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Gasexpansionsmotor

Ein Gasexpansionsmotor ist ein Motor, der durch ein komprimiertes Gas angetrieben wird, welches dabei expandiert (entspannt) wird. Häufig wird hierfür die Bauart eines Hubkolbenmotors verwendet; das Gas treibt also einen oder mehrere Kolben an, die wiederum mit einer Kurbelwelle verbunden sind. Wenn das Arbeitsgas Druckluft ist, spricht man auch von einem Druckluftmotor (auch Luftmotor oder pneumatischer Motor).

Nicht alle Druckluftmotoren sind Hubkolbenmotoren; besonders für kleine Leistungen und hohe Drehzahlen werden beispielsweise auch Lamellenmotoren und Zahnradmotoren eingesetzt. Besonders für hohe Leistungen kommen auch Druckluftturbinen infrage.

Physikalische Grundlagen; isotherme oder adiabatische Expansion

Die folgenden Erklärungen konzentrieren sich auf Hubkolbenmotoren, wobei allerdings die grundlegenden Aspekte auch auf andere Bauarten von Gasexpansionsmotoren anwendbar sind.

Das Arbeitsgas erfährt bei seiner Expansion eine Abkühlung, weil das Leisten von Arbeit am Kolben eine Verminderung der inneren Energie des Gases bedeutet und diese wiederum mit seiner Temperatur zusammenhängt. Diese Abkühlung vermindert nun den Druck des Gases und damit auch seine Fähigkeit, weiter Arbeit zu leisten. Außerdem können bei sehr tiefen Temperaturen technische Probleme entstehen, beispielsweise durch Vereisung, wenn das Arbeitsgas gewisse Mengen von Wasserdampf oder andere Stoffe mit relativ hohem Schmelzpunkt enthält.

Im Idealfall würde deswegen der Temperaturabfall durch Zufuhr von Wärme von außen (etwa durch die metallischen Wandungen) gänzlich verhindert, sodass eine isotherme Expansion (d. h. Expansion bei konstanter Temperatur) stattfände. Das Arbeitsgas könnte dann bei Umgebungstemperatur zugeführt werden und würde die Maschine bei gleicher Temperatur entspannt verlassen. Wenn die benötigte Wärme einfach der Umgebung entnommen würde (etwa der Außenluft), wäre damit nicht einmal ein Energieverbrauch zusätzlich zur Zufuhr des komprimierten Gases verbunden. Die Zufuhr von Wärme auf dem Niveau der Umgebungstemperatur würde auch keine Zufuhr von Exergie bedeuten, sondern nur von Anergie.

Das Problem des isothermen Betriebs ist allerdings, dass vor allem bei einem größeren Motor der Wärmeübergang von den Wänden auf das Gas viel Zeit benötigt, sodass die Expansion sehr langsam durchgeführt werden müsste, um annähernd isotherm zu erfolgen. Das hätte eine sehr niedrige Leistung des Motors zur Folge. Deswegen wird in der Praxis meist eine schnelle und damit annähernd adiabatische Expansion vorgenommen, d. h. es wird während der Expansion kaum Wärme zugeführt. In diesem Falle tritt also eine erhebliche Abkühlung des Gases auf. Probleme mit zu niedrigen Temperaturen müssen dann eventuell dadurch vermieden werden, dass das Arbeitsgas vor dem Eintritt in den Motor aufgeheizt wird. Hierfür kann beispielsweise Erdgas verbrannt werden, soweit nicht eine geeignete Quelle von Abwärme bei genügend hoher Temperatur zur Verfügung steht.

Eine Mischform zwischen adiabatischem und isothermen Betrieb ist möglich bei einer mehrstufigen Expansion. Hier durchläuft das Gas eine Serie von Kolben und verliert an jedem Kolben nur einen Teil seines Überdrucks. Zwischen diesen Expansionsprozessen kann dem Gas mithilfe eines Wärmeübertragers Wärme zugeführt werden. (Dieser Vorgang ist weniger zeitkritisch, da ein separater Wärmeübertrager sehr viel größere Oberflächen für den Wärmekontakt aufweisen kann.) Wenn sehr viele Expansionsstufen verwendet würden, wobei jede Stufe den Druck nur geringfügig abbauen würde, wäre damit effektiv ein annähernd isothermer Betrieb realisierbar. Die Wärmezufuhr zwischen all den Stufen könnte dann in etwa auf dem gleichen Temperaturniveau erfolgen – z. B. bei Umgebungstemperatur.

Typische Vorteile von Gasexpansionsmotoren

Wenn große Mengen eines Gases (z. B. Erdgas) von einem hohen Druck auf einen niedrigen Druck entspannt werden muss, bietet sich die Nutzung der enthaltenen mechanischen Energie mithilfe eines Gasexpansionsmotors unmittelbar an. Diese Anwendung wird weiter unten diskutiert.

Im Vergleich zu Verbrennungsmotoren sind Gasexpansionsmotoren insgesamt deutlich einfacher gebaut, weil diverser Aufwand im Zusammenhang mit der Verbrennung eingespart wird. Es entfallen auch schädliche Abgasemissionen, abgesehen von einer möglichen Verunreinigung mit Schmieröl. Auch ein Betrieb in explosionsgefährdeten Bereichen ist oft möglich, ebenso ein Einsatz unter Wasser. Der Start aus dem Stillstand ist meist problemlos möglich, sodass kein separater Startermotor benötigt wird. Ein hohes Drehmoment steht bereits bei sehr niedrigen Drehzahlen zur Verfügung. Generell handelt es sich um eine recht einfache und robuste Technik.

Vorteilhaft kann auch sein, dass ein Druckluftmotor keinerlei Hitze an seine Umgebung abgibt; die Expansion der Druckluft bewirkt ja sogar eine Abkühlung. Ebenfalls ist dadurch oft eine hohe Leistungsdichte (und damit ein geringes Leistungsgewicht) realisierbar.

Anwendungen von Gasexpansionsmotoren

Energierückgewinnung bei Gaspipelines

Für den Transport in Gaspipelines wird beispielsweise Erdgas stark komprimiert (z. B. auf 90 bar); nur so lässt sich eine hohe Transportkapazität einer Pipeline erzielen. Die dafür benötigten Kompressoren brauchen erhebliche Mengen von Antriebsenergie. Wo das Gas schließlich der Pipeline wieder entnommen wird, kann es meist wieder auf einen niedrigen Druck entspannt werden. Wenn hierfür ein einfaches Drosselventil verwendet wird, erfolgt eine gewisse Abkühlung des Gases, und es wird keine nutzbare Energie frei. Dagegen kann ein Teil der für die Kompression aufgewandten Energie zurückgewonnen werden, wenn das Gas einen Gasexpansionsmotor durchläuft.

Ein großer Motor dieser Art kann beispielsweise für einen Gasvolumenstrom von 100 000 Normkubikmeter pro Stunde ausgelegt werden. Der Heizwert des in einer Stunde durchgesetzten Gases entspricht dann rund einer Million Kilowattstunden, d. h. die mit diesem Gas erzeugbare Wärmeleistung beträgt ca. 1 Gigawatt – eine Leistung, die eher der Gesamtleistung einer kleineren Erdgaspipeline entspricht als dem Verbrauch selbst eines größeren Industriebetriebs, weswegen eine solche Anlage am ehesten durch einen Gasnetzbetreiber betrieben wird. Unter solchen Umständen kann ein Gasexpansionsmotor eine mechanische Leistung von einigen Megawatt abgeben, die meist zum Antrieb eines Generators zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt wird. Für die Vorwärmung des Erdgases muss ein Teil des Gases verbrannt werden. Die erzielte Nutzleistung kann aber ohne Weiteres 80 oder 90 % der Energie des verbrannten Gases entsprechen; es wird also wesentlich weniger Gas für diese Leistung benötigt, als wenn man dieselbe Leistung in einem Gaskraftwerk erzeugen würde.

Für Industriebetriebe eher anwendbar ist ein technisch ebenfalls ohne Weiteres realisierbarer Motor mit beispielsweise 10 oder 100 mal geringerer Leistung.

Bei manchen Druckluftmotoren muss der Luft etwas Schmieröl beigefügt werden, welche sich in der Abluft dann wieder findet. Für diesen Fall gibt es spezielle Abluftentöler.

Antrieb von Fahrzeugen

Es gab diverse Versuche, beispielsweise Kraftfahrzeuge und teils auch Lokomotiven mithilfe von Druckluftmotoren anzutreiben, wobei die benötigte Druckluft in einem stabilen Drucktank mitgeführt wird. Anders als bei Verwendung eines Verbrennungsmotors entstehen dann im Fahrzeug keinerlei Schadstoffemissionen, sondern allenfalls bei der Erzeugung der Druckluft. Auch dies ist aber vermeidbar, wenn beispielsweise ein Kompressor mit Strom aus Windenergie betrieben wird.

Das wohl größte Problem dieses Ansatzes ist aber, dass ein Drucklufttank vertretbarer Größe nur eine moderate Energiemenge speichern kann, sodass die Reichweite des Fahrzeugs recht gering ausfällt. Ein weiteres Problem ist der nicht allzu hohe Wirkungsgrad dieser Methode. Bei der Kompression der Luft fällt Wärme an, die am Ort oft schwer nutzbar ist und deswegen meist einen Energieverlust bedeutet, schon bevor die Druckluft überhaupt in das Fahrzeug gelangt. Wenn ein Fahrzeugtank dann über ein Drosselventil aus einem stationären Drucklufttank gefüllt wird, geht an diesem Ventil wiederum ein Teil der Energie verloren. (Der letztere Effekt wäre im Prinzip vermeidbar, wenn die Kompression direkt während der Betankung des Fahrzeugs durchgeführt wird, was dann aber eine sehr lange Auftankdauer bedeutet oder aber einen sehr leistungsfähigen Kompressor nötig macht.) Weitere Energieverluste treten im Druckluftmotor auf.

Aus diesen Gründen haben sich Kraftfahrzeuge mit Druckluftantrieb nie durchsetzen können. Allerdings könnte zukünftig ein kleiner Druckluftantrieb als Ergänzung zu einem Verbrennungsmotor zum Einsatz kommen. Hier würde ein relativ kleiner Drucklufttank nur mithilfe von Bremsenergie gefüllt und dann den Verbrennungsmotor in Beschleunigungsphasen unterstützen (→ Rekuperation).

Theoretisch könnte auch in einem Erdgasfahrzeug, welches einen Hochdrucktank mit führt, ein zusätzlicher Gasexpansionsmotor helfen, den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen. Allerdings wäre die damit erzielbare Leistung wohl zu gering, um den Einsatz eines zusätzlichen Motors zu rechtfertigen.

Antrieb von Torpedos

Für den Antrieb von Torpedos gibt es relativ wenige Optionen. Beispielsweise ist ein Verbrennungsmotor mit zusätzlich mitgeführter Verbrennungsluft eher wenig geeignet. In diesem Bereich kam deswegen oft Druckluftmotoren zum Einsatz. Sie erlauben eine relativ hohe Leistung bei kompakter Bauart, und die begrenzte Reichweite ist bei dieser Anwendung tolerierbar.

Antrieb von Werkzeugen

Vor allem Werkzeuge, in denen oft nur kurzfristig eine mechanische Leistung von z. B. einigen Kilowatt benötigt wird, kann der Antrieb über einen Druckluftmotor – oft in Form eines Lamellenmotors oder auch einer Druckluftturbine – sinnvoll sein. Mehrere Werkzeuge in einer Werkstatt können dann oft über einen gemeinsamen Drucklufttank gespeist werden. Der eher magere Wirkungsgrad dieser Technik fällt aufgrund der relativ geringen umgesetzten Energiemengen nicht allzu sehr ins Gewicht. Von Vorteil dagegen ist die kompakte und leichte sowie robuste Bauweise solcher Druckluftmotoren.

Auch in der Medizintechnik können kleine Druckluftmotoren vorteilhaft eingesetzt werden. Beispielsweise werden damit Sägen und Bohrmaschinen angetrieben, die bei Operationen eingesetzt werden. Die kompakte und einfache Bauweise ermöglicht beispielsweise eine einfache und gründliche Sterilisierung mit Wasserdampf.

Ein anderes Anwendungsfeld ist die Lebensmittelherstellung und -verpackung. Hier können aus Edelstahl gefertigte Druckluftlamellenmotoren erhebliche Vorteile aufweisen, beispielsweise im Bereich der Hygiene (ähnlich wie auch bei der Chirurgie).

Siehe auch: Hubkolbenmotor, Dampfmotor, Druck