Stirlingmotor im BHKW: Funktion, Vorteile & Wirkungsgrad

Wer sich über Heizungen informieren möchte, stößt in den letzten Jahren immer häufiger auf Begriffe wie Blockheizkraftwerk, Kraft-Wärme-Kopplung oder Stirlingmotor. Insbesondere letzterer ist vielen Menschen eher im Zusammenhang mit Modellbau ein Begriff. Mittlerweile kommt er jedoch vermehrt in Kombination mit einem BHKW zum Einsatz.

stirlingmotor infografik zum aufbau

Stirlingmotor Funktion

Vereinfacht beschrieben handelt es sich bei einem Stirlingmotor um zwei Zylinder, in denen jeweils ein Kolben läuft. Die Zylinder sind außerdem mit einem Gas gefüllt, welches sich durch Wärme möglichst gut ausdehnt. Es erfolgt nun das Erhitzen des Gases im ersten Zylinder. Durch die thermische Ausdehnung des Gases bewegt sich der Kolben.

Über die Kolbenstange an einem angetriebenen Rad wandelt sich der Kolbenhub in eine Drehbewegung um. So gelangt das erwärmte Gas in den zweiten Zylinder. Dieser wird gezielt gekühlt. Das Gas komprimiert und der Kolben zieht sich aufgrund des entstandenen Vakuums zurück. Diese Technik veränderten Wissenschaftler in modernen Varianten, sodass die Bewegung des Kolbens ausschließlich beim Ausdehnen und Komprimieren erfolgt. Der Stirlingmotor in einer Heizung (BHKW) entspricht dieser einfachen Bauform.

Einsatz als Wärmepumpe oder Kältemaschine

Nach dem Konzept des Stirlingmotors, können Sie das verwendete Gas entweder gezielt erhitzen oder kühlen. Entsprechend ist er als Wärmepumpe oder als Kältemaschine einsetzbar. Darüber hinaus gibt es einen signifikanten Unterschied zum Verbrennungsmotor. In diesem erfolgt die Energieumwandlung im Innern des Aggregats, wobei beim Stirlingantrieb die Wärme von außen zuzuführen ist.

Nachteile anderer Motoren und Vorteile des Stirlingmotors

Der Verbrennungsmotor ist nur für die Umwandlung eines speziellen Energieträgers wie Gas, Benzin oder Diesel konstruierbar.

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Einen Stirlingmotor können Sie mit jeder beliebigen Wärme- oder Kältequelle versorgen. Damit liegt sein Vorteil vor allem in seiner vielseitigen Antriebstechnik: Ob Sonnenenergie, fossile und erneuerbare Energieträger, Erdwärme, Pellets – viele verschiedene Brennstoffe sind dabei einsetzbar.

Sie können demnach eine Wärmequelle verwenden, die geringe Emissionswerte aufweist. Außerdem ist der Motor sehr laufruhig und leise. Die nachfolgenden Drehmomente, wie sie beim Verbrennungsmotor üblich sind, gibt es nicht. Aufgrund des einfachen Aufbaus ist ein Stirlingmotor deutlich verschleißärmer und auch mit einem geringen Wartungsaufwand zu betreiben. Auf diese Weise sinken die laufenden Betriebskosten.

Der Wirkungsgrad

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Der theoretische Wirkungsgrad des Stirlingmotors ist als Carnot-Wirkungsgrad bekannt:

1 – (untere Prozesstemperatur in Kelvin/obere Prozesstemperatur in Kelvin)

Zu bedenken ist jedoch: Der tatsächlich realisierte Prozess des Stirlingmotors erzielt nicht das theoretische Maximum. Weiterhin wirkt sich die obere Prozesstemperatur beschränkend auf den Wirkungsgrad aus. Diese liegt selten über 800 Kelvin (527 Grad Celsius).

Material, welches höhere Temperaturen aushält ist sehr teuer und findet daher kaum Verwendung. Die untere Prozesstemperatur bildet ebenfalls eine Grenze, da das Arbeitsgas im kalten Raum kaum unter 400 Kelvin (127 °C) gekühlt wird. Durch den Einsatz eines Abgas-Wärmetauschers, nutzen Sie die „Abfallwärme“ zum Vorwärmen der Verbrennungsluft. So verringern Sie weitere Verluste des Wirkungsgrades.

Die Nutzung der genannten Werte zur Berechnung des Carnot-Wirkungsgrad lässt folgende Gleichung entstehen:

1 – (800K/400K) = 0,5 

Demnach beträgt der theoretische Wirkungsgrad eines Stirlingmotors in etwa 50 Prozent. Der tatsächliche Wirkungsgrad liegt entsprechend niedriger.

Kraft-Wärme-Kopplung bei BHKW Stirling

Der Wirkungsgrad einer Heizung ergibt sich aus dem zugeführten Anteil des Brennstoffes, der am Ende der Verbrennung als Wärmeenergie zur Verfügung steht. Stirlingmotor und Heizung passen gut zusammen, da beide die beim Verbrennungsvorgang entstehende Abwärme nutzen. Die Wärme erzeugt Strom, während die Abwärme das Brauch- oder Heizwasser erwärmt. Dieses Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung nutzt auch der Stirlingmotor.

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Mit modernen Wärmetauschern erzielt der Stirling eine Effizienz von etwa 70 bis 80 Prozent. Damit kommt der Stirling-Motor im BHKW auf eine Leistungseffizienz von 80 bis 90 Prozent.

Lohnt die Anschaffung eines BHKW mit Stirling?

Die Kraft-Wärme-Kopplung setzt voraus, dass für einen 90-prozentigen Nutzungsgrad, Strom und Warmwasser gleichermaßen zu erzeugen sind. Das ist der Grund, weshalb es Blockheizkraftwerke in der Regel erst ab Größen für große Einfamilien- und Zweifamilienhäuser gibt. Folgend eine kurze Erläuterung des Sachverhaltes:

Um eine gleichmäßige Erzeugung zu realisieren, muss ein entsprechender Warmwasserbedarf für Brauchwasser und/oder Heizwasser vorliegen. Gerade in Sommermonaten sinkt der Verbrauch, weshalb es in kleinen Einfamilienhäuser zu keiner gleichmäßigen Erzeugung von Strom und Warmwasser kommt. Mehr Bewohner bedeuten einen höheren Warmwasserbedarf in Monaten, in denen das Heizen im Hintergrund steht.

Fazit zur Heizung mit Stirlingmotor

Stirlingmotoren zeigen ihre Vorteile bei Anwendungen in Heizungsanlagen, die als Blockheizkraftwerk geplant sind. Der große Vorteil der Nutzung eines Stirlingmotors zum Betreiben eines BHKW, liegt in der Flexibilität der möglichen Wärmequelle. Sind Sie Besitzer eines kleinen Gebäudes, sollten Sie bei der Planung zuvor jedoch Ihren Wärmebedarf ermitteln. Können Sie den Wirkungsgrad gänzlich nutzen, lohnt sich die Anschaffung eines BHKW mit Stirling. Seine Vorzüge, wie die geringe Wartung und lange Lebensdauer, lassen sich in deutlich geringere Betriebskosten umwandeln.

Entwicklung des Stirlingmotors

Anfang des 18. Jahrhunderts gelang es erstmals, eine nutzbare Dampfmaschine zu entwickeln. Allerdings kam es aufgrund der hohen Drücke von heißem Wasserdampf zu zahlreichen Unfällen. Das motivierte den schottischen Theologen Robert Stirling, Antriebsmaschinen sicherer zu konstruieren.

1816 meldete er ein Patent für seine „Wärmekraftmaschine“ an, heute besser bekannt als Stirlingmotor. Ende des 19. Jahrhunderts verbesserten Wissenschaftler diesen Motor zwar deutlich, doch der Verbrennungsmotor verdrängte ihn schnell. Denn als Motor für Automobile ist er ungeeignet. Gründe dafür sind seine Trägheit und die langen Anlaufzeiten bei der Erwärmung. Zwar wurde immer wieder am Stirlingmotor geforscht. Schließlich ergaben sich mit dem Einsatz in Blockheizkraftwerken interessante Anwendungsmöglichkeiten.