Stirling-Motoren für die Kraft-Wärme-Kopplung

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Inhalt dieser Seite:     

Geschichtliche Entwicklung      Saarbergaktivitäten      Funktionsprinzip      Eigenschaften      Technische Daten      Anwendungsfelder      Zusammenfassung      Literatur

Die Firma SAARBERG hat die Entwicklungen eingestellt. Bitte keine Anfragen an die Firma senden, da momentan kein Ansprechpartner vorhanden ist. (August 1999)

Stirling-Motoren erreichen hohe Wirkungsgrade, verwerten praktisch jeden Brennstoff, sogar Abwärme aus Industrieprozessen, und ermöglichen eine emissionsarme Umwandlung in elektrische Energie. Trotz aller Vorzüge konnten sich Stirling-Motoren bisher als Serienprodukte nicht durchsetzen. In der Zukunft können Stirling-Maschinen infolge des steigenden Umweltbewußtseins und der Erschließung neuer, interessanter Bereiche verstärkt zum Einsatz kommen.

Stirling - Was ist das?

Zunächst stellt die Bezeichnung "Stirling" lediglich einen Sammelbegriff für Stirling-Maschinen dar. Stirling-Maschinen können sowohl als Motor und Wärmepumpe als auch als Kältemaschinen zum Einsatz kommen.

Der Erfinder Robert Stirling entwickelte gemeinsam mit seinem Bruder James bereits im Jahre 1816 eine sichere, einfache und wirtschaftliche Wärmekraftmaschine. Diese wurde zunächst für die Entwässerung von Bergwerken eingesetzt. Die ersten Stirling-Maschinen konnten sich im Wirkungsgrad durchaus mit den Dampfmaschinen messen. In den nachfolgenden Jahrzehnten wurden die Stirling-Maschinen in Kleinserien von verschiedenen Firmen hergestellt. Im Leistungswettbewerb der Jahrhundertwende, in dem die erzielte Leistung, die Regulierfähigkeit der Maschine und die Möglichkeit schnell liefern zu können im Vordergrund standen, unterlag die Stirling-Maschine den Verbrennungsmotoren.
Erst Mitte der 30er Jahre unseres Jahrhunderts kam es zu neuen Entwicklungen durch die Firma Philips, wobei die Stärken der Stirling-Maschinen herausgearbeitet wurden. Philips vergab in den nachfolgenden Jahren verschiedene Lizenzen. Heute vertreibt man als Fa. SCR BV, Eindhoven, Stirling-Maschinen in Gasverflüssigungsanlagen.
Erst in den letzten Jahren werden moderne Werkstoffe, Dichtungen, wirkungsvolle Wärmeübertragung und günstige Strömungsverhältnisse so eingesetzt, daß die Stirling-Maschine auch in der Kraft-Wärme-Kopplung sinnvoll betrieben werden kann.
Die Saarbergwerke AG werden für diesen Markt einen stationären Dauerläfer herstellen.

Saarbergaktivitäten Die ersten Berührungspunkte der Saarbergwerke AG mit der Stirling-Motortechnik ergaben sich durch die Übernahme der Fa. Bomin Solar im Jahre 1990. Die Fa. Ecker Maschinenbau GmbH & Co. KG wurde von den Saarbergwerken beauftragt für Bomin 20 Stirling-Maschinen mit einer elektrischen Leistung von 3 kW el fertiggungstechnisch zu optimieren (Bild 1). Nach der Auslieferung dieser Maschinen Anfang 1992 wurde eine Projektgruppe Stirling Saar gegründet, mit dem Ziel die Grenzbedingungen für den Stirling-Einsatz aufzuzeigen. Sie bestand aus den Stadtwerken Saarbrücken, der Vereinigten Saar-Elektrizitäts-AG, der Saarberg Fernwärme und der Ecker Maschinenbau. Schnell wurde klar, daß in verschiedenen Nischenanwendungen die Stirling-Maschine durchaus sinnvoll betrieben werden kann. Nach Festlegung der Randparameter entschloß man sich zur Übernahme einer eigenen Lizenz für Großmaschinen bis 405 kWel und meldete diese zum Europapatent an. Anschließend erhielt man vom Bundesministerium für Forschung und Technik (BMFT) einen Forschungsauftrag zur Anpassung einer Stirling-Maschine mittlerer Leistung. Nach dem Konkurs der Fa. Ecker übernahmen die Saarbergwerke das Forschungsvorhaben und das Europapatent.

Bild 1: Stirling-Motor E-St 3/1

Als Arbeitsmedium wird bei dem Stirling-Motor der Saarbergwerke Helium eingesetzt. Dieses wird in einem geschlossenen Kreislauf zyklisch von zwei Kolben (Arbeits- und Verdrängerkolben) zwischen einer heißen Stelle (Erhitzer) und einer kalten Stelle (Kühler) hin- und hergeschoben. Das aufgeheizte Gas dehnt sich aus, das abgekühlte zieht sich zusammen. Hierdurch steigt der Druck im Helium. Dieser Gasdruck wirkt über den Arbeitskolben auf den Kurbetrieb. Die mechanische Energie wird durch zwei Elektrogeneratoren in elektrische Energie umgewandelt.
Zwischen dem Erhitzerkopf und dem Kühler befindet sich der Regenerator, der dem Gas auf seinem Weg von der heißen zur kalten Seiter Wärme entzieht und beim Rückströmen wieder zuführt.

Wie alle technischen Entwicklungen verfügt auch der Stirling-Motor über positive wie auch negative oder kritische Eigenschaften. Kritische Eigenschaften können nur dann ihren negativen Einfluß ausüben, wenn das technische Problem nicht entsprechend gelöst ist. Die nachfolgende Liste der besonderen Eigenschaften ist schon recht umfangreich.

Die Liste darf aber nicht darüber hinwegtäuschen, daß kritische Stellen noch im Heißteilwärmetauscher, im Getriebe und der Regeltechnik vorhanden sind. Hier in der Motortechnik beginnt der Ansatz des Forschungsvorhabens.

Das Leistungszentrum Technik der Saarbergwerke AG entwickelt derzeit auf Basis des bereits vorhandenen Stirling-Motors mit 3 kW_el-Leistung (siehe Bild 1) eine verbesserte Version mit einem neuartigen Kurbeltrieb und einer Leistung von 20 kW_el.

1-Zylindermaschine	ST 20/1
Arbeitsgas	Helium
Kühlmedium	Wasser o.a.
Arbeitstemperaturen:
Heißteil	700 °C
Kaltteil	25 °C
Mitteldruck	80 bar
elektr. Leistung	20 kW
therm. Leistung	40 kW
Drehzahl	1500 1/min
Motornutzungsgrad	36 %

So vielfältig wie die technischen Ausführungen eines Stirling-Motors, so zahlreich sind dessen Anwendungsfelder.
Vor dem Hintergrund der CO₂-Problematik und anderen energiebedingten Umweltfolgen gewinnt die Diskussion um die Möglichkeiten und Grenzen einer energetischen Nutzung organischer Nebenprodukte aus der Land- und Forstwirtschaft wieder an Bedeutung. Der Anteil der erneuerbaren Energien am Primärenergieaufkommen in Deutschland beträgt derzeit weniger als 2%. Insbesondere organische Nebenprodukte wie beispielsweise Stroh, Exkremente aus der Nutztierhaltung sowie Abfallholz aus der Waldbewirtschaftung, aber auch Energiepflanzen, können einen Energiebeitrag leisten, der zur Deckung von maximal 13 % der Endenergie herangezogen werden kann [1]. Diese Zahl verdeutlicht, daß die regenerativen Energiequellen nur "additive" Energiequellen darstellen, die neben Kohle, Öl und Gas als Energieträger genutzt werden, diese aber nur unterstützen können.
Eine Möglichkeit zum Betreiben einer Stirlingmaschine besteht auch durch die energetische Nutzung des freigesetzten Methans in der Energiewirtschaft, z.B. des Grubengases der Steinkohlenlagerstätten. Dieses Gas hat einen sehr hohen Methananteil und kann mit Luft ein explosionsfähiges Gemisch bilden (kritisch 5 - 15 Vol.-% CH₄). Daher wird es vor dem Abbau der Steinkohle gezielt abgesaugt und wirtschaftlich genutzt, etwa als Brennstoff in Heizwerken und in der Industrie. Auch in abgebauten Bereichen und verfüllten Schächten wird das Gas abgesaugt und über Rohre an die Erdoberfläche geführt.
Mit dem "natürlichen Grubengasvorkommen", der mehr oder weniger frei ausgasenden Kohlenbereiche, können Stirling-Motoren mit dem Primärenergieträger Grubengas betrieben werden.
Im Saarland ist das Aufkommen an Grubengas (Bild 2) etwa gleichgroß der theoretisch nutzbaren Biogas-Menge. Im Gegensatz zum Biogas ist jedoch das ausschöpfbare Potential sowie die Verfügbarkeit erheblich höher. Dieses erweiterte Potential kann sehr gut an Stirling-Maschinen in elektrische Energie "veredelt" werden.

Stirling-Motoren können u.a. über den Weg des Grubengases auch andere methanhaltige, und damit brennbare, Gase verwerten.

Nachfolgend sind mögliche Einsatzbereiche von Stirling-Motoren aufgezeigt.

• Heißgasmaschine als Stromlieferant

• feste Brennstoffe, auch Abfallverwertung
• flüssige und gasförmige Brennstoffe
• Nutzung regenerativer Energien aus primärer Biomasse
  • Abfallprodukte aus der Landwirtschaft, pflanzliche Reststoffe
  • Holzreste, Holzhackschnitzel, aufbereiteter Niederwald
• sekundäre Biomasse und Abfallgase
  • Klärgase, Faulgase (Exkremente), Deponiegase
  • Gicht- und Kokereigas, Grubengas
• Nutzung der direkten Sonnenenergie

• Kältemaschine als FCKW-freies Kühlaggregat

Unser Interesse gilt vorrangig Marktnischen mit Stückzahlen von 150 bis 200 Anlagen p.a.. Hier können die Erfahrungen gesammelt werden, die als Grundlage zur Umsetzung einer Großserie notwendig sind.
Bis zum direkten Einsatz eines Stirling-Motors bei der dezentralen Stromerzeugung mit Biomasse sind jedoch noch technische Entwicklungspotentiale sind nur im Stirlingmotor selbst und dessen Hilfseinrichtungen vorhanden.

Bei steigendem Umweltbewußtsein wird der Stirling-Motor in den nächsten Jahren einen großen Marktanteil erobern können.