Stirling Motor: Funktionsweise, Anwendungen und Vorteile

Aus Wärme Energie gewinnen? Genau das funktioniert mit dem Stirlingmotor. Die Wärmekraftmaschine wird deswegen vor allem bei Blockheizkraftwerken eingesetzt. Die wichtigsten Informationen über Aufbau, Funktion und Anwendungen im Überblick.

Das Wichtigste in Kürze

• Der Stirlingmotor wandelt thermische Energie in elektrische Energie um. Als Gas kann zum Beispiel Luft verwendet werden.

• Die Abwärme der Wärmekraftmaschine kann als Wärmequelle zum Heizen genutzt werden.

• Anwendung findet der Motor unter anderem als Antrieb eines Blockheizkraftwerks.

Was ist ein Stirlingmotor?

Der Stirlingmotor ist eine Wärmekraftmaschine, die durch zugeführte Wärme Energie erzeugt. Im Gegensatz zu anderen weitverbreiteten Verbrennungsmotoren muss dabei im Stirlingmotor das Arbeitsgas nicht ständig ausgetauscht werden. Das Gas verbleibt stattdessen in den Zylindern.

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Der Stirlingmotor ist keine moderne Erfindung. Bereits 1816 wurde der Motortyp von dem Schotten Robert Stirling erfunden. Stirling wollte mit dem abgeschlossenen Arbeitsgas eine Alternative zu den damals aufkommenden Dampfmaschinen erschaffen und damit die hohe Unfallgefahr reduzieren.

Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung benötigen meistens Brennstoffe wie Gas oder Öl. Dies ist beim Stirlingmotor nicht der Fall. Die für den Antrieb nötige Wärme wird hier von außen hinzugeführt. Als Wärmequelle kommt dafür eine Vielzahl an Möglichkeiten infrage, wodurch die Wärmekraftmaschine insbesondere auch als umweltfreundliche Heiz- und Energiemaschine wie etwa im Blockheizkraftwerk (BHKW) eingesetzt werden kann.

So funktioniert der Stirlingmotor

Die Funktion des Stirlingmotors beruht auf einem an sich einfachen Prinzip: In einer in sich geschlossenen Kammer, dem Zylinder, befinden sich unterschiedliche Arbeitskolben und ein Gas als Arbeitsgas. Als Gas kommt beispielsweise Luft, Wasserstoff oder ein anderes Gas in Betracht. Aus diesem Grund wird der Stirlingmotor auch Heißgas- oder Heißluftmotor genannt.

An einer Stelle des Motors wird nun das Arbeitsgas durch eine externe Wärmezufuhr erwärmt. An einer anderen Stelle wiederum wird das Gas abgekühlt. Durch die Erwärmung und Abkühlung entstandene Temperaturdifferenz verändert sich fortlaufend das Volumen des Gases. Man spricht hier auch vom sogenannten Kreisprozess mit isothermen und isochoren Zustandsänderungen des Arbeitsgases. Bereits geringe Temperaturdifferenzen reichen bei manchen Modellen aus, um den Stirlingmotor anzutreiben.

Indem das Gas sein Volumen verändert, werden die Kolben im Zylinder in Bewegung gesetzt. Je nach Art des Stirlingmotors gibt es hier unterschiedlich viele Kolben mit unterschiedlichen Funktionen. Durch die Bewegung der jeweiligen Kolben, also Arbeitskolben und Verdrängerkolben, entsteht Bewegungsenergie. Diese wird dann im Generator aufgenommen und in Strom umgewandelt.

Der Strom kann in einem Gebäude direkt genutzt werden, beispielsweise für den Betrieb der Wärmepumpe oder für den Antrieb eines Blockheizkraftwerks. Außerdem ist es beim Stirlingmotor auch möglich, die beim Betrieb entstehende Abwärme zu nutzen, etwa zum Erwärmen von Heizungswasser.

Kreisprozess im Stirlingmotor nur im Idealzustand

Der Stirlingmotor bildet im Betrieb den sogenannten Stirling-Kreisprozess nach. Dieser Prozess beschreibt die theoretischen isothermen und isochoren Zustandsänderungen des Arbeitsgases im Zylinder des Motors und die damit ausgelöste Bewegung der Arbeitskolben. Die isotherme Expansion im Kreisprozess gilt allerdings nur für den theoretischen Idealzustand. In der Praxis wird aufgrund der hohen Drehzahl nur eine adiabate Expansion realisiert.

Stirlingmotor: Diese Arten gibt es

Den Stirlingmotor gibt es in unterschiedlichen Ausführungen mit unterschiedlichem Aufbau der Kolben. Bekannt sind dabei vor allem diese Typen:

• Alpha-Typ: Im Stirlingmotor des Typs Alpha gibt es zwei Arbeitskolben, die gemeinsam um 90 bis 170 Grad versetzt auf eine gemeinsame Kurbelwelle wirken. Die Arbeitskolben sind dabei in zwei separaten Zylindern eingebaut.

• Beta-Typ: Die beiden Kolben befinden sich in einem Zylinder. Ein Kolben dient als Arbeitskolben, der andere Kolben als Verdrängerkolben, die beide auf die Kurbelwelle wirken. Die Kurbelwelle wiederum ist mit einem Schwungrad versehen, das dadurch in Bewegung versetzt wird. Dank seiner Massenträgheit dreht sich das Schwungrad weiter. Der Verdrängerkolben kann bei kleinen Leistungen auch als Regenerator dienen.

• Gamma-Typ: Arbeitskolben und Verdrängerkolben sind in unterschiedlichen Zylindern untergebracht.

• Alphagamma-Typ: Kombination aus den Typen Alpha und Gamma.

Anwendungsbereiche der Wärmekraftmaschine

Der Stirlingmotor hat sich heute gegenüber anderen Arten von Antriebsmaschinen wie Dampfmaschinen oder Verbrennungsmotoren nicht wirklich durchgesetzt. Das liegt unter anderem daran, dass der Wirkungsgrad bei der Wärmekraftmaschine niedriger als bei herkömmlichen Motoren mit Verbrennung ist. Der Stirlingmotor erreicht einen wärmeseitigen Wirkungsgrad von etwa 66 Prozent.

Dennoch findet der Stirlingmotor zumindest in einigen Bereichen eine effiziente Anwendung:

Blockheizkraftwerk

Die Funktion des Stirlingmotors eignet sich gut zur Anwendung in einem Blockheizkraftwerk. Bei einem Blockheizkraftwerk handelt es sich um eine modular aufgebaute Maschine, mit der – im besten Fall direkt vor Ort – sowohl elektrische Energie als auch Wärme gewonnen werden kann. 

Ein BHKW funktioniert dabei nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung. Als Antrieb für das Blockheizkraftwerk können herkömmliche Verbrennungsmotoren, aber auch andere Motoren wie der Stirlingmotor verwendet werden.

Auch wenn Blockheizkraftwerke, die mit Verbrennungsmotoren angetrieben werden, einen höheren Wirkungsgrad erreichen, so lohnt sich der Stirlingmotor für ein BHKW. Denn der Stirlingmotor kann von einer Vielzahl von Brennstoffen bzw. Wärmequellen versorgt werden, darunter auch durch erneuerbare Energien. Außerdem arbeiten BHKWs mit Stirlingmotor besonders ruhig.

Erneuerbare Energien

Ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich in der Zukunft könnte für den Stirlingmotor die Gewinnung von erneuerbaren Energien durch sogenannte Solarreflektor-Stirling-Anlagen sein. Dabei wird die Sonneneinstrahlung durch einen parabolischen Solarreflektor gebündelt und mit dessen Wärmezufuhr ein Arbeitsgas erhitzt. Dieses treibt anschließend den Stirlingmotor an und es wird elektrische Energie erzeugt.

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Der Wirkungsgrad von Solarreflektor-Stirling-Anlagen ist höher als bei Photovoltaikanlagen. Gerade in Zeiten, in denen dringend mehr erneuerbare Energiequellen ausgebaut werden müssen, stellt die Stromgewinnung durch die Solar-Stirling-Kombination deswegen eine große Chance dar.

Vorteile und Nachteile des Stirlingmotors

Der größte Nutzen des Stirlingmotors ist die Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie, wodurch die Wärmeenergie sinnvoll genutzt werden kann. Weitere Vorteile der Wärmekraftmaschine liegen unter anderem in den vielfältigen Möglichkeiten bei der Wärmezufuhr. Neben den fossilen Brennstoffen können auch erneuerbare Energien wie Solarenergie zum Antrieb der Maschine benutzt werden. Selbst Abwärme, etwa aus der Industrie, ist als Wärmequelle möglich.

Weiterhin werden durch den Stirlingmotor und seinem abgeschlossenen Betrieb auch keine Abgase ausgestoßen, anders als etwa beim klassischen Ottomotor. Dazu kommen Vorteile wie eine lange Laufzeit, ein geringer Wartungsaufbau, eine einfache Montage und ein sehr ruhiger Betrieb.

Allerdings hat der Stirlingmotor auch einige Nachteile:

• Der technische Aufbau und die Leistung ermöglichen nur einen niedrigeren Wirkungsgrad als bei herkömmlichen Motoren mit innerer Verbrennung. Auch in der Anwendung im BHKW bleibt der Wirkungsgrad niedriger als mit anderen Antrieben.

• Die abgebende Leistung der Wärmekraftmaschine lässt sich nicht so schnell dem jeweiligen Bedarf anpassen.

• hohe Kosten für Stirlingmotoren, etwa in Blockheizkraftwerken.

Wie viel kostet ein BHKW mit Stirlingmotor?

Die Kosten für ein Blockheizkraftwerk mit eingebautem Stirlingmotor sind höher als bei einem BHKW mit einem anderen Antrieb. So liegen die Preise für ein BHKW mit Stirlingmotoren je nach Modell, Ausführung und Zweck bei durchschnittlich 15.000 Euro. Neuere Geräte sind teilweise auch deutlich teurer.

In der Regel lohnt sich ein BHKW mit Stirlingmotor deshalb nur für größere Wohnanlagen oder kombinierte Gewerbe- und Wohnhäuser mit einem hohen Warmwasserbedarf. Es ist eine große Anzahl an Verbrauchern notwendig, damit das Blockheizkraftwerk mit der Wärmekraftmaschine effizient arbeiten kann.