Für eine neue Generation von Dampfmaschinen: BAM entwickelt einzigartiges Heißdampftribometer

„Mindestens 30 Prozent vom Brennwert des Kraftstoffes gelangen in das Abgas von Verbrennungsmotoren“, sagt Mathias Woydt von der BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung. Bislang werden die Abgase meist ungenutzt durch Schornstein oder Auspuff abgeleitet. Ein „Anzapfen“ lohnt sich, denn die dort vorherr¬schenden hohen Temperaturen sind günstig für eine Energierückgewinnung.

Vereinfacht gesagt, genügt es, wenn man in den Abgasstrom einen Dampferzeuger integriert. Doch der muss sehr hohe Temperaturen aushalten. Der so erzeugte Dampf wird in einer geeigneten Form expandiert und in mechanische oder elektrische Energie umgewandelt. Die verschiedenen Reibstellen in den Expandern können unter diesen Bedingungen nicht mit Öl geschmiert werden. „Man benötigt deshalb Gleitpaarungen, welche ungeschmiert im Heißdampf verschleißbeständig und reibungsarm funktionie¬ren“, so Woydt weiter. Die BAM hat deshalb ein einzigartiges Heißdampftribometer entwickelt, welches auch dicht ist. Mit diesem Prüfgerät für Reibung und Verschleiß (Tribometer) können die entsprechenden Reibwerkstoffe auf ihre Eignung untersucht werden.

Die Heißdampftechnologie bietet sich für verschiedene Bereiche an. Auch bei Mini-Blockheizkraftwerken, also bei der häuslichen, kombinierten Strom- und Warmwassererzeugung, kann sie zum Einsatz kommen. Einige Hersteller arbeiten bereits daran. Wie auch beim Verbrennungsmotor im Auto ist die Abgaswärme sozusagen kostenlos verfügbar, abgesehen von der Investition in die Rückgewinnungstechnologie.

Rückgewinnungstechnologien sind auch in der Energieerzeugung (also in Kraftwerken) bekannt. Möchte man aber in einen Verbrennungsmotor eines Autos einen Dampferzeuger integrieren, so stellen die oft eingesetzten Leichtbaumaterialien die Ingenieure vor neue Herausforderungen. „Die vorhandenen Erfahrungen in der Kraftwerkstechnik mit Heißwasser mit Temperaturen von bis zu 320°C und einem Druck von bis zu 300 Bar sind auf Heißdampf nur bedingt übertragbar“, sagt der Diplom-Ingenieur Woydt. Denn in der Energietechnik überlegt man für eine weitere Steigerung der Effizienz Dampftemperaturen von über 700°C zu erreichen. Dabei muss man im Auge behalten, dass bei der guten und alten Dampflokomotive Dampftemperaturen von maximal 300°C und Drücke von maximal 30 Bar nicht überschritten wurden, so dass hier noch einfacher Stahl verwendet werden konnte.

Das Problem: Mit ansteigender Temperatur verschiebt sich der pH-Wert des Wassers kontinuierlich ins Saure. Folglich muss jeder in Frage kommende Werkstoff, oder jede Beschichtung, gegen Heißdampf korrosionsbeständig sein. Die BAM-Experten sind sich sicher, dass die Dampferzeugung und die Energierückgewinnung bei der angestrebten Energiewende einen wichtigen Beitrag leisten können. „Doch hängt dies davon ab, geeignete Reibmaterialien für Heißdampfumgebungen zu finden“, sagt der Reibungsexperte Woydt. „Heißdampfgeeignete Reibwerkstoffe werden letztendlich mit darüber entscheiden, wie effizient und nachhaltig in der Zukunft unsere Nutzung der Energie ist“.

Die BAM führt seit 1999 tribologische Versuche unter Heißdampf bis 450°C durch, allerdings war das Tribometer bisher noch nicht „abgedichtet“. Unter dem Begriff Tribologie werden in der Wissenschaft Reibung, Verschleiß und Schmierung zusammengefasst. Das neue Heißdampftribometer erlaubt Versuche unter Druck und bis zu Temperaturen von 750°C. Die Prüfkammer ist ohne Schweißnähte und aus einem Block aus einer Nickelbasis-Legierung in den BAM-eigenen Werkstätten gefertigt worden. Der TÜV Rheinland hat die Arbeitsschritte verfolgt, dokumentiert und auch die Kammer geprüft (obwohl die BAM für den Eigenbedarf dies auch selber hätte durchführen können). Das neue Heißdampftribometer wurde in München von der Optimol Instruments GmbH komplettiert und auch in die Plattform ihres SRV-Prüfgerätes integriert. SRV steht für Schwing-Reib-Verschleiß und ist ein in Deutschland, den USA und China genormtes Prüfverfahren.

Kontakt:
Dr.-Ing. Mathias Woydt
Abteilung 6 Materialschutz und Oberflächentechnik
E-Mail: mathias.woydt@bam.de