Stirlingmotoren
Im letzten Jahrhundert bis zur Gegenwart wurde der Stirlingmotor vom Verbrennungsmotor als Kraftmaschine in vielen Anwendungsbereichen nicht zuletzt wegen seiner Trägheit beim Lastwechsel und dem höheren Leistungsgewicht verdrängt. Der Stirlingmotor gewinnt an Bedeutung bei den dezentralen, stationären Erzeugungsanlagen, wo das hohe Leistungsgewicht und die Lastwechselträgheit nur eine untergeordnete Rolle spielen. Ein entscheidender Vorteil des Stirlingmotors ist die hohe Brennstoffflexibilität.
Aufbau
Der Stirlingmotor besteht aus zwei Kolben, den Expansionskolben und den Kompressionskolben, die gemeinsam an einem Kurbeltrieb verbunden sind. Im Expansionsraum, Kompressionsraum und der Verbindung dazwischen befindet sich das Arbeitsgas mit unterschiedlichem Temperaturniveau. Mithilfe des Erhitzer-Wärmetauschers und des Kühler-Wärmetauschers kann das Arbeitsgas von außen (extern) erwärmt und abgekühlt werden. Der Regenerator ist ein Wärmetauscher, der beim Gasaustausch vom Expansionsraum zum Kompressionsraum die Wärme aufnimmt und bei der Rückströmung wieder abgibt. Im Idealfall kann die Wärme im Arbeitsgas zu 100 % regeneriert werden, wodurch theoretisch keine externe Wärmezu- und -abfuhr mehr nötig wäre. Der Regenerator ist deshalb wesentlich für den Wirkungsgrad des Stirlingmotors.
Funktionsprinzip
Der Stirlingmotor ist wie der Verbrennungsmotor eine Expansionsmaschine. Die Kolbenbewegung erfolgt allerdings nicht durch Expansion der Verbrennungsgase infolge einer inneren Verbrennung, sondern durch die Expansion eines im Zylinderraum des Stirlingmotors eingeschlossenen Arbeitsgases durch externe Wärmezufuhr. Als Arbeitsgas kann Luft, Stickstoff, Helium oder Wasserstoff eingesetzt werden. Zur Erklärung des Funktionsprinzips wird der Stirlingprozess in vier Phasen unterteilt: Verdichten, Erwärmen, Entspannen und Kühlen.
Während des Verdichtungsvorganges wird mechanische Energie, z. B. einer Schwungscheibe oder eines weiteren Stirlingmotors, der sich zu diesem Zeitpunkt phasenverschoben im Expansionsvorgang befindet, auf die Kolben ausgeübt. Beide Kolben bewegen sich zum oberen Totpunkt und komprimieren so das Verbrennungsgas. Die Drehrichtung des Kurbeltriebs ist mit einem Pfeil in Abbildung 10 eingezeichnet. Die entstehende Verdichtungswärme wird durch den Kühler abgeführt. Bei ausreichender Kühlung erfolgt dieser Arbeitsschritt ideal bei konstanten Temperaturen (isotherm).
Beim Erwärmen strömt das Arbeitsgas aufgrund der Kolbenbewegungen vom Kompressionsraum in den Expansionsraum, wobei das Volumen im gesamten Arbeitsraum annähernd konstant bleibt (isochor). Dem Arbeitsgas wird die im Regenerator gespeicherte Wärme zugeführt. Durch die isochore Erwärmung wird der höchste Druck im Prozess erreicht.
Durch die Entspannung baut sich der entstandene Druck im Arbeitsgas über den Expansionskolben ab, wobei Arbeit an die Kurbelwelle verrichtet wird. Die bei der Entspannung benötigte Wärme wird dem Prozess extern über den Erhitzer zugeführt. Bei ausreichender Erhitzung erfolgt dieser Arbeitsschritt ideal bei konstanten Temperaturen (isotherm).
Beim Kühlen strömt das Arbeitsgas aufgrund der Kolbenbewegung vom Expansionszylinder zurück in den Kompressionszylinder und gibt dabei Wärme an den Regenerator ab. Der Regenerator speichert die Wärme für die nächste Erwärmung des Arbeitsgases. Das Volumen des Arbeitsraums bleibt während dieses Arbeitsschrittes annähernd konstant.
Zusammenfassend wird ein Teil der Wärmezufuhr in mechanische Energie umgewandelt und an der Kurbelwelle beispielsweise zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt. Die restliche Wärmeenergie verlässt den Stirlingmotor durch den Kühler bei niedrigerem Temperaturniveau. Diese Energie wird in Mikro-KWK-Anlagen für Heizzwecke genutzt.
Vorteile und Nachteile
Gegenüber Verbrennungsmotoren hat der Stirlingmotor folgende Vorteile und Nachteile:
Vorteile:
- Hohe Brennstoffflexibilität (feste Biomasse ist als Brennstoff möglich)
- Potenziell geringerer Wartungsaufwand
Nachteile:
- Geringe Betriebserfahrungen
- Hohe Investitionskosten
- Niedriger Wirkungsgrad
Entwicklungsstand
Neben Demonstrationsanlagen und Feldtestversuchen zahlreicher Entwickler von Stirlingmotoren für Mikro-KWK-Anlagen haben bisher zwei Hersteller kurzfristig den Markteintritt in Europa geschafft. Im Jahr 2006 gab es weltweit etwas mehr als 20 Hersteller von Stirlingmotoren. Die kommerziell verfügbaren Mikro-KWK-Anlagen mit Stirlingmotoren werden derzeit mit Erdgas oder Flüssiggas betrieben. Feste Biomasse als Wärmequelle für Stirlingmotoren wird derzeit in Pilotanlagen untersucht. Der Markteintritt ist in den nächsten Jahren zu erwarten.
Der Entwicklungsstand von Stirlingmotoren ist zwischen Demonstrationsstadium und Marktreife, wobei die preisoptimierte Serienfertigung noch in der Anfangsphase steht. (Haas et al. 2010)
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Texte: Autor_innen des Lernfelds/ Fallbeispiel/ Kurswoche, Erscheinungsjahr, Titel des Lernfelds/ Fallbeispiel/ Kurswoche. Hrsg.: e-genius – Initiative offene Bildung, www.e-genius.at”
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