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Dampfmotor

Definition: eine schnelllaufende Dampfmaschine mit Ventilsteuerung

Englisch: steam engine

Kategorien: Fahrzeuge, Kraftmaschinen und Kraftwerke

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 01.01.2015; letzte Änderung: 03.11.2018

Ein Dampfmotor ist eine schnelllaufende Dampfmaschine, die mit einer Ventilsteuerung arbeitet. Eine gebräuchliche Bauweise ist die eines Dampfkolbenmotors (Hubkolbenmotor), dessen äußere Form oft der eines Ottomotors oder Dieselmotors deutlich ähnelt. Es werden aber auch andere Bauformen entwickelt, z. B. mit einem rotierenden Kolben (Rotationskolbenmotor oder Kreiskolben-Dampfmotor).

Für die Nutzung höherer Druckgefälle werden auch mehrstufige Dampfmotoren verwendet, in denen derselbe Dampf nacheinander verschiedene Zylinder (mit zunehmendem Hubraum) durchläuft. Bei sogenannten Eintakt-Motoren wird der Kolben in beiden Bewegungsrichtungen von Dampf angetrieben, während dies bei Zweitakt-Motoren nur bei der einen Bewegungsrichtung geschieht. Je nach Bauart wird eine Reihe von Ventilen oder Schiebern benötigt, die Wege für den Dampf zu bestimmten Zeiten öffnen und heute in aller Regel automatisch betätigt werden. Die Abgabe der Leistung erfolgt meist über eine Kurbelwelle; es gibt jedoch auch Versionen, bei denen beispielsweise ein Lineargenerator zur Stromerzeugung direkt vom Kolben angetrieben wird.

Anders als ein Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung wird ein Dampfmotor von Wasserdampf angetrieben, der von außen zugeführt wird. Die maximale Leistung solcher Motoren liegt oft im Bereich von 50 kW bis 1 MW, also deutlich niedriger als bei typischen Dampfturbinen. Die Investitionskosten liegen in diesem Leistungsbereich häufig niedriger als bei Turbinen.

Der benötigte Wasserdampf kann mit einem Dampfkessel hergestellt werden, der mit einem Brennstoff wie z. B. Holz oder Biogas erzeugt wird. Es können also auch Brennstoffe genutzt werden, die für die innere Verbrennung in einem Verbrennungsmotor nicht geeignet wären. (In dieser Hinsicht ähnelt der Dampfmotor dem Stirlingmotor.) Bei Verwendung von gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen kann die kontinuierliche Verbrennung auch in einem Porenbrenner durchgeführt werden, und es kann auch ohne Verwendung eines Abgaskatalysators eine hohe Abgasqualität erreicht werden.

Energieeffizienz von Dampfmotoren

Die Wirkungsgrade von Dampfmotoren können je nach Bauart erheblich variieren. Typischerweise liegen sie aber bei Volllast unter 25 %, im mittleren Teillastbetrieb ähnlich hoch, im tiefen Teillastbetrieb dagegen niedriger. Damit sind Dampfmotoren deutlich weniger energieeffizient als andere moderne Verbrennungsmotoren. Sie erlauben aber mit Kraft-Wärme-Kopplung immerhin eine effizientere Energienutzung, als wenn der jeweilige Brennstoff lediglich zur Wärmeerzeugung in einem Heizkessel genutzt würde. (Es geht darum, die im Brennstoff enthaltene Exergie möglichst effizient zu nutzen und nicht nur einen möglichst hohen Gesamtwirkungsgrad zu erreichen.) Außerdem können sie Brennstoffe und sogar andere Wärmequellen (siehe oben) nutzen, die für andere Verbrennungsmotoren gar nicht infrage kämen. Selbst wo ein herkömmlicher Verbrennungsmotor im Prinzip genutzt werden könnte (beispielsweise bei Betrieb mit Erdgas), kann es sein, dass nur ein einfach gebauter Dampfmotor von den Kosten her eine akzeptable Alternative zur reinen Wärmeerzeugung mit einem Heizkessel bietet.

Anwendungen von Dampfmotoren

Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts wurden neben Benzinmotoren auch häufig noch Dampfmotoren in Fahrzeugen verwendet, und zwar vor allem in größeren Fahrzeugen wie Booten, Bussen und Lastwagen. Für lange Zeit schien es, als wäre die Zeit von Dampfmaschinen allgemein zu Ende gegangen; sie sind auf breiter Front einerseits von Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung und andererseits von Dampfturbinen abgelöst worden. In der jüngsten Zeit werden jedoch erneut Dampfmotoren entwickelt, da diese bestimmte neue Anforderungen relativ gut erfüllen könnten:

  • Die äußere Verbrennung macht es möglich, auch Brennstoffe wie Holz und andere Biomasse (z. B. Stroh) einzusetzen, also erneuerbare Energie. Gegenüber der einfachen Verbrennung zur Wärmegewinnung lässt sich mit einem Dampfmotor die Kraft-Wärme-Kopplung realisieren, sodass zumindest ein kleinerer Teil der Energie als hochwertige elektrische Energie gewonnen wird. Gegenüber herkömmlichen Dampfmaschinen bieten sich Dampfmotoren gerade für Blockheizkraftwerke kleinerer Leistungen an.
  • In anderen Fällen kann ein Dampfmotor zur Verstromung von Hochtemperatur-Abwärme aus industriellen Anlagen eingesetzt werden.
  • Es ist ebenfalls möglich, Dampf aus einem Dampfkessel zunächst teilweise in einem Dampfmotor zu entspannen und dann als Prozessdampf für andere Zwecke einzusetzen, wenn die dafür benötigte Dampftemperatur nicht so hoch ist wie die mit dem Dampfkessel mögliche Temperatur. So kann ein Teil der erzeugten Wärme in elektrische Energie umgewandelt werden. Dies bietet sich insbesondere dann an, wenn in einem Betrieb Dampf auf unterschiedlichen Temperatur- und Druckniveaus benötigt wird, aber nur ein einziger Dampfkessel eingesetzt werden soll, der dann die maximale Temperatur und den maximal benötigten Druck liefern muss. Den nicht benötigten Teil des Drucks mit einem Dampfmotor zu nutzen, ist energieeffizienter als die Verwendung eines einfachen Expansionsventils.
  • Sogar die Verwendung von Sonnenenergie wäre möglich, wenn das Sonnenlicht mit Spiegeln z. B. in Form eines Parabolreflektors konzentriert wird. Auch der Einsatz von Parabolrinnenkollektoren käme infrage.
  • Auch die Kraft-Wärme-Kopplung im Kleinstmaßstab, z. B. als “stromerzeugende Heizungsanlage”, könnte zukünftig mit Dampfmotoren realisiert werden. Ein Vorteil gegenüber einem Gasmotor (bei Erdgasbetrieb) ist, dass auch ohne Abgaskatalysator eine hohe Abgasqualität erzielbar ist und insgesamt eine wesentlich einfachere Konstruktion mit wenigen beweglichen Bauteilen verwendet werden kann.
  • Im Prinzip könnten moderne Dampfmotoren auch wieder zum Antrieb von Fahrzeugen eingesetzt werden. Jedoch sind ihnen Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung in manchen Aspekten klar überlegen, insbesondere betreffend den Wirkungsgrad und die schnelle Anpassung der Motorleistung auf den Bedarf.

Zur Zeit werden Dampfmotoren jedoch nur in sehr geringem Umfang genutzt. Es gibt auch noch kaum Anbieter für entsprechende Motoren. Unter Umständen könnte sich dies zukünftig ändern, beispielsweise im Bereich der Kraft-Wärme-Kopplung in Biomasse-Blockheizkraftwerken.

Siehe auch: Dampfmaschine, Hubkolbenmotor, Motor, Dampfturbine, Dampfkessel, Stirlingmotor, Blockheizkraftwerk
sowie andere Artikel in den Kategorien Fahrzeuge, Kraftmaschinen und Kraftwerke

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