FBA - Stirlingmotor
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Bundesgymnasium Zaunergasse<br />
Der <strong>Stirlingmotor</strong><br />
- Der mühsame Weg der Verwirklichung -<br />
vorgelegt bei<br />
Mag. a Barbara Linnert<br />
von<br />
Daniel Huber<br />
Salzburg, am 20.02.2004<br />
- 1 -
1.1 Einleitung …………………………………………………………………… Seite 1<br />
1.2 Die Gasgesetze ……………………………………………………………… Seite 1<br />
1.2.1 Das Modell des idealen Gases ………………………………………… Seite 1<br />
1.2.2 Der Druck eines Gases ……………………………………………....... Seite 2<br />
1.2.3 Die absolute Temperatur und die Zustandsgleichung .……………….. Seite 5<br />
1.3 Die Hauptsätze der Wärmelehre ……………………………………………. Seite 6<br />
1.3.1 Die innere Energie …………………………………………………….. Seite 6<br />
1.3.2 Der erste Hauptsatz der Wärmelehre …………………………………. Seite 7<br />
1.3.3 Die spezifische Wärme ……………………………………………….. Seite 7<br />
1.3.4 Der Heizwert ………………………………………………………….. Seite 7<br />
1.3.5 Chemische Reaktionen ……………………………………………….. Seite 8<br />
1.3.6 Der zweite Hauptsatz der Wärmelehre ……………………………….. Seite 8<br />
1.4 Technische Nutzung ………………………………………………………… Seite 9<br />
1.4.1 Wärmekraftmaschinen ……………………………………………….. Seite 9<br />
1.4.2 Wärme und Arbeit ……………………………………………………. Seite 9<br />
1.4.3 Leistung des <strong>Stirlingmotor</strong>s und das pV-Diagramm .…………………. Seite 10<br />
1.4.4 Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine …………………………… Seite 11<br />
2.1 Einleitung …………………………………………………………………… Seite 12<br />
2.2 Die Dampfmaschine ………………………………………………………… Seite 13<br />
2.2.1 Funktionsweise moderner Dampfmaschinen ……………..…………… Seite 15<br />
2.3 Dampf- und Gasturbine ….………………………………………………….. Seite 18<br />
2.3.1 Dampfturbine …………………………………………………………. Seite 18<br />
2.3.2 Gasturbine …………………………………………………………….. Seite 19<br />
3.1 Die Funktionsweise …………………………………………………………. Seite 20<br />
3.1.1 Schrittweise und vereinfachte Darstellung ……………………………. Seite 21<br />
3.2 Der Regenerator und seine Funktionen ………………………..…………… Seite 24<br />
3.3 Der <strong>Stirlingmotor</strong> als Kältemaschine und Wärmepumpe ……………………. Seite 25<br />
! " # #<br />
4.1 Vorteile ……………………………………………………………………… Seite 26<br />
4.2 Nachteile ………….………………………………………………………… Seite 28<br />
4.3 Einsatzbereiche von <strong>Stirlingmotor</strong>en ………………..……………………… Seite 29<br />
- 2 -
$ " # % &<br />
5.1 Das Problem ………………………………………………………………….. Seite 30<br />
5.2 Biomasse – Die Lösung? …………………………………………………….. Seite 32<br />
5.3 Vorteile der Biomasse ……………………………………………………….. Seite 33<br />
5.4 Der Vergleich ………………………………………………………………... Seite 35<br />
5.5 Zusammenfassung ..………………………………………………………… Seite 36<br />
' ( ) ) *<br />
6.1 Einleitung .………………..…………………………………………………. Seite 37<br />
6.2 Die Aufgabe ………………………………………………………………… Seite 37<br />
6.3 Die genaue Funktionsweise ………………………………………………… Seite 39<br />
6.4 Die Arbeit kann beginnen ...………………………………………………… Seite 39<br />
6.5 Ein Problembericht …………………………………………………………. Seite 40<br />
6.5.1 Der Gerüst – Probleme und Lösungen ………………………………… Seite 40<br />
6.5.2 Das Reagenzglas – Probleme und Lösungen …………………………. Seite 41<br />
6.5.3 Der Arbeitskolben – Probleme und Lösungen ………………………… Seite 42<br />
6.6 Die Feineinstellung …………………………………………………………. Seite 44<br />
- 3 -
"......These imperfections have been in great<br />
measure removed by time and especially by<br />
the genius of the distinguished Bessemer. If<br />
Bessemer iron or steel had been known thirty<br />
five or forty years ago there is scarce a doubt<br />
that the air engine would have been a great<br />
success...It remains for some skilled and<br />
ambitious mechanist in a future age to repeat<br />
it under favourable circumstances and with<br />
complete success...."<br />
Rev'd Dr. Robert Stirling (1790-1878)<br />
Als der schottische Geistliche Reverend Robert Stirling 1816 seinen <strong>Stirlingmotor</strong> erfand, war<br />
er gerade einmal 26 Jahre alt. Er machte sich große Hoffnungen für sein Konzept. Schon viele<br />
Todesopfer waren damals in seiner Gemeinde zu beklagen. Grund dafür waren<br />
Hochdruckdampfmaschinen, welche<br />
reihenweise in die Luft flogen, um im<br />
verheerenden Ausmaß viele Arbeiter in<br />
den Tod zu reißen. Das Material, das den<br />
Konstrukteuren damals zur Verfügung<br />
stand, war den hohen Anforderungen<br />
schlicht und einfach noch nicht<br />
gewachsen. Die Arbeitsweise der<br />
Dampfmaschinen erforderte einen hohen<br />
Druck im Inneren. Stirlings<br />
Wärmekraftmaschine war dagegen ein<br />
gelungenes Konzept, welches sehr<br />
friedlich und laufruhig arbeitete und von<br />
welchem keine Gefahr ausging, da kein<br />
hoher Druck in solchen Dimensionen<br />
vorhanden war. Die einzige Gefahr,<br />
welche vom <strong>Stirlingmotor</strong> zweifellos ausging, war jene, die Dampfmaschine ablösen zu<br />
können. 1<br />
Heute, knapp 200 Jahre später, können wir sagen, dass diese Maschine Stirlings Erwartungen<br />
noch nicht gerecht werden konnte. Kaum jemand kennt die Funktion eines <strong>Stirlingmotor</strong>s<br />
oder kann auch nur seine Funktionsweise erklären. Selbst ich war unter denjenigen. Diese<br />
bedauerliche Tatsache änderte sich in meinem Fall jedoch im Jahr des Physik-<br />
Wahlpflichtfachs 2002/2003. Für die werten Leser meiner Fachbereichsarbeit sollte dieser<br />
„Unwissenheitszustand“ spätestens mit der letzten Seite vorüber sein.<br />
1 vgl. ANONYMUS (2001) Origins Of The Stirling Heat Machine -http://www.stirlinghotairengine.com/history.htm , 18.02.2004<br />
- 4 -
Um den <strong>Stirlingmotor</strong> zu verstehen, bedarf es erst einmal der ganzen theoretischen<br />
Grundlagen. Dieses Kapitel enthält essentielle Dinge, die man nicht außer Acht lassen sollte,<br />
wenn man sich mit der Materie <strong>Stirlingmotor</strong> und Thermodynamik genauer auseinander setzt.<br />
Die Kenntnis der Gasgesetze erweist sich bei der Konstruktion von Wärmekraftmaschinen als<br />
unentbehrlich. Sie bilden eine wichtige Basis für die technische Anwendung der Wärmelehre.<br />
Es besteht nämlich ein Zusammenhang zwischen dem Druck, der Temperatur und dem<br />
Volumen eines Gases, welcher sich durch die Gasgesetze ausdrücken lässt.<br />
In festen Körpern und in Flüssigkeiten reichen die Molekularkräfte, also die Kräfte zwischen<br />
den einzelnen Teilchen aus, um diese trotz ihrer thermischen Bewegung aneinander zu<br />
binden. In Gasen ist dem nicht so, denn hier ist die kinetische Energie (Bewegungsenergie)<br />
größer als die Bindungsenergie. Daher bewegen sich Gasmoleküle mit hoher Geschwindigkeit<br />
und füllen bei normalen Temperaturen jeden Behälter vollständig und gleichmäßig aus.<br />
Sie besitzen weiters zwei charakteristische Eigenschaften: Ihre Dichte ist gering und sie<br />
lassen sich leicht zusammenpressen. Dies weist darauf hin, dass der Abstand zwischen den<br />
Gasteilchen im Mittel sehr groß sein muss. Zur Veranschaulichung: 1m³ Wasser wiegt 1000<br />
Kilogramm, 1m³ Luft dagegen nur 1 Kilogramm. Daraus ergibt sich ein etwa 1000mal<br />
größerer Raum für jedes Luftmolekühl im Gegensatz zu einem Wassermolekül. Dies<br />
wiederum ergibt einen mittleren Abstand von etwa 10 Moleküldurchmesser voneinander. In<br />
diesen für molekulare Verhältnisse großen Entfernungen sind die Molekularkräfte bereits<br />
unmerklich klein. Wenn wir die Schwerkraft nun aus dem Spiel lassen, bewegen sich die<br />
einzelnen Teilchen also so lange geradlinig, bis sie auf ein Hindernis treffen, wie z.B. die<br />
Gefäßwand oder andere Teilchen. Zusammenstöße mit anderen Teilchen sind sehr häufig. In<br />
den unteren Luftschichten kommen sie ca. eine Milliarde Mal, pro Sekunde vor. Zwischen<br />
jedem einzelnen Stoß bewegt sich das Molekül ca. 1000 Moleküldurchmesser fort.<br />
Zusammengefasst bedeutet das: Unter einem idealen Gas versteht man ein Medium, dessen<br />
Teilchen im Vergleich zum mittleren Abstand eine verschwindend kleine Ausdehnung besitzen<br />
und nur durch elastische Stöße wechselwirken.<br />
2 vgl. Sexl – Raab – Streeruwitz (1990) Physik 2. Seite 48-58<br />
- 5 -
Die Erklärung des Gasdruckes bereitete den früheren Naturwissenschaftlern große<br />
Schwierigkeiten. Es entstanden viele kuriose Ideen und Erklärungsversuche. Doch 1738<br />
veröffentlichte der Schweizer Mathematiker Daniel Bernoulli (1700-1782) eine Rechnung,<br />
die den Gasdruck mit der Bewegung der Moleküle in Zusammenhang brachte. Diese<br />
Rechnung wurde durch mehrere Beobachtungen und Experimente verifiziert.<br />
Er stellte sich einen Behälter mit einem Gasteilchen vor, welches auf einer geraden Bahn mit<br />
hoher Geschwindigkeit durch den leeren Raum fliegt und auf eine Wand prallt, wiederum<br />
zurückfliegt und so nie zur Ruhe kommt. Infolge dieser Bewegung hat jede Wand andauernd<br />
Stöße abzufangen. Auch wenn der Stoß eines einzelnen Teilchens nicht viel ausmacht, so<br />
üben doch viele Trillionen Teilchen, die sich tatsächlich in einem solchen Behälter befinden,<br />
einen heftigen Druck auf die Wände des Behälters aus.<br />
Zur Berechnung des Druckes nimmt man einen würfelförmigen Behälter, in dem das Gas<br />
völlig regellos umherfliegt. Die innere Energie des idealen Gases ist durch die kinetische<br />
Energie dieser Molekularbewegung gegeben. Wenn man nun die Geschwindigkeit eines jeden<br />
Teilchens in Komponenten zerlegt, die die Richtung der Würfelkanten haben, so ergeben sich<br />
sechs verschiedene Bewegungsrichtungen (vor, zurück, rechts, links, rauf, runter), von denen<br />
keine den anderen gegenüber bevorzugt ist. Auf diese Weise kann man in der Berechnung die<br />
ungeordnete Bewegung der Moleküle durch eine Bewegung ersetzen, bei der sich je ein<br />
Sechstel der Moleküle senkrecht auf eine der sechs Wandflächen des Würfels zubewegt.<br />
Während einer Sekunde stoßen zahlreiche Moleküle auf die Wand. Jedes Molekül erleidet<br />
während des Stoßes eine Impulsänderung. Die gesamte sekundliche Impulsänderung ist aber<br />
gerade die Kraft, die die Wand auf die Gasmoleküle ausübt. Nach dem allgemeinen<br />
Wechselwirkungsgesetz ist dies aber auch die Kraft, die die Gasmoleküle durch ihren<br />
Aufprall auf die Wand ausüben. Die Rechnung läuft also letzten Endes auf die Ermittlung der<br />
sekundlichen Impulsänderung hinaus.<br />
Jedes Molekül der Masse m hat vor dem Stoß den Impuls +m v, nach dem Stoß den Impuls –<br />
m v. Seine Impulsänderung ist also 2m v. Im Zeitintervall t prallen nun all jene Moleküle auf<br />
die Wand, die auch zur Wand fliegen und nicht weiter als v t von der Wand entfernt sind.<br />
Befinden sich N Moleküle im Behälter und hat der Behälter das Volumen V, so befinden sich<br />
im Kubikmeter (N/V) Moleküle. Ein Quader mit der Grundfläche A und der Höhe v t enthält<br />
daher (N/V) A v t Moleküle. Von diesen laufen aber nur (1/6) auf die Wand zu.<br />
Nach ein paar Überlegungen, diversen Formeln und Umformungsschritten kommt man zum<br />
Ergebnis der von Bernoulli angestellten Überlegung:<br />
Der Druck eines idealen Gases beträgt:<br />
wobei unter m v² / 2 die mittlere kinetische Energie eines Moleküls zu verstehen ist.<br />
- 6 -
Dieser Zusammenhang lässt sich nun experimentell bestätigen. Weil die Temperatur ein Maß<br />
für die thermische Bewegung der Moleküle ist, bleibt bei konstanter Temperatur die<br />
kinetische Energie der Molekularbewegung konstant. Wird nun das Volumen um die Hälfte<br />
verkleinert, so steigt die Zahl der Molekühle auf gleich bleibendem Raum und somit auch die<br />
sekundliche Zahl der Wandstöße auf das Doppelte an. Dies zieht demnach eine Verdopplung<br />
des Druckes nach sich.<br />
In allgemeiner Form können wir den Gasdruck als Funktion des Volumens aus der von<br />
Bernoulli angestellten Rechnung gewinnen.<br />
Bei konstanter Temperatur gilt:<br />
Dies ist das Boyle-Mariotte’sche Gesetz. Es lautet:<br />
p . V = const.<br />
Um das zu überprüfen, kann man in einem Kolben Luft<br />
zusammenpressen. An einer Skala wird das Volumen<br />
abgelesen, an einem Manometer der dazugehörige Druck.<br />
Die Messresultate sind im Diagramm (rechts) festgehalten.<br />
Die Kurve drückt die Abhängigkeit des Druckes vom<br />
Volumen aus. Sie wird als Isotherme (Kurve gleicher<br />
Temperatur) bezeichnet. Bei niedrigen Drücken von einigen<br />
Bar stimmen die experimentellen Werte mit den<br />
theoretischen Vorhersagen ausgezeichnet überein.<br />
Bei hohem Druck ergeben sich aber Abweichungen. Das<br />
Gas nimmt dann ein größeres Volumen ein als<br />
vorhergesagt und lässt sich kaum mehr zusammendrücken.<br />
Verwunderlich ist dies jedoch nicht, weil wenn das Gas so<br />
stark zusammengepresst ist, dass die Moleküle einander<br />
fast berühren, gelten die Modellannahmen von einem<br />
idealen Gas nicht mehr, sondern man spricht dann von<br />
einem realen Gas. Bei diesem können die Ausdehnung der<br />
Moleküle und die zwischen ihnen wirkenden<br />
Molekularkräfte nicht mehr vernachlässigt werden.<br />
Laut obigen Schätzungen steht einem Luftmolekül ca. 1000mal mehr Volumen zur Verfügung<br />
als einem Wassermolekül. Erhöht man den Luftdruck um das 1000fache, also auf 1000 bar,<br />
werden die Moleküle sich in etwa gleich nahe kommen wie in Wasser, wo sie einander<br />
berühren. Zu erwarten sind daher starke Abweichungen vom Boyle-Mariotte’schen Gesetz.<br />
Tatsächlich machen sich diese Abweichungen schon ab einem Druck von ungefähr 400bar<br />
bemerkbar.<br />
- 7 -
Unterschreitet die Temperatur einen für Gas typischen Wert (kritische Temperatur des Gases),<br />
so tritt eine weitere Abweichungen auf, welche von großer Bedeutung ist. Erhöht man<br />
nämlich den Druck des Gases in einem solchen Temperaturbereich, geht das Gas ab einem<br />
bestimmten Wert in den flüssigen Zustand über.<br />
Bei den bisherigen Überlegungen und Versuchen wurde die Temperatur konstant gehalten um<br />
den Zusammenhang zwischen Druck und Volumen zu untersuchen. Im Diagramm auf der<br />
rechten Seite wurde festgehalten, wie sich der<br />
Druck verhält, wenn man die Temperatur bei gleich<br />
bleibendem Volumen verändert. Der Druck gibt die<br />
mittlere kinetische Energie der Moleküle wieder. Es<br />
ist eine Gerade zu erkennen, welche, zu negativen<br />
Temperaturen hin verlängert, einen Druck von Null<br />
bei -273° C erkennen lässt. Bei dieser Temperatur<br />
verschwindet also die Molekularbewegung. Dieses<br />
merkwürdige Ergebnis gilt, wie verschiedene<br />
Versuche zeigen, für alle Gase in gleicher Weise. -273° C (genauer: -273,15 °C) muss<br />
demnach die tiefstmögliche Temperatur und daher der absolute Nullpunkt sein.<br />
Der englische Physiker Lord Kelvin führte im Jahre 1850 eine andere Temperaturskala,<br />
aufbauend auf dem absoluten Nullpunkt, ein. Seine Einheiten K (Kelvin) unterscheiden sich,<br />
von der Größe her betrachtet, nicht mit der Einheit C (Celsius). Nur ist der Nullpunkt bei 273<br />
Grad tiefer angesiedelt. Der Gefrierpunkt des Wassers beträgt somit 273 K (0 °C) und der<br />
Siedepunkt 373 K (100° C). Es gibt daher auch keine negativen Kelvin Grade.<br />
Die Einführung dieser absoluten Temperaturskala erlaubt es also, die Abhängigkeit des<br />
Gasdruckes von der Gastemperatur bei konstantem Gasvolumen sehr einfach zu formulieren.<br />
(Gay-Lussacsches Gesetz nach dem französischen Physiker Louis Joseph G.-L. benannt)<br />
- 8 -
Die beiden rechts stehenden Resultate<br />
kann man miteinander vereinigen um die<br />
mittlere kinetische Energie der Moleküle<br />
mit der absoluten Temperatur in<br />
Zusammenhang zu bringen.<br />
! "<br />
Jetzt muss nur noch ein numerischer Wert für die Klammer (die durch k vereinfacht wurde)<br />
bestimmt werden. Dazu bezieht man sich zweckmäßig für jedes Gas auf die gleiche Anzahl<br />
von Molekülen, die gleiche Temperatur und den gleichen Druck. T0 = 273K und p0 = 1 bar.<br />
Daher besagt das Gesetz von Avogadro: Ein Mol eines beliebigen Gases nimmt bei einem<br />
Druck p0 = 1 bar und einer Temperatur T0 = 273 K das Volumen V0 = 22,7dm³ ein.<br />
Daraus folgt: Bei gleichem Druck und gleicher Temperatur verhalten sich die Volumina<br />
zweier Gase so wie deren Molekülzahlen. Bei gleichem Druck und gleicher Temperatur<br />
enthalten gleich große Volumina verschiedener Gase gleich viele Moleküle.<br />
Die Zahl der Teilchen in einem Mol ist durch L= 6.10 23 gegeben. Mit dem Gesetz von<br />
Avogadro ist es nun möglich, den Klammerausdruck k zu berechnen. Der einheitliche Wert<br />
von V0 hat zur Folge, dass k für alle Gase den gleichen Wert hat:<br />
Diese Konstante heißt Boltzmann-Konstante: k = 1,38 . 10 -23 J/K<br />
Dies ergibt folgendes wichtiges Resultat: Die mittlere kinetische Energie der Moleküle eines<br />
Gases ist proportional zur absoluten Temperatur. Der Proportionalitätsfaktor hat für alle<br />
Gase den gleichen Wert.<br />
Man kann weiters nachweisen, dass diese Beziehung zwischen der mittleren kinetischen<br />
Energie der Moleküle und der absoluten Temperatur nicht nur für Gase, sondern auch für<br />
Flüssigkeiten und Festkörper gilt. So erweist sich die absolute Temperatur als universelles<br />
Maß der Molekularbewegung. Vereint man nun beide Hauptresultate<br />
so erhält man eine grundlegende Beziehung, nämlich die Zustandsgleichung idealer Gase:<br />
Das Produkt aus Druck p und Volumen V eines idealen Gases ist proportional zur absoluten<br />
Temperatur T und zur Zahl der Gasmoleküle N. Es gilt: p V = N k T<br />
- 9 -
# $ %$ !<br />
Im Folgenden werden die zwei Hauptsätze der Wärmelehre angesprochen. Die Wärmelehre<br />
bildet die Grundlage für moderne Kraftwerkstechnik.<br />
Man kann die Energieumwandlung, die bei der Abbremsung eines auf waagrechter, rauer<br />
Unterlage gleitenden Körpers auftritt, beobachten. Die Geschwindigkeit nimmt ab,<br />
wohingegen die ungeordnete, thermische Bewegung seiner Moleküle zunimmt. Die unebene,<br />
raue Unterlage bewirkt also, dass sich die geordnete Bewegung der Moleküle im gleitenden<br />
Körper, in ungeordnete, thermische Bewegung des zur Ruhe gekommenen, erwärmten Körper<br />
verwandelt. Die kinetische Energie des gleitenden Körpers geht also beim Abbremsen nicht<br />
verloren, sondern ist als „innere Energie“ im Körper wiederzufinden.<br />
Dies lässt vermuten, dass die Gesamtenergie bei Berücksichtigung der inneren Energie (U)<br />
auch in reibungsbehafteten, abgeschlossenen Systemen erhalten bleibt.<br />
Der Energiesatz besagt: In einem abgeschlossenen System bleibt die Gesamtenergie konstant.<br />
Die einzelnen Energieformen können sich ineinander umwandeln.<br />
½ mv² + mgh + U = E<br />
Die Aufstellung dieser allgemeinen Form des Energiesatzes, in welchem die kinetische, die<br />
potentielle und die innere Energie auftreten, war eine der Hauptleistungen der Physik im 19.<br />
Jahrhundert.<br />
Im nächsten Schritt gilt es festzustellen, welche Form der Energiesatz in nicht<br />
abgeschlossenen Systemen annimmt. In nicht abgeschlossenen Systemen kann man sowohl<br />
die kinetische als auch die potentielle und die innere Energie durch Arbeit erhöhen.<br />
Ein Beispiel dafür, ist eine Fahrradpumpe, welche beim Aufpumpen eines Fahrradschlauches<br />
heiß wird. Da man an der Pumpe Arbeit verrichtet und dadurch die innere Energie der Luft<br />
steigt, ist klar zu erkennen, dass durch Zufuhr von Arbeit W die innere Energie U erhöht wird.<br />
Daneben gibt es noch eine zweite Möglichkeit, nämlich die Wärmeübertragung von einem<br />
heißeren Körper. An den Grenzflächen eines Heizkörpers z.B. kommt es zu Stößen zwischen<br />
den schnelleren Molekülen des heißeren Körpers und zwischen den kälteren des anderen<br />
Körpers. Die Temperatur gleicht sich aus, da die schnelleren Moleküle so langsamer werden<br />
und umgekehrt. Schließlich nimmt die Temperatur überall den gleichen Wert an. Dies sorgt<br />
jedoch nicht nur für einen Temperaturausgleich, sondern es findet auch eine<br />
Energieübertragung vom heißen auf den kalten Körper statt. Die überfließende Energiemenge<br />
nennt man Wärme Q.<br />
Wärme bezeichnet also keine neue Energieform, sondern eine Energiemenge, die von der<br />
thermischen Molekularbewegung des einen Körpers auf die des Anderen übergeht. Die<br />
Energieübertragung kann auf verschiedene Weisen erfolgen, durch Wärmeleitung bei<br />
Berührung, durch Konvektion, wenn Gas/Flüssigkeiten zwischen einem kälteren und<br />
wärmeren Körper zirkulieren, oder durch Wärmestrahlung, wie am Beispiel der Sonne zu<br />
sehen ist.<br />
3 vgl. Sexl – Raab – Streeruwitz (1990) Physik 2. Seite 71-77<br />
- 10 -
# %$ !<br />
Somit bilden die Erkenntnisse, dass die innere Energie eines Körpers sowohl durch Arbeit als<br />
auch durch Wärme erhöht werden kann, den ersten Hauptsatz der Wärmelehre.<br />
Die innere Energie eines Körpers kann durch Zufuhr von Arbeit und durch Zufuhr von<br />
Wärme erhöht werden.<br />
U = W + Q<br />
& %$ !<br />
Kurz gesagt ist die spezifische Wärme eines Stoffes jene Energie, die man zur Erwärmung<br />
von 1kg dieses Stoffes um 1° C benötigt.<br />
Genaue Messungen zeigen, dass 4187 Joule erforderlich sind um 1kg Wasser um 1° C zu<br />
erwärmen. Mit dieser Energie könnte man 1kg Wasser auch um 472m heben oder auf<br />
300km/h beschleunigen. Man sieht also, dass zum Erwärmen von Wasser und für andere<br />
Heizzwecke Energiemengen erforderlich sind, die erheblich über den anderen Formen des<br />
täglichen Energiebedarfes liegen. Daher ist Energiesparen vor allem beim Heizen möglich.<br />
' # (<br />
Der Heizwert eines Stoffes ist besonders bei Brennstoffen von Bedeutung. Er gibt an, welche<br />
Energiemengen bei der Verbrennung von 1kg einer Substanz an die Umgebung abgegeben<br />
werden.<br />
Soll nun Energie an die Umwelt abgegeben werden, so muss die innere Energie des Systems<br />
„Brennstoff + Sauerstoff“ abnehmen. Am Beispiel der Verbrennung von C (Kohlenstoff) ist<br />
dies z.B. zu beobachten:<br />
C + O2 CO2<br />
Hierbei entsteht also aus einem Kohlenstoffatom und einem Sauerstoffmolekül ein<br />
Kohlendioxidmolekül. Diese Reaktion lässt sich in zwei Teile zerlegen. Zuerst wird das<br />
Sauerstoffmolekül getrennt, wozu Energie aufgewandt werden muss, um dessen<br />
Bindungsenergie zu überwinden. Danach kommt es zum umgekehrten Vorgang. Es wird<br />
keine Bindung getrennt, sondern eine Bindung eingegangen. Es muss also keine Energie mehr<br />
aufgebracht werden, sondern es wird Energie frei. Die Bindungsenergie ist für das<br />
Kohlendioxidmolekül höher als jene für das Sauerstoffmolekül. In der neuen Anordnung<br />
besitzen die Atome eine geringere innere Energie. Daraus folgt, dass in Summe Energie frei<br />
wird. Diese Energie wird in Form von Wärme an die Umwelt frei.<br />
Oft werden Heizwerte auch als „spezifische Verbrennungswärme“ bezeichnet. Im Alltag wird<br />
Energie in Kilowattstunden (kWh) gemessen. 1kWh entspricht 3,6 . 10 6 J. Der Heizwert des<br />
Kohlenstoffes ist also dementsprechend 9kWh/kg.<br />
- 11 -
) * ! +<br />
Es gibt zwei Arten von chemischen Reaktionen. Auf der einen Seite exotherme Reaktionen,<br />
bei denen die Atome nach der Reaktion stärker aneinander gebunden sind als vorher und bei<br />
denen ein Teil der inneren Energie als Arbeit oder Wärme an die Umwelt abgegeben wird.<br />
Auf der anderen Seite endotherme Reaktionen, bei denen der Umwelt Energie entzogen wird,<br />
um Moleküle mit hoher innerer Energie aufzubauen.<br />
Verbrennung von Kohle zählt man zu den exothermen Reaktionen, die Aufspaltung von<br />
Wasser in seine Einzelteile, also Wasserstoff und Sauerstoff, dagegen zu den endothermen.<br />
, ( # %$ !<br />
Ein weiterer Sachverhalt ist auch noch festzuhalten. Dieser wird im zweiten Hauptsatz der<br />
Wärmelehre beschrieben:<br />
Wärme fließt von selbst nur von einem Körper höherer Temperatur auf einen Körper tieferer<br />
Temperatur über.<br />
Dies klingt Anfangs sehr plausibel, doch bedarf es einer genaueren Betrachtung, denn der 2.<br />
Hauptsatz der Wärmelehre ist von wichtiger Bedeutung. Der erste Hauptsatz der Wärmelehre<br />
würde nämlich auch das Gegenteil zulassen. Trotzdem beobachtet man aber nie, dass sich z.B.<br />
eine Suppe im Topf am Herd abkühlt, während sich die heiße Herdplatte darunter noch stärker<br />
aufheizt, oder das Wasser in einer Blumenvase zu sieden beginnt, während die Lufttemperatur<br />
sinkt. Ganz im Gegenteil. Die selbstständige Wärmeübertragung führt stets zu einem<br />
Temperaturausgleich und nicht zu einer Vergrößerung der Temperaturunterschiede. Der<br />
zweite Hauptsatz ist also ein wichtiges Gesetz, das die Richtung der Naturvorgänge festlegt.<br />
Unter Arbeitsaufwand ist es wiederum sehr wohl möglich, dass Wärme von einem kalten auf<br />
einen warmen Körper übergeht. Dies ist z.B. beim Kühlschrank zu beobachten, dort wird den<br />
bereits kalten Körpern Wärme entzogen und an die Umwelt abgegeben, wodurch sich diese<br />
erwärmt. Der dazu nötige Arbeitsaufwand ist auf der Stromrechnung ersichtlich.<br />
- 12 -
' -<br />
' %$ ! & !<br />
Wärmekraftmaschinen beruhen auf der Möglichkeit, Wärme in Arbeit umzuwandeln. Im<br />
Folgenden wird auf die physikalischen Grundlagen der Umwandlung von Wärme in Arbeit<br />
eingegangen.<br />
' %$ ! .<br />
Es ist sehr einfach Arbeit in Wärme umzuwandeln. Dies geschieht oft als unangenehmer<br />
Nebeneffekt z.B. bei Reibung. Der umgekehrte Weg, von der Wärme zur Arbeit, ist um<br />
einiges schwieriger.<br />
Das angewendete Grundprinzip ist jedoch bei allen<br />
Wärmekraftmaschinen gleich. Ein beweglicher Kolben in<br />
einem Zylinder wird vom Druck p der Moleküle eines<br />
Gases eine Strecke x nach außen bewegt. Wenn nun A<br />
die Kolbenfläche bezeichnet, so ist die Kraft auf den<br />
Kolben durch F = p A gegeben. Die bei der<br />
Volumenausdehnung des Gases verrichtete Arbeit W ist<br />
gleich dem Produkt Kraft mal Weg, also<br />
W = F x = p A x = p V<br />
wobei V = A x die Volumszunahme des Gases ist. Bei dieser Expansion kühlt sich das<br />
Gas ab, wenn keine Wärme zugeführt wird.<br />
Um nun möglichst leistungsfähige Maschinen zu konstruieren,<br />
ist es erforderlich, diese Expansionsarbeit möglichst genau zu<br />
kennen. Um W zu messen, hat sich schon damals James Watt<br />
einen Mechanismus ausgedacht. Er stellte fest, dass die Arbeit<br />
W der Fläche eines Rechteckes mit der Höhe p und der breite<br />
V entspricht. Misst man nun den Druck, während sich das<br />
Gas ausdehnt, und trägt ihn in Abhängigkeit vom Volumen<br />
auf, so kann man die verrichtete Arbeit direkt ablesen. Die<br />
Arbeit W wird durch die Fläche unter dem Graphen p(V) im<br />
pV-Diagramm gegeben.<br />
Grundlage einer jeder Wärmekraftmaschine ist also die<br />
Arbeit, die bei der Expansion von Gasen gewonnen wird.<br />
Diese kann im pV-Diagramm als Fläche unter der<br />
Druckkurve (rechts zu sehen) abgelesen werden.<br />
Es gibt hier zwei Arten zu unterscheiden, nämlich ob der<br />
Vorgang bei gleicher Temperatur (isotherm) oder ohne<br />
Austausch von Wärmeenergie (abiabatisch) erfolgt.<br />
- 13 -
Bei der isothermen Kompression eines idealen Gases, die nach dem Boyle-Mariotteschen<br />
Gesetz p V = const. abläuft, wird Wärmeenergie an die Umgebung abgeführt. Andernfalls<br />
würde die bei der Kompression zugeführte innere Energie (Bewegungsenergie der Moleküle)<br />
zu einer Aufheizung (vgl. Fahrradpumpe) führen.<br />
Bei der abiabatischen Kompression wird der Austausch von Wärmeenergie verhindert.<br />
Dadurch steigt die Temperatur des Gases und die Wärmebewegung des Gases nimmt zu. Bei<br />
dieser Form der Kompression kommt zum Druckanstieg durch die Erhöhung der<br />
Teilchendichte noch der Druckanstieg durch die Temperaturerhöhung hinzu. So steigt der<br />
Druck bei der abiabatischen Kompression idealer Gase stärker als umgekehrt proportional<br />
zum Volumen – wie dies bei der isothermen Kompression der Fall ist.<br />
Mit einer einmaligen Kompression ist aber noch nicht viel gewonnen. Wärmekraftmaschinen<br />
sollen ja ständig Wärme in Arbeit umwandeln. Dies ist bei periodisch arbeitenden Maschinen<br />
der Fall. Die erste Vertreterin dieser Gattung war die Dampfmaschine um 1700. Heute sind<br />
Benzin- und Dieselmotor die meistverwendeten Wärmekraftmaschinen. In<br />
Wärmekraftwerken sind noch immer „Verwandte“ der Dampfmaschine, nämlich die<br />
Dampfturbinen zu finden.<br />
' / 0 ! 1 !! '<br />
Um einen <strong>Stirlingmotor</strong> beurteilen zu können, müssen wir zuerst die 4 Takte eines<br />
<strong>Stirlingmotor</strong>s in ein p-V-Diagramm eintragen. Ein p-V-Diagramm ist ein 2-dimensionales<br />
Koordinatenfeld, welches aus 2 Achsen besteht. Auf der X-Achse (horizontal) wird das<br />
Volumen (V) aufgetragen, auf der Y-Achse (vertikal) wird der Druck (P; steht für pressure)<br />
aufgetragen. Die Fläche gibt die Arbeit an, welche bei<br />
einem idealen Zyklus des Kreisprozesses verrichtet<br />
wird. Dies ist jedoch der ideale Stirlingzyklus, welcher<br />
von der Realität abweicht, da die Maximalwerte für<br />
Druck- und Volumenänderung nicht erreicht werden.<br />
Dadurch ist beim realen Stirlingprozess die durch den<br />
Kreisprozess umschriebene Fläche innerhalb des<br />
Diagramms kleiner. Sie beträgt tatsächlich nur etwa<br />
1/3 bis 1/5 der Fläche des idealen Prozesses. Folgende<br />
Ursachen können dafür verantwortlich gemacht<br />
werden:<br />
Da mit den im Motorbau verwendeten Kurbeltrieben<br />
nur eine (annähernd) sinusförmige Kolbenbewegung<br />
möglich ist, sind die eigentlichen Ecken im Diagramm<br />
abgerundet.<br />
4 vgl. Dieter Viebach (1998) Der <strong>Stirlingmotor</strong> – einfach erklärt und leicht gebaut S.12<br />
- 14 -
Auch Toträume, die zwangsläufig in Stirlingmaschinen vorkommen, sind nicht sehr<br />
Leistungsfördernd. Es handelt sich dabei um Zwischenräume zwischen dem<br />
Regeneratormaterial, die jeweiligen Endspalten in den Todpunkten des Erhitzers im unteren<br />
Teil, sowie in den Todpunkten des Kühlers im oberen Teil des Motors und, in großen<br />
Stirlingmaschinen, auch den Raum in den Erhitzerröhren, im Kühler und in den<br />
Verbindungskanälen. Durch die Todräume verringern sich das Verdichtungsverhältnis und<br />
damit auch die maximale erreichbare Druckänderung beim Durchlaufen eines Kreisprozesses.<br />
Im Diagramm oben entspricht der reale Kreisprozess einer Verschiebung der ovalen Fläche<br />
nach rechts.<br />
' ' % %$ ! & !<br />
Der übliche Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine liegt bei 20 bis 40%. Das bedeutet<br />
also, dass bis zum Vierfachen der gewonnenen Arbeit, in Form von Abwärme, an die Umwelt<br />
abgegeben wird.<br />
- 15 -
%$ ! & !<br />
Nachdem die theoretischen Grundlagen abgeschlossen sind, folgen nun die Konzepte der<br />
einzelnen Wärmekraftmaschinen, nämlich das der Gasturbine und das der Dampfmaschine.<br />
Der geschichtliche Rückblick führt geradewegs in das 2. Jhdt. vor Christus, in die Antike, zu<br />
Heron. Er hatte eine, für den unwissenden Beobachter, sehr geheimnisvolle Methode, seine<br />
Tempeltüren zu öffnen, oder besser gesagt,<br />
öffnen zu lassen. Neben dem Tempel war ein<br />
Steinaltar (a), auf welchem ein Feuer<br />
entzündet wurde. Die Luft darin breitete sich<br />
aus, verursachte damit eine Drucksteigerung<br />
in der Kugel (b), welche zum Teil mit Wasser<br />
gefüllt war. Dadurch wurde Wasser in den<br />
kleinen Behälter (d) über einen Siphon (c)<br />
geleitet. Dieser folgte den Gesetzen der<br />
Schwerkraft nach unten, bewegte somit die 2<br />
Säulen (f), welche über ein Seil (e) verbunden<br />
waren. Die Tempeltüren öffneten sich wie von<br />
Geisterhand. Wurde das Feuer gelöscht, ging<br />
alles wieder den umgekehrten Weg. Der<br />
Luftdruck sank auf Grund der sinkenden Temperatur, das Wasser wurde zurück in die Kugel<br />
gepumpt, der Behälter wurde leichter, hob sich und somit wurden die Tempeltüren wieder<br />
verschlossen. 5<br />
Seine zweite Erfindung war die so genannte<br />
Äolipile, eine Dampfreaktionskugel, welche<br />
nach dem Rückstoßprinzip funktionierte.<br />
Dieses half der Kugel, sich, durch heißen<br />
Dampf angetrieben, zu bewegen.<br />
Durch diese beiden, aus frühester Zeit<br />
überlieferten, Erfindungen wurde es dem<br />
Menschen möglich, thermische Energie in<br />
mechanische Energie umzuwandeln. 6<br />
5 vgl. Hermann Schmidt (2002) Die Geschichte der Heißluftmotoren www.stirlingmotor.com Geschichte_HL.pdf Seite 4<br />
6 vgl. Klaus Krug (?) Die Dampfmaschine – Der Motor der Industriellen Revolution http://opus.fh-merseburg.de/opus/volltexte/2003/52/pdf/Schutz-RV1-Krug-Beitrag-06.pdf , 07.01.2004<br />
- 16 -
Die Dampfmaschine muss in diesem Kapitel auf jeden Fall erwähnt werden, da sie als ein<br />
sehr wesentlicher Bestandteil der industriellen Revolution, Ende des 18 Jahrhunderts in<br />
Großbritannien, gilt. Durch den Einsatz der Dampfmaschine konnte die Industrie schneller<br />
und preiswerter produzieren. Die Produktion wurde in große Fabrikhallen verlegt. Auch die<br />
Arbeiter konnten sich auf bestimmte Teilbereiche spezialisieren und so effizienter ihre Arbeit<br />
verrichten. Die Dampfmaschine wurde zum Antrieb aller Arten von Maschinen benutzt und<br />
löste damit die Menschenkraft in großem Maßstab ab. Die Nachfrage an Dampfmaschinen<br />
und an Industriemaschinen ließen die Eisenproduktion florieren. Da durch den Einsatz von<br />
Dampfmaschinen die Wind- und Wasserkraft-Abhängigkeit nicht mehr gegeben war,<br />
verlagerten sich die Industriezentren in die Städte. 7<br />
1690 baute der französische Physiker und Erfinder Denis Papin die erste<br />
Kolbenkraftmaschine. Sie wurde zum Pumpen von Wasser eingesetzt, war eher ein primitives<br />
Gerät und kaum mehr als eine Spielerei. Die Hauptleistung wurde mit Hilfe von Luftdruck<br />
und nicht mit Wasserdampfdruck erzeugt. Sie bestand aus einem<br />
einzigen Zylinder, welcher gleichzeitig als Kessel diente. Wasser wurde<br />
am Boden des Zylinders so lange erwärmt, bis es zu kochen begann und<br />
sich Wasserdampf bildete. Durch die Druckerhöhung wurde der in den<br />
Zylinder eingepasste Kolben angehoben. Durch das Entfernen der<br />
Heizquelle unter dem Zylinder wurde der Kolben durch den Luftdruck<br />
wieder nach unten gedrückt. 8 Durch seinen so genannten „Papinischen<br />
Topf“, welcher auch als Digestor (Verdauer) bezeichnet wurde und<br />
unserem heutigen Kelomat (Druckkochtopf) sehr nahe kommt, kam<br />
Papin auf die Überlegung, Maschinen herstellen zu können, in welchen<br />
Wasser mittels mäßiger Wärme und geringen Kosten die vollständige<br />
Leere hervorbringen würde. Das Ganze baute auf dem Hintergedanken<br />
auf, dass Wasser so elastisch wie Luft sei, nachdem es in Wasserdampf<br />
umgewandelt wurde. Weiters ließ es sich wieder gut verdichten,<br />
nachdem es abgekühlt worden war. Die so genannte Elastizität des<br />
Wasserdampfes war ein grundlegender Gedanke für den Entwurf von Dampfmaschinen. 9<br />
1698 baute der englische Ingenieur Thomas Savery eine Dampfmaschine mit zwei<br />
Kupferbehältern, in die abwechselnd aus einem Kessel Dampf eingeleitet wurde.<br />
Saverys Maschine wurde ebenfalls zum Wasserpumpen eingesetzt, wie auch die so<br />
genannte atmosphärische Dampfpumpe mit Balancier (zweiarmiger Hebel), die der<br />
englische Erfinder Thomas Newcomen im Jahr 1705 konstruierte. Dieses Gerät hatte<br />
einen senkrechten Zylinder und einen mit Gegengewichten versehenen Kolben.<br />
Zusammen mit den Gegengewichten bewirkte Dampf, der mit geringem Druck unten in<br />
den Zylinder geleitet wurde, dass sich der Kolben zum oberen Ende des Zylinders<br />
bewegte. War der Kolben dort angekommen, öffnete sich automatisch ein Ventil, durch<br />
das ein Strom kalten Wassers in den Zylinder gespritzt wurde. [Diese<br />
Einspritzkondensation wurde durch Zufall entdeckt, als eines Tages Wasser durch ein<br />
Leck in den Dampfraum eindrang und der Maschine zu einem Vielfachen an Leistung<br />
7 Vgl. "Industrielle Revolution," Microsoft® Encarta® Online-Enzyklopädie 2004 http://de.encarta.msn.com/encyclopedia_761577952/ Industrielle_Revolution.html , 07.01.2004<br />
8 Vgl. "Dampfmaschine, 2 Geschichte" Microsoft® Encarta® 2003<br />
9 vgl. Klaus Krug (?) Die Dampfmaschine – Der Motor der Industriellen Revolution http://opus.fh-merseburg.de/opus/volltexte/2003/52/pdf/Schutz-RV1-Krug-Beitrag-06.pdf , 07.01.2004<br />
- 17 -
verhalf] 10 Dadurch kondensierte der Dampf, und der Luftdruck schob den Kolben<br />
wieder zum unteren Ende des Zylinders. Eine Stange, die an dem Verbindungsbalken<br />
zwischen Kolben und Gegengewicht befestigt war, bewegte sich mit dem Kolben auf<br />
und ab und betätigte eine Pumpe. Newcomens Maschine brachte nur geringe Leistung,<br />
konnte aber zum Abpumpen von Wasser aus Kohlegruben eingesetzt werden.<br />
Während der schottische Ingenieur und Erfinder James Watt Verbesserungen an<br />
Newcomens Maschine vornahm, machte er eine Reihe von Erfindungen, die das<br />
Entstehen der modernen Dampfmaschine ermöglichten. Watts erste wichtige<br />
Entwicklung war die Konstruktion einer Maschine mit einem eigenen Raum für das<br />
Kondensieren des Dampfes. Diese 1769 patentierte Maschine verbesserte den<br />
Wirkungsgrad der Maschine von Newcomen erheblich. Der Dampfverlust durch das<br />
abwechselnde Erwärmen und Abkühlen des Zylinders blieb bei dieser Konstruktion<br />
nahezu aus. Watts Maschine hatte einen isolierten Zylinder, der ständig die<br />
Dampftemperatur beibehielt. In dem davon getrennten, wassergekühlten<br />
Kondensationsraum wurde mit einer Pumpe ein Unterdruck erzeugt, so dass der Dampf<br />
vom Zylinder in den Kondensationsraum gesaugt wurde. Mit der Pumpe wurde auch das<br />
Wasser aus dem Kondensationsraum entfernt.<br />
Eine weitere tief greifende Änderung in der Konstruktion der ersten Maschinen von<br />
Watt war die Verwendung von Wasserdampf statt Luftdruck. Watt erfand außerdem ein<br />
Verfahren, mit dem ein sich hin- und herbewegender Kolben einer Maschine ein sich<br />
drehendes Schwungrad antreiben konnte. Das erreichte er zunächst durch ein System<br />
von Zahnrädern, später, wie bei modernen Kraftmaschinen üblich, mit einer<br />
Kurbelwelle. Weitere von Watt eingeführte Verbesserungen und Erfindungen waren<br />
unter anderem die Anwendung des Prinzips der Doppelwirkung, bei dem Dampf<br />
abwechselnd auf beide Seiten des Kolbens geleitet wurde, so dass in beide Richtungen<br />
Druck auf den Kolben ausgeübt wurde. Watt rüstete seine Kraftmaschinen auch mit<br />
Drosselklappen aus. Damit ließ sich die Geschwindigkeit regeln. Mit Hilfe von<br />
Fliehkraftreglern erreichten seine Konstruktionen automatisch eine gleich bleibende<br />
Arbeitsgeschwindigkeit.<br />
Die nächste entscheidende Entwicklung auf dem Gebiet der Dampfmaschine war die<br />
Einführung brauchbarer Hochdruckdampfmaschinen. Watt hatte zwar das Prinzip der<br />
Hochdruckdampfmaschine erkannt, konnte aber diese Art der Maschine nicht<br />
vervollkommnen. Anfang des 19. Jahrhunderts gelang es dem britischen Ingenieur und<br />
Erfinder Richard Trevithick und dem amerikanischen Erfinder Oliver Evans, eine<br />
Hochdruckdampfmaschine zu konstruieren. Trevithick setzte dieses Modell der<br />
Dampfmaschine zum Antrieb der ersten je gebauten Lokomotive für eine Eisenbahn ein.<br />
Sowohl Trevithick als auch Evans bauten dampfbetriebene Kutschen zur Fortbewegung<br />
auf Straßen.<br />
Etwa zur gleichen Zeit baute der britische Ingenieur und Erfinder Arthur Woolf die erste<br />
Verbundmaschine (auch Mehrfach-Expansionsmaschine genannt). Sie stellte eine<br />
Verbesserung der Zweifach-Expansionsmaschine von J. Hornblower dar. Bei der<br />
Mehrfach-Expansionsmaschine wird unter hohem Druck stehender Dampf zunächst auf<br />
einen und, nachdem er sich ausgedehnt und dabei Druck verloren hat, auf einen weiteren<br />
Kolben geleitet. Woolfs erste Maschinen hatten zwei Zylinder. Später gab es aber auch<br />
Arten mit dreifacher und sogar vierfacher Expansion. Der Vorteil der Verbindung von<br />
zwei oder mehr Zylindern besteht darin, dass weniger Energie durch Abgabe von<br />
Wärme an die Zylinderwände verloren geht und die Maschine deshalb einen höheren<br />
Wirkungsgrad erzielt. 11<br />
10 vgl. Klaus Krug (?) Die Dampfmaschine – Der Motor der Industriellen Revolution http://opus.fh-merseburg.de/opus/volltexte/2003/52/pdf/Schutz-RV1-Krug-Beitrag-06.pdf ,<br />
07.01.2004<br />
11 "Dampfmaschine, 2 Geschichte" Microsoft® Encarta® 2003<br />
- 18 -
Heutzutage verwendet man freilich moderne<br />
Dampfmaschinen, wie rechts im Bild 12 zu sehen.<br />
Sie bestehen grundsätzlich aus einem<br />
Dampfeinlass (oben), einem Auslass (in der<br />
Mitte), einem Zylinder (unten), in welchem ein<br />
Kolben auf einer Kolbenstange sitzt und auf die<br />
Änderung des Druckes, von beiden Seiten,<br />
jeweils durch den Dampf, reagiert, sowie einem<br />
Ventil, das festlegt von welcher Seite der Dampf<br />
in den Zylinderraum einströmen und auf welcher<br />
Seite er ausströmen kann.<br />
Mit Hilfe der folgenden 4 Bilder wird die genaue Funktionsweise Schritt für Schritt anhand<br />
eines Arbeitszyklus erklärt.<br />
Auf Bild 1A wird gezeigt, wie der Dampf in die<br />
Ventilkammer eingelassen wird. Da das Ventil in der rechten<br />
Position steht, kann der Dampf in die Zylinderkammer unten<br />
eindringen und schiebt durch den hohen Druck den sich links<br />
befindlichen Kolben nach rechts. Der verbrauchte Dampf<br />
kann auf Grund der Position des Ventils durch den<br />
Auslasskanal abgeführt werden. Die Bewegung treibt ein<br />
Schwungrad (hier nicht eingezeichnet) an, welches mit der<br />
Stange des Schiebeventils verbunden ist. Die Stellung<br />
zwischen Kolben und Ventil hängt davon ab, an welcher<br />
Stelle des Schwungrades Kurbelwelle und Schieberstange<br />
angebracht sind.<br />
Auf Bild 1B wird die zweite Stellung der Maschine gezeigt,<br />
in welcher sich der von links eingetretene Dampf ausgedehnt<br />
und den Kolben nach rechts vorerst in die Mitte geschoben<br />
hat. Beide Ventile haben den Zylinder vollkommen<br />
abgeschlossen. Es kann weder Dampf eintreten noch<br />
entweichen.<br />
12 ebd.<br />
- 19 -
Auf Bild 1C kann man erkennen, wie das Ventil nun in der linken Position steht und somit<br />
wieder Dampf in die Zylinderkammer eindringen kann. Der Dampf schiebt nun den sich<br />
rechts befindlichen Kolben nach links. Der Auslasskanal ist auf Grund der Stellung des<br />
Ventils offen und nun kann der links vom Kolben befindliche<br />
Dampf aus dem Zylinder entweichen.<br />
Das auf unseren Abbildungen dargestellte Ventil ist ein<br />
einfacher Schieber, welcher die Grundform der meisten<br />
Ventile darstellt und so in heutigen Dampfmaschinen zum<br />
Einsatz kommt. Dessen Vorteil besteht darin, dass man die<br />
Arbeitsweise umkehren kann und die Stellung gegenüber dem<br />
Kolben variierbar ist. Hierfür ist der Exzenter zuständig, zu<br />
sehen auf Bild 2. Durch Drehen um 180° lässt sich die<br />
Drehrichtung der Maschine umkehren.<br />
Ein wesentlicher Nachteil des Schiebers ist die<br />
durch den Dampfdruck auf der Rückseite<br />
entstehende Reibung. Deswegen wird er oft<br />
zylindrisch geformt, um Verschleißerscheinungen<br />
zu vermeiden. Damit wird der Kolben vollständig<br />
umschlossen, der Druck auf das Ventil ist überall<br />
gleich und die Reibung auf ein Minimum<br />
reduziert (zurückzuführen auf den amerikanischen<br />
Erfinder und Fabrikanten George Henry Corliss).<br />
Es ist auch möglich, dass der bewegliche Teil der<br />
Schieberformen so konstruiert ist, dass der Dampfdruck nicht direkt auf dessen Rückseite<br />
wirkt.<br />
Große Bedeutung kann auch der Verbindung zwischen Kolben, Maschine und Ventil<br />
zugeschrieben werden, denn sie hat einen beachtlichen Einfluss auf Leistung und<br />
Wirkungsgrad der Dampfmaschine. So lässt sich z.B. der Zeitpunkt innerhalb des<br />
Arbeitszyklus festlegen, an dem Dampf in den Zylinder geleitet wird. Es lässt sich weiters die<br />
Verdichtung und Ausdehnung des Dampfes im Zylinder und damit auch die Leistung<br />
verändern. Durch unterschiedliche Ventilsteuerungen lässt sich eine Umkehrung der<br />
Drehrichtung erzielen und die Steuerung der Dampfzufuhr regeln. Anhand der Lokomotive<br />
wird die besondere Bedeutung klar. So benötigt eine Lokomotive etwa die größte Leistung<br />
beim Anfahren, wohingegen die Leistung bei freier Fahrt geringer sein kann.<br />
Auch ein wichtiger Teil einer Kolbendampfmaschine ist das Schwungrad, welches über eine<br />
Kurbelwelle vom Kolben angetrieben wird. Da dieses meist ein schweres gusseisernes Teil<br />
ist, wandelt es durch seine Trägheit die einzelnen Stöße, die durch das Ausdehnen des<br />
Dampfes im Zylinder entstehen, in eine kontinuierliche Bewegung um und ermöglicht so<br />
einen gleichmäßigen Energiefluss, welchen die Maschine liefert.<br />
Um zu vermeiden, dass der Kolben einer Dampfmaschine nach dem Abschalten an einem<br />
Todpunkt angelangt, also an einem Ende des Zylinders stehen bleibt, und es somit unmöglich<br />
für die Maschine ist, wieder anzulaufen, haben diese oft zwei oder mehr miteinander<br />
verbundene Zylinder. Deren Arbeitsspiele sind so abgestimmt, dass die Maschine immer<br />
anlaufen kann, egal an welcher Stelle sich die einzelnen Kolben befinden.<br />
- 20 -
Rechts in Abbildung 3 wird die einfachste<br />
Anordnung gezeigt, bei der zwei Kolben<br />
miteinander durch dieselbe Schwungscheibe<br />
verbunden sind. Für einen gleichmäßigen Lauf<br />
lassen sich auch drei Zylinder, jeweils mit um 120°<br />
versetzter Kurbelwelle, verwenden. 13<br />
Da der allgemeine Wirkungsgrad einer Dampfmaschine eher niedrig ist, werden sie bei der<br />
Erzeugung von Strom durch Dampfturbinen ersetzt.<br />
13 Vgl. "Dampfmaschine, 3 Moderne Dampfmaschinen" Microsoft® Encarta® 2003<br />
- 21 -
Grundsätzlich versteht man unter einer Turbine eine Maschine, welche Strömungsenergie von<br />
Wasser, Dampf oder Gasen bzw. Wind in eine Rotations- und schließlich in eine mechanische<br />
Energie umwandelt. Das Grundelement sind mit Schaufeln ausgestattete Laufräder. Die meist<br />
gekrümmten Schaufeln sind so am äußeren Rand des Rades angebracht, dass sie bei Betrieb<br />
eine tangentiale Kraft auf das Rad ausüben und ihm damit Energie übertragen. Die so<br />
gewonnene mechanische Energie wird auf eine Welle übertragen, die dann am Ende der<br />
Übertragungskette z.B. eine Maschine, einen Kompressor, einen Generator oder eine<br />
Schraube antreibt. Es gibt verschiedene Turbinen, nämlich die Wasserturbine, die<br />
Dampfturbine und die Gasturbine. Heutzutage wird weltweit der größte Teil des elektrischen<br />
Stroms mit Hilfe von Generatoren erzeugt, die durch Turbinen angetrieben werden.<br />
Da Wasserturbinen sehr erfolgreich waren, führte das zu der Überlegung, Turbinen auch<br />
durch heißen Dampf anzutreiben. Auch hierbei wird die Strömungsenergie in mechanische<br />
Energie umgewandelt. Sie werden u. a. in Blockheizkraftwerken, Kernkraftwerken und in<br />
Schiffen mit Nuklearantrieb eingesetzt, um Strom zu erzeugen. Dampfturbinen sind<br />
keineswegs von einer einzelnen Person erfunden worden, sondern sind vielmehr das Produkt<br />
der Arbeit zahlreicher Erfinder in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts.<br />
Die Arbeitsweise der Dampfturbine beruht auf dem thermodynamischen Prinzip. Beim<br />
Entspannungsvorgang sinkt die Temperatur des Dampfes, wobei seine innere Energie<br />
abnimmt. Während dieses Prozesses wird die innere Energie in mechanische Energie<br />
umgewandelt, so dass man direkt eine große Menge an Arbeitsenergie erhält.<br />
Im Wesentlichen haben alle Dampfturbinen dieselben Bauteile, auch wenn sie nach zwei<br />
verschiedenen Prinzipien aufgebaut sind. Es gibt u. a. eine Düse, durch die der Dampf zur<br />
Entspannung ausströmt und dabei kinetische Energie aufnimmt und anschließend auf die mit<br />
Schaufeln ausgestatteten Leit- und Laufräder trifft. Dort übt er einen sehr hohen Druck aus.<br />
Die Anordnung der Düsen und Schaufelräder hängt von der Bauart der Turbine ab.<br />
Der Wirkungsgrad von Dampfturbinen liegt bei ca. 40%. 14<br />
14 vgl. “Turbine, 4 Dampfturbine" ff. Microsoft® Encarta® Online-Enzyklopädie 2004<br />
- 22 -
Gasturbinen funktionieren an und für sich nach demselben Prinzip wie alle anderen Turbinen.<br />
Der Unterschied besteht lediglich darin, dass sie weder durch Wasser noch durch<br />
Wasserdampf angetrieben werden, sondern mit heißen Gasen, welche durch das Verbrennen<br />
bestimmter Brennstoffe, wie z.B. Erdgas, Kerosin oder Dieselöl, erzeugt werden. Gasturbinen<br />
werden nach einem offenen Prozess betrieben, d.h. der Stoff- und Energiekreislauf ist offen.<br />
In einen Brennraum werden dabei durch einen Verdichter verdichtete Luft und der Brennstoff<br />
in Form eines Gases oder einer Flüssigkeit eingespritzt. Dort findet dann die Verbrennung<br />
statt und das dabei austretende heiße Gas treibt ein Turbinenrad an.<br />
Bei den Gasturbinen ist der Wirkungsgrad dadurch begrenzt, dass die Brennkammer und die<br />
ersten Stufen ständig bei hohen Temperaturen betrieben werden müssen. Wenn man eine<br />
kleine Gasturbine mit offenem Kreislauf mit einer herkömmlichen benzinbetriebenen<br />
Kraftmaschine vergleicht, kommt man unter Umständen auf denselben thermodynamischen<br />
Wirkungsgrad. Fortschritte im Bereich von Schutzbeschichtungen, wärmebeständigen<br />
Materialien und Kühleinrichtungen haben den Bau von großen Anlagen ermöglicht. Bei<br />
diesen Anlagen liegt der Wirkungsgrad bei etwa 34 % oder höher, wenn z.B. Zusatzgeräte,<br />
wie Zwischenkühler, Rückkühler oder Zwischenüberhitzer zum Einsatz kommen. Diese sind<br />
allerdings teuer und oft wirtschaftlich unrentabel.<br />
Zusätzlich gibt es auch noch kombinierte Kraftwerke, bei denen die noch erhebliche Wärme,<br />
die im Abgas der Turbine vorhanden ist, zu einem als Abhitzedampferzeuger dienenden<br />
Wärmetauscher geleitet wird. Dabei wird der Dampf für die nachfolgende Dampfturbine<br />
erzeugt. Mit 50% mehr Leistung erreichen sie einen thermischen Wirkungsgrad von 52% und<br />
eine Leistung bis zu 230 Megawatt. 15<br />
15 vgl. “Gasturbine" Microsoft® Encarta® Online-Enzyklopädie 2004<br />
- 23 -
2 ( 0 !<br />
In diesem Kapitel möchte ich Ihnen das durchdachte und einzigartige Konzept und die genaue<br />
Funktionsweise des <strong>Stirlingmotor</strong>s (im Folgenden auch mit SM abgekürzt) näher bringen.<br />
Dazu werde ich als Modell, um sich das Ganze auch plastisch vorstellen zu können, den<br />
Konservendosen-<strong>Stirlingmotor</strong> 16 von Dieter Viebach heranziehen. Er beschreibt in seinem<br />
Buch ein funktionsfähiges Modell eines selbst gebastelten <strong>Stirlingmotor</strong>s, zusammengesetzt<br />
aus einer Konservendose, einem selbst gefalteten Faltenbalg als Arbeitszylinder, einem<br />
Blumensteckschwamm als Verdrängerkolben und einer Sperrholzscheibe als Schwungrad.<br />
Dies sind die essentiellen Bauteile eines solchen Motors.<br />
Alle <strong>Stirlingmotor</strong>en basieren auf dem gleichen Prinzip. Eine konstante Arbeitsgasmenge, in<br />
einem Verdrängerzylinder eingeschlossen, wird durch einen Verdrängerkolben zwischen<br />
einem beheizten Bereich und einem gekühlten Bereich hin und her geschoben. Da sich heißes<br />
Gas ausdehnt und kaltes Gas sich zusammenzieht, erhöht sich einmal der Druck und sinkt<br />
danach wieder ab. Als Arbeitsgas kommt entweder Luft oder Helium zum Einsatz. Dieser<br />
Vorgang wiederholt sich periodisch und durch die periodische Erwärmung und Abkühlung<br />
des Gases im geschlossenen Raum entsteht eine periodische Druckschwankung. 17 Zusätzlich<br />
zu dem oben erwähnten Verdrängerkolben (auch VK genannt) gibt es noch einen<br />
Arbeitskolben (im folgenden AK), welche beide auf einem Schwungrad befestigt und so<br />
angeordnet sind, dass der VK dem AK um 90°, also eine viertel Umdrehung voreilt. Der AK<br />
muss den Motor nach außen luftdicht abschließen, wohingegen sich der VK im Inneren des<br />
Motors bewegt. Durch die 90°-Anordnung ergeben sich immer unterschiedliche Stellungen<br />
der beiden Kolben. Der AK treibt das Schwungrad an, um die Position des VK zu ändern.<br />
Dieser lässt das Arbeitsgas in den jeweils anderen Teil des Zylinders strömen. Dadurch wird<br />
eine Kraft auf den AK ausgeübt, welcher wiederum das Schwungrad antreibt. Als Zusatz kann<br />
man in die Strömungskanäle des Gases noch einen so genannten Regenerator einbauen,<br />
welcher dem heißen Gas Wärme entzieht und beim erneuten Durchströmen an das kalte Gas<br />
wieder abgibt. 18<br />
Alles verständlich? – Auch wenn Sie bis jetzt noch keine genaue Vorstellung haben und ein<br />
wenig daneben stehen sollten, brauchen Sie nicht entmutigt sein. Ich werde nun, wie oben<br />
schon angedeutet, die Funktionsweise mit Hilfe des Keksdosen-Modells von Dieter Viebach<br />
und dazugehöriger Illustrationen veranschaulichen.<br />
Bei diesem Modell kommt Luft als Arbeitsgas zur Verwendung. Ein Blumenschwamm, der<br />
die Keksdose, also den Zylinder, bis über die halbe Höhe ausfüllt, ist der VK. Damit er sich<br />
leicht im Zylinder bewegen lässt, ist der Durchmesser ca. 1mm kleiner bemessen. Die<br />
Verdrängerstange wird durch eine luftdichte Öffnung aus der Dose geführt und an einem<br />
Schwungrad befestigt. Der VK besitzt außerdem Bohrungen, also die oben beschriebenen<br />
Strömungskanäle, durch die sich das Gas bewegt, welche mit Regeneratoren ausgestattet sind.<br />
Die Dose wird von unten mit einem Teelicht beheizt und von oben, durch den<br />
16 Der Stirling-Motor. Einfach erklärt und leicht gebaut - Dieter Viebach; ökobuch (Staufen bei Freiburg) 1. Auflage 1998<br />
17 vgl. ANONYMUS (1998/2000) AEE – <strong>Stirlingmotor</strong>: 2. Der Prozess http://www.aee.at/verz/artikel/stirl01.html , 17:20 6.Jänner 2004<br />
18 vgl. ANONYMUS (?) Wikipedia – <strong>Stirlingmotor</strong> http://de.wikipedia.org/wiki/<strong>Stirlingmotor</strong> 17:40 6. Jänner 2004<br />
- 24 -
Temperaturunterschied zur Raumtemperatur, am kälteren Deckel abgekühlt. Die Luft unten<br />
heizt sich dann auf, wenn der VK an seiner oberen Position steht, und kühlt sich<br />
dementsprechend wieder ab, wenn der VK die untere Position erreicht hat. Durch die<br />
Druckschwankungen im Inneren wird der Faltenbalg bewegt, welcher durch ein Pleuel und<br />
eine Kurbel eine Drehbewegung am selben Schwungrad, mit dem auch der VK verbunden ist,<br />
erzeugt. Mit diesem Schwungrad wird die Bewegung des VK aufrecht erhalten. Somit kann<br />
man sagen, dass der <strong>Stirlingmotor</strong> eine Wärmekraftmaschine ist, die sich selbst steuert. 19<br />
! "<br />
Angenommen wir haben eine Dose, welche dicht<br />
verschlossen ist und über eine Öffnung mit einem<br />
Druckmesser versehen ist. (Abb. 1)<br />
Was passiert nun, wenn wir diese Dose von unten<br />
heizen? Genau, der Druck erhöht sich. Daraus ergibt<br />
sich Folgendes: Hohe Temperatur bei Gasen bewirkt<br />
hohen Druck.<br />
Wenn wir diese Dose und das darin befindliche Gas<br />
abkühlen, stellen wir genau das Gegenteilige fest,<br />
nämlich, dass sich der Druck absenkt. Also: Niedrige<br />
Temperatur bei Gasen bedeutet niedrigen Druck.<br />
Natürlich nimmt das andauernde Erhitzen und Abkühlen Zeit in Anspruch und deswegen ist<br />
es auch sinnvoll unser Modell um einen<br />
Verdrängerkolben zu erweitern. An diesem sollte die<br />
Luft ungehindert seitlich vorbeiströmen können. Dieser<br />
VK wird mit einer Kolbenstange ausgestattet, welche<br />
durch eine abgedichtete Öffnung am Dosendeckel<br />
herausgeführt wird. Mit dieser lässt sich der VK von<br />
außen, ganz einfach mit geringem Kraftaufwand, auf<br />
und ab bewegen. Die Dose wird somit in zwei<br />
Bereiche eingeteilt. Den oberen, an dem sie gekühlt<br />
wird und den unteren, an dem sie geheizt wird. Nun<br />
können wir zwei Phasen unterscheiden.<br />
Während der ersten Phase befindet sich die Luft im<br />
heißen Raum, da der Kolben oben ist. Der Druck in der<br />
gesamten Dose ist hoch.<br />
Während der zweiten Phase befindet sich die Luft im<br />
kalten Raum, da der Kolben unten ist. Der Druck in der<br />
gesamten Dose ist niedrig.<br />
19 vgl. Dieter Viebach (1998) Der <strong>Stirlingmotor</strong> – einfach erklärt und leicht gebaut S.12<br />
- 25 -
Die Druckänderung kann dadurch schnell erfolgen, weil das Abkühlen der Luft am kalten<br />
Dosendeckel und das Aufheizen der Luft an der heißen Unterseite allein durch die Position<br />
des VK gesteuert werden.<br />
Da wir bis jetzt einen Druckmesser mit dazugehöriger<br />
Druckanzeige als Indikator für den Druck benutzt<br />
haben, werden wir dieses Modell nun dahingehend<br />
ändern, dass nun an deren Stelle ein Zylinder<br />
angebracht wird. Dieser ist mit seinem Kolben dicht<br />
abgeschlossen, damit kein Arbeitsgas nach außen<br />
entweichen kann. Dieser Zylinder und der<br />
dazugehörige Kolben werden als Arbeitszylinder und<br />
Arbeitskolben bezeichnet.<br />
Hier unterscheiden wir wieder zwei Phasen:<br />
Phase 1:<br />
Wird die Luft nun von unten her erhitzt, weil der<br />
VK sich oben befindet, steigt der Druck in der<br />
Dose. Dadurch wird der AK durch den größeren<br />
Innendruck nach oben gedrückt.<br />
Phase 2:<br />
Wird die Luft nun von oben her gekühlt, weil der<br />
VK sich unten befindet, sinkt der Druck in der<br />
Dose. Dadurch wird der AK durch den größeren<br />
Außendruck nach unten gedrückt.<br />
Als nächste Stufe, auf dem Weg zu einem<br />
<strong>Stirlingmotor</strong>, kommt nun eine Kurbelwelle hinzu, an<br />
der beide Kolben, sowohl der VK als auch der AK<br />
durch Pleuel befestigt sind. Die Kurbelwelle ist so<br />
ausgeführt, dass der VK dem AK um 90°, also eine<br />
viertel Umdrehung, vorauseilt.<br />
Durch diese Verschiebung können wir 4 Arbeitstakte<br />
beobachten.<br />
Arbeitstakt 1 nach 2:<br />
„Verdichten“<br />
Die Bewegung der Kurbelwelle findet gegen den<br />
Uhrzeigersinn statt. Es wird von 1 nach 2 gedreht.<br />
Dabei verdichtet der AK die Luft, welche sich im<br />
kalten Raum befindet. Der VK bleibt währenddessen<br />
in seinem unteren Todpunkt und bewegt sich kaum.<br />
Anschließend beginnt der VK die Luft in den heißen<br />
Raum zu verschieben. Die Luft erwärmt sich und der<br />
Druck im gesamten Motor fängt an sich zu erhöhen.<br />
- 26 -
Arbeitstakt 2 nach 3:<br />
„Heizen und Arbeit verrichten“<br />
In diesem Takt schiebt der VK die gesamte Luft in<br />
den heißen Raum, dies bewirkt eine maximale<br />
Ausdehnung der Luft und damit den maximalen<br />
Druck im gesamten Motor. Der AK wird durch den<br />
gesteigerten Innendruck nach oben gehievt und treibt<br />
so das Schwungrad über das Pleuel und die<br />
Kurbelwelle an.<br />
Arbeitstakt 3 nach 4:<br />
„Entspannen und Arbeit verrichten“<br />
Der AK wird noch weiter nach oben gedrückt. Der<br />
VK bleibt währenddessen in seinem oberen Todpunkt<br />
und bewegt sich kaum. Danach beginnt der VK die<br />
heiße Luft in den kalten Raum zu verschieben, indem<br />
er seine Position nach unten verschiebt. Dadurch<br />
beginnt sich die Luft langsam abzukühlen, was einen<br />
sinkenden Druck zur Folge hat.<br />
Arbeitstakt 4 nach 1:<br />
„Kühlen und Arbeit verrichten“<br />
Der sich dem untersten Punkt nähernden VK schiebt<br />
die ganze Luft in den kalten Raum, wo sich der Druck<br />
verringert und die Luft zusammenzieht. Da jetzt auch<br />
der Innendruck fällt, wird der AK durch den höheren<br />
Außendruck nach unten in den Zylinder gedrückt und<br />
treibt nun durch das Pleuel und die Kurbelwelle das<br />
Schwungrad weiter an.<br />
Nachdem diese 4 Arbeitstakte abgelaufen sind,<br />
beginnt die ganze Prozedur bei Arbeitstakt 1-2 von<br />
neuem und läuft auch weiterhin so ab.<br />
- 27 -
#<br />
Auf keinen Fall unerwähnt sollte der Regenerator<br />
bleiben, welcher eine sehr wichtige Rolle im Konzept<br />
des <strong>Stirlingmotor</strong>s einnimmt. Wenn wir uns das<br />
Modell und dessen einzelnen Takte bis jetzt<br />
anschauen, fällt auf, dass die Wärme, welche unten<br />
durch die Wärmequelle zugeführt wurde, einfach<br />
nach oben geleitet wird und oben wieder an das<br />
Kühlwasser abgegeben und dadurch abgeführt wird.<br />
Dies hat einen niedrigeren Wirkungsgrad zur Folge.<br />
Um diesen Schwachpunkt auszumerzen wird nun<br />
eine zusätzliche Vorrichtung verwendet, nämlich ein<br />
Kurzzeitwärmespeicher in Form eines Regenerators,<br />
welcher eine Steigerung des Wirkungsgrades erlaubt.<br />
Dieser kommt zwischen dem heißen und dem kalten<br />
Raum zum Einsatz. Der Regenerator sollte aus einem<br />
porösen, gasdurchlässigen Material bestehen,<br />
welches wir im Hinblick auf einen geringen<br />
Strömungswiderstand z.B. in feinen Metalldrähten<br />
finden.<br />
Diese Metalldrähte haben den Sinn, dem<br />
vorbeiströmenden Gas ihre Wärme zu entziehen und<br />
sich selbst dabei aufzuheizen und damit die Wärme<br />
zu speichern. Das Arbeitsgas „verliert“ dabei den<br />
größten Teil seiner Wärme an den Regenerator.<br />
Rechts dargestellt im Schritt „Arbeitstakt 4 nach 1:<br />
Kühlen“. Infolgedessen muss das Kühlwasser im<br />
kalten Raum viel weniger Wärme der bereits<br />
vorgekühlten Luft abführen und dadurch geht auch<br />
weniger Wärme verloren. Im „Arbeitstakt 2 nach 3:<br />
Heizen“ wird der umgekehrte Weg beschrieben,<br />
nämlich die Abgabe der Wärme an die vom kalten in<br />
den warmen Raum strömende Luft. Die bereits<br />
vorgeheizte Luft nimmt dadurch im heißen Raum<br />
weniger Wärme von der Energiequelle auf.<br />
Damit kann man den Regenerator als effizienten<br />
Zwischenspeicher für Wärme innerhalb der beiden<br />
Räume bezeichnen, welcher hilft Heizmaterial für die<br />
Energiequelle zu sparen und dadurch maßgeblich<br />
dazu beiträgt den Wirkungsgrad zu verbessern. 20<br />
20 vgl. Dieter Viebach (1998) Der <strong>Stirlingmotor</strong> – einfach erklärt und leicht gebaut S.12-16<br />
- 28 -
! $% &%<br />
Nicht zu verachten sei noch die Funktion des Stirlingprinzips als Kältemaschine und als<br />
Wärmepumpe.<br />
Ausgehend vom oben beschriebenen Prinzip, sind nur noch wenige Ergänzungen nötig um<br />
aus dem <strong>Stirlingmotor</strong>, der Wärme in Bewegung umwandelt, eine Stirling-Kältemaschine zu<br />
machen, welche Bewegung in Kälte umwandelt. Diese funktioniert dann nach dem<br />
Umkehrprinzip des Motors, nämlich dem des Generators. Um die Kältemaschine in Betrieb<br />
zu nehmen, muss der Dosenboden isoliert werden. Das geschieht am besten mit einer<br />
Styroporhülle, in welche das Modell gesetzt wird. Nun wird ein DC-Motor in der gleichen<br />
Drehrichtung und mit etwa der gleichen Drehzahl angetrieben. Eine höhere Drehzahl würde<br />
sich nicht bezahlt machen, sondern eher das Gegenteil bewirken, da sich durch die höhere<br />
Reibung die Luft erwärmen würde. Lässt man den Generator nun so laufen, lässt sich ein<br />
Sinken der Temperatur um ca. 2 bis 4°C am Dosenboden beobachten. Voila! – Der<br />
<strong>Stirlingmotor</strong> als Kältemaschine. 21<br />
Ein noch viel einfacherer Schritt verhilft und dazu, aus der Kältemaschine eine Wärmepumpe<br />
zu konstruieren. Die Umpolung des DC Motors und die dadurch bedingte Änderung der<br />
Laufrichtung bewirken eine um ca. 2 bis 4°C höhere Temperatur am Dosenboden als die der<br />
Umgebungsluft. 22<br />
21 vgl. Dieter Viebach (1998) Der <strong>Stirlingmotor</strong> – einfach erklärt und leicht gebaut S.18<br />
22 vgl. Dieter Viebach (1998) Der <strong>Stirlingmotor</strong> – einfach erklärt und leicht gebaut S.19<br />
- 29 -
3 0<br />
Da alle Punke bezüglich der Theorie und der Funktionsweise geklärt wurden, ist jetzt eine<br />
Fragestellung an der Reihe, welche die praktische Seite des <strong>Stirlingmotor</strong>s beleuchten soll.<br />
Das Konzept ist bekannt. – Gut. Die Funktionsweise ist klar. – Gut. Die Theorie dahinter ist<br />
auch nicht schwer zu begreifen. – Gut. Nur was macht den <strong>Stirlingmotor</strong> dazu, was er zur Zeit<br />
schlicht und einfach ist? Nämlich unbekannt, wenig weit verbreitet und daher nicht wirklich<br />
bedeutend in der heutigen Zeit.<br />
' (<br />
Dabei sprechen doch so viele positive Dinge gerade für den Einsatz des Stirlingprinzips in<br />
Motoren, Wärmepumpen oder Kältemaschinen. Dagegen sprechen nur die ganz wenigen<br />
Nachteile, zu denen gesagt werden muss, dass die Forschung auf diesem Gebiet noch lange<br />
nicht beendet ist und die Möglichkeiten noch lange nicht ausgereizt sind, welche das Prinzip<br />
mit sich bringt.<br />
• Geringer Verbrauch: Vorausgesetzt der <strong>Stirlingmotor</strong> ist korrekt konstruiert, gebaut<br />
und eingestellt, ist dessen Wirkungsgrad gleich oder höher als bei den besten derzeit<br />
erhältlichen Dieselmotoren. 23<br />
• Äußere Verbrennung: Daraus resultiert eine kontinuierliche Verbrennung von<br />
Brennstoffen bei hohem Luftüberschuss. Dabei entstehen besonders schadstoffarme<br />
Abgase, welche niedrigere Abgaswerte aufweisen, als jene von vergleichbaren<br />
Motoren mit innerer Verbrennung. 24 Äußere, stationäre Verbrennungsvorgänge lassen<br />
sich leichter untersuchen, um Schwachstellen aufzudecken, und daher leichter<br />
optimieren.<br />
• Variable Brennstoffverwertung: Es ist beinahe jede Art der Erhitzung möglich, seien<br />
es flüssige, gasförmige (vergaste) oder feste Brennstoffe. Weiters kann auch die Sonne<br />
als Energielieferant dienen oder mit Hilfe von chemischen Reaktionen oder durch<br />
Kernspaltung in einem Reaktor Wärme erzeugt werden. Doch dies sollte nicht im<br />
Vordergrund stehen. Viel wichtiger ist die äußerst einfache Einbindung in regenerative<br />
Energiekonzepte.<br />
• Durch die bereits moderne Brennwerttechnik lässt sich ein hoher Wirkungsgrad<br />
erzeugen.<br />
23 vgl. Jan Kirchhoff, Stephan Nadolny, Philipp Warnken und Thomas Schmidt. (?) Referat zum Stirling.Motor http://jan.kirchhoff-consulting.com/schule/physik/stirling/ 13.01.2004<br />
24 ebd.<br />
- 30 -<br />
'
• Geringe Geräuschentwicklung: Anders als bei Motoren, die mit innerer Verbrennung<br />
und Explosionen arbeiten, entsteht beim <strong>Stirlingmotor</strong> nur ein ganz leises<br />
Laufgeräusch. Durch die nicht vorhandenen Explosionen ist er auch sehr<br />
erschütterungsarm. 25<br />
• Wesentlich höhere Lebenserwartungen sind zu erwarten. Es dringen keine<br />
verunreinigten Kraftstoffe oder sonstige Fremdkörper in das Innere des Systems. 26<br />
• Es reicht genau 1 mal Öl einzufüllen, wenn überhaupt. Öl wird in größeren<br />
<strong>Stirlingmotor</strong>en, z.B. in Kraftwerken, für die Schmierung und Kühlung der Bauteile<br />
verwendet. Es entstehen keine Verunreinigungen, welche einen Ölwechsel nötig<br />
machen würden. Öl ist außerdem nicht immer nötig, da ein geringer Verschleiß der<br />
Teile gegeben ist. Die wenigen Teile, welche bewegt werden, stehen nur unter sehr<br />
geringer Belastung.<br />
• Weiters wird eine sehr hohe Qualitätsanforderung an die verwendeten Teile gestellt.<br />
Solche <strong>Stirlingmotor</strong>en halten also schon alleine ihrer Qualität wegen sehr lange.<br />
• Durch zuvor genannte Dinge ergeben sich längere Serviceintervalle und damit<br />
niedrigere Wartungskosten und eine höhere Lebenserwartung. 27<br />
• Es kann ein sehr guter Wirkungsgrad erreicht werden. Das Ganze gilt auch für relativ<br />
kleine Motoren. Da die Forschung noch in den Kinderschuhen steckt, sind die<br />
Möglichkeiten, die sich ergeben werden, enorm. Man bedenke dabei die Verbesserung<br />
der Maschinen durch den Einsatz neuer Werkstoffe, wie z.B. Keramik. 28<br />
• Bereits bei geringem Wärmeunterschied wird Nutzenergie erzeugt.<br />
• Weiters ist es möglich die Abwärme, welche droht, sonst verloren zu gehen, auf Seite<br />
des Kühlers anderweitig zu verwenden. Beispielsweise für Warmwasser- oder<br />
Heizungsanlagen.<br />
• Die stufenlose Modulierbarkeit verbindet keinen nennenswerten<br />
Wirkungsgradverlust. 29<br />
• Es sind keine aufwendigen und teuren Bauteile, wie z.B. ein Katalysator, eine<br />
Lambda-Sonde, ein Anlasser, Getriebe oder Ventil nötig. 30<br />
• Ein ganz wichtiger Vorteil darf auch darin gesehen werden, dass die Forschung noch<br />
lange nicht abgeschlossen ist und daher viele Technologiesprünge sowie große<br />
Fortschritte erwartet werden dürfen.<br />
25<br />
ebd.<br />
26<br />
ebd.<br />
27<br />
vgl. Dipl.-Ing. (FH) Friedhelm Steinborn (?) Stirling-Motor – Stand und Perspektiven. http://www.bhkw-info.de/Stirling/Stirling.pdf 13.01.2004<br />
28 vgl. Jan Kirchhoff, Stephan Nadolny, Philipp Warnken und Thomas Schmidt. (?) Referat zum Stirling.Motor http://jan.kirchhoff-consulting.com/schule/physik/stirling/ 13.01.2004<br />
29 vgl. Dipl.-Ing. (FH) Friedhelm Steinborn (?) Stirling-Motor - Stand und Perspektiven. http://www.bhkw-info.de/Stirling/Stirling.pdf 13.01.2004<br />
30 ebd.<br />
- 31 -
' )<br />
Es wäre schlicht und einfach nicht objektiv, nur die Vorteile aufzuzählen. Natürlich hat auch<br />
der <strong>Stirlingmotor</strong> momentan noch mit ein paar Nachteilen und Problemen zu kämpfen.<br />
• Die Unbekanntheit. Meiner Meinung nach Hauptproblem des Konzeptes - Nach dem<br />
Motto: „Was der Bauer nicht kennt, frisst er nicht.“<br />
• Diese Tatsache macht den <strong>Stirlingmotor</strong> noch relativ teuer, da keine allzu hohe<br />
Nachfrage besteht und kein richtiger Wettbewerb am laufen ist. Das hochwertige<br />
Material, welches durch die hohen Anforderungen (ca. 800°C und hoher Druck im<br />
Motortraum) benötigt wird, hat natürlich seinen Preis.<br />
• Die Frage nach der Wirtschaftlichkeit heutzutage stellt sich leider auch noch. Als<br />
Antrieb eines PKW z.B. würde ein mit Otto- oder Dieselmotor vergleichbarer<br />
<strong>Stirlingmotor</strong> derzeit noch das 2 bis 3-fache kosten. 31<br />
• Relativ niedrige Preise für Atomenergie und fossile Rohstoffe machen es derzeit den<br />
alternativen, neuen Technologien schwer, am Markt Fuß zu fassen. Diese müssen mit<br />
umweltschädlichen, aber vordergründig billigeren Technologien konkurrieren. 32<br />
• Auch scheint, nach heutigem Stand der Technik, die Leistungsregelung und –<br />
optimierung noch etwas schwierig zu sein. Vor allem in Drehzahlbereichen um die<br />
3000-4000 U/min. Es sind vor allem trocken laufende Lager und Dichtungen, welche<br />
Probleme bereiten.<br />
• Für die Zukunft wäre eine bessere, durchgehende Kolbensteuerung durchaus von<br />
Vorteil, um einen besseren Wirkungsgrad zu erzielen. Derzeit ist diese aber mit<br />
höherer mechanischer Belastung und Geräuschbelästigung verbunden.<br />
• Da die Gasgeschwindigkeit im System sehr hoch ist, steht wenig Zeit für die<br />
Wärmeübertragung zur Verfügung. Man könnte die Drehzahl verringern. Derzeit gibt<br />
der Kühler eine große Wärmemenge ab und es muss eine große Wärmemenge durch<br />
den Erhitzer zugeführt werden, da der Regeneratorwirkungsgrad von 100% nicht<br />
erreicht werden kann.<br />
• Derzeit entstehen im System noch Toträume in den Wärmeaustauschaggregaten, wie<br />
Erhitzer, Regenerator oder Kühler, da sich nicht das ganze Arbeitsmedium im<br />
Expansions- und Kompressionsraum befindet.<br />
• Weiters lassen sich Teile, welche sich in Bewegung finden, nicht ganz abdichten, was<br />
einen Druckverlust und ein Entweichen des Arbeitsgases zur Folge hat. Da das<br />
Arbeitsgas ständig unter hohem Druck gehalten werden sollte (ca. 150 Bar), wirkt sich<br />
dies negativ auf die Leistung aus.<br />
31 vgl. Jan Kirchhoff, Stephan Nadolny, Philipp Warnken und Thomas Schmidt. (?) Referat zum Stirling Motor http://jan.kirchhoff-consulting.com/schule/physik/stirling/ 13.01.2004<br />
32 vgl. Dipl.-Ing. Walter Wesinger (1998) Basisinfo zu <strong>Stirlingmotor</strong>en – <strong>Stirlingmotor</strong>en. http://theorie.physik.uni-wuerzburg.de/~kinzel/statphys/stirling.pdf 13.01.2004<br />
- 32 -
• Durch die gegebenen Strömungsverluste und die innere Reibung der Gase, wird<br />
Energie praktisch entwertet, weil die entstehende Wärme nicht genützt wird. 33<br />
Egal in welche Lektüre man blickt, welche Person man über die Stirlingmaschinen<br />
sprechen hört oder wo man sonst etwas über den <strong>Stirlingmotor</strong> erfährt:<br />
Es heißt überall, dass der <strong>Stirlingmotor</strong> wie kein anderer Energiewandler in der Lage sei,<br />
Solarenergie und nachwachsende Brennstoffe emissionsarm und klimaneutral für unsere<br />
Zwecke umzuwandeln.<br />
' " !<br />
Grundsätzlich gibt es drei Einsatzgebiete: Als Motor, als Kältemaschine oder als<br />
Wärmepumpe. (Alle drei Funktionen beschrieben in Kapitel 3)<br />
Sehr viel versprechend sehen z.B. schon Konzepte der Firma SOLO aus, welche die<br />
Stirlingtechnologie bei KWK-Modulen (Kraft-Wärme-Kopplungen) zum Einsatz bringt. Viele<br />
technische Innovationen sind seit der Gründung 1948 schon hervorgegangen. Die Firma<br />
betreibt heute ihr Hauptgeschäft mit Gartengeräten und Modellbau-Motoren.<br />
Die Firma SOLO hat das weltweit bislang erste Konzept zur stationären, komerziellen<br />
Anwendung von dezentralen Kraft-Wärme-Kopplungen auf Basis von Stirlingtechnologie,<br />
welches auch in Serie geht. Das SOLO STIRLING 161 microKWK-Modul ist seit 2002<br />
DVGW und TÜV-zertifiziert. Eine der Hauptprioritäten des Jahres 2003 war, einen Pellet-<br />
Brenner an die microKWK anzubinden, welcher diese Anlage auch für den Einsatz fester<br />
Brennstoffe, auf Basis von Biomasse, erweiterte.<br />
Zur effizienten Nutzung von Sonnenenergie gibt<br />
es die Dish/Stirling-Anlage mit Parabolspiegel,<br />
welcher die Sonnenenergie bündelt.<br />
Ein weiterer interessanter Ansatz ist es, näher<br />
auf die Kühlleistung des <strong>Stirlingmotor</strong>s<br />
einzugehen, welcher dann zur<br />
Stirlingkältemaschine mutiert. Dank neuester<br />
Errungenschaften ist es dem IATK (Institut für<br />
angewandte Thermodynamik und Klimatechnik)<br />
gelungen, aus dem SOLO STIRLING 161, eine<br />
Kältemaschine zu konstruieren, welche<br />
Temperaturen von bis zu -200C° erreicht.<br />
Gebraucht werden solche Temperaturen z.B. bei der Rekondensation von Lösemittel, bei der<br />
Methanverflüssigung im Bereich der Medizin, in der Forschung mit Supraleitern und in der<br />
Lebensmittelindustrie zum Haltbarmachen durch Schockgefrieren. Derzeit wird flüssiger<br />
Stickstoff dazu verwendet, doch dieser könnte in Zukunft durch eine leistungsstarke<br />
Kältemaschine ersetzt werden. 34<br />
33 vgl. Jacqui Hochstein (2000) Der Stirling-Motor - Funktion http://www.jhk1.de/motor/stirling_e.htm 13.01.2004<br />
34 vgl. Solo Stirling BHKW Seite 9 http://www.minibhkw.de/Tagung_MiniBHKW/Vortrag_Solo.pdf , 24.01.2004<br />
- 33 -
)<br />
3 4 " &<br />
Zweifellos sind wir heute an einem Punkt angekommen, an dem wir uns mehr als je zuvor<br />
Gedanken über die Energieformen der Zukunft machen sollten und müssen, um den enormen<br />
Energiebedarf in unserer Freizeit und Luxusgesellschaft decken zu können. Es ist an der Zeit,<br />
nicht mehr einfach nur neue, noch tiefer gelegene und noch weiter entfernte Lagerstätten für<br />
fossile Brennstoffe auszubeuten, sondern alternative Energieressourcen zu finden. Da die<br />
Vorkommen von fossilen Brennstoffen in Zukunft schrumpfen werden, muss man nach<br />
anderen, regenerativen Energiequellen suchen.<br />
* +<br />
Zu den fossilen Brennstoffen zählt man Erdöl, Erdgas, Braun- und Steinkohle. Es handelt sich<br />
dabei um durch Zersetzung abgestorbene Pflanzen und Tiere, die vor Jahrmillionen, unter<br />
dem Druck darüberliegender Gesteinsschichten, entstanden. Die darin gebündelte Energie<br />
stammt ursprünglich aus der Sonne (Solarenergie). Heute wird der weltweite Energiebedarf<br />
zu 90% durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe gedeckt. 35<br />
Dadurch ergibt sich ein gravierndes Problem für unsere Umwelt durch Kohlendioxid, auch<br />
Treibhauseffekt genannt. Unter dem Treibhauseffekt versteht man Folgendes:<br />
Die während des Tages einfallende Sonnenstrahlung (Globalstrahlung) wird von der<br />
Atmosphäre und vom Erdboden in Form von Wärme gespeichert und nachts als<br />
Infrarotstrahlung in den Weltraum abgegeben. 36<br />
Die so genannten klimarelevanten Spurengase in der Troposphäre absorbieren und<br />
reflektieren einen Teil dieser Abstrahlung, wodurch die nächtliche Abkühlung reduziert<br />
wird. Die Schicht der klimarelevanten Spurengase fängt also, wie die Glasscheiben<br />
eines Treibhauses, Sonnenenergie ein, indem sie Sonnenlicht durchlässt und<br />
Infrarotstrahlung zurückhält. Aufgrund dieser Analogie wird der Effekt Treibhauseffekt<br />
genannt. 37<br />
Wichtigstes T.-Gas ist Kohlendioxid (Kohlendioxid-Problem). Schaut man sich die<br />
Emittentengruppen an, so steht der Energieverbrauch mit 50% an der Spitze<br />
(Kohlendioxid, Methan, Ozon), gefolgt von der Chemie mit 20% (FCKW, Treibgase),<br />
der Landwirtschaft mit 15% (Methan, Distickoxid) und der Regenwald-Zerstörung mit<br />
15% (Kohlendioxid, Distickoxid). 38<br />
Seit Beginn der Industrialisierung steigt der CO2-Pegel in der Troposphäre<br />
(Atmosphäre) stetig an. Der Mensch hat innerhalb von nur ca. 200 Jahren den CO2-<br />
Gehalt der Atmosphäre stärker verändert, als die Natur innerhalb von 1 Mio. Jahren. Bei<br />
Fortsetzung des derzeitigen Trends werden extreme Klimaveränderungen erwartet.<br />
Ursache ist vor allem die Verbrennung fossiler Brennstoffe […] sowie die Vernichtung<br />
der tropischen Regenwälder. CO2 ist das maßgebliche Endprodukt jeder Verbrennung,<br />
das nicht aus Abgasen herausgefiltert werden kann. 39<br />
35 vgl. ANONYMUS (1993). Umweltlexikon: Fossile Brennstoffe. http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBenergie/FossileBrennstoffe.php , 05.12.2003<br />
36 vgl. ANONYMUS (1993). Umweltlexikon: Treibhauseffekt. http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBluft/Treibhauseffekt.php , 05.12.2003<br />
37 Umweltlexikon : Treibhauseffekt. http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBluft/Treibhauseffekt.php , 05.12.2003<br />
38 ebd.<br />
39 Umweltlexikon: Kohlendioxid-Problem. http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBluft/KohlendioxidProblem.php , 05.12.2003<br />
- 34 -
Um sich ein Bild von der derzeitigen Situation verschaffen zu können:<br />
Die weltweiten CO2-Emissionen aus dem Energiebereich betragen ca. 22 Mrd. t/Jahr,<br />
wovon 56% aus den westlichen Industrienationen stammen. Pro Kopf liegen die CO2-<br />
Emissionen in den USA bei 20 t/Jahr […] und in den meisten Entwicklungsländern bei<br />
0,5-3 t/Jahr. 40 [Stand 28. Januar 2003]<br />
Ein Ende der Steigerung der CO2-Emission ist nicht abzusehen. Grund hierfür sind vor allem<br />
die Nichteinhaltung der Beschlüsse von internationalen Konferenzen, wie jene von „Toronto<br />
1988, wonach der weltweite CO2-Ausstoss bis 2005 um 25% und bis 2050 um 50% und bis<br />
2050 um 50% reduziert werden soll“ 41 und vor allem „nationale Egoismen“. 42 Nach Ansicht<br />
der Wissenschaftler reichen bisherige Maßnahmen keinesfalls aus. 43<br />
Da auf unserem Planeten ein immerwährender Kohlendioxidkreislauf (im folgenden K.-<br />
Kreislauf genannt) besteht und dieser zu den wichtigsten überhaupt zählt, möchte ich auch<br />
darauf eingehen.<br />
Er [der K.-Kreislauf] transportiert den für alle Lebewesen notwendigen Kohlenstoff<br />
zwischen Luft, Boden und Wasser. Der K.-Gehalt der Atmosphäre weist einen<br />
ausgeprägten Jahreszyklus auf: Ende April ist er im globalen Mittel um ca. 6 ppm höher<br />
als im Oktober. Die Pflanzen der Nordhemisphäre entziehen der Luft während der<br />
Vegetationsphase (Frühjahr bis Herbst) durch Photosynthese soviel K., dass die<br />
Konzentration zum Herbst hin abnimmt, während zum Ende des Winters die K.-<br />
Konzentration aufgrund des geringeren K.-Verbrauchs und dem Zersetzen von<br />
Biomasse [zunimmt]. 44 Von den Pflanzen wird K. mit Hilfe des Sonnenlichts in<br />
Kohlenstoff und Sauerstoff zerlegt (Photosynthese). Der Kohlenstoff bleibt in der<br />
Pflanze und der Sauerstoff wird an die Umwelt abgegeben. Tierische Organismen<br />
gewinnen Energie, indem sie Kohlenstoff mit Sauerstoff zu K. verbrennen. 45 Gegenüber<br />
dem biologischen K.-Kreislauf sind die geochemischen Umsätze, Vulkanausbrüche und<br />
v.a. die Verbrennung fossiler Brennstoffe, zwar verschwindend klein, aber um so<br />
folgenreicher: K. ist als wichtiges klimarelevantes Spurengas maßgeblich an der<br />
Regulation des irdischen Wärmehaushalts beteiligt. K. verändert den Strahlungshaushalt<br />
der Erde, indem es die kurzstrahlige Sonnenstrahlung fast ungehindert auf die<br />
Erdoberfläche passieren lässt und die langwellige, von der Erde emittierte<br />
Wärmestrahlung teilweise absorbiert 46 [oben unter Treibhauseffekt beschrieben]. Nur<br />
etwa 4 Prozent des jährlich emittierten K. stammt aus anthropogenen Quellen; die<br />
natürlichen K.-Emissionen betragen ca. 600 Mrd. Tonnen/Jahr. Greift der Mensch durch<br />
zusätzliche K.-Emissionen in den K.-Kreislauf ein gefährdet er das Weltklima. Eine<br />
weitere Erhöhung der K. in der Atmosphäre lässt eine Zunahme der globalen<br />
Temperaturen erwarten. Im Vergleich zu den letzten 250.000 Jahren der Erdgeschichte<br />
ist der K.-Gehalt der Erdatmosphäre heute am höchsten; die jährliche<br />
Konzentrationszunahme liegt bei etwa 0,4 Prozent. Der anthropogen bedingte Anstieg<br />
der K.-Konzentration wird weniger auf industrielle Aktivitäten, sondern vielmehr auf<br />
die Umwandlung von Wald- in Ackerflächen (Europa, USA, Ostasien) zurückgeführt. 47<br />
40 Umweltlexikon: Kohlendioxid-Problem. http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBluft/KohlendioxidProblem.php , 05.12.2003<br />
41 ebd.<br />
42 vgl. ANONYMUS (1993). Umweltlexikon: Kohlendioxid-Problem. http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBluft/KohlendioxidProblem.php , 05.12.2003<br />
43 ebd.<br />
44 Umweltlexikon: Kohlendioxid. http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBluft/Kohlendioxid.php , 02.01.2004<br />
45 ebd.<br />
46 ebd.<br />
47 ebd.<br />
- 35 -
* , -. /<br />
Um nun auf den Punkt zu kommen: Der <strong>Stirlingmotor</strong> akzeptiert fast jegliche Art von<br />
Rohstoffen - im Gegensatz zu andern heutzutage verwendeten Motoren zur Stromerzeugung -<br />
um ihn zu betreiben, erzielt darüber hinaus noch einen hohen Wirkungsgrad und ermöglicht<br />
eine relativ emissionsarme Umwandlung in elektrische Energie. 48 Eine Möglichkeit besteht<br />
also darin unsere <strong>Stirlingmotor</strong>en in Zukunft mit Biomasse (im Folgenden B. genannt) zu<br />
betreiben.<br />
Als B. wird die auf der Erde vorhandene organische Substanz in lebenden, toten oder<br />
zersetzten Organismen bzw. deren Exkrementen bezeichnet. Biochemische Grundlage<br />
jeglicher B. ist der Kohlenstoff. Alle B. ist durch die von grünen Pflanzen gespeicherte<br />
Sonnenenergie entstanden. Im Prozeß der Photosynthese wird Sonnenenergie in<br />
biochemische Bindungsenergie überführt; man kann das Pflanzenreich auch als riesigen<br />
Sonnenkollektor betrachten. Tiere nehmen mit der Nahrung diese Energie auf und<br />
bilden die tierische B. Weltweit wachsen jährlich rund 80 Mrd t B. nach, etwa zur Hälfte<br />
in Form von Holz. 49<br />
Man kann aus Biomasse durch verschiedene Verfahren Energie gewinnen. Zu nennen wären<br />
hierbei folgende:<br />
1. Verbrennung.<br />
2. Vergasung: B., insb. Holz, wird unter Luft- und Dampfzutritt aufgeheizt. Es entsteht<br />
v.a. das brennbare Gas Methan sowie Kohlendioxid. […]<br />
3. Pyrolyse: Zersetzung bei 500-1.000 GradC unter Luftabschluß. Dabei wird B. zu<br />
festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen mit höherem Heizwert, z.B. Holzkohle.<br />
[…]<br />
4. Alkoholische Gärung: Insb. zuckerhaltige B. wird durch Hefe in Ethanol und<br />
Methanol umgewandelt. […]<br />
5. Methangärung: Durch […] Zersetzung unter Luftabschluß wird B. zu Biogas bzw. bei<br />
Zersetzung von Klärschlamm zu Klärgas bzw. Deponiegas. Bio-, Klär- und Deponiegas<br />
haben eine ähnliche Zusammensetzung wie Erdgas. 50<br />
Biomasse zählt zu den regenerativen Energiequellen, welche aus „nachwachsenden<br />
Rohstoffen“ gewonnen werden kann. 51 Als nachwachsende Rohstoffe werden solche<br />
bezeichnet, welche meist aus Land- und Forstwirtschaft stammen, biologisch erneuerbar sind<br />
und nicht für Ernährungs- oder Fütterungszwecke genutzt werden. 52 Der Begriff wurde<br />
während der Ölkrise in den 70er Jahren des 20. Jahrhunderts geprägt, als die Industrie nach<br />
erneuerbaren Kohlenstoffquellen, als Ersatz für fossile Brennstoffe, suchte. 1992 wurde, auf<br />
Grund der EU-Agrarreform und den Überschüssen in der landwirtschaftlichen Produktion, die<br />
Diskussion um nachwachsende Rohstoffe erneut belebt und daher ist bis heute ein Anstieg der<br />
Anbauflächen zu verzeichnen. Nachwachsende Rohstoffe lassen sich in vielen Bereichen<br />
verwenden, wie z.B. Holz als Bau- und Konstruktionsmaterial, Pflanzenfasern für die<br />
Textilherstellung, tierische und pflanzliche Fette oder zur Herstellung von Seifen. Eine<br />
Orientierung an der Erzeugung von Kraftstoffen, wie z.B. Biodiesel aus Raps scheint nicht<br />
sinnvoll zu sein, da in der Regel kein Netto-Energiegewinn zu erzielen ist, wohingegen die<br />
48 Vgl. Firma Saarberg, Saarbrücken (2000). Stirling-Motoren für die Kraft-Wärme-Kopplung. http://www.bhkw-info.de/spezielle_themen/stirling-motor.HTML , 02 01 2004<br />
49 Umweltlexikom: Biomasse. http://www.umweltlexikon- online.de/fp/archiv/RUBlandwirtsrohstoffe/Biomasse.php , 02.01.2004<br />
50 ebd.<br />
51 Vgl. ANONYMUS (1993) Umweltlexikon: Biomasse. http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBlandwirtsrohstoffe/Biomasse.php , 02.01.2004<br />
52 Vgl. ANONYMUS (1993) Umweltlexikon: Nachwachsende Rohstoffe http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBlandwirtsrohstoffe/NachwachsendeRohstoffe.php<br />
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energetische Nutzung von Abfällen, wie z.B. bei der Bio-Gas-Erzeugung, sinnvoll erscheint.<br />
Auch hier gibt es wiederum Schattenseiten: Der großflächige Anbau wirft altbekannte und<br />
neue Probleme auf, wie etwa den Anbau in großen Monokulturen, den möglichen Einsatz von<br />
Gentechnik und eine bis dato fehlende Höchstmengenverordnung für den Einsatz von<br />
Pestiziden, also Pflanzenschutzmitteln, u. dgl.<br />
Darum ist eine vielseitige Landwirtschaft, die nachhaltig eine breite Palette von<br />
nachwachsenden Rohstoffen anbieten kann, dann sinnvoll, wenn hochwertige Produkte mit<br />
effizienten Verarbeitungsschritten hergestellt und bei der Verwertung wieder in ökologische<br />
Kreisläufe, wie z.B. durch Vergärung oder Kompostierung, eingegliedert werden können. 53<br />
* ( ,<br />
Um die Vorteile von Biomasse noch einmal auf den Punkt zu bringen:<br />
• Biomasse ist CO2-neutral. Das bedeutet, dass bei der Verbrennung genau so viel CO2<br />
in die Umwelt entweicht, wie bei der Photosynthese von der Pflanze aus der Luft<br />
gebunden wurde.<br />
In einer Formel ausgedrückt würde das Folgendes ergeben:<br />
Sonne + CO2 = Biomasse<br />
Biomasse = Energie + CO2<br />
Im Gegensatz dazu werde bei der Verbrennung von 1m³ Erdgas 2kg CO2 und bei 1<br />
Liter Heizöl 2,8 kg CO2 in die Atmosphäre geblasen.<br />
• Biomasse ist als gespeicherte Sonnenenergie das ganze Jahr über und gerade im<br />
Winter verfügbar<br />
• Biomasse wächst in unserem Land, sozusagen vor unserer Haustür, benötigt daher<br />
keine langen Transportwege und ist krisensicher verfügbar, im Gegensatz zu Erdöl<br />
und Erdgas, welche zu 70% in politisch sensiblen Regionen der Erde liegen. Das<br />
erfordert auch keine weiten Transporte und den damit verbundenen Öl- und Gas-<br />
Leckagen bei den Pipelines und den Tankerunfällen, die sich in letzter Zeit häufen und<br />
jedes Mal aufs Neue verheerende Umweltkatastrophen mit Langzeitfolgen bedeuten.<br />
• Österreich importiert bereits 80% des Öl- und Gasbedarfes aus dem Ausland und wird<br />
in absehbarer Zeit über keine fossilen Lagerstätten mehr verfügen, genauso wie die<br />
EU spätestens in 15 Jahren zu 75% von Importen aus politisch sensiblen Regionen<br />
abhängig sein wird. Weitere Konflikte sind dadurch absehbar.<br />
• Derzeit werden nur rund 19,6 Mio. Festmeter von 31 Mio. Festmetern Energieholz,<br />
also das Holz, das bei Waldpflege, Holznutzung und Holzbe- und Holzverarbeitung<br />
anfällt, jährlich in Österreich genutzt. Es besteht also noch ein riesengroßes Potential.<br />
• Biomasse entspricht auch dem Prinzip der Nachhaltigkeit, also eine schonende<br />
Nutzung natürlicher Ressourcen, im Gegensatz zum fossilen Raubbau. Demnach<br />
sollen auch spätere Generationen die Chance haben, auf dieselben Ressourcen<br />
zurückgreifen zu können, auf die unser derzeitiges Wirtschaftssystem aufbaut.<br />
• Biomasse bringt und birgt neue Arbeitsplätze in der heimischen Wirtschaft, da ein<br />
Grossteil der Biomasse-Anlagen in Österreich selbst gefertigt wird, die einen hohen<br />
technischen Stand besitzen und daher ein Anstieg der Nachfrage aus dem Ausland zu<br />
verzeichnen ist. Das gesamte Auftragsvolumen entlang der Österreichischen<br />
Bioenergie-Wertschöpfungskette beträgt schon heute 10 Mrd. ATS also rund 727 Mio.<br />
53 Vgl. ANONYMUS (1993) Umweltlexikon: Nachwachsende Rohstoffe http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBlandwirtsrohstoffe/NachwachsendeRohstoffe.php<br />
- 37 -
Euro und es werden 19000 Arbeitsplätze bereitgestellt. In 10 Jahren rechnet man mit<br />
ca. 40000 Arbeitsplätzen und einer Verdoppelung der Wertschöpfungskette. 54<br />
An dieser Stelle möchte ich einen aktuellen Beitrag von unserem Österreichischen<br />
Umweltminister Josef Pröll einbringen, welcher sich der Problematik angenommen hat und<br />
von dem ein Interview diesbezüglich in der Zeitschrift „Ökoenergie“ veröffentlicht wurde:<br />
Baden-Baden, 23.07.2003:<br />
Weder die Atomenergie noch fossile Energien sind mit einer zukunftsfähigen Politik<br />
und Wirtschaft vereinbar. Das machte Österreichs Umweltminister Josef Pröll in einem<br />
Interview mit der renommierten Zeitschrift "Ökoenergie" deutlich. Klimaschutz und<br />
erneuerbare Energien, so der Minister, haben in der österreichischen Politik Vorrang.<br />
Der konservative Minister wörtlich: "Wir wollen im Jahr 2008 in Österreich einen<br />
Ökostromanteil von 78 Prozent erreichen. Der Einsatz von Biomasse soll bis 2010 um<br />
75 Prozent gesteigert werden."<br />
Minister Pröll verwies darauf, dass diese Ziele im neuen Regierungsprogramm der<br />
österreichischen ÖVP/FPÖ-Regierung festgeschrieben sind. In der Biomasse-<br />
Energiegewinnung ist Österreich schon heute Europa- und wahrscheinlich sogar<br />
Weltmeister. Pröll bekräftigt auch für die Zukunft: "Wir werden bei der Biomasse einen<br />
absoluten Schwerpunkt setzen."<br />
Damit hat Österreich weit ehrgeizigere Ziele als die EU oder Deutschland. In<br />
Österreichs neuer Regierung sitzen neben Pröll als derzeitigem Umweltminister drei<br />
weitere ehemalige Umweltminister. Zur Atomenergie sagt Pröll: "Das klare Ziel ist<br />
weiterhin der Ausstieg Europas aus der Atomenergie." 55<br />
Nach letzten Erhebungen zufolge, gibt es in Österreich bereits 380 Biomasse-Anlagen mit<br />
einer Heizleistung von 540KW.<br />
Im Juli 1998 wurde eine gesetzliche Regelung verabschiedet, die Betreibern von<br />
Verteilungsnetzen vorschreibt, bis zum Jahr 2005 3% des Stroms aus neuen<br />
erneuerbaren Energieträgern (exkl. Wasserkraft oder Stromerzeugung durch die<br />
Verbrennung von Ablauge) zu beziehen. Diese gesetzliche Regelung wird ein<br />
vermehrtes Augenmerk auf die Produktion von Strom aus Biomasse zur Folge haben.<br />
Die vielversprechendsten österreichischen Forschungsprojekte im Bereich<br />
Stromerzeugung mit Biomasse beschäftigen sich mit der Zufeuerung in konventionellen<br />
Kraftwerken, mit Vergasungstechnologien und <strong>Stirlingmotor</strong>en. 56<br />
Der Stirling Motor stellt eine vielversprechende Option für den Betrieb kleiner Kraft-<br />
Wärme-Kopplungssysteme dar. Seine Vorteile liegen in den niedrigen Betriebskosten<br />
und im einfachen Design. Im Rahmen nationaler Forschungsprojekte wurde in Graz ein<br />
3 kW Alpha Type Stirling Motor konstruiert und erfolgreich getestet.<br />
Zur Zeit entwickelt Joanneum Research einen <strong>Stirlingmotor</strong> mit einer elektrischen<br />
Leistung von 30 bis 100 kW, der alle Voraussetzungen für eine Serienproduktion<br />
erfüllen soll. 57<br />
54 Vgl. ANONYMUS Österreichischer Biomasse-Verband: http://www.biomasseverband.at/default.htm<br />
55 Franz Alt (31. Juli 2003): http://www.umweltjournal.de/fp/archiv/AfA_politik/5101.php<br />
56 Feste Biomasse – Technologie Portrait (Kapitel 9) http://www.energytech.at/(de)/biomasse/portrait_kapitel-9.html , 04.01.2004<br />
57 Feste Biomasse – Technologie Portrait (Kapitel 9) http://www.energytech.at/(de)/biomasse/portrait_kapitel-9.html , 04.01.2004<br />
- 38 -
* ' (<br />
Nun werde ich 3 Kraftwerke vorstellen, anhand derer sich oben genannte Dinge leicht<br />
überprüfen lassen:<br />
Klassisches Kraftwerk, mit Heizöl betrieben und ungünstiger Gesamtnutzung:<br />
Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) mit Stirlingtechnologie, mit Heizöl betrieben und günstiger<br />
Gesamtausnutzung:<br />
Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) mit Stirlingtechnologie, mit nachwachsenden Brennstoffen<br />
betrieben und sehr günstiger Gesamtausnutzung: 58<br />
58 vgl. Hermann Schmidt (?) Hat der <strong>Stirlingmotor</strong> eine Zukunft? http://www.abclist.net/raristir/down/Stirling_zukunft_11_03.pdf , 04.01.2004<br />
- 39 -
Wenn man nun alle drei Arten von Kraftwerken miteinander vergleicht, kann man erkennen,<br />
dass die dritte Möglichkeit Energie zu gewinnen, die umweltschonendste ist. Hierbei wird<br />
Biomasse als Brennstoff verwendet und das Prinzip des <strong>Stirlingmotor</strong>s kommt zum Einsatz.<br />
Dies bedeutet, dass nur 10% an Abwärme verloren gehen und die restlichen 90% als Strom<br />
und Nutzwärme verfügbar sind. Da es sich bei dem Brennstoff um Biomasse handelt, wird<br />
genau so viel CO2 in die Atmosphäre freigesetzt, wie diese Pflanze auch tatsächlich<br />
aufgenommen hat, es besteht also ein zu 100% geschlossener Kreislauf.<br />
* * 0<br />
Wir sehen also, dass sich das Prinzip des <strong>Stirlingmotor</strong>s, mit seinem außergewöhnlichen<br />
Konzept und mit all seinen Vorteilen die es bringt, als sehr zukunftsorientiert erweist. Alleine<br />
schon erschreckende Meldungen, wie folgende, führen uns klar vor Augen, wie wichtig ein<br />
Umdenken in der heutigen Zeit ist. Der <strong>Stirlingmotor</strong> ist dafür prädestiniert unsere Kraftwerke<br />
oder zumindest einen Teil davon „sauberer“ und effizienter zu machen, unsere Umwelt zu<br />
schonen und damit unser Gewissen zu erleichtern.<br />
23 Tonnen Pflanzen für einen Liter Sprit<br />
Wie viele natürliche Ressourcen stecken im Benzin? Ein US-Forscher wollte es<br />
genau wissen - und errechnete Schwindel erregende Zahlen: Für einen Liter Sprit<br />
werden 23 Tonnen prähistorisches Pflanzenmaterial verbraucht.<br />
Es braucht Jahrmillionen, ehe Druck und Hitze die Reste von Pflanzen in Erdöl<br />
verwandeln. Die Berechnungen von Jeff Dukes von University of Utah zeigen jetzt in<br />
drastischer Weise, in welchem Maße der fossile Brennstoff von der Menschheit<br />
ausgebeutet wird. Wie Dukes in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins "Climatic<br />
Change" schreibt, steckt in einem Liter Benzin eine Pflanzenmasse von rund 23 Tonnen.<br />
Seit Beginn der industriellen Revolution im Jahr 1751 hat die Menschheit demnach so<br />
viele fossile Brennstoffe verbraucht, wie in 13.300 Jahren auf der gesamten Erde an<br />
Pflanzenmasse nachwachsen.<br />
Um herauszufinden, wie viel Pflanzenmaterial für die Bildung fossiler Brennstoffe nötig<br />
war, errechnete Dukes, wie viel Kohlenstoff der ursprünglichen Vegetation während der<br />
zahlreichen Entwicklungsstufen bis hin zu Öl, Gas und Kohle verloren ging. Das<br />
Resultat: Nur etwas weniger als ein Zehntausendstel des Kohlenstoffs aus den<br />
pflanzlichen Ablagerungen endete als Erdöl und Erdgas.<br />
Fossile Brennstoffe könnten als Lagerstätten von Sonnenergie betrachtet werden, die<br />
durch Photosynthese in nutzbare Biomasse umgewandelt wurde, so Dukes. Seine<br />
Berechnungen zeigten, wie ineffizient bei der Bildung fossiler Brennstoffe die<br />
Umwandlung der ursprünglichen Sonnenenergie in den Brennstoff ist. Moderne<br />
Verfahren der Energiegewinnung aus Sonne und Wind seien in dieser Hinsicht<br />
wesentlich effizienter. 59<br />
59 ANONYMUS Spiegel-Online (Oktober 2003) http://www.spiegel.de/wissenschaft/erde/0,1518,271540,00.html<br />
- 40 -
1<br />
,<br />
0 ! 5 &<br />
Was sehen Sie auf dem unteren Bild?<br />
Genau. Einen Schlagenhauf-Motor, benannt nach Dr. Wilfried Schlagenhauf, welcher ihn<br />
damals, anno 1990, auf der Suche nach einer Möglichkeit, den Lehrern und Schülern auf<br />
einfache Weise das Prinzip des <strong>Stirlingmotor</strong>s zu erklären, erfand. Vorgestellt wurde er<br />
erstmals bei der Stirlingausstellung im Jahr 1990/1991 in Oberursel. Er besteht aus ein paar<br />
ganz einfachen und preiswerten Dingen und ist schnell mal eben zusammengebaut. „Schnell<br />
mal eben zusammengebaut“… Das ist ein Irrglaube, dem man leicht verfällt, wenn man nicht<br />
ins Detail geht.<br />
1 2<br />
Im Herbst des Schuljahres 2002/2003 ging ich - und vermutlich auch die anderen, die sich für<br />
das Wahlpflichtfach Physik unter der Leitung von Prof. Unterreiner angemeldet hatten ohne<br />
irgendeine Vorahnung von dem, was uns das ganze Jahr positiv beschäftigen sollte, in den<br />
Physiksaal zu unserer ersten WPF-Stunde. Von Anfang an waren wir, und ich denke ich<br />
spreche für uns alle, wenn ich „wir“ sage, positiv überrascht. Das lässt sich nicht nur daran<br />
erkennen, dass sich gleich mehrere Schüler, mich eingeschlossen, auch im darauf folgenden<br />
Jahr für das Physik WPF angemeldet haben. Leider kam es dieses Jahr aus organisatorischen<br />
Gründen nicht zustande. Wir befanden uns also im Physiksaal als wir zum ersten Mal etwas<br />
von einem „Stirligmotor“ hörten. Ich für meinen Teil konnte mir darunter einfach nichts<br />
vorstellen. Ich hoffe, dass es den Lesern dieses Textes inzwischen anders geht. Ich assoziierte<br />
damals das Wort „Stirling“ [eigentlich Sterling] noch mit Silber. Aber keinesfalls mit einem<br />
Motor. Wir wurden ganz ohne Vorkenntnisse in das Rennen geschickt. Unser erster<br />
Anhaltspunkt war ein altes, selbstgebautes und schon ziemlich verstaubtes Modell. Dieses sah<br />
- 41 -
wirklich „ganz einfach“ aus. Aus der Nähe betrachtet konnte man folgende Bauteile<br />
ausmachen:<br />
Ein Holzbrett, auf dem zwei Steher befestig sind, eine drehbare Verbindung zwischen den<br />
Stehern, die aus einer Wäscheklammer auf einem Holzbalken besteht. Diese hält ein<br />
handelsübliches Reagenzglas, in dem sich Murmeln befinden und ist mit dem Arbeitskolben<br />
verbunden. Unter dem Arbeitskolben befindet sich ein Stück eines Luftballons, der über einen<br />
Schlauch mit dem Reagenzglas verbunden ist. Daneben ist noch einen Bunsenbrenner zu<br />
finden. Doch nun zu en einzelnen Bedeutungen der Teile und ihren Aufgaben.<br />
Das Grundgerüst bilden die Bodenplatte, die Steher und die Wäscheklammer. Das<br />
Reagenzglas und, genau genommen, auch noch der Luftballon stellen den Zylinder dar mit<br />
den Murmeln als Verdrängerkolben darin. Der Schlauch stellt sicher, dass die heiße Luft,<br />
unser Arbeitsgas, zwischen Luftballon und Reagenzglas strömen kann und sich somit in<br />
einem geschlossenen Raum befindet. Das heiße Arbeitsgas wirkt dann über den Luftballon<br />
auf den Arbeitskolben, welcher in Folge auch den Verdrängerkolben steuert. Als externe<br />
Heizquelle fungiert ein Bunsenbrenner. Das alles, zusammen mit ein bisschen<br />
handwerklichem Geschick und technischen Kenntnissen, ergibt eine funktionierende<br />
Wärmekraftmaschine, den <strong>Stirlingmotor</strong>.<br />
- 42 -
1<br />
Im Ausgangszustand ist das Reagenzglas in Richtung des Arbeitskolbens geneigt. Die<br />
Murmeln darin liegen, dem Gesetz der Schwerkraft folgend, auf der Seite des Pfropfens. Der<br />
Luftballon ist leer und der Arbeitskolben befindet sich daher in der unteren Position. Wird das<br />
Reagenzglas nun von der externen Heizquelle, in unserem Fall einem Bunsenbrenner, erhitzt,<br />
erwärmt sich sogleich die Luft darin. Das hat einen Druckanstieg im gesamten System zur<br />
Folge. Die sich ausdehnende Luft strömt über den Schlauch in den Luftballon unter dem<br />
Arbeitskolben. Dieser bläht sich auf, hebt somit den Arbeitskolben in seine obere Position.<br />
Das Reagenzglas kippt über und lässt die Murmeln auf die andere Seite, in Richtung<br />
Heizquelle, rollen. Diese Murmeln übernehmen somit die Aufgabe des Verdrängerkolbens<br />
und nun strömt an ihnen die Luft vorbei. Da sich ein Großteil der Luft nun auf der kühleren<br />
Seite des Zylinders befindet, sinkt der Druck im System und der Luftballon fällt in sich<br />
zusammen. Der Arbeitskolben senkt sich durch die Schwerkraft und lässt so das Reagenzglas<br />
wieder auf die andere Seite überkippen. Die Murmeln bewegen sich nun ebenfalls wieder in<br />
die Gegenrichtung. Die Luft strömt an den Murmeln vorbei, befindet sich nun wieder im<br />
wärmeren Teil des Zylinders und wird weiter aufgeheizt. Nun kann das Spiel wieder von<br />
neuem beginnen.<br />
1 ' 2<br />
Es wurden Rollen innerhalb der Gruppe verteilt, die aber mit der Zeit ineinander übergingen.<br />
Niemand hielt sich so recht an seine Aufgaben, sondern jeder setzte seine Ideen dort ein und<br />
packte dort an, wo gerade Platz dafür war.<br />
Von einem großen Brett schnitt sich jede Gruppe eine Bodenplatte und klebte darauf zwei<br />
etwa 10cm lange Steher, welche von einer Holzlatte gesägt wurden, in einem Abstand auf, der<br />
der Länge einer Wäscheklammer entsprach. Dort hinein kam je ein Loch. Die<br />
Wäscheklammer wurde auf ein gleich langes Holzstück mit Heißkleber geklebt, welches<br />
wiederum links und rechts mit Nägeln versehen wurde, welche in die Löcher auf den Stehern<br />
passten. Auf die Bodenplatte kam weiters eine kleine Erhöhung, auf der später der Luftballon<br />
ruhen sollte. Das Reagenzglas wurde mit Murmeln gefüllt, mit Stahlwolle ausgepolstert und<br />
mit einem Pfropfen, in welchem sich eine Glaskanülle befand, luftdicht verschlossen. Die<br />
Glaskanülle besteht aus einem Teil eines Glasrohres, welches mit Hilfe von einem<br />
Bunsenbrenner erhitzt und so in Form gebracht wurde. Am kompliziertesten gestaltete sich<br />
der Bau eines Luftballons. Hierbei werden Teile eines „großen“ Luftballons mit Heißkleber<br />
zusammengeklebt und über einen Schlauch mit der Glaskanülle verbunden. Der Hub, der am<br />
Luftballon später entsteht, muss nur noch an den Verdrängerkolben weitergegeben werden.<br />
Dies geschieht über den Arbeitskolben, welcher aus einem Stück Holz mit einem senkrechten<br />
Loch, mit einem Nagel und einer Mutter darin, besteht. Die Mutter dient zur Feineinstellung,<br />
um den Neigungswinkel des Reagenzglases zu bestimmen. Diese Öse ist horizontal mit der<br />
Halterung für das Reagenzglas zu verbinden. Am Ende wird noch der Schlauch gut auf der<br />
Bodenplatte befestigt, damit er nicht verrutscht.<br />
Wurden alle Schritte erfolgreich ausgeführt, steht der Schlagenhaufmotor zur Besichtigung<br />
bereit. Wurden dann noch alle nötigen Feineinstellungen getroffen, ist er auch betriebsbereit.<br />
- 43 -
1 * +<br />
Hier werde ich nun alle Probleme, fein säuberlich untergliedert, auflisten, um den langen,<br />
mühsamen Weg noch genauer aufzuzeigen.<br />
1 * 3 4 + -.<br />
Probleme:<br />
1) Schon die Montage der Steher bereitet dem ungeübten Handwerker ein Problem. Sind<br />
die Steher einmal fix auf der Bodenplatte montiert, lässt sich die Wäscheklammer mit<br />
den herausragenden Nägeln nur noch schwer, unter Anwendung roher Gewalt in die<br />
vorgesehene Position bringen. Hier mussten wir einen der beiden Steher also noch<br />
einmal entfernen.<br />
2) Weiters kommt es bei sehr hoher Hitzeeinwirkung des nahe stehenden<br />
Bunsenbrenners zu zwei unerfreulichen Ereignissen.<br />
Das erste findet am Heißkleber, der sich zwischen Wäscheklammer und Querlatte<br />
befindet, statt. Dieser schmilzt nämlich bei höheren Temperaturen.<br />
Das zweite betrifft die schwarzen, rauchenden oder sogar brennenden Stellen die sich<br />
nach noch größerer Hitzeeinwirkung am Gerüst bilden. An diesen Stellen wurde es<br />
dem Holz schlicht und einfach zu heiß.<br />
3) Auch die Wäscheklammer erwies sich nicht als sehr stabil. Wenn man nämlich eine<br />
Wäscheklammer, bei der die hinteren Stücke [am Bild ersichtlich] fehlen, weiter als<br />
gedacht aufbiegt, springt die Klammer gerne heraus und man hat unfreiwillig drei<br />
Teile in der Hand, die es heißt, wieder zusammenzusetzen.<br />
Lösungsvorschläge:<br />
1) -<br />
2) Den Bunsenbrenner nicht zu nahe an das Gerüst stellen und nicht auf höchster Stufe<br />
laufen lassen. Andere Materialien zu verwenden wäre auch eine Lösung, welche aber<br />
den Bau erschweren würde, da sich Holz für diese Zwecke eignet und sich leicht<br />
verarbeiten lässt.<br />
3) Wir haben probiert, ein zweites Holzstück auf die Querlatte zu kleben und vorher eine<br />
Öffnung auszufräsen, die in etwa dem Durchmesser eines Reagenzglases entspricht.<br />
Dies war leider nicht von Erfolg gekrönt, da diese Öffnung sich nicht selbst an die<br />
Konturen des Reagenzglases anpasste und daher eine hohe Präzision erforderlich<br />
machte. Diese war folglich zu klein oder zu groß und ließ dem Reagenzglas zu viel<br />
Spielraum.<br />
- 44 -
1 * # 4 + -.<br />
Nach langer Arbeit durften wir erkennen, wie instabil eigentlich solche Reagenzgläser sind.<br />
Die von uns verwendeten waren zwar hitzebeständig, aber gegen relativ leichte Schläge und<br />
schon auf kleine Kraftaufwendung seitens der Erbauer sehr empfindlich. So gingen viele zu<br />
Bruch. Dies ist nicht nur sehr lästig, sondern auch auf die Dauer kostspielig. Achtung: Nach<br />
gründlichem Studium ist festzustellen, dass Reagenzgläser sehr heiß werden können, wenn sie<br />
zuvor mit einem Bunsenbrenner über längere Zeit hinweg erhitzt wurden. Auch die sich darin<br />
befindlichen Murmeln sind von dieser Regel nicht ausgeschlossen. Also Vorsicht beim<br />
Aufheben von diesen, wenn sie beim Öffnen des Reagenzglases einmal das Weite suchen.<br />
Probleme:<br />
1) Wie schon unter 6.4.1 beschrieben, versuchten wir anstatt der Wäscheklammer, die<br />
einen sehr hohen Druck auf die Gläser ausübte und diese auch zu Bruch gehen ließ,<br />
diese in einer Öffnung zwischen der Holzlatte und einem darauf angebrachten<br />
Holzstück zu befestigen. War die Öffnung zu klein, ging beim Einführen mit erhöhter<br />
Kraft auch das Reagenzglas kaputt.<br />
2) Wurde so ein Reagenzglas mit der Zeit, nach mehrmaligen Probeläufen, zu heiß,<br />
musste es abkühlen, da sonst nicht genügend Temperaturunterschied zwischen dem<br />
beheizten und dem anderen Ende bestand. Natürlich kann man hier nicht ewig warten,<br />
also beschlossen wir, das Ganze zu beschleunigen und tauchten das heiße Reagenzglas<br />
in kälteres Wasser. Die Gläser haben diese Prozedur gar nicht so gut vertragen und<br />
zersprangen in viele Teile.<br />
3) Die Murmeln in dem Reagenzglas waren ständig in Bewegung. Das bedeutet, sie<br />
rollen vom einen Ende ans andere, stoßen dort kräftig an und rollen danach zurück.<br />
Erstens bedeutet das, dass sie zu abrupt abgebremst werden und der Motor sie aus<br />
eigener Kraft wieder zurückbefördern muss. Zum Zweiten bedeutet dies auch eine<br />
sehr hohe Kraftausübung auf den Boden des Reagenzglases welches, nach einiger Zeit<br />
brüchig wird. Dadurch kann es passieren, dass der Boden abfällt.<br />
4) Einfach ist es auch nicht den Pfropfen in der richtigen Größe zu finden um das<br />
Reagenzglas luftdicht zu verschließen. Viel Kraftaufwand darf nicht nötig sein um<br />
damit das Glas zu verschließen.<br />
5) Die Murmeln müssen den richtigen Durchmesser haben und sich eine genaue Anzahl<br />
an Murmeln im Reagenzglas befinden. Sie sollten von Natur aus schon eine möglichst<br />
runde Form haben und sich unter Hitzeeinwirkung weder verformen noch zerbrechen.<br />
- 45 -
Lösungsvorschläge:<br />
1) Anfangs versuchten wir den Spielraum, falls die Öffnung zu groß geraten war, mit<br />
etwas Gummi von Luftballon zu verkleinern, das klappte nicht so ganz, weil das<br />
Einführen des Reagenzglases zu viel Kraft erforderte, die wir auf Selbiges nicht<br />
ausüben konnten. Wir verwendeten danach doch die Wäscheklammern weiter.<br />
2) Langsam abkühlen lassen oder erst gar nicht zu stark aufheizen lassen. Den<br />
Abkühlvorgang vielleicht mit ein bisschen frischem Wind beschleunigen, jedoch nicht<br />
in kaltes Wasser tauchen.<br />
3) Anfangs behalfen wir uns mit Glaswolle, um die Stöße der Kugeln zu absorbieren.<br />
Diese war aber nicht sehr hitzebeständig, brannte sich daher in das Glas am Boden ein,<br />
wurde sehr hart, verlor dadurch die stoßabsorbierende Wirkung und wurde mit der<br />
Zeit immer weniger. Abhilfe brachte ein kleiner Knäuel Stahlwolle. Diese ist sehr<br />
hitzebeständig und vermag auch die Kugeln beim Auftreffen in die Gegenrichtung<br />
abzufedern. Auch sollte nie versucht werden, Stahlwolle oder Glaswolle in ein<br />
Reagenzglas zu stopfen und mit Hilfe durch Schütteln von Murmeln im Glas, diese am<br />
Boden in Form zu bringen. Das kostet ein neues Reagenzglas, da die beiden<br />
Materialien auch keine Wunder bewirken beim Absorbieren von Stößen.<br />
4) Entweder kann man einen weicheren Pfropfen verwenden oder mit geeigneten<br />
Dichtmittel die Ränder abschließen. Wir haben genau den Richtigen gefunden.<br />
5) Hier hilft das Sprichwort: „Probieren geht über Studieren“. Von der Menge her, haben<br />
sich zwei oder drei Kugeln bewährt. Am einfachsten ist jedoch in das nächste<br />
Spielwarengeschäft zu gehen, ein paar Murmeln zu erstehen und selbst zu probieren.<br />
1 * 2 4 + -.<br />
Ist der Luftballon und der Schlauch als Verbindung zum Arbeitskolben undicht, ist guter Rat<br />
oft teuer. Eine der Hauptbeschäftigungen auf der Fehlersuche war, andauernd die Dichtheit<br />
des Systems zu überprüfen. Am einfachsten lässt sich die Dichtheit des Luftballons<br />
feststellen, indem man ihn in ein Wasserbad taucht und am Ende des Schlauches etwas Luft<br />
hineinpustet. Sieht man Bläschen aufsteigen, hat man den Übeltäter gefunden. Dann heißt es<br />
aber, das Loch zu flicken, was oft nicht sehr einfach ist.<br />
Probleme:<br />
1) Da die Teile eines richtigen Luftballons, wenn man sie ausschneidet, schon eine<br />
spezifische, gebogene Form besitzen, ist es oft schwierig das endgültige Volumen des<br />
fertigen Luftballons abzuschätzen. Weiters ist es nicht einmal so einfach solche relativ<br />
kleinen, filigranen Teile mit einer sauberen Kante mit der Heißkleberpistole zu kleben.<br />
2) Wie mir vor kurzem bekannt wurde, ist unser <strong>Stirlingmotor</strong> leider wieder undicht. Ich<br />
tippe stark auf den Luftballon. Das bedeutet, dass der Luftballon auf kurz oder lang<br />
spröde wird und dadurch die Dichtheit verliert.<br />
- 46 -
3) Hat der Luftballon nun doch seine Dichtheit verloren, klebt man am besten die<br />
undichte Stelle zu. Dies bewirkt aber oft, dass der Luftballon danach zu „überladen“<br />
wirkt und seine Elastizität, sowie seine Hubkraft verliert, da diese nicht mehr richtig<br />
nach oben wirken kann.<br />
4) Da der Schlauch anfangs zu unbeweglich und zu schwer war, war es dem Reagenzglas<br />
nicht so einfach möglich seine Position zu ändern. Auch die Verbindung vom<br />
Schlauch zum Luftballon ist sehr empfindlich.<br />
Lösungsvorschläge:<br />
1) Unser Hub-Luftballon bestand aus den relativ geraden Teilen der Mundöffnung eines<br />
Luftballons. Der Kreativität sind keine Grenzen gesetzt. Ich empfehle, den Luftballon<br />
ein wenig kleiner zu halten, vor allem die Auflagefläche, da der Hub schon bei diesen<br />
erstaunlich groß ist. Beim Kleben ist auf jeden Fall eine ruhige Hand und Geduld<br />
gefragt.<br />
2) Hier könnte Silikonspray helfen, wie man es bei Türgummis bei Autos verwendet.<br />
Getestet habe ich das aber bis jetzt noch nicht.<br />
3) Öfter ist es besser einen Teil des Heißklebers auf der undichten Kante zu entfernen<br />
und gleich neu zu kleben. Vorsicht sei beim Kleben auch hier geboten: Heißkleber ist<br />
unangenehm, wenn er im heißen Zustand auf die Finger kommt. Auch die Spitze der<br />
Klebepistole wird sehr heiß. Dies kann nicht nur zu Verbrennungen an den Fingern,<br />
sondern auch zu Verletzungen am Gummi des Luftballons führen. Also den Luftballon<br />
niemals mit der Spitze berühren.<br />
4) Es empfiehlt sich, einen möglichst beweglichen Schlauch zu verwenden. Die Stelle wo<br />
der Schlauch mit dem Luftballon verbunden wird, sollte ganz sorgfältig geklebt<br />
werden. Bei zu viel Heißkleber am Luftballon könnte jedoch die Schlauchöffnung<br />
verklebt werden.<br />
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1 1<br />
Meine und unsere Erfahrungen haben gezeigt, dass es kein optimales, narrensicheres Rezept<br />
für eine gelungene Feineinstellung gibt. Schon der Begriff „Feineinstellung“ indiziert dies.<br />
Trotzdem sind einige Details sehr beachtenswert, die es durchaus erleichtern den Motor in<br />
Betrieb zu nehmen.<br />
• Die Ausgangsposition muss, wie schon oben beschrieben, so aussehen, dass das<br />
Reagenzglas auf die Seite des Arbeitskolbens geneigt ist.<br />
• Nach einigen Versuchen sollte dem Motor wieder Zeit gegeben werden um abkühlen<br />
zu können. Es hilft nicht, einfach nur auf einer noch höheren Stufe zu heizen.<br />
• Es ist auch möglich, dass entweder zu viel oder zu wenig Luft im System ist. Das<br />
kommt vor, wenn man den Pfropfen vom Reagenzglas löst, während das System sehr<br />
heiß ist, es danach wieder verschließt und es abkühlen lässt. Der umgekehrte Weg ist<br />
auch denkbar.<br />
• Hilfreich kann es auch sein, den richtigen Punkt, an dem die Mutter auf der Schraube<br />
sitzt, zu markieren, um dagegen gewappnet zu sein, dass sich der Motor verstellt oder<br />
verstellt wird.<br />
• Die Stelle, an der das Reagenzglas mit Hilfe der Wäscheklammer befestigt wird, sollte<br />
selbst herausgefunden werden. Es sollten auf jeden Fall beide Feineinstellungen<br />
benutzt werden, die zuletzt angesprochene und jene über die Schraube und Mutter. Zu<br />
beachten gilt es auch, dass beide Einstellmöglichkeiten aufeinander einen relativ<br />
hohen Einfluss haben.<br />
• Die Länge des Schlauches spielt auch eine Rolle bei der Feineinstellung. Ca. 50-60cm<br />
sollten die richtige Länge sein.<br />
Eine kleine Warnung an dieser Stelle, die sich schon vielfach bewährt hat. Vor allem für<br />
mich, wenn ich wieder einmal vorhabe oder vorgehabt habe, in meiner Freizeit an meinem<br />
Computer zu basteln:<br />
Never change a running system. – Verändern Sie nie ein funktionierendes System.<br />
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6 /<br />
Alt, Franz (31. Juli 2003). Umweltjournal: Österreichs Umweltminister Pröll:<br />
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