Ende der Eiszeit für Stirling-Motoren - www.sunmachine.de

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ENDE DER EISZEIT FÜR STIRLING-MOTOREN ders bei den Solar-Dish-Anlagen und den neuen Kryokühlern eine wichtige Voraussetzung darstellt. Seit über 2 Jahrzehnten werden auch Freikolben-Stirling-Maschinen gebaut, bei welchen die beiden in einem Zylinder angeordneten Kolben über flexible, mechanische Tellerfedern genau axial geführt werden. Die mit einfachen Spaltdichtungen versehenen Kolben arbeiten praktisch reibungsfrei und das gesamte mechanische Getriebe fällt weg. Hingegen werden die Kolben durch die Gaskräfte des Kreislaufes beaufschlagt und mit zusätzlichen pneumatischen Federvolumen Kinematisch 2 Kolben, 2 Zylinder in zyklischer Bewegung gehalten. Da die Kolbendynamik und der thermische Kreisprozess intim miteinander verkoppelt sind, besteht das Hauptproblem dieser Maschinen in der exakten Steuerung dieses Prozesses durch die verschiedenen Feder- und Gaskräfte, damit sich die gewünschten Amplituden und Phasenwinkel einstellen. Kinematisch 2 Kolben, 1 Zylinder Als weiteren Lösungsweg werden auch sog. akustische Stirling-Maschinen vorgeschlagen, bei welchen ein einziger Kolben in einem Zylinder angeordnet ist und das heisse Entspannungsvolumen vom kalten Kompressionsvolumen trennt. Mit einem zusätzlich angebrachten Resonanzrohr wird dann die Phase der Druckänderung des Arbeitsgases gegenüber der Kolbenbewegung (bzw. der durch die Kolbenbewegung entstehenden Druckänderung) verschoben, so dass eine Arbeitsleistung gewonnen werden kann. (Das Resonanzrohr erfüllt somit die Rolle einer Impedanz eines Schwingkreises.) Dieses Konzept stellt mechanisch die geringsten Anforderungen, verlangt aber relativ lange Resonanzrohre und ist bisher noch weniger erprobt als die anderen Konzepte. Stand der Entwicklung Heutzutage liegen die oben beschriebenen Konzepte in Form von Prototypen vor ; bei einer grossen Mehrheit der vorhandenen Maschinen können die theoretisch erwarteten elektrischen Gesamtwirkungsgrade, welche meist im Bereich zwischen 25 und 30% liegen, experimentell belegt werden. Dies bezeugt, dass die Grundlagen dieser Maschinen erfasst sind und die Technologie vorhanden ist. Eine gezielte Umsetzung in ein kommerzielles Produkt kann innert Jahren erfolgen, wobei die heute zu leistenden Hauptanstrengungen bei der Felderprobung unter den genauen Einsatzbedingungen dieser Maschinen liegen ; die erwarteten, langen Laufzeiten verlangen entsprechend umfangreiche und andauernde Messungen. Grosse Anstrengungen sind ebenfalls auf die einfache Ausführung dieser Maschinen zu richten, damit diese kostengünstig und serienmässig hergestellt werden können. Eine Reihe von Komponenten, wie z.B. Erhitzerkopf oder Regenerator müssen in möglichst standardisierter Form hergestellt werden, damit ein verbilligtes, zuverlässiges Endprodukt entsteht. Von der geeigneten Materialauswahl wird ebenfalls eine Verbesserung der vorhandenen Maschinen erwartet. Freikolben 2 Kolben, 1 Zylinder Akustisch 1 Kolben, 1 Zylinder + Resonanzrohr Zusammenfassung Bild 6: Bauformen von Stirlingmotoren für die Anwendung als Mini-BHKW Die Forderung nach bewusstem Energiesparen geben neue Impulse und Chancen für eine verbreitete Anwen- 16 Solarzeitalter 1/2003
ENDE DER EISZEIT FÜR STIRLING-MOTOREN dung von Stirling-Systemen. Solange ein Teil unserer elektrischen Energie weiterhin aus fossilen Energieträgern stammt, erlaubt die dezentrale KWK, ohne Einbusse an Komfort, Heizöl und Gas wesentlich rationeller einzusetzen und grosse Mengen an Primärenergie zu sparen. Allein in Deutschland werden über 10 Mio. kleine Heizanlagen betrieben, welche durch dezentrale Mini-KWK ersetzt werden könnten. Bei einer angenommenen Marktdurchdringung von nur etwa 20% ergäbe dies eine installierte elektrische Leistung von über 4 Mio. kW, was einem Ersatz von 4 grossen Nuklearkraftwerken entsprechen würde. Zur Abdeckung dieses Marktes liegen verschiedene Maschinenkonzepte vor, welche alle vor- und nachteilige Eigenschaften aufweisen. Diese Palette gibt einerseits die Versicherung, dass für jede geforderte Anwendung Lösungen möglich sind. Beim heutigen Stand der Entwicklung kann aber noch kaum entschieden werden, welche Konzepte in Zukunft erfolgreich eingesetzt werden können. Die benötigte Technologie ist vorhanden und damit das Grundrisiko gering. Der Reifeprozess muss nun geleistet werden, um aus den vorhandenen Prototypen ein marktgängiges, kommerzielles Produkt zu entwickeln und dieser umweltfreundlichen Technologie den Einstieg in den Markt zu sichern. Die serienmässige Herstellung dieser Aggregate wird neue Arbeitsplätze in einem technologisch anspruchsvollen Bereich schaffen, welcher den bestehenden Kompetenzen der deutschen Industrie genauestens entspricht. Zusätzlich zum angedeuteten Binnenmarkt bestehen dabei Chancen, einen wichtigen Exportmarkt aufzubauen. Stiringmotoren als stromerzeugende Hausheizung Stiringmotoren als Mini-BHKW sind sehr einfache Maschinen, die gegenüber normalen Hausheizungen, Brennstoffzellenheizgeräten und Verbrennungsmotor-BHKWs spezifische Vorteile aufweisen: Vorteile gegenüber normalen Hausheizungen (und Strom aus dem Netz): • zusätzlich zur Wärmeerzeugung Eigenstromversorgung (KWK), auch als Inselanlage • eigenerzeugter Strom reduziert den Bezug aus dem öffentlichen Netz • eigenerzeugter Strom vermeidet Leitungsverluste des Stromnetzes • bereits mit fossilen Energieträgern Reduktion des Primärenergieverbrauchs bis zu 47 % • bereits mit fossilen Energieträgern Reduktion des Kohlendioxidausstosses bis zu 62 % • können mit direktem Sonnenlicht betrieben werden • Reduktion des Schadstoffausstosses bis zu 94 % Der Bau von zuverlässigen, unterhaltsarmen Aggregaten erleichtern auch den verbreiteten Einsatz von erneuerbaren Energien, sei es in Form von Sonnenenergie oder Biomasse. Ökonomisch vertretbare Lösungen sind nur mit Serienprodukten zu erwarten, welche sich für einen dezentralen Einsatz eignen und diesen Technologien den Weg Vorteile gegenüber Brennstoffzellenheizgeräten: • Technologie heute verfügbar • können alle Brennstoffe verarbeiten: gasförmig, flüssig, fest, fossil, regenerativ • können mit direktem Sonnenlicht betrieben werden • billig herstellbar • höherer Gesamtwirkungsgrad • nicht auf Wasserstoffwirtschaft angewiesen (dezentral) • wartungsfreier Betrieb möglich • lange Lebensdauer • schnellere Lastfolgegeschwindigkeit Vorteile gegenüber Verbrennungsmotor-BHKWs: • sehr viel mehr Brennstoffe möglich • können mit direktem Sonnenlicht betrieben werden • die Verbrennung ist 500 – 1000 mal schadstoffärmer • wartungsfreier Betrieb möglich • auch ohne Schalldämmung erheblich leiser • höherer Wirkungsgrad (bei kleinen Leistungseinheiten) • höherer Gesamtwirkungsgrad in die Zukunft ermöglichen werden. Jean-Pierre Budliger, Centre de Technologies Nouvelles, Plan-les-Ouates (CH) Eckhart Weber, SUNMACHINE Gesellschaft für Stirlingtechnologien mbH, Nürnberg (D), www.sunmachine.de Solarzeitalter 1/2003 17
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