Stirlingmotor-BHKW

Stirlingmotoren sind besondere Kolbenmotoren, bei denen jedoch nicht, wie bei Otto-Motoren, die Kraft durch eine schnelle Verbrennung (Explosion) eines Gasgemischs im Kolben erfolgt, sondern durch Erwärmung und Abkühlung eines Arbeitsgases innerhalb eines geschlossenen Systems. Die dabei entstehende Expansion bzw. Kompression des Gases treibt je nach Bauart einen oder zwei Kolben an. Im Unterschied zum Verbrennungsmotor produziert der Stirlingmotor die Wärme nicht selbst, sondern nutzt eine externe Wärmequelle. Darin liegt auch sein größter Vorteil, denn es ist unerheblich woher die Wärme stammt. So können sowohl fossile Energieträger wie Öl und Gas als auch regenerative Energieträger wie Sonnenenergie, thermisch nutzbare Abwärme oder Erdwärme genutzt werden. Stirlingmotoren arbeiten leise, vibrations- und wartungsarm und besitzen einen hohen Gesamtwirkungsgrad von bis zu rund 95 Prozent, wobei der elektrische Wirkungsgrad lediglich 15 bis 25 Prozent beträgt, die thermische Ausbeute liegt also wesentlich höher.

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Funktionsweise

Stirlingmotoren sind Wärmekraftmaschinen, die auf dem sogenannten Stirling-Zyklus oder auch Stirling-Kreisprozess basieren. Dabei wird die Wärme einer externen Quelle in mechanische Arbeit umgewandelt. Der Motor besteht aus zwei miteinander verbundenen Zylindern, die mit einem Arbeitsgas (Luft, Wasserstoff oder ein anderes Gas) gefüllt sind; einem Heiß- und einem Kaltzylinder. Im Heißzylinder wird das Gas erhitzt, wobei es expandiert und sich der Druck im Heißzylinder erhöht. Dadurch wird ein Kolben angetrieben, der wiederum eine Kurbelwelle antreibt, die gleichzeitig mit dem (bei der Grundversion im Winkel von 90° angeordneten) Kaltzylinder verbunden ist. Das expandierte Gas wird in den Kaltzylinder gezogen und kühlt dort ab. Durch die Abkühlung verengt sich das Gas wieder, der Druck im Kaltzylinder sinkt, wodurch der Kolben zurückbewegt wird. Das führt dazu, dass das Gas wieder in den Heißzylinder verschoben wird, wo es sich erneut erhitzt – und der Zyklus von vorn beginnt.

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Vor- und Nachteile

Wie sinnvoll der Einsatz von Stirlingmotoren ist, hängt sehr von den jeweiligen Anforderungen ab. Besonders bei kleineren Ein- oder Zweifamilienhäusern kann sich eher die Anschaffung eines Brennstoffzellengeräts lohnen, da hier die thermische und elektrische Ausbeute meist besser zum Nutzungsprofil passt. Vor dem Kauf sollten also unbedingt Fachleute aus der Energiebranche konsultiert werden, um die Vor- und Nachteile im individuellen Fall abzuwägen.

Vorteile

• Energie aus Verbrennung, aber auch etwa aus Solarthermie kann in Wärme und Strom umgewandelt werden
• Motoren arbeiten leise und sind besonders laufruhig
• Durch einfachen Aufbau wartungsarm und robust
• Geringe Betriebskosten im Vergleich zu einem Otto-Motor
• Unabhängig von der Art der Wärme- bzw. Hitzequelle
• Nutzung regenerativer Brennstoffe ohne Probleme möglich
• Je nach Wärmequelle emissionsarm und somit nachhaltig

• Elektrischer Wirkungsgrad des Stirlingmotors von 15 bis 25 Prozent (zum Vergleich: Brennstoffzellenheizgerät 34 bis 60 Prozent)
• Wirkungsgrad liegt unter dem eines Verbrennungsmotors (mit innerer Verbrennung)
• Die Leistung ist nur langsam regelbar (Trägheit)
• Relativ hoher Anschaffungspreis
• geringe Verbreitung und Verfügbarkeit

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Entwicklung des Stirlingmotors
Dampfmaschinen gab es bereits seit Anfang des 18. Jahrhunderts, doch die hohen Drücke und der heiße Wasserdampf verursachten immer wieder Unfälle. Das veranlasste den schottischen Theologen Robert Stirling, an einer alternativen, sichereren Antriebsmaschine zu forschen. Im Jahr 1816 – im Alter von gerade einmal 26 Jahren – meldet er seine „Wärmekraftmaschine“ zum Patent an. Sie wurde seitdem immer weiterentwickelt, jedoch war sie für den Einsatz in Automobilen aufgrund ihrer Trägheit ungeeignet. Für den Einsatz in Blockheizkraftwerken ergaben sich jedoch spannende Anwendungsmöglichkeiten. Moderne Geräte arbeiten im Gegensatz zu den gekoppelten Kolben mit Lineargeneratoren.

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