Der Stirlingmotor ist eine von Robert Stirling im Jahre 1816 entwickelte Wärmekraftmaschine.

Im Stirlingmotor wird ein hermetisch abgeschlossenes Arbeitsmedium (meistens ein Gas wie Helium) durch von außen zugeführte Energie in einem abgeschlossenen Raum (Zylinder) erhitzt und in einem anderen abgeschlossenen Raum (Zylinder) gekühlt. Das Gas pendelt zwischen diesen beiden Räumen und wechselt dabei ständig seine Temperatur. Es ist somit ein geschlossener Kreisprozess, der mit einer beliebigen externen Wärmequelle betrieben werden kann.

Die Temperaturänderung bewirkt eine Expansion beziehungsweise Kompression des Arbeitsmediums, die in Bewegung umgewandelt wird. Da man einen Bereich nicht abwechselnd ständig erhitzen und kühlen kann, haben Stirlingmotoren typischerweise einen permanent heißen und einen permanent kalten (gekühlten) Bereich, zwischen denen das Arbeitsmedium hin und her bewegt wird.

Gängige Stirlingmotoren („Standardmaschine“) speichern die im Arbeitsmedium enthaltene Wärme auf dem Weg von einem zum anderen Bereich zwecks Verbesserung des Wirkungsgrades in einem Speicher, dem sogenannten Regenerator. Dieser nimmt abwechselnd die Wärme auf und gibt sie wieder ab. Stirlingmotoren werden meistens als Kolbenmaschinen ausgeführt, es gibt jedoch zahlreiche weitere Bauformen.

Manchen Bauformen genügen dazu bereits geringe Temperaturdifferenzen, z. B. die zwischen menschlichem Körper und der Umgebung.^[1]

Geschichte

Der Stirlingmotor wurde 1816 von dem damals 26-jährigen schottischen Geistlichen Robert Stirling erfunden. Er ist nach der Dampfmaschine die zweitälteste Wärmekraftmaschine. Stirling wollte mit seinem Motor eine Alternative zu den damals aufkommenden Hochdruckdampfmaschinen bieten, die zahlreiche Opfer durch Kesselexplosionen forderten.

Eine erste Blüte erlebte der Motor am Ende des 19. Jahrhunderts als Einzelenergiequelle in den Privathaushalten des aufkommenden Bürgertums. In kleinen Ausführungen war er ein Massenprodukt des Fabrikanten Louis Heinrici und stellte ungefähr das Pendant zu unseren heutigen Elektromotoren dar. Er wurde beispielsweise für den Antrieb von Ventilatoren verwendet.

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. Während der Arbeitskolben direkt auf die Kurbelwelle wirkte, wurde der Verdrängerkolben über einen Winkelhebel und ein elastisches Pleuel angetrieben. Er hatte eine Phasenverschiebung von 90°. Später verwendete man ein Rhombengetriebe, bei dem beide Kolben miteinander verbunden waren; die Kolbenstange des inneren Kolbens wirkte dabei durch die hohlgebohrte Kolbenstange des äußeren Kolbens.

Diese Bauart

• läuft völlig ohne Unwucht, ist also frei von Massenkräften und -momenten erster und zweiter Ordnung,
• lässt sich beinahe beliebig verkleinern und
• eliminiert die Radiallasten aus dem Kurbeltrieb auf den Kolben, was die Reibung und den Verschleiß minimiert;

jedoch war anfangs die Dauerfestigkeit der Dichtung zwischen den beiden Kolbenstangen gering, was aber mit modernen Werkstoffen und Fertigungsverfahren beherrschbar wurde.

Ab Mitte des vergangenen Jahrhunderts forschten diverse Industrieunternehmen weiter am Stirlingmotor als Schiffs- und Automobilantrieb sowie wegen der Vielstofftauglichkeit im militärischen Bereich, ohne auf diesen Gebieten eine konkurrenzfähige Serienreife zu erzielen.^[2]

Im Automobilbereich wurde in den 1970er und 1980er Jahren geforscht, insbesondere weil die kontinuierliche Verbrennung bei den Abgasen Vorteile brachte und für andere Motorbauarten keine ausgereiften Abgasnachbehandlungssysteme verfügbar waren. Philips hatte dazu Kooperationen mit GM, Ford und der NASA. Allerdings ließen sich zahlreiche Probleme des Stirling-Motors im Automobil nicht befriedigend lösen, insbesondere die Regelbarkeit (langsames Ansprechverhalten), Aufheizzeit von Kaltstart bis zum Losfahren und die Leistungsdichte. Dazu kamen Wirkungsgrade, die im Bestpunkt 38 % und unter Testbedingungen bis 28 % erreichten. Unter dem Namen Stir-Lec 1 hatte GM 1969 eine Studie eines seriellen Hybrids mit Stirling-Motor entwickelt.^[3]

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

In Verbindung mit dem Kraft-Wärme-Kopplung-Gesetz sind Vorhaben bekannt geworden, den Stirlingmotor wieder einer breiteren Anwendung zuzuführen. Eine Freikolben-Wärmekraftmaschine, bei der die Arbeitsmaschine (z. B. Generator) von einem Stirlingmotor angetrieben wird (sie besteht also aus zwei Teilen, dem Generator und dem Stirlingmotor),^[4] hat den großen Vorteil, dass nur noch zwei axial belastete Teile vorhanden sind und beim Betrieb keine Radialkräfte auftreten.

Neben der Gasturbine (ein bewegtes Teil) ist der Freikolben-Stirlingmotor-Generator (zwei bewegte Teile) eine Wärmekraftmaschine, die ohne weitere reibungsbehaftete Teile wie Pleuel, Kurbelwelle oder gar Ventilsteuerung auskommt.

Besonderheiten und Abgrenzung von anderen Motorarten

Ein Stirlingmotor realisiert im Idealfall den Stirling-Kreisprozess. Der ideale Stirlingprozess weist eine isotherme Expansion aus, in der Praxis wird aufgrund hoher Drehzahlen nur eine adiabate Expansion realisiert.

Ein Stirlingmotor kann von außen angetrieben werden und arbeitet dann als Wärmepumpe, die – je nachdem, ob der heiße oder der kalte Bereich genutzt wird – als Kältemaschine oder Wärmepumpenheizung dienen kann.

Ein Vorteil des Stirlingmotors liegt in seiner kontinuierlichen und leisen Wärmezufuhr. Die Verbrennung lässt sich schadstoffarm gestalten oder durch eine emissionsfreie Strahlungsquelle ersetzen, wie z. B.

• die Sonne,
• radioaktive Zerfallswärme oder
• heißes Wasser oder Dampf aus der Geothermie.

Während bei einem Otto- oder Dieselmotor ein hoher Aufwand zu betreiben ist, um die innere diskontinuierliche Verbrennung sowohl effizient als auch schadstoffarm zu betreiben, kann beim Stirlingmotor die äußere Verbrennung einfacher umgesetzt werden. Wegen der kontinuierlichen äußeren Wärmezufuhr benötigt der Stirlingmotor keinen hochwertigen Treibstoff, er ist prinzipiell ein Vielstoffmotor.

Ein weiterer Vorteil ist die freie Wahl des Arbeitsgases (i.d.R. Helium) in einem geschlossenen System ohne Verschmutzungen von außen. Das Arbeitsgas wird nur durch den Abrieb der gleitenden Teile und eventuell durch Schmierstoff belastet. Geeignete moderne Schmierstoffe können auf minimierte Verharzung ausgelegt werden, so dass ein Stirlingmotor eine lange Lebensdauer hat.

Beim Stirlingmotor bleibt das Arbeitsgas, anders als z. B. bei Verbrennungsmotoren, innerhalb des Motors und wird nicht ausgetauscht (sogenannter Heißgas-Motor). Wenn die externe Wärmequelle auch keine Abgase erzeugt, gibt es keine materiellen Emissionen – allerdings Abwärme.

Die Wärme- und Kühlenergie muss beim Stirlingmotor durch Wärmeleitung zu- und abgeführt werden. Das schafft erhebliche Probleme, weil die Wärmedurchgangskoeffizienten aller Metalle zumindest im Verhältnis zur direkten Wärmezufuhr bei einer inneren Verbrennung wie in einem Otto- oder Dieselmotor sehr ungünstig sind. Bei hohen Temperaturen im Brennpunkt eines auf die Sonne gerichteten Hohlspiegels besteht die Gefahr, den Erweichungspunkt der Legierung des Wärmetauschers zu überschreiten, wodurch das als Kreislaufmedium verwendete Gas, Helium oder Wasserstoff, entweichen kann. Bei höherer Leistung umgeht man dieses Problem, indem der Verdrängerkolben das Arbeitsgas durch dünne beheizte Röhrchen drückt. Das hat den Nachteil, dass das „Totvolumen“ V_UT recht groß ist und die erreichbare Leistungsdichte in W/kg verringert wird. Stirlingmotoren mit hoher Leistung haben deshalb einen sehr hohen mittleren Betriebsdruck.

Der problematische Wärmeaustausch wird vereinfacht, wenn ein Regenerator als Zwischenspeicher für Wärmeenergie verwendet wird. Die zwischengespeicherte Wärme bleibt im Motorinnenraum, was verkleinerte Kühl- bzw. Heizflächen erlaubt. Die Position des Regenerators hängt vom Bautyp ab, die in ihm zwischengespeicherte Wärmemenge kann bis zum Vierfachen der zugeführten Wärme betragen.

Bauformen

Man unterscheidet zwischen drei Hauptbauarten: dem Alpha-, dem Beta- und dem Gamma-Typ.

• Beim Alpha-Typ sind zwei Kolben (bei der Hubkolbenbauweise) in separaten Zylindern untergebracht und wirken um ca. 90° bis 170° versetzt auf eine gemeinsame Kurbelwelle (Empfohlene Phasenwinkel siehe im Kasten unten). Die Kinematik des Hubkolbenmotors mit zwei Zylindern auf einem Kurbelwellenzapfen und Nachlauf des gekühlten Zylinders sorgt dafür, dass das Gas in einem Kolben expandieren bzw. komprimieren kann, während der andere Kolben im OT bzw. UT wenig bewegt wird. Da beide Zylinder durch Rohrleitung und Regenerator miteinander verbunden sind, setzt sich der Arbeitstakt (Expandieren bzw. Komprimieren) im Folgetakt auf der anderen Kolbenoberseite fort. Eine verbreitete Bauart ist der doppeltwirkende Vierzylinder-V-Motor, bei dem der Kurbeltrieb vom hohen Druck des Arbeitsgases entlastet wird und die „heißen“ Kolbenoberseiten mit benachbarten „kalten“ Kolbenunterseiten zusammenwirken. Die Erfindung des Alpha-Typs geht eigentlich nicht auf Robert Stirling zurück, sondern auf einen Personenkreis um Charles Louis Felix Franchot in der Zeit von 1840 bis 1853 in Paris. Es ist abgesehen von dessen Patenten nicht bekannt, dass damals in Paris auch solche Motoren gebaut wurden. Erst ab 1870 wurden von Alexander Kirk Rider in New York 80.000 Motoren dieses Typs hergestellt, weshalb der Alpha-Typ auch Ridermotor genannt wird.
• Beta-Typ: Beide Kolben laufen in einem Zylinder, wobei der Verdränger bei kleinen Leistungen als Regenerator wirken kann. Der andere Kolben ist der Arbeitskolben; er wandelt die Druckamplituden in kinetische Energie um und schließt den Arbeitsraum ab. Der Arbeitskolben bewegt sich meist in der fortwährend gekühlten Kaltzone, während sich der Verdrängerkolben immer zwischen der Heißzone und der Kaltzone befindet.
• Beim Gamma-Typ sind Arbeits- und Verdrängerkolben in verschiedenen miteinander verbundenen Zylindern untergebracht.

Allgemein

Alle Bauformen basieren auf den gleichen vier Schritten, die den Stirlingmotor wahlweise als Wärmekraftmaschine oder Wärmepumpe arbeiten lassen. Allgemein lassen sich die jeweilige Schrittfolge und die zugehörigen Volumen folgendermaßen beschreiben:

Im Folgenden wird der Stirlingmotor der Einfachheit halber nur noch als Wärmekraftmaschine beschrieben. Der Einfachheit halber zeigen die meisten Grafiken, die den Stirlingmotor abbilden, zwei um 90° versetzte Kolben. Abhängig vom Hubraum der beiden Kolben und dem vorhandenen Temperaturgefälle muss das jedoch nicht immer so sein.

Alpha-Konfiguration

Die Alpha-Konfiguration besteht aus zwei Kolben in getrennten Zylindern. Ein Kolben wird kontinuierlich erhitzt, der andere kontinuierlich gekühlt. Der Nachlauf des kalten Kolbens beträgt theoretisch 90°, wird aber meist vergrößert, um die erforderlichen Temperaturen am heißen Zylinder reduzieren zu können und um die Kräfte auf die Kurbelwellenlager zu minimieren (siehe Kasten „empfohlene Phasenwinkel“).

• Der Großteil des Gases ist im heißen Zylinder und expandiert

• Der Großteil des Gases ist aufgeheizt im heißen Zylinder und anschließend drücken die Kolben das meiste Gas in den kalten Zylinder

• Das meiste Gas ist im kalten Zylinder, zieht sich zusammen und gleichzeitig wird es von den Kolben zusammengedrückt

• Das Gas ist nun abgekühlt im kalten Zylinder und wird anschließend in den heißen Zylinder verschoben

Die Alpha-Stirling-Konfiguration ist auch als Ridermotor bekannt.^[5]

Beta-Konfiguration

Bei der Beta-Konfiguration laufen in der Regel zwei Kolben in einem gemeinsamen Zylinder. Der Verdrängerkolben kann hier als Regenerator ausgebildet sein, er ist dann von vielen dünnen Kanälen axial durchzogen. Der Arbeitskolben läuft wie bei andern Konfigurationen auf einer um 90 Grad versetzten Kurbel der gemeinsamen Kurbelwelle. Die nutzbare Arbeit bringt allein der Arbeitskolben auf, der Verdrängerkolben wird nur bewegt, um das Gas zwischen dem heißen und dem kalten Raum zu verschieben und dessen Wärmeenergie zwischenzuspeichern. Der Arbeitsablauf kann in die folgenden vier Schritte unterteilt werden:

Bild 1→ Bild 2: Der Regenerator ist am oberen Totpunkt, das Gas unten im heißen Bereich. Durch Wärmezufuhr wird es erhitzt, dehnt sich aus und schiebt den Arbeitskolben nach oben. Durch die Bewegung des Arbeitskolbens wird auch der Verdrängerkolben bewegt aber das Heißvolumen überwiegt stets. In diesem Takt wird das Schwungrad angetrieben, weil der Druck p des Gases auf die Fläche A des Arbeitskolbens eine Kraft F ausübt.

Bild 2→ Bild 3: Das Schwungrad dreht sich aufgrund seiner Massenträgheit weiter, das Gesamtvolumen bleibt in diesem Schritt fast unverändert am oberen Punkt. Der Verdrängerkolben schiebt nun das Gas vom heißen in den kalten Bereich, wodurch es den Regenerator erwärmt und selbst abkühlt. Der Verdrängerkolben übernimmt die wichtige Aufgabe eines Wärmespeichers und muss deshalb ausreichend Masse besitzen. Im kalten Bereich wird das Gas durch Kühlrippen oder durch einen wassergekühlten Mantel weiter abgekühlt, wodurch der Druck sinkt.

Bild 3→ Bild 4: Nun gilt es zu unterscheiden: Bei hohem Innendruck muss Arbeit zugeführt werden, um den Arbeitskolben wieder zurückzuschieben, weil dafür das unter hohem Druck stehende aber kalte Gas komprimiert werden muss. Die zuzuführende Arbeit ist deutlich geringer als die abgeführte Arbeit bei der Heißexpansion und wird vom Schwungrad aufgebracht. Bei niedrigem Innendruck kann dagegen auch bei diesem Takt Arbeit verrichtet werden, indem die Außenluft auf den Kolben des Stirlingmotors drückt.

Bild 4→ Bild 1: Das Schwungrad dreht sich weiter, der Regenerator wird nach oben bewegt und verschiebt das Gas aus dem oberen kühlen Bereich in den heißen Bereich und erwärmt es dabei mit der Wärme, die im zweiten Takt gespeichert wurde. Der Zyklus beginnt von vorne.

Einen prinzipiellen Nachteil der „sanften“ Bewegung des Regenerators erkennt man im Schritt von Bild 1→ Bild 2. Obwohl dieser seinen oberen Totpunkt durchlaufen hat, bewegt sich der Kolben weiter nach oben. Dadurch kann Gas nach oben entweichen und wird dort gekühlt statt unterhalb des Regenerators aufgeheizt zu werden. Dieser systematische Fehler ließe sich vermeiden, wenn der Regenerator in diesem Schritt eng am Kolben anliegen würde. Der Flachplatten-Stirlingmotor ist hier besser konstruiert.

Spezialisierungen und Varianten

• Gamma-Konfiguration
• Flachplatten-Stirlingmotor
• Rhombengetriebe
• Philips-Stirlingmotor
• Ringbom-Stirling mit durch den schwankenden Druck im Arbeitsraum angetriebenen Verdränger

Thermodynamik

Zustandsänderungen

Der Stirling-Kreisprozess besteht aus zwei isothermen Zustandsänderungen und zwei isochoren Zustandsänderungen, die sich periodisch wiederholen. Er dient als Vorlage für das Verständnis des Stirlingmotors, wird aber nur bei idealisierten Betrachtungen erreicht, das im unteren pV-Diagramm mit der gelben Fläche verdeutlicht wird.

Takt 1→2 ist eine isotherme Ausdehnung ausgehend vom Volumen V₁ auf das Volumen V₂, bei der vom Gas Arbeit verrichtet und die Temperatur bei T_o gehalten wird. Die zugeführte Wärme Q_zu, um die Temperatur zu halten, entspricht der verrichteten Arbeit W_ab nach der Formel:

${\displaystyle Q_{zu}=W_{ab}=n\cdot R\cdot T_{o}\cdot \ln {\frac {V_{2}}{V_{1}}}={\frac {m}{M}}\cdot R\cdot T_{o}\cdot \ln {\frac {V_{2}}{V_{1}}}}$

Die isotherme Ausdehnung und damit die Arbeitsfähigkeit des Stirlingmotors wird maximal mit einem Arbeitsgas, das einen hohen Isentropenexponent und eine niedrige molare Masse aufweist. Deswegen sind Wasserstoff und Helium die bevorzugten Arbeitsgase für Stirlingmotoren. Die Nachteile von Wasserstoff sind aber der erforderliche Explosionsschutz und die Abdichtung gegen Entweichung.

Takt 2→3 ist eine isochore Abkühlung, bei der das Gas durch Wärmeabgabe an den Regenerator seine Temperatur von T_o auf T_u ändert. Die Wärmemenge beträgt:

${\displaystyle Q_{2,3}=n\cdot C_{V}\cdot (T_{u}-T_{o})}$

Takt 3→4 ist eine isotherme Kompression bei der Temperatur T_u, deren zugeführte Volumenänderungsarbeit W_zu gleich der abzuführenden Wärmemenge Q_ab ist:

${\displaystyle Q_{ab}=W_{zu}=n\cdot R\cdot T_{u}\cdot \ln {\frac {V_{3}}{V_{4}}}}$

Takt 4→1 ist eine isochore Erwärmung von der Temperatur T_u auf T_o, deren Wärme vom Regenerator stammt und an das Gas abgegeben wird. Die Wärmemenge beträgt Q_2,3 und berechnet sich wie folgt:

${\displaystyle Q_{4,1}=n\cdot C_{V}\cdot (T_{o}-T_{u})={\frac {m}{M}}\cdot C_{V}\cdot (T_{o}-T_{u})}$

Eine niedrige molare Masse des Arbeitsgases erhöhen Effizienz und Leistung des Motors. Je größer der Arbeitsdruck ist, umso kompakter kann der Motor gebaut werden. Wasserstoff und Helium haben die höchste Wärmeleitfähigkeit, dadurch können die Wärmetauscher kompakt gestaltet werden. Wasserstoff hat zusätzlich den Vorteil der kleinsten Viskosität aller Gase, wodurch die geringsten Gasreibungsverluste auftreten. Wasserstoff hat etwa die 2,7-fache Wärmekapazität von Helium, das selbst eine 4,7-fache Wärmekapazität gegenüber Luft hat.

Für die Zustandsänderungen gilt unter Verwendung folgender Abkürzungen:

• ${\displaystyle Q,W}$ = Wärmemenge, Arbeit in J
• ${\displaystyle n}$ = Stoffmenge des Arbeitsgases in mol
• ${\displaystyle m}$ = Masse des Arbeitsgases in g
• ${\displaystyle M={\frac {m}{n}}}$ = Molmasse des Arbeitsgases in g/mol
• ${\displaystyle C_{V}}$ = Molare Wärmekapazität bei V=konst. in J mol⁻¹ K⁻¹
• ${\displaystyle R}$ = Universelle Gaskonstante in J mol⁻¹ K⁻¹
• ${\displaystyle T_{o},T_{u}}$ = obere, untere Prozesstemperatur in K
• ${\displaystyle V_{2},V_{3},V_{\text{UT}}}$ = Volumen im unteren Totpunkt in m³
• ${\displaystyle V_{1},V_{4},V_{\text{OT}}}$ = Volumen im oberen Totpunkt in m³

Nutzarbeit

Die von der Maschine verrichtete Arbeit entspricht im oben dargestellten pV-Diagramm der vom Graphen umschlossenen Fläche. Im T-s-Diagramm wird die Arbeit in diesem Fall als Differenz der zugeführten und abgeführten Wärme dargestellt und ergibt die schraffierte Fläche. Die Nutzarbeit W_Nutzt lässt sich aus der Energiebilanz entsprechend der rechten Skizze ermitteln:

${\displaystyle Q_{\text{zu}}=Q_{\text{ab}}+W_{\text{Nutz}}}$

${\displaystyle W_{\text{Nutz}}=Q_{zu}-|Q_{ab}|}$

Mit obigen Beziehungen für Q_zu und Q_ab wird

${\displaystyle W_{\text{Nutz}}=n\cdot R\cdot T_{o}\cdot \ln \left({\frac {V_{2}}{V_{1}}}\right)-n\cdot R\cdot T_{u}\cdot \ln \left({\frac {V_{3}}{V_{4}}}\right)\ }$.

Setzt man für die Volumenverhältnisse

${\displaystyle {\frac {V_{2}}{V_{1}}}={\frac {V_{3}}{V_{4}}}={\frac {V_{UT}}{V_{OT}}}}$,

erhält man für die Nutzarbeit:

${\displaystyle W_{\text{Nutz}}=n\cdot R\cdot (T_{o}-T_{u})\cdot \ln \left({\frac {V_{UT}}{V_{OT}}}\right)}$

Wirkungsgrad

Der theoretische Wirkungsgrad des Stirlingmotors entspricht dem Carnot-Wirkungsgrad:

${\displaystyle \eta =1-{\frac {T_{u}}{T_{o}}}}$

Der tatsächlich realisierte Kreisprozess erreicht nicht das theoretische Maximum. Außerdem werden die Motoren selten auf eine obere Prozesstemperatur über 800 Kelvin (527 °C) ausgelegt, weil hochtemperaturfestes Material sehr teuer ist. Das Arbeitsgas im kalten Raum wiederum kann kaum unter 400 Kelvin (127 °C) gekühlt werden. Befeuerte Stirlingmotoren ohne Luftvorwärmung haben einen noch weit niedrigeren Wirkungsgrad, da der größere Teil der Wärmemenge vom Brennstoff nicht auf das Arbeitsgas übertragen werden kann. Mit einem Abgas-Wärmetauscher kann diese Wärme jedoch zur Vorwärmung der Verbrennungsluft genutzt und damit die Verluste verringert werden. Bei Niedertemperaturmaschinen, die zum Beispiel von nicht konzentrierter Sonnenstrahlung erhitzt werden, ist der Carnot-Wirkungsgrad entsprechend klein (mit T_o=53 °C und T_u=20 °C sind es 10 %). Die Verluste gegenüber der Carnot-Bedingung können jedoch gering gehalten werden.

Stirlingmotoren werden kommerziell zum Antrieb kleiner Blockheizkraftwerke (BHKW) angeboten, da sie leiser sind als Verbrennungsmotoren. BHKW mit Stirlingmotoren haben jedoch auch hier einen weit geringeren Wirkungsgrad. Das Verhältnis zwischen der Strom- (el.) und Wärmeproduktion (th.) beträgt nur ca. 1:6^[6], während BHKW mit Verbrennungsmotoren 1:2,5 erreichen. Deshalb sind heutige BHKW mit Stirlingmotor nur geeignet, wenn mit deren „schlechtem“ Wirkungsgrad hauptsächlich Raumwärme erzeugt werden soll oder wenn die Energiequelle extrem günstig ist.

Merkmale

Vorteile

• Die Wärmeerzeugung muss nicht notwendigerweise auf Verbrennung beruhen, sondern es kann jede Wärmequelle (Solarenergie beim Solar-Stirling, Erdwärme o. ä.) genutzt werden.
• Es gibt Stirlingmotoren, die nur wenige Kelvin Temperaturdifferenz benötigen, z. B. der Flachplatten-Stirlingmotor von Prof. Ivo Kolin (Universität Zagreb 1982). Auch ein Betrieb mit Eiswasser als Kühlmittel ist möglich.
• Wenn die Wärme durch Verbrennung erzeugt wird, sind beliebige Brennstoffe möglich. Die Verbrennung erfolgt kontinuierlich und erlaubt so günstige Abgaswerte.
• Stirlingmotoren sind leise, da sie weder Explosions- noch Auspuffgeräusche produzieren.
• Der Verbrauch an Schmieröl in den Zylindern ist gering oder gleich null.
• Stirlingmotoren erzeugen hohe Drehmomente vor allem bei niedrigen Drehzahlen.
• Bestimmte Bauformen können selbständig unter Last anlaufen.

Nachteile

Der reale Wirkungsgrad eines Stirlingmotors ist im hohen Maße abhängig vom Wirkungsgrad der Wärmeübertrager für Wärmeeintrag und Wärmeabfuhr. Je größer diese ausgelegt werden, desto besser. Die Größe und Masse des Motors steigen entsprechend an, weshalb Stirlingmotoren praktisch nur stationär eingesetzt werden. Neben den Materialkosten bedeutet das resultierende Leistungsgewicht Einschränkungen der Nutzbarkeit.

Die Wärmeübertrager müssen außerdem für den Druck des Arbeitsfluids ausgelegt sein, wobei zu Gunsten einer hohen Leistung auch ein hoher Druck erwünscht ist. Dies stellt besondere Anforderungen an die verwendeten Materialien, wie eine geringe Kriechneigung und Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion durch die Wärmequelle. Die Kosten für einen geeigneten Hochtemperaturwärmetauscher können typischerweise 40 Prozent der Gesamtkosten des Motors betragen.^[7]

Für einen wirtschaftlichen Betrieb wäre grundsätzlich eine hohe Temperaturdifferenz erwünscht. Aus materialtechnischen Gründen und weil Kohlenwasserstoffe in Verbrennungsmotoren einen besseren Wirkungsgrad bei geringeren Investitionskosten erreichen, ist der Einsatz von Stirlingmotoren auf billige Brennstoffe oder andere Wärmequellen angewiesen.

Ein Stirlingmotor kann nicht sofort anlaufen. Bevor die thermodynamischen Prozesse gemäß der Auslegung des Motors ablaufen, benötigt er eine Aufwärmphase. Dies gilt zwar für alle Motoren mit äußerer Verbrennung, jedoch ist die Aufwärmzeit für Stirlingmotoren typischerweise länger als beispielsweise für Dampfmaschinen.

Stirlingmotoren eignen sich nur für Anwendungen mit konstanter Drehzahl, konstantem Drehmoment oder konstanter Leistung. Eine schnelle Steuerung der Motorleistung, wie sie beispielsweise für Kraftfahrzeuge erforderlich ist, bedeutet einen aufwändigeren und komplexeren Hybridmotor. Realisierte Ansätze für langsame Leistungsregelung sind:

• Veränderung der Wärmezufuhr und des Hubraums
• Veränderung des Betriebsdrucks durch Zupumpen oder Ausleiten von Arbeitsgas.
• Veränderung der Phasenverschiebung zwischen Arbeitskolben und Verdrängerkolben

Anwendungen

Immer wieder wird Stirlingmotoren nachgesagt, sie seien die Motoren der Zukunft. Wirtschaftlich sinnvoll sind sie aber nur in speziellen stationären Anwendungen.

Anwendungsbereiche sind:

• Umwandlung von Solarenergie in mechanische Energie und Strom (Solar-Stirling).
• Geothermische dezentrale Blockheizkraftwerke zur nachhaltigen Erzeugung von Heizwärme und Elektrizität. Holzpelletbrenner erzeugen 20 Prozent elektrischen Strom und 70 Prozent Wärme.
• Bei U-Booten wird der Stirlingmotor als luftunabhängiger Antrieb eingesetzt, zum Beispiel bei der Gotland-Klasse der schwedischen Marine.

Für zukünftige Raumfahrtprojekte wird unter anderem von der NASA ein Generator mit radioaktiven Wärmequellen (z. B. Plutonium-238) entwickelt. Das als ASRG (Advanced Stirling Radioisotope Generator) bezeichnete Aggregat zur Energieversorgung von Satelliten und Landern soll gegenüber herkömmlichen Radioisotopengeneratoren einen bis zu viermal höheren Wirkungsgrad haben, was Gewicht und Kosten spart, da weniger Plutonium mitgeführt werden muss.^[8][9]

Es wird daran gearbeitet, Stirlingmotoren als Wasserpumpen in der Dritten Welt einzusetzen, wobei als Wärmequelle wenig konzentrierte Sonneneinstrahlung verwendet wird. Es wurden verschiedene Modelle getestet, der Wirkungsgrad der Maschinen wurde mit 10 bis 13 Prozent angegeben, 5 Prozent für die ganze Solarpumpe.

In der Medizintechnik wird derzeit ein Stirlingmotor entwickelt, der als Pumpe für eine Hydraulikflüssigkeit arbeitet, die wiederum die Blutpumpe von Herzunterstützungssystemen antreibt. Zum Einsatz kommt ein Freikolbenmotor mit einem thermischen Energiespeicher, der eine Speicherkapazität von acht Stunden aufweist und in einer Stunde wieder zu laden ist. Das System hat eine thermische Leistung von 21 Watt bei einer Leistungsabgabe von 3,3 Watt und wird derzeit an Tieren erprobt.

Seit dem Jahr 2010 werden gasbetriebene Stirlingmotoren auch für die Verwertung von Deponiegas eingesetzt. Der Vorteil liegt insbesondere darin, dass die beweglichen Teile des Motors keinen direkten Kontakt mit dem Deponiegas oder seinen Verbrennungsprodukten, wie zum Beispiel festes Siliciumdioxid (Sand), das aufgrund der Oxidation von Siloxanen entsteht, haben.^[10]

Umkehrung des Kreisprozesses

Der Stirlingmotor kann als Kältemaschine oder Wärmepumpe eingesetzt werden, indem seine Kurbelwelle angetrieben wird. Genau genommen bezeichnet diese Anwendung deshalb keinen Motor. Anstatt mechanische Arbeit abzugeben, wird Wärme vom kalten in den heißen Bereich befördert. In diesem Fall läuft der umgekehrte, also ein linksläufiger Stirling-Kreisprozess in der Maschine ab. Eine häufige Anwendung ist die als Kühlaggregat in hochwertigen Wärmebildkameras. Eine technische Besonderheit des Stirlingmotors ist die Möglichkeit der extremen Miniaturisierung. Das macht die Anwendung als Kältemaschine oder Wärmepumpe besonders geeignet für den Einsatz in Satelliten und Raumschiffen. Muss hingegen auf mechanisch bewegte Teile verzichtet werden, kann statt eines Stirling-Aggregats ein Pulsröhrenkühler eingesetzt werden, der den gleichen thermodynamischen Kreisprozess realisiert.

Galerie

• Animation zum Gamma-Stirlingmotor

• Animation zum Rhombengetriebe

• Solar-Stirling

• Dieses Modell läuft mit der Wärme der Hand

• Reinhold Bauer, Gescheiterte Innovationen: Fehlschläge und technologischer Wandel, Campus Verlag, 2006, S. 194 ff. ISBN 978-3-593-37973-9.
• Martin Werdich, Kuno Kübler: Stirling-Maschinen. Grundlagen – Technik – Anwendung, ökobuch-Verlag, ISBN 3-922964-96-6 (11. Aufl. 2007) – Einführung in das Thema mit Beschreibung vieler Bauformen und Anwendungen.
• Fritz Steimle, Jürgen Lamprichs, Peter Beck: Stirling-Maschinen-Technik, C. F. Müller-Verlag, ISBN 3-7880-7773-5 (2. Aufl. 2007) – Grundlagen, Konzepte, Entwicklungen, Anwendungen
• Frank Schleder: Stirlingmotoren – thermodynamische Grundlagen, Kreisprozessrechnung, Niedertemperatur- und Freikolbenmotoren. Vogel, Würzburg 2008, ISBN 978-3-8343-3116-8.
• Brent H.Van Arsdel: Around the world by Stirling engine – environmentally friendly Stirling engines, their applications worldwide and into space. American Stirling Co., San Diego 2003, ISBN 978-0-9713918-0-2.
• Ivo Kolin: Stirling motor – history, theory, practice. Zagreb Univ. Publ., Dubrovnik 1991.
• Colin D. West: Principles and applications of Stirling engines. Van Nostrand Reinhold, New York 1986, ISBN 0-442-29273-2.
• Gustav Schmidt: Theorie der Lehmann’schen calorischen Maschine, in: Zeitschrift des Vereins deutscher Ingenieure, 1871 Band XV Heft 1 Januarheft Seiten 1–12 dazu Tafel III und Heft 2 Februarheft Seiten 97–112.
• Dieter Viebach: „Der Stirlingmotor einfach erklärt und leicht gebaut“, ökobuch-Verlag, ISBN 978-3-936896-31-2 (8. verbesserte Auflage 2009) Einführung in die Stirlingmotor Technologie, ein 0,5 kW Experimentalmotor vorgestellt, Baupläne für 3 Modelle ohne Dreh- und Fräsarbeiten für Schüler und Azubis.

Weblinks

• Erklärung der Funktionsweise mit Animationen
• Der Stirlingmotor Geschichte und Gegenwart
• Stirlingmotor als Wasserpumpe in der Dritten Welt
• Bauanleitung und Erklärung zu Stirlingmotor mit Bierdosen Punkt „Stirling“ anklicken
• Kraftwerk im Keller (Der Spiegel 48/2006, Bernward Janzing)
• Erklärung des Stirling-Kreisprozesses anhand eines Applets
• Konstruktionsübung mit Erklärungen (Maschinenbau, Universität Kassel, 1998–2004)

1. ↑ Dieter Viebach: Der Stirlingmotor: einfach erklärt und leicht gebaut, ökobuch-Verlag, ISBN 3-922964-70-2 (1. Aufl. 1998), S. 82.
2. ↑ Bauer, S. 194 ff.
3. ↑ Günter P. Merker, Rüdiger Teichmann (Hrsg.), "Grundlagen Verbrennungsmotoren", Springer Fachmedien Wiesbaden, 7. Auflage 2014, Abschnitt "19.3.1 Alternative Konzepte", ISBN 978-3-658-03194-7
4. ↑ Generator und dem Stirlingmotor (PDF; 682 kB)
5. ↑ http://www.stirling-und-mehr.de/Definition_Stirlingmotor_Ridermotor.html
6. ↑ http://www.senertec.de/de/derdachs/dachs-stirling.html
7. ↑ C.M. Hargreaves: The Philips Stirling Engine. Elsevier Science, 1991, ISBN 0-444-88463-7.
8. ↑ Development of Advanced Stirling Radioisotope Generator for Space Exploration (Memento vom 5. Juni 2009 im Internet Archive) NASA-Dokument, Englisch
9. ↑ MSL-Verschiebung und neue Energiequellen, www.raumfahrer.net, 9. Januar 2009
10. ↑ Roland Haubrichs: Deponiegasverwertung mittels Stirlingmotoren. In: Behandlung und Verwertung von Deponiegas – Die neue Richtlinie VDI 3899 Blatt 1. Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN – Normenausschuss KRdL, KRdL-Schriftenreihe Band 50, ISBN 978-3-931384-81-4, S. 75–84.