Stirlingmotoren

26 Jahre jung war der Geistliche Robert Stirling, als er 1816 eine Wärmekraftmaschine zum Patent anmeldete, an der er gemeinsam mit seinem Bruder James forschte: den Stirlingmotor. Die beiden Schotten wollten ursprünglich einen Alternativantrieb zu den damals aufkommenden Hochdruckdampfmaschinen erfinden, um die Zahl der Opfer durch Kesselexplosionen zu verringern, ohne zu ahnen, dass die Erfindung noch knapp 200 Jahre später nicht an Bedeutung verliert. Wenn mit ihr auch andere Ziele verfolgt werden: Umweltschonend Energie gewinnen.

Starke Konkurrenz
„Der Stirling hat das Problem, mit einem negativen Image behaftet zu sein“, erklärt Diplomingenieur Kuno Kübler, Lehrbeauftragter an der Hochschule München für angewandte Wissenschaften. Damals die zweitälteste Wärmekraftmaschine und bereits Jahrzehnte lang im Einsatz, brachten der Otto- und Dieselmotor die negativen Aspekte des Stirlings schnell zum Vorschein. „Es gab Materialprobleme, außerdem waren Temperaturunterschiede und Wärmeübergänge mit der damaligen Technologie noch nicht steuerbar. Deswegen wurde der Stirling immer wieder vom Markt verdrängt“, so Kübler. Zum Beispiel in den 40er Jahren: als Stromgenerator für Philips in Gebrauch, erfand man zeitgleich den Transistor. Ein Nackenschlag für den schottischen Alternativantrieb. Dennoch bleibt die Wärmekraftmaschine für Ingenieure interessant. Der Stirling ist nicht auf einen bestimmten Brennstoff festgelegt, sondern wandelt Wärmeenergie aus beliebigen Quellen in mechanische Energie um. Er hat typischerweise einen permanent erhitzten und einen permanent gekühlten Raum, zwischen denen sich ein Arbeitsgas hin und her bewegt. Dabei bleibt das Gas innerhalb des Motors und wird nicht ausgetauscht. Das Arbeitsgas wird im erwärmten Bereich ausgedehnt, im kalten zusammengedrückt und erzeugt so nutzbare mechanische Energie. In fast allen Stirlingmotoren gibt das heiße Arbeitsgas einen Teil seiner Wärmeenergie auf dem Weg zum kalten Raum an einen Regenerator ab. Dieser nimmt die Wärme auf, um sie anschließend wieder an das Gas abzugeben, wenn es vom kalten Raum zurück in den warmen geschoben wird. Was auf den ersten Blick kompliziert scheint, ist in der Umsetzung denkbar einfach: So bauen Hobbytüftler funktionsfähige Stirlingmotoren aus Bierdosen, Plastikschläuchen, Gasbrennern und anderen Alltagsgegenständen, um zum Beispiel Schwungräder zum Drehen zu bringen.

Stirling für daheim

An technischen Universitäten tüfteln angehende Ingenieure an Einsatzgebieten für den Alternativantrieb, um die Vorteile gegenüber Otto und Diesel auszukosten. Neben der Vielstofffähigkeit, die den Motor auch mittels regenerativer Energien zum Laufen bringt, ist er besonders leise und aufgrund wegfallender Ölwechsel, keinerlei Ventilen und mit nur einem Kabel angenehm wartungsarm. Der Stirling schafft es, sowohl Wärme, Strom und Bewegung zu erzeugen. Kickervereine wie der SC Freiburg nutzen diese Vielfalt, um den Rasen ihres Stadions aufwendig zu beheizen, damit es zu keinem Spielausfall aufgrund von Eis, Schnee und Glätte kommt. Der Verein setzt dabei auf die Leistung eines Erdgas betriebenen Stirlings, der das Grün vor unangenehmen Wintereinbrüchen bewahrt und gleichzeitig das Stadion mit Strom versorgt. Auch in Wohnhäusern hilft der kleine Schotte bereits beim Heizen und der Energieversorgung. Das neuseeländische Unternehmen WhisperGen hat sich auf die Umrüstung von Wohnhäusern auf ein Stirling-System spezialisiert. Seit 2004 stehen an der Hochschule München mehrere Testmaschinen. Bei einem Feldexperiment untersucht die interdisziplinäre Projektgruppe IPG Stirling Blockheizkraftwerke auf der Basis von Stirlingmotoren. Zwei Anlagen wurden 2008 in den Häusern installiert, um anschließend die Integration und Handhabung für den deutschen Markt zu untersuchen.

Stirling + Hybrid
„Es ist wichtig, dass Ingenieure, egal ob angehende oder bereits im Berufsleben stehende, sich weiter mit solchen Errungenschaften beschäftigen und sie immer wieder auf Alltagstauglichkeit prüfen.“ Einer seiner Absolventen testete in Zusammenarbeit mit der niederländischen Firma Homa Software eine Software, mit der sich ein virtuelles Stirling betriebenes Kraftwerk steuern lässt, um die Ergebnisse in seiner Diplomarbeit „WEEL – Webbasierte Erneuerbare Energie - Leitzentrale“ festzuhalten. Kübler sieht besonders in dieser Hinsicht eine Zukunft für den Alternativantrieb, denn er sagt, mit mehreren kleinen Blockheizkraftwerken könne mehr Energie gewonnen, umweltschonender gearbeitet werden und vor allem würden Arbeitsplätze geschaffen. „Ich sehe in der Zukunft das Elektro-/Hybridauto in der Garage stehen und im Keller ein Blockheizkraftwerk.“ Das hohe Einsatzspektrum des Motors ist noch lange nicht abgeklärt, da überall, wo Abwärme entsteht, ein Stirling zum Einsatz kommen kann. „Zurzeit fehlt es an Kreativität, um die Entwicklung weiterzutragen. Gefragt sind nun Ingenieure, die sich trauen, die bisherigen Ansätze in Frage zu stellen, um sich der Herausforderung Stirling auf neuer Basis zu nähern.“

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