Stirling: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 18. April 2008, 09:45 Uhr

Der Stirling-Motor

Zur Geschichte

Der Stirling-Motor wurde 1816 von dem Engländer Robert Stirling erfunden. Er ist damit der älteste Motor nach der Dampfmaschine. Der Stirling-Motor war zu dieser Zeit relativ weit verbreitet. Er hatte gegenüber den frühen Dampfmaschinen den Vorteil, dass er praktisch nicht explodieren konnte. Mit der Erfindung des Otto- und Dieselmotors geriet er mehr oder weniger in Vergessenheit, unteranderem da er zu dieser Zeit einfach weniger Leistung, als die anderen Motoren hatte.

Um 1940 begann der Niederländische Konzern Philips verstärkt im Bereich der Heißgasmotoren zu forschen. Trotz vieler Patente auf diesem Gebiet kam es nie zu größeren Serienproduktionen und auch heute zeigt der Konzern kein Interesse daran. Während der Ölkrise in den 70gern entwickelte die Firma Ford ein Auto mit einem Stirling-Motor es kam aber nie auf den Markt.

Obwohl Leistungsfähige Prototypen in den Labors vieler Firmen und Institute stehen, fristet der Stirling-Motor ein Schattendasein. Serienproduktionen gibt es nur in einem Bereich: kleine Modelle.

Das Physikalische Prinzip

...ist einfach aber genial. Wenn man ein Gas erhitzt dehnt es sich aus und wenn man es abkühlt zieht es sich zusammen. Wenn sich dieses Gas in einem Zylinder mit einem Kolben befindet drückt es den Kolben beim Erhitzten heraus und zieht in beim abkühlen wieder hinein. Schon wäre ein Motor erschaffen. Es ist aber technisch gesehen sehr ungeschickt eine Stelle abwechselnd zu kühlen und zu erwärmen. Deshalb werden durch 1 Kolben 2 Arbeitsräume voneinander getrennt. Nun wird an einer Stelle ständig gekühlt und an der anderen ständig erwärmt. Damit das Gas zwischen den beiden Arbeitsräumen zirkulieren kann braucht man noch einen zweiten Kolben, der sich phasenverschoben zum ersten bewegen muss. Es ist möglich, dass sich beide Kolben in einem oder zwei Zylindern befinden.

Das Arbeitsgas durchläuft also nacheinander folgen Phasen (Stirling-Prozess):

1.) erhitzen Das Gas wird Arbeitsraum 1 erhitzt = es dehnt sich aus und verrichtet mechanische Arbeit und bewegt sich dabei zum Teil schon in den Arbeitsraum 2.

2.) ausdehnen Die Wärmezufuhr wird unterbrochen (das Gas in Arbeitsraum 2) das Gas verrichtet weiterhin Arbeit nun aber auf Kosten seiner inneren Energie = es kühlt ab. Die in Schritt 1. zugeführte Wärme wurde bis jetzt (wenn man Strahlung, Reibung usw. vernachlässigt) vollständig in Arbeit umgewandelt.

3.) kühlen Der Kolben in Arbeitsraum 2 presst mit Teilen, der eben gewonnen Energie, das Arbeitsgas zusammen. Diese Energie, die sich in Wärme umwandelt, geht verloren = wird „weggekühlt“.

4.) komprimieren Durch die Kühlung entsteht ein Unterdruck der Kolben wird ganz in Arbeitsraum 2 hineingezogen. Das Gas bewegt sich dabei zurück in Arbeitsraum 1.

Der Hauptunterschied zu Otto, Diesel und Co besteht darin, dass die Wärme nicht bei einer explosiven Verbrennung von Treibstoff im Zylinder erzeugt wird sondern die Wärme von außen zugeführt wird. Daher wird das Gas im Motor auch nicht verbraucht.

Der Wirkungsgrad

Der Französische Ingenieur Sadi Carnot (1796-1832) erkannte, dass bei periodischen Wärmekraftmaschinen immer ein Teil der Energie verloren gehen muss - auch wenn idealisierte Bedingungen annimmt (keine Reibung usw.) man aber den Maximalen Wirkungsgrad bei einem bestimmten Kreisprozess erreicht (Carnot-Prozess). Der Stirling-Prozess erreicht am ehesten den idealen Carnot-Prozess. Somit sind Stirling-Motoren theoretisch in der Lage den höchsten Wirkungsgrad aller Wärmekraftmaschinen zu erreichen. Aus dem Carnot-Prozess leitet sich eine Formel für den Wirkungsgrad ab (Reibung usw. wird vernachlässigt):

h=1 - (T1 / T2)

h steht für den Wirkungsgrad, T1 die Temperatur mit der gekühlt wird und T2 die Temperatur mit der erwärmt wird (in °K).

Aus dieser Formel ergibt sich das der Wirkungsgrad steigt wenn die Differenz aus T1 und T2 größer wird. Tatsächlich ist es so, dass heutige Heißgasmotoren ihre Abeitsgase mit bis zu 750°C erwärmen. Diese Motoren übertreffen in der Tat mit ca. 45% den Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren wie Diesel und Otto. Es sind übrigens noch höhere Temperaturen in Planung.

Natürlich spielen unerwünschte Dinge wie Reibung und Abwärme auch beim Stirling-Motor eine Rolle. Diese zu reduzieren versucht man bei allen Maschinen. Es gib beim Stirling-Motor allerdings noch etwas anderes das zum Wirkungsgrad beiträgt. Der Regenerator. Als Regenerator könnte zum Beispiel ein Drahtgeflecht dienen, dass an der Stelle angebracht ist wo das Arbeitsgas von einem Arbeitsraum in den Anderen strömt. Wenn das Gas vom heißen in den kalten Bereich kommt gibt es Wärme an den Draht ab und tritt dann schon leicht gekühlt in den kalten Bereich ein. Wenn es kalt wieder in den warmen Bereich zurückströmt nimmt es die Energie wieder auf um muss nicht mehr ganz so stark erhitzt werden. So wird Energie gespart und die Effizienz gesteigert.

Die Vorteile

...liegen auf der Hand. Mit dem Stirling-Motor kann man jede beliebige Wärmequelle zur Energiegewinnung nutzen von allen Verbrennungsarten (nicht nur Öl und Kohle) über Solare Energie und die Abwärme von Industrieanlagen bis zu Erdwärme (Heiße Quellen...). Er hat, wie oben ausgeführt, den höchsten Wirkungsgrad aller Wärmekraftmaschienen. Wenn man einen Rohstoff als Wärmequelle nutzt so produziert dieser, da er nicht explosionsartig verbrannt wird viel weniger Schadstoffe wie z.B. Kohlenstoffmonooxid. Deshalb hat er auch einen viel ruhigeren und leiseren Lauf als die andren Verbrennungsmotoren. Außerdem haben Stirling-Motoren weniger Verschleißerscheinungen als die andren und sind auch wegen ihres einfachen Grundprinzips weniger von Ausfällen.

Nachteile

Die Kosten für einen leistungsfähigen Stirling-Motor sind noch relativ hoch, dies sollte aber durch hoffentlich baldige Serienproduktionen verbessert werden. Das Verhältnis Watt/kg ist auch noch relativ hoch, daran wird natürlich gearbeitet. Sie können leider nicht sofort „anspringen“ wie man es von Autos gewöhnt ist sondern brauchen mindestens ca. 30s bis das Gas heiß ist.

Gegenwart und Zukunft

Stirling-Motoren sind momentan noch kaum im Einsatz. Weltweit gib aber viele Forschungsprojekte und schon viel funktionierende Prototypen. Die Möglichkeiten ihn zu nutzen sind fast unbegrenzt. Die einzige Schwachstelle ist noch der Preis.

Quellen:

- Diverse Internetseiten vor allem:

- http://www.wikipedia.de

- „Das Große Buch der Physik“

- http://www.jenni.ch