TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Felder und Wellen

WÄrme (II)

Im Jahr 2005 beginnen der Physikprofessor Orest G. Symko und sein Team an der University of Utah in Salt Lake City ein fünfjähriges Forschungsprojekt mit dem Titel ,Thermal Acoustic Piezo Energy Conversion (TAPEC)’, das maßgeblich von der US-Army mit 2 Mio. $ finanziert wird. Ebenfalls mit an Bord sind Mitarbeiter der Washington State University und der University of Mississippi.mh1080

Schon Mitte 2007 kann eine Methode vorgestellt werden, um Wärme zuerst in Schallwellen, und diese anschließend in Elektrizität umzuwandeln. Bei dem letzteren Schritt handelt es sich um eine seit Jahrzehnten bekannte Methode, bei der sogenannte akustische Wärmemotoren (acoustic heat engines, o. thermoacoustic engines, TA) zum Einsatz kommen, die selbst jedoch keine Lärmbelästigung verursachen sollen.

Die Umwandlung von Wärme in Töne fand bei Rijke noch in einem Rohr statt, das etwa einen Meter lang war – viel zu lang für Symkos Zwecke. Um den Prozeß auf einem viel kleineren Raum zu realisieren, füllt Symko kleine Röhren, sogenannte Resonatoren, mit einem Material, das eine große Oberfläche aufweist, wobei er mit diversen Materialien wie Metall, Kunststoff, Glasfaser, Baum- und Stahlwolle experimentiert, die er zwischen zwei Wärmetauscher setzt. Die akustischen Schwingungen werden dann zu einem piezoelektrischen Element geleitet, das durch die Schallwellen verformt wird und ihre Energie so in Elektrizität umwandelt.

Im Jahr 2009 kann das Team optimierte und miniaturisierte Generatoren von 11 – 18 cm Länge vorweisen, die einen Wirkungsgrad von 40 % erreichen und hocheffiziente Kraftwerke, Autos oder sogar eine neue Generation von Solaranlagen möglich machen. Außerdem stellt die Gruppe den bislang kleinsten akustischen Wärmemotor von nur 1,8 mm Länge her, der zu Clustern zusammengesetzt pro Kubikzentimeter 1 W erzeugt.

Die Zylinder lassen sich dabei so klein bauen, daß sie für Menschen unhörbaren Ultraschall erzeugen. Ein derartiger Generator könnte auch in einen Laptop eingebaut werden, dessen Abwärme dann nicht länger den Schoß des Nutzers erhitzt, sondern den Akku des Computers nachlädt. Die Serienreife soll bereits Mitte 2009 erreicht werden.

Bei den Versuchen stellt sich zudem heraus, daß ringförmige TA-Vorrichtungen doppelt so effizient sind wie zylindrische Geräte, da der Druck und die Geschwindigkeit der Luft in der ringförmigen Vorrichtung immer synchron sind, im Gegensatz zu zylinderförmigen Systemen.

Symko, der auch an einer Reihe von Patenten im Bereich der Dünnschichttechnik beteiligt ist, hatte sein erstes Patent bereits 2001 gemeinsam mit Kollegen der University of Utah unter dem Titel ,High frequency thermoacoustic refrigerator’ angemeldet (US-Nr. 6.574.968, erteilt 2003; s.a. US-Nr. 6.804.967 von 2004 sowie, US-Nr. 7.240.495 von 2007). Weitere Patente in diesem Bereich sind US-Nr. 8.004.156 von 2011 und US-Nr. 8.629.600 von 2014. Über praktische Umsetzungen ließ sich bislang nichts finden.

Die letzten drei Veröffentlichungen von Symko stammen vom November 2012 (,Ultrasonic thermoacoustic energy converter’), Januar 2014 (,Annular thermoacoustic energy converter’) und April 2016  (,Entrainment of two thermoacoustic engines’), doch über praktische Umsetzungen läßt sich bislang nichts finden.

Insbesondere für den Einsatz in ländlichen Gebieten Afrikas und Asiens wird das thermoakustische Prinzip im Rahmen des im Februar 2007 gestarteten multinationalen Projektes SCORE (Stove for cooking, refrigeration und electriciy) umgesetzt, das hierfür vom britischen Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) mit einer Summe von 2 Mio. £ ausgestattet wird (andere Quellen: 4 Mio. $), und an dem in erster Linie eine Reihe britischer Universitäten beteiligt sind.

Dabei geht es um die Entwicklung eines holzbefeuerten Generators, der außer zum Kochen auch zum Kühlen von Nahrung geeignet ist. Immerhin nutzen noch heute rund zwei Milliarden Menschen offenes Feuer, bei dem etwa 93 % der entstehenden Hitze ungenutzt bleibt.

Beim SCORE-Ofen wird die Wärme nicht nur zum Kochen verwendet, sondern auch zu einem Rijke-Rohr geleitet, das sie in einen Ton umwandelt. Dessen Transformation in Elektrizität bewerkstelligen hier jedoch keine piezoelektrischen Elemente, sondern ein linearer Alternator, der ähnlich wie die im Kapitel Muskelkraft beschriebenen M2E-Geräte funktioniert. Durch die Schallwellen wird ein Magnet innerhalb einer Spule hin und her bewegt und somit ein Strom induziert.

Die Zielvorgaben für den 3.-Welt-Generator lauten: Gewicht 10 – 20 kg, Verbrauch zwei Holzscheite pro Stunde (= 1 kg/h), Leistung 1,6 kW thermisch und 75 - 100 W elektrisch (über Pufferbatterie), Wirkungsgrad über 18 %, Preis rund 30 €. SCORE beabsichtigt zudem, lokale Kräfte auszubilden, um die Herstellung der meisten Komponenten in Werkstätten vor Ort durchzuführen. Die Großproduktion soll ab 2012 beginnen – ins Auge gefaßt sind 1 Mio. Stück pro Jahr. Bis dahin wird auch untersucht, ob Versionen für Brennstoffe wie Dung oder Gas sinnvoll sind.

Grundlegend für die SCORE-Entwicklung sind die thermoakustischen Stirlingmotoren und Kühlgeräte, die im Laufe der vergangenen Jahre am Los Alamos Forschungsinstitut, von der NASA und vom US-Militär entwickelt worden sind (s.o.).

Im Juni 2009 meldet die University of Nottingham als Mitglied des SCORE-Konsortium das erste Patent für ein einfaches und preisgünstiges Herstellungsverfahren mit teilweise sehr dünnen und leichten Materialien an (US-Nr. 20110162827, veröffentlicht 2011).

Ein mit Propan betriebener Herd erzeugt im August 2009 eine Leistung von 19,5 W, was es ermöglicht, LEDs zu betreiben und gleichzeitig ein Mobiltelefon aufzuladen. Die ersten Feldversuche mit dem SCORE-Konzept sollen Anfang 2010 in Nepal beginnen.

Tatsächlich ist im Januar 2013 ist zu erfahren, daß in Kenia der erste SCORE-Stove installiert worden sei, gefolgt von der Nachricht im Juli, daß die Technik nun auch von Gurkhas in Nepal angewandt wird.

Im  August veröffentlichen Artur J. Jaworski und Xiaoan Mao von der University of Leicester, die ebenfalls ein Mitglied des SCORE-Konsortiums ist, einen Bericht über den aktuellen Stand bei der Entwicklung thermoakustischer Geräte für die Strom- und Kälteerzeugung, deren Forschungs- und Entwicklungsarbeit zunächst an der Universität Manchester durchgeführt und anschließend im Rahmen des SCORE-Projekts an die Universität Leicester übertragen wurde.

Dem zufolge haben die Arbeiten zwei Ziele: Zum einen, den frühen Demonstrator eines Low-Power-Stromerzeugers zu entwickeln, der etwa 10 - 20 W Strom liefern soll, und zweitens einen verbrennungsbetrieben thermoakustischen Kühler für die Lagerung von lebenswichtigen medizinischen Gütern in Gebieten ohne Zugang zu Stromnetz. Neben einer Reihe von Demonstrantionsmodellen der Einfachversion und deren Prüfung im Labor erfolgen auch die Planung, der Bau und die Prüfung eines elektrisch betriebenen Demonstrators, bei dem ein thermoakustischer Motor mit stehenden Welle an einen thermoakustischen Kühler mit einer Wanderwelle gekoppelt ist.

Die Autoren berichten zudem von Arbeiten an einer hochskalierten Version des Stromerzeugers, der unter Verwendung einer zweistufigen Motorkonfiguration 100 W Strom liefern soll. Außerdem skizzieren sie die Fragen der Integration des thermoakustischen elektrischen Generators und des thermoakustischen Kühlers in einem einzigen System, die zukünftig von Gruppen weiterverfolgt werden, die sich aus dem ursprünglichen SCORE-Projekt ausgegliedert haben.

Im November 2013 erscheint zudem die in Zusammenarbeit mit Kollegen der Dongguan University of Technology erstellte Studie ,Design and development of a low-cost, electricity-generating cooking Score-Stove’, in der der Entwicklungsprozeß erörtert wird, um einen in Serie herstellbaren, einfach zu fertigenden und kostengünstigen Kochherd mit thermoakustischem Motor zur Stromerzeugung zu entwerfen. Dabei sollen die geschätzten Produktionskosten von 100 - 150 £ auf 60 £ gesenkt werden. Ein holzbefeuerter Score-Stove-Prototyp 2 erzeugt derweil 22,7 W.

Danach scheint aber der ,Ofen ausgegangen’ zu sein, und auch von den eigentlich geplanten 1 Mio. Stück pro Jahr ist kein Wort mehr zu hören.

Im Oktober 2008 berichten Forscher der Tsinghua University in Peking um Kaili Jiang und Shoushan Fan in Zusammenarbeit mit Kollegen von der Beijing Normal University über die Entwicklung neuer Lautsprecher, die aus dünnen Filmen aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen bestehen und Töne in einem breiten Frequenzbereich von 100 Hz - 50 kHz erzeugen können (,Flexible, stretchable, transparent carbon nanotube thin film loudspeakers’).

Die nur wenige Dutzend Nanometer dicken Lautsprecher sind transparent, flexibel, dehnbar und können zudem in jeder beliebigen Form und Größe zugeschnitten werden. Anders als die üblichen Lautsprecher besitzen die auf Nanoröhrchen basierenden Geräte keine Magnete oder bewegliche Teile.

Ihre Funktion wird wie folgt erklärt: Wenn ein Wechselstrom durch die Nanoröhrenfolie fließt, wechselt die Folie schnell zwischen Raumtemperatur und Temperaturen von bis zu 80°C hin und her, was zu Druckschwankungen in der Luft neben der Folie führt. Es sind diese thermisch induzierten Druckschwankungen, die für den Schall verantwortlich sind, und nicht die physikalische Bewegung der Nanoröhrenfolie selbst.

Hergestellt werden die Lautsprecher, indem man Kohlenstoff-Nanoröhrchen von 10 nm Durchmesser wie Gras auf einem 4-Zoll-Siliziumwafer wachsen läßt. Anschließend werden diese Nanoröhrchen in einen kontinuierlichen Film von bis zu 10 cm Breite und 60 m Länge verwandelt, was genug ist, um bis zu 500 Stück 10 cm² große Lautsprecher zu machen. An dem dünnen Film sind zwei Elektroden angebracht, so daß bei Anlegen einer sinusförmigen Spannung über den thermoakustischen Effekt ein Ton emittiert wird.

Die Nano-Lautsprecher können auf nahezu jeder Oberfläche montiert werden, einschließlich Wänden, Decken und Fenster – aber auch auf Fahnen und Kleidung. Vollständig gestreckt sind die Folien transparent und könnten daher an der Vorderseite eines LCD-Bildschirms angebracht werden, um herkömmliche Lautsprecher zu ersetzen.

Im Jahr 2009 melden die Tsinghua Universität und die Firma Hon Hai Precision Industry Co. Ltd. (o. Foxconn Technology Group) in New Taipei die Patente ,Ultrasonic Thermoacoustic Device’ (US-Nr. 8.452.031, erteilt 2013) sowie ,Thermoacoustic Device’ an (US-Nr. 8.019.098, erteilt 2015).

In einer weiteren Meldung vom September 2013 werden zusätzliche Details bekannt, welche die Akustik-Branche aufschrecken, da die Technologie, den Schall durch Erwärmung und Abkühlung der Luft anstatt durch mechanische Schwingungen zu erzeugen, aller Voraussicht nach zu Lautsprechern und Kopfhörern führen wird, die wesentlich haltbarer sind als traditionelle Modelle, die bewegliche Teile besitzen, welche möglicherweise brechen können.

Nun stellen die Forscher auch erste Modelle von Kopfhörern vor, die als Leitermaterial Kohlenstoff-Nanoröhrchen nutzen und den thermoakustischen Effekt verwenden. Wichtig ist dabei, daß es zwischenzeitlich gelungen ist das 2008 aufgetretene Problem, daß die Geräte schnell überhitzen und inoperabel werden, zu überwinden. Dies gelingt durch die Herstellung eines Silizium-Chips, der Rillen enthält. Da die Nanoröhrchen in Form von 1 µm dünnen Fäden quer über den Rillen liegen, kann die Wärme durch diese schnell entweichen.

Das aktuell präsentierte Paar Ohrhörer, in dem die thermoakustischen Chips integriert sind, ist zu diesem Zeitpunkt bereits ein Jahr lang ohne Überhitzung und ohne signifikante Anzeichen von Verschleiß in Betrieb. Die neuen Lautsprecher lassen sich zudem mit niedrigen Kosten in den gleichen Anlagen herstellen, die verwendet werden um Computerchips zu produzieren.

2013 erfolgt durch die Partner die Anmeldung eines weiteren Patents namens ,Thermoacoustic chip’, das 2015 erteilt wird (US-Nr. 9.161.135), sowie von ,Earphone’, das 2016 folgt (US-Nr. 9.402.127). Auf der Homepage der Hon Hai Precision Industry läßt sich aber nichts über eine weitere Beschäftigung mit dem Thema finden.

Zudem sei auf die einsehbare Veröffentlichung ,Graphene Acoustic Devices’ vom Januar 2019 verwiesen, in der ein Team um Tian-Ling Ren, das den hier genannten Informationen zufolge die erste Graphen-Schallquelle der Welt im Jahr 2011 entwickelt hatte, weitere Details zu diesen akustischen Graphengeräten vorstellt. Demnach wurden 2017 sowohl die Schallerkennung als auch die Schallabgabe in ein Graphengerät integriert, das als ,künstliche Graphenkehle’ bezeichnet wird.

Empfehlenswert ist der Ende 2018 im Netz veröffentlichte Artikel ,Advancements in Thermophones: Sound Generation from Nanoscopic Heaters’ von Nathanael Mayo, einem Experimentalphysiker am Naval Undersea Warfare Center (NUWC) in Newport, Rhode Island. Im April 2020 erscheint eine weitere Studie mit dem Titel ,High Performance and Wireless Graphene Earphone towards Practical Applications’, die im Netz einsehbar ist. Und 2021 folgt die Dissertation von Troy Bouman an der Michigan Technological University mit dem Titel ,Development of the Carbon Nanotube Thermoacoustic Loudspeaker’. Einen breiten kommerziellen Einsatz gibt es bislang aber noch immer nicht.

Im März 2010 gibt das Xerox zugehörige Palo Alto Research Center (PARC) den Beginn einer Aktion bekannt, um mechanische Kompressoren in Kühlschränken und Klimaanlagen durch thermoakustische Kompressoren zu ersetzen. Während mechanische Ausführungen typischerweise nur etwa 12 % des theoretischen Maximums erreichen, läßt sich diese Effizienz durch thermoakustische Komponenten mindestens verdreifachen. Dabei kann ein derartiger Kompressor potentiell mit 10.000 Zyklen pro Sekunde arbeiten.

Der Technik des thermoakustischen Kopplers kann zu Druckern und Kopierern zurückverfolgt werden, als das PARC (das als internen Labor von Xerox agierte, bevor es 2002 als eigenständige Tochter ausgegründet wurde) Forschungen zur Nutzung von Schallwellen durchgeführt hat, um Tintenstrahltröpfchen für die Fotobildqualität zu konzentrieren. Obwohl die Technologie vielversprechend war, wurde sie von Xerox nicht kommerzialisiert.

Nach Computersimulationen wird am PARC ein grundlegender Prototyp des thermoakustischen Kompressors hergestellt, der für Umgebungstemperaturen konzipiert ist, was als Durchbruch gilt, da dies nicht nur Energie sparen, sondern auch den Einsatz von Luft als Kühlmittel ermöglichen kann.

Zwei weitere Prototypen in naher Zukunft sollen die Simulationen validieren. Ein im April 2010 eingereichtes Patent ,Thermoacoustic apparatus with series-connected stages’ wird 2013 erteilt (US-Nr. 8.584.471; vgl. Nr. 8.375.729). Als Erfinder werden David Eric Schwartz und Sean Garner genannt. Doch auch in diesem Fall lassen sich keine weiteren Enwicklungsschritte nachweisen.

Ebenfalls im Jahr 2010 entwickelt Paul Montgomery, ein Maschinenbau-Absolvent der Pennsylvania State University, den funktionierenden Prototyp eines kleinen Thermo-Generators, der an einem Ofen angebracht Wärme in Schallwellen und dann in Strom umwandelt. Ein Bericht von Montgomery mit dem Titel ,Low-cost Thermoacoustic Co-generator for Biomass-burning Cook Stoves’ ist im Netz einsehbar.

Mit dem aus einem Lautsprecher und anderen billigen Komponenten konstruierten Gerät  kann ein ,schmutziger’ Holzherd in einen relativ sauberen konvertiert werden – der zudem als Stromgenerator fungiert. Dabei nutzt der Wandler die Resthitze des Ofens, um innerhalb eines Resonators eine Schallwelle mit hoher Amplitude zu erzeugen. Die Welle wird dann über den Lautsprecher im umgekehrten Betrieb geleitet, wobei die gewünschte Elektrizität produziert wird.

Die Vorrichtung ist aus einem Keramikstapel gemacht, der an einem Ende erhitzt, und am anderen gekühlt wird. Der Zellen-Stapel befindet sich in einem länglichen Resonator aus gefalteten Blech mit einem Lautsprecher an einem Ende, wobei die Anordnung der Zellen in Form hohler, rechteckiger Durchlässe der Länge nach entlang dem Resonator verläuft und damit der Luft erlaubt, hin und her zu fließen.

Die Vorteile des 10 W Prototyps sind die projizierten niedrigen Kosten von etwa 25 $, daß er keine beweglichen Teile außer dem Lautsprecher hat, und daß die Konstruktion effizienter zu sein verspricht, als die thermoelektrischen Generatoren, die bisher in ähnlichen Umsetzungen installiert sind. Zudem wird ein Teil der erzeugten Elektrizität zum Betrieb eines internen Lüfters verwendet, der den rußigen Rauch wieder über die Flammen bläst, um die meisten Schadstoffe zu zerstören. Der Lüfter verbessert auch die Effizienz des Ofens, so daß er weniger Brennmaterial verbraucht und schneller kocht.

Montgomery, der sein Studium bei dem o.g. Prof. Steven Garrett absolviert hat, überläßt seinen Ofen-Prototyp der Folgeklasse. Diese soll nun die Menge an Elektrizität erhöhen, indem anstelle des Lautsprechers ein Wandler mit beweglichen Magneten verwendet wird. Bislang ließ sich aber nichts über eine entsprechende Weiterarbeit finden.

Im Januar 2011 erscheinen Berichte über eine Neuentwicklung der 2006 gegründeten kanadischen Firma Etalim Inc. in Burnaby, deren Technologie ebenfalls auf die o.e. thermoakustischen Entwicklungen am Los Alamos National Laboratory zurückgeht. Das von privaten Venture-Investoren und der Sustainable Development Technology Canada (SDTC) geförderte Unternehmen war ein Gewinner des New Ventures BC Wettbewerbs im Jahr 2009 und wird im Juni 2011 durch die BC Technology Industry Association (BCTIA) als ,vielversprechendste vorkommerzielle Technologie’ ausgezeichnet.

Das erste erteilte Patent ,Thermal acoustic passage for a stirling cycle transducer apparatus’ wird 2010 angemeldet (US-Nr. 9.382.874, erteilt 2016). Als Erfinder werden neben dem Unternehmesgründer Thomas Walter Steiner auch Briac Medard de Chardon und Takao Kanemaru genannt. Darüber hinaus laufen noch diverse weitere Anmeldungen (u.a. US-Nr. 20110162362 von 2008; Nr. 20120159943 von 2010; Nr. 20130239564 von 2011 und Nr. 20150247491 von 2013).

Das Start-Up entwickelt einen neuen Motor, der etwa die Größe eines Basketballs hat und Strom mit der Effizienz einer Brennstoffzelle erzeugen soll, dabei aber nur etwa so viel wie ein Verbrennungsmotor kostet. Die Vorrichtung teilt einige Prinzipien des Stirling-Motors, wie den wiederholten Expansion-Kontraktion-Zyklus, der Wärme in mechanische Arbeit wandelt, indem er einen Kolben antreibt. Nicht relevant ist dagegen das grundsätzliche Problem von Stirling-Motoren, keine traditionellen Methoden der Abdichtung wie Kautschuk oder Schmierstoff verwenden zu können – sondern nur hochpräzise Metall-auf-Metall-Teile, die dementsprechend teuer sind.

Basierend auf der Thermoakustik gelingt es, beim Etalim TAC (Thermal Acoustic Converter) alle reibenden Teile und Dichtungen zu beseitigen, die anfällig für Verschleiß und Leckage sind. Im Inneren des völlig verkapselten Motors ersetzt eine Platte aus Metall den Kolben eines herkömmlichen Stirlings. Wird auf der Oberseite der Metallplatte unter Druck stehendes Helium erwärmt, verstärkt dies die durch das Gas reisenden Schallwellen, wodurch die Platte vibriert und eine darunter angebrachte und durch eine Kühlschicht aus Helium getrennte Metallmembran eine Welle nach unten drückt, die mit einem Generator verbunden ist.

Die Schwingung der Platte bewegt die Welle um nur zwei Zehntel eines Millimeters pro Zyklus, so daß mit jedem Zyklus nicht viel Helium bewegt wird. Da der Motor aber 500 Zyklen pro Sekunde erreicht, läßt sich genug Leistung aus ihm herausholen.

Der 2010 gefertigte erste Prototyp zeigt zwar, daß das Konzept funktioniert, da jedoch eine relativ geringe Wärme verwendet wird, erreicht seine Effizienz nur 10 %. Ein zweiter Prototyp, der in diesem Frühjahr fertig gebaut werden soll, soll bei 500°C eine Effizienz von 20 – 30 % erreichen. Ein kommerzielles Produkt mit 40 % Wirkungsgrad bei 700°C, wie es die Computermodelle vorhersagen, ist dann für das Jahr 2012 geplant. Dieses soll zunächst als billiger und länger haltender Konkurrent von Brennstoffzellen verkauft werden, die bei KWK-Systemen in Eigenheimen zum Einsatz kommen.

Das Unternehmen glaubt, den Motor für weniger als 1 $/W produzieren zu können, und hat als langfristiges Ziel einen Preis vom 0,15 $/W im Auge (später: 0,30 $/W) – sowie einen Wirkungsgrad von 46 % (42 % elektrisch). Da dies erfordert, die Temperatur auf 1.000°C zu erhöhen, ist die Verwendung von Keramik geplant. Dies würde auch der anvisierten wartungsfreien Lebensdauer von 40 Jahren entgegenkommen. Angedacht wird zudem ein 30 kW System.

Im April 2013 nimmt Etalim einen neuen, HT genannten 1 kW Prototyp in den Testbetrieb, mit dem die Leistungsspezifikationen der Produktebene verwirklicht werden sollen. Bei den Versuchen, erstmals auch mit Wärme aus einer externen Quelle, erreicht die HT-Version bei einer Temperatur von 700°C eine mechanische Leistung von 860 W Spitze.

Zudem wird der HT-TAC in den Prototyp eines Mikro-KWK-Systems integriert und getestet. Außerdem werden ein passender elektromagnetischer Generator mit einem Wirkungsgrad von 88 % sowie eine Erdgas-Brenner mit 70 % entwickelt. Die trotzdem vom Gesamtsystem erzielte Effizienz von nur 18 % im Vergleich zu dem Ziel von 27 % erfordert allerdings intensive Nacharbeiten.

Im Mai informiert die Firma darüber, daß sie aus der ,ecoENERGY Innovation Initiative’ des kanadischen Ministeriums für Naturresourcen einen Zuschuß in Höhe von 1,4 Mio. $, sowie von der Organisation Sustainable Development Technology Canada (SDTC) einen weiteren Zuschuß erhalten habe, der sogar 2,95 Mio. $ beträgt.

Aus dem Abschlußbericht vom Mai 2014 ist dann zu erfahren, daß das Projekt, den TAC von seinen Zustand als Laborprototyp zu einer vorkommerziellen Beta-Einheit mit Multi-Brennstoff-Betrieb weiter zu entwickeln, bereits im Januar 2011 gestartet und bis März 2014 gelaufen ist – mit der Projektförderung ab dem Oktober 2012. Daran beteiligten sich mit Bar- und/oder Sachmitteln auch die Firmen IBC Technologies und Union Gas.

Im November 2014 wird Etalim mit einem nicht bezifferten Zuschuß aus dem EUREKA-Programm bedacht, um die Kommerzialisierung der TAC-Technologie für Mikro-KWK auf dem europäischen Markt voran zu bringen.

Der 1 kW HT-Prototyp erreicht im Juni 2015 einen thermischen Wirkungsgrad von 28,5 %. Nun beginnen die Arbeiten an der endgültigen Produktversion H10, die eine noch höhere Leistung verspricht. Tatsächlich wird damit bereits im Dezember ein Wirkungsgrad von 30 % demonstriert. Nun plant das Unternehmen gemeinsam mit nicht genannten europäischen Partnern im ersten Halbjahr 2017 Feldtests durchzuführen, um im zweiten Halbjahr mit der kommerziellen Produktion zu beginnen.

Tatsächlich geht aber nicht so schnell - und erst im ersten Quartal 2022 kann die Firma melden, daß der nun 1GEN genannte Prototyp einen Dauerbetrieb von 12.000 Stunden erreicht hat. Der als ultrazuverlässig bezeichnete thermoakustische Stromgenerator erzeugt bis zu 2,4 kW elektrische Leistung.

Im Juli 2024 wird die Etalim von der Emissions Reduction Alberta (ERA) mit knapp 2 Mio. $ gefördert, um ein Projekt im Umfang von 4,8 Mio. $ zur thermoakustischen Elektrifizierung von Bohrlöchern zur Methanreduzierung durchzuführen. Ziel dieses Projekts ist es, eine Pilotproduktion zu etablieren, 15 Einheiten im Feld einzusetzen und den Verkauf der ersten Einheiten zu sichern. Feldtest und die Zertifizierung folgen im dritten Quartal 2024 - und für 2025 sind vorkommerzielle Pilotanlagen geplant.

Der Einsatz von thermoakustischen Generatoren, die von Radioisotopen beheizt werden, wird Ende 2012 von den beiden Unternehmen Airbus Defence & Space und Airbus Group Innovations sowie dem französischen Entwicklungslabor HEKYOM vorgeschlagen.

Dieses war 2002 von Prof. Maurice-Xavier Francois in Orsay gegründet worden, der sich schon seit 1995 mit der Thermoakustik befaßt. Gemeinsam mit Emmanuel Bretagne meldet er 2005 das Patent für eine ,Acoustic Power Transmitting Unit for Thermoacoustic Systems’ an (US-Nr. 20080276625, veröffentlicht 2008; Priorität: FR-Nr. 0404773 von 2004).

Nicht ganz klar ist, warum das völlig identische Patent ein weiteres mal 2005 angemeldet wird, und zwar diesmal von der Université Pierre et Marie Curie sowie dem Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Paris, und warum es dann erst neun Jahre später veröffentlicht wird (US-Nr. 8.640.467, erteilt 2014).

Die Partner untersuchen in ihrer selbst finanzierten Studie die mögliche Verwendung eines solchen Generatortyps für Weltraummissionen, da er gegenüber anderen – wie den existierenden Thermoelement-basierten Systemen oder einem Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG) – zumindest theoretisch über leichte Vorteile verfügt. Mehr Informationen über die letztgenannten Umsetzungen finden sich unter Nuklearbatterie.

Die von HEKYOM patentierte Architektur des thermoakustischen Motors, die für diese Projekte vorgeschlagen wird, erlaubt den Bau eines TA-Motors vom Stirling-Typ ohne die üblichen Nachteile eines herkömmlichen Wanderwellen-Motors, der in der Regel eine sperrige und schwere schlaufenartige Maschine ist.

Konkret werden zwei verschiedene Einsatzfälle analysiert: ein Telekommunikationssatellit in einer geostationären Umlaufbahn mit einem elektrischen Leistungsbedarf von 40 kW, sowie eine Mission zur Erforschung des tiefen Alls, deren elektrischer Leistungsbedarf 100 W beträgt. Mit dem Ziel, die hohe Effizienz der neuen Architektur für Hochtemperaturanwendungen zu demonstrieren, entwickeln die Partner gemeinsam einen entsprechenden thermoakustischen Motor, der für einen Temperaturbereich von 400 – 1.000°C ausgelegt ist. Über einen Prototypen als Konzeptnachweis, der im Jahr 2013 entwickelt und gebaut wird, scheint das Projekt bislang aber nicht hinausgekommen zu sein.

Im Dezember 2012 startet an der University of Glasgow in Großbritannien ein Dissertationsprojekt über dreieinhalb Jahre zum Thema ,Energieernte aus Motorabgasen mit einem thermoakustischen Generator’.

Abgase sind für Energy-Harvesting-Anwendungen sehr attraktiv, da der thermische Wirkungsgrad von modernen Verbrennungsmotoren nur 20 – 40 % beträgt, wobei ein typischer Mittelklassen-Personenkraftwagen unter städtischen Verkehrsbedingungen schätzungsweise 29 % der Wärmeenergie aus der Kraftstoffverbrennung über die Abgase und weitere 33 % durch das Kühlwasser und die Wärmeabstrahlung verliert. Dabei liegt die Temperatur der Abgase je nach Motortyp und Betriebsbedingungen zwischen 500°C und 900°C.

Um die Technologie der thermoakustischen Nutzung von Abgasen zu kommerzialisieren, sollen in dem Projekt einige der verbleibenden fundamentalen und technischen Herausforderungen angegangen werden, wobei zunächst ein verbessertes Modell entwickelt wird, um das Gesamtsystem zu optimieren – insbesondere den Kopplungsmechanismus zwischen dem thermoakustischen Motor und der linearen Lichtmaschine. Anschließend will man sich auf die Optimierung des Wärmetauschers konzentrieren, der Wärme aus den Abgasen extrahiert.

Im Laufe dieses Projekts soll auch der  Prototyp eines solchen thermoakustischen Generators gebaut und getestet werden, um zur weiteren Verbesserung der Modellierung die experimentellen Ergebnisse mit den vorausgegangenen Simulationen zu vergleichen. Leider ließ sich bislang nicht das Geringste über den Fortschritt dieses Projekts finden.

Daß das Thema Thermoakustik zunehmend an Interesse gewinnt, belegt das 1.  Internationale Workshop über Thermoakustik, das im Jahr 2013 im niederländischen Den Bosch abgehalten wird. Bereits im Mai 2014 folgt an der Sendai Tohoku Universität in Japan der 2. Workshop, während der 3. im Oktober 2015 wieder in den Niederlanden an der Universität Twente stattfindet.

Im Oktober 2013 gewinnt das Projekt ,Waste Heat Smartly: Thermoacoustic Technology’ den zweiten Platz beim renommierten Wettbewerb EDP University Challenge 2013, der von der Firma EDP Renewables in Spanien gesponsert wird.

Die vier Studenten Burkhard Hauck, Heny Kusumawardani, Davide Lora und Daniel Negrin von der Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) setzen sich mit ihrem Konzept gegen mehr als 80 konkurrierende Projekte durch: Die Verwendung eines thermoakustischen Motors um die Abwärme von Fahrzeug zurückzugewinnen und Strom zu erzeugen. Details darüber gibt es allerdings nicht zu erfahren.

Experimentelle Untersuchungen an einem Stehwellen-Thermoakustikmotor sind wiederum Inhalt der Diplomarbeit von Mahmoud Mohamed Emam an der Universität Kairo im Jahr 2013  (,Experimental Investigations on a Standing-Wave Thermoacoustic Engine’). Diese Arbeit ist unter web.archive.org afrufbar.

Im Dezember 2013 erscheinen die ersten – und bislang auch letzten – Berichte über das von den zwei Stanford-Professoren James Gibbons und Lambertus Hesselink im Vorjahr gegründete Startup Nirvana Energy Systems Inc. (NES) in Portola Valley, Kalifornien, das sich mit der Entwicklung eines kostengünstigen Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung-Systems (μ-KWK) für den Heimgebrauch beschäftigt, das Gas in Strom umwandelt und für die Erwärmung des Brauchwassers und die Raumheizung sorgt.

Der Thermo Acoustic Power-Stick (TAPS) basiert der Firma zufolge teilweise auf der von Xerox PARC entwickelten und von der NASA weiter verfeinerten Technologie (s.o.), die nun exklusiv an die Nirvana Energy lizenziert worden sei. Hauptinvestor in das Unternehmen, dessen F&E-Einrichtung sich in Cleveland, Ohio, befindet, ist die Risikokapitalgesellschaft Floodgate aus Palo Alto.

Die TAPS-Technologie ist ruhig und vibrationsfrei und kann daher in der Küche, im Keller oder auf dem Dachboden plaziert werden, wobei das rund 25 kg wiegende Gerät nur 80 cm lang ist und einen Durchmesser von 20 – 25 cm hat. Ohne den Bedarf an Wartung und Instandhaltung soll die Lebensdauer mehr als 15 Jahre betragen. Der TAPS kann 1 – 4 kW elektrische, und 15 – 30 kW thermische Leistung produzieren, und dies mit einer Systemeffizienz von mehr als 90 %. Zudem können mehrere TAPS über das Internet vernetzt und zu einem dezentralen, virtuellen Kraftwerk verbunden werden.

Nirvana gibt bekannt, daß man das gesamte Jahr 2014 über Tests durchführen wird, um sich dann der Zertifizierung und anderen regulatorischen Anforderungen zu widmen.

Im März 2016 veröffentlicht das Electric Power Research Institute (EPRI) den im Netz abrufbaren Bericht ,Nirvana Energy Systems – Thermoacoustics Micro Combined Heat and Power Generation Assessment’, in welchem die thermoakustische Technologie und das von Nirvana entwickelte Produkt analysiert und bewertet wird.

Vom Juni bis Dezember 2017 läuft das Projekt LANCE (Linear Acoustic Nuclear Conversion Engine), bei dem die NES im Auftrag der NASA auf der Grundlage der TAPS-Technologie einen Thermoakustischen Radioisotopengenerator (TRG) mit 300 W entwickelt. Dieser ist unempfindlich gegenüber dem Wärmeabbau durch Radioisotope, kann über 20 Jahre im Dauerbetrieb arbeiten, ist kostengünstig herzustellen und erzielt einen thermischen Wirkungsgrad von mehr als 25 %. Der TRG soll dann als Grundlage für eine 10 kW Stromversorgung für den Weltraum dienen.

Ein Anschlußprojekt mit dem Titel Thermoacoustic Radioisotope Generator (TRG) läuft vom April 2017 bis zum Dezember 2021. Die technischen Ziele sind die Herstellung eines Prototyps eines TRG-Konverters, der Bau einer Testzelle und die Validierung der konzipierten Systemleistung mit einem Minimum von 500 Stunden Dauerbetrieb. Weitere Informationen lassen sich bislang nicht finden.

Kontextbezogen sei auf die im Netz aufrufbare PPT-Präsentation ,Radioisotope Thermoacoustic Power Generation for Space Missions’ verwiesen, in der Experten der Firma Northrop Grumman Aerospace Systems im Juni 2016 über den aktuellen Stand der Technik berichten.

Im Juli 2019 erscheinen Berichte, daß Ingenieure des Glenn Research Center der NASA zwischenzeitlich zwei neue Technologien entwickelt haben, die Stirlingmotoren effizienter und kostengünstiger machen: Einmal einen thermoakustische Energiewandler zum Antrieb piezoelektrischer Generatoren oder anderer Stromwandlertechnologien, und zum anderen einen magnetostriktiven Generator, welcher den herkömmlichen linearen Generator ersetzt, der die oszillierende Druckwelle in elektrische Energie umwandelt.

Der ,Stirling Thermoacoustic Power Converter and Magnetostrictive Alternator (LEW-TOPS-80)’ wird nun zur Lizenzierung freigegeben - auch wenn die NASA bislang noch keinen Prototyp gezeigt hat. Es läßt sich auch nichts darüber finden, daß es in der Folgezeit zu einer Lizenzierung gekommen ist.

Ein großer Durchbruch bei der solar-thermoakustischen Stromerzeugung wird im April 2014 bekanntgegeben. Die 2009 gegründete Firma Qnergy – eine Tochtergesellschaft der israelischen Firma Ricor Cryogenic & Vacuum Systems, die sich seit 1967 mit Stirling-Geräten beschäftigt – stellt auf ihren Testfeld in Ogden, Utah, „einen neuen Weltrekord“ auf, indem die Schallwellen in ihrem thermoakustischen Generator, die durch Sonnenwärme erzeugt werden, eine elektrische Leistung von 1 kW liefern. Mehr darüber findet sich unter Stirling-Motor.

Im Mai 2014 veröffentlichen Wissenschaftler des Technical Institute of Physics and Chemistry der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) den Artikel ,Development of a 3 kW double-acting thermoacoustic Stirling electric generator’. Hier wird über Experimente mit einem doppelt wirkenden thermoakustischen Stirling-Generator berichtet, der mit 50 bar Heliumdruck und einer Arbeitsfrequenz von 86 Hz eine maximale elektrische Leistung von etwa 1,57 kW und einen maximalen thermisch-elektrischen Umwandlungswirkungsgrad von 16,8 % erreicht.

Daß die Arbeiten in diesem Fall weitergeführt werden, belegen spätere Veröffentlichungen, wie z.B. im Mai 2023 der einsehbare Artikel ,A heat-driven thermoacoustic heat pump with a single direct-coupling configuration capable of utilizing medium/low-grade heat for domestic applications’. Hier schlagen die Forscher, zu denen nun auch Kollegen des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) in Deutschland sowie der Tsinghua University und der Southeast University in China gehören, ein thermoakustisches Wärmepumpensystem vor, das in der Lage ist, Wärme mittlerer und geringer Qualität für die Wärmeversorgung in Haushalten zu nutzen.

Das System besteht aus einer einfachen thermoakustischen Energieumwandlungseinheit mit einer Direktkopplungskonfiguration, die die Systemkomplexität im Vergleich zu den herkömmlichen mehrstufigen thermoakustischen Systemen erheblich reduziert. Motoreinheit, Wärmepumpeneinheit und Gasresonatoreinheit befinden sich in einem Kreislauf. Das System wird zunächst durch die thermoakustische Schwingung angeregt und nutzt die verstärkte akustische Leistung, um die Wärmepumpeneinheit anzutreiben und Wärme von der Wärmequelle zur Wärmesenke zu pumpen.

Das thermoakustische Wärmepumpensystem ist so ausgelegt, daß es unter Nennbedingungen eine Heizleistung von 5,7 kW und eine Gesamtleistungszahl von 1,40 erreicht.

Schon im November folgen Berichte über die Entwicklung eines thermoakustischen Stirling-Generators mit eine Länge von etwa 2 m, der eine beeindruckende Effizienz zeigt. Der im Technischen Institut für Physik und Chemie (TIPC) der CAS von einem Team um die Professoren Hu Jianying und Luo Ercang entwickelte Prototyp, der aus einem thermoakustischen Stirlingmotor und einem Linearmotor besteht, die von einer starren Schale umgeben sind, liefert eine Leistung von 102 kW aus einer Wärmequelle von 530°C.

Der derzeitige thermoelektrische Umwandlungswirkungsgrad liegt bei etwa 28 %, soll mit einer heißeren Wärmeträgerflüssigkeit von 600°C aber bis zu 34 % erreichen.

Im Dezember 2014 ist zu erfahren, daß die Stanford University acht Initiativ-Zuschüsse von insgesamt etwa 1,5 Mio. $ erhält – wobei einer davon für ein Projekt gedacht ist, bei dem ein miniaturisierter thermoakustischer Motor entwickelt werden soll, der die Abwärme von Computern und anderen elektronischen Geräten konvertiert.

Die Forscher Lambertus Hesselink, Jeffrey Lin und Carlo Scalo, letzterer von der Purdue University, wollen zuerst die Machbarkeit eines derartigen Miniatur-Motors beurteilen, um anschließend das Design der vorläufigen Version eines Geräts entwickeln, das mindestens 20 % der Abwärme wieder hereinholen kann. Motiviert wird das Team von der Berechnung, daß eine solche Technologie bei voller Kommerzialisierung allein in den USA pro Tag 6 Mio. $ an Stromkosten einsparen könnte.

Das Team berichtet im November 2015, daß es die erste High-Fidelity-Navier-Stokes-Simulation eines kompletten thermoakustischen Motors mit piezoelektrischer Energieextraktion durchgeführt habe. Das Modell umfaßt einen 51 cm langen zylindrischen Resonator, der an einem Ende einen thermoakustischen Stapel enthält, und am anderen Ende mit einer piezoelektrische Membran aus PZT-5A bedeckt ist, die auf die Frequenz des thermoakustisch-verstärkten Modus von 388 Hz abgestimmt ist. Über praktische Umsetzungen ist allerdings noch nichts bekannt.

Auch an der University of Leeds wird die Thermoakustik untersucht. So erscheint hier im September 2017 der Artikel ,Thermoacoustic micro-electricity generator for rural dwellings in developing countries driven by waste heat from cooking activities’ von Kalid O.A. Abdoulla-Latiwish, Xiaoan Mao und Artur J. Jaworski, in welchem ein Labordemonstrator mit knapp 20 W elektrischer Leistung modelliert und getestet wird. Dabei  erweist sich atmosphärische Luft als ein brauchbares thermodynamisches Medium.

Modelliert wird der thermoakustische Wanderwellenmotor mit einer Schleifenrohrkonfiguration mit dem o.e. DeltaEC-Tool. Zu Demonstrationszwecken wird als Wärmequelle Rauchgas aus einem Propanbrenner verwendet. Zudem werden konstruktive Kompromisse für die Anwendung der Technologie in armen ländlichen Gebieten skizziert und gezeigt, daß die Verwendung billiger Komponenten die Kosten senkt. Allerdings werden thermisch-akustische und thermisch-elektrische Wirkungsgrade von nur 3,5 % bzw. 1,9 % erreicht.

Im Januar 2018 veröffentlichen Forscher der Purdue University und der University of Notre Dame in Indiana die Studie ,Thermoacoustics of solids: A pathway to solid state engines and refrigerators’, die sich damit befaßt, den extremen Temperaturgradienten im Weltraum für die Stromversorgung von Satelliten nutzbar zu machen - was theoretisch durch eine Festkörper-Thermoakustik geschehen soll. Dies galt bislang als unwahrscheinlich, da Feststoffe ,stabiler’ sind als Flüssigkeiten und mechanische Energie eher ableiten, so daß es für Wärme schwieriger ist, Schallwellen zu erzeugen.

Dem Team um die Professoren Carlo Scalo und Fabio Semperlotti zufolge kann ein Festkörper aber sehr wohl als Medium für die Wechselwirkung von Temperaturschwingungen und Schallwellen dienen - genau wie eine Flüssigkeit für thermoakustische Motoren und Kühlschränke -, mit dem Vorteil, daß der Einsatz von Festkörpern zu leckfreien Maschinen führt, die länger in Betrieb bleiben können.

Bei ihrer Arbeit entwickeln die Forscher ein theoretisches Modell, das zeigt, daß ein dünner Metallstab selbsttragende mechanische Schwingungen erzeugen kann, wenn ein Temperaturgradient periodisch auf Segmente des Stabs angewendet wird. Ebenso wie Flüssigkeiten ziehen sich Festkörper zusammen, wenn sie abkühlen, und dehnen sich aus, wenn sie sich erwärmen. Zieht sich der Festkörper bei Abkühlung aber weniger zusammen und dehnt er sich bei Erwärmung stärker aus, nimmt die resultierende Bewegung mit der Zeit zu. Außerdem können Feststoffe so bearbeitet werden, daß sie die erforderlichen Eigenschaften für eine hohe thermoakustische Leistung aufweisen - was bei Flüssigkeiten nicht möglich ist.

Obwohl der zugrunde liegende physikalische Mechanismus einige Ähnlichkeiten mit seinem Gegenstück in Flüssigkeiten aufweist, hebt der nun vorgelegte theoretische Rahmen relevante Unterschiede hervor. Allerdings müssen die Forscher noch einen Versuchsaufbau fertigstellen, um ihre Konstruktionsidee zu validieren und die Thermoakustik von Festkörpern, die sich bislang auf mathematische Berechnungen und Modellierung beschränkt, besser zu verstehen.

Als Einsatzgebiet wird - wie eingangs erwähnt - der Weltraum ins Auge gefaßt, dessen extreme Temperaturunterschiede sich hervorragend zur Erzeugung mechanischer Schwingungen eignen, die dann in Raumfahrzeugen in elektrische Energie umgewandelt werden. Die äußerst robusten und zuverlässigen thermoakustischen Festkörpergeräte würden die Sonne als Wärmequelle und die Abstrahlung in den Weltraum als Kältequelle nutzen und auch unbegrenzt arbeiten, da sie keine beweglichen Teile haben, die defekt werden, oder Flüssigkeiten, die auslaufen könnten.

Im Juni 2022 melden die Fachblogs, daß die niederländische Organisation für angewandte wissenschaftliche Forschung (TNO) und ihr im Jahr 2016 von Michiel Hartman und Haico Halbesma gegründetes Spinoff Blue Heart Energy eine 6 kW Wärmepumpe entwickelt haben, die mit akustischen Wellen arbeitet und sowohl Wärme als auch kalte Luft erzeugt. Das Gerät, ein Kubus mit einer Kantenlänge von 55 cm, kann in Kombination mit einer PV-Anlage auf dem Dach betrieben werden.

Die für Haushaltsanwendungen gedachte Wärmepumpe namens BlueHeart, die höhere Temperaturen als bestehende Modelle erreichen soll, arbeitet mit zwei Kolben, die mit einer Frequenz von 100 Hz in einem geschlossenen, mit 50 bar Helium gefüllten Druckbehälter schwingen. Derzeit wird sie in einer Klimakammer in Delft getestet. Die Blue Heart Energy plant, die ersten Geräte im Jahr 2023 (später: 2024) im echten Einsatz in Häusern zu testen.

Zum Hintergrund: Die TNO befaßt sich seit etwa 2005 mit der Thermoakustik und hatte 2015 einen Labor-Prototypen mit einer thermischen Leistungsfähigkeit von 240 W vorgestellt. Ein erster, gemeinsam mit der Blue Heart Energy konstruierter, funktionsfähiger Prototyp wird im Jahr 2019 auf 1 kW hochskaliert, und 2022 folgt der erste Prototyp für Testläufe, dessen Leistungsfähigkeit 3 kW beträgt.

Im April 2025 erklärt sich der US-amerikanische Heizungsspezialist Copeland bereit, eine nicht näher bezifferte Summe in die Blue Heart Energy zu investieren. Laut Copeland ist die thermoakustische Heiztechnologie ideal geeignet, um aktuelle Kompressortechnologien durch ein kompaktes Design und einen leisen Betrieb zu ergänzen, insbesondere im Wohnbereich. Diese Investition soll die Blue Heart Energy dabei unterstützen, ihre Technologie zur Marktreife zu bringen ... die demnach noch nicht erreicht worden ist.

 

Weiter mit der Wärme...