Weitere Formen hochthermischer Solarenergienutzung

Stirling-Motor

Ich möchte den bereits mehrfach erwähnten Stirling-Motor hier etwas näher betrachten, da er in der letzten Zeit zunehmend Einsatz im Bereich der solarthermischen Anlagen findet. Es handelt sich dabei ursprünglich um einen Niedertemperatur-Heißluftmotor, dessen Patent bereits 1816 von dem schottischen Pfarrer Robert Stirling (1821 -1883) beantragt wurde.

Am 12. Januar 1853 sticht in den USA das umgebaute Dampfschiff ‚Ericsson’ in See – mit dem größten jemals gebauten Stirlingmotor an Bord. Leider leistet die riesige 4-Zylinder-Maschine (mit Zylinderdurchmessern von 4,27 m) statt der vorausgesagten 350 kW nur 220 kW, wodurch das Schiff nur eine inakzeptable Fahrt von 11 Knoten macht (20,4 km/h). Der Schwede John Ericsson entwickelt um 1858 aber auch einen 1,5 PS Industrie-Stirling, mit dem er großen Erfolg hat. Eine durch Sonnenenergie betriebene Wasserpumpe wird zu Tausenden verkauft.[nextpage title=“Stirlingmotor in der Landwirtschaft“]

Der Stirling-Motor findet vor allem in der Landwirtschaft einige Verbreitung, weil man ihn mit jedem Brennstoff, also auch mit Holz oder Stroh, betreiben kann. Er gehört außerdem zu den Systemen, die sich hervorragend für die Nutzung von Abwärme eignen (s.d.). Anfang des 20. Jahrhunderts sind weltweit ca. 250.000 Stirlingmotoren im Einsatz, als Tisch-Ventilatoren, Wasserpumpen und Antriebe für Kleingeräte wie z.B. Nähmaschinen. Sie versorgten Privathaushalte und kleine Handwerksbetriebe mit mechanischer Energie. Als sich Otto-, Diesel- und Elektromotoren immer weiter verbreiteten, wurden die Stirlingmotoren zunehmend vom Markt verdrängt.

Die Firma Philips beginnt 1936 mit Versuchen am Stirling-Motor, und ab 1954 wird ein 200 kW Stirling-Generator in Kleinserie hergestellt. Auch Siemens und Volvo arbeiten an Stirlings. Eine größere Verbreitung scheitert jedoch vornehmlich am zu komplizierten mechanischen Aufbau.

Im Zuge der zeitgenössischen Diskussion um erneuerbare Energie wird das Prinzip auch allgemein bekannt. MAN unternimmt 1967 erste Versuche und stellt 1984 eine Studie vor, bei der es einen Schiff-Stirling geht. Um 1980 beschäftigen sich weltweit etwa 80 Firmen mit dieser Technologie, und 1986 fährt bereits ein Versuchsfahrzeug von Opel mit einem wasserstoffbetriebenen 8 PS Stirling. Ein Problem bilden die von außen erhitzten Zylinderköpfe, welche Kobalt benötigen. Die fiktive Zahl von 2 Mio. Motoren würden dabei die gesamte Weltproduktion dieses Materials verbrauchen.

[nextpage title=“Neue Stirling-Motoren“]

Auf der Stirling-Koferenz 1986 stellt Prof. Kolin aus Zagreb einen Solarmotor ohne Sammelspiegel vor, der bereits bei einer Temperaturdifferenz von nur 15°C in Betrieb geht. Bei dieser Konferenz kam die zahlenmäßig stärkste Delegation aus Japan, wo Sanyo verlauten läßt, bald ausgereifte und billige Stirlingmotoren anzubieten. Die US-Firma Sunpower in Ohio entwickelt ihrerseits einen Versuchsmotor für 70.000 Betriebsstunden, der mittels Reisstrohverbrennung Wasserpumpen in Bangladesh betreiben soll. Die MacDonnell-Douglas-Tochter United Stirling aus dem schwedischen Malmö bietet zu diesem Zeitpunkt bereits einen sonnennachgeführten 25 kW Stirling an, der mit einem 11 m durchmessenden Parabolspiegel aus 226 Segmenten ausgestattet ist.

1988 vermeldet die Firma Bomin-Solar einen technischen Durchbruch als es gelingt, als Betriebsmittel statt Luft auch Helium oder Wasserstoff zu nutzen. Bisher gab es bei diesen Gasen immer wieder Probleme mit der Dichtigkeit, doch nun wird ein System vorgestellt, bei dem die Energieübertragung vom bewegten Kolben zur ‚Außenwelt’ mittels Magnetkraft – statt einer mechanischen Kopplung – erfolgt. Die magnetische Auskopplung überträgt die Kolbenbewegung nach außen, und der Zylinder selbst, den keine Kolbenstange mehr durchdringen muß, kann jetzt als hermetisch abgedichteter Raum mit einem geschlossenen Gaskreislauf gestaltet werden.

Das Unternehmen stellt einen Sechszylinder-Sirling vor, der 3 kW elektrische Leistung abgibt. Er startet, sobald die Temperatur im Brennpunkt der Solarreflektoren 250°C erreicht, ist fast geräuschlos und völlig abgasfrei. Der Wirkungsgrad wird mit 30 % angegeben. Das Unternehmen kombiniert seine Stirlingmotoren mit den im Haus entwickelten Unterdruck-Folienspiegeln (s.d.). Auch über den ‚doppelten Stirling’ für die Kälteerzeugung haben wir bereits weiter oben schon berichtet, ebenso über den Einsatz von Dish-Stirlings im Spanischen Almería, wo 1991 im Rahmen der Versuchsanlage Distal des Stuttgarter Bauingenieurbüros Schlaich, Bergermann und Partner (SBP) drei 9 kW Motoren in Solarausführung von der Firma SOLO in Betrieb gehen.

Ab 1992 wirbt der deutsche Wärmesystem-Hersteller Herrmann mit dem Einbau eines in der Schweiz entwickelten Stirlings in serienmäßige Gasbrenner für Heizungs- und Warmwasseranlagen. Quasi nebenbei werden damit 1 – 3 kW elektrischer Strom erzeugt, also mehr als ein Einfamilienhaus im Durchschnitt benötigt. Im Sommer kann der Stirling mit einem simplen Sonnen-Spiegelsystem kombiniert werden um auch bei abgeschalteter Gasheizung weiter Strom zu produzieren. Später stellt sich allerdings heraus, daß die Werbekampagne ausschließlich ein ‚Testballon’ war (s.u.). Das Unternehmen sponsert auch den HTC Forschungspreis – der bereits 1988 an J. Kleinwächter von Bomin-Solar verliehen wurde …natürlich für dessen solarbetriebenen Stirlingmotor.

Moderne Stirlingmotoren erreichen schon Wirkungsgrade von über 40 %, außerdem sind sie leiser, vibrationsärmer und haben ein gleichmäßigeres Drehmoment als Otto- oder Dieselmotoren. 1998 nimmt ein neuer Motor der Saarbergwerke seinen Betrieb auf, der mit Grubengas betrieben wird. Und in Krailing, am südlichen Stadtrand von München, wird im Rahmen einer neuen Industrieansiedlung von 54 Betrieben ein Holzhackschnitzel-Heizkraftwerk errichtet, bei der ein Stirlingmotor der Entwicklungsfirma Magnet-Motor in Starnberg zum Einsatz kommt.

1999 bietet das Unternehmen Gütte-Feinwerktechnik in Berlin für 298,- DM einen ‚Handwärmemotor’ an, bei dem es sich um einen Niedertemperatur-Stirling handelt, der bereits bei einer Temperaturdifferenz von nur 5°C in Betrieb geht und die Größe einer CD hat (2004 kostet das Modell 184 €, als Bauteilsatz 91 €).

In Almería laufen seit 1997 sechs Stirling-Systeme der Firma SOLO, und im türkischen Alanya hat die Kombassan Holding ein Zentrum für Solarenergieforschung geschaffen, an dem man an der Umstellung dieses Systems auf netzunabhängigen Betrieb arbeitet. 1998 wird dort ein solarer Stirling 161 in einem 25 m2 Konzentrator aus runden Kunststoff-Membranelementen in Betrieb genommen, später wird ein neuer, noch größerer Spiegel fertiggestellt.

Die Sandia National Laboratories in den USA nutzen seit Sommer 1999 einen 46,5 m2 Konzentrator aus Glas/ Metall-Sandwich-Elementen zum Betrieb ihres Stirling-Motors.

Die 10. Internationale Stirling-Motoren-Konferenz (ISEC) findet im September 2001 in Osnabrück statt, der 1. Deutsche Stirlingkongreß (im Rahmen  des Clean Energy power Kongresses) im Januar 2006 in Berlin.

Eine ungebrochene Domaine von Stirlingmotoren ist die Erzeugung von sehr tiefen Temperaturen. Mit Tieftemperatur-Stirling-Kältemaschinen lassen sich Temperaturen um 80 K (ca. -193°C) erreichen. Luft- oder Erdgasverflüssigung und die Kühlung von Infrarotsensoren sind typische Beispiele derartiger Tieftemperatur-Anwendungen. Das Militär nutzt diese Maschinen in großen Stückzahlen und seit vielen Jahren für automatische Lenkwaffen und Wärmesichtgeräte.

Der vom Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit anläßlich der 55. Internationale Handwerksmesse IHM im März 2003 in München verliehene Bundespreis für hervorragende innovatorische Leistungen für das Handwerk in der Kategorie Technologie und Umwelt geht in diesem Jahr an die Sindelfinger Firma SOLO Stirling und ihr microKWK-Modul. Die Firma SOLO Kleinmotoren, Muttergesellschaft der neu gegründeten SOLO Stirling, beschäftigt sich seit 1990 mit der Entwicklung eines Moduls zur Kraft-Wärme-Kopplung, betrieben mit einem Stirlingmotor. Das SOLO-Modul ist mit seiner stufenlos modulierbaren Leistung von 2 – 9,5 kW (elektrisch) bzw. 8 – 26 kW (thermisch) besonders für mittlere bis große Immobilien aus dem Wohn-, Gewerbe-, Kommunal- und Industriebereich geeignet.

Im Oktober 2004 verkündet die englische Eon-Tochter Powergen, daß sie in den kommenden fünf Jahren 80.000 Mikro-BHKW der Marke ‚WhisperGen’ auf der britischen Insel vertreiben wolle. Die Geräte kommen vom neuseeländischen Hersteller WhisperTech und arbeiten mit einem gasbeheizten Stirlingmotor. Ende des Jahres stattet Eon 550 Haushalte in East Manchester mit diesen Anlagen aus, doch zwölf Monate später scheint die Begeisterung verflogen. Powergen mag sich über den Fortgang des Projekts nicht äußern. Marktbeobachter berichten von technischen Schwierigkeiten.

Eckhart Weber und seine Firma Sunmachine GmbH in Nürnberg entwickeln einen Parabolspiegel von 4 m Durchmesser, der einen Stirling-Motor mir 2,5 kW elektrischer Leistung antreibt. Es werden drei Exemplare gebaut. Ab 2004 sollen auch drei verschiedene Modulgrößen zwischen 1 und 4 kW elektrisch und 2,5 und 10 kW thermisch zur Verfügung stehen. Die mittlere Größe mit 2,5 kW soll etwa 13.000 € kosten.

Sunmachine GmbH vermarktet inzwischen auch eine solarbetriebene Wasserpumpe für Entwicklungsländer auf Basis des Stirling-Prinzips, die einst unter dem Namen ‚Sunwell’ in Lizenz gebaut wurde. Eckhart Weber hatte in den frühen 90ern zusammen mit der Heizungsfirma Herrmann eine Werbekampagne in Spiegel und Stern geschaltet, um die ‚grundsätzliche Reaktion des Marktes’ zu testen. In den Anzeigen hatte Herrmann den Stirling-Motor bereits als Ergänzung zum eigenen Brennwertkessel offeriert. Obwohl das Produkt weder zu kaufen noch ausgereift war, stießen die Anzeigen auf eine große Resonanz: Auf jedes der zwölf Motive gingen rund 1.500 interessierte Zuschriften ein. Die Firma ist inzwischen insovent.

Ende 2005 bieten bereits mehrere Unternehmen effiziente Kraft-Wärme-Kopplung in Wohnhäusern an – wobei die Sunmachine Vertriebsgesellschaft in Kempten mit Holzpellets betriebene Mikro-Blockheizkraftwerke mit Stirlingmotor verkauft, die nicht größer als ein Kühlschrank sind. BHKW vereinen Heizkessel und Stromgenerator direkt beim Verbraucher und steigern den Wirkungsgrad damit auf über 90 %. In den Geräten von Sunmachine werden die Holzpellets auf einem Keramikgitter bei 850°C verbrannt und die kräftige Flamme auf den Erhitzerkopf eines robusten Stirling-Motors gelenkt, wobei die Anlage mindestens 80.000 Stunden störungsfrei laufen soll, was mehr als neun Jahren Dauerbetrieb entspricht.

Die ersten Flachplatten-Stirlingmotoren wurden von Professor Ivo Kolin an der Universität Zagreb gebaut. Sie hatten noch keinen Regenerator und ihr Verdränger wurde durch eine Mechanik mit absichtlich großem Spiel diskontinuierlich bewegt.

Die Idee der flächigen Auslegung der Hauptbauteile wurde bald von Eckhart Weber von der Firma Sunmachine in Nürnberg aufgegriffen. Er führte hier die sinusförmige Verdrängerbewegung und den Regenerator als flächiges Bauteil ein sowie gleichmäßig verteilte und den Regenerator durchdringende Zug-Druckanker, um die auf Deckel und Boden wirkenden Druckkräfte zu beherrschen. Dadurch wurden erstmalig größere Maschineneinheiten und vertretbare Wirkungsgrade ermöglicht.

[nextpage title=“Flachplatten-Stirling“]

Karl Obermoser aus Monheim gelang es dann vor einigen Jahren durch Anwendung eines erweiterten Freizylinderprinzips, die ganze aufwendige Mechanik und die Notwendigkeit der ebenso aufwendigen und teuren Zug-Druckanker zu eliminieren. Der Prototyp ist ein 0,5 m² großer Solarmotor mit der Resonanz als Funktionsprinzip, er besitzt allerdings noch keine effiziente Kühlung und arbeitet deshalb mit einer Temperaturdifferenz von nur ungefähr 15°K. Er startet bei einer Temperaturdifferenz von wenigen K von selbst und betreibt bei steigender Sonneneinstrahlung eine kleine Wasserpumpe. (Die beiden Steine, die auf der Maschine im Foto liegen, dienten zur provisorischen Feinabstimmung der Resonanzfrequenz). Das Besondere an diesem Flachplatten-Stirlingmotor ist die spezielle Auslegung der einzelnen Komponenten, durch die sich alle im Betrieb auf die Glasscheibe wirkenden Kräfte zu Null addieren, so daß die Glasscheibe im Betrieb völlig frei von Biegekräften bleibt. Diese enormen Kräfte von bis zu einer Tonne je m² hatten die technische Anwendung des Flachplattenprinzips bisher verhindert.

1999 entwickeln Scott Backhaus und Gregory Swift am Los Alamos National Laboratory in New Mexico einen thermo-akustischen Stirlingmotor. Wie bei einem üblichen Stirlingmotor wird auch hier Wärme in Bewegung umgewandelt. Ein thermisches Austauschelement, der Regenerator, erhitzt und kühlt ein Gas im Wechsel und zwingt es zu zyklischer Expansion und Kompression. Doch im Gegensatz zu herkömmlichen Maschinen treibt die Gasbewegung keinen schwingenden Kolben an, sondern generiert eine Schallwelle. Diese breitet sich innerhalb einer ringförmigen Röhre aus, wobei eine kleine Blende einen zirkulierenden Fluß verhindert. Mit 100 Hz wird die Welle von dort aus in einen Resonator eingespeist und an dessen offenem Ende aufgefangen. Dadurch lassen sich zum Beispiel hochleistungsfähige Lautsprecher anregen oder zur Stromerzeugung Magnete in Spulen bewegen. Wird jedoch umgekehrt die Schallwelle von außen zugeführt, kann deren kinetische Energie genutzt werden, um einem Medium Wärme zu entziehen. So eignen sich akustische Wellen, um Klimaanlagen und Kühlschränke zu betreiben, die keine umweltschädlichen Treibgase benötigen, sondern auf der Basis von Helium funktionieren.

Im September 2004 arbeiten die University of California und das Unternehmen Northrop Grumman Space Technology ein der Fortentwicklung eines Schallnutzenden Stirlingmotors – speziell für den Einsatz in der Raumfahrt. Mit rund 18 % erreicht man bereits die doppelte Effizienz herkömmlicher, mit Nuklearbatterien betriebenen thermoelektrischen Generatoren.

Die Firma BSR Solar Technologies GmbH in Lörrach (Nachfolgeunternehmen der Bomin-Solar von Jürgen Kleinwächter) arbeitet seit 2004 an Niedertemperatur-Stirlingmotoren, die bereits zu arbeiten beginnen, wenn sich die schwarze Oberfläche der Kollektorschüssel auf etwa 150°C aufgeheizt hat. Ziel dieser Entwicklung war es, eine umweltfreundliche und wartungsarme Solartechnologie zum Antreiben von Pumpen zu entwickeln, die darüber hinaus noch in Entwicklungsländern produziert werden kann.

Die Drücke in dem Gerät betragen plus minus 100 Millibar. Aber auf einen Kolben von einem Quadratmeter Größe sind das 10.000 Newton. Die Leistung wirkt mit 100 Watt zwar gering, aber es sind 100 Watt hydraulische Leistung. Am Firmensitz in Lörrach gibt es einen Tiefbrunnen, aus dem aus 20 m Tiefe 1,5 Kubikmeter pro Stunde hochgepumpt werden. Das Unternehmen arbeitet an einer Verdoppelung dieser Leistung.

Kleine, aber hochwertige Stirlingmodelle werden von verschiedenen Technik-Versandhäusern angeboten, sie kosten 2006 um die 200 € und laufen schon bei sehr kleinen Temperaturunterschieden an – beispielsweise auf einer Handfläche. Interessanterweise laufen sie auch rückwärts, wenn man sie z.B. auf eine Eisfläche stellt. Sie beweisen jedenfalls nachdrücklich, daß sich auch geringste Wärmeunterschiede in Arbeit verwandeln lassen, und es keineswegs der immens hohen Verbrennungstemperaturen bedarf, die unsere technische Welt noch immer dominieren.

Und eine vorbildliche und ausgesprochen detaillierte Darstellung der Entwicklung und des Prototypenbaus eines, zwei mal doppelt wirkenden Stirlingmotors‘ hat Peter Fette aus Walzbachtal veröffentlicht. Hier gibt es sogar ein kurzes Video der arbeitenden Maschine zu sehen.

Stirlings werden inzwischen auch zunehmend bei Dish-Stirling-Systemen eingesetzt (siehe oben unter Solare Hochtemperatursysteme).

Weiterführende Informationen findet man über das Portal von stirlingmotor.com, wo es auch ein umfangreiches Angebot an kleinen Modell-Stirlings gibt.