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Auf dieser Seite möchte ich meine Erfahrungen rund um die Entwicklung und den Bau von Stirlingmotoren zur Erzeugung von Strom aus Solarthermie, Restwärme und Biomasse präsentieren.
Robert Stirling
Schottland zu Beginn des 19. Jahrhunderts: In der Gemeinde des Pfarrers Robert Stirling mussten selbst sechsjährige Kinder in den Kohlebergwerken arbeiten. Sie schoben und zogen Kohlenkübel durch die engen Stollen und krochen dabei nicht selten auf allen Vieren. Häufig stand der Boden unter Wasser. Es gab zwar Pumpen, die von James Watts Dampfmaschinen angetrieben wurden. Ihre Kessel und Leitungen standen unter gefährlich hohem Dampfdruck und platzten zu dieser Zeit häufig. Robert Stirling wollte, getrieben von dem Gedanken die schwere und gefährliche Arbeit etwas leichter und sicherer zu machen, eine Maschine konstruieren, die auch ohne den gefährlichen Dampf arbeitet. Er erhielt als 26-Jähriger ein Patent auf ein neues Verfahren zum Antrieb von Maschinen.
Der erste Motor, der nach Stirlings Prinzip arbeitete, war sehr einfach konstruiert. Er wurde später noch entscheidend weiterentwickelt. Es wurde ein zweites Schwungrad hinzugefügt und das Arbeitsgas verändert bzw. dessen Druck erhöht. Am Anfang des 20. Jahrhunderts waren weltweit ca. 250.000 Stirlingmotoren im Einsatz als Tischventilatoren, Wasserpumpen oder Antriebe für Kleingeräte. Sie versorgten Privathaushalte und kleine Handwerksbetriebe mit mechanischer Energie. Als sich Otto-, Diesel- und Elektromotoren immer weiter verbreiteten, wurden die Stirlingmotoren zunehmend vom Markt verdrängt.
Vorwort Stirlingmotor
Vom Prinzip her hat der Stirlingmotor einen höheren Wirkungsgrad als die Dampfmaschine, ein Benzin- oder Dieselmotor. Im Stirlingmotor wird Wämeenergie in mechanische Arbeit umgesetzt. Das Interessante dabei ist, daß diese Wämeenergie von außen an den Motor herangeführt werden muß. Er ist also nicht wie der Benzin- oder Dieselmotor auf die "innere" Verbrennung eines besonderen Kraftstoffes angewiesen, sondern kann mit beliebigen Wärmequellen arbeiten, z.B. mit Solar Energie, mit Wäme aus der Verbrennung von Bio- oder Deponiegas, und von allen möglichen festen und flüssigen Brennstoffen. Hierbei kann die Verbrennung optimal umweltschonend eingestellt werden.
Die Funktion des Stirlingmotors
Die Funktionsweise des Stirlingmotor lässt sich in vier Schritten erklären.
1. Der Druck im Inneren des Heizzylinders steigt und die Luft dehnt sich aus. Der Verdrängerkolben bewegt sich wegen seiner Versetzung zum Arbeitskolben um 90° kaum. Deshalb strömt die erhitzte Luft an ihm vorbei in den Kühlzylinder und schiebt den Arbeitskolben nach hinten.
2. Durch die Bewegung des Verdrängerkolben, aufgrund der Drehung des Schwungrades, wird die gerade erhitzte Luft in den Kühlzylinder verdrängt. Dort gibt sie Energie in Form von Wärme an den Kühlzylinder ab. Ihre Temperatur sinkt von T1 auf T2. Der Arbeitskolben bewegt sich dabei kaum.
3. Fast die gesamte Luft aus dem Heizzylinder ist jetzt im Kühlzylinder.
Durch das Schwungrad schiebt sich der Arbeitskolben nach vorn und komprimiert dabei die Luft.
Diese erwärmt sich dadurch aber nicht sondern gibt weiter Energie an den Kühlzylinder ab. Ihre Temperatur bleibt konstant. Der Verdrängerkolben bewegt sich kaum.
4. Der Arbeitskolben ist nun an seiner innersten Position. Der Verdrängerkolben bewegt sich wieder zurück wobei er die abgekühlte Luft aus dem Kühlzylinderin den Heizzylinder verdrängt. Dort wird die Luft von der Temperatur T2 auf T1erwärmt.
Alle Takte zusammen ergeben die vollständige Bewegung des Stirlingmotor.
Die Vorteile des Stirlingmotors
Vielseitige Heizmöglichkeiten:
Durch die Art der Wärmezufuhr kann jede Wärmequelle benutzt werden, um den Motor anzutreiben. Deshalb sind alle Formen von Wärmestrahlung geeignet, deren Temperatur hoch genug ist. Erzeugt werden kann diese durch Verbrennung von gasförmigen, flüssigen und festen Brennstoffen oder durch Konzentrierung von Sonnenlicht.
Abgasarmut:
Bei der Verwendung von Brennstoffen können durch die ständige Verbrennung außerhalb des Motors die besten Abgaswerte im Vergleich zu Motoren mit innerer Verbrennung erreicht werden. So wird auch durch effektivere Verbrennung weniger Brennstoff verbraucht, also auch weniger Abgase produziert. Heizt man den Stirlingmotor mit Abwärme oder unter Verwendung von Sonnenlicht als Antriebsenergie entstehen keine Abgase.
Geräuscharmut:
Da keinerlei explosionsartige Vorgänge im Inneren des Motors ablaufen und auch keine Ventile vorhanden sind, entstehen nur wenig Lärm und Erschütterungen.
Langlebigkeit:
Da keine Fremdstoffe in den Motor gelangen und die Einzelteile relativ wenig belastet werden, kann man längere Laufzeiten erwarten als bei Otto- und Dieselmotoren. Auch wird das Getriebeöl nicht verbraucht oder verschmutzt.
Sparsamer Verbrauch:
Der Stirlingmotor, soweit er korrekt konstruiert und gebaut ist, hat einen Wirkungsgrad der gleich oder höher als bei den besten Dieselmotoren ist. In Zukunft kann der Stirlingmotor mit neuen Werkstoffen wie Keramik eine noch bessere Leistung und einen höheren Wirkungsgrad erzielen.
Ein Ausblick auf die Zukunft
Aufgrund von Klima- und Gesundheitsschäden sowie der begrenzten Lagerstätten von Erdgas, Erdöl, Kohle und Uran wird in Zukunft, neben Energiesparen und der Verwendung von erneuerbarer Energie, die umweltschonende Umwandlung von Primärenergie in Energieformen, die wir tagtäglich brauchen eine immer größere Rolle spielen. Stirlingmaschinen sind wie kein anderer Energiewandler in der Lage, Solarenergie und nachwachsende Brennstoffe emissionsarm und klimaneutral für unsere Zwecke umzuwandeln. Dabei werden sie sich zuerst dort durchsetzen, wo sie mit herkömmlichen Otto- und Dieselmotoren nicht in Konkurrenz stehen.
