Was Sie wissen und berücksichtigen müssen, wenn Sie den Einsatz und Betrieb eines Stirlingmotors erwägen oder planen.

Verlieren Sie Ihr Vorurteil gegen den Stirlingmotor -
oder vermeiden Sie seine Überbewertung!


Die Grundlagen

Der Stirlingmotor ist eine Wärmekraftmaschine, die aus dem Temperaturgefälle des aufgeheizten Teiles der Maschine zum gekühlten Teil, mechanische Arbeit erzeugt.

Dabei wird eine in der Maschine eingeschlossene Gasmenge, die sich nicht verbraucht, im Takt der Drehzahl des Stirlingmotors aufgeheizt und wieder abgekühlt. Bei einfachen Stirlingmotoren ist dieses „Arbeitsgas“ Luft, sonst Helium oder Wasserstoff. Die durch das Aufheizen und Abkühlen im Arbeitsgas entstehenden Druckänderungen (heißes Gas dehnt sich aus, kaltes zieht sich zusammen) werden von einem Kolben, der in der Regel über ein Pleuel eine Kurbelwelle antreibt, in mechanische Arbeit umgewandelt.

Modellstirlingmotoren und Motoren mit kleiner Leistung arbeiten mit atmosphärischem Druck des Arbeitsgases. Bei Leistungsstirlingmotoren wird der Arbeitsgasdruck gesteigert. Der ST 05 G wird mit 10 bar Luft betrieben. Der Solo V 161 arbeitet mit bis zu 150 bar Helium.

Die Antriebsenergie wird dem Stirlingmotor als Wärme von außen durch die Zylinderwand des Erhitzers zugeführt. Der Teil der aufgenommenen Wärme, der bedingt durch den Wirkungsgrad der Maschine nicht in mechanische Energie umgewandelt wurde, muss vom Kühler an der kalten Seite des Stirlingmotors abgeführt werden und kann zum Warmwasser bereiten und heizen verwendet werden.

Der Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad eines Stirlingmotors ist die abgegebene mechanische Leistung geteilt durch die als Wärme aufgenommene Leistung. Der Wirkungsgrad der zur Wärmeerzeugung und Zuführung erforderlichen Maschinenteile ist in dieser Angabe nicht enthalten.

Der Wirkungsgrad ist bei Niedertemperaturstirlingmotoren 2 - 5%. High Tech Stirlingmotoren erreichen Werte von über 50% und sind mit Dieselmotoren vergleichbar.

Der Wirkungsgrad eines Stirlingmotor getriebenen Generators zur Stromerzeugung aus Biomasse, Biogas oder Sonnenwärme setzt sich aus mehreren Einzelwirkungsgraden zusammen. Es sind dabei folgende Werte möglich:

Wirkungsgrad der Feuerung zur Beheizung eines Stirlingmotors ohne Luftvorwärmung: Ein einfacher Ofen 30%. Kachelofen 50%. Heizkessel 60%. Ein für den STM optimierter Hackschnitzel- oder Pelletbrenner mit Luftvorwärmung 90%.

Beim Betrieb mit Sonnenwärme: Direkte Bestrahlung mittels Flachkollektor 50%. Parabolspiegel, der Sonne nachgeführt 90%.

Der physikalisch bedingte Thermodynamische Wirkungsgrad (Carnot), der sich aus dem Temperaturgefälle zwischen heißem und kaltem Arbeitsgas ergibt: Bei Niedertemperatur-STM im Bereich 20%. Bei STM mit einem Temperaturgefälle von 800°K und höher sind es 70%.

Thermischer Wirkungsgrad des Stirlingmotors bedingt durch Wärmeleitungs- und Wärmeverluste, des Regenerators und des Kühlers. Einfache STM 40%. High Tech STM 70% von Carnot.

Der mechanische Wirkungsgrad des Motors: Einfache Stirlingmotoren ca. 70%. High Tech STM erreichen 95%.

Am Schluss der Kette ist bei der Stromerzeugung auch der Wirkungsgrad des Generators mit zu berücksichtigen. Dabei erreicht eine KFZ Lichtmaschine im Drehzahlbereich eines einfachen Stirlingmotors mit einem Keilriemen angebaut nicht eimal den Wert von 50%.

Für die Drehzahl optimal ausgelegte Synchrongeneratoren mit hochwertigen Permanentmagneten bestückt erreichen dagegen einen Wirkungsgrad von 90% bis darüber.

Werden die Einzelwirkungsgrade zur Ermittlung des Gesammtwirkungsgrades alle multipliziert (dazu die Wirkungsgrade nicht als %Werte einsetzen, sondern 100% = 1; 10% = 0,1; 1% = 0,01), bleibt vom Energieinhalt des verfeuerten Energieträgers nicht mehr viel hochwertige elektrische Energie übrig. Wird die mit dem Kühlwasser gelieferte Wärme, es sind „Kühlwasser“-temperaturen bis 50° C möglich und auch die Wärme die noch im Abgas der Feuerung enthalten ist, zur Warmwasserbereitung und Raumheizung verwendet, wird ein energetische Wirkungsgrad von etwa 85% erreicht. Wir sprechen dann von Kraft-Wärme-Kopplung mit einem Stirlingmotor-Blockheizkraftwerk (BHKW).

Die großen Schwankungen der Einzelwirkungsgrade der Teile, die zum Betrieb eines Stirlingmotors erforderlich sind, zeigen, dass zur Erzielung eines guten Gesamtwirkungsgrades alle Teile optimal ausgelegt und aufeinander abgestimmt sein müssen.

Der Einsatz

Es ist zwar möglich, einen Stirlingmotor in einen Kachelofen oder einen vorhandenen Heizkessel einzubauen, das Ergebnis ist aber dann meistens nur bescheiden. Und noch dazu verliert der Ofen oder der Heizkessel die Bauartzulassung. Ihr Kaminkehrer macht Ihnen dann Schwierigkeiten.

Beim Einbau eines Stirlingmotors in eine bestehende Feuerung muss der Erhitzerkopf des Motors direkt über der Feuerung eingebaut sein. Grundsätzlich macht dieser Einbau aber wenig Sinn, weil der Kachelofen oder der Heizkessel immer nur kurz voll geheizt werden. Der aufgeheizte Kachelofen gibt seine Wärme langsam an den Wohnraum ab und der Heizkessel ist so ausgelegt, dass das Heizungswasser in Außentemperatur abhängigen Zeitintervallen jeweils nachgeheizt wird.

Der Stirlingmotor, der eine konstante Wärmezufuhr benötigt, würde jeweils nur kurz laufen und dann wieder stehen bleiben, wenn die Feuerung nachlässt oder ausgeht. Bei jedem Nachheizen des Kachelofens oder wenn der Heizkessel wieder einschaltet, muss der Stirlingmotor auch wieder neu gestartet werden, da er nicht von selbst anläuft.

Den Stirlingmotor in das Abgasrohr eines vorhandenen Ofens einzubauen, macht überhaupt keinen Sinn, weil das Abgas im Ofen schon so weit abgekühlt ist, dass der Erhitzerkopf des Stirlingmotors nicht mehr auf die erforderliche Temperatur von mindestens 550 ° C aufgeheizt wird.

Ähnlich verhält es sich, wenn ein Stirlingmotor mit den Abgasen eines Verbrennungsmotors oder der Abwärme von Hochtemperaturbrennstoffzellen zur Anhebung des Gesamtwirkungsgrades betrieben werden soll. Die Auspuffgase haben eine Temperatur von 500 - 600°C. Bei Brennstoffzellen ca. 450 - 500°C. Um Energie mit einem Wärmetauscher mit praktikablen Abmessungen auf das Arbeitsgas des STM mit einer Temperatur von mindestens 550°C zu übertragen, ist am Wärmetauscher ein Temperaturgefälle von 100 - 200°C erforderlich. Ein Stirlingmotor mit einer sich daraus ergebenden Arbeitsgastemperatur von „nur“ ca. 400° C hat einen geringen Wirkungsgrad.

Die Anwendung

Um aus Biomasse, in der Regel aus Holz, direkt Strom zu erzeugen, ist der Stirlingmotor die einzige Antriebsmaschine, die das ohne Nebenaggregate, wie Holzvergaser, ermöglicht. Voraussetzung ist jedoch eine optimal angepasste Feuerung, die den Stirlingmotor gleichmäßig mit guter Regelbarkeit und nur wenig festen Rückständen (Asche) in den Verbrennungsgasen beheizt.

Gut eignen sich Hackschnitzel zum Betrieb eines Stirlingmotors. Optimal ist die Befeuerung mit Holzpellets in einem speziell für den Stirlingmotor ausgelegten Pelletbrenner. Dabei sollte zur Steigerung des Brennerwirkungsgrades die Verbrennungsluft für den Pelletbrenner von den noch heißen Verbrennungsgasen, die den STM Erhitzerkopf verlassen, vorgewärmt werden.

Der Betrieb eines Niedertemperatur STMs mit Sonnenwärme ist möglich. Die erzielbare Leistung mit großflächigen Maschinen (2 qm) ist bei niedrigen Drehzahlen nur gering. Es werden etwa 30 Watt bei ca. 30 Umdrehungen/Min. erreicht. ( ca. 2% )

Mit konzentrierter Sonnenwärme, die durch der Sonne nachgeführte Hohlspiegel erzeugt wird, sind große Leistungen mit guten Wirkungsgraden erzielbar. Es werden Wirkungsgrade von knapp 30 % erreicht, die den Wirkungsgrad von Solarzellen (ca. 15 % ) erheblich übertreffen. Der Aufwand, der für die Nachführung des Spiegels getrieben werden muss, ist dabei nicht unerheblich.

Die Hohlspiegel die für diesen Einsatz zur Anwendung kommen müssen einem Brennfleck mit einem Durchmesser von nur 3 bis 5 cm erzeugen. Für den ST 05 G ist ein Hohlspiegel mit einem Durchmesser von etwa 2,4 m erforderlich. Lamellenspiegel von Solarkochern sind nicht geeignet. Diese Spiegel erzeugen einen Brennfleck von ca. 30 cm Durchmesser, der auf das verwendete Kochgeschirr abgestimmt ist. Es können Glas- oder Metallspiegel eingesetzt werden.

Das Betriebsverhalten

Im Unterschied zu Otto- oder Dieselmotoren, die sofort nach dem Starten die volle Leistung liefern, braucht der Stirlingmotor eine Aufwärm- und Anlaufzeit bis er startet und seine Nennleistung abgibt.

Diese Zeit kann bei automatisch startenden Stirlingmotor BHKWs mit Erdgasbetrieb (Solo V 161) einige Minuten betragen. Mit flüssigen Brennstoffen (Whisper-Gen) wird diese Zeit, bedingt durch den Brenner, der zum Aufbau einer sauberen Verbrennung auch eine gewisse Anlaufphase benötigt, noch etwas länger.

Mit Festbrennstoffen bei einem vollautomatisch bestriebenem STM-BHKW, mit Holzpellets befeuert, wird diese Anlaufzeit durchaus 15 - 20 Minuten betragen.

Diese Zeit resultiert aus dem Umstand, dass eine stabile Verbrennung der Pellets mit gleichzeitiger Aufheizung des Abgaswärmetauschers für die Verbrennungsluftvorwärmung herbeigeführt werden muss. Der Erhitzerkopf des Stirlingmotors wird dabei gleichzeitig auf Starttemperatur erhitzt.

Nach dem Erreichen der Starttemperatur (beim ST 05 G sind das ca. 300°C am Erhitzerkopf) kann der STM durch eine Drehung über seinen Kompressionspunkt gestartet werden.

Bei Motoren, die auf den maximalen Arbeitsgasdruck aufgeladen sind, ist dazu ein enormes Drehmoment erforderlich. Um den Startvorgang zu erleichtern, wird in der Regel der Arbeitsgasdruck zum Anlauf des Motors abgesenkt (Solo V 161) oder die Kompression wird durch ein Ventil kurzzeitig verringert.

Nach dem Anlaufen des STM steht noch nicht seine Nennleistung zur Verfügung. Durch das in den Arbeitsgasräumen und Verbindungskanälen hin-und herströmende Arbeitsgas müssen in der Anlaufphase erst alle Teile des Stirlingmotors erst auf Betriebstemperatur gebracht werden, bevor die Nennleistung erreicht wird.

Dieser Umstand bringt es auch mit sich, dass der STM nach dem Abschalten der Wärmequelle noch einige Zeit weiter läuft und Leistung abgibt. Während dieser Zeit wird die in den Teilen des Motors gespeichterte Wärme bis zum Stillstand der Maschine verbraucht.

Eine Schnellabschaltung des STM kann durch eine Verringerung des Arbeitsgasdruckes oder durch Aufhebung der Kompression herbeigeführt werden. Dabei muss natürlich zur Vermeidung von Überhitzungschäden am Erhitzerkopf gleichzeitig auch der Brenner schnell abgeschaltet werden. Bei Festbrennstoffbefeuerung kann das Probleme bereiten.

Als Direktantriebsmaschine für Fahrzeuge ist der Stirlingmotor aus diesem Grunde weniger geeignet und kann dem Otto- oder Dieselmotor kein Konkurrent sein. Stirlingmotor-elektrische Antriebe mit einer Pufferbatterie lassen sich dagegen realisieren.

Das Regelverhalten

Das Verhalten des STM bei Lastschwankungen ist anders als das von Otto- und Dieselmotoren. Bei Otto- oder Dieselmotor angetriebenen Stromerzeugern sind wir es gewöhnt, dass die weitere Zuschaltung eines Verbrauchers sehr schnell, fast ohne Flackern einer eingeschalteten Lampe, ausgeregelt wird.

Bei Motoren mit innerer Verbrennung (Otto und Diesel) wird zur Regelung in einem Bruchteil einer Sekunde die Drosselklappe des Vergasers durch einen Regler (meist ein mechanischer Fliehkraftregler) verstellt. Bei Dieselmotoren die Drosselklappe und die Einspritzpumpe. Die für die erforderliche höhere Leistung benötigte Brennstoffmenge steht dadurch dem Motor ohne Verzögerung zur Verfügung und die Lastschwankung ist sofort ausgeregelt.

Bei einfachen Stirlingmotoren wie dem ST05G wird zur Regelung nur die Brennerleistung verändert. Daraus ergibt sich durch die termische Trägheit der Maschine eine nur sehr langsame Ausregelung von Lastschwankungen.

Bei größeren Stirlingmotoren wird zusätzlich zur Verstellung der Brennerleistung der Arbeitsgasdruck in der Maschine zur Regelung mit verändert (Solo V 161). Diese Leistungsregelung arbeitet schneller, erreicht aber nicht die sehr kurzen Regelzeiten von Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung.

Stromerzeuger mit Stirlingmotoren allein sind nicht in der Lage, schnell Strom zu liefern und kurzzeitige Lastschwankungen auszuregeln. Bei Inselanlagen ist ein Batteriepuffer erforderlich. Wird ein STM BHKW im Netzverbund betrieben, sind wie auch bei einer Batteriepufferung, alle Eigenheiten des STM wie Startverhalten, Regelbarkeit und Abschaltung ohne Bedeutung.

Bei diesem Einsatz ist der Stirlingmotor wegen seiner Vielstofffähigkeit unschalgbar, d.h. er kann im Grunde mit jedem Energieträger, insbes. vor allem mit nachwachsender Biomasse CO2 neutral betrieben werden.

Die Geräuschentwicklung

Auch der Stirlingmotor verursacht Laufgeräusche. Die Lärmentwicklung ist jedoch geringer als beim Otto- und Dieselmotor. Stirlingmotoren mit größerer Leistung und bei hohem Arbeitsgasdruck sind aber auch nicht mehr leise. Das Lärmspektrum ist aber weniger störend, weil keine klopfenden Anteile wie beim Dieselmotor auftreten. Erforderliche Geräuschdämm-maßnahmen sind deshalb einfacher durchzuführen.

Auf dem Markt sind verfügbar: Fa. Solo STM -Gas BHKW 2-9 kW el, 8-24 kW th
WhisperGen aus Neuseeland Betrieb mit Diesel/Heizöl, 0,8 kW el, DC und AC, 6 kW th.


Fotos und Beschreibungen von ausgeführten Anlagen finden Sie auf der neu erschienenen
CD-ROM „Der Stirlingmotor ST 05G, die Ringinformationen als Sammelausgabe . . . . . . . . .“.
Hier ist mit Fotos auch beschrieben, wie der ST 05 G ohne die zur Zeit nicht lieferbaren Gussteile als Schweißkonstruktion gebaut werden kann. Der Prototyp wurde in dieser Bauweise erstellt.

Die von mir bisher vertriebenen Rohgussteile für den ST 05 G, sind nicht mehr lieferbar. Es wurden bisher 111 Sätze ausgeliefert. Anstelle der Gussteile kann der Motor nun aus CNC-Frästeilen aufgbaut werden, die über ve//ingenieure bezogen werden können.