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Veröffentlicht: 5. Februar 2009, Aktualisiert: Okt. 2012

Dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung mit Stirling-Motoren: Wie weit ist die Entwicklung?

Von Martin Dehli
(
Martin.Dehli@energie-fakten.de, Lebenslauf Link zur Hochschule Esslingen)

Statt einer Aktualisierung sendete der Autor den Energie-Fakten.de im Oktober '12 den Artikel
Stromerzeugende Heizung mit Stirlingmotor – Die Markterschließung hat begonnen
(pdf, rd. 4,3 MB)

KurzfassungDehli

Der Stirling-Motor ist eine Kolbenmaschine, mit der Hochtemperatur-Wärme zu einem Teil in erwünschte Arbeit umgewandelt werden kann, die sich mit einem elektrischen Generator zur Stromerzeugung nutzen lässt. Allerdings wird die Wärme nicht wie beim Otto-Motor durch eine explosionsartige Verbrennung im Motor selbst freigesetzt, sondern wird von außen einem im geschlossenen Kreislauf geführten Arbeitsmittel – zum Beispiel Helium, Stickstoff oder Luft - zugeführt. Wie beim Verbrennungsmotor oder beim Dampfkraftwerk muss derjenige Teil der Wärme, der nicht nutzbringend in wertvolle Arbeit umgewandelt wird, als Niedertemperatur-Wärme abgeführt werden. Diese kann noch z. B. zum Heizen verwendet werden, wenn ein entsprechender Bedarf vorhanden ist; ansonsten muss sie als nutzlose Abwärme der Umgebung zugeführt werden.

Kolbenmaschine mit Arbeitsgas in einem geschlossenen Kreislauf

Das Arbeitsprinzip des Stirling-Motors besteht darin, ein geschlossenes Gasvolumen zu erhitzen und dabei gleichzeitig zu entspannen sowie im Weiteren zu kühlen und dabei gleichzeitig zu komprimieren; bei diesen Schritten kann über einen Kolben – den Arbeitskolben - eine Kurbelwelle bewegt werden. Um das Arbeitsgas immer unter dem periodisch veränderlichen erwünschten Volumen zu halten, wird noch ein zweiter Kolben – der Verdrängerkolben – eingesetzt, der ebenfalls mit der Kurbelwelle verbunden ist. Bei einem abgewandelten Typ des Stirling-Motors können sich die beiden Kolben aber auch – statt mit einer Kurbelwelle gekoppelt zu sein – als Freikolben bewegen. Für die praktische Anwendung gibt es verschiedene Bauarten. Bei einer bestimmten Bauart befinden sich der Arbeitskolben und der Verdrängerkolben in einem Zylinder. Bei einer anderen Bauart werden Arbeitskolben und Verdrängerkolben in verschiedenen Zylindern geführt; die beiden Kolben sind auf der Kurbelwelle um eine Vierteldrehung gegeneinander versetzt. Das Arbeitsmittel wird bei den aufeinander folgenden Arbeitstakten durch die Baugruppen Erhitzer (für die Hochtemperatur-Wärmezufuhr von außen), Regenerator, Kühler (für die Niedertemperatur-Wärmeabfuhr) und wiederum Regenerator geschoben. Der Regenerator hat dabei die Aufgabe, abwechselnd Wärme vom Arbeitsgas aufzunehmen bzw. wieder an das Arbeitsgas abzugeben; dies verbessert den Wirkungsgrad des Stirling-Motors.

Vor- und Nachteile

Otto- und Dieselmotoren haben im Verhältnis zur Leistung ein geringeres Volumen und Gewicht als Stirling-Motoren; sie lassen sich auch besser regeln, da dort die Hochtemperatur-Wärme über die Kraftstoffverbrennung zeitgenau dosiert im Zylinderinneren freigesetzt werden kann und nicht wie beim Stirling-Motor thermisch etwas träge von außen zugeführt wird. Stirlingmotoren laufen am Besten bei konstanter Drehzahl. Auf der anderen Seite bietet der Stirling-Motor eine Reihe von Vorteilen: Bei der stetigen äußeren Verbrennung entstehen weniger Schadstoffe als bei der inneren Verbrennung im Otto- oder Dieselmotor. Außerdem läuft der Stirling-Motor vergleichsweise leise und vibrationsarm. Da im Inneren nichts verbrennt, bilden sich auch keine Ablagerungen. Dies gewährleistet eine sehr hohe Lebensdauer. Der Wartungsaufwand ist gering, da es keine Ventile und Zündeinrichtungen gibt und auch kein Ölwechsel erforderlich ist. Aus thermodynamischer Sicht hat der Stirling-Motor ein deutlich größeres Wirkungsgrad-Potenzial als Otto- und Diesel-Motor; dieser Vorzug konnte jedoch bisher noch nicht ausgeschöpft werden. Heutige Stirling-Motoren sind auf die verschiedensten Energiequellen hin ausgelegt: Technisch am einfachsten ist die Nutzung von Brenngasen hoher Qualität – also von Erdgas, Bioerdgas oder Flüssiggas. Aufwendiger, aber technisch ebenfalls machbar ist die Verfeuerung von Holz-Presslingen (Pellets), Holzhackschnitzeln oder Scheitholz. Die Übertragung der Wärme aus dem Abgasstrom einer Biomassefeuerung auf das Arbeitsgas im Stirling-Motor ist dabei die größte Herausforderung. Dabei konnten in letzter Zeit gute technische Lösungen erreicht werden. Mit dem Stirlingmotor lässt sich in Gegenden mit hoher Sonneneinstrahlung auch Solarenergie in mechanische und elektrische Energie umsetzen. Dazu werden Parabolspiegel verwendet, die eine konzentrierte Solarstrahlung mit hoher Temperatur erzeugen, mit der dem Stirling-Motor die erforderliche Hochtemperaturwärme für seinen Antrieb zugeführt wird.

Ölpreisanstieg und Klimadiskussion:
Erweckten den Stirlingmotor aus dem Dornröschenschlaf

Der Ölpreisanstieg der letzten Jahre, aber auch die aktuelle Diskussion über die globale Klimaentwicklung haben der Suche nach effizienteren Energietechniken, die zugleich vom Öl unabhängiger machen können, Auftrieb gegeben; dabei kommt u. a. auch dem Stirling-Motor Bedeutung zu. Als künftiges Einsatzgebiet des Stirling-Motors gilt der ortsfeste Einsatz: vor allem die dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) – also die energiesparende gekoppelte Erzeugung von Strom und Wärme in Kleinanlagen. Statt in Ein- und Mehrfamilienhäusern, Großgebäuden oder kleineren Gewerbebetrieben mit einem normalen Kessel nur Wärme zu erzeugen, könnte der Stirling-Motor zugleich Strom und Wärme produzieren. Damit könnte im Bestfall der Wärmebedarf voll und der Strombedarf „vor Ort“ teilweise gedeckt werden. Wenn der Wärmebedarf stark schwankt, kann der Stirling-Motor durch einen normalen Kessel ergänzt werden; dieser kann dann die Spitzen des Wärmebedarfs abdecken und dem Stirling-Motor die Grundlast bei der Wärmeversorgung überlassen, so dass dieser gleichmäßig laufen kann. Solche kleinen Stirling-Heizkraftanlagen sind von einzelnen „Pionier-Firmen“ in den letzten Jahren ausgiebig erprobt worden.

„Stromerzeugende Heizung“ mit Stirling-Motor

Die Wirtschaftlichkeit einer Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage – z. B. mit Stirling-Motor - kann nur dann erreicht werden, wenn der Wärmeverbraucher die Wärme möglichst gleichmäßig und über eine möglichst lange jährliche Laufzeit abnimmt: 4000 bis 5000 Vollbetriebsstunden im Jahr sollten mindestens erreicht werden. Eine weitere Bedingung ist ein ausreichend hoher Grundleistungs-Strombedarf. Für dezentrale Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK-Anlagen) – insbesondere auf Basis erneuerbarer Energien – werden in Deutschland zum Teil hohe Subventionierungen gewährt: Entsprechend dem novellierten Erneuerbare-Energien-Gesetz kann ab 2009 mit Vergütungen von 11,67 bis zu 20,67 Ct je Kilowattstunde ins Netz eingespeisten Stroms aus Biomasse gerechnet werden. Fachleute erwarten, dass Mikro- und Klein-KWK-Aggregate mit Stirling-Motor als „Stromerzeugende Heizung“ erheblich schneller als Brennstoffzellen-Heizgeräte auf den Markt kommen. Die Preisentwicklung bei fossilen Brennstoffen rückt dabei insbesondere Entwicklungen auf der Basis fester Biomasse in den Blickpunkt.

Weitere Informationen finden Sie in der Langfassung.

Hier können Sie Kurz- und Langfassung gemeinsam als pdf downloaden (PDF, rd. 128 kB). Dieser Beitrag wurde am 5. Februar 2009 veröffentlicht.

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