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Stirlingmotor

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Definition: ein Heißgasmotor mit einem Arbeitsgas in einem abgeschlossenen Raum

Englisch: Stirling engine

Kategorien: Kraftmaschinen und Kraftwerke, Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Erstellung: 03.08.2015

Der Stirlingmotor ist eine ältere Erfindung als die heute vorherrschenden Motoren mit innerer Verbrennung.

Ein Stirlingmotor (oder Stirling-Motor) ist eine Wärmekraftmaschine in Form eines Heißgasmotors, bei dem sich das Arbeitsgas anders als bei den meisten Verbrennungsmotoren in einem abgeschlossenen Raum befindet, also nicht ständig ausgewechselt wird. Dieser Motortyp wurde in 1816 von Robert Stirling erfunden, der hauptberuflich als Pastor arbeitete, und verdrängte teils den Einsatz von Dampfmaschinen. Dies war schon deswegen von Interesse, weil damit die Unfallgefahren von mit Hochdruck-Dampf betriebenen Maschinen vermieden wurden.

Gegenüber den heute stark dominierenden Arten von Verbrennungsmotoren (Ottomotoren und Dieselmotoren) mit innerer Verbrennung haben Stirlingmotoren wichtige Vorteile – insbesondere das Potenzial zur Nutzung ganz unterschiedlicher Wärmequellen –, aber auch wesentliche Nachteile, was weiter unten diskutiert wird.

Funktionsprinzip

Um das Funktionsprinzip des Stirlingmotors gut verständlich zu machen, werden im Folgenden zuerst gedanklich einfachere, obwohl praktisch kaum realisierbare Versionen von Motoren diskutiert.

Theoretischer Einzylindermotor

Prinzip eines Heißgasmotors

Abbildung 1: Grundlegendes Prinzip eines Heißgasmotors. Während der Expansion des Arbeitsgases erhöht man den Druck durch Wärmezufuhr, und während der Kompression vermindert man den Druck durch Wärmeabfuhr. In dieser Form ist ein Motor allerdings kaum praktisch realisierbar.

Die einfachste Variante ist ein Hubkolbenmotor mit einem nach außen abgeschlossenen Arbeitszylinder, bei dem das Volumen eines Arbeitsgases durch einen sich periodisch nach oben und unten bewegenden Kolben ständig verkleinert und wieder vergrößert wird. (Typischerweise ist der Kolben hierfür über einen Kurbeltrieb mit einer rotierenden Kurbelwelle verbunden.) Bei der Expansion des Gases leistet dieses Arbeit am Kolben, trägt also zur Antriebsleistung bei; jedoch erfordert die spätere Kompression des Gases wieder mechanische Energie, die dem Kolben zugeführt werden muss. Um diese Kompressionsarbeit möglichst klein zu halten, hält man die Temperatur des Arbeitsgases in der Kompressionsphase so tief wie möglich, indem man den Zylinderkopf kühlt; dadurch hat das Gas einen geringeren Druck. In der Expansionsphase dagegen erhöht man die Temperatur so weit wie möglich durch Wärmezufuhr von außen. Dies muss durch Wärmeleitung geschehen. Nur mit dieser Wärmezufuhr und -abfuhr kann ein solcher Motor arbeiten.

Obwohl dieses Grundprinzip einfach ist, ist es in der Praxis schwer zu realisieren. Insbesondere ist es nicht praktikabel, ständig zwischen einer Beheizung und einer Kühlung des Arbeitsgases hin- und herzuschalten.

Version mit zwei Kolben

Die genannte Schwierigkeit kann dadurch gelöst werden, dass man die Kompression und die Expansion mit zwei getrennten Kolben durchführt, wie in Abbildung 2 gezeigt.

Grundprinzip des Stirlingmotors

Abbildung 2: Theoretischer Aufbau eines Motors nach dem Stirling-Prinzip. Die Expansion des Arbeitsgases erfolgt in der heißen Zone bei hohem Druck, die Kompression dagegen in der kalten Zone bei niedrigem Druck.

Um die grundlegende Idee klar herauszuarbeiten, nehmen wir eine diskontinuierliche Bewegung der beiden Kolben an, ohne die dafür nötige Mechanik zu beachten. Ein Arbeitszyklus läuft dann wie folgt ab:

Die zentrale Idee bei der Stirling-Maschine besteht darin, die Expansion und Kompression des Gases in unterschiedlich warmen Zonen durchzuführen.

  • Die Expansion des Arbeitsgases erfolgt in der oberen heißen Zone. Der obere Kolben bewegt sich dabei nach oben, während der untere Kolben stillsteht. Die Abkühlung des Arbeitsgases durch die Expansion wird im Idealfall weitgehend dadurch verhindert, dass Wärme von außen aufgenommen wird.
  • Wenn sich der obere Kolben später wieder nach unten bewegt, geht parallel hierzu auch der untere Kolben nach unten. Das Volumen des Arbeitsgases ändert sich also nicht, weswegen auch keine mechanische Energie zugeführt oder entnommen wird. (Zumindest gleichen sich die Beiträge der einzelnen Kolben diesbezüglich aus.) Das Gas wird aber von der oberen heißen Zone in die untere kalte Zone transferiert, wobei es den Regenerator (siehe unten) durchströmt.
  • Schließlich wird das Arbeitsgas wieder komprimiert, indem der untere Kolben nach oben bewegt wird, während der obere Kolben stillsteht. Da das Gas hierbei kühler ist als bei der Expansion, ist sein Druck geringer, und die aufzubringende Kompressionsarbeit ist geringer als die vom Gas im Arbeitstakt geleistete Expansionsarbeit. Deswegen leistet das Gas während jedes Arbeitszyklus netto Arbeit, die (nach Abzug von Reibungsverlusten u. ä.) nutzbar ist.

Wenn diese Prozesse genügend langsam durchgeführt werden, lässt sich im Prinzip annähernd der theoretisch vereinfachte (ideale) Stirling-Kreisprozess realisieren:

  • isotherme Expansion im Arbeitstakt, d. h. der Temperaturabfall durch die Expansion wird durch die Wärmezufuhr vollständig verhindert
  • isochore Abkühlung (d. h. bei konstantem Volumen)
  • isotherme Kompression
  • isochore Erhitzung

Für einen möglichst hohen Wirkungsgrad (also eine hohe Energieeffizienz) des Prozesses sollte die Temperaturdifferenz zwischen der heißen und kalten Zone möglichst hoch sein. (Genauer gesagt zählt das Verhältnis der absoluten Temperaturen.) Von Vorteil ist also die Verwendung von Wärme auf einem möglichst hohen Temperaturniveau, soweit diese nicht durch die Belastbarkeit der Motorteile Grenzen gesetzt sind.

Funktion des Regenerators

Der Regenerator ist von großer Bedeutung für den Wirkungsgrad des Motors.

Der wie oben beschriebene Motor könnte im Prinzip auch ohne einen Regenerator funktionieren. Allerdings lässt sich die Menge der benötigten Wärmezufuhr pro Arbeitszyklus und auch die Menge der abzuführenden Abwärme mithilfe eines Regenerators reduzieren, wodurch der Wirkungsgrad des Motors erheblich erhöht wird.

Der Regenerator kann beispielsweise ein mit feinen Bohrungen durchzogenen Metallteil oder auch ein Metallgeflecht sein, durch das das Arbeitsgas strömen kann. (In Abbildung 1 ist er durch die unterbrochene Struktur zwischen den beiden Kolben angedeutet.) Er wirkt durch seine Wärmekapazität: Wenn das Arbeitsgas von unten nach oben strömt, wird es im Regenerator vorgewärmt, und umgekehrt gibt es Wärme an den Regenerator ab, wenn es später wieder nach unten strömt.

Geeignete Arbeitsgase

Als Arbeitsgas eines Stirlingmotors kann im einfachsten Fall Luft gewählt werden. Eine höhere Leistung und Effizienz ist allerdings möglich durch Verwendung eines leichteren Gases wie Wasserstoff oder Helium. Dies erhöht andererseits nicht nur die Kosten, sondern auch den Aufwand für die Abdichtung, dass solche Gase viel leichter als Luft durch kleine Undichtigkeiten entweichen können, teils sogar durch luftdichte Materialien diffundieren können.

Reale Varianten des Stirlingmotors

Tatsächlich verwendete Stirlingmotoren sind etwas komplizierter gebaut und weichen ein wenig vom oben erklärten Funktionsprinzip ab.

In der Praxis verwendet man praktisch immer eine sinusförmige Bewegung der Kolben, auch wenn dies energetisch nicht ganz ideal ist.

Wenig praktikabel wäre die oben beschriebene diskontinuierliche Bewegung der Kolben. Deswegen verwendete man in der Regel eine kontinuierlich rotierende Kurbelwelle, die die beiden Kolben sinusförmig auf- und abbewegen lässt, und zwar mit einer Phasenverschiebung von 90°, die durch eine geeignete Anbringung der Pleuel an der Kurbelwelle erreicht wird. Während beispielsweise der obere Kolben an seinem unteren Totpunkt steht, bewegt sich der untere Kolben gerade mit maximaler Geschwindigkeit aufwärts. Dadurch, dass die oben beschriebenen Prozesse nicht mehr strikt nacheinander durchgeführt werden, sondern in zeitlich überlappender Weise, nimmt der Wirkungsgrad der Maschine leider etwas ab.

Die beiden Kolben können auch etwas weiter als oben gezeigt voneinander entfernt sein; der Regenerator wird dann zu einem längeren Rohr, was für die Wärmeübertragung günstig sein kann. Allerdings sollte das Totvolumen in solchen Teilen möglichst klein gehalten werden, da dieses sonst den Wirkungsgrad vermindert. Andererseits sollte das Gas ohne allzu große Reibungsverluste durch den Regenerator strömen können.

Die Wärmeübertragung allein über die Zylinderwände ist nicht praktikabel, da die zur Verfügung stehende Oberfläche hiermit zu klein ist. Für eine schnellere Wärmeübertragung werden zusätzliche Wärmeübertrager mit erhöhter Oberfläche in den Expansions- bzw. Kompressionsraum eingebaut. Dies hat leider zur Folge, dass das schädliche Totvolumen vergrößert wird (siehe unten).

Es gibt auch Bauweisen (den Beta-Typ), bei denen sich die beiden Kolben (ein Arbeitskolben und ein Verdrängerkolben) im gleichen Zylinder bewegen. Vor allem bei Motoren mit kleiner Leistung kann der Verdrängerkolben auch die Funktion des Regenerators (die Wärmespeicherung) übernehmen.

Es gibt zudem eine Vielzahl weiterer Bauweisen, beispielsweise auch mit beidseitig angetriebenen Arbeitskolben und mit mehreren Zylindern.

Vorteile des Stirlingmotors

Der wichtigste Vorteil des Stirlingmotors besteht darin, dass sich eine Vielzahl unterschiedlicher Wärmequellen für den Antrieb nutzen lässt:

Die Anforderungen an Brennstoffe sind beim Stirlingmotor weitaus niedriger als bei Motoren mit innerer Verbrennung.

Auch Wärme aus erneuerbaren Quellen ist nutzbar; sie sollte allerdings auf einem möglichst hohen Temperaturniveau verfügbar sein.

Weitere Vorteile liegen darin, dass gewisse Probleme anderer Verbrennungsmotoren vermieden werden, insbesondere die Verschmutzung von Motorteilen und die Verunreinigung des Schmieröls durch Verbrennungsrückstände oder unverbrannten Kraftstoff; der Stirlingmotor arbeitet ja mit einem gegenüber der Umwelt abgeschlossenen Arbeitsgas. Dies macht Stirlingmotoren auch sehr wartungsarm. Auch die Geräuschentwicklung ist viel schwächer, vor allem weil enorme Druckschwankungen in einem Auspufftrakt vermieden werden.

Im Übrigen kann ein Stirlingmotor relativ einfach gebaut werden; er benötigt beispielsweise keine Ventile inklusive der oft aufwendigen Ventilsteuerung.

Nachteile des Stirlingmotors

Totraumeffekte lassen sich wegen gewisser Zielkonflikte schwer minimieren.

Ein grundlegendes technisches Problem besteht darin, dass die Zufuhr und Abfuhr von Wärme beim Stirlingmotor durch Wärmeleitung erfolgen muss. Dies macht es schwierig, in kurzer Zeit große Wärmemengen umzusetzen, ohne dass hierbei große Temperaturgradienten auftreten. Beispielsweise ist es schwer zu erreichen, dass das Arbeitsgas bei der Kompression annähernd so kalt wird wie das Kühlmittel, wenn die Kompression nicht recht langsam durchgeführt wird. Auch der Wirkungsgrad des Regenerators nimmt bei hoher Arbeitsgeschwindigkeit ab. Relativ hohe Wirkungsgrade erfordern also niedrige Motordrehzahlen, was einerseits eine niedrige Motorleistung (bzw. ein hohes Leistungsgewicht) zur Folge hat und andererseits den Einfluss störender Effekte (z. B. unerwünschte Wärmeleitungsphänomene) vergrößert. Typische Drehzahlen liegen bei einigen hundert Umdrehungen pro Minute, also deutlich tiefer als bei Motoren mit innerer Verbrennung.

Nachteilig wirken sich auch sogenannte Schadräume mit ihrem Totvolumen aus, da sie die Druckschwankungen vermindern. Beispielsweise kann das Totvolumen des Regenerators nicht beliebig verkleinert werden, da es sonst beispielsweise zu hohen Strömungsverlusten des Arbeitsgases kommen würde. Eine ähnliche Problematik gibt es bei den Wärmeübertragern für die Wärmezufuhr in der heißen Zone und die Wärmeabfuhr in der kalten Zone: Es gibt einen Zielkonflikt zwischen der Maximierung der Wärmeübertragerflächen und der Minimierung des Totvolumens.

Aus den genannten Gründen liegen die mit Stirlingmotoren erreichbaren Wirkungsgrade deutlich unter dem theoretisch möglichen Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine (dem Carnot-Wirkungsgrad). Allerdings trifft dies – wenn auch aus ganz anderen Gründen – auch für Motoren mit innerer Verbrennung zu. Beispielsweise erreichen gut optimierte Stirlingmotoren ebenso wie Ottomotoren bei Leistungen von einigen Kilowatt Wirkungsgrade etwas oberhalb von 30 % (bei Volllast).

Die Zufuhr und Abfuhr von Wärme kann bei einem Stirlingmotor nicht so schnell gesteuert werden wie bei einem Motor mit innerer Verbrennung. Deswegen lässt sich die abgegebene Leistung nicht so schnell dem jeweiligen Bedarf anpassen. Dies wäre ein wesentliches Problem beispielsweise bei der Anwendung für den Antrieb von Autos.

Bei etlichen Anwendungen sind die Produktionskosten von Stirlingmotoren problematisch. Zwar kann die Bauweise prinzipiell einfacher sein als bei Motoren mit innerer Verbrennung, aber wegen des hohen Leistungsgewichts wird mehr Material benötigt. Vor allem aber liegen die Kosten aufgrund geringer Stückzahlen relativ hoch. Herkömmliche Verbrennungsmotoren, die beispielsweise für die Anwendung in Fahrzeugen in riesigen Stückzahlen gebaut werden, profitieren weitaus mehr von den Vorteilen der Massenfertigung und auch einer enorm optimierenden Entwicklung, wie sie nur für große Stückzahlen möglich ist. Dagegen finden Stirlingmotoren seit deren Erfindung immer nur relativ begrenzte Anwendungen, die eine Massenfertigung nicht ermöglichen.

Anwendungen von Stirlingmotoren

Fahrzeuge

Für den Antrieb von Fahrzeugen sind Stirlingmotoren wenig geeignet.

Zum Antrieb von Fahrzeugen sind Stirlingmotoren in den meisten Fällen schlechter geeignet als Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung. Der Betrieb mit einem hochwertigen Kraftstoff wie Benzin oder Dieselkraftstoff wäre wenig sinnvoll, da hierbei die Vorteile des Stirlingmotors (z. B. günstiges Abgasverhalten) weniger zum Tragen kämen als die Nachteile – insbesondere ein hohes Leistungsgewicht und die träge Reaktion auf veränderte Leistungsanforderungen. (Das letztere Problem ließe sich am ehesten bei Verwendung in einem Elektro-Hybridantrieb lösen, was freilich die Kosten weiter erhöht.) Andere Wärmequellen (z. B. die Verbrennung von Holz), die nur mit einem Stirlingmotor genutzt werden könnten, sind jedoch für den Einsatz in Fahrzeugen nicht sehr praktikabel.

Kraft-Wärme-Kopplung

Passendere Anwendungsbereiche sind solche, bei denen einerseits mit anderen Motoren nicht nutzbare Wärmequellen verwendet werden können und andererseits die typischen Nachteile weniger relevant sind. Generell ist bei stationären Anwendungen das Leistungsgewicht weniger wichtig, und ein nicht allzu hoher mechanischer Wirkungsgrad ist eher hinnehmbar, wo es kaum praktikable Alternativen gibt.

Wo weniger leicht beherrschbare Brennstoffe wie z. B. Holz genutzt werden sollen, kommen die Vorteile des Stirlingmotors besonders zum Tragen.

Ein Beispiel ist die Kraft-Wärme-Kopplung mit dem Brennstoff Holz. Dies ist möglich sowohl mit größeren Anlagen (etwa unter Verwendung einer Wirbelschichtfeuerung) als auch mit kleinen Anlagen, die mit Hackschnitzeln oder Holzpellets arbeiten. Anstatt Brennholz nur für die reine Wärmeerzeugung zu nutzen, kann wenigstens ein kleiner Teil der erzeugten Energie (z. B. 20 %) in mechanische Energie umgewandelt werden, die dann meist zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Generator dient.

Auch für hochwertige Brennstoffe wie Erdgas, das im Prinzip in einem Otto-Gasmotor eingesetzt werden könnte, wird manchmal ein Stirlingmotor verwendet. Seine Vorteile wie z. B. die lange Lebensdauer, der geringe Wartungsbedarf, der ruhige Lauf sowie die ausgezeichnete Abgasqualität können hier bedeutsam sein. Besonders bei kleinen elektrischen Leistungen von wenigen Kilowatt ist ein Stirlingmotor eine interessante Lösung.

Da insgesamt in einem Land wie Deutschland wesentlich mehr Wärme als elektrische Energie benötigt wird, wäre ein wesentlicher Beitrag zur Stromerzeugung möglich, wenn viele bisher nur Wärme erzeugende Anlagen wenigstens 10 oder 20 % der Primärenergie in elektrische Energie umwandeln könnten. Dies wäre energieeffizienter als die reine Wärmeerzeugung in Kombination mit der Stromerzeugung in Kraftwerken ohne Kraft-Wärme-Kopplung. Der zusätzliche Brennstoffverbrauch für die Stromerzeugung ist nämlich kaum höher als die Menge der erzeugten elektrischen Energie; somit ist die erreichte Energieeffizienz ähnlich hoch, wie wenn die elektrische Energie in einem Kraftwerk mit einem Wirkungsgrad von fast 100 % (was technisch natürlich unmöglich ist) aus dem Brennstoff erzeugt würde.

Dish-Stirling-Systeme

Es gibt außerdem Maschinen für die Stromerzeugung mithilfe von Sonnenenergie, bei denen Sonnenstrahlung mithilfe von Spiegeln stark konzentriert auf einen Absorber geschickt wird, der wiederum einen Stirlingmotor speist (der dann manchmal als Solarmotor bezeichnet wird). Solche Dish-Stirling-Systeme können mit einer Spiegelfläche von einigen Dutzend Quadratmetern bei voller Sonneneinstrahlung eine elektrische Leistung von einigen Kilowatt abgeben; Wirkungsgrade von etwas mehr als 30 % sind möglich – mehr als mit anderen solarthermischen Systemen für die Stromerzeugung. Höhere Leistungen ergeben sich einfach durch Kombination vieler solcher Maschinen; es handelt sich also um einen völlig modularen Ansatz.

Dish-Stirling-Systeme stehen in starker Konkurrenz mit Photovoltaikanlagen, die inzwischen wesentlich kostengünstiger geworden sind.

Solche Systeme müssen natürlich der Sonne nachgeführt werden und können nur direkte, nicht aber diffuse Sonnenstrahlung nutzen. Sie sind also am ehesten geeignet für den Einsatz in Gebieten mit sonnigen, trockenem Klima, werden aber auch dort von der Photovoltaik stark konkurrenziert. Leider weisen Stirling-Dish-Systeme keine annähernd so dramatische Kostendegression wie die Photovoltaik auf, die inzwischen deutlich kostengünstiger geworden ist. Zudem sind Photovoltaikanlagen in mancher Hinsicht robuster. Im Vergleich mit Solarthermischen Kraftwerken mit Dampfturbinen-Systemen liegt zwar der Wirkungsgrad deutlich höher, und der modulare Ansatz ergibt eine viel höhere Ausfallsicherheit, aber die oft wichtige Möglichkeit der Energiespeicherung entfällt.

Raumfahrt

Eine Sonderanwendung ist die Stromerzeugung in Raumfahrzeugen und Raumsonden. Während kleine Raumsonden gelegentlich mit einer Radionuklidbatterie betrieben werden, die einen thermoelektrischen Generator enthält, ist eine Maschine mit Stirlingmotor für höhere Leistungen (z. B. mehrere Kilowatt) besser geeignet, da sie einen deutlich höheren Wirkungsgrad erlaubt. Allerdings stellt die Photovoltaik auch hier eine starke Alternative dar, soweit es nicht um den Betrieb weit entfernt von der Sonne geht.

Stirlingmaschine als Kältemaschine oder Wärmepumpe

Eine dem Stirlingmotor sehr ähnliche Maschine kann auch als Wärmepumpe betrieben werden. Eine solche Maschine muss also beispielsweise von einem Elektromotor mechanisch angetrieben werden und “pumpt” Wärme von einer Quelle niedrigerer Temperatur zu einem Verbraucher auf einem höheren Temperaturniveau. Ähnlich ist die bereits stärker verbreitete Anwendung als Kältemaschine (vor allem für Miniatur-Kryokühler), bei der der Aspekt der Wärmeabfuhr auf niedrigem Temperaturniveau im Vordergrund steht.

Stirling-Kältemaschinen und -Wärmepumpen stehen in Konkurrenz zu herkömmlichen Kältemaschinen und Wärmepumpen, die einen Phasenübergang eines Kältemittels ausnutzen. Gegenüber diesen weisen Sie die folgenden Vorteile auf:

Zukünftig könnten Stirling-Kältemaschinen weitere Anwendungsfelder besetzen.

Der letztere Vorteil ist besonders bedeutend für Kältemaschinen, die eine Temperatur zwischen ca. 20 und 80 Kelvin (also −253 °C bis −193 °C) erzeugen müssen. Deswegen werden Stirlingmaschinen häufig gerade für solche Anwendungen eingesetzt; konventionelle Kältemaschinen wären hier sehr ineffizient. Zukünftig könnten sie jedoch auch im Bereich wesentlich höherer Temperaturen zu den konventionellen Kaltdampf-Kältemaschinen konkurrenzfähig werden, wo diese bisher effizienter arbeiten. Dies gilt vor allem dann, wenn die Abwärme auf einem höheren Temperaturniveau genutzt werden soll; unter diesen Umständen leidet die Effizienz herkömmlicher Kältemaschinen oft viel mehr als bei Stirlingmaschinen.

Siehe auch: Wärmekraftmaschine, Hubkolbenmotor, Verbrennungsmotor
sowie andere Artikel in den Kategorien Kraftmaschinen und Kraftwerke, Wärme und Kälte

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