Zeitung Heute : Umweltfreundliche Mobilität: Dampfmaschine unter der Haube?

Heiko Schwarzburger

Als James Watt 1765 seine Dampfmaschine baute, ahnte er nicht, dass er damit das Industriezeitalter einläutete. Heute sind Dampfmaschinen nur noch im Museum zu sehen. Dass sie jemals das Zeitalter der umweltfreundlichen Mobilität einläuten könnten: Wer käme angesichts der dicken Rauchwolken aus den Schloten der Lokomotiven auf diesen Gedanken? Doch so abwegig ist die Idee offenbar nicht. Findige Köpfe der Berliner Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr (IAV) tüfteln an einer Wiedergeburt der Dampfmaschine: als Antrieb für Kraftfahrzeuge.

Ihr Dampfmotor "Zero Emission Engine" (ZEE) hat drei Zylinder mit einer Leistung von 50 Kilowatt (75 PS) und ein Drehmoment von bis zu 500 Newtonmetern bei 2000 Umdrehungen pro Minute. Der Spritverbrauch ist im Stadtverkehr mit dem eines 90-PS-TDI vergleichbar. Allerdings liegen die Abgaswerte deutlich niedriger. Stickoxide, bislang der Knackpunkt beim Verbrennungsmotor, sind kaum noch messbar. Das Patent für die Brennstoffzelle geht auf das Jahr 1839 zurück. Kommt jetzt auch die gute alte Dampfmaschine zu neuen Ehren?

Der Kern des Dampfmotors ZEE ist ein neuartiger Porenbrenner, in dem ein Gas-Luft-Gemisch ohne offene Flamme zwischen den Hohlräumen eines porösen Materials, etwa von faserverstärkten Keramiken, verbrennt. James Watt stand diese Technik noch nicht zur Verfügung, deshalb heizte er seine Dampfmaschine wie einen Ofen, sie spie jede Menge Ruß aus. Der Porenbrenner wurde erst in den vergangenen Jahren entwickelt. Er ist extrem schadstoffarm und gibt sehr viel Wärme ab. Sein thermischer Wirkungsgrad ist also sehr hoch. Darüber hinaus lassen sich die Abgase durch einen ebenfalls in poröses Medium eingebetteten Wärmetauscher sehr effektiv abkühlen, was wiederum sehr hohe Wirkungsgrade und eine optimale Brennstoffausnutzung gewährleistet. Da die Brenner-Wärmetauscher-Einheiten sehr klein und kompakt sein können, eröffnen sich völlig neue Anwendungen.

Die IAV-Ingenieure setzen den Porenbrenner ein, um das Speisewasser zu Dampf zu erhitzen. Jede heiße Stelle im Motor wird genutzt, um das Speisewasser dafür vorzuwärmen. Die Schlaufen für die Dampferzeugung sind um den Zylinder gelegt, dadurch wird die Abwärme des Motors voll ausgenutzt. Das spart zusätzlich Energie. Nach der ersten Erhitzerstufe hat der Dampf einen Druck von rund 500 bar, bei einer Temperatur von rund 500 Grad Celsius. In der nächsten Stufe wird er auf bis zu 900 Grad Celsius erhitzt. Diese geballte Dampfkraft drückt gegen den Kolben und treibt die Kurbelwelle. Der Kolben besteht aus einer Kohle-Keramik, um die Hitze und den enormen Druck überhaupt überstehen zu können.

"Die ZEE hat das Potenzial, den Verbrauch eines dieselgetriebenen Fahrzeuges unter Einhaltung der SULEV-Norm ohne Abgasnachbehandlung zu erreichen", schreiben die Entwickler um Gerhard Buschmann, Michael Hötger und IAV-Chef Bertold Mayr in ihrem Prüfbericht. Als nächster Schritt steht die Erprobung im Fahrzeug an. Eine erste Einbaustudie am Computer zeigte, dass dieser Dampfmotor mit seinen Nebenaggregaten durchaus in den Motorraum eines Kleinwagens passt.

Mit der ZEE lösen die IAV-Ingenieure ein uraltes Problem der Motorentechnik: Seit 120 Jahren sind Kraftstoff-Verbrennung und Kolben direkt miteinander gekoppelt. Dadurch muss der Verbrennungsprozess über einen weiten Lastbereich funktionieren, immer haarscharf am Optimum vorbei. In bestimmten Betriebszuständen gehen die Schadstoffe in die Höhe. So werden beim Kaltstart unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) frei. Weil die Verbrennung noch nicht richtig läuft, benötigt der Motor in diesem Zustand mehr Sprit, also ein fettes Gemisch (Kaltstartanreicherung). Bei hoher Motorlast entstehen die gefürchteten Stickoxide, als Ergebnis einer zwangsweisen Liaison der Luftstickstoffs mit dem Sauerstoff infolge der hohen Drücke und Temperaturen im Brennraum.

In der ZEE sind Verbrennung und Motorlast voneinander entkoppelt. Damit kann der Brenner in seinem Optimum laufen, während der Dampf die Leistung je nach Bedarf aufbringt. Der ZEE kommt demnach ohne Getriebe aus. Die Abgaswerte für Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Ruß liegen unter der Nachweisgrenze. Der Wert für Stickoxide erreicht nur ein Hundertstel eines TDI. Und: Eine solche Dampfmaschine kann alles mögliche verbrennen: Benzin, Diesel oder Erdgas. Oder eines Tages auch Wasserstoff, vielleicht sogar als Konkurrenzmodell zur Brennstoffzelle.

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