bidirektionale Strömung in Rotation zu verwandeln, ist die von Wellenkraftwerken bekannte Technologie der oszillierenden Wassersäule (OWC). Hier treibt das von Wellen verursachte periodische Ein- und Ausströmen von Luft eine bidirektionale Turbine, deren Drehrichtung von der Strömungsrichtung unabhängig ist. Für die Prüfung und Validierung dieser Option werden sowohl eine radiale als auch eine axiale bidirektionale Turbine entwickelt und mittels 3D-Rapid Prototyping hergestellt.

Die mit einem bürstenlosen Elektromotor als Generator ausgestatteten Geräte zeigen ermutigende Ergebnisse. Die kleine Turbine mit einem Durchmesser von 80 mm, die akustische Wellenenergie in Rotation wandelt, arbeitet bei akustischen Frequenzen bis > 100 Hz und erreicht einen akustisch-zu-mechanischen Wirkungsgrad von etwa 40 %. Auf einen Durchmesser von 300 mm skaliert wird ein Wirkungsgrad von 70 – 80 % erwartet.

Im September folgt die Meldung, daß man als nächsten Schritt nun eine bidirektionale Turbine in voller Größe gebaut habe, die mit einer serienmäßigen Kfz-Lichtmaschine (28 V/80 A) ausgestattet in der bestehenden 100 kW TAP getestet wird. Bei einer akustischen Energie von 629 W und einer Drehzahl von 377 U/min kann eine mechanische Ausgangsleistung von 478 W gemessen werden, was einen Umwandlungswirkungsgrad von 76 % entspricht.

Als noch wichtiger wird die Wirtschaftlichkeit der Turbine betrachtet, die bei Umgebungstemperatur arbeitet, mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit läuft und keine kritischen Toleranzen hat. Im Vergleich zu den Anschaffungskosten der Lineargeneratoren reduziert die Kosten pro kW elektrische Leistung auf eine Größenordnung von weniger als 300 €/kW, was die TAP-Technologie für die Abwärmenutzung im industriellen Maßstab wieder interessant macht.

Bei dem von der FACT-Stiftung organisierten ,Bioenergy Innovaton Program 2012’ Partnertag in den Niederlanden zeigt Aster im November einen funktionalen Prototypen des kombinierten Warmwasserbereiters und Thermo-Generators für den Einsatz in ländlichen Gegenden. Um die visuelle Beobachtung des Turbinenrotors zu ermöglichen, wird der Nachweis mit Luft bei atmosphärischem Druck durchgeführt, weshalb nur 5 W für die Versorgung einiger LEDs erzeugt werden können. Im Normalbetrieb mit Druckluft (bei 2 - 3 bar Überdruck) sollen sich allerdings 50 W elektrische Leistung erreichbar sein.

Gleichzeitig wird durch ein Joint Venture mit den polnischen Unternehmen Watt Sp. z o.o und Thermo Acoustic Solutions Sp. z o.o die Markteinführung vorbereitet. Hierzu sind zwei Prototypen gebaut worden: einer mit einem Fluid/Gas-Wärmetauscher für die Prüfung in Kombination mit Vakuum-Röhrenkollektoren unter realistischen Bedingungen, sowie das weiter oben abgebildete transportable Gerät zu Demonstrationszwecken, das der Einfachheit halber ohne Flüssigkeitskreislauf arbeitet.

Nach einem ganzen Jahr ohne weitere Neuigkeiten, ist erst im September 2013 wieder etwas von dem kostengünstigen, mit Holzöfen zum Kochen oder Erhitzen von Wasser kombinierbaren thermoakustischen Generator zu hören, als de Blok ein 18-seitiges Dokument veröffentlicht (das auf der Firmenseite abrufbar ist), in welchem er den Design-Ansatz und die zugrunde liegenden Physik beschreibt. Zudem werden lokalen Projekten, Studenten, Wissenschaftlern und Firmen, die mit dieser Technologie experimentieren möchten, Hintergrundinformationen und Konstruktionszeichnungen angeboten. Die geschätzten Kosten eines entsprechenden Demonstrationsmodells betragen knapp 3.200 €.

Im Mai 2014 präsentiert Aster die Ergebnisse der bisherigen Versuche auf dem 2. Internationalen Workshop über Thermoakustik an der Sendai Tohoku University in Japan. Und nach fast 30 Jahren der Pionierleistungen werden de Blok und seine Firma im Februar 2015 als einer von vier Gewinnern der ersten Phase der Ecomagination Innovation Challenge von General Electric gekürt, was neben einem Geldpreis in Höhe von 25.000 $ das Angebot einer Co-Finanzierung von weiteren 100.000 $ für die Entwicklung einer alternativen Verwendung für Abwärme aus der Ölgewinnungs-Technologie ,Steam Assisted Gravity Drainage’ (SAGD) bedeutet, um die Treibhausgasemissionen bei der Verarbeitung der kanadischen Ölsande zu reduzieren.

Die bislang jüngste Meldung stammt vom Oktober 2015, als Aster während des 3. Internationalen Workshops über Thermoakustik an der Universität Twente in den Niederlanden einige Ergebnisse der laufenden Arbeiten an bidirektionalen Turbinen und der Schnittstelle zu thermoakustischen Motoren vorstellt. Vielleicht charakteristisch: Das Eröffnungsreferat trägt den Titel: ,Thermoakustische Maschinen: von dem, was wir wissen, zu dem, was wir nicht verstehen’.

An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, daß das oben genannte Energieforschungszentrum ECN gemeinsam mit der Firma Bronswerk Heat Transfer B.V. (BHT) in Nijkerk, die im Jahr 2000 mit der Aster Thermoacustics zusammengearbeitet haben, zwischenzeitlich äußerst aktiv gewesen sind. Mit dabei im Team sind zudem die Firmen DOW Benelux B.V. , Howden Thomassen Compressors B.V.  sowie Smurfit Kappa Paper Services. Gefördert wird das Projekt mit knapp 0,5 Mio. € vom niederländischen Ministeriums für Wirtschaft.

Im März 2014 wird am ECN der Prototyp einer neuen Wärmepumpe getestet, die der niederländischen Industrie in wenigen Jahren zu enormen Energieeinsparungen verhelfen soll. Insbesondere dort, wo aufgrund hoher Temperaturen keine der üblichen Kältemittel eingesetzt werden können, die zum Beispiel in einem Kühlschrank oder einer Klimaanlage verdampfen und wieder kondensieren.

Die Wärmepumpe ohne beweglichen Teile ist ca. 6 m lang und hat einen Durchmesser von 0,5 m. In dem Rohr ist Helium bei einem Druck von 60 bar. Die ECN-Technologie kann über einen weiten Temperaturbereich von -50°C bis +250°C betrieben werden, wobei der Prototyp für 60 – 100°C ausgelegt ist und eine thermischen Kapazität von 10 kW erreichen soll. In zwei Jahren will man dann eine 100 kW Wärmepumpe prüfen, und wieder zwei Jahre später soll eine Wärmepumpe mit einer Leistung von 1 MW installiert werden, wie sie für den Einsatz in der Industrie benötigt wird.

Bislang läßt sich darüber aber nichts finden – und eine Suche auf der BHT-Homepage ergibt gar keine Treffer (Stand: 2016).

Doch zurück zur chronologischen Darstellung: In späteren Jahren lassen sich Ende der 1980er Jahre zunehmend mehr Patente auf diesem Sektor nachweisen, angefangen von einem ,Acoustic cryocooler’, den die Vereinigten Staaten von Amerika anmelden, da er im Rahmen eines Vertrags mit dem Department of Energy entwickelt wurde (US-Nr. 4.953.366, angemeldet 1989, erteilt 1990); über ein ,Vibration of systems comprised of hot and cold components’, das von dem Erfinder Frantisek L. Eisinger und der Firma Foster Wheeler Energy Corp. in Clinton, New Jersey, im Jahr 1992 angemeldet wird (US-Nr. 5.349.813, erteilt 1994); einen ,Heat exchanger for a thermoacoustic heat pump’, den die Firma Modine Manufacturing Co. aus Racine, Wisconsin, ebenfalls im Jahr 1992 anmeldet, und als dessen Erfinder ein Michael J. Reinke genannt wird (US-Nr. 5.339.640, erteilt 1994); bis hin zu einem ,Thermoacoustic refrigerator’, der auf die University of California in Oakland zurückgeht (US-Nr. 5.673.561, angemeldet 1996, erteilt 1997).

Auch die 1993 gegründete Firma Sierra Lobo aus Fremont, Ohio, die u.a. der NASA und dem Department of Defense Dienstleistungen im technischen Bereich und bei der Technologieentwicklung bietet, beschäftigt sich mit einer kompakten, skalierbaren und hocheffizienten thermoakustischen Stirling-Wärmekraftmaschine (TASHE), die einen thermischen Wirkungsgrad von 36,4 % aufweist.

Da das System, das gleichzeitig elektrische und Kühlleistung erzeugt, unabhängig von der Gravitation betrieben werden kann, ist auch eine Anwendung in der Raumfahrt möglich. Es läßt sich aber nichts darüber finden, ob es zu einer tatsächlichen Umsetzung gekommen ist.

Im Jahr 1999 beginnt auch der ex-Drummer der australischen Rockband Midnight Oil und Akustiker Prof. Steven L. Garrett an der Pennsylvania State University (Penn State) mit der Thermoakustik zu experimentieren.

Ab 2002 entwickelt er gemeinsam mit seinen beiden Kollegen Robert W. M. Smith und Matthew E. Poese – gesponsort von dem umweltbewußten Speiseeis-Hersteller Ben & Jerry und dessen Mutterkonzern Unilever – verschiedene Prototypen von Kühlgeräten, die ausschließlich mittels eines 100 Hz/190 dB Resonators betrieben werden und außer Helium keine anderen Chemikalien oder Gase benötigen. Der nach außen dringende Schall liegt dabei unterhalb von 60 dB.

Das 2003 angemeldete Patent der Penn State (The Penn State Research Foundation) unter dem Namen ,Thermoacoustic device’ nennt als Erfinder neben Garrett, Smith und Poese auch noch einen Ray S. Wakeland (US-Nr. 6.725.670, erteilt 2004). Ein weiteres, späteres Patent der Penn State tr'gt den Titel ,Thermoacoustic piezoelectric generator’ (US-Nr. 7.081.699, angemeldet 2004, erteilt 2006, Erfinder: Robert M. Keolian und Kevin J. Bastyr; vgl. US-Nr. 7.772.746, erteilt 2010).

Über weitere Schritte ist mir bislang nichts bekannt. Allerdings veröffentlicht Garrett im Mai 2014 – diesmal zusammen mit Michael D. Heibel von der Firma Westinghouse Nuclear Services, James A. Smith vom Idaho National Laboratory sowie Randall A. Ali von der University of the West Indies in St. Augustine auf Trinidad – einen Aufsatz über den Einsatz thermoakustischer Motoren als energieautarke Sensoren in einem Kernreaktor (Thermoacoustic Engines as Self-powered Sensors within a Nuclear Reactor).

Darin wird auch berichtet, daß das Team eine Labor-Version dieses Geräts gebaut habe, bei dem die Umgebung eines Kernreaktor durch einen elektrischen Glühdraht simuliert wird. Als nächster Schritt soll ein entsprechende Sensor im Breazeale-Forschungseaktor der Penn State getestet werden.

Zu den neueren Patenten gehört ,Thermoacoustic electric power generation’, den die Konzerntöchter Shell Internationale Research Maatschappij B.V. und Shell Canada Ltd. im Jahr 2002 anmelden, wobei als Erfinder ein Alexander Michael Van Der Spek aus Rotterdam genannt wird (EP-Nr. 1448867, erteilt 2003 mit Priorität von 2001). Doch auch in diesem Fall läßt sich nichts darüber finden, daß das Unternehmen ein Produkt daraus gemacht hätte.

Das Los Alamos National Laboratory (LANL) in New Mexico und die Firma Northrop Grumman Space Technology stellen im August 2004 einen kompakten, einfachen und langlebigen Wärmewandler mit einem Wirkungsgrad von 14 % vor, der insbesondere für den Einsatz in der Raumfahrt gedacht ist. Wichtigstes Systemelement ist eine kleine Version des thermoakustischen Stirlingmotors (Thermoacoustic Stirling Engine, TASE), der 1999 von Scott Backhaus und Gregory ,Greg’ W. Swift in Los Alamos entwickelt wurde. Dieser besitzt im Gegensatz zu den üblichen Stirlings keinerlei beweglichen Teile, da die Umwandlung von Wärme in Schallwellen ausschließlich durch einen Kreislaus aus komprimiertem Helium zwischen Wärmetauschern erfolgt.

Im Generator treibt der Schall anschließend einen Kolben an, der eine Kupferdrahtspule innerhalb eines magnetischen Feldes bewegt und den Strom erzeugt. Die bislang in der Raumfahrt genutzten thermoelektrischen Energiewandler erreichen Wirkungsgrade um 7 % und liefern pro Kilogramm Masse 5,2 W, während der neue thermoakustische Stirlingmotor sogar bis zu 8,1 W pro Kilogramm produzieren kann. Ein raumtaugliches Modell soll innerhalb von 2 – 5 Jahren bereitstehen.

Die Vorgeschichte dieser Umsetzung geht bis ins Jahr 1989 zurück, als Swift in Los Alamos – gemeinsam mit Ray Radebaugh vom National Institute of Standards and Technology (NIST) – erstmals einen kryogenen Pulsrohrkühler ohne bewegliche Teile vorstellt, der dann unter der Bezeichnung TADOPTR (thermoacoustically driven orifice pulse tube refrigerator) bekannt wird.

1994 läßt sich die Firma Cryenco die TADOPTR-Technologie vom LANL lizenzieren und schließt Forschungs- und Entwicklungsvereinbarungen mit dem LANL und dem NIST zur Weiterentwicklung der thermoakustischen Motore und Pulsrohrkühler. 1997 geht Cryenco an die Firma Chart Industries – und im Februar 2001 erwirbt der seit 1907 bestehende US-Gasproduzent Praxair Inc. das gesamte Entwicklungsprogramm samt der Rechte an dem Pulsrohrkühler, an einer thermoakustischen Stirling-Technologie namens TASHE (Thermoacoustic Stirling Heat Engine) und anderem.

Bei dem in drei Phasen unterteilte Programm wird bereits in der ersten Phase ab Januar 1997 ein mit Erdgas befeuerter TADOPTR gebaut und ab dem März 1998 erfolgreich betrieben, der eine Methan-Verflüssigungskapazität von 140 gpd (gallons per day) aufweist, was 2 kW Kälteleistung bei -140°C entspricht. Diese Kälteleistung ist etwa 400-mal größer als die des ersten TADOPTR von 1989. Zudem wird ein Rekordwirkungsgrad von 41 % erreicht. Später erhalten Swift und Backhaus einen R&D 100 Award für ihre Leistung.

Im Zuge der zweiten Phase, die Mitte 1999 beginnt, wird trotz diverser technischer Schwierigkeiten ein 500 gpd TASHE-OPTR entwickelt, dessen vollständige Systemprüfung bis Ende 2001 abgeschlossen sein soll. Außerdem will man Systeme mit Verflüssigungskapazitäten von 10.000 - 20.000 Gallonen pro Tag entwickeln.

In Zusammenarbeit mit den Lizenzgeber LANL setzt Praxair die Arbeiten an den TADOPTR- und TASHE-Technologien weiter fort, und bereits im März 2002 legen Backhaus und Swift gemeinsam mit ihrem Kollegen David L. Gardner sowie John J. Wollan von Praxair einen ausführlichen Bericht über ihre Entwicklung vor (Development of a thermoacoustic natural gas liquefier).

Im Jahr 2003 wird die kostengünstige Methode zur Verflüssigung von Erdgas mit dem New Horizons Idea Award des World Oil Magazine ausgezeichnet, und 2004 veröffentlicht die NASA eine (im Netz zugängliche) 40-Seiten-Studie über den Entwurf einer hocheffizienten Energiequelle, die auf der thermoakustischen Technologie basiert (High Efficiency Power Source, HEPS). Die Autoren sind neben Backhaus noch Michael Petach und Emanuel Tward von der Firma Northrop Grumman Space and Technology.

Der darin skizzierte thermoakustische Wanderwellen-Leistungswandler enthält einen thermoakustischen Treiber, der ohne bewegliche Teile Wärme zu Strom wandelt. Die akustische Energie treibt ein Paar biegsam gelagerter Kolben, die mit Schwingspulen in einem schwingungsymmetrischen Paar von sich bewegenden Spulengeneratoren verbunden sind und die elektrische Leistung erzeugen. Wie sich erweist, wird die Technologie später von anderen Akteuren übernommen, um kommerzielle Produkte zu entwickeln, wie z.B. der Firma Nirvana Energy Systems Inc. (s.u.). Mehr darüber sowie über weitere, ähnliche Technologien findet sich unter Stirlingmotoren.

Die jüngste und äußerst umfassende Veröffentlichung des Los Alamos National Laboratory stammt vom Juni 2016: Unter dem Titel ,Design Environment for Low-amplitude Thermoacoustic Energy Conversion (DeltaEC)’ beschreiben die Autoren Greg Swift, Bill Ward und John Clark ein Computerprogramm, das die Details berechnen kann, wie thermoakustische Geräte agieren. Es soll Anwendern helfen, Geräte mit gewünschter Leistung zu entwickeln.

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