Vielversprechendes Comeback des Stirling

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Vielstoffakzeptanz - ein Vorteil des Stirling-Motors
Ein Monument der Technikgeschichte
Wenig Theorie, viel Praxis
Die klassischen Stirling-Probleme
„We don’t need this damned nonsense!"
Die elegante Lösung im SIG-Modul
Mit der Kapselung das Dichtungsproblem umschifft
Spiralfeder erzeugt Torsion
Temperatur- und Druckverhältnisse
Von Langenbruck nach Neuhausen
Die haustechnische Einbindung
Foga fördert Innovationen
Beteiligte: BFE und Foga

Am Ökozentrum Langenbruck und in den Werkstätten der SIG in Neuhausen am Rheinfall ist mit Unterstützung der Schweizerischen Gasindustrie eine Variante des Stirling-Motors entwickelt worden. Sowohl der Motor als auch der angeflanschte Lineargenerator arbeiten innerhalb einer vollständig dichten, gasgefüllten Kapsel; lediglich die elektrischen Anschlüsse durchstossen die Kapselwand. Damit löst diese sogenannte Freikolbenvariante das klassische Stirling-Problem der notorischen Undichtigkeit auf elegante Weise.

Vielstoffakzeptanz - ein Vorteil des Stirling-Motors. Am 16. November 1816 erhielt der schottische Geistliche Robert Stirling für seine Wärme-Kraft-Maschine das Patent Nr. 4081. Wie die von James Watt 1769 wesentlich verbesserte Dampfmaschine von Newcomen handelt es sich beim Stirling-Motor um einen Energiekonverter mit äusserer Verbrennung. Die Differenzierung ist von Belang, denn im Gegensatz zum Otto- und zum Dieselmotor, bei denen der Treibstoff innerhalb des Motors verbrennt, zeichnet sich der Stirling durch eine sogenannte Vielstoffakzeptanz aus - jeder Brennstoff ist grundsätzlich geeignet. Viele Versuche an diesem Motor in den letzten 182 Jahren waren ohne Zweifel durch diese Eigenschaft motiviert: Mit dem Stirling lassen sich auch erneuerbare Energien wie Biogase, Holz oder Solarwärme, aber auch Kohle verstromen.

Ein Monument der Technikgeschichte.
Das Engagement der Forscher, Konstrukteure und, das vor allem, der Geldgeber in der langen Stirling-Geschichte ist plausibel. Bereits die ursprüngliche Version von 1816 wie auch das von Robert Stirling und seinem Bruder James - einem Ingenieur - um 1827 verbesserte Aggregat war der Dampfmaschine nicht nur in der Effizienz, sondern auch bezüglich Unfall- und Betriebssicherheit überlegen.
Nach 1886 übertraf der Stirling jahrzehntelang den Diesel-Motor im mechanischen Wirkungsgrad. In den fünfziger Jahren dieses Jahrhunderts produzierte Philips einen 200 kg schweren Stirling mit einer Leistung von 40 PS und einem Wirkungsgrad von 38 % - damals eine Sensation. Der Philips-Erfolg führte zu Lizenzen in aller Welt, unter anderem an General Motor und an Ford in den USA sowie an MAN in Deutschland. Doch heute, 40 Jahre später, sind alle diese teuren Innovationen allenfalls noch Technikgeschichte, die allerdings - wenn auch nur indirekt - die heute üblichen Stirling-Bauarten ermöglichten.

Wenig Theorie, viel Praxis. Das Stirling-Prinzip ist zweifelsohne ein Geniestreich, umso mehr als dass die Entwicklung ohne theoretische Grundlagen erfolgte. Denn die berühmte Schrift „Über die bewegende Kraft des Feuers" von Nicolas Sadi-Carnot erschien acht Jahre nach der Stirling-Patentierung, 1824. Und erst 1842 stellte Julius Mayer den Zusammenhang zwischen Wärme und mechanischer Energie schlüssig dar.

Die klassischen Stirling-Probleme.
Dem Stirling-Motor haften - seit je - vier Probleme an:

Wenig zuverlässige Abdichtung zwischen Gasraum und Getriebeteil, was zu Gasverlusten und zu Ölinfiltrationen in das Arbeitsgas führt.

Relativ hoher Verschleiss der Kolbenringe aufgrund des Trockenlaufes im Gasraum.

Abfall der Leistungsfähigkeit des Regenerators aufgrund von Verstopfung (Abriebpartikel).

Regelung nur mit extrem aufwendigen Einrichtungen möglich.

„We don’t need this damned nonsense!" Die phasenverschobene Kopplung der beiden Kolben - des Verdränger- und des Arbeitskolbens - stellte fast 150 Jahre lang ein typisches Stirling-Problem dar. Für die Funktion eines Stirlings ist diese Verbindung unerlässlich, weil der Arbeitskolben den Verdrängerkolben antreibt, der das Gas abwechselnd vom kalten (gekühlten) in den warmen (befeuerten) Zylinderraum drückt. Eine relativ grosse Verbreitung fand das rhombische Getriebe von Meijers (Philips). Für Überraschung sorgte William Beale 20 Jahre später, 1962, mit einer höchst intelligenten Lösung. Der Legende nach soll Beale, der an der Ohio University in Athens (USA) unterrichtete, mitten in der Vorlesung über Stirling-Maschinen ausgerufen haben: „Goodness me, we don’t need all this damned nonsense. We can simply do without!" Tatsächlich ersetzte Beale die rein mechanische und starre Verbindung der beiden Kolben durch ein Feder-Masse-System: Das zwischen Arbeits- und Verdrängerkolben eingeschlossene Gasvolumen wirkt als pneumatische Feder zur dynamischen Kupplung der beiden Kolben. Für viele Fachleute gilt diese Freikolbenversion als die wichtigste Verbesserung der Stirling-Technologie überhaupt.

Die elegante Lösung im SIG-Modul. Im Versuchsaggregat der SIG oszillieren berührungs- und dichtungsfrei Verdränger- und Arbeitskolben in einem Zylinder. Zwei mit der gleichen Frequenz von 50 Hz wippende Blattfedern halten unabhängig voneinander die beiden Kolben. Diese federnde Aufhängung übernimmt die Funktion der Kolbenführung und macht die problematischen Trockenlaufgleitlager der beiden Kolbenstangen überflüssig. Die Konstruktion garantiert aufgrund der berührungsfreien Laminarspaltdichtungen eine absolut spiel- und reibungsfreie Führung. Sowohl die Idee als auch die konstruktive Lösung dieser Kolbenführung stammt vom ehemaligen Sulzer-Ingenieur Anton Steiger aus Illnau bei Zürich, der damit seine Vision einer verschleissfreien Kolben-Wärmekraftmaschine erfüllt sieht. Steiger’s Idee vereinigt zwei wichtige Funktionen des Kolbenspiels, nämlich die Federung und die Führung in einem Element.

Mit der Kapselung das Dichtungsproblem umschifft. Der Expansionsraum befindet sich oberhalb, der Kompressionsraum unterhalb des Verdrängers. Durch die Bewegung des Verdrängerkolbens verändern sich die beiden Volumen naturgemäss ständig, sind aber in ihrer Summe ebenfalls nicht konstant, weil der Arbeitskolben mit einer Phasenverschiebung von 50° dem Verdrängerkolben hinterhereilt.
Die durch den Verdrängerkolben und die Wärmezufuhr erzeugte Druckwelle in den beiden kommunizierenden Räumen wird vom Arbeitskolben aufgefangen, das heisst über einen Generator in elektrische Energie konvertiert. Permanentmagnete am Arbeitskolben bilden den „Rotor" des Linear-Generators; die Magnete sind an vier kreuzweise angeordneten Flügeln befestigt, die sich in der Netzfrequenz zwischen den „Statorwicklungen" auf und ab bewegen. Das Aggregat ist vollständig gekapselt, was ebenfalls einen ganz wesentlichen Schritt in der Stirling-Entwicklung darstellt. Denn der mechanische Teil befindet sich mitsamt dem Generator gänzlich im Druckbehälter, lediglich die (festen) elektrischen Leitungen durchstossen die Kapsel.
Drei der vier erwähnten technischen Schwierigkeiten des Stirling-Konzeptes sind dadurch elegant gelöst. In der Leistung modulieren lässt sich aber auch diese Maschine kaum.

Spiralfeder erzeugt Torsion. Die Steiger’sche Führung der Kolben hat vor allem auch für die Herstellung des Stirlings eine Bedeutung. Denn die ursprüngliche Federung mit einer Spiralfeder hat den Nachteil, dass aufgrund des Federbewegung eine unerwünschte Torsion entsteht; notwendigerweise, weil die Länge der Spirale sich nicht ändert. Diese Torsion hat zur Folge, dass ein mit den Kolben verbundener Lineargenerator ebenfall radial schwingt. Sofern die Permanentmagnete des „Rotors" an kreuzweise angeordneten Stegen montiert sind, muss die axiale Bewegung ohne jede Torsion möglich sein, denn die Stege bewegen sich ja in den Nuten des „Stators".

Temperatur- und Druckverhältnisse. Die Kapselung ist mit Helium gefüllt. Mit 35 bar entspricht der Druck im Behälter dem mittleren Druck im Expansions- und Kompressionsraum; die Druckamplituden betragen 5 bar (relativer Über- oder Unterdruck). Die Betriebstemperatur ist abhängig von der Heizwassertemperatur im Kaltraum. Im Heissraum ist es 550°C warm. In der Versuchsmaschine wird die Energie kontinuierlich über einen Gasbrenner dem Expansionsraum im Erhitzerkopf zugeführt. Trotz Verbrennungsluftvorwärmung und Temperaturen von 650°C am Erhitzerkopf unterschreitet der Stickoxid-Ausstoss die Grenzwerte für Gasheizgeräte der Luftreinhalteverordnung 1992.

Von Langebruck nach Neuhausen. Christian Gaegauf und Hans-Peter Zumsteg vom Ökozentrum Langenbruck importierten die Beale-Idee in die Schweiz und testeten eine Maschine der von Beale gegründeten Firma Sunpower. Eine messwertgestützte Modellierung ermöglichte ein Scale-up. In erster Linie wollten die beiden Ingenieure mit den Arbeiten Geldgeber und Industriepartner finden - beides gelang. Der Forschungs-, Entwicklungs- und Förderungsfonds der Schweizerischen Gasindustrie (Foga) unterstützt das Projekt mit namhaften Beiträgen. Die Schweizerische Industriegesellschaft, SIG, Neuhausen, führt die Entwicklung bis zur Serienreife weiter. Anfang 1997 erfolgten die ersten Testläufe an der Versuchsmaschine in der SIG in Neuhausen. Messungen ergaben eine positive Bilanz: Der Stirling liefert eine elektrische Dauerleistung von 1,2 kW bei 230 V und 50 Hz; der gemessene Wirkungsgrad des Generators 90 %, ein Wert, der für Geräte dieser Leistungsklasse beispielhaft ist.

Die haustechnische Einbindung. Mit einer Stromkennzahl von 0,2 (Verhältnis von Strom- zu Wärmeproduktion) und einer Generatorleistung von 1 kW empfiehlt sich das Gerät für Einfamilienhäuser, kleine Gewerbebetriebe und Mehrfamilienhäuser. Was die Wartung anbetrifft, ein zentrales Thema von Wärmekraftkopplunganlagen, sind die Ziele ebenfalls ambitiös: Der Hersteller will 50’000 wartungsfreie Betriebsstunden des Motors ermöglichen. Der Gasbrenner muss, wie alle Gasheizgeräte, regelmässig gewartet werden. Auf den Wechselrichter soll gänzlich verzichtet werden, weil der Generator netzkonform arbeitet.

Foga fördert Innovationen. Der Stirling ist ein Projekt des Foga, des Forschungs-, Entwicklungs- und Förderungsfonds der Schweizerischen Gasindustrie, der vielversprechende Entwicklungen in der Energie- und Umwelttechnik unterstützt. Gemeinsam ist den Vorhaben, dass sie in einem engeren oder weiteren Zusammenhang zum Erdgas stehen, wobei eine Einsparung von Erdgas durchaus das Ziel sein kann. Gesuche um Untestützung nimmt das Foga-Sekretariat, Grüttlistrasse 44, 8027 Zürich entgegen.

Beteiligte. Unterstützung: Bundesamt für Energie, im Rahmen des Pilot- und Demonstrationsprogrammes von Energie 2000, 3003 Bern. Foga, Forschungs-, Entwicklungs- und Förderungsfonds der Schweizerischen Gasindustrie, 8027 Zürich. Entwicklung (in zeitlicher Reihenfolge): Konfiguration, Funktionsmuster: Ökozentrum Langenbruck, 4438 Langenbruck. Führung der Freikolben: Anton Steiger, 8308 Illnau

Versuchsmaschine und Entwicklung zur Produktionsreife:
SIG, Schweizerische Industriegesellschaft
8212 Neuhausen


© Othmar Humm, Oerlikon Journalisten AG, 1-10

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