Stirlingmotor

Grundprinzip und Arbeitsgas

Der Stirlingmotor ist eine von Robert Stirling im Jahre 1816 entwickelte Wärmekraftmaschine. In einem geschlossenen System wird ein Arbeitsgas durch von außen zugeführte Wärme in einem heißen, von einem Kolben abgeschlossenen Raum erhitzt und expandiert. In einem anderen, kalten Zylinder wird es gekühlt und komprimiert. Das Gas pendelt zwischen beiden Räumen; dabei ändern sich Temperatur und Druck. Die Maschine wandelt so Wärme in mechanische Arbeit um.

Da die Wärme von außen kommt, kann grundsätzlich jede externe Wärmequelle genutzt werden. Bei äußerer Verbrennung ist daher ein beliebiger Brennstoff möglich; der Stirlingmotor ist prinzipiell ein Vielstoffmotor. Das Gas wird im Motor nicht ausgetauscht. Häufig verwendet man Wasserstoff oder Helium, weil sie unter allen Gasen die größte Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität besitzen. Das geschlossene Arbeitsgas kann jedoch durch Abrieb gleitender Teile und Schmierstoffe verunreinigt werden.

Die Wärme muss durch Wärmeleitung zu- und abgeführt werden. Dadurch entstehen Verluste, die bei innerer Verbrennung in Otto- oder Dieselmotoren nicht auftreten. Werkstoffe erlauben meist keine Betriebstemperaturen über 1000 °C. Bei großer Leistung wird das Gas durch dünne beheizte Röhrchen geführt; dies vergrößert aber das Totvolumen V_{UT} und senkt die Leistungsdichte in W/kg. Leistungsstarke Stirlingmotoren arbeiten deshalb mit sehr hohem mittlerem Betriebsdruck.

Kreisprozess und Regenerator

Der ideale Stirling-Kreisprozess besteht aus zwei isothermen Zustandsänderungen, also Änderungen bei konstanter Temperatur, und zwei isochoren Zustandsänderungen, also Änderungen bei konstantem Volumen. Diese vier Schritte wiederholen sich periodisch. Der ideale Prozess dient zum Verständnis, wird unter realen Bedingungen aber nicht erreicht: Bei hohen Drehzahlen erfolgt die Expansion praktisch adiabatisch, also ohne Wärmeaustausch.

Als Wärmekraftmaschine läuft der Ablauf so ab: Das Gas expandiert im heißen Raum unter Wärmezufuhr aus dem Heißreservoir; dann wird es bei geringer Volumenänderung in den kalten Raum verschoben. Dort wird es unter Wärmeabgabe an das Kaltreservoir komprimiert und anschließend bei geringer Volumenänderung wieder in den heißen Raum verschoben.

Ein Regenerator ist ein Wärmespeicher zwischen heißem und kaltem Bereich. Beim Strom des Gases zur kalten Seite nimmt er Wärme auf und gibt sie beim Rückstrom wieder ab. Er vermindert den Wärmeübergang zur kalten Seite, sodass Heiz- und Kühlflächen kleiner ausfallen können. Die gespeicherte Wärmemenge kann bis zum Vierfachen der pro Zyklus zugeführten Wärme betragen.

Wichtige Bauformen

Es gibt drei Hauptbauarten: Alpha-, Beta- und Gamma-Typ. Beim Alpha-Typ arbeiten zwei Kolben in getrennten, über Rohrleitung und Regenerator verbundenen Zylindern. Einer ist heiß, der andere kalt; beide wirken meist um etwa 90° bis 170° versetzt auf eine gemeinsame Kurbelwelle. Der Alpha-Typ wird auch Ridermotor genannt.

Beim Beta-Typ laufen Arbeitskolben und Verdrängerkolben in einem gemeinsamen Zylinder. Der Arbeitskolben befindet sich in der gekühlten Kaltzone und wandelt Druckänderungen in kinetische Energie um. Der Verdrängerkolben verschiebt das Gas zwischen heißem und kaltem Bereich; er kann zugleich als Regenerator mit vielen dünnen axialen Kanälen ausgeführt sein. Die nutzbare Arbeit liefert allein der Arbeitskolben. Ein Nachteil der sanften Verdrängerbewegung ist, dass beim Beginn der Expansion Gas in den kühlen Bereich gelangen und dort gekühlt werden kann.

Beim Gamma-Typ, den Stirling zuerst verwirklichte, liegen Arbeits- und Verdrängerkolben in verschiedenen verbundenen Zylindern. Der Alphagamma-Typ kombiniert Alpha- und Gamma-Bauweise. Sein Expansionskolben ist ein Stufenkolben; dadurch sinkt seine Arbeit gegenüber dem Alpha-Typ um etwa die Hälfte und gegenüber Beta- und Gamma-Typ um ca. 30 %. Bei einem getesteten Alphagamma-Motor mit 6,5 kW elektrischer Leistung lagen die elektrischen Gesamtwirkungsgrade bei 28,1 % mit Biogas, 30,0 % mit Deponiegasen und 31,1 % mit Klärgasen.

Vorteile, Grenzen und Einsatzgebiete

Stirlingmotoren können feste Brennstoffe, Sonnenenergie, Erdwärme, radioaktive Zerfallswärme sowie heißes Wasser oder Dampf aus Geothermie nutzen. Die kontinuierliche Wärmezufuhr ermöglicht günstige Abgaswerte und einen leisen Betrieb ohne Explosions- oder Auspuffgeräusche. Der Schmierölverbrauch in den Zylindern ist gering oder null, und Stirlingmotoren liefern hohe Drehmomente bei niedrigen Drehzahlen. Manche Bauformen benötigen nur wenige Kelvin Temperaturdifferenz.

Nachteilig sind große und schwere Wärmeübertrager für Wärmeeintrag und Wärmeabfuhr. Sie müssen zugleich hohen Druck aushalten; ein geeigneter Hochtemperaturwärmetauscher kann typischerweise 40 Prozent der gesamten Motorkosten ausmachen. Außerdem braucht der Motor vor dem Anlaufen eine vergleichsweise lange Aufwärmphase und lässt sich nur langsam regeln. Daher eignen sich Stirlingmotoren vor allem für stationäre Anwendungen mit konstanter Drehzahl, konstantem Drehmoment oder konstanter Leistung.

Typische Anwendungen sind Solar-Stirling-Anlagen, geothermische dezentrale Blockheizkraftwerke und kleine Generatoren. In BHKW beträgt das Verhältnis von Strom- zu Wärmeproduktion etwa 1:6 oder 17 %, bei Verbrennungsmotoren dagegen 1:2,5 oder 40 %. Stirling-BHKW sind daher besonders sinnvoll, wenn hauptsächlich Raumwärme benötigt wird oder die Wärmequelle extrem günstig ist. Weitere Anwendungen sind U-Boote der Gotland-Klasse, Deponiegasverwertung und Raumfahrtkonzepte mit Stirling-Konvertern und Lineargeneratoren.

Wird die Kurbelwelle von außen angetrieben, arbeitet die Maschine umgekehrt als Kältemaschine oder Wärmepumpe: Sie transportiert Wärme vom kalten in den heißen Bereich. Dabei läuft ein linksläufiger Stirling-Kreisprozess. Solche Kühlaggregate werden unter anderem in hochwertigen Wärmebildkameras eingesetzt; wegen möglicher extremer Miniaturisierung eignen sie sich auch für Satelliten und Raumschiffe.