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Vergleich und Ratgeber für Dampfmaschinen-Modelle

Stirlingmotor Angebote

Wir haben nachfolgend eine Übersicht über Stirlingmotoren Angebot aufgelistet:

Die Geschichte des Stirlingmotors

Der Stirlingmotor wurde im Jahre 1816 vom schottischen Pfarrer Robert Stirling erforscht und zum Patent angemeldet. Robert Stirling (*1790 – †1890) war gerade einmal 26 Jahre alt als er nach unzähligen Versuchen und Entwicklungsschritten einen Heißluftmotor entwickelte. Das Ziel der Erfindung Robert Stirlings war es, den Wirkungsgrad der damals eingesetzten Dampfmaschinen zu verbessern und den „gefährlichen“ Wasserdampf als Arbeitsmittel durch Luft zu ersetzen. Nach der Dampfmaschine ist der Heißluftmotor die zweitälteste Wärmekraftmaschine.

Die Funktion des Stirlingmotors

Der Stirlingmotor wird auch „Heißgasmotor“ genannt – und das bietet schon eine kleine Vorahnung auf die Funktionsweise des Motors. Der Stirlingmotor besitzt einen Zylinder, in welchem sich „Arbeitsgas“ befindet. Meist ist es Luft oder Wasserstoff, es kann aber auch ein anderes Gas sein – deshalb auch die Bezeichnung „Heißgasmotor“. Der Stirlingmotor wandelt Wärmeenergie in elektrische, nutzbare Energie um.

Das funktioniert, in dem das Arbeitsgas durch eine externe Quelle erwärmt wird. Das Gas dehnt sich aus und verdrängt einen Kolben aus dem Zylinder. Durch die Verdrängung des Kolbens, mindert sich der Druck mit dem Volumen des Gases und somit auch dessen Temperatur, es kühlt ab und sinkt wieder zur Wärmequelle ab, wo der Zyklus erneut beginnt. Der Kolben treibt einen weiteren Kolben, oder aber eine Turbine an, die diese mechanische Bewegungsenergie dann in nutzbare, elektrische Energie umwandelt.

Der so entstandene Kreislauf kann dazu genutzt werden, einen Kolbenmotor oder eine Turbine konstant und kontinuierlich anzutreiben.

Unterschied zum Verbrennungsmotor: Der große Unterschied zu einem Verbrennungsmotor, wie er zum Beispiel in einem Auto vorkommt, ist, dass der Stirlingmotor eine externe Wärmequelle benötigt und nicht die Wärmeenergie selbst produziert, wie ein Verbrennungsmotor. Dadurch ergibt sich ein großer Vorteil des Stirlingmotors, er kann nämlich mit einer beliebigen, externen Wärmequelle, wie einem Verbrennungsmotor oder auch eine Solartherme, kombiniert werden, um so aus der ohnehin vorhandenen Abwärme weitere Energie zu gewinnen.

Die verschiedenen Arten des Stirlingmotors

Es gibt grundlegend drei verschiedene Arten von Stirlingmotoren, die sich auf die spezifische Bauweise beziehen.

  • Alpha-Typ (Zweizylinder-Zweikolben-Maschine)

Es laufen zwei Kolben in getrennten Zylindern, die in einem 90° Winkel angeordnet und miteinander verbunden sind. Wenn ein Zylinder gekühlt wird, wird der andere erhitzt. Die Kolben teilen sich eine Kurbelwelle und erfüllen die Arbeits- und Verdrängungsaufgaben gleichzeitig. Dieser Typ eignet sich besonders gut für mittlere, bis große Leistungsanforderungen.

  • Beta-Typ (Einzylinder Maschine)

Hierbei handelt es sich um eine einfache Einzylinder-Maschine. Der Verdränger und sein Arbeitskolben sind in demselben Zylinder untergebracht. Dieser Typ Stirlingmotor wird für kleine bis mittlere Leistungsanforderungen verwendet.

  • Gamma-Typ

Ein Gamma-Stirlingmotor ist im Grunde einem Beta-Typ sehr ähnlich. Der Arbeitskolben befindet sich jedoch in einem separaten Zylinder, wie der Verdränger (das Gas). Beide Kolben sind jedoch mit demselben Schwungrad verbunden. Das Gas in diesen beiden Zylindern kann frei fließen. Durch die sich ergebende niedrigere Kompressionsrate, findet sich dieser mechanisch einfache Stirling-Motor oft in Multizylinder-Stirlingmotoren.

Die Vorteile des Stirlingmotors

  • Kann mit jeder beliebigen, externen Wärmequelle kombiniert werden, für noch bessere Effizienz in der Energiegewinnung durch die effektive Nutzung von Abwärme.
  • Aufgrund seiner speziellen Konstruktion, ganz ohne Lager, Gelenke und Wellen, ist der Stirlingmotor nicht nur besonders leise, sondern auch sehr energieeffizient.
  • Ein Stirlingmotor ist sehr wartungsarm und langlebig, da es ein in sich geschlossenes System ist, in dem keine Fremdstoffe eindringen können – auch gibt es keine Belastungsspitzen, was zur Langlebigkeit einen erheblichen Beitrag leistet.

Die Nachteile des Stirlingmotors

  • Stirlingmotoren sind groß und schwer, was sie größtenteils nur stationär nutzbar macht.
  • Der reale Wirkungsgrad der Motoren ist abhängig vom Wirkungsgrad der Wärmeübertragung.
  • Je höher der Temperaturunterschied, desto besser – aus materialtechnischen Gründen ist es daher empfehlenswert, Stirlingmotoren nur mit günstigen Brennstoffen bzw. mit ohnehin vorhandener Abwärme zu betreiben, um die Nutzung wirtschaftlich zu halten.
  • Viel längere Auf- und Vorwärmzeit bis zum Erreichen der maximalen Effizienz im Vergleich zu zum Beispiel Dampfmaschinen.
  • Stirlingmotoren eignen sich nur für spezielle Einsatzgebiete mit konstanter Drehzahl, Leistung und Drehmoment, ein schnelles ansprechen/reagieren ist Stirlingmotoren bauartbedingt nicht möglich.

Die Zukunft des Stirlingmotors

In der Gegenwart liegt wohl auch die Zukunft der Stirlingmotoren. Besonders in Kombination mit geothermischen Blockheizkraftwerken (BHKW) werden Stirlingmotoren gerne und besonders effizient eingesetzt, um Heizwärme und Elektrizität zu erzeugen.

Ein klassischer Aufbau könnte wie folgt aussehen:

Eine Wärmequelle, wie in etwa ein Gasbrenner, wird benötigt, um den Motor anzutreiben. Zusätzlich werden ein Drehstromgenerator und ein Wärmetauscher benötigt. Der Gasbrenner erwärmt das Arbeitsgas im Stirlingmotor von außen. Ein Kolben wird dadurch nach unten gedrückt und schiebt das Arbeitsgas nach oben, wo es sich erwärmt.

Es entstehen unterschiedliche Temperaturverhältnisse, was zu einem Unterdruck führt, der den Kolben wieder nach oben saugt. So entsteht ein mechanischer Kreislauf, der sich zur Stromerzeugung nutzen lässt.

Nun kann Wasser durch einen Wärmetauscher geleitet werden, wo es sich erwärmt und in Gebäuden als Heizwasser genutzt werden kann. Oft werden Pufferspeicher in BHKWs installiert, die überschüssiges, heißes Wasser zwischenspeichern. Bei einer neuen Wassererwärmung wird von dem BHKW noch weniger Energie benötigt, da das Heizwasser bereits vorgewärmt ist.

Stirlingmotoren eignen sich auch hervorragend, um in Kombination mit Solarkraftwerken Strom zu erzeugen (Solar-Stirling).

In den U-Booten der schwedischen Marine, der Gottland-Klasse, werden Stirlingmotoren mit Dieselkraftstoff und flüssigem Sauerstoff betrieben.

Diese Nutzungsarten von Stirlingmotoren haben sich bewährt und werden auch in Zukunft eine zunehmend wichtige Rolle spielen, da sich gerade in Zeiten von Klimakrise und Rohstoffknappheit die Nutzung von ökonomischen Motoren mit hohem Wirkungsgrad anbieten.
Konkret für die Zukunft plant die NASA für zukünftige Raumfahrtprojekte einen Generator auf Stirling-Basis mit radioaktiven Wärmequellen.

Weiterführende Literatur: Quellen und interessante Links

  • Buchtipp: Frank Schleder: Stirlingmotoren: Thermodynamische Grundlagen, Kreisprozessrechnung und Niedertemperatur- und Freikolbenmotoren
  • https://www.boehm-stirling.com