Stirlingmotor fährt aus seinem Schattendasein

Immer öfter macht der Stirlingmotor heute von sich reden. Seitdem um 1816 in Großbritannien Robert Stirling die seinen Namen tragende Kraftmaschine mit äußerer Verbrennung ersonnen hat, versuchen die Protagonisten dieses Motors, ihm zum breiten Einsatz zu verhelfen. Wie kürzlich auf dem Euroforum „Kraft-Wärme-Kopplung“ zu erfahren war, steht der Stirlingmotor bei einer Reihe von Einsatzmöglichkeiten ganz oben auf der Liste der Anwender. Dazu gehören die Kraft-Wärme-Kopplungen, Solarsysteme und Hybridantriebe von Fahrzeugen.

Seit seiner Erfindung führte der Stirlingmotor ein Schattendasein, und der Erfolg der Kraftmaschinen mit innerer Verbrennung, Otto- und Dieselmotor, ließ ihn fast vergessen. Vor deren Anfängen im letzten Viertel des 19. Jahrhunderts war es jedoch anders. Als am 12. Januar 1853 in den USA das umgebaute Dampfschiff „Ericson“ zu seiner Jungfernfahrt in See stach, arbeitete im Inneren des Schiffes der größte jemals gebaute Stirlingmotor.

Ein revolutionärer neuer Motor, wie damals in der Presse über den Stirlingmotor zu lesen war. Leider leistete die riesige Maschine (vier Zylinder, Durchmesser 4,27 m) statt der vorhergesagten 330 kW nur 220 kW, so daß sie die Ericson nur auf die inakzeptable Geschwindigkeit von lediglich 11 Knoten (20,4 km/h) brachte. Nach seinem anfangs relativ breiten Einsatz auch als Industriemotor war der Stirlingmotor in den folgenden Jahren nur noch in kleinen und mittleren Handwerksbetrieben zu finden. Die Dampfmaschine machte das Rennen, schließlich mußte sie dem Otto- und Dieselmotor das Feld überlassen.

Der Mißerfolg des Stirlingmotors von damals kam jedoch nicht von ungefähr. Von Anfang an war der Motor aufgrund der komplizierten Thermodynamik der Prozesse nur äußerst unzureichend zu berechnen. Das Arbeitsmedium, das in einem geschlossenen Kreislauf zwischen einem Erhitzer und einem Kühler hin und hergeschoben wird, unterliegt sehr komplexen Zustandsänderungen. So ist beispielsweise eine Kompression gleichzeitig mit einem Wärmezufluß von außen verbunden. Beim Durchströmen der Motorkomponenten sind zusätzlich je nach Zustand des Arbeitsmediums unterschiedliche Strömungsverluste zu berücksichtigen. Als Folge sind bei einer Neukonstruktion Berechnungsfehler von bis zu 30 % durchaus keine Seltenheit.

Wegen seines sehr günstigen Wirkungsgrades auch bei kleinen Maschinen beschäftigen sich aber seit den 30er Jahren einige Firmen wie beispielsweise Siemens oder Philips wieder verstärkt mit dem Motor. Ein Versuch bei Volvo, den Stirlingmotor als Pkw-Antrieb zu nutzen, kam jedoch über das Experimentierstadium nicht hinaus. Die Vorgehensweise ist dabei immer gleich: Nach einer überschlägigen Berechnung wird ein Modell gebaut. Anhand von Versuchsdaten werden dann die Berechnungsmodelle an die Technik angepaßt, und mit Hilfe einer solchen Modellrechnung werden Optimierungen für die Endausführung der Maschine durchgeführt.

Heute beschränkt man sich daher auf Anwendungsgebiete, in denen Energie dezentral kostengünstig zur Verfügung steht, wie z. B. bei einem neuen Motor der Saarbergwerke, der mit Grubengas betrieben wird. Der Motor hat Mitte des Jahres den Betrieb aufgenommen und kürzlich erfolgreich die Erprobungsphase beendet. Weitere Motoren gleichen Typs sollen nun an anderen Standorten von Ruhrkohle-Tochterunternehmen eingesetzt werden.

Intensiviert werden die seit kurzem möglichen Rechnersimulationsverfahren, um bereits in der Grundauslegung eines Stirlingmotors über präzise Daten zu Form und Dimensionierung der einzelnen Motorkomponenten verfügen zu können.

Eine neue Theorie stellte jüngst der aus Österreich stammende US-Wissenschaftler Prof. Theodor Finkelstein von der Stirling Associates International auf der Jahrestagung des „Europäischen Stirling Forums“ an der Fachhochschule Osnabrück vor. Danach müssen Stirlingmaschinen eine „harmonische Abstimmung der Hauptbaugruppen aufeinander haben“. Das sei zu erreichen durch „die Einführung einer thermodynamischen Mittenebene, die sich in der Mitte des Prozesses im Regeneratorteil befindet“. Ein infinitesimal kleines „Paket“ des Arbeitsmediums vom Beginn eines Arbeitszyklusses zu seinem Ende müsse immer wieder in diese gleiche Ebene zurückkehren. Aus den Randbedingungen Leistung, Arbeitsmedium und aus den Strömungsverlusten ergebe sich dann automatisch die Dimensionierung der optimalen Maschine, so Finkelstein.

Auf der Seite der praktischen Anwendungen wird mit den neuesten Erkenntnissen der Werkstoff- und Verfahrenstechnik an der Konstruktion und Optimierung von Stirlingmaschinen gearbeitet. Anwendungen, deren Wirtschaftlichkeit in greifbare Nähe rückt, werden neben der genannten Grubengasmaschine unter anderem bei der Erzeugung von Solarstrom erprobt. Dort ist das Erhitzerteil eines Stirlingmotors im Brennpunkt eines Parabolspiegels angeordnet.

Blockheizkraftwerke (BHKW) bieten ein weiteres Anwendungsfeld. Dort ist die Erzeugung von elektrischer Energie durch ein mit Erdgas betriebenes Stirling-BHKW als Ersatz für eine konventionelle Gasheizanlage möglich.

Als ein besonderes Bonbon gilt ein Gußteile-Satz des Ingenieurbüros Viebach. Aus den Teilen entsteht mit relativ geringem Aufwand ein Stirlingmotor mit 0,5 kW für ein privates BHKW im Einfamilienhaus. Neben der Erzeugung von Heizwärme läßt sich so die Grundversorgung eines Haushaltes mit elektrischer Energie sichern. Als Energiequelle sind alle gängigen Energieträger wie Gas, Öl, Kohle oder Holz einsetzbar.