The Road to Zero Emission: Ein deutsches Start-Up entwickelt den Freikolben-Lineargenerator

Der Freikolbenlineargenerator schlägt die Brücke zwischen Gegenwart und Zukunft. Eine spannende Technologie, die ihre Anfänge bereits vor Jahrzehnten hatte, jedoch lange als nicht praktisch umsetzbar galt. Mit den heutigen technischen Möglichkeiten im Gepäck ist das Münchener Startup SWEngin das Projekt aus neuer Sichtweise angegangen, um damit in den Weltmarkt einzusteigen.

„Zero Emission“ lautet das globale Ziel

Um die Vision von Null Emissionen Wirklichkeit werden zu lassen, soll zukünftig aus erneuerbaren Energieträgern wie Wind und Sonne Strom erzeugt werden. Im Personen- und Güterverkehr wird hierbei auf Elektromobilität gesetzt. Die Kombination aus beidem kann langfristig die gewünschte Umweltentlastung bringen, von Praxistauglichkeit im Massenmarkt sind die Technologien jedoch noch weit entfernt.

An den Benzin- oder Dieselmotor gewöhnt, ist der durchschnittliche Autofahrer wenig kompromissbereit. Zusätzlich hemmen Nachteile der Elektroautos wie eine geringe Reichweite, hohe Anschaffungskosten und eine schlechte Ladeinfrastruktur die Integration in den Straßenverkehr. In der Energieversorgung ist es neben den Kosten vor allem die Notwendigkeit der Versorgungssicherheit, die mittelfristig eine rein regenerative Energiewirtschaft erschwert. Wenn die Sonne nicht scheint oder der Wind nicht weht, ist die Welt bis auf Weiteres auf schmutzige Kern- und Kohlekraftwerke angewiesen.

Bis zur vollständigen Umstellung auf erneuerbare Energien ist es ein langer Weg, der zu weiten Teilen noch im Dunkeln liegt: „the Road to Zero Emission“. Um diesen Weg gehen zu können, brauchen wir Technologien, die schon bald Umweltschutz und Massentauglichkeit vereinen.

SWEngin entwickelt den Freikolbenlineargenerator

Das Münchner Unternehmen SWEngin setzt an dieser Stelle auf eine Technologie, die gerade die Forschungslabore verlässt: Den Freikolben-Lineargenerator (FKLG). Das innovative Aggregat erzeugt aus jedem beliebigen Kraftstoff Strom. Anders als bei konventionellen Technologien passiert das auf dem einfachsten, direktesten Weg. Der FKLG besitzt gerade mal zwei bewegliche Bauteile und ist bisherigen Untersuchungen zufolge besonders effizient, flexibel und kostengünstig.

Technisch besteht der FKLG aus drei Teilsystemen: Dem mittig angeordneten Verbrennungsteil, den Lineargeneratoren und den Gasfedern. Alle Bauteile arbeiten zusammen, um die in einem Kraftstoff vorhandene chemische Energie ohne Umwege über eine Kurbelwelle in elektrische Energie zu wandeln. Dazu wird im Brennraum ein Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet und in den Spulen der Lineargeneratoren die gewünschte elektrische Spannung induziert. Durch die einfache Arbeitsweise wird nicht nur die Komplexität reduziert, sondern es werden sogar neue Funktionen möglich.

Die Eigenschaften des FKLG machen ihn effizient und massentauglich

Erstmals wird beispielsweise das Verdichtungsverhältnis nicht vom Konstrukteur festgelegt, sondern kontinuierlich von der Motorsteuerung während des Betriebs. Bei geringem Leistungsbedarf kann höher verdichtet werden als bei Volllast, im Winter höher als im Sommer. Diese Anpassungen erfolgen permanent und laufen vollautomatisch ab, der Nutzer muss nicht eingreifen. Gerade bei der Verwendung von Gas oder Biokraftstoffen kann der Verdichtungswert noch weiter erhöht werden, um deren hohe Klopffestigkeit voll auszuschöpfen – zugunsten eines noch höheren Wirkungsgrades. Module von je 30 kW oder 200 kW können kombiniert werden, um die Leistung zu skalieren.

Ganz neue Brennverfahren wie das besonders vielversprechende, aber bisher kaum beherrschbare HCCI („Homogeneous Charge Compression Ignition“) können mithilfe der Verdichtungsvariabilität des FKLG den Sprung aus den Forschungslabors in die Realität schaffen. Damit wird unter anderem der Ausstoß von Stickoxiden auf einen Bruchteil heute üblicher Werte reduziert.

Durch die spezifische Bauweise ohne Kurbelwelle ist der FKLG ein besonders kompaktes System. Das Systemvolumen kann wahlweise auf eine sehr schlanke, längliche Form gestreckt oder auf eine kürzere und dafür breitere Grundfläche verteilt werden. Beide Varianten sind mit einer Bauhöhe von nur 15 cm sehr flach. Durch den vollständigen Ausgleich aller Massenkräfte ist der Freikolben-Lineargenerator im Betrieb zudem leise und vibrationsarm.

All diese Eigenschaften ermöglichen Kosteneinsparungen von 30 % im Bereich Automotive und 80 % im Bereich Energie. Mehrere Patente sind bereits angemeldet, weitere kommen durch die laufenden Entwicklungsarbeiten hinzu. So soll der bestehende Entwicklungsvorsprung gegenüber weltweit laufenden Forschungsprojekten aufrechterhalten werden.

SWEngin arbeitet mit namhaften Partnern

Die Technologieentwicklung und die nicht-technischen Themen zum FKLG werden von der eigens dafür gegründeten Firma SWEngin vorangetrieben. Technisch-wissenschaftliche Unterstützung kommt dabei von renommierten Partnern wie unter anderem dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt. Der Name SWEngin („SoftWare-Engine“) betont, dass die elektronische Motorsteuerung im FKLG einen besonderen Stellenwert hat. Jedoch waren die großen Highlights der Entwicklung eher greifbare Dinge. Gerade erst wurde das erste Gesamtsystem fertiggestellt, in dem zwei gegenläufige Kolben thermodynamisch vorteilhaft von einem gemeinsamen Brennraum angetrieben werden.

Der FKLG ist das Bindeglied zwischen Gegenwart und Zukunft

Egal was die Zukunft bringt, seien es überlegene Batterien und Ladesäulen, Preisverfälle bei Solarzellen, synthetisch erzeugte Kraftstoffe oder die Wasserstoffwirtschaft: Wenn die Technologie des FKLG sich weiter wie bisher entwickelt, findet sie in beinahe allen Szenarien ihren Platz. Ist der Freikolbenlineargenerator also das Puzzleteil, das für Energiewende und Elektromobilität noch gefehlt hat? Auf ihrer Website www.swengin.de berichten die Ingenieure laufend über die aktuellsten Entwicklungen.

Autor des Artikels

Dr.-Ing. Florian Kock, Leiter technische Entwicklung bei der SWEngin GmbH
Co-Autorin: Antje Ruppert, zuständig für Public Relations bei der SWEngin GmbH