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Revolutionäre Klimaanlage: Echt cool

Klimaanlagen sind ein Problemfall: Das darin eingesetzte Kältemittel ist umweltschädlich, die Alternative hochgiftig. Dabei gibt es eine einfache und günstige Lösung - eine Kühlmaschine, die ohne Kältemittel auskommt.

Die gute Fee, die einem drei Wünsche gewährt, gab es bislang nur im Märchen. Jetzt tritt sie erstmals im Motorenbau auf. Wunsch eins: Eine Kältemaschine, die ohne Kältemittel funktioniert. Wunsch zwei: Diese Kältemaschine darf nicht mehr kosten als herkömmliche Klimakompressoren. Wunsch drei: Sie muss zuverlässig und effektiv arbeiten. Und schwuppdiwupp, es gibt so eine Maschine - sie funktioniert ausschließlich mit Luft.

Erfunden hat sie der inzwischen verstorbene Ingenieur Jürgen Schukey bereits Anfang der neunziger Jahre. Schukey entwickelte und konstruierte eigentlich Kunststoffspritzwerkzeuge und grübelte als Nebenbeschäftigung über einen neuen Antriebsmotor nach. Der engagierte Atomkraftgegner ersann dabei eine Maschine, die Abwärme als Antriebsenergie nutzt und auf diese Weise einfach und umweltfreundlich Strom produzieren kann: Er nannte das Gerät Delta-Omega-Motor. Das Konzept der Maschine basiert auf dem physikalischen Gesetz, dass sich Luft erhitzt, wenn sie verdichtet wird, und abkühlt, wenn sie expandiert wird.

„Heute heißt das Ding Schukey-Motor, damit der Erfinder nicht in Vergessenheit gerät“, sagt der Hamburger Unternehmer Reinhard Kupfernagel. Er war lange Jahre mit Schukey befreundet und geschäftlich verbunden. Inzwischen treibt Kupfernagel mit seinem Geschäftspartner Volker Bergholter in der zu diesem Zweck gegründeten Firma Thermodyna die Serienentwicklung des Schukey-Motors voran. Für den Einsatz als Kältemaschine im Auto wäre der geradezu ideal: Er wäre weder größer oder schwerer, noch teurer als ein herkömmlicher Klimakompressor. Er ist sehr robust, weil von den etwa 50 Bauteilen lediglich 16 beweglich sind. Er arbeitet mit einem Wirkungsgrad von mehr als 90 Prozent.

Ein Geschenk des Himmels mit zwei Rotoren?

Der Schukey-Motor müsste der Autoindustrie wie ein Geschenk des Himmels vorkommen, denn seit Mercedes-Benz vor wenigen Wochen verkündet hat, das neue Kältemittel R1234yf nicht mehr in Fahrzeug-Klimaanlagen einzusetzen, herrscht herstellerübergreifende Ratlosigkeit. Bei Tests hatte sich die Chemikalie im Motorraum entzündet, in der Folge war hochgiftige Flusssäure entstanden. Die Problematik war seit Jahren bekannt, wurde jedoch von den Protagonisten ignoriert, denn R1234yf war von der Autoindustrie einhellig als Ersatzstoff für das extrem klimaschädliche R134a ausgewählt worden - mutmaßlich beträchtlich unterstützt durch Lobbyarbeit des Herstellers Honeywell.

Nachdem Mercedes jetzt die besorgniserregenden Testergebnisse veröffentlichte, ist R 1234yf eine Substanz non grata, die Industrie blamiert und kein brauchbares Kältemittel in Sicht.

Das macht den Ansatz des Schukey-Motors, der ganz ohne Chemie auskommt, umso charmanter. Das Prinzip ist verblüffend einfach: In einem runden Gehäuse rotieren zwei ineinandergreifende, vierflügelige Propeller, so dass acht in der Größe variable Kammern entstehen. Die Propeller werden über spezielle Getriebe so bewegt, dass ihre Geschwindigkeit wellenartig zu- und abnimmt, so dass sich das Volumen der Kammern jeweils achtmal je Umdrehung vergrößert und verkleinert. Die Luft in diesen Kammern wird also abwechselnd expandiert und komprimiert und kann an exakt definierten Stellen einströmen oder entweichen.

Ein Multitalent

Setzt man den Schukey-Motor als Wärme-Maschine ein, dient heiße Abluft - zum Beispiel von einem Verbrennungsmotor - als Antriebsenergie; das Aggregat produziert dann aus Abwärme Strom. „Diese Technik könnte in Schiffen zu erheblichen Effizienzsteigerungen führen“, sagt Kupfernagel. In Autos hingegen könnte der Schukey-Motor als Kältemaschine eingesetzt werden.

Ein Beispiel für die Funktionsweise: An einem heißen Sommertag strömt 35 Grad warme Luft aus dem Autoinnenraum in die - für diesen Einsatzzweck elektrisch angetriebene - Maschine. Die Luft wird komprimiert, dadurch noch stärker erhitzt, auf 120 Grad etwa, und durch einen Kühler geleitet. Der kühlt mit Umgebungsluft, die in diesem Fall 35 Grad warm ist. An dieser Stelle kommt ein wenig Thermodynamik ins Spiel, nämlich der Grundsatz: je größer der Temperaturunterschied, desto höher die Kühlleistung.

Man kennt das aus dem Alltag: Wird bei frostigem Winterwetter das Zimmerfenster geöffnet, wird es sehr rasch sehr kalt in der Wohnung. Wenn im Kühler 35 Grad herrschen und 120 Grad heiße Luft einströmt, ist der Effekt ähnlich: Es findet ein Wärmeaustausch statt, die Luft kühlt rasch auf etwa 70 Grad ab. Und diese gekühlte Luft strömt nun zurück in den Schukey-Motor, wird dort wieder expandiert, damit nochmals abgekühlt und tritt mit etwa sieben Grad aus. Die Folge: Die Temperatur im Autoinnenraum sinkt, der Kühleffekt ist da.

Kühlleistung und Temperatur können stufenlos geregelt werden

„Der Wirkungsgrad ist mit dem eines herkömmlichen Klimakompressors vergleichbar“, sagt Kupfernagel. Die Kühlleistung könne über die Drehzahl geregelt werden, die sich stufenlos von null bis 3000 Umdrehungen pro Minute variieren lasse; und auch die gewünschte Temperatur lasse sich über Steuerkanten an den Ein- und Auslassöffnungen der Maschine sehr genau regeln.

Im Testbetrieb läuft der Schukey-Motor derzeit auf einem Prüfstand der Hochschule Hannover, unter der Aufsicht von Ulrich Lüdersen, Professor für Verfahrenstechnik. „Die Maschine funktioniert“, sagt er, „und sie ist auch als Kältemaschine in einem Auto geeignet.“ Besonders effektiv wäre es, würde man zwei Schukey-Motoren als Hybridkältemaschine einsetzen. Der eine Motor würde die Abwärme des Verbrennungsmotors zur Stromerzeugung nutzen, der andere den erzeugten Strom zur Kühlung.

Dafür allerdings reiche es nicht, „wenn man einfach nur den alten Klimakompressor durch einen Schukey-Motor ersetzt, dann müssen auch Drumherum ein paar Dinge verändert werden“, sagt Lüdersen. Von heute auf morgen gehe so etwas nicht, zumal in der Autoindustrie jede Veränderung einen Schwanz an Normierungen, Tests und Freigaben nach sich ziehe. Lüdersen: „Der Prototyp für eine Schukey-Auto-Klimaanlage könnte in spätestens drei Jahren fertig sein.“ Im Prinzip hänge es davon ab, wie groß das Interesse der Autoindustrie ist.

Kaum Interesse bei deutschen Herstellern

Das ist die große Frage. Mercedes-Benz und BMW betrachten ein Kältemittel-freies Klimaaggregat skeptisch. Mercedes sagt SPIEGEL ONLINE, der Schukey-Motor habe „erhebliche Effizienznachteile“, BMW führt den „noch zu geringen technischen Reifegrad“ an.

Dabei hätten die Münchner schon vor zwanzig Jahren die Chance gehabt, den Schukey-Motor nach eigenen Vorstellungen reifen zu lassen. Damals nämlich - das Kältemittel FCKW war kurz zuvor verboten worden - hatten Schukey und Kupfernagel Kontakt zu BMW aufgenommen, um die ohne chemisches Kältemittel funktionierende Maschine vorzustellen. „BMW zeigte sich anfangs sehr interessiert“, erinnert sich Kupfernagel, „dann jedoch wurde das Projekt abrupt gestoppt.“ Auch mit Opel blieben Gespräche damals ergebnislos.

Erst zwei Jahre ist es her, da zeigte sich VW am Schukey-Motor interessiert, doch Konkretes ergab sich auch daraus nicht. Jetzt, nachdem der Karren durch den Daimler-Boykott des neuen Kältemittels vollends im Dreck steckt, meldet sich plötzlich VW-Aufsichtsratschef Ferdinand Piech zu Wort und postuliert: „Das richtige Kältemittel ist CO2. Das brennt garantiert nicht.“

Alternative mit Explosionsgefahr

Dafür jedoch fliegt eine CO2-basierte Klimaanlage den Autoinsassen womöglich um die Ohren. Denn wenn Kohlendioxid als Kältemittel eingesetzt werden soll, ist ein Druck von 100 bar nötig. Das bedeutet eine extreme Belastung für alle Bauteile, und ein gewisses Risiko bei Materialermüdungen oder einem defekten Ventil. Der Schukey-Motor arbeitet hingegen mit einem Druck von weniger als drei bar. Und selbst wenn die Ingenieure den Druck zuverlässig bändigen würden - die nötigen Entwicklungsarbeiten und Sicherheitstests würden viel Geld kosten und Jahre dauern.

„CO2-Klimaanlagen liegen nirgendwo fertig im Regal“, sagt ein Mercedes-Sprecher.

Während die Autoindustrie zaudert, treibt die Firma Thermodyna die Entwicklung der Schukey-Technik in Eigenregie voran. Im nächsten Jahr soll ein stationärer Prototyp auf einem Bauernhof in Niederösterreich in Betrieb gehen und dort mehrere Gebäude klimatisieren. Aktuell gibt es vier Schukey-Motoren, das ausgereifteste Modell läuft auf dem Prüfstand in Hannover. Erst kürzlich war dort eine Delegation des koreanischen Autoherstellers Hyundai zu Besuch, um einen langen Fragenkatalog abzuarbeiten, wie ein Anwesender berichtet. Wer weiß - womöglich ist das erste Auto mit chemiefreier Klimaanlage ein Fabrikat aus Fernost.

Aus:

http://www.spiegel.de/auto/aktuell/schukey-motor-klimaanlage-arbeitet-komplett-ohne-chemie-a-868226.html

Text: Jürgen Pander

Fotos: Thermodyna

Bild 1: Schukey-Motor: Ein Blick in die geöffnete, zentrale Kammer des Schukey-Motors, in dem zwei Propeller mit ineinander verschränkten Flügeln (gelb und rot voneinander abgesetzt) mit wechselnden Geschwindigkeiten rotieren, so dass die acht Kammern zwischen den Rotorflügeln abwechselnd größer und kleiner werden.

Imagen 1: Motor Schukey: Una vista a la cámara central abierta del motor Schukey, en la cual dos hélices con palas entrelazadas (diferenciadas por los colores amarillo y rojo) rotan con velocidad variable, de manera que las ocho cámaras entre las palas del rotor aumentan y disminuyen alternativamente.

Bild 2: Erfinder Schukey: Das Foto zeigt Jürgen Schukey (rechts) mit einem seiner damaligen Mitarbeiter. Schukey konstruierte im Hauptberuf Kunststoff-spritzwerkzeuge und erfand quasi nebenher einen neuen Motor. Er verstarb im vergangenen Jahr.

Imagen 2: El inventor Schukey: La foto muestra a Jürgen Schukey (a la derecha) con uno de sus colaboradores de entonces. En su ocupación principal, Schukey construía herramientas para inyección de plástico y, casi como al pasar, inventó un nuevo motor. Falleció el año pasado.

Bild 3. Auf dem Prüfstand: Das Foto zeigt einen Schukey-Motor mit einem Volumen von acht Litern sowie diverse Zusatzaggregate auf dem Prüfstand der Hochschule Hannover.

Imagen 3: En el banco de prueba: la foto muestra un motor Schukey con un volumen de ocho litros así como diversos agregados adicionales en el banco de prueba de la Escuela Superior de Hanover.

Bild 4: Die vier Grafiken beschreiben das Funktionsprinzip eines Schukey-Motors, wenn er als Kraft-Wärmemaschine eingesetzt wird. Dabei wird heiße Abluft - etwa die eines Schiffsdieselmotors - zum Antrieb der beiden Rotoren genutzt, die sich innerhalb des Gehäuses in wechselnden Geschwindigkeiten drehen. Die Drehbewegung kann dann in elektrische Energie umgewandelt werden - mit der zum Beispiel ein zweiter Schukey-Motor angetrieben werden kann, der dann als Kältemaschine dient.

Imagen 4: Los cuatro gráficos describen el principio de funcionamiento de un motor Schukey, cuando es utilizado como máquina de calefacción. Para ello se aprovecha el aire caliente residual, como el de un motor diesel de un navío, para el accionamiento de ambos rotores, que giran con velocidad variable dentro de la carcasa. El movimiento de rotación se puede transformar en energía eléctrica, con la que se puede accionar, por ejemplo, un segundo motor Schukey, que entonces sirve de máquina refrigeradora.

Bild 5: Entwicklungsarbeit: Derzeit kümmert sich Professor Ulrich Lüdersen, der an der Hochschule Hannover Verfahrenstechnik, Anlagentechnik und Umwelttechnik lehrt, um die Weiterentwicklung des Schukey-Motors.

Imagen 5: El trabajo de desarrollo: El profesor Ulrich Lüdersen, que dicta Ingenierías de los procesos, de las plantas y del medioambiente en la Escuela Superior de Hanover, se ocupa actualmente del desarrollo del motor Schukey.

Bild 6: Kompakt und einfach: Ausgereift wird ein Schukey-Motor, der als Kältemaschine eingesetzt werden soll, nicht größer sein als ein Klimakompressor vergleichbarer Leistung. Er dürfte jedoch billiger werden, denn der Aufbau ist vergleichsweise schlicht und es gibt lediglich 16 bewegliche Bauteile. Kolben, Ventile oder Nockenwellen sind nicht vorhanden.

Imagen 6: Compacto y simple: Una vez desarrollado, un motor Schukey para ser usado como máquina refrigeradora no será más grande que un compresor de aire acondicionado con un rendimiento comparable. Sin embargo, debería resultar más barato, porque la construcción es comparativamente sencilla y sólo tiene 17 elementos móviles. No hay pistones, ni válvulas o árbol de levas.

Un aire acondicionado revolucionario: sencillamente genial

Los aires acondicionados son un caso problemático: El refrigerante que se usa para ello es perjudicial para el medioambiente, la alternativa altamente venenosa. Pero hay una solución simple y ventajosa - una máquina refrigerante que no necesita refrigerantes.

El hada buena que nos concede tres deseos hasta ahora sólo existía en los cuentos. Ahora por primera vez hace su aparición en el área de las construcciones de motores. Deseo uno: Una máquina refrigeradora que funcione sin refrigerante. Deseo dos. Esta máquina refrigeradora no debe costar más que los usuales compresores de aire acondicionado. Deseo tres: Debe trabajar de manera fiable y eficaz. Y abracadabra, existe una máquina así - funciona exclusivamente con aire.

La inventó el entretanto fallecido ingeniero Jürgen Schukey, ya a comienzos de los años noventa. Schukey en realidad desarrollaba y construía herramientas para inyección de plástico y, como ocupación adicional, se rompía la cabeza en la búsqueda de un nuevo motor de accionamiento. Al comprometido enemigo de la energía nuclear se le ocurrió así una máquina, que aprovecha el calor residual como energía de accionamiento y así puede producir corriente de manera sencilla y amigable al medio ambiente: al aparato le dio el nombre de motor Delta Omega. El concepto de la máquina se basa en la ley física del calentamiento del aire cuando aumenta su densidad, y su enfriamiento, cuando se lo expande.

"Hoy en día esa cosa se llama motor Schukey, para que el inventor no caiga en el olvido", dice el empresario hamburgués Reinhard Kupfernagel. Por muchos años era amigo de Schukey y también estaban relacionados comercialmente. Entretanto Kupfernagel Kupfernagel está impulsando el desarrollo en serie del motor Schukey junto con su socio comercial Volker Bergholter en la empresa Thermodyna, creada para ese fin. La máquina refrigeradora sería ideal para ser incorporada al auto: No sería más grande ni más pesada, ni más cara que un compresor de aire acondicionado común. Es muy fuerte, dado que de los alrededor de 50 componentes sólo 16 son móviles. Trabaja con una eficiencia de más del 90 por ciento.

¿Un regalo del cielo con dos rotores?

El motor Schukey le debería parecer a la industria automotriz como un regalo de cielo, porque desde que Mercedes Benz ha anunciado hace pocas semanas que no se usaría más el nuevo refrigerante R1234yf en aires acondicionados de vehículos, reina el desconcierto entre los productores. Durante las pruebas la materia química se había inflamado en el compartimiento del motor, y a continuación se produjo ácido fluorhídrico, altamente venenoso. La problemática se conocía desde hace años, sin embargo era ignorado por los protagonistas, pues el R1234yf había sido elegido unánimemente por la industria automotriz como remplazante del R134a, extremadamente perjudicial para el medioambiente - presumiblemente con fuerte apoyo del fabricante Honeywell.

Ahora, luego de que Mercedes ahora publicó los preocupantes resultados de las pruebas, el R1234yf es una sustancia non grata, la industria desacreditada y no hay refrigerante utilizable a la vista.

Eso hace tanto más atractiva la idea del motor Schukey, que no necesita elemento químico alguno. El principio es increíblemente sencillo: En una carcaza redonda rotan dos hélices intercaladas de cuatro palas, de manera que se producen ocho cámaras de tamaño variable. Las hélices son puestas en movimiento por medio de mecanismos especiales, de manera tal que su velocidad aumenta y disminuye en forma ondulatoria, lo que hace que el volumen de las cámaras aumenta y disminuye ocho veces durante cada revolución. El aire dentro de estas cámaras es expandido y comprimido alternativamente y puede ingresar o salir en lugares definidos con exactitud.

Un multitalento

Cuando se utiliza al motor Schukey como máquina de calefacción, el aire caliente de escape, por ejemplo de un motor de combustión interna, sirve como energía de accionamiento; luego el agregado produce corriente del calor residual. "Esta técnica podría llevar a considerables aumentos de eficiencia en navíos", dice Kupfernagel. En cambio en autos, el motor Schukey podría ser utilizado como máquina refrigeradora.

Un ejemplo para el modo de funcionamiento: En un día caluroso de verano fluye aire caliente a 35 grados, saliendo del interior del auto hacia la máquina, accionada con electricidad para este fin. El aire es comprimido, por lo cual se calienta más aún, quizás a 120 grados, y es llevado a través de un radiado. Éste enfría con el aire ambiental, que en este caso está a 35 grados. En este momento entra a jugar un poco de termodinámica, es decir, el principio: cuánto más grande la diferencia de temperatura, tanto mayor el rendimiento de refrigeración.

Esto es conocido en la vida cotidiana: Cuando en un día de clima frío invernal se abre la ventana de una habitación, rápidamente se enfría la vivienda. Cuando en el radiador dominan los 35 grados y entra aire a 120 grados, el efecto es similar: se produce un intercambio de calor, el aire de enfría rápidamente hasta llegar a unos 70 grados. Y este aire refrigerado vuelve ahora al motor Schukey, donde es expandido, con lo que se vuelve a enfriar, saliendo con alrededor de siete grados. La consecuencia: La temperatura en el interior del auto disminuye, se ha producido el efecto refrigerante.

El rendimiento refrigerante y la temperatura se regulan de manera continua

"La eficiencia es comparable a un compresor de aire acondicionado común", dice Kupfernagel. El rendimiento refrigerante se puede regular por medio del número de revoluciones, que se pueden variar de manera continua desde cero a 3000 revoluciones por minuto; y también la temperatura deseada se puede regular de manera muy precisa por medio de los bordes de control en los orificios de entrada y salida.

En la actualidad, el motor Schukey funciona de prueba en un banco de pruebas de la Escuela Superior Hanover, bajo la supervisión de Ulrich Lüdersen, profesor de Ingeniería de los Procesos. "La máquina funciona", dice, "y también es apropiada como máquina refrigeradora de un auto". Se lograría una efectividad especial, si se utilizaran dos motores Schukey como máquinas refrigeradoras híbridas. Uno de los motores aprovecharía el calor residual del motor de combustión interna para la producción de corriente, el otro la corriente producida para la refrigeración.

Es cierto que no alcanzaría, "cambiar simplemente el viejo compresor de aire acondicionado por un motor Schukey, también se tendrían que cambiar algunas cosas alrededor", explica Lüdersen. Eso no se puede hacer de un día para otro, máximo cuando en la industria automotriz cada cambio lleva a toda una lista de normativas, pruebas y liberaciones. Lüdersen: "El prototipo de un aire acondicionado Schukey para autos podría estar listo en máximo tres años." En principio depende de cuánto interés tenga la industria automotriz.

Poco interés de los fabricantes alemanes

Esta es la gran pregunta. Mercedes-Benz y BMW ven con escepticismo un agregado para el aire acondicionado libre de refrigerantes. Mercedes le dijo a SPIEGEL ONLINE, que el motor Schukey tiene "significativas desventajas de eficiencia", BMW menciona el "aún bajo nivel de maduración técnica".

Esto, siendo que los muniquenses ya hace veinte años atrás hubieran tenido la oportunidad de madurar el motor Schukey según sus propias ideas. En aquel entonces, poco antes se había prohibido el refrigerante FCKW, Schukey y Kupfernagel habían buscado el contacto con BMW, para presentarlos la máquina con un funcionamiento son refrigerantes químicos. "Al principio, BMW se mostró muy interesada", recuerda Kupfernagel, "pero después el proyecto se frenó abruptamente." También con Opel, aquella vez las conversaciones no tuvieron resultados.

Recién hace dos años, cuando VW se mostró interesada en el motor Schukey, pero no resultó nada concreto de ello. Ahora, cuando el carro está totalmente enterrado por el boicot de Daimler al nuevo refrigerante, de pronto se hace oír el jefe de la Junta Directiva de VW, Ferdinand Piech, postulando: "El refrigerante correcto es el CO2. Ese seguro no se va a inflamar."

La alternativa con peligro de explosión

A cambio, un aire acondicionado basado en CO2 posiblemente termine volando alrededor de los ocupantes del auto. Porque cuando se quiera usar el dióxido de carbono como refrigerante, se necesita una presión de 100 bares. Esto significa una carga extrema para todos los componentes y un cierto riesgo en caso de fatiga del material o de una válvula fallada. En cambio, el motor Schukey trabaja con una presión menor a tres bares. Y aún en caso de que los ingenieros puedan dominar la presión de manera confiable - Los trabajos necesarios de desarrollo y las pruebas de seguridad costarían mucho dinero y podrían tardar años. "Los aire acondicionados con CO2 no se encuentran en ningún lugar listos para su uso", dice un vocero de Mercedes.

Mientras la industria automotriz duda, la empresa Thermodyna avanza con el desarrollo de la técnica Schukey por cuenta propia. Durante el próximo año se espera poner en marcha un prototipo fijo en una granja de Austria Baja, para usarlo como aire acondicionado en varios edificios. En la actualidad existen cuatro motores Schukey, el modelo más avanzado marcha en el banco de pruebas de Hanover. Hace poco, una delegación del fabricante coreano de autos Hyundai hizo allí una visita, para realizar una larga lista de preguntas, como informó un asistente. Quién sabe - el primer auto con aire acondicionado libre de productos químicos quizá sea una fabricación del Lejano Oriente.

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