Basisinfo zu Stirlingmotoren ARBEITSKREIS STIRLINGMOTOR MÜNCHEN Loristr. 1 80335 München
STIRLINGMOTOREN
1. Was ist ein Stirlingmotor ?
Stirlingmotoren sind Wärmekraftmaschinen, d.h.
sie wandeln Wärme hoher Temperatur in mecha-
nische Energie und in Wärme niederer Tempera-
tur um. Die Wärmezufuhr geschieht von außen
auf ein im Motor eingeschlossenes Arbeitsgas.
Durch metallische Wände wird Wärme hoher
Temperatur in den Motor gebracht (Erhitzer), an
einer anderen Stelle (Kühler) wird Abwärme bei
niedrigerer Temperatur abgegeben, am Schwung-
rad wird mechanische Energie frei. Sowohl die
Abwärme als auch die mechanische Energie las-
sen sich vielfältig nutzen.
Typischer Energiefluß in einem Stirlingmotor
2. Die Vorteile von Stirlingmotoren
- Vielstoff-fähigkeit
Durch die Art der Wärmezufuhr kann jede Wär-
mequelle benutzt werden, um den Motor anzutrei-
ben, daher sind alle gasförmigen, flüssigen und
festen Brennstoffe, sowie Wärmestrahlung (Son-
nenenergie) zum Antrieb geeignet, solange deren
Temperatur ausreichend hoch ist.
Energiequellen zum Antrieb
- Emissionsarmut
Bei der Verwendung von Sonnenlicht als Antrieb-
senergie entstehen keine Abgase. Bei der Ver-
wendung von Brennstoffen können durch die ste-
tige Verbrennung außerhalb des Motors die be-
sten Abgaswerte im Vergleich zu Motoren mit in-
nerer Verbrennung erreicht werden. Da keinerlei
explosionsartige Vorgänge im Inneren des Motors
ablaufen und auch keine Ventile vorhanden sind,
entstehen nur wenig Lärm und Erschütterungen.
Das Getriebeöl wird nicht verbraucht und ver-
schmutzt, daher reicht eine Füllung auf Lebens-
zeit. Manche Motoren laufen völlig ölfrei.
Einfacher Solar-Stirlingmotor als Wasserpumpe
- 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.
- Sparsamer Verbrauch
Sind Stirlingmotoren korrekt konstruiert und ge-
baut, ist deren Wirkungsgrad (Wellenleistung zu
Brennerleistung) gleich oder höher als bei den be-
sten Dieselmotoren. In Zukunft lassen sich mit
neuen Werkstoffen wie Keramik, Leistung und
Wirkungsgrad noch weiter steigern. Stirlingmoto-
ren können auch als kleine Motoren und im Teil-
Solar-Stirlingmotor mit Stromgenerator
lastbereich hohe Wirkungsgrade erreichen.
Dipl.-Ing. Walter Wesinger Sommer 1998
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3. Wie funktioniert ein Stirlingmotor ?
Anhand einer einfachen Bildergeschichte wird ge-
zeigt, wo eigentlich die Kraft herkommt, die einen
Stirlingmotor antreibt, d.h. wie ein Temperaturun-
terschied in mechanische Leistung umgesetzt
wird.
a) Die Dose (Bilder rechts) enthält Luft, über ei-
ne Öffnung ist ein wassergefülltes U-Rohr ange-
schlossen, das den Luftdruck in der Dose anzeigt.
Wird die Dose erhitzt, steigt der Druck, wird sie
abgekühlt, sinkt der Druck.
a) Dose einmal heiß, einmal kalt
b) In die Dose wird ein sogenannter Verdränger
mit einer Gleitdichtung für seine Stange einge-
baut. Der Verdränger kann mit wenig Kraftauf-
wand auf- und abbewegt werden, die Luft streicht
dabei an ihm vorbei. Ist der Verdränger oben, be-
findet sich die Luft im heißen Raum, der Druck ist
hoch. Ist der Verdränger unten, so befindet sich
die Luft im kalten Raum, der Druck ist niedrig.
b) Luft mal im heißen, mal im kalten Raum
c) Anstelle des U-Rohres wird ein weiterer Zylin-
der angebaut, der einen Kolben mit Gleitdichtung
enthält. Dieser Kolben ist der Arbeitskolben. Ist
der Verdränger oben, wird der Arbeitskolben
durch den hohen Innendruck nach oben gedrückt,
ist er unten, wird durch den geringen Innendruck
der Arbeitskolben nach unten gesaugt .
d) Verdränger- und Arbeitskolben werden durch
Pleuel mit einer Kurbelwelle verbunden. Die Pleu- c) Die Druckänderung bewegt den Arbeitskolben
el sind derart auf der Kurbelwelle angeordnet,
dass das Luftvolumen verkleinert wird, wenn die
Luft im kalten Raum ist und vergrößert wird, wenn
die Luft im heißen Raum ist. Der Verdränger eilt
dem Arbeitskolben um eine viertel Umdrehung
voraus und bewirkt so die Steuerung des Stirling-
motors.
Ein teelichtbeheiztes Modell, aus einer Konser-
vendose hergestellt (© Viebach + Söhne), kann
man selbst bauen und laufenlassen. Der Bauplan
ist beim AK STIRLINGMOTOR MÜNCHEN erhält-
lich.
d) Einfacher Stirlingmotor (Dosenmotor)
Dipl.-Ing. Walter Wesinger Sommer 1998
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4. Die Geschichte der Stirlingmotoren
Der erste Stirlingmotor wurde 1816 vom schotti-
schen Geistlichen Robert Stirling zum Patent an-
gemeldet. Die erste Maschine arbeitete als Was-
serpumpe zur Entwässerung eines Steinbruchs in
Schottland. Zu dieser Zeit waren Kesselexplosio-
nen bei Dampfmaschinen relativ häufig. Stirling
wollte die Arbeit in den Steinbrüchen und Kohlen-
gruben sicherer machen. Neben der wesentlich
verbesserten Sicherheit spielte wohl auch der ge-
ringere Brennstoffverbrauch der Stirlingmotoren
gegenüber den Dampfmaschinen eine Rolle bei
Stirlingmotor als kohlebefeuerte Wasserpumpe
der Entwicklung der neuen Technik.
Am Anfang des 20. Jahrhunderts waren weltweit
ca. 250.000 Stirlingmotoren im Einsatz, als Tisch-
ventilatoren, Wasserpumpen und Antriebe für
Kleingeräte wie z.B. Nähmaschinen. Sie versorg-
ten Privathaushalte und kleine Handwerksbetriebe
mit mechanischer Energie. Als sich Otto- Diesel-
und Elektromotoren immer weiter verbreiteten,
wurden die Stirlingmotoren zunehmend vom Markt
verdrängt.
Tischventilator mit Petroleumantrieb
Allein die Militärs hatten weiterhin Interesse an
Stirlingmotoren, sie wußten die Vorteile dieser
Technik zu schätzen. In den USA wurde z.B. ein
kleines Stromaggregat (Ground-Power-Unit), in
Schweden ein Motor für den U-Boot-Antrieb ent-
wickelt. Die Vorteile dabei waren:
- leiser Lauf
- geringe Wärmeabstrahlung
- Robustheit / Langlebigkeit
- geringer Treibstoffverbrauch
Stromaggregat GPU
Im zivilen Bereich gibt es heute nur Spielzeug-
motoren zu kaufen.
Spielzeug-Funktionsmodell
Dipl.-Ing. Walter Wesinger Sommer 1998
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5. Hindernisse bei der Markteinführung
Trotz der vielen Vorteile von Stirlingmotoren hat
der zivile Markt, von Spielzeugmotoren einmal
abgesehen, nichts anzubieten. Wie ist das zu er-
klären ?
- Technische Gründe
Wenn man bei kleiner Baugröße und geringem
Gewicht hohe Leistungen erzielen will, muß man
das Arbeitsgas unter hohen Druck (ca. 150 bar)
setzen, Wasserstoff oder Helium als Arbeitsgas
verwenden und relativ hohe Drehzahlen erreichen
(3000-4000 U/min). Die Schwierigkeiten dabei
sind:
- trockenlaufende Lager und Dichtungen
- Material für Erhitzer (bis zu 800°C hitze- und
Anspruchsvolle Bauteile im Stirlingmotor
druckbeständig)
- hoher Aufwand für schnelle Leistungsregelung
- Wirtschaftliche Gründe
Stirlingmotoren haben überall dort keine Chance
zur Markteinführung, wo sie mit Otto- und Diesel-
motoren konkurrieren müssen, z.B. als Antrieb für
normale Pkws (ohne Hybridantrieb). Ein Stirling-
motor mit vergleichbarem Leistungsgewicht wie
ein Ottomotor würde heute noch ca. 2 bis 3 mal
teurer sein.
- Politische Gründe
Die Preise für fossile und atomare Energieträger
sprechen nicht die ökologische Wahrheit, sie wer-
den zu billig angeboten. Daher tun sich alle alter-
nativen Technologien schwer bei der Marktein-
führung, da sie gegen zwar umweltschädigende,
aber vordergründig billige Technologien konkurrie-
ren müssen.
- Geringer Bekanntheitsgrad
Nur wenige können heute erklären, wie ein Stir-
lingmotor funktioniert. Die meisten kennen ihn
nicht einmal, da er in der Ausbildung, wenn über-
haupt, nur am Rande erwähnt wird.
6. Was kosten Stirlingmotoren ?
Nach Schätzungen von Firmen, die mit der Seri-
enfertigung von Stirlingmotoren beschäftigt sind,
kann der Kaufpreis mit ca. 2000 bis 3000
DM/kWmech angesetzt werden, wenn in Serie pro-
duziert wird. Ein anschlußfertiges Stirling-
Blockheizkraftwerk (BHKW) für ein Mehrfamilien-
haus würde somit zwischen 30.000 und 40.000
DM kosten.
Die Konkurrenz der herkömmlichen Motoren
Dipl.-Ing. Walter Wesinger Sommer 1998
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7. Andere Stirlingmaschinen
Der Nutzen eines Motors ist mechanische Ener-
gie. Außer mechanischer Energie können Stir-
lingmaschinen auch Umgebungswärme hoch-
pumpen und diese damit für Heizzwecke und für
die Warmwasserbereitung nutzbar machen. Um-
gekehrt läßt sich mit Stirlingmaschinen auch Kälte
erzeugen.
Den Stirling-Kältemaschinen und -Wärme-
pumpen muß von außen mechanische Energie
zugeführt werden. Dabei erwärmt sich eine Seite
der Maschine, die andere Seite kühlt ab. Je nach
dem ob die heiße oder die kalte Seite genutzt
wird, handelt es sich um eine Wärmepumpe oder
Schema Motor, Wärmepumpe, Kältemaschine
eine Kältemaschine.
Der große Vorteil von Stirling-Wärmepumpen und
Stirling-Kältemaschinen liegt in der ökologischen
Unbedenklichkeit der Arbeitsgase Helium, Was-
serstoff oder Kohlendioxyd, die als Füllung Ver-
wendung finden.
Der größte ökologische Nutzen beim Einsatz von
Stirling-Wärmepumpen und -ältemaschinen ist
dann gegeben, wenn zu ihrem Antrieb ein Stir-
lingmotor eingesetzt wird anstelle eines Elektro-
motors. Damit lassen sich die hohen Umwand-
lungsverluste und Emissionen in den Kraftwerken
vermeiden.
- Stirling-Wärmepumpen
Die rechts abgebildete Vuilleumiermaschine , so
nennt man die Kombination eines Stirlingmotors
mit einer Stirling-Wärmepumpe ist ein Prototyp
und enthält lediglich zwei bewegte Teile. Sie wird
z.B. mit Erdgas oder Heizöl befeuert und spart
Heizenergie, weil sie Umgebungswärme auf das
Vuilleumiermaschine
Temperaturniveau für Heizzwecke hochpumpt .
- Stirling-Kältemaschinen
Die Maschine rechts ist eine Tieftemperatur-
Stirling-Kältemaschine, mit ihr lassen sich Tempe-
raturen um 80 K (ca. -190°C) erreichen. Luft- oder
Erdgasverflüssigung und Kühlung von Infrarot-
sensoren sind typische Beispiele für Tieftempe-
raturanwendungen. Das Militär kauft seit vielen
Jahren diese Maschinen in großen Stückzahlen,
da es sehr viele Kühlaggregate für automatische
Lenkwaffen und Wärmesichtgeräte benötigt.
Eine mögliche Anwendung für zukünftige Stirling-
Kältemaschinen wären solarbetriebene Kühlag-
gregate für große Bürokomplexe. Die Antriebs-
wärme könnte dabei von handelsüblichen thermi-
schen Solarkollektoren geliefert werden.
Kleines Kühlaggregat für Infrarotsensoren
Dipl.-Ing. Walter Wesinger Sommer 1998
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8. Ausblick
Aufgrund von Klima- und Gesundheitsschäden
sowie der begrenzten Lagerstätten von Erdgas,
Erdöl, Kohle und Uran wird in Zukunft, neben
Energiesparen und der Verwendung von erneuer-
barer Energie, die umweltschonende Umwand-
lung 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
Stirling-BHKW für Mehrfamilienhäuser (Komplett-
sie mit herkömmlichen Otto- und Dieselmotoren
nicht in Konkurrenz stehen. Diese Anwendungs- anlage)
bereiche sind:
- kleine und mittelgroße Blockheizkraftwerke
(BHKW) mit günstigen Betriebskosten, Brennstoff
z.B. Holzhackschnitzel
- kleine und mittelgroße Wärmepumpen, direkt
mit Primärenergie kostengünstig befeuert
- Stirling-Kältemaschinen für Computer mit su-
praleitender Elektronik, Infrarotsensoren, Wasser-
stoff- und Erdgasverflüssigung, Kühl- und Gefrier-
geräte, sowie zur Klimatisierung von Bürokomple-
xen und für industrielle Verfahrensprozesse
Die meisten Stirlingmotoren werden mechanische
Leistungen zwischen 0,5 und 500 kW mech haben,
wobei der Schwerpunkt um 50 kW mech in Zukunft
Stirling-Luftverflüssiger
liegen könnte, dort erwartet man das größte Po-
tential zur umweltfreundlichen Energieumwand-
lung. Leistungen deutlich über 500 kW mech bleiben
aus technischen und wirtschaftlichen Gründen
wahrscheinlich auch in Zukunft die Domäne gro-
ßer Gas- oder Dampfturbinen. Stirlingmaschinen
werden sich daher im unteren und mittleren Lei-
stungsbereich ansiedeln und eine große Bedeu-
tung für viele dezentrale Energiesysteme haben.
Diese Technik wird mithelfen, das Weltklima zu
schonen, neue Arbeitsplätze schaffen und die
volkswirtschaftlichen Kosten des Energiesektors
verringern.
Immer mehr Menschen lassen sich von Stirling-
motoren begeistern. Wir wollen hoffen, dass dies
auch in so manchen Vorstandsetagen der Fall
sein wird.
Die Stirling-Palme , historische und vermutete
zukünftige Verbreitung dieser Maschinen
Dipl.-Ing. Walter Wesinger Sommer 1998
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