Nachhaltige Wärmenutzung von Biogasanlagen - e-sieben.at

3.4.4 Stirlingmotor
In Stirlingmotoren werden Gase (Luft) mittels externer Wärmequellen komprimiert oder
ausgedehnt. Stirlingmotoren wandeln Wärme in mechanische Arbeit um, wodurch
Generatoren angetrieben werden, die Strom generieren. Das Grundkonzept von
Stirlingmotoren besteht aus einem Kreislauf in dem kaltes Gas komprimiert und erhitzt wird,
anschließend expandiert und schließlich abkühlt, bevor sich der Kreislauf von Neuem
wiederholt. Dabei ist das System geschlossen und das Gas (Luft) bleibt immer im System
ohne sich auszutauschen. Aus diesem Grund wird dieser Motor auch als externer
Verbrennungsmotor bezeichnet. Die Wärmeübertragung erfolgt durch einen Wärmetauscher
am Motor der das Gas erhitzt.
Es gibt unterschiedliche Stirlingmotoren-Typen wie den zwei-kolbigen Alphamotor sowie
Gamma- und Beta-Motoren mit Verdrängungskolbentechnologie. Abbildung 36 erklärt die
Funktionsweise von Alpha-Stirlingmotoren in vier Phasen. Ein Alpha-Stirlingmotor besitzt
zwei Kolben in jeweils einem heißen und einem kalten Zylinder. Der heiße Zylinder befindet
sich im Wärmetauscher für heiße Temperaturen, der kalte Zylinder befindet sich im kalten
Wärmetauscher. Diese Art von Motor besitzt ein hohes Kraft-Volumen-Verhältnis. Es treten
jedoch öfters technische Probleme aufgrund der hohen Temperaturen des heißen Kolbens
und der beschränkten Lebensdauer seiner Abdichtungen auf. (Siehe dazu Wikipedia:
Stirlingmotor)
1. Der Großteil des Gases ist aufgeheizt im heißen Zylinder, und die
folgende Ausdehnung hat den heißen Kolben an den linken Rand des
Zylinders gedrückt. Die Expansion setzt sich im kalten Zylinder fort.
Dieser ist 90° hinter dem heißen Zylinder und entzieht dem heißen
Gas weitere Energie.
2. Das Gas hat seine größtmögliche Ausdehnung erreicht. Der heiße
Kolben drückt das meiste Gas in den kalten Zylinder, wo das Gas
abkühlt und der Druck sinkt.
3. Das meiste Gas ist nun im kalten Zylinder und kühlt sich weiter ab.
Angetrieben von Trägheitskräften oder anderen Kolbenpaaren auf
derselben Welle komprimiert der kalte Kolben das restliche Gas.
4. Der Arbeitstakt. Das Gas erreicht seine kleinste Ausdehnung. Es
dehnt sich in dem heißen Zylinder aus, wird von den heißen
Zylinderwänden erhitzt, und treibt den heißen Kolben.
Abbildung 36: Grundprinzip eines Alpha-Stirlingmotors (Quelle: Wheeler R. (Zephyris) in Wikipedia
2007)
Prinzipiell besitzen Stirlingmotoren einen weitaus kleineren Wirkungsgrad als
Verbrennungsmotoren, weswegen sie nur in Nischenanwendung eingesetzt werden. Der
Einsatz zur Nutzung der Abwärme von Biogasanlagen in Stirlingmotoren ist möglich, aber
begrenzt, da Stirlingmotoren generell besser bei höheren Temperaturen funktionieren.
Im Handel sind derzeit nur Stirlingmotoren mit kleinen Leistungsvermögen von ca. 40 kWel
erhältlich. Auch sind die Investitionskosten noch sehr hoch. Weitere Herausforderungen
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