Der Stirlingmotor und die erneuerbaren Energien

Vor einigen Tagen habe ich hier in der Rubrik Technik-Knowhow erläutert, wie ein Stirlingmotor  funktioniert. Das hat natürlich seinen Grund: Wie ich bereits in dem betreffenden Artikel erwähnt habe, ist der Stirlingmotor besonders im Zusammenhang mit den regenerativen Energiequellen interessant und daher eine nähere Betrachtung wert.

   Das Besondere am Stirlingmotor ist, dass er in der Lage ist, aus Wärme mechanische Energie zu erzeugen. Natürlich tun das auf den ersten Blick sämtliche Wärmekraftmaschinen. Der Unterschied zwischen dem Stirlingmotor und anderen Wärmekraftmaschinen jedoch besteht darin, dass er mit „irgendwelcher“ Wärme arbeiten kann, die anderen jedoch Wärme benötigen, die man speziell für sie erzeugt.

Blockheizkraftwerk mit Stirlingmotor (Bild:  Wtshymanski, PD)

   Bei einer Dampfmaschine muss man mit Wärme Dampf erzeugen und diesen dann arbeiten lassen. Daher muss die Wärmequelle schon einmal mindestens 100 °C heiß sein, besser noch heißer, da man für einen einigermaßen brauchbaren Wirkungsgrad mit überhitztem Dampf arbeiten muss. Die Wärme für einen Otto- oder Dieselmotor muss durch Verbrennung von Kraftstoff im Zylinder erzeugt werden. Daher braucht man geeignete Kraftstoffe wie Benzin oder Dieselöl.

     Selbstverständlich kann man sowohl Brennstoff für einen Dampfkessel als auch Otto- und Dieselkraftstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen gewinnen. Beim Diesel ist es relativ einfach, weil sich im Prinzip alle Pflanzenöle auch als Dieselkraftstoff eigenen. Schwieriger wird es beim Ottomotor: Im Prinzip kann man zwar aus allem, was Kohlenstoff enthält sämtliche Kohlenwasserstoffe erzeugen, also auch diejenigen, die im Benzin enthalten sind. Das ist jedoch technisch aufwendig und damit teuer.

Der schottische Pfarrer Robert Stirling, der den nach ihm benannten, heute wieder hochaktuellen Motor erfand

   Prinzipiell einfach geht es schon mit der Dampfmaschine beziehungsweise der Dampfturbine: Dampf kann man im Prinzip mit allem erzeugen, was man verbrennen kann und natürlich auch mit bereits vorhandenen ausreichend heißen Wärmequellen wie etwa der Erdwärme. Der Umgang mit Dampf erfordert jedoch einen recht hohen technischen Aufwand. Das liegt daran, dass ein einigermaßen wirtschaftlicher Dampfkessel recht aufwendig gebaut sein und ein hoher technischer Aufwand betrieben werden muss, um die Gefahren zu bannen, die von den hohen Drücken und Temperaturen in der Dampftechnik ausgehen. Dampftechnik wäre also, wenn überhaupt, allenfalls in Verbindung mit aufwendigen Sicherheitssystemen und vorgeschriebener Wartung durch Fachbetriebe etwas für Privathaushalte, wobei dann wohl die Wirtschaftlichkeit auf der Strecke bleiben würde und darüber hinaus Abhängigkeiten entstehen würden, die dem Selbstversorgergedanken widersprechen.

   Der Stirlingmotor verbindet nun gewissermaßen die Vorteile eines Verbrennungsmotors mit denen einer Dampfmaschine. Man kann ihn einerseits wie eine Dampfmaschine im Prinzip mit jedem beliebigen Brennstoff betreiben. Andererseits kommt er wie ein Verbrennungsmotor ohne eine aufwendige Kesselanlage aus.

   Das ist jedoch noch nicht alles: Gewissermaßen als Bonus ist der Stirlingmotor viel einfacher aufgebaut als ein Viertakt-Verbrennungsmotor. Und er ist, anders als eine Dampfmaschine, nicht auf eine bestimmte Mindesttemperatur der Wärmequelle angewiesen. Eine beliebte Spielerei sind zum Beispiel Modelle von Stirlingmotoren, die man sich auf die Handfläche stellt. Sie arbeiten mit dem Unterschied zwischen der Körper- und der Umgebungstemperatur.

   Natürlich hängt die Leistung, die man mit einem Stirlingmotor erzeugen kann, außer von der Baugröße auch vom Temperaturgefälle ab, was übrigens für alle Wärmekraftmaschinen gilt. Bei kleinen Temperaturunterscheiden sind so zwar auch nur kleine Leistungen drin, aber dennoch kann man mit dem Stirlingmotor so manches Joule Abwärme nutzen, das sonst ungenutzt an die Umgebung abgegeben würde.

     Wärme ist zwar verhältnismäßig leicht zu erzeugen, dafür aber gewissermaßen die geringwertigste Form von Energie. Wärme war die erste Form der Energie, die der Mensch zu erzeugen lernte, indem er herausfand, wie man sich ein Feuerchen anzündet. Zunächst konnte man damit aber nichts weiter anzufangen, als für eine warme Behausung zu sorgen, warme Mahlzeiten und Getränke zuzubereiten, später dann auch einfache industrielle Prozesse wie Salzsieden, Erzverhüttung oder Glasmacherei betreiben. Um mit Wärme jedoch für Bewegung zu sorgen, brauchte es mehr als nur eine Wärmequelle.

   Der Charme des Stirlingmotors besteht nun vor allem darin, dass er die einfache Energieform Wärme direkt nutzen kann. Abgesehen davon, dass Stirlingmotoren überall da erwägenswert sind, wo Abwärme anfällt, kann man sie auch mit jeder Art von Wärme betreiben, die man extra für sie gewinnt.

   Das bedeutet, dass man einen Stirlingmotor zum Beispiel mit einem Holzfeuer beheizen kann. Das ist eine gute Alternative zu einer Dampfmaschine. Im Gegensatz zu einer Dampfmaschine ist ein kleiner Stirlingmotor mit Holzfeuerung etwas, das man ohne weiteres auch in einem Privathaushalt betreiben kann und auch wesentlich einfacher, billiger und leichter zu bedienen als eine Holzvergaseranlage mit Verbrennungsmotor. Selbstverständlich lässt sich ein Stirlingmotor aber auch in eine Feuerung einbauen, die ansonsten Heizzwecken dient: Heizkessel mit einem eingebauten Stirlingmotor zur Stromerzeugung gibt es bereits.

   Theoretisch kann man die Antriebswärme für einen Stirlingmotor natürlich auch mit Rapsöl, altem Frittenfett oder Biogas erzeugen. Praktisch wäre das im Rahmen eines ganzheitlichen Konzeptes zur konsequenten Nutzung von regenerativen Energiequellen jedoch nicht sehr sinnvoll: Stoffe, die sich auch für Verbrennungsmotoren eignen, sollte man für den Betrieb von Fahrzeugen verwenden, da sich der Stirlingmotor hier wohl eher weniger gut eignet.

   Angenommen man hat Holz und Biogas zur Verfügung und möchte Strom machen und Autofahren: Dann wäre es sinnvoll, das Auto mit dem Biogas zu betreiben und dass Holz zur Stromerzeugung mit einem Stirlingmotor zu verwenden. Ein Fahrzeug mit Stirlingmotor müsste man sich erst entwickeln, das Autofahren mit Biogas hingegen ist kein Problem: Eine Aufbereitungstechnik, die Biogas so konzentriert und reinigt, dass es kompatibel zu Erdgas ist, existiert genauso wie Autos, die mit Erdgas und daher auch mit aufbereitetem Biogas fahren. Die Stromerzeugung aus Holz mit einem Stirlingmotor hingegen ist im Prinzip sogar noch einfacher als mit einem Gasmotor. Übrigens ein gutes Beispiel dafür, dass es bei der Nutzung von regenerativen Energiequellen auch darauf ankommt, was man für was verwendet.

Solarkraftwerk mit Stirlingmotor (Bildquelle: Sandia)

   Ein besonders interessantes Anwendungsfeld für den Stirlingmotor ist die Sonnenwärme: So wie man mit einem Hohlspiegel Sonnenenergie zur Dampferzeugung benutzen kann, kann man damit auch einen Stirlingmotor betreiben. Auch das gibt es sogar schon zu kaufen und es funktioniert recht gut. Ein großer Vorteil den diese Technik gegenüber der Photovoltaik hat: Man braucht keine Halbleiterfabrik dafür, jede gut ausgerüstete mechanische Werkstätte kann so etwas bauen. Das schafft natürlich Arbeitsplätze beim regionalen Mittelstand und nicht bei ostasiatischen Zulieferern von Großkonzernen.