Stirlingmotor

Der Stirlingmotor stellt sich vor

| Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Ullrich Höltkemeier / Ute Drescher

Ein klassischer liegender Stirlingmotor. Der „In-Line Runner“ ist der Einstieg in die faszinierende Welt der Böhm-Stirlingmotoren.
Ein klassischer liegender Stirlingmotor. Der „In-Line Runner“ ist der Einstieg in die faszinierende Welt der Böhm-Stirlingmotoren. (Bild: Böhm Stirling-Technik)

Der Stirlingmotor geriet ins Abseits, als Otto- und Dieselmotoren aufkamen. Für eine Renaissance der Wärmemotoren könnten neue Anwendungen sorgen.

Der erste Stirlingmotor wurde 1816 vom schottischen Geistlichen Robert Stirling zum Patent angemeldet. Die erste Maschine arbeitete als Wasserpumpe zur Entwässerung eines Steinbruchs in Schottland. Zu dieser Zeit waren Kesselexplosionen bei Dampfmaschinen relativ häufig. Stirling wollte die Arbeit in den Steinbrüchen und Kohlengruben sicherer machen. Neben der wesentlich verbesserten Sicherheit spielte auch der geringere Brennstoffverbrauch der Stirlingmotoren gegenüber den Dampfmaschinen eine Rolle bei der Entwicklung der neuen Technik.

Die Geschichte des Stirlingmotors

Eine erste Blüte erlebte der Stirlingmotor am Ende des 19. Jahrhunderts als Einzelenergiequelle in den Privathaushalten des aufkommenden Bürgertums. In für damalige Verhältnisse kleinen Ausführungen war er ein Massenprodukt des Fabrikanten Louis Heinrici und stellte ungefähr das Pendant zu unseren heutigen Elektromotoren dar.

Eine Weiterentwicklung erlebte der Stirlingmotor in den 1930er Jahren durch die niederländische Firma Philips. Das Unternehmen baute in dieser Zeit große Mengen Radios für den Export und suchte nach einer leicht zu bedienenden transportablen Kraftmaschine für die Stromversorgung der energieintensiven Elektronenröhren in Gegenden ohne Versorgung mit elektrischer Energie. In diesem Zusammenhang entwickelte man den Philips-Stirlingmotor, einen Motor mit einem Zylinder und zwei Kolben auf einer gemeinsamen Kurbelwelle.

Durch den Zweiten Weltkrieg wurde die Entwicklung unterbrochen. Ab Mitte des vergangenen Jahrhunderts stellte sich die Frage der Energieversorgung von Radios durch den Einsatz der ersten Transistoren nicht mehr. Dafür forschten diverse Industrieunternehmen weiter am Stirlingmotor als Schiffs- und Automobilantrieb sowie wegen der Vielstofftauglichkeit im militärischen Bereich.

Ab etwa 1975 gewann der Stirlingmotor dann an Bedeutung im Zusammenhang mit Blockheizkraftwerken (BHKW) und Kraft-Wärme-Kopplung. In Kleinst-BHKW kommt dabei auch die besondere Bauform des Stirling-Freikolbenmotors, verblockt mit einem Lineargenerator, zum Einsatz.

So funktioniert der Stirlingmotor

Beim Stirlingmotor wird an einer Stelle Wärme zugeführt (Erhitzer) und an einer anderen Stelle Wärme abgeführt (Kühler). Das dicht eingeschlossene Arbeitsgas wird durch einen Verdränger abwechselnd auf die heiße und auf die kalte Seite geschoben. Durch die so entstehende Temperaturschwankung des Arbeitsgases dehnt es sich aus und zieht sich wieder zusammen. Die dabei entstehende Druckschwankung treibt über einen Arbeitskolben eine Kurbelwelle an. Es entsteht mechanische Energie zum Antrieb von allerlei Geräten. Als Arbeitsgas wird Helium unter einem Druck von 100 bar (bei rund 650°C) eingesetzt.

Der Stirlingmotor – besser als Dieselmotoren?

Der Stirlingmotor bietet eine Reihe von Vorteilen. Bei der stetigen äußeren Verbrennung entstehen weniger Schadstoffe als bei der schwer beherrschbaren Verbrennung im Benzin- oder Dieselmotor. Außerdem läuft der Motor relativ leise. Da im Inneren nichts verbrennt, bilden sich auch keine Ablagerungen. Das gewährleistet eine sehr hohe Lebensdauer.

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Interessant auch, dass sich mit dem Stirlingmotor Solarenergie in mechanische und elektrische Energie umsetzen lässt. Gleichzeitig arbeiten die Motoren fast lautlos und vor allem erschütterungsfrei. Dadurch wiederum erhöht sich die Lebensdauer um ein Beträchtliches.

Erfahrungen aus fast 200 Jahren haben gezeigt, dass der Wirkungsgrad zumindest gleich, meist jedoch höher ist als bei den besten Dieselmotoren. Die Wirkungsgrade könnten sich in Zukunft dank neuer Werkstoffe wie beispielsweise Keramik weiter steigern lassen.

Angesichts dieser Vorteile erhebt sich die Frage, warum diese Form der Energieumwandlung nicht schon längst technisch genutzt wird, und auch auf wirtschaftlichem Gebiet.

Wenn man bei kleiner Baugröße und geringem Gewicht mit einem Stirlingmotor hohe Leistungen erzielen will, muss man das Arbeitsgas unter hohen Druck von rund 150 bar setzen. Wasserstoff oder Helium als Arbeitsgas verwenden und mit 3000 min/1 bis 4000 min/1 relativ hohe Drehzahlen erreichen. Die dabei auftretenden Schwierigkeiten sind zum einen trockenlaufende Lager und Dichtungen. Weitere Schwierigkeiten liegen im Material für den Erhitzer, also den geschlossenen Gasbehälter, der bei Temperaturen bis zu 88°C hitze- und druckbeständig sein muss.

Hilfe vom Kunststofflager-Spezialisten Igus: Durch den Einsatz von Kunstoffgleitlagern konnte ein ölfreier Betrieb des Stirlingmotors gewährleistet werden. Sowohl die Axiallagerung der Verdrängergestänge als auch die Gleitbeläge des Kolbens und sogar die Kolbenringe wurden aus dem Werktstoff Iglidur W300 gefertigt. Auf Dichtungen konnte somit völlig verzichtet werden.

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Anwendungen des Stirlingmotors

Immer wieder wird dem Stirlingmotor, bzw. dem Prinzip, nachgesagt, er sei der Motoren der Zukunft. Auf breiter Front hat sich der Stirlingmotor aber noch nicht durchgesetzt. Trotzdem wurden verschiedene Anwendungen realisiert.

  • Direkte Umwandlung von Solarenergie in mechanische Energie (Solar-Stirling).
  • Kleine, dezentrale Blockheizkraftwerke zur nachhaltigen Erzeugung von Elektrizität und Heizwärme, beispielsweise in der Geothermie und mit Sonnenenergie. Erhältliche Produkte erzeugen aus Holzpellets 20 % elektrischen Strom und 70 % Wärme.
  • Bei U-Booten wird der Stirlingmotor als luftunabhängiger Antrieb eingesetzt, zum Beispiel bei der Gotland-Klasse der schwedischen Marine.
  • Stirling-Kältemaschinen für Computer mit supraleitender Elektronik, Infrarotsensoren, Wasserstoff- und Erdgasverflüssigung, Kühl- und Gefriergeräte, sowie zur Klimatisierung von Bürokomplexen und für industrielle Verfahrensprozesse.

Stirlingmotoren für das Weltall und Entwicklungsländer

Für zukünftige Raumfahrtprojekte will die Nasa einen Generator mit radioaktiven Wärmequellen (z. B. Plutonium-238) entwickelt. Das als ASRG (Advanced Stirling Radioisotope Generator) bezeichnete Aggregat zur Energieversorgung von Satelliten soll gegenüber herkömmlichen Radioisotopengeneratoren einen bis zu viermal höheren Wirkungsgrad haben, was Gewicht und Kosten spart, da weniger Plutonium mitgeführt werden muss.

Darüber hinaus wird daran gearbeitet, Stirlingmotoren als Wasserpumpen in der Dritten Welt einzusetzen, wobei als Wärmequelle nicht oder wenig konzentrierte Sonneneinstrahlung verwendet wird. Es wurden verschiedene Modelle getestet, der Wirkungsgrad der Maschinen wurde mit 10-13 % angegeben, 5 % für die ganze Solarpumpe. Der große Vorteil gegenüber Dieselmotoren wäre der wesentlich geringere Unterhalts- und Wartungsaufwand.

BUCHTIPPDas Buch „Praxishandbuch Antriebsauslegung“ hilft bei der Auswahl der wesentlichen Bestandteile elektrischer Antriebssysteme: Motor, Getriebe, Stellgerät, Netzversorgung sowie deren Zusatzkomponenten. Auch auf die Berechnung wird intensiv eingegangen.

Stirlingmotor beflügelt Solarkraftwerke

Das US-Unternehmen Stirling Energy Systems (SES) hat seine Sun-Catcher-Technologie weiter verbessert. Durch Kombination eines parabolischen Sonnenlichtkonzentrators (Dish) mit einem Stirling-Motor soll thermische Energie zunächst in mechanische und schließlich in elektrische Energie umgewandelt. Das frei skalierbare Dish-Stirling-System soll ohne viel Aufwand installierbar sein und ein Leistungspotenzial von 25 kW pro Einheit aufweisen. Dieses für Demonstrationszwecke gebaute Kraftwerk wird aus 60 Sun-Catcher-Einheiten bestehen und eine Leistungskapazität von 1,5 MW haben.

Automobil-Bausatz: Stirlingmotor dreht auf 2500 min-1

Gottlieb Daimler würde staunen: 2500 min-1 und drei Gänge, das mit Stirlingmotor betriebene, voll funktionsfähige Automobil gibt es als Bausatz wie auch als Fertigmodell.

Das voll funktionsfähige und fahrtüchtige Luxusmodell – 16 cm lang, 13 cm hoch und 9 cm breit – besticht durch hochpräzise Einzelteile. Alle 102 Teile des Bausatzes wurden nicht gegossen, sondern von Hand in einer kleinen Manufaktur in Deutschland aus Aluminium, Edelstahl und Messing gedreht und gefräst.

Der Antrieb? Alles nur heiße Luft: Der Stirlingmotor HB 11 läuft bei einer Drehzahl von bis zu 2500 min-1 mit einer „Tankfüllung“ über eine halbe Stunde. Das Auto ist 360° lenkbar und hat drei verschiedene Gänge (Geschwindigkeitsstufen). Die langsame Geschwindigkeit eignet sich für das repräsentative Fahren auf dem Tisch, die mittlere und schnelle Geschwindigkeit für den Bodenbetrieb. Eine Anhängerkupplung für spätere Erweiterungen ist bereits vorhanden.

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Lokomotive mit Stirlingmotor

Nach zahlreichen Hightech-Modellen mit stationärem Stirlingmotor und drei selbst fahrenden Automodellen mit dieser bewährten Antriebstechnik gibt es jetzt die erste Lokomotive von Böhm Stirling-Technik. Die Rocket L1 fährt auf allen gängigen Modellbahn-Gleisen mit 45 mm Spurweite (Spur I und Gartenbahnanlagen). Sie ist eine Hommage an die legendäre Lokomotive Rocket von Robert Stephenson, die vor 184 Jahren erstmals im Einsatz war. Angetrieben wird das 20 cm lange Modell von einem Stirlingmotor und einem kleinen Spiritusbrenner. Die Rocket L1 wiegt 900 g und besteht fast ausschließlich aus Aluminium, Messing und Edelstahl.

Alternative zu konventionellen Heizsystemen

Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist eine Alternative zu konventionellen Heizsystemen. Während ein Gas-Heizkessel Wärme produziert, wird mit einem Mikro-KWK gleichzeitig Wärme und Strom erzeugt.

Beispielsweise die Viessmann Mikro-KWK-Geräte haben die kompakten Abmessungen eines Wandgeräts und lassen sich im Zuge der Modernisierung leicht gegen den alten Kessel austauschen. In diesen-Geräten übernimmt ein Stirlingmotor die Stromerzeugung. Er wird von einem Gasbrenner betrieben. Bei der Stromerzeugung entstehen im Stirlingmotor Temperaturen von ca. 500 °C. Genügend Wärme also, um – quasi nebenbei – Energie für Heizung und Trinkwassererwärmung zu erzeugen.

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Der Motor der Viessmann Mikro-KWK-Geräte ist hermetisch geschlossen und besonders leise. Auch einer Montage in Wohnraumnähe steht nichts entgegen. In ihm arbeiten zwei Kolben, deren Bewegung in Strom umgesetzt wird. Die Abwärme, die bei diesem Prozess entsteht, steht für die Heizung zur Verfügung. Mit einem Gesamtwirkungsgrad von 96 % ist die Energieausbeute des Stirling-Motors äußerst effektiv.

Die Zukunft des Stirlingmotors

Aufgrund von Klima- und Gesundheitsschäden sowie der begrenzten Lagerstätten von Erdgas, Erdöl, Kohle und Uran wird in Zukunft die Umwandlung von Primärenergie in Energieformen, die wir tagtäglich brauchen, eine immer größere Rolle spielen. Stirlingmotoren sind wie kein anderer Energiewandler in der Lage, Solarenergie und nachwachsende Brennstoffe emissionsarm und klimaneutral für unsere Zwecke umzuwandeln. Dabei werden sie sich zuerst dort durchsetzen, wo sie mit herkömmlichen Otto- und Dieselmotoren nicht in Konkurrenz stehen.

Trotz der vielen Vorteile von Stirlingmotoren hat der zivile Markt aber nichts anzubieten. Vielleicht liegt es auch an dem geringen Bekanntheitsgrad. Die meisten kennen den Stirlingmotor nicht, da er in der Ausbildung, wenn überhaupt, nur am Rande erwähnt wird.

Doch die nächste Energiekrise kommt bestimmt und dann wird auch der Stirlingmotor wieder seine Chance haben.

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Stirlingmotoren von Böhm direkt vom Hersteller

Buchtipp: Frank Schleder: Stirlingmotoren: Thermodynamische Grundlagen, Kreisprozessrechnung und Niedertemperatur- und Freikolbenmotoren, Vogel Business Media; Februar 2011

* Dipl.-Ing. Ullrich Höltkemeier ist freier Autor, Estenfeld.

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