FBA - Stirlingmotor

Bundesgymnasium Zaunergasse
Der Stirlingmotor
- Der mühsame Weg der Verwirklichung -
vorgelegt bei
Mag.a Barbara Linnert
von
Daniel Huber
Salzburg, am 20.02.2004
-1-
1.1 Einleitung ……………………………………………………………………
1.2 Die Gasgesetze ………………………………………………………………
1.2.1 Das Modell des idealen Gases …………………………………………
1.2.2 Der Druck eines Gases …………………………………………….......
1.2.3 Die absolute Temperatur und die Zustandsgleichung .………………..
1.3 Die Hauptsätze der Wärmelehre …………………………………………….
1.3.1 Die innere Energie ……………………………………………………..
1.3.2 Der erste Hauptsatz der Wärmelehre ………………………………….
1.3.3 Die spezifische Wärme ………………………………………………..
1.3.4 Der Heizwert …………………………………………………………..
1.3.5 Chemische Reaktionen ………………………………………………..
1.3.6 Der zweite Hauptsatz der Wärmelehre ………………………………..
1.4 Technische Nutzung …………………………………………………………
1.4.1 Wärmekraftmaschinen ………………………………………………..
1.4.2 Wärme und Arbeit …………………………………………………….
1.4.3 Leistung des Stirlingmotors und das pV-Diagramm .………………….
1.4.4 Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine ……………………………
Seite 1
Seite 1
Seite 1
Seite 2
Seite 5
Seite 6
Seite 6
Seite 7
Seite 7
Seite 7
Seite 8
Seite 8
Seite 9
Seite 9
Seite 9
Seite 10
Seite 11
2.1 Einleitung ……………………………………………………………………
2.2 Die Dampfmaschine …………………………………………………………
2.2.1 Funktionsweise moderner Dampfmaschinen ……………..……………
2.3 Dampf- und Gasturbine ….…………………………………………………..
2.3.1 Dampfturbine ………………………………………………………….
2.3.2 Gasturbine ……………………………………………………………..
Seite
Seite
Seite
Seite
Seite
Seite
12
13
15
18
18
19
3.1 Die Funktionsweise ………………………………………………………….
3.1.1 Schrittweise und vereinfachte Darstellung …………………………….
3.2 Der Regenerator und seine Funktionen ………………………..……………
3.3 Der Stirlingmotor als Kältemaschine und Wärmepumpe …………………….
Seite
Seite
Seite
Seite
20
21
24
25
!
"
#
#
4.1 Vorteile ……………………………………………………………………… Seite 26
4.2 Nachteile ………….………………………………………………………… Seite 28
4.3 Einsatzbereiche von Stirlingmotoren ………………..……………………… Seite 29
-2-
$
"
#
%
&
5.1 Das Problem …………………………………………………………………..
5.2 Biomasse – Die Lösung? ……………………………………………………..
5.3 Vorteile der Biomasse ………………………………………………………..
5.4 Der Vergleich ………………………………………………………………...
5.5 Zusammenfassung ..…………………………………………………………
'
(
)
)
30
32
33
35
36
Seite
Seite
Seite
Seite
Seite
Seite
Seite
Seite
Seite
37
37
39
39
40
40
41
42
44
*
6.1 Einleitung .………………..………………………………………………….
6.2 Die Aufgabe …………………………………………………………………
6.3 Die genaue Funktionsweise …………………………………………………
6.4 Die Arbeit kann beginnen ...…………………………………………………
6.5 Ein Problembericht ………………………………………………………….
6.5.1 Der Gerüst – Probleme und Lösungen …………………………………
6.5.2 Das Reagenzglas – Probleme und Lösungen ………………………….
6.5.3 Der Arbeitskolben – Probleme und Lösungen …………………………
6.6 Die Feineinstellung ………………………………………………………….
-3-
Seite
Seite
Seite
Seite
Seite
"......These imperfections have been in great
measure removed by time and especially by
the genius of the distinguished Bessemer. If
Bessemer iron or steel had been known thirty
five or forty years ago there is scarce a doubt
that the air engine would have been a great
success...It remains for some skilled and
ambitious mechanist in a future age to repeat
it under favourable circumstances and with
complete success...."
Rev'd Dr. Robert Stirling (1790-1878)
Als der schottische Geistliche Reverend Robert Stirling 1816 seinen Stirlingmotor erfand, war
er gerade einmal 26 Jahre alt. Er machte sich große Hoffnungen für sein Konzept. Schon viele
Todesopfer waren damals in seiner Gemeinde zu beklagen. Grund dafür waren
Hochdruckdampfmaschinen,
welche
reihenweise in die Luft flogen, um im
verheerenden Ausmaß viele Arbeiter in
den Tod zu reißen. Das Material, das den
Konstrukteuren damals zur Verfügung
stand, war den hohen Anforderungen
schlicht und einfach noch nicht
gewachsen. Die Arbeitsweise der
Dampfmaschinen erforderte einen hohen
Druck
im
Inneren.
Stirlings
Wärmekraftmaschine war dagegen ein
gelungenes Konzept, welches sehr
friedlich und laufruhig arbeitete und von
welchem keine Gefahr ausging, da kein
hoher Druck in solchen Dimensionen
vorhanden war. Die einzige Gefahr,
welche vom Stirlingmotor zweifellos ausging, war jene, die Dampfmaschine ablösen zu
können. 1
Heute, knapp 200 Jahre später, können wir sagen, dass diese Maschine Stirlings Erwartungen
noch nicht gerecht werden konnte. Kaum jemand kennt die Funktion eines Stirlingmotors
oder kann auch nur seine Funktionsweise erklären. Selbst ich war unter denjenigen. Diese
bedauerliche Tatsache änderte sich in meinem Fall jedoch im Jahr des PhysikWahlpflichtfachs 2002/2003. Für die werten Leser meiner Fachbereichsarbeit sollte dieser
„Unwissenheitszustand“ spätestens mit der letzten Seite vorüber sein.
1
vgl. ANONYMUS (2001) Origins Of The Stirling Heat Machine -http://www.stirlinghotairengine.com/history.htm , 18.02.2004
-4-
Um den Stirlingmotor zu verstehen, bedarf es erst einmal der ganzen theoretischen
Grundlagen. Dieses Kapitel enthält essentielle Dinge, die man nicht außer Acht lassen sollte,
wenn man sich mit der Materie Stirlingmotor und Thermodynamik genauer auseinander setzt.
Die Kenntnis der Gasgesetze erweist sich bei der Konstruktion von Wärmekraftmaschinen als
unentbehrlich. Sie bilden eine wichtige Basis für die technische Anwendung der Wärmelehre.
Es besteht nämlich ein Zusammenhang zwischen dem Druck, der Temperatur und dem
Volumen eines Gases, welcher sich durch die Gasgesetze ausdrücken lässt.
In festen Körpern und in Flüssigkeiten reichen die Molekularkräfte, also die Kräfte zwischen
den einzelnen Teilchen aus, um diese trotz ihrer thermischen Bewegung aneinander zu
binden. In Gasen ist dem nicht so, denn hier ist die kinetische Energie (Bewegungsenergie)
größer als die Bindungsenergie. Daher bewegen sich Gasmoleküle mit hoher Geschwindigkeit
und füllen bei normalen Temperaturen jeden Behälter vollständig und gleichmäßig aus.
Sie besitzen weiters zwei charakteristische Eigenschaften: Ihre Dichte ist gering und sie
lassen sich leicht zusammenpressen. Dies weist darauf hin, dass der Abstand zwischen den
Gasteilchen im Mittel sehr groß sein muss. Zur Veranschaulichung: 1m³ Wasser wiegt 1000
Kilogramm, 1m³ Luft dagegen nur 1 Kilogramm. Daraus ergibt sich ein etwa 1000mal
größerer Raum für jedes Luftmolekühl im Gegensatz zu einem Wassermolekül. Dies
wiederum ergibt einen mittleren Abstand von etwa 10 Moleküldurchmesser voneinander. In
diesen für molekulare Verhältnisse großen Entfernungen sind die Molekularkräfte bereits
unmerklich klein. Wenn wir die Schwerkraft nun aus dem Spiel lassen, bewegen sich die
einzelnen Teilchen also so lange geradlinig, bis sie auf ein Hindernis treffen, wie z.B. die
Gefäßwand oder andere Teilchen. Zusammenstöße mit anderen Teilchen sind sehr häufig. In
den unteren Luftschichten kommen sie ca. eine Milliarde Mal, pro Sekunde vor. Zwischen
jedem einzelnen Stoß bewegt sich das Molekül ca. 1000 Moleküldurchmesser fort.
Zusammengefasst bedeutet das: Unter einem idealen Gas versteht man ein Medium, dessen
Teilchen im Vergleich zum mittleren Abstand eine verschwindend kleine Ausdehnung besitzen
und nur durch elastische Stöße wechselwirken.
2
vgl. Sexl – Raab – Streeruwitz (1990) Physik 2. Seite 48-58
-5-
Die Erklärung des Gasdruckes bereitete den früheren Naturwissenschaftlern große
Schwierigkeiten. Es entstanden viele kuriose Ideen und Erklärungsversuche. Doch 1738
veröffentlichte der Schweizer Mathematiker Daniel Bernoulli (1700-1782) eine Rechnung,
die den Gasdruck mit der Bewegung der Moleküle in Zusammenhang brachte. Diese
Rechnung wurde durch mehrere Beobachtungen und Experimente verifiziert.
Er stellte sich einen Behälter mit einem Gasteilchen vor, welches auf einer geraden Bahn mit
hoher Geschwindigkeit durch den leeren Raum fliegt und auf eine Wand prallt, wiederum
zurückfliegt und so nie zur Ruhe kommt. Infolge dieser Bewegung hat jede Wand andauernd
Stöße abzufangen. Auch wenn der Stoß eines einzelnen Teilchens nicht viel ausmacht, so
üben doch viele Trillionen Teilchen, die sich tatsächlich in einem solchen Behälter befinden,
einen heftigen Druck auf die Wände des Behälters aus.
Zur Berechnung des Druckes nimmt man einen würfelförmigen Behälter, in dem das Gas
völlig regellos umherfliegt. Die innere Energie des idealen Gases ist durch die kinetische
Energie dieser Molekularbewegung gegeben. Wenn man nun die Geschwindigkeit eines jeden
Teilchens in Komponenten zerlegt, die die Richtung der Würfelkanten haben, so ergeben sich
sechs verschiedene Bewegungsrichtungen (vor, zurück, rechts, links, rauf, runter), von denen
keine den anderen gegenüber bevorzugt ist. Auf diese Weise kann man in der Berechnung die
ungeordnete Bewegung der Moleküle durch eine Bewegung ersetzen, bei der sich je ein
Sechstel der Moleküle senkrecht auf eine der sechs Wandflächen des Würfels zubewegt.
Während einer Sekunde stoßen zahlreiche Moleküle auf die Wand. Jedes Molekül erleidet
während des Stoßes eine Impulsänderung. Die gesamte sekundliche Impulsänderung ist aber
gerade die Kraft, die die Wand auf die Gasmoleküle ausübt. Nach dem allgemeinen
Wechselwirkungsgesetz ist dies aber auch die Kraft, die die Gasmoleküle durch ihren
Aufprall auf die Wand ausüben. Die Rechnung läuft also letzten Endes auf die Ermittlung der
sekundlichen Impulsänderung hinaus.
Jedes Molekül der Masse m hat vor dem Stoß den Impuls +m v, nach dem Stoß den Impuls –
m v. Seine Impulsänderung ist also 2m v. Im Zeitintervall t prallen nun all jene Moleküle auf
die Wand, die auch zur Wand fliegen und nicht weiter als v t von der Wand entfernt sind.
Befinden sich N Moleküle im Behälter und hat der Behälter das Volumen V, so befinden sich
im Kubikmeter (N/V) Moleküle. Ein Quader mit der Grundfläche A und der Höhe v t enthält
daher (N/V) A v t Moleküle. Von diesen laufen aber nur (1/6) auf die Wand zu.
Nach ein paar Überlegungen, diversen Formeln und Umformungsschritten kommt man zum
Ergebnis der von Bernoulli angestellten Überlegung:
Der Druck eines idealen Gases beträgt:
wobei unter m v² / 2 die mittlere kinetische Energie eines Moleküls zu verstehen ist.
-6-
Dieser Zusammenhang lässt sich nun experimentell bestätigen. Weil die Temperatur ein Maß
für die thermische Bewegung der Moleküle ist, bleibt bei konstanter Temperatur die
kinetische Energie der Molekularbewegung konstant. Wird nun das Volumen um die Hälfte
verkleinert, so steigt die Zahl der Molekühle auf gleich bleibendem Raum und somit auch die
sekundliche Zahl der Wandstöße auf das Doppelte an. Dies zieht demnach eine Verdopplung
des Druckes nach sich.
In allgemeiner Form können wir den Gasdruck als Funktion des Volumens aus der von
Bernoulli angestellten Rechnung gewinnen.
Bei konstanter Temperatur gilt:
Dies ist das Boyle-Mariotte’sche Gesetz. Es lautet:
p . V = const.
Um das zu überprüfen, kann man in einem Kolben Luft
zusammenpressen. An einer Skala wird das Volumen
abgelesen, an einem Manometer der dazugehörige Druck.
Die Messresultate sind im Diagramm (rechts) festgehalten.
Die Kurve drückt die Abhängigkeit des Druckes vom
Volumen aus. Sie wird als Isotherme (Kurve gleicher
Temperatur) bezeichnet. Bei niedrigen Drücken von einigen
Bar stimmen die experimentellen Werte mit den
theoretischen Vorhersagen ausgezeichnet überein.
Bei hohem Druck ergeben sich aber Abweichungen. Das
Gas nimmt dann ein größeres Volumen ein als
vorhergesagt und lässt sich kaum mehr zusammendrücken.
Verwunderlich ist dies jedoch nicht, weil wenn das Gas so
stark zusammengepresst ist, dass die Moleküle einander
fast berühren, gelten die Modellannahmen von einem
idealen Gas nicht mehr, sondern man spricht dann von
einem realen Gas. Bei diesem können die Ausdehnung der
Moleküle und die zwischen ihnen wirkenden
Molekularkräfte nicht mehr vernachlässigt werden.
Laut obigen Schätzungen steht einem Luftmolekül ca. 1000mal mehr Volumen zur Verfügung
als einem Wassermolekül. Erhöht man den Luftdruck um das 1000fache, also auf 1000 bar,
werden die Moleküle sich in etwa gleich nahe kommen wie in Wasser, wo sie einander
berühren. Zu erwarten sind daher starke Abweichungen vom Boyle-Mariotte’schen Gesetz.
Tatsächlich machen sich diese Abweichungen schon ab einem Druck von ungefähr 400bar
bemerkbar.
-7-
Unterschreitet die Temperatur einen für Gas typischen Wert (kritische Temperatur des Gases),
so tritt eine weitere Abweichungen auf, welche von großer Bedeutung ist. Erhöht man
nämlich den Druck des Gases in einem solchen Temperaturbereich, geht das Gas ab einem
bestimmten Wert in den flüssigen Zustand über.
Bei den bisherigen Überlegungen und Versuchen wurde die Temperatur konstant gehalten um
den Zusammenhang zwischen Druck und Volumen zu untersuchen. Im Diagramm auf der
rechten Seite wurde festgehalten, wie sich der
Druck verhält, wenn man die Temperatur bei gleich
bleibendem Volumen verändert. Der Druck gibt die
mittlere kinetische Energie der Moleküle wieder. Es
ist eine Gerade zu erkennen, welche, zu negativen
Temperaturen hin verlängert, einen Druck von Null
bei -273° C erkennen lässt. Bei dieser Temperatur
verschwindet also die Molekularbewegung. Dieses
merkwürdige Ergebnis gilt, wie verschiedene
Versuche zeigen, für alle Gase in gleicher Weise. -273° C (genauer: -273,15 °C) muss
demnach die tiefstmögliche Temperatur und daher der absolute Nullpunkt sein.
Der englische Physiker Lord Kelvin führte im Jahre 1850 eine andere Temperaturskala,
aufbauend auf dem absoluten Nullpunkt, ein. Seine Einheiten K (Kelvin) unterscheiden sich,
von der Größe her betrachtet, nicht mit der Einheit C (Celsius). Nur ist der Nullpunkt bei 273
Grad tiefer angesiedelt. Der Gefrierpunkt des Wassers beträgt somit 273 K (0 °C) und der
Siedepunkt 373 K (100° C). Es gibt daher auch keine negativen Kelvin Grade.
Die Einführung dieser absoluten Temperaturskala erlaubt es also, die Abhängigkeit des
Gasdruckes von der Gastemperatur bei konstantem Gasvolumen sehr einfach zu formulieren.
(Gay-Lussacsches Gesetz nach dem französischen Physiker Louis Joseph G.-L. benannt)
-8-
!
"
Die beiden rechts stehenden Resultate
kann man miteinander vereinigen um die
mittlere kinetische Energie der Moleküle
mit der absoluten Temperatur in
Zusammenhang zu bringen.
Jetzt muss nur noch ein numerischer Wert für die Klammer (die durch k vereinfacht wurde)
bestimmt werden. Dazu bezieht man sich zweckmäßig für jedes Gas auf die gleiche Anzahl
von Molekülen, die gleiche Temperatur und den gleichen Druck. T0 = 273K und p0 = 1 bar.
Daher besagt das Gesetz von Avogadro: Ein Mol eines beliebigen Gases nimmt bei einem
Druck p0 = 1 bar und einer Temperatur T0 = 273 K das Volumen V0 = 22,7dm³ ein.
Daraus folgt: Bei gleichem Druck und gleicher Temperatur verhalten sich die Volumina
zweier Gase so wie deren Molekülzahlen. Bei gleichem Druck und gleicher Temperatur
enthalten gleich große Volumina verschiedener Gase gleich viele Moleküle.
Die Zahl der Teilchen in einem Mol ist durch L= 6.1023 gegeben. Mit dem Gesetz von
Avogadro ist es nun möglich, den Klammerausdruck k zu berechnen. Der einheitliche Wert
von V0 hat zur Folge, dass k für alle Gase den gleichen Wert hat:
Diese Konstante heißt Boltzmann-Konstante: k = 1,38 . 10-23 J/K
Dies ergibt folgendes wichtiges Resultat: Die mittlere kinetische Energie der Moleküle eines
Gases ist proportional zur absoluten Temperatur. Der Proportionalitätsfaktor hat für alle
Gase den gleichen Wert.
Man kann weiters nachweisen, dass diese Beziehung zwischen der mittleren kinetischen
Energie der Moleküle und der absoluten Temperatur nicht nur für Gase, sondern auch für
Flüssigkeiten und Festkörper gilt. So erweist sich die absolute Temperatur als universelles
Maß der Molekularbewegung. Vereint man nun beide Hauptresultate
so erhält man eine grundlegende Beziehung, nämlich die Zustandsgleichung idealer Gase:
Das Produkt aus Druck p und Volumen V eines idealen Gases ist proportional zur absoluten
Temperatur T und zur Zahl der Gasmoleküle N.
Es gilt: p V = N k T
-9-
#
$
%$ !
Im Folgenden werden die zwei Hauptsätze der Wärmelehre angesprochen. Die Wärmelehre
bildet die Grundlage für moderne Kraftwerkstechnik.
Man kann die Energieumwandlung, die bei der Abbremsung eines auf waagrechter, rauer
Unterlage gleitenden Körpers auftritt, beobachten. Die Geschwindigkeit nimmt ab,
wohingegen die ungeordnete, thermische Bewegung seiner Moleküle zunimmt. Die unebene,
raue Unterlage bewirkt also, dass sich die geordnete Bewegung der Moleküle im gleitenden
Körper, in ungeordnete, thermische Bewegung des zur Ruhe gekommenen, erwärmten Körper
verwandelt. Die kinetische Energie des gleitenden Körpers geht also beim Abbremsen nicht
verloren, sondern ist als „innere Energie“ im Körper wiederzufinden.
Dies lässt vermuten, dass die Gesamtenergie bei Berücksichtigung der inneren Energie (U)
auch in reibungsbehafteten, abgeschlossenen Systemen erhalten bleibt.
Der Energiesatz besagt: In einem abgeschlossenen System bleibt die Gesamtenergie konstant.
Die einzelnen Energieformen können sich ineinander umwandeln.
½ mv² + mgh + U = E
Die Aufstellung dieser allgemeinen Form des Energiesatzes, in welchem die kinetische, die
potentielle und die innere Energie auftreten, war eine der Hauptleistungen der Physik im 19.
Jahrhundert.
Im nächsten Schritt gilt es festzustellen, welche Form der Energiesatz in nicht
abgeschlossenen Systemen annimmt. In nicht abgeschlossenen Systemen kann man sowohl
die kinetische als auch die potentielle und die innere Energie durch Arbeit erhöhen.
Ein Beispiel dafür, ist eine Fahrradpumpe, welche beim Aufpumpen eines Fahrradschlauches
heiß wird. Da man an der Pumpe Arbeit verrichtet und dadurch die innere Energie der Luft
steigt, ist klar zu erkennen, dass durch Zufuhr von Arbeit W die innere Energie U erhöht wird.
Daneben gibt es noch eine zweite Möglichkeit, nämlich die Wärmeübertragung von einem
heißeren Körper. An den Grenzflächen eines Heizkörpers z.B. kommt es zu Stößen zwischen
den schnelleren Molekülen des heißeren Körpers und zwischen den kälteren des anderen
Körpers. Die Temperatur gleicht sich aus, da die schnelleren Moleküle so langsamer werden
und umgekehrt. Schließlich nimmt die Temperatur überall den gleichen Wert an. Dies sorgt
jedoch nicht nur für einen Temperaturausgleich, sondern es findet auch eine
Energieübertragung vom heißen auf den kalten Körper statt. Die überfließende Energiemenge
nennt man Wärme Q.
Wärme bezeichnet also keine neue Energieform, sondern eine Energiemenge, die von der
thermischen Molekularbewegung des einen Körpers auf die des Anderen übergeht. Die
Energieübertragung kann auf verschiedene Weisen erfolgen, durch Wärmeleitung bei
Berührung, durch Konvektion, wenn Gas/Flüssigkeiten zwischen einem kälteren und
wärmeren Körper zirkulieren, oder durch Wärmestrahlung, wie am Beispiel der Sonne zu
sehen ist.
3
vgl. Sexl – Raab – Streeruwitz (1990) Physik 2. Seite 71-77
- 10 -
#
%$ !
Somit bilden die Erkenntnisse, dass die innere Energie eines Körpers sowohl durch Arbeit als
auch durch Wärme erhöht werden kann, den ersten Hauptsatz der Wärmelehre.
Die innere Energie eines Körpers kann durch Zufuhr von Arbeit und durch Zufuhr von
Wärme erhöht werden.
U=W+Q
&
%$ !
Kurz gesagt ist die spezifische Wärme eines Stoffes jene Energie, die man zur Erwärmung
von 1kg dieses Stoffes um 1° C benötigt.
Genaue Messungen zeigen, dass 4187 Joule erforderlich sind um 1kg Wasser um 1° C zu
erwärmen. Mit dieser Energie könnte man 1kg Wasser auch um 472m heben oder auf
300km/h beschleunigen. Man sieht also, dass zum Erwärmen von Wasser und für andere
Heizzwecke Energiemengen erforderlich sind, die erheblich über den anderen Formen des
täglichen Energiebedarfes liegen. Daher ist Energiesparen vor allem beim Heizen möglich.
'
#
(
Der Heizwert eines Stoffes ist besonders bei Brennstoffen von Bedeutung. Er gibt an, welche
Energiemengen bei der Verbrennung von 1kg einer Substanz an die Umgebung abgegeben
werden.
Soll nun Energie an die Umwelt abgegeben werden, so muss die innere Energie des Systems
„Brennstoff + Sauerstoff“ abnehmen. Am Beispiel der Verbrennung von C (Kohlenstoff) ist
dies z.B. zu beobachten:
C + O2
CO2
Hierbei entsteht also aus einem Kohlenstoffatom und einem Sauerstoffmolekül ein
Kohlendioxidmolekül. Diese Reaktion lässt sich in zwei Teile zerlegen. Zuerst wird das
Sauerstoffmolekül getrennt, wozu Energie aufgewandt werden muss, um dessen
Bindungsenergie zu überwinden. Danach kommt es zum umgekehrten Vorgang. Es wird
keine Bindung getrennt, sondern eine Bindung eingegangen. Es muss also keine Energie mehr
aufgebracht werden, sondern es wird Energie frei. Die Bindungsenergie ist für das
Kohlendioxidmolekül höher als jene für das Sauerstoffmolekül. In der neuen Anordnung
besitzen die Atome eine geringere innere Energie. Daraus folgt, dass in Summe Energie frei
wird. Diese Energie wird in Form von Wärme an die Umwelt frei.
Oft werden Heizwerte auch als „spezifische Verbrennungswärme“ bezeichnet. Im Alltag wird
Energie in Kilowattstunden (kWh) gemessen. 1kWh entspricht 3,6 . 106 J. Der Heizwert des
Kohlenstoffes ist also dementsprechend 9kWh/kg.
- 11 -
)*
!
+
Es gibt zwei Arten von chemischen Reaktionen. Auf der einen Seite exotherme Reaktionen,
bei denen die Atome nach der Reaktion stärker aneinander gebunden sind als vorher und bei
denen ein Teil der inneren Energie als Arbeit oder Wärme an die Umwelt abgegeben wird.
Auf der anderen Seite endotherme Reaktionen, bei denen der Umwelt Energie entzogen wird,
um Moleküle mit hoher innerer Energie aufzubauen.
Verbrennung von Kohle zählt man zu den exothermen Reaktionen, die Aufspaltung von
Wasser in seine Einzelteile, also Wasserstoff und Sauerstoff, dagegen zu den endothermen.
,
(
#
%$ !
Ein weiterer Sachverhalt ist auch noch festzuhalten. Dieser wird im zweiten Hauptsatz der
Wärmelehre beschrieben:
Wärme fließt von selbst nur von einem Körper höherer Temperatur auf einen Körper tieferer
Temperatur über.
Dies klingt Anfangs sehr plausibel, doch bedarf es einer genaueren Betrachtung, denn der 2.
Hauptsatz der Wärmelehre ist von wichtiger Bedeutung. Der erste Hauptsatz der Wärmelehre
würde nämlich auch das Gegenteil zulassen. Trotzdem beobachtet man aber nie, dass sich z.B.
eine Suppe im Topf am Herd abkühlt, während sich die heiße Herdplatte darunter noch stärker
aufheizt, oder das Wasser in einer Blumenvase zu sieden beginnt, während die Lufttemperatur
sinkt. Ganz im Gegenteil. Die selbstständige Wärmeübertragung führt stets zu einem
Temperaturausgleich und nicht zu einer Vergrößerung der Temperaturunterschiede. Der
zweite Hauptsatz ist also ein wichtiges Gesetz, das die Richtung der Naturvorgänge festlegt.
Unter Arbeitsaufwand ist es wiederum sehr wohl möglich, dass Wärme von einem kalten auf
einen warmen Körper übergeht. Dies ist z.B. beim Kühlschrank zu beobachten, dort wird den
bereits kalten Körpern Wärme entzogen und an die Umwelt abgegeben, wodurch sich diese
erwärmt. Der dazu nötige Arbeitsaufwand ist auf der Stromrechnung ersichtlich.
- 12 -
'
'
-
%$ !
& !
Wärmekraftmaschinen beruhen auf der Möglichkeit, Wärme in Arbeit umzuwandeln. Im
Folgenden wird auf die physikalischen Grundlagen der Umwandlung von Wärme in Arbeit
eingegangen.
'
%$ !
.
Es ist sehr einfach Arbeit in Wärme umzuwandeln. Dies geschieht oft als unangenehmer
Nebeneffekt z.B. bei Reibung. Der umgekehrte Weg, von der Wärme zur Arbeit, ist um
einiges schwieriger.
Das angewendete Grundprinzip ist jedoch bei allen
Wärmekraftmaschinen gleich. Ein beweglicher Kolben in
einem Zylinder wird vom Druck p der Moleküle eines
Gases eine Strecke x nach außen bewegt. Wenn nun A
die Kolbenfläche bezeichnet, so ist die Kraft auf den
Kolben durch F = p A gegeben. Die bei der
Volumenausdehnung des Gases verrichtete Arbeit W ist
gleich dem Produkt Kraft mal Weg, also
W=F
x=pA
x=p
V
wobei V = A x die Volumszunahme des Gases ist. Bei dieser Expansion kühlt sich das
Gas ab, wenn keine Wärme zugeführt wird.
Um nun möglichst leistungsfähige Maschinen zu konstruieren,
ist es erforderlich, diese Expansionsarbeit möglichst genau zu
kennen. Um W zu messen, hat sich schon damals James Watt
einen Mechanismus ausgedacht. Er stellte fest, dass die Arbeit
W der Fläche eines Rechteckes mit der Höhe p und der breite
V entspricht. Misst man nun den Druck, während sich das
Gas ausdehnt, und trägt ihn in Abhängigkeit vom Volumen
auf, so kann man die verrichtete Arbeit direkt ablesen. Die
Arbeit W wird durch die Fläche unter dem Graphen p(V) im
pV-Diagramm gegeben.
Grundlage einer jeder Wärmekraftmaschine ist also die
Arbeit, die bei der Expansion von Gasen gewonnen wird.
Diese kann im pV-Diagramm als Fläche unter der
Druckkurve (rechts zu sehen) abgelesen werden.
Es gibt hier zwei Arten zu unterscheiden, nämlich ob der
Vorgang bei gleicher Temperatur (isotherm) oder ohne
Austausch von Wärmeenergie (abiabatisch) erfolgt.
- 13 -
Bei der isothermen Kompression eines idealen Gases, die nach dem Boyle-Mariotteschen
Gesetz p V = const. abläuft, wird Wärmeenergie an die Umgebung abgeführt. Andernfalls
würde die bei der Kompression zugeführte innere Energie (Bewegungsenergie der Moleküle)
zu einer Aufheizung (vgl. Fahrradpumpe) führen.
Bei der abiabatischen Kompression wird der Austausch von Wärmeenergie verhindert.
Dadurch steigt die Temperatur des Gases und die Wärmebewegung des Gases nimmt zu. Bei
dieser Form der Kompression kommt zum Druckanstieg durch die Erhöhung der
Teilchendichte noch der Druckanstieg durch die Temperaturerhöhung hinzu. So steigt der
Druck bei der abiabatischen Kompression idealer Gase stärker als umgekehrt proportional
zum Volumen – wie dies bei der isothermen Kompression der Fall ist.
Mit einer einmaligen Kompression ist aber noch nicht viel gewonnen. Wärmekraftmaschinen
sollen ja ständig Wärme in Arbeit umwandeln. Dies ist bei periodisch arbeitenden Maschinen
der Fall. Die erste Vertreterin dieser Gattung war die Dampfmaschine um 1700. Heute sind
Benzinund
Dieselmotor
die
meistverwendeten
Wärmekraftmaschinen.
In
Wärmekraftwerken sind noch immer „Verwandte“ der Dampfmaschine, nämlich die
Dampfturbinen zu finden.
'
/
0
!
1
!!'
Um einen Stirlingmotor beurteilen zu können, müssen wir zuerst die 4 Takte eines
Stirlingmotors in ein p-V-Diagramm eintragen. Ein p-V-Diagramm ist ein 2-dimensionales
Koordinatenfeld, welches aus 2 Achsen besteht. Auf der X-Achse (horizontal) wird das
Volumen (V) aufgetragen, auf der Y-Achse (vertikal) wird der Druck (P; steht für pressure)
aufgetragen. Die Fläche gibt die Arbeit an, welche bei
einem idealen Zyklus des Kreisprozesses verrichtet
wird. Dies ist jedoch der ideale Stirlingzyklus, welcher
von der Realität abweicht, da die Maximalwerte für
Druck- und Volumenänderung nicht erreicht werden.
Dadurch ist beim realen Stirlingprozess die durch den
Kreisprozess umschriebene Fläche innerhalb des
Diagramms kleiner. Sie beträgt tatsächlich nur etwa
1/3 bis 1/5 der Fläche des idealen Prozesses. Folgende
Ursachen können dafür verantwortlich gemacht
werden:
Da mit den im Motorbau verwendeten Kurbeltrieben
nur eine (annähernd) sinusförmige Kolbenbewegung
möglich ist, sind die eigentlichen Ecken im Diagramm
abgerundet.
4
vgl. Dieter Viebach (1998) Der Stirlingmotor – einfach erklärt und leicht gebaut S.12
- 14 -
Auch Toträume, die zwangsläufig in Stirlingmaschinen vorkommen, sind nicht sehr
Leistungsfördernd. Es handelt sich dabei um Zwischenräume zwischen dem
Regeneratormaterial, die jeweiligen Endspalten in den Todpunkten des Erhitzers im unteren
Teil, sowie in den Todpunkten des Kühlers im oberen Teil des Motors und, in großen
Stirlingmaschinen, auch den Raum in den Erhitzerröhren, im Kühler und in den
Verbindungskanälen. Durch die Todräume verringern sich das Verdichtungsverhältnis und
damit auch die maximale erreichbare Druckänderung beim Durchlaufen eines Kreisprozesses.
Im Diagramm oben entspricht der reale Kreisprozess einer Verschiebung der ovalen Fläche
nach rechts.
''%
%$ !
& !
Der übliche Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine liegt bei 20 bis 40%. Das bedeutet
also, dass bis zum Vierfachen der gewonnenen Arbeit, in Form von Abwärme, an die Umwelt
abgegeben wird.
- 15 -
%$ !
& !
Nachdem die theoretischen Grundlagen abgeschlossen sind, folgen nun die Konzepte der
einzelnen Wärmekraftmaschinen, nämlich das der Gasturbine und das der Dampfmaschine.
Der geschichtliche Rückblick führt geradewegs in das 2. Jhdt. vor Christus, in die Antike, zu
Heron. Er hatte eine, für den unwissenden Beobachter, sehr geheimnisvolle Methode, seine
Tempeltüren zu öffnen, oder besser gesagt,
öffnen zu lassen. Neben dem Tempel war ein
Steinaltar (a), auf welchem ein Feuer
entzündet wurde. Die Luft darin breitete sich
aus, verursachte damit eine Drucksteigerung
in der Kugel (b), welche zum Teil mit Wasser
gefüllt war. Dadurch wurde Wasser in den
kleinen Behälter (d) über einen Siphon (c)
geleitet. Dieser folgte den Gesetzen der
Schwerkraft nach unten, bewegte somit die 2
Säulen (f), welche über ein Seil (e) verbunden
waren. Die Tempeltüren öffneten sich wie von
Geisterhand. Wurde das Feuer gelöscht, ging
alles wieder den umgekehrten Weg. Der
Luftdruck sank auf Grund der sinkenden Temperatur, das Wasser wurde zurück in die Kugel
gepumpt, der Behälter wurde leichter, hob sich und somit wurden die Tempeltüren wieder
verschlossen.5
Seine zweite Erfindung war die so genannte
Äolipile, eine Dampfreaktionskugel, welche
nach dem Rückstoßprinzip funktionierte.
Dieses half der Kugel, sich, durch heißen
Dampf angetrieben, zu bewegen.
Durch diese beiden, aus frühester Zeit
überlieferten, Erfindungen wurde es dem
Menschen möglich, thermische Energie in
mechanische Energie umzuwandeln.6
5
6
vgl. Hermann Schmidt (2002) Die Geschichte der Heißluftmotoren www.stirlingmotor.com Geschichte_HL.pdf Seite 4
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
- 16 -
Die Dampfmaschine muss in diesem Kapitel auf jeden Fall erwähnt werden, da sie als ein
sehr wesentlicher Bestandteil der industriellen Revolution, Ende des 18 Jahrhunderts in
Großbritannien, gilt. Durch den Einsatz der Dampfmaschine konnte die Industrie schneller
und preiswerter produzieren. Die Produktion wurde in große Fabrikhallen verlegt. Auch die
Arbeiter konnten sich auf bestimmte Teilbereiche spezialisieren und so effizienter ihre Arbeit
verrichten. Die Dampfmaschine wurde zum Antrieb aller Arten von Maschinen benutzt und
löste damit die Menschenkraft in großem Maßstab ab. Die Nachfrage an Dampfmaschinen
und an Industriemaschinen ließen die Eisenproduktion florieren. Da durch den Einsatz von
Dampfmaschinen die Wind- und Wasserkraft-Abhängigkeit nicht mehr gegeben war,
verlagerten sich die Industriezentren in die Städte. 7
1690 baute der französische Physiker und Erfinder Denis Papin die erste
Kolbenkraftmaschine. Sie wurde zum Pumpen von Wasser eingesetzt, war eher ein primitives
Gerät und kaum mehr als eine Spielerei. Die Hauptleistung wurde mit Hilfe von Luftdruck
und nicht mit Wasserdampfdruck erzeugt. Sie bestand aus einem
einzigen Zylinder, welcher gleichzeitig als Kessel diente. Wasser wurde
am Boden des Zylinders so lange erwärmt, bis es zu kochen begann und
sich Wasserdampf bildete. Durch die Druckerhöhung wurde der in den
Zylinder eingepasste Kolben angehoben. Durch das Entfernen der
Heizquelle unter dem Zylinder wurde der Kolben durch den Luftdruck
wieder nach unten gedrückt.8 Durch seinen so genannten „Papinischen
Topf“, welcher auch als Digestor (Verdauer) bezeichnet wurde und
unserem heutigen Kelomat (Druckkochtopf) sehr nahe kommt, kam
Papin auf die Überlegung, Maschinen herstellen zu können, in welchen
Wasser mittels mäßiger Wärme und geringen Kosten die vollständige
Leere hervorbringen würde. Das Ganze baute auf dem Hintergedanken
auf, dass Wasser so elastisch wie Luft sei, nachdem es in Wasserdampf
umgewandelt wurde. Weiters ließ es sich wieder gut verdichten,
nachdem es abgekühlt worden war. Die so genannte Elastizität des
Wasserdampfes war ein grundlegender Gedanke für den Entwurf von Dampfmaschinen.9
1698 baute der englische Ingenieur Thomas Savery eine Dampfmaschine mit zwei
Kupferbehältern, in die abwechselnd aus einem Kessel Dampf eingeleitet wurde.
Saverys Maschine wurde ebenfalls zum Wasserpumpen eingesetzt, wie auch die so
genannte atmosphärische Dampfpumpe mit Balancier (zweiarmiger Hebel), die der
englische Erfinder Thomas Newcomen im Jahr 1705 konstruierte. Dieses Gerät hatte
einen senkrechten Zylinder und einen mit Gegengewichten versehenen Kolben.
Zusammen mit den Gegengewichten bewirkte Dampf, der mit geringem Druck unten in
den Zylinder geleitet wurde, dass sich der Kolben zum oberen Ende des Zylinders
bewegte. War der Kolben dort angekommen, öffnete sich automatisch ein Ventil, durch
das ein Strom kalten Wassers in den Zylinder gespritzt wurde. [Diese
Einspritzkondensation wurde durch Zufall entdeckt, als eines Tages Wasser durch ein
Leck in den Dampfraum eindrang und der Maschine zu einem Vielfachen an Leistung
7
8
9
Vgl. "Industrielle Revolution," Microsoft® Encarta® Online-Enzyklopädie 2004 http://de.encarta.msn.com/encyclopedia_761577952/ Industrielle_Revolution.html , 07.01.2004
Vgl. "Dampfmaschine, 2 Geschichte" Microsoft® Encarta® 2003
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
- 17 -
verhalf]10 Dadurch kondensierte der Dampf, und der Luftdruck schob den Kolben
wieder zum unteren Ende des Zylinders. Eine Stange, die an dem Verbindungsbalken
zwischen Kolben und Gegengewicht befestigt war, bewegte sich mit dem Kolben auf
und ab und betätigte eine Pumpe. Newcomens Maschine brachte nur geringe Leistung,
konnte aber zum Abpumpen von Wasser aus Kohlegruben eingesetzt werden.
Während der schottische Ingenieur und Erfinder James Watt Verbesserungen an
Newcomens Maschine vornahm, machte er eine Reihe von Erfindungen, die das
Entstehen der modernen Dampfmaschine ermöglichten. Watts erste wichtige
Entwicklung war die Konstruktion einer Maschine mit einem eigenen Raum für das
Kondensieren des Dampfes. Diese 1769 patentierte Maschine verbesserte den
Wirkungsgrad der Maschine von Newcomen erheblich. Der Dampfverlust durch das
abwechselnde Erwärmen und Abkühlen des Zylinders blieb bei dieser Konstruktion
nahezu aus. Watts Maschine hatte einen isolierten Zylinder, der ständig die
Dampftemperatur beibehielt. In dem davon getrennten, wassergekühlten
Kondensationsraum wurde mit einer Pumpe ein Unterdruck erzeugt, so dass der Dampf
vom Zylinder in den Kondensationsraum gesaugt wurde. Mit der Pumpe wurde auch das
Wasser aus dem Kondensationsraum entfernt.
Eine weitere tief greifende Änderung in der Konstruktion der ersten Maschinen von
Watt war die Verwendung von Wasserdampf statt Luftdruck. Watt erfand außerdem ein
Verfahren, mit dem ein sich hin- und herbewegender Kolben einer Maschine ein sich
drehendes Schwungrad antreiben konnte. Das erreichte er zunächst durch ein System
von Zahnrädern, später, wie bei modernen Kraftmaschinen üblich, mit einer
Kurbelwelle. Weitere von Watt eingeführte Verbesserungen und Erfindungen waren
unter anderem die Anwendung des Prinzips der Doppelwirkung, bei dem Dampf
abwechselnd auf beide Seiten des Kolbens geleitet wurde, so dass in beide Richtungen
Druck auf den Kolben ausgeübt wurde. Watt rüstete seine Kraftmaschinen auch mit
Drosselklappen aus. Damit ließ sich die Geschwindigkeit regeln. Mit Hilfe von
Fliehkraftreglern erreichten seine Konstruktionen automatisch eine gleich bleibende
Arbeitsgeschwindigkeit.
Die nächste entscheidende Entwicklung auf dem Gebiet der Dampfmaschine war die
Einführung brauchbarer Hochdruckdampfmaschinen. Watt hatte zwar das Prinzip der
Hochdruckdampfmaschine erkannt, konnte aber diese Art der Maschine nicht
vervollkommnen. Anfang des 19. Jahrhunderts gelang es dem britischen Ingenieur und
Erfinder Richard Trevithick und dem amerikanischen Erfinder Oliver Evans, eine
Hochdruckdampfmaschine zu konstruieren. Trevithick setzte dieses Modell der
Dampfmaschine zum Antrieb der ersten je gebauten Lokomotive für eine Eisenbahn ein.
Sowohl Trevithick als auch Evans bauten dampfbetriebene Kutschen zur Fortbewegung
auf Straßen.
Etwa zur gleichen Zeit baute der britische Ingenieur und Erfinder Arthur Woolf die erste
Verbundmaschine (auch Mehrfach-Expansionsmaschine genannt). Sie stellte eine
Verbesserung der Zweifach-Expansionsmaschine von J. Hornblower dar. Bei der
Mehrfach-Expansionsmaschine wird unter hohem Druck stehender Dampf zunächst auf
einen und, nachdem er sich ausgedehnt und dabei Druck verloren hat, auf einen weiteren
Kolben geleitet. Woolfs erste Maschinen hatten zwei Zylinder. Später gab es aber auch
Arten mit dreifacher und sogar vierfacher Expansion. Der Vorteil der Verbindung von
zwei oder mehr Zylindern besteht darin, dass weniger Energie durch Abgabe von
Wärme an die Zylinderwände verloren geht und die Maschine deshalb einen höheren
Wirkungsgrad erzielt.11
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 ,
07.01.2004
11
"Dampfmaschine, 2 Geschichte" Microsoft® Encarta® 2003
- 18 -
Heutzutage verwendet man freilich moderne
Dampfmaschinen, wie rechts im Bild12 zu sehen.
Sie bestehen grundsätzlich aus einem
Dampfeinlass (oben), einem Auslass (in der
Mitte), einem Zylinder (unten), in welchem ein
Kolben auf einer Kolbenstange sitzt und auf die
Änderung des Druckes, von beiden Seiten,
jeweils durch den Dampf, reagiert, sowie einem
Ventil, das festlegt von welcher Seite der Dampf
in den Zylinderraum einströmen und auf welcher
Seite er ausströmen kann.
Mit Hilfe der folgenden 4 Bilder wird die genaue Funktionsweise Schritt für Schritt anhand
eines Arbeitszyklus erklärt.
Auf Bild 1A wird gezeigt, wie der Dampf in die
Ventilkammer eingelassen wird. Da das Ventil in der rechten
Position steht, kann der Dampf in die Zylinderkammer unten
eindringen und schiebt durch den hohen Druck den sich links
befindlichen Kolben nach rechts. Der verbrauchte Dampf
kann auf Grund der Position des Ventils durch den
Auslasskanal abgeführt werden. Die Bewegung treibt ein
Schwungrad (hier nicht eingezeichnet) an, welches mit der
Stange des Schiebeventils verbunden ist. Die Stellung
zwischen Kolben und Ventil hängt davon ab, an welcher
Stelle des Schwungrades Kurbelwelle und Schieberstange
angebracht sind.
Auf Bild 1B wird die zweite Stellung der Maschine gezeigt,
in welcher sich der von links eingetretene Dampf ausgedehnt
und den Kolben nach rechts vorerst in die Mitte geschoben
hat. Beide Ventile haben den Zylinder vollkommen
abgeschlossen. Es kann weder Dampf eintreten noch
entweichen.
12
ebd.
- 19 -
Auf Bild 1C kann man erkennen, wie das Ventil nun in der linken Position steht und somit
wieder Dampf in die Zylinderkammer eindringen kann. Der Dampf schiebt nun den sich
rechts befindlichen Kolben nach links. Der Auslasskanal ist auf Grund der Stellung des
Ventils offen und nun kann der links vom Kolben befindliche
Dampf aus dem Zylinder entweichen.
Das auf unseren Abbildungen dargestellte Ventil ist ein
einfacher Schieber, welcher die Grundform der meisten
Ventile darstellt und so in heutigen Dampfmaschinen zum
Einsatz kommt. Dessen Vorteil besteht darin, dass man die
Arbeitsweise umkehren kann und die Stellung gegenüber dem
Kolben variierbar ist. Hierfür ist der Exzenter zuständig, zu
sehen auf Bild 2. Durch Drehen um 180° lässt sich die
Drehrichtung der Maschine umkehren.
Ein wesentlicher Nachteil des Schiebers ist die
durch den Dampfdruck auf der Rückseite
entstehende Reibung. Deswegen wird er oft
zylindrisch geformt, um Verschleißerscheinungen
zu vermeiden. Damit wird der Kolben vollständig
umschlossen, der Druck auf das Ventil ist überall
gleich und die Reibung auf ein Minimum
reduziert (zurückzuführen auf den amerikanischen
Erfinder und Fabrikanten George Henry Corliss).
Es ist auch möglich, dass der bewegliche Teil der
Schieberformen so konstruiert ist, dass der Dampfdruck nicht direkt auf dessen Rückseite
wirkt.
Große Bedeutung kann auch der Verbindung zwischen Kolben, Maschine und Ventil
zugeschrieben werden, denn sie hat einen beachtlichen Einfluss auf Leistung und
Wirkungsgrad der Dampfmaschine. So lässt sich z.B. der Zeitpunkt innerhalb des
Arbeitszyklus festlegen, an dem Dampf in den Zylinder geleitet wird. Es lässt sich weiters die
Verdichtung und Ausdehnung des Dampfes im Zylinder und damit auch die Leistung
verändern. Durch unterschiedliche Ventilsteuerungen lässt sich eine Umkehrung der
Drehrichtung erzielen und die Steuerung der Dampfzufuhr regeln. Anhand der Lokomotive
wird die besondere Bedeutung klar. So benötigt eine Lokomotive etwa die größte Leistung
beim Anfahren, wohingegen die Leistung bei freier Fahrt geringer sein kann.
Auch ein wichtiger Teil einer Kolbendampfmaschine ist das Schwungrad, welches über eine
Kurbelwelle vom Kolben angetrieben wird. Da dieses meist ein schweres gusseisernes Teil
ist, wandelt es durch seine Trägheit die einzelnen Stöße, die durch das Ausdehnen des
Dampfes im Zylinder entstehen, in eine kontinuierliche Bewegung um und ermöglicht so
einen gleichmäßigen Energiefluss, welchen die Maschine liefert.
Um zu vermeiden, dass der Kolben einer Dampfmaschine nach dem Abschalten an einem
Todpunkt angelangt, also an einem Ende des Zylinders stehen bleibt, und es somit unmöglich
für die Maschine ist, wieder anzulaufen, haben diese oft zwei oder mehr miteinander
verbundene Zylinder. Deren Arbeitsspiele sind so abgestimmt, dass die Maschine immer
anlaufen kann, egal an welcher Stelle sich die einzelnen Kolben befinden.
- 20 -
Rechts in Abbildung 3 wird die einfachste
Anordnung gezeigt, bei der zwei Kolben
miteinander durch dieselbe Schwungscheibe
verbunden sind. Für einen gleichmäßigen Lauf
lassen sich auch drei Zylinder, jeweils mit um 120°
versetzter Kurbelwelle, verwenden.13
Da der allgemeine Wirkungsgrad einer Dampfmaschine eher niedrig ist, werden sie bei der
Erzeugung von Strom durch Dampfturbinen ersetzt.
13
Vgl. "Dampfmaschine, 3 Moderne Dampfmaschinen" Microsoft® Encarta® 2003
- 21 -
Grundsätzlich versteht man unter einer Turbine eine Maschine, welche Strömungsenergie von
Wasser, Dampf oder Gasen bzw. Wind in eine Rotations- und schließlich in eine mechanische
Energie umwandelt. Das Grundelement sind mit Schaufeln ausgestattete Laufräder. Die meist
gekrümmten Schaufeln sind so am äußeren Rand des Rades angebracht, dass sie bei Betrieb
eine tangentiale Kraft auf das Rad ausüben und ihm damit Energie übertragen. Die so
gewonnene mechanische Energie wird auf eine Welle übertragen, die dann am Ende der
Übertragungskette z.B. eine Maschine, einen Kompressor, einen Generator oder eine
Schraube antreibt. Es gibt verschiedene Turbinen, nämlich die Wasserturbine, die
Dampfturbine und die Gasturbine. Heutzutage wird weltweit der größte Teil des elektrischen
Stroms mit Hilfe von Generatoren erzeugt, die durch Turbinen angetrieben werden.
Da Wasserturbinen sehr erfolgreich waren, führte das zu der Überlegung, Turbinen auch
durch heißen Dampf anzutreiben. Auch hierbei wird die Strömungsenergie in mechanische
Energie umgewandelt. Sie werden u. a. in Blockheizkraftwerken, Kernkraftwerken und in
Schiffen mit Nuklearantrieb eingesetzt, um Strom zu erzeugen. Dampfturbinen sind
keineswegs von einer einzelnen Person erfunden worden, sondern sind vielmehr das Produkt
der Arbeit zahlreicher Erfinder in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts.
Die Arbeitsweise der Dampfturbine beruht auf dem thermodynamischen Prinzip. Beim
Entspannungsvorgang sinkt die Temperatur des Dampfes, wobei seine innere Energie
abnimmt. Während dieses Prozesses wird die innere Energie in mechanische Energie
umgewandelt, so dass man direkt eine große Menge an Arbeitsenergie erhält.
Im Wesentlichen haben alle Dampfturbinen dieselben Bauteile, auch wenn sie nach zwei
verschiedenen Prinzipien aufgebaut sind. Es gibt u. a. eine Düse, durch die der Dampf zur
Entspannung ausströmt und dabei kinetische Energie aufnimmt und anschließend auf die mit
Schaufeln ausgestatteten Leit- und Laufräder trifft. Dort übt er einen sehr hohen Druck aus.
Die Anordnung der Düsen und Schaufelräder hängt von der Bauart der Turbine ab.
Der Wirkungsgrad von Dampfturbinen liegt bei ca. 40%. 14
14
vgl. “Turbine, 4 Dampfturbine" ff. Microsoft® Encarta® Online-Enzyklopädie 2004
- 22 -
Gasturbinen funktionieren an und für sich nach demselben Prinzip wie alle anderen Turbinen.
Der Unterschied besteht lediglich darin, dass sie weder durch Wasser noch durch
Wasserdampf angetrieben werden, sondern mit heißen Gasen, welche durch das Verbrennen
bestimmter Brennstoffe, wie z.B. Erdgas, Kerosin oder Dieselöl, erzeugt werden. Gasturbinen
werden nach einem offenen Prozess betrieben, d.h. der Stoff- und Energiekreislauf ist offen.
In einen Brennraum werden dabei durch einen Verdichter verdichtete Luft und der Brennstoff
in Form eines Gases oder einer Flüssigkeit eingespritzt. Dort findet dann die Verbrennung
statt und das dabei austretende heiße Gas treibt ein Turbinenrad an.
Bei den Gasturbinen ist der Wirkungsgrad dadurch begrenzt, dass die Brennkammer und die
ersten Stufen ständig bei hohen Temperaturen betrieben werden müssen. Wenn man eine
kleine Gasturbine mit offenem Kreislauf mit einer herkömmlichen benzinbetriebenen
Kraftmaschine vergleicht, kommt man unter Umständen auf denselben thermodynamischen
Wirkungsgrad. Fortschritte im Bereich von Schutzbeschichtungen, wärmebeständigen
Materialien und Kühleinrichtungen haben den Bau von großen Anlagen ermöglicht. Bei
diesen Anlagen liegt der Wirkungsgrad bei etwa 34 % oder höher, wenn z.B. Zusatzgeräte,
wie Zwischenkühler, Rückkühler oder Zwischenüberhitzer zum Einsatz kommen. Diese sind
allerdings teuer und oft wirtschaftlich unrentabel.
Zusätzlich gibt es auch noch kombinierte Kraftwerke, bei denen die noch erhebliche Wärme,
die im Abgas der Turbine vorhanden ist, zu einem als Abhitzedampferzeuger dienenden
Wärmetauscher geleitet wird. Dabei wird der Dampf für die nachfolgende Dampfturbine
erzeugt. Mit 50% mehr Leistung erreichen sie einen thermischen Wirkungsgrad von 52% und
eine Leistung bis zu 230 Megawatt.15
15
vgl. “Gasturbine" Microsoft® Encarta® Online-Enzyklopädie 2004
- 23 -
2
(
0
!
In diesem Kapitel möchte ich Ihnen das durchdachte und einzigartige Konzept und die genaue
Funktionsweise des Stirlingmotors (im Folgenden auch mit SM abgekürzt) näher bringen.
Dazu werde ich als Modell, um sich das Ganze auch plastisch vorstellen zu können, den
Konservendosen-Stirlingmotor16 von Dieter Viebach heranziehen. Er beschreibt in seinem
Buch ein funktionsfähiges Modell eines selbst gebastelten Stirlingmotors, zusammengesetzt
aus einer Konservendose, einem selbst gefalteten Faltenbalg als Arbeitszylinder, einem
Blumensteckschwamm als Verdrängerkolben und einer Sperrholzscheibe als Schwungrad.
Dies sind die essentiellen Bauteile eines solchen Motors.
Alle Stirlingmotoren basieren auf dem gleichen Prinzip. Eine konstante Arbeitsgasmenge, in
einem Verdrängerzylinder eingeschlossen, wird durch einen Verdrängerkolben zwischen
einem beheizten Bereich und einem gekühlten Bereich hin und her geschoben. Da sich heißes
Gas ausdehnt und kaltes Gas sich zusammenzieht, erhöht sich einmal der Druck und sinkt
danach wieder ab. Als Arbeitsgas kommt entweder Luft oder Helium zum Einsatz. Dieser
Vorgang wiederholt sich periodisch und durch die periodische Erwärmung und Abkühlung
des Gases im geschlossenen Raum entsteht eine periodische Druckschwankung. 17 Zusätzlich
zu dem oben erwähnten Verdrängerkolben (auch VK genannt) gibt es noch einen
Arbeitskolben (im folgenden AK), welche beide auf einem Schwungrad befestigt und so
angeordnet sind, dass der VK dem AK um 90°, also eine viertel Umdrehung voreilt. Der AK
muss den Motor nach außen luftdicht abschließen, wohingegen sich der VK im Inneren des
Motors bewegt. Durch die 90°-Anordnung ergeben sich immer unterschiedliche Stellungen
der beiden Kolben. Der AK treibt das Schwungrad an, um die Position des VK zu ändern.
Dieser lässt das Arbeitsgas in den jeweils anderen Teil des Zylinders strömen. Dadurch wird
eine Kraft auf den AK ausgeübt, welcher wiederum das Schwungrad antreibt. Als Zusatz kann
man in die Strömungskanäle des Gases noch einen so genannten Regenerator einbauen,
welcher dem heißen Gas Wärme entzieht und beim erneuten Durchströmen an das kalte Gas
wieder abgibt. 18
Alles verständlich? – Auch wenn Sie bis jetzt noch keine genaue Vorstellung haben und ein
wenig daneben stehen sollten, brauchen Sie nicht entmutigt sein. Ich werde nun, wie oben
schon angedeutet, die Funktionsweise mit Hilfe des Keksdosen-Modells von Dieter Viebach
und dazugehöriger Illustrationen veranschaulichen.
Bei diesem Modell kommt Luft als Arbeitsgas zur Verwendung. Ein Blumenschwamm, der
die Keksdose, also den Zylinder, bis über die halbe Höhe ausfüllt, ist der VK. Damit er sich
leicht im Zylinder bewegen lässt, ist der Durchmesser ca. 1mm kleiner bemessen. Die
Verdrängerstange wird durch eine luftdichte Öffnung aus der Dose geführt und an einem
Schwungrad befestigt. Der VK besitzt außerdem Bohrungen, also die oben beschriebenen
Strömungskanäle, durch die sich das Gas bewegt, welche mit Regeneratoren ausgestattet sind.
Die Dose wird von unten mit einem Teelicht beheizt und von oben, durch den
16
17
18
Der Stirling-Motor. Einfach erklärt und leicht gebaut - Dieter Viebach; ökobuch (Staufen bei Freiburg) 1. Auflage 1998
vgl. ANONYMUS (1998/2000) AEE – Stirlingmotor: 2. Der Prozess http://www.aee.at/verz/artikel/stirl01.html , 17:20 6.Jänner 2004
vgl. ANONYMUS (?) Wikipedia – Stirlingmotor http://de.wikipedia.org/wiki/Stirlingmotor 17:40 6. Jänner 2004
- 24 -
Temperaturunterschied zur Raumtemperatur, am kälteren Deckel abgekühlt. Die Luft unten
heizt sich dann auf, wenn der VK an seiner oberen Position steht, und kühlt sich
dementsprechend wieder ab, wenn der VK die untere Position erreicht hat. Durch die
Druckschwankungen im Inneren wird der Faltenbalg bewegt, welcher durch ein Pleuel und
eine Kurbel eine Drehbewegung am selben Schwungrad, mit dem auch der VK verbunden ist,
erzeugt. Mit diesem Schwungrad wird die Bewegung des VK aufrecht erhalten. Somit kann
man sagen, dass der Stirlingmotor eine Wärmekraftmaschine ist, die sich selbst steuert.19
!
"
Angenommen wir haben eine Dose, welche dicht
verschlossen ist und über eine Öffnung mit einem
Druckmesser versehen ist. (Abb. 1)
Was passiert nun, wenn wir diese Dose von unten
heizen? Genau, der Druck erhöht sich. Daraus ergibt
sich Folgendes: Hohe Temperatur bei Gasen bewirkt
hohen Druck.
Wenn wir diese Dose und das darin befindliche Gas
abkühlen, stellen wir genau das Gegenteilige fest,
nämlich, dass sich der Druck absenkt. Also: Niedrige
Temperatur bei Gasen bedeutet niedrigen Druck.
Natürlich nimmt das andauernde Erhitzen und Abkühlen Zeit in Anspruch und deswegen ist
es auch sinnvoll unser Modell um einen
Verdrängerkolben zu erweitern. An diesem sollte die
Luft ungehindert seitlich vorbeiströmen können. Dieser
VK wird mit einer Kolbenstange ausgestattet, welche
durch eine abgedichtete Öffnung am Dosendeckel
herausgeführt wird. Mit dieser lässt sich der VK von
außen, ganz einfach mit geringem Kraftaufwand, auf
und ab bewegen.
Die Dose wird somit in zwei
Bereiche eingeteilt. Den oberen, an dem sie gekühlt
wird und den unteren, an dem sie geheizt wird. Nun
können wir zwei Phasen unterscheiden.
Während der ersten Phase befindet sich die Luft im
heißen Raum, da der Kolben oben ist. Der Druck in der
gesamten Dose ist hoch.
Während der zweiten Phase befindet sich die Luft im
kalten Raum, da der Kolben unten ist. Der Druck in der
gesamten Dose ist niedrig.
19
vgl. Dieter Viebach (1998) Der Stirlingmotor – einfach erklärt und leicht gebaut S.12
- 25 -
Die Druckänderung kann dadurch schnell erfolgen, weil das Abkühlen der Luft am kalten
Dosendeckel und das Aufheizen der Luft an der heißen Unterseite allein durch die Position
des VK gesteuert werden.
Da wir bis jetzt einen Druckmesser mit dazugehöriger
Druckanzeige als Indikator für den Druck benutzt
haben, werden wir dieses Modell nun dahingehend
ändern, dass nun an deren Stelle ein Zylinder
angebracht wird. Dieser ist mit seinem Kolben dicht
abgeschlossen, damit kein Arbeitsgas nach außen
entweichen kann. Dieser Zylinder und der
dazugehörige Kolben werden als Arbeitszylinder und
Arbeitskolben bezeichnet.
Hier unterscheiden wir wieder zwei Phasen:
Phase 1:
Wird die Luft nun von unten her erhitzt, weil der
VK sich oben befindet, steigt der Druck in der
Dose. Dadurch wird der AK durch den größeren
Innendruck nach oben gedrückt.
Phase 2:
Wird die Luft nun von oben her gekühlt, weil der
VK sich unten befindet, sinkt der Druck in der
Dose. Dadurch wird der AK durch den größeren
Außendruck nach unten gedrückt.
Als nächste Stufe, auf dem Weg zu einem
Stirlingmotor, kommt nun eine Kurbelwelle hinzu, an
der beide Kolben, sowohl der VK als auch der AK
durch Pleuel befestigt sind. Die Kurbelwelle ist so
ausgeführt, dass der VK dem AK um 90°, also eine
viertel Umdrehung, vorauseilt.
Durch diese Verschiebung können wir 4 Arbeitstakte
beobachten.
Arbeitstakt 1 nach 2:
„Verdichten“
Die Bewegung der Kurbelwelle findet gegen den
Uhrzeigersinn statt. Es wird von 1 nach 2 gedreht.
Dabei verdichtet der AK die Luft, welche sich im
kalten Raum befindet. Der VK bleibt währenddessen
in seinem unteren Todpunkt und bewegt sich kaum.
Anschließend beginnt der VK die Luft in den heißen
Raum zu verschieben. Die Luft erwärmt sich und der
Druck im gesamten Motor fängt an sich zu erhöhen.
- 26 -
Arbeitstakt 2 nach 3:
„Heizen und Arbeit verrichten“
In diesem Takt schiebt der VK die gesamte Luft in
den heißen Raum, dies bewirkt eine maximale
Ausdehnung der Luft und damit den maximalen
Druck im gesamten Motor. Der AK wird durch den
gesteigerten Innendruck nach oben gehievt und treibt
so das Schwungrad über das Pleuel und die
Kurbelwelle an.
Arbeitstakt 3 nach 4:
„Entspannen und Arbeit verrichten“
Der AK wird noch weiter nach oben gedrückt. Der
VK bleibt währenddessen in seinem oberen Todpunkt
und bewegt sich kaum. Danach beginnt der VK die
heiße Luft in den kalten Raum zu verschieben, indem
er seine Position nach unten verschiebt. Dadurch
beginnt sich die Luft langsam abzukühlen, was einen
sinkenden Druck zur Folge hat.
Arbeitstakt 4 nach 1:
„Kühlen und Arbeit verrichten“
Der sich dem untersten Punkt nähernden VK schiebt
die ganze Luft in den kalten Raum, wo sich der Druck
verringert und die Luft zusammenzieht. Da jetzt auch
der Innendruck fällt, wird der AK durch den höheren
Außendruck nach unten in den Zylinder gedrückt und
treibt nun durch das Pleuel und die Kurbelwelle das
Schwungrad weiter an.
Nachdem diese 4 Arbeitstakte abgelaufen sind,
beginnt die ganze Prozedur bei Arbeitstakt 1-2 von
neuem und läuft auch weiterhin so ab.
- 27 -
#
Auf keinen Fall unerwähnt sollte der Regenerator
bleiben, welcher eine sehr wichtige Rolle im Konzept
des Stirlingmotors einnimmt. Wenn wir uns das
Modell und dessen einzelnen Takte bis jetzt
anschauen, fällt auf, dass die Wärme, welche unten
durch die Wärmequelle zugeführt wurde, einfach
nach oben geleitet wird und oben wieder an das
Kühlwasser abgegeben und dadurch abgeführt wird.
Dies hat einen niedrigeren Wirkungsgrad zur Folge.
Um diesen Schwachpunkt auszumerzen wird nun
eine zusätzliche Vorrichtung verwendet, nämlich ein
Kurzzeitwärmespeicher in Form eines Regenerators,
welcher eine Steigerung des Wirkungsgrades erlaubt.
Dieser kommt zwischen dem heißen und dem kalten
Raum zum Einsatz. Der Regenerator sollte aus einem
porösen, gasdurchlässigen Material bestehen,
welches wir im Hinblick auf einen geringen
Strömungswiderstand z.B. in feinen Metalldrähten
finden.
Diese Metalldrähte haben den Sinn, dem
vorbeiströmenden Gas ihre Wärme zu entziehen und
sich selbst dabei aufzuheizen und damit die Wärme
zu speichern. Das Arbeitsgas „verliert“ dabei den
größten Teil seiner Wärme an den Regenerator.
Rechts dargestellt im Schritt „Arbeitstakt 4 nach 1:
Kühlen“. Infolgedessen muss das Kühlwasser im
kalten Raum viel weniger Wärme der bereits
vorgekühlten Luft abführen und dadurch geht auch
weniger Wärme verloren. Im „Arbeitstakt 2 nach 3:
Heizen“ wird der umgekehrte Weg beschrieben,
nämlich die Abgabe der Wärme an die vom kalten in
den warmen Raum strömende Luft. Die bereits
vorgeheizte Luft nimmt dadurch im heißen Raum
weniger Wärme von der Energiequelle auf.
Damit kann man den Regenerator als effizienten
Zwischenspeicher für Wärme innerhalb der beiden
Räume bezeichnen, welcher hilft Heizmaterial für die
Energiequelle zu sparen und dadurch maßgeblich
dazu beiträgt den Wirkungsgrad zu verbessern. 20
20
vgl. Dieter Viebach (1998) Der Stirlingmotor – einfach erklärt und leicht gebaut S.12-16
- 28 -
!
$%
&%
Nicht zu verachten sei noch die Funktion des Stirlingprinzips als Kältemaschine und als
Wärmepumpe.
Ausgehend vom oben beschriebenen Prinzip, sind nur noch wenige Ergänzungen nötig um
aus dem Stirlingmotor, der Wärme in Bewegung umwandelt, eine Stirling-Kältemaschine zu
machen, welche Bewegung in Kälte umwandelt. Diese funktioniert dann nach dem
Umkehrprinzip des Motors, nämlich dem des Generators. Um die Kältemaschine in Betrieb
zu nehmen, muss der Dosenboden isoliert werden. Das geschieht am besten mit einer
Styroporhülle, in welche das Modell gesetzt wird. Nun wird ein DC-Motor in der gleichen
Drehrichtung und mit etwa der gleichen Drehzahl angetrieben. Eine höhere Drehzahl würde
sich nicht bezahlt machen, sondern eher das Gegenteil bewirken, da sich durch die höhere
Reibung die Luft erwärmen würde. Lässt man den Generator nun so laufen, lässt sich ein
Sinken der Temperatur um ca. 2 bis 4°C am Dosenboden beobachten. Voila! – Der
Stirlingmotor als Kältemaschine. 21
Ein noch viel einfacherer Schritt verhilft und dazu, aus der Kältemaschine eine Wärmepumpe
zu konstruieren. Die Umpolung des DC Motors und die dadurch bedingte Änderung der
Laufrichtung bewirken eine um ca. 2 bis 4°C höhere Temperatur am Dosenboden als die der
Umgebungsluft. 22
21
22
vgl. Dieter Viebach (1998) Der Stirlingmotor – einfach erklärt und leicht gebaut S.18
vgl. Dieter Viebach (1998) Der Stirlingmotor – einfach erklärt und leicht gebaut S.19
- 29 -
'
3
0
Da alle Punke bezüglich der Theorie und der Funktionsweise geklärt wurden, ist jetzt eine
Fragestellung an der Reihe, welche die praktische Seite des Stirlingmotors beleuchten soll.
Das Konzept ist bekannt. – Gut. Die Funktionsweise ist klar. – Gut. Die Theorie dahinter ist
auch nicht schwer zu begreifen. – Gut. Nur was macht den Stirlingmotor dazu, was er zur Zeit
schlicht und einfach ist? Nämlich unbekannt, wenig weit verbreitet und daher nicht wirklich
bedeutend in der heutigen Zeit.
'
(
Dabei sprechen doch so viele positive Dinge gerade für den Einsatz des Stirlingprinzips in
Motoren, Wärmepumpen oder Kältemaschinen. Dagegen sprechen nur die ganz wenigen
Nachteile, zu denen gesagt werden muss, dass die Forschung auf diesem Gebiet noch lange
nicht beendet ist und die Möglichkeiten noch lange nicht ausgereizt sind, welche das Prinzip
mit sich bringt.
23
24
•
Geringer Verbrauch: Vorausgesetzt der Stirlingmotor ist korrekt konstruiert, gebaut
und eingestellt, ist dessen Wirkungsgrad gleich oder höher als bei den besten derzeit
erhältlichen Dieselmotoren.23
•
Äußere Verbrennung: Daraus resultiert eine kontinuierliche Verbrennung von
Brennstoffen bei hohem Luftüberschuss. Dabei entstehen besonders schadstoffarme
Abgase, welche niedrigere Abgaswerte aufweisen, als jene von vergleichbaren
Motoren mit innerer Verbrennung.24 Äußere, stationäre Verbrennungsvorgänge lassen
sich leichter untersuchen, um Schwachstellen aufzudecken, und daher leichter
optimieren.
•
Variable Brennstoffverwertung: Es ist beinahe jede Art der Erhitzung möglich, seien
es flüssige, gasförmige (vergaste) oder feste Brennstoffe. Weiters kann auch die Sonne
als Energielieferant dienen oder mit Hilfe von chemischen Reaktionen oder durch
Kernspaltung in einem Reaktor Wärme erzeugt werden. Doch dies sollte nicht im
Vordergrund stehen. Viel wichtiger ist die äußerst einfache Einbindung in regenerative
Energiekonzepte.
•
Durch die bereits moderne Brennwerttechnik lässt sich ein hoher Wirkungsgrad
erzeugen.
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
ebd.
- 30 -
25
26
27
28
29
30
•
Geringe Geräuschentwicklung: Anders als bei Motoren, die mit innerer Verbrennung
und Explosionen arbeiten, entsteht beim Stirlingmotor nur ein ganz leises
Laufgeräusch. Durch die nicht vorhandenen Explosionen ist er auch sehr
erschütterungsarm.25
•
Wesentlich höhere Lebenserwartungen sind zu erwarten. Es dringen keine
verunreinigten Kraftstoffe oder sonstige Fremdkörper in das Innere des Systems.26
•
Es reicht genau 1 mal Öl einzufüllen, wenn überhaupt. Öl wird in größeren
Stirlingmotoren, z.B. in Kraftwerken, für die Schmierung und Kühlung der Bauteile
verwendet. Es entstehen keine Verunreinigungen, welche einen Ölwechsel nötig
machen würden. Öl ist außerdem nicht immer nötig, da ein geringer Verschleiß der
Teile gegeben ist. Die wenigen Teile, welche bewegt werden, stehen nur unter sehr
geringer Belastung.
•
Weiters wird eine sehr hohe Qualitätsanforderung an die verwendeten Teile gestellt.
Solche Stirlingmotoren halten also schon alleine ihrer Qualität wegen sehr lange.
•
Durch zuvor genannte Dinge ergeben sich längere Serviceintervalle und damit
niedrigere Wartungskosten und eine höhere Lebenserwartung. 27
•
Es kann ein sehr guter Wirkungsgrad erreicht werden. Das Ganze gilt auch für relativ
kleine Motoren. Da die Forschung noch in den Kinderschuhen steckt, sind die
Möglichkeiten, die sich ergeben werden, enorm. Man bedenke dabei die Verbesserung
der Maschinen durch den Einsatz neuer Werkstoffe, wie z.B. Keramik.28
•
Bereits bei geringem Wärmeunterschied wird Nutzenergie erzeugt.
•
Weiters ist es möglich die Abwärme, welche droht, sonst verloren zu gehen, auf Seite
des Kühlers anderweitig zu verwenden. Beispielsweise für Warmwasser- oder
Heizungsanlagen.
•
Die
stufenlose
Modulierbarkeit
Wirkungsgradverlust.29
•
Es sind keine aufwendigen und teuren Bauteile, wie z.B. ein Katalysator, eine
Lambda-Sonde, ein Anlasser, Getriebe oder Ventil nötig.30
•
Ein ganz wichtiger Vorteil darf auch darin gesehen werden, dass die Forschung noch
lange nicht abgeschlossen ist und daher viele Technologiesprünge sowie große
Fortschritte erwartet werden dürfen.
verbindet
keinen
nennenswerten
ebd.
ebd.
vgl. Dipl.-Ing. (FH) Friedhelm Steinborn (?) Stirling-Motor – Stand und Perspektiven. http://www.bhkw-info.de/Stirling/Stirling.pdf 13.01.2004
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
vgl. Dipl.-Ing. (FH) Friedhelm Steinborn (?) Stirling-Motor - Stand und Perspektiven. http://www.bhkw-info.de/Stirling/Stirling.pdf 13.01.2004
ebd.
- 31 -
'
)
Es wäre schlicht und einfach nicht objektiv, nur die Vorteile aufzuzählen. Natürlich hat auch
der Stirlingmotor momentan noch mit ein paar Nachteilen und Problemen zu kämpfen.
31
32
•
Die Unbekanntheit. Meiner Meinung nach Hauptproblem des Konzeptes - Nach dem
Motto: „Was der Bauer nicht kennt, frisst er nicht.“
•
Diese Tatsache macht den Stirlingmotor noch relativ teuer, da keine allzu hohe
Nachfrage besteht und kein richtiger Wettbewerb am laufen ist. Das hochwertige
Material, welches durch die hohen Anforderungen (ca. 800°C und hoher Druck im
Motortraum) benötigt wird, hat natürlich seinen Preis.
•
Die Frage nach der Wirtschaftlichkeit heutzutage stellt sich leider auch noch. Als
Antrieb eines PKW z.B. würde ein mit Otto- oder Dieselmotor vergleichbarer
Stirlingmotor derzeit noch das 2 bis 3-fache kosten. 31
•
Relativ niedrige Preise für Atomenergie und fossile Rohstoffe machen es derzeit den
alternativen, neuen Technologien schwer, am Markt Fuß zu fassen. Diese müssen mit
umweltschädlichen, aber vordergründig billigeren Technologien konkurrieren.32
•
Auch scheint, nach heutigem Stand der Technik, die Leistungsregelung und –
optimierung noch etwas schwierig zu sein. Vor allem in Drehzahlbereichen um die
3000-4000 U/min. Es sind vor allem trocken laufende Lager und Dichtungen, welche
Probleme bereiten.
•
Für die Zukunft wäre eine bessere, durchgehende Kolbensteuerung durchaus von
Vorteil, um einen besseren Wirkungsgrad zu erzielen. Derzeit ist diese aber mit
höherer mechanischer Belastung und Geräuschbelästigung verbunden.
•
Da die Gasgeschwindigkeit im System sehr hoch ist, steht wenig Zeit für die
Wärmeübertragung zur Verfügung. Man könnte die Drehzahl verringern. Derzeit gibt
der Kühler eine große Wärmemenge ab und es muss eine große Wärmemenge durch
den Erhitzer zugeführt werden, da der Regeneratorwirkungsgrad von 100% nicht
erreicht werden kann.
•
Derzeit entstehen im System noch Toträume in den Wärmeaustauschaggregaten, wie
Erhitzer, Regenerator oder Kühler, da sich nicht das ganze Arbeitsmedium im
Expansions- und Kompressionsraum befindet.
•
Weiters lassen sich Teile, welche sich in Bewegung finden, nicht ganz abdichten, was
einen Druckverlust und ein Entweichen des Arbeitsgases zur Folge hat. Da das
Arbeitsgas ständig unter hohem Druck gehalten werden sollte (ca. 150 Bar), wirkt sich
dies negativ auf die Leistung aus.
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
vgl. Dipl.-Ing. Walter Wesinger (1998) Basisinfo zu Stirlingmotoren – Stirlingmotoren. http://theorie.physik.uni-wuerzburg.de/~kinzel/statphys/stirling.pdf 13.01.2004
- 32 -
•
Durch die gegebenen Strömungsverluste und die innere Reibung der Gase, wird
Energie praktisch entwertet, weil die entstehende Wärme nicht genützt wird.33
Egal in welche Lektüre man blickt, welche Person man über die Stirlingmaschinen
sprechen hört oder wo man sonst etwas über den Stirlingmotor erfährt:
Es heißt überall, dass der Stirlingmotor wie kein anderer Energiewandler in der Lage sei,
Solarenergie und nachwachsende Brennstoffe emissionsarm und klimaneutral für unsere
Zwecke umzuwandeln.
'
"
!
Grundsätzlich gibt es drei Einsatzgebiete: Als Motor, als Kältemaschine oder als
Wärmepumpe. (Alle drei Funktionen beschrieben in Kapitel 3)
Sehr viel versprechend sehen z.B. schon Konzepte der Firma SOLO aus, welche die
Stirlingtechnologie bei KWK-Modulen (Kraft-Wärme-Kopplungen) zum Einsatz bringt. Viele
technische Innovationen sind seit der Gründung 1948 schon hervorgegangen. Die Firma
betreibt heute ihr Hauptgeschäft mit Gartengeräten und Modellbau-Motoren.
Die Firma SOLO hat das weltweit bislang erste Konzept zur stationären, komerziellen
Anwendung von dezentralen Kraft-Wärme-Kopplungen auf Basis von Stirlingtechnologie,
welches auch in Serie geht. Das SOLO STIRLING 161 microKWK-Modul ist seit 2002
DVGW und TÜV-zertifiziert. Eine der Hauptprioritäten des Jahres 2003 war, einen PelletBrenner an die microKWK anzubinden, welcher diese Anlage auch für den Einsatz fester
Brennstoffe, auf Basis von Biomasse, erweiterte.
Zur effizienten Nutzung von Sonnenenergie gibt
es die Dish/Stirling-Anlage mit Parabolspiegel,
welcher die Sonnenenergie bündelt.
Ein weiterer interessanter Ansatz ist es, näher
auf die Kühlleistung des Stirlingmotors
einzugehen,
welcher
dann
zur
Stirlingkältemaschine mutiert. Dank neuester
Errungenschaften ist es dem IATK (Institut für
angewandte Thermodynamik und Klimatechnik)
gelungen, aus dem SOLO STIRLING 161, eine
Kältemaschine zu
konstruieren, welche
Temperaturen von bis zu -200C° erreicht.
Gebraucht werden solche Temperaturen z.B. bei der Rekondensation von Lösemittel, bei der
Methanverflüssigung im Bereich der Medizin, in der Forschung mit Supraleitern und in der
Lebensmittelindustrie zum Haltbarmachen durch Schockgefrieren. Derzeit wird flüssiger
Stickstoff dazu verwendet, doch dieser könnte in Zukunft durch eine leistungsstarke
Kältemaschine ersetzt werden. 34
33
34
vgl. Jacqui Hochstein (2000) Der Stirling-Motor - Funktion http://www.jhk1.de/motor/stirling_e.htm 13.01.2004
vgl. Solo Stirling BHKW Seite 9 http://www.minibhkw.de/Tagung_MiniBHKW/Vortrag_Solo.pdf , 24.01.2004
- 33 -
)
3
4
"
&
Zweifellos sind wir heute an einem Punkt angekommen, an dem wir uns mehr als je zuvor
Gedanken über die Energieformen der Zukunft machen sollten und müssen, um den enormen
Energiebedarf in unserer Freizeit und Luxusgesellschaft decken zu können. Es ist an der Zeit,
nicht mehr einfach nur neue, noch tiefer gelegene und noch weiter entfernte Lagerstätten für
fossile Brennstoffe auszubeuten, sondern alternative Energieressourcen zu finden. Da die
Vorkommen von fossilen Brennstoffen in Zukunft schrumpfen werden, muss man nach
anderen, regenerativen Energiequellen suchen.
*
+
Zu den fossilen Brennstoffen zählt man Erdöl, Erdgas, Braun- und Steinkohle. Es handelt sich
dabei um durch Zersetzung abgestorbene Pflanzen und Tiere, die vor Jahrmillionen, unter
dem Druck darüberliegender Gesteinsschichten, entstanden. Die darin gebündelte Energie
stammt ursprünglich aus der Sonne (Solarenergie). Heute wird der weltweite Energiebedarf
zu 90% durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe gedeckt.35
Dadurch ergibt sich ein gravierndes Problem für unsere Umwelt durch Kohlendioxid, auch
Treibhauseffekt genannt. Unter dem Treibhauseffekt versteht man Folgendes:
Die während des Tages einfallende Sonnenstrahlung (Globalstrahlung) wird von der
Atmosphäre und vom Erdboden in Form von Wärme gespeichert und nachts als
Infrarotstrahlung in den Weltraum abgegeben. 36
Die so genannten klimarelevanten Spurengase in der Troposphäre absorbieren und
reflektieren einen Teil dieser Abstrahlung, wodurch die nächtliche Abkühlung reduziert
wird. Die Schicht der klimarelevanten Spurengase fängt also, wie die Glasscheiben
eines Treibhauses, Sonnenenergie ein, indem sie Sonnenlicht durchlässt und
Infrarotstrahlung zurückhält. Aufgrund dieser Analogie wird der Effekt Treibhauseffekt
genannt.37
Wichtigstes T.-Gas ist Kohlendioxid (Kohlendioxid-Problem). Schaut man sich die
Emittentengruppen an, so steht der Energieverbrauch mit 50% an der Spitze
(Kohlendioxid, Methan, Ozon), gefolgt von der Chemie mit 20% (FCKW, Treibgase),
der Landwirtschaft mit 15% (Methan, Distickoxid) und der Regenwald-Zerstörung mit
15% (Kohlendioxid, Distickoxid).38
Seit Beginn der Industrialisierung steigt der CO2-Pegel in der Troposphäre
(Atmosphäre) stetig an. Der Mensch hat innerhalb von nur ca. 200 Jahren den CO2Gehalt der Atmosphäre stärker verändert, als die Natur innerhalb von 1 Mio. Jahren. Bei
Fortsetzung des derzeitigen Trends werden extreme Klimaveränderungen erwartet.
Ursache ist vor allem die Verbrennung fossiler Brennstoffe […] sowie die Vernichtung
der tropischen Regenwälder. CO2 ist das maßgebliche Endprodukt jeder Verbrennung,
das nicht aus Abgasen herausgefiltert werden kann.39
35
36
37
38
39
vgl. ANONYMUS (1993). Umweltlexikon: Fossile Brennstoffe. http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBenergie/FossileBrennstoffe.php , 05.12.2003
vgl. ANONYMUS (1993). Umweltlexikon: Treibhauseffekt. http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBluft/Treibhauseffekt.php , 05.12.2003
Umweltlexikon : Treibhauseffekt. http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBluft/Treibhauseffekt.php , 05.12.2003
ebd.
Umweltlexikon: Kohlendioxid-Problem. http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBluft/KohlendioxidProblem.php , 05.12.2003
- 34 -
Um sich ein Bild von der derzeitigen Situation verschaffen zu können:
Die weltweiten CO2-Emissionen aus dem Energiebereich betragen ca. 22 Mrd. t/Jahr,
wovon 56% aus den westlichen Industrienationen stammen. Pro Kopf liegen die CO2Emissionen in den USA bei 20 t/Jahr […] und in den meisten Entwicklungsländern bei
0,5-3 t/Jahr.40 [Stand 28. Januar 2003]
Ein Ende der Steigerung der CO2-Emission ist nicht abzusehen. Grund hierfür sind vor allem
die Nichteinhaltung der Beschlüsse von internationalen Konferenzen, wie jene von „Toronto
1988, wonach der weltweite CO2-Ausstoss bis 2005 um 25% und bis 2050 um 50% und bis
2050 um 50% reduziert werden soll“41 und vor allem „nationale Egoismen“.42 Nach Ansicht
der Wissenschaftler reichen bisherige Maßnahmen keinesfalls aus.43
Da auf unserem Planeten ein immerwährender Kohlendioxidkreislauf (im folgenden K.Kreislauf genannt) besteht und dieser zu den wichtigsten überhaupt zählt, möchte ich auch
darauf eingehen.
Er [der K.-Kreislauf] transportiert den für alle Lebewesen notwendigen Kohlenstoff
zwischen Luft, Boden und Wasser. Der K.-Gehalt der Atmosphäre weist einen
ausgeprägten Jahreszyklus auf: Ende April ist er im globalen Mittel um ca. 6 ppm höher
als im Oktober. Die Pflanzen der Nordhemisphäre entziehen der Luft während der
Vegetationsphase (Frühjahr bis Herbst) durch Photosynthese soviel K., dass die
Konzentration zum Herbst hin abnimmt, während zum Ende des Winters die K.Konzentration aufgrund des geringeren K.-Verbrauchs und dem Zersetzen von
Biomasse [zunimmt]. 44 Von den Pflanzen wird K. mit Hilfe des Sonnenlichts in
Kohlenstoff und Sauerstoff zerlegt (Photosynthese). Der Kohlenstoff bleibt in der
Pflanze und der Sauerstoff wird an die Umwelt abgegeben. Tierische Organismen
gewinnen Energie, indem sie Kohlenstoff mit Sauerstoff zu K. verbrennen. 45 Gegenüber
dem biologischen K.-Kreislauf sind die geochemischen Umsätze, Vulkanausbrüche und
v.a. die Verbrennung fossiler Brennstoffe, zwar verschwindend klein, aber um so
folgenreicher: K. ist als wichtiges klimarelevantes Spurengas maßgeblich an der
Regulation des irdischen Wärmehaushalts beteiligt. K. verändert den Strahlungshaushalt
der Erde, indem es die kurzstrahlige Sonnenstrahlung fast ungehindert auf die
Erdoberfläche passieren lässt und die langwellige, von der Erde emittierte
Wärmestrahlung teilweise absorbiert 46 [oben unter Treibhauseffekt beschrieben]. Nur
etwa 4 Prozent des jährlich emittierten K. stammt aus anthropogenen Quellen; die
natürlichen K.-Emissionen betragen ca. 600 Mrd. Tonnen/Jahr. Greift der Mensch durch
zusätzliche K.-Emissionen in den K.-Kreislauf ein gefährdet er das Weltklima. Eine
weitere Erhöhung der K. in der Atmosphäre lässt eine Zunahme der globalen
Temperaturen erwarten. Im Vergleich zu den letzten 250.000 Jahren der Erdgeschichte
ist der K.-Gehalt der Erdatmosphäre heute am höchsten; die jährliche
Konzentrationszunahme liegt bei etwa 0,4 Prozent. Der anthropogen bedingte Anstieg
der K.-Konzentration wird weniger auf industrielle Aktivitäten, sondern vielmehr auf
die Umwandlung von Wald- in Ackerflächen (Europa, USA, Ostasien) zurückgeführt. 47
40
41
42
43
44
45
46
47
Umweltlexikon: Kohlendioxid-Problem. http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBluft/KohlendioxidProblem.php , 05.12.2003
ebd.
vgl. ANONYMUS (1993). Umweltlexikon: Kohlendioxid-Problem. http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBluft/KohlendioxidProblem.php , 05.12.2003
ebd.
Umweltlexikon: Kohlendioxid. http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBluft/Kohlendioxid.php , 02.01.2004
ebd.
ebd.
ebd.
- 35 -
*
,
-.
/
Um nun auf den Punkt zu kommen: Der Stirlingmotor akzeptiert fast jegliche Art von
Rohstoffen - im Gegensatz zu andern heutzutage verwendeten Motoren zur Stromerzeugung um ihn zu betreiben, erzielt darüber hinaus noch einen hohen Wirkungsgrad und ermöglicht
eine relativ emissionsarme Umwandlung in elektrische Energie.48 Eine Möglichkeit besteht
also darin unsere Stirlingmotoren in Zukunft mit Biomasse (im Folgenden B. genannt) zu
betreiben.
Als B. wird die auf der Erde vorhandene organische Substanz in lebenden, toten oder
zersetzten Organismen bzw. deren Exkrementen bezeichnet. Biochemische Grundlage
jeglicher B. ist der Kohlenstoff. Alle B. ist durch die von grünen Pflanzen gespeicherte
Sonnenenergie entstanden. Im Prozeß der Photosynthese wird Sonnenenergie in
biochemische Bindungsenergie überführt; man kann das Pflanzenreich auch als riesigen
Sonnenkollektor betrachten. Tiere nehmen mit der Nahrung diese Energie auf und
bilden die tierische B. Weltweit wachsen jährlich rund 80 Mrd t B. nach, etwa zur Hälfte
in Form von Holz.49
Man kann aus Biomasse durch verschiedene Verfahren Energie gewinnen. Zu nennen wären
hierbei folgende:
1. Verbrennung.
2. Vergasung: B., insb. Holz, wird unter Luft- und Dampfzutritt aufgeheizt. Es entsteht
v.a. das brennbare Gas Methan sowie Kohlendioxid. […]
3. Pyrolyse: Zersetzung bei 500-1.000 GradC unter Luftabschluß. Dabei wird B. zu
festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen mit höherem Heizwert, z.B. Holzkohle.
[…]
4. Alkoholische Gärung: Insb. zuckerhaltige B. wird durch Hefe in Ethanol und
Methanol umgewandelt. […]
5. Methangärung: Durch […] Zersetzung unter Luftabschluß wird B. zu Biogas bzw. bei
Zersetzung von Klärschlamm zu Klärgas bzw. Deponiegas. Bio-, Klär- und Deponiegas
haben eine ähnliche Zusammensetzung wie Erdgas. 50
Biomasse zählt zu den regenerativen Energiequellen, welche aus „nachwachsenden
Rohstoffen“ gewonnen werden kann. 51 Als nachwachsende Rohstoffe werden solche
bezeichnet, welche meist aus Land- und Forstwirtschaft stammen, biologisch erneuerbar sind
und nicht für Ernährungs- oder Fütterungszwecke genutzt werden. 52 Der Begriff wurde
während der Ölkrise in den 70er Jahren des 20. Jahrhunderts geprägt, als die Industrie nach
erneuerbaren Kohlenstoffquellen, als Ersatz für fossile Brennstoffe, suchte. 1992 wurde, auf
Grund der EU-Agrarreform und den Überschüssen in der landwirtschaftlichen Produktion, die
Diskussion um nachwachsende Rohstoffe erneut belebt und daher ist bis heute ein Anstieg der
Anbauflächen zu verzeichnen. Nachwachsende Rohstoffe lassen sich in vielen Bereichen
verwenden, wie z.B. Holz als Bau- und Konstruktionsmaterial, Pflanzenfasern für die
Textilherstellung, tierische und pflanzliche Fette oder zur Herstellung von Seifen. Eine
Orientierung an der Erzeugung von Kraftstoffen, wie z.B. Biodiesel aus Raps scheint nicht
sinnvoll zu sein, da in der Regel kein Netto-Energiegewinn zu erzielen ist, wohingegen die
48
49
50
51
52
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
Umweltlexikom: Biomasse. http://www.umweltlexikon- online.de/fp/archiv/RUBlandwirtsrohstoffe/Biomasse.php , 02.01.2004
ebd.
Vgl. ANONYMUS (1993) Umweltlexikon: Biomasse. http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBlandwirtsrohstoffe/Biomasse.php , 02.01.2004
Vgl. ANONYMUS (1993) Umweltlexikon: Nachwachsende Rohstoffe http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBlandwirtsrohstoffe/NachwachsendeRohstoffe.php
- 36 -
energetische Nutzung von Abfällen, wie z.B. bei der Bio-Gas-Erzeugung, sinnvoll erscheint.
Auch hier gibt es wiederum Schattenseiten: Der großflächige Anbau wirft altbekannte und
neue Probleme auf, wie etwa den Anbau in großen Monokulturen, den möglichen Einsatz von
Gentechnik und eine bis dato fehlende Höchstmengenverordnung für den Einsatz von
Pestiziden, also Pflanzenschutzmitteln, u. dgl.
Darum ist eine vielseitige Landwirtschaft, die nachhaltig eine breite Palette von
nachwachsenden Rohstoffen anbieten kann, dann sinnvoll, wenn hochwertige Produkte mit
effizienten Verarbeitungsschritten hergestellt und bei der Verwertung wieder in ökologische
Kreisläufe, wie z.B. durch Vergärung oder Kompostierung, eingegliedert werden können. 53
*
(
,
Um die Vorteile von Biomasse noch einmal auf den Punkt zu bringen:
•
•
•
•
•
•
•
53
Biomasse ist CO2-neutral. Das bedeutet, dass bei der Verbrennung genau so viel CO2
in die Umwelt entweicht, wie bei der Photosynthese von der Pflanze aus der Luft
gebunden wurde.
In einer Formel ausgedrückt würde das Folgendes ergeben:
Sonne + CO2 = Biomasse
Biomasse = Energie + CO2
Im Gegensatz dazu werde bei der Verbrennung von 1m³ Erdgas 2kg CO2 und bei 1
Liter Heizöl 2,8 kg CO2 in die Atmosphäre geblasen.
Biomasse ist als gespeicherte Sonnenenergie das ganze Jahr über und gerade im
Winter verfügbar
Biomasse wächst in unserem Land, sozusagen vor unserer Haustür, benötigt daher
keine langen Transportwege und ist krisensicher verfügbar, im Gegensatz zu Erdöl
und Erdgas, welche zu 70% in politisch sensiblen Regionen der Erde liegen. Das
erfordert auch keine weiten Transporte und den damit verbundenen Öl- und GasLeckagen bei den Pipelines und den Tankerunfällen, die sich in letzter Zeit häufen und
jedes Mal aufs Neue verheerende Umweltkatastrophen mit Langzeitfolgen bedeuten.
Österreich importiert bereits 80% des Öl- und Gasbedarfes aus dem Ausland und wird
in absehbarer Zeit über keine fossilen Lagerstätten mehr verfügen, genauso wie die
EU spätestens in 15 Jahren zu 75% von Importen aus politisch sensiblen Regionen
abhängig sein wird. Weitere Konflikte sind dadurch absehbar.
Derzeit werden nur rund 19,6 Mio. Festmeter von 31 Mio. Festmetern Energieholz,
also das Holz, das bei Waldpflege, Holznutzung und Holzbe- und Holzverarbeitung
anfällt, jährlich in Österreich genutzt. Es besteht also noch ein riesengroßes Potential.
Biomasse entspricht auch dem Prinzip der Nachhaltigkeit, also eine schonende
Nutzung natürlicher Ressourcen, im Gegensatz zum fossilen Raubbau. Demnach
sollen auch spätere Generationen die Chance haben, auf dieselben Ressourcen
zurückgreifen zu können, auf die unser derzeitiges Wirtschaftssystem aufbaut.
Biomasse bringt und birgt neue Arbeitsplätze in der heimischen Wirtschaft, da ein
Grossteil der Biomasse-Anlagen in Österreich selbst gefertigt wird, die einen hohen
technischen Stand besitzen und daher ein Anstieg der Nachfrage aus dem Ausland zu
verzeichnen ist. Das gesamte Auftragsvolumen entlang der Österreichischen
Bioenergie-Wertschöpfungskette beträgt schon heute 10 Mrd. ATS also rund 727 Mio.
Vgl. ANONYMUS (1993) Umweltlexikon: Nachwachsende Rohstoffe http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBlandwirtsrohstoffe/NachwachsendeRohstoffe.php
- 37 -
Euro und es werden 19000 Arbeitsplätze bereitgestellt. In 10 Jahren rechnet man mit
ca. 40000 Arbeitsplätzen und einer Verdoppelung der Wertschöpfungskette. 54
An dieser Stelle möchte ich einen aktuellen Beitrag von unserem Österreichischen
Umweltminister Josef Pröll einbringen, welcher sich der Problematik angenommen hat und
von dem ein Interview diesbezüglich in der Zeitschrift „Ökoenergie“ veröffentlicht wurde:
Baden-Baden, 23.07.2003:
Weder die Atomenergie noch fossile Energien sind mit einer zukunftsfähigen Politik
und Wirtschaft vereinbar. Das machte Österreichs Umweltminister Josef Pröll in einem
Interview mit der renommierten Zeitschrift "Ökoenergie" deutlich. Klimaschutz und
erneuerbare Energien, so der Minister, haben in der österreichischen Politik Vorrang.
Der konservative Minister wörtlich: "Wir wollen im Jahr 2008 in Österreich einen
Ökostromanteil von 78 Prozent erreichen. Der Einsatz von Biomasse soll bis 2010 um
75 Prozent gesteigert werden."
Minister Pröll verwies darauf, dass diese Ziele im neuen Regierungsprogramm der
österreichischen ÖVP/FPÖ-Regierung festgeschrieben sind. In der BiomasseEnergiegewinnung ist Österreich schon heute Europa- und wahrscheinlich sogar
Weltmeister. Pröll bekräftigt auch für die Zukunft: "Wir werden bei der Biomasse einen
absoluten Schwerpunkt setzen."
Damit hat Österreich weit ehrgeizigere Ziele als die EU oder Deutschland. In
Österreichs neuer Regierung sitzen neben Pröll als derzeitigem Umweltminister drei
weitere ehemalige Umweltminister. Zur Atomenergie sagt Pröll: "Das klare Ziel ist
weiterhin der Ausstieg Europas aus der Atomenergie." 55
Nach letzten Erhebungen zufolge, gibt es in Österreich bereits 380 Biomasse-Anlagen mit
einer Heizleistung von 540KW.
Im Juli 1998 wurde eine gesetzliche Regelung verabschiedet, die Betreibern von
Verteilungsnetzen vorschreibt, bis zum Jahr 2005 3% des Stroms aus neuen
erneuerbaren Energieträgern (exkl. Wasserkraft oder Stromerzeugung durch die
Verbrennung von Ablauge) zu beziehen. Diese gesetzliche Regelung wird ein
vermehrtes Augenmerk auf die Produktion von Strom aus Biomasse zur Folge haben.
Die vielversprechendsten österreichischen Forschungsprojekte im Bereich
Stromerzeugung mit Biomasse beschäftigen sich mit der Zufeuerung in konventionellen
Kraftwerken, mit Vergasungstechnologien und Stirlingmotoren.56
Der Stirling Motor stellt eine vielversprechende Option für den Betrieb kleiner KraftWärme-Kopplungssysteme dar. Seine Vorteile liegen in den niedrigen Betriebskosten
und im einfachen Design. Im Rahmen nationaler Forschungsprojekte wurde in Graz ein
3 kW Alpha Type Stirling Motor konstruiert und erfolgreich getestet.
Zur Zeit entwickelt Joanneum Research einen Stirlingmotor mit einer elektrischen
Leistung von 30 bis 100 kW, der alle Voraussetzungen für eine Serienproduktion
erfüllen soll.57
54
55
56
57
Vgl. ANONYMUS Österreichischer Biomasse-Verband: http://www.biomasseverband.at/default.htm
Franz Alt (31. Juli 2003): http://www.umweltjournal.de/fp/archiv/AfA_politik/5101.php
Feste Biomasse – Technologie Portrait (Kapitel 9) http://www.energytech.at/(de)/biomasse/portrait_kapitel-9.html , 04.01.2004
Feste Biomasse – Technologie Portrait (Kapitel 9) http://www.energytech.at/(de)/biomasse/portrait_kapitel-9.html , 04.01.2004
- 38 -
*'
(
Nun werde ich 3 Kraftwerke vorstellen, anhand derer sich oben genannte Dinge leicht
überprüfen lassen:
Klassisches Kraftwerk, mit Heizöl betrieben und ungünstiger Gesamtnutzung:
Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) mit Stirlingtechnologie, mit Heizöl betrieben und günstiger
Gesamtausnutzung:
Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) mit Stirlingtechnologie, mit nachwachsenden Brennstoffen
betrieben und sehr günstiger Gesamtausnutzung:58
58
vgl. Hermann Schmidt (?) Hat der Stirlingmotor eine Zukunft? http://www.abclist.net/raristir/down/Stirling_zukunft_11_03.pdf , 04.01.2004
- 39 -
Wenn man nun alle drei Arten von Kraftwerken miteinander vergleicht, kann man erkennen,
dass die dritte Möglichkeit Energie zu gewinnen, die umweltschonendste ist. Hierbei wird
Biomasse als Brennstoff verwendet und das Prinzip des Stirlingmotors kommt zum Einsatz.
Dies bedeutet, dass nur 10% an Abwärme verloren gehen und die restlichen 90% als Strom
und Nutzwärme verfügbar sind. Da es sich bei dem Brennstoff um Biomasse handelt, wird
genau so viel CO2 in die Atmosphäre freigesetzt, wie diese Pflanze auch tatsächlich
aufgenommen hat, es besteht also ein zu 100% geschlossener Kreislauf.
**0
Wir sehen also, dass sich das Prinzip des Stirlingmotors, mit seinem außergewöhnlichen
Konzept und mit all seinen Vorteilen die es bringt, als sehr zukunftsorientiert erweist. Alleine
schon erschreckende Meldungen, wie folgende, führen uns klar vor Augen, wie wichtig ein
Umdenken in der heutigen Zeit ist. Der Stirlingmotor ist dafür prädestiniert unsere Kraftwerke
oder zumindest einen Teil davon „sauberer“ und effizienter zu machen, unsere Umwelt zu
schonen und damit unser Gewissen zu erleichtern.
23 Tonnen Pflanzen für einen Liter Sprit
Wie viele natürliche Ressourcen stecken im Benzin? Ein US-Forscher wollte es
genau wissen - und errechnete Schwindel erregende Zahlen: Für einen Liter Sprit
werden 23 Tonnen prähistorisches Pflanzenmaterial verbraucht.
Es braucht Jahrmillionen, ehe Druck und Hitze die Reste von Pflanzen in Erdöl
verwandeln. Die Berechnungen von Jeff Dukes von University of Utah zeigen jetzt in
drastischer Weise, in welchem Maße der fossile Brennstoff von der Menschheit
ausgebeutet wird. Wie Dukes in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins "Climatic
Change" schreibt, steckt in einem Liter Benzin eine Pflanzenmasse von rund 23 Tonnen.
Seit Beginn der industriellen Revolution im Jahr 1751 hat die Menschheit demnach so
viele fossile Brennstoffe verbraucht, wie in 13.300 Jahren auf der gesamten Erde an
Pflanzenmasse nachwachsen.
Um herauszufinden, wie viel Pflanzenmaterial für die Bildung fossiler Brennstoffe nötig
war, errechnete Dukes, wie viel Kohlenstoff der ursprünglichen Vegetation während der
zahlreichen Entwicklungsstufen bis hin zu Öl, Gas und Kohle verloren ging. Das
Resultat: Nur etwas weniger als ein Zehntausendstel des Kohlenstoffs aus den
pflanzlichen Ablagerungen endete als Erdöl und Erdgas.
Fossile Brennstoffe könnten als Lagerstätten von Sonnenergie betrachtet werden, die
durch Photosynthese in nutzbare Biomasse umgewandelt wurde, so Dukes. Seine
Berechnungen zeigten, wie ineffizient bei der Bildung fossiler Brennstoffe die
Umwandlung der ursprünglichen Sonnenenergie in den Brennstoff ist. Moderne
Verfahren der Energiegewinnung aus Sonne und Wind seien in dieser Hinsicht
wesentlich effizienter.59
59
ANONYMUS Spiegel-Online (Oktober 2003) http://www.spiegel.de/wissenschaft/erde/0,1518,271540,00.html
- 40 -
,
0
!
5
&
1
Was sehen Sie auf dem unteren Bild?
Genau. Einen Schlagenhauf-Motor, benannt nach Dr. Wilfried Schlagenhauf, welcher ihn
damals, anno 1990, auf der Suche nach einer Möglichkeit, den Lehrern und Schülern auf
einfache Weise das Prinzip des Stirlingmotors zu erklären, erfand. Vorgestellt wurde er
erstmals bei der Stirlingausstellung im Jahr 1990/1991 in Oberursel. Er besteht aus ein paar
ganz einfachen und preiswerten Dingen und ist schnell mal eben zusammengebaut. „Schnell
mal eben zusammengebaut“… Das ist ein Irrglaube, dem man leicht verfällt, wenn man nicht
ins Detail geht.
1
2
Im Herbst des Schuljahres 2002/2003 ging ich - und vermutlich auch die anderen, die sich für
das Wahlpflichtfach Physik unter der Leitung von Prof. Unterreiner angemeldet hatten ohne
irgendeine Vorahnung von dem, was uns das ganze Jahr positiv beschäftigen sollte, in den
Physiksaal zu unserer ersten WPF-Stunde. Von Anfang an waren wir, und ich denke ich
spreche für uns alle, wenn ich „wir“ sage, positiv überrascht. Das lässt sich nicht nur daran
erkennen, dass sich gleich mehrere Schüler, mich eingeschlossen, auch im darauf folgenden
Jahr für das Physik WPF angemeldet haben. Leider kam es dieses Jahr aus organisatorischen
Gründen nicht zustande. Wir befanden uns also im Physiksaal als wir zum ersten Mal etwas
von einem „Stirligmotor“ hörten. Ich für meinen Teil konnte mir darunter einfach nichts
vorstellen. Ich hoffe, dass es den Lesern dieses Textes inzwischen anders geht. Ich assoziierte
damals das Wort „Stirling“ [eigentlich Sterling] noch mit Silber. Aber keinesfalls mit einem
Motor. Wir wurden ganz ohne Vorkenntnisse in das Rennen geschickt. Unser erster
Anhaltspunkt war ein altes, selbstgebautes und schon ziemlich verstaubtes Modell. Dieses sah
- 41 -
wirklich „ganz einfach“ aus. Aus der Nähe betrachtet konnte man folgende Bauteile
ausmachen:
Ein Holzbrett, auf dem zwei Steher befestig sind, eine drehbare Verbindung zwischen den
Stehern, die aus einer Wäscheklammer auf einem Holzbalken besteht. Diese hält ein
handelsübliches Reagenzglas, in dem sich Murmeln befinden und ist mit dem Arbeitskolben
verbunden. Unter dem Arbeitskolben befindet sich ein Stück eines Luftballons, der über einen
Schlauch mit dem Reagenzglas verbunden ist. Daneben ist noch einen Bunsenbrenner zu
finden. Doch nun zu en einzelnen Bedeutungen der Teile und ihren Aufgaben.
Das Grundgerüst bilden die Bodenplatte, die Steher und die Wäscheklammer. Das
Reagenzglas und, genau genommen, auch noch der Luftballon stellen den Zylinder dar mit
den Murmeln als Verdrängerkolben darin. Der Schlauch stellt sicher, dass die heiße Luft,
unser Arbeitsgas, zwischen Luftballon und Reagenzglas strömen kann und sich somit in
einem geschlossenen Raum befindet. Das heiße Arbeitsgas wirkt dann über den Luftballon
auf den Arbeitskolben, welcher in Folge auch den Verdrängerkolben steuert. Als externe
Heizquelle fungiert ein Bunsenbrenner. Das alles, zusammen mit ein bisschen
handwerklichem Geschick und technischen Kenntnissen, ergibt eine funktionierende
Wärmekraftmaschine, den Stirlingmotor.
- 42 -
1
Im Ausgangszustand ist das Reagenzglas in Richtung des Arbeitskolbens geneigt. Die
Murmeln darin liegen, dem Gesetz der Schwerkraft folgend, auf der Seite des Pfropfens. Der
Luftballon ist leer und der Arbeitskolben befindet sich daher in der unteren Position. Wird das
Reagenzglas nun von der externen Heizquelle, in unserem Fall einem Bunsenbrenner, erhitzt,
erwärmt sich sogleich die Luft darin. Das hat einen Druckanstieg im gesamten System zur
Folge. Die sich ausdehnende Luft strömt über den Schlauch in den Luftballon unter dem
Arbeitskolben. Dieser bläht sich auf, hebt somit den Arbeitskolben in seine obere Position.
Das Reagenzglas kippt über und lässt die Murmeln auf die andere Seite, in Richtung
Heizquelle, rollen. Diese Murmeln übernehmen somit die Aufgabe des Verdrängerkolbens
und nun strömt an ihnen die Luft vorbei. Da sich ein Großteil der Luft nun auf der kühleren
Seite des Zylinders befindet, sinkt der Druck im System und der Luftballon fällt in sich
zusammen. Der Arbeitskolben senkt sich durch die Schwerkraft und lässt so das Reagenzglas
wieder auf die andere Seite überkippen. Die Murmeln bewegen sich nun ebenfalls wieder in
die Gegenrichtung. Die Luft strömt an den Murmeln vorbei, befindet sich nun wieder im
wärmeren Teil des Zylinders und wird weiter aufgeheizt. Nun kann das Spiel wieder von
neuem beginnen.
1'
2
Es wurden Rollen innerhalb der Gruppe verteilt, die aber mit der Zeit ineinander übergingen.
Niemand hielt sich so recht an seine Aufgaben, sondern jeder setzte seine Ideen dort ein und
packte dort an, wo gerade Platz dafür war.
Von einem großen Brett schnitt sich jede Gruppe eine Bodenplatte und klebte darauf zwei
etwa 10cm lange Steher, welche von einer Holzlatte gesägt wurden, in einem Abstand auf, der
der Länge einer Wäscheklammer entsprach. Dort hinein kam je ein Loch. Die
Wäscheklammer wurde auf ein gleich langes Holzstück mit Heißkleber geklebt, welches
wiederum links und rechts mit Nägeln versehen wurde, welche in die Löcher auf den Stehern
passten. Auf die Bodenplatte kam weiters eine kleine Erhöhung, auf der später der Luftballon
ruhen sollte. Das Reagenzglas wurde mit Murmeln gefüllt, mit Stahlwolle ausgepolstert und
mit einem Pfropfen, in welchem sich eine Glaskanülle befand, luftdicht verschlossen. Die
Glaskanülle besteht aus einem Teil eines Glasrohres, welches mit Hilfe von einem
Bunsenbrenner erhitzt und so in Form gebracht wurde. Am kompliziertesten gestaltete sich
der Bau eines Luftballons. Hierbei werden Teile eines „großen“ Luftballons mit Heißkleber
zusammengeklebt und über einen Schlauch mit der Glaskanülle verbunden. Der Hub, der am
Luftballon später entsteht, muss nur noch an den Verdrängerkolben weitergegeben werden.
Dies geschieht über den Arbeitskolben, welcher aus einem Stück Holz mit einem senkrechten
Loch, mit einem Nagel und einer Mutter darin, besteht. Die Mutter dient zur Feineinstellung,
um den Neigungswinkel des Reagenzglases zu bestimmen. Diese Öse ist horizontal mit der
Halterung für das Reagenzglas zu verbinden. Am Ende wird noch der Schlauch gut auf der
Bodenplatte befestigt, damit er nicht verrutscht.
Wurden alle Schritte erfolgreich ausgeführt, steht der Schlagenhaufmotor zur Besichtigung
bereit. Wurden dann noch alle nötigen Feineinstellungen getroffen, ist er auch betriebsbereit.
- 43 -
1*
+
Hier werde ich nun alle Probleme, fein säuberlich untergliedert, auflisten, um den langen,
mühsamen Weg noch genauer aufzuzeigen.
1*
3
4+
-.
Probleme:
1) Schon die Montage der Steher bereitet dem ungeübten Handwerker ein Problem. Sind
die Steher einmal fix auf der Bodenplatte montiert, lässt sich die Wäscheklammer mit
den herausragenden Nägeln nur noch schwer, unter Anwendung roher Gewalt in die
vorgesehene Position bringen. Hier mussten wir einen der beiden Steher also noch
einmal entfernen.
2) Weiters kommt es bei sehr hoher Hitzeeinwirkung des nahe stehenden
Bunsenbrenners zu zwei unerfreulichen Ereignissen.
Das erste findet am Heißkleber, der sich zwischen Wäscheklammer und Querlatte
befindet, statt. Dieser schmilzt nämlich bei höheren Temperaturen.
Das zweite betrifft die schwarzen, rauchenden oder sogar brennenden Stellen die sich
nach noch größerer Hitzeeinwirkung am Gerüst bilden. An diesen Stellen wurde es
dem Holz schlicht und einfach zu heiß.
3) Auch die Wäscheklammer erwies sich nicht als sehr stabil. Wenn man nämlich eine
Wäscheklammer, bei der die hinteren Stücke [am Bild ersichtlich] fehlen, weiter als
gedacht aufbiegt, springt die Klammer gerne heraus und man hat unfreiwillig drei
Teile in der Hand, die es heißt, wieder zusammenzusetzen.
Lösungsvorschläge:
1) 2) Den Bunsenbrenner nicht zu nahe an das Gerüst stellen und nicht auf höchster Stufe
laufen lassen. Andere Materialien zu verwenden wäre auch eine Lösung, welche aber
den Bau erschweren würde, da sich Holz für diese Zwecke eignet und sich leicht
verarbeiten lässt.
3) Wir haben probiert, ein zweites Holzstück auf die Querlatte zu kleben und vorher eine
Öffnung auszufräsen, die in etwa dem Durchmesser eines Reagenzglases entspricht.
Dies war leider nicht von Erfolg gekrönt, da diese Öffnung sich nicht selbst an die
Konturen des Reagenzglases anpasste und daher eine hohe Präzision erforderlich
machte. Diese war folglich zu klein oder zu groß und ließ dem Reagenzglas zu viel
Spielraum.
- 44 -
1*
#
4+
-.
Nach langer Arbeit durften wir erkennen, wie instabil eigentlich solche Reagenzgläser sind.
Die von uns verwendeten waren zwar hitzebeständig, aber gegen relativ leichte Schläge und
schon auf kleine Kraftaufwendung seitens der Erbauer sehr empfindlich. So gingen viele zu
Bruch. Dies ist nicht nur sehr lästig, sondern auch auf die Dauer kostspielig. Achtung: Nach
gründlichem Studium ist festzustellen, dass Reagenzgläser sehr heiß werden können, wenn sie
zuvor mit einem Bunsenbrenner über längere Zeit hinweg erhitzt wurden. Auch die sich darin
befindlichen Murmeln sind von dieser Regel nicht ausgeschlossen. Also Vorsicht beim
Aufheben von diesen, wenn sie beim Öffnen des Reagenzglases einmal das Weite suchen.
Probleme:
1) Wie schon unter 6.4.1 beschrieben, versuchten wir anstatt der Wäscheklammer, die
einen sehr hohen Druck auf die Gläser ausübte und diese auch zu Bruch gehen ließ,
diese in einer Öffnung zwischen der Holzlatte und einem darauf angebrachten
Holzstück zu befestigen. War die Öffnung zu klein, ging beim Einführen mit erhöhter
Kraft auch das Reagenzglas kaputt.
2) Wurde so ein Reagenzglas mit der Zeit, nach mehrmaligen Probeläufen, zu heiß,
musste es abkühlen, da sonst nicht genügend Temperaturunterschied zwischen dem
beheizten und dem anderen Ende bestand. Natürlich kann man hier nicht ewig warten,
also beschlossen wir, das Ganze zu beschleunigen und tauchten das heiße Reagenzglas
in kälteres Wasser. Die Gläser haben diese Prozedur gar nicht so gut vertragen und
zersprangen in viele Teile.
3) Die Murmeln in dem Reagenzglas waren ständig in Bewegung. Das bedeutet, sie
rollen vom einen Ende ans andere, stoßen dort kräftig an und rollen danach zurück.
Erstens bedeutet das, dass sie zu abrupt abgebremst werden und der Motor sie aus
eigener Kraft wieder zurückbefördern muss. Zum Zweiten bedeutet dies auch eine
sehr hohe Kraftausübung auf den Boden des Reagenzglases welches, nach einiger Zeit
brüchig wird. Dadurch kann es passieren, dass der Boden abfällt.
4) Einfach ist es auch nicht den Pfropfen in der richtigen Größe zu finden um das
Reagenzglas luftdicht zu verschließen. Viel Kraftaufwand darf nicht nötig sein um
damit das Glas zu verschließen.
5) Die Murmeln müssen den richtigen Durchmesser haben und sich eine genaue Anzahl
an Murmeln im Reagenzglas befinden. Sie sollten von Natur aus schon eine möglichst
runde Form haben und sich unter Hitzeeinwirkung weder verformen noch zerbrechen.
- 45 -
Lösungsvorschläge:
1) Anfangs versuchten wir den Spielraum, falls die Öffnung zu groß geraten war, mit
etwas Gummi von Luftballon zu verkleinern, das klappte nicht so ganz, weil das
Einführen des Reagenzglases zu viel Kraft erforderte, die wir auf Selbiges nicht
ausüben konnten. Wir verwendeten danach doch die Wäscheklammern weiter.
2) Langsam abkühlen lassen oder erst gar nicht zu stark aufheizen lassen. Den
Abkühlvorgang vielleicht mit ein bisschen frischem Wind beschleunigen, jedoch nicht
in kaltes Wasser tauchen.
3) Anfangs behalfen wir uns mit Glaswolle, um die Stöße der Kugeln zu absorbieren.
Diese war aber nicht sehr hitzebeständig, brannte sich daher in das Glas am Boden ein,
wurde sehr hart, verlor dadurch die stoßabsorbierende Wirkung und wurde mit der
Zeit immer weniger. Abhilfe brachte ein kleiner Knäuel Stahlwolle. Diese ist sehr
hitzebeständig und vermag auch die Kugeln beim Auftreffen in die Gegenrichtung
abzufedern. Auch sollte nie versucht werden, Stahlwolle oder Glaswolle in ein
Reagenzglas zu stopfen und mit Hilfe durch Schütteln von Murmeln im Glas, diese am
Boden in Form zu bringen. Das kostet ein neues Reagenzglas, da die beiden
Materialien auch keine Wunder bewirken beim Absorbieren von Stößen.
4) Entweder kann man einen weicheren Pfropfen verwenden oder mit geeigneten
Dichtmittel die Ränder abschließen. Wir haben genau den Richtigen gefunden.
5) Hier hilft das Sprichwort: „Probieren geht über Studieren“. Von der Menge her, haben
sich zwei oder drei Kugeln bewährt. Am einfachsten ist jedoch in das nächste
Spielwarengeschäft zu gehen, ein paar Murmeln zu erstehen und selbst zu probieren.
1*
2
4+
-.
Ist der Luftballon und der Schlauch als Verbindung zum Arbeitskolben undicht, ist guter Rat
oft teuer. Eine der Hauptbeschäftigungen auf der Fehlersuche war, andauernd die Dichtheit
des Systems zu überprüfen. Am einfachsten lässt sich die Dichtheit des Luftballons
feststellen, indem man ihn in ein Wasserbad taucht und am Ende des Schlauches etwas Luft
hineinpustet. Sieht man Bläschen aufsteigen, hat man den Übeltäter gefunden. Dann heißt es
aber, das Loch zu flicken, was oft nicht sehr einfach ist.
Probleme:
1) Da die Teile eines richtigen Luftballons, wenn man sie ausschneidet, schon eine
spezifische, gebogene Form besitzen, ist es oft schwierig das endgültige Volumen des
fertigen Luftballons abzuschätzen. Weiters ist es nicht einmal so einfach solche relativ
kleinen, filigranen Teile mit einer sauberen Kante mit der Heißkleberpistole zu kleben.
2) Wie mir vor kurzem bekannt wurde, ist unser Stirlingmotor leider wieder undicht. Ich
tippe stark auf den Luftballon. Das bedeutet, dass der Luftballon auf kurz oder lang
spröde wird und dadurch die Dichtheit verliert.
- 46 -
3) Hat der Luftballon nun doch seine Dichtheit verloren, klebt man am besten die
undichte Stelle zu. Dies bewirkt aber oft, dass der Luftballon danach zu „überladen“
wirkt und seine Elastizität, sowie seine Hubkraft verliert, da diese nicht mehr richtig
nach oben wirken kann.
4) Da der Schlauch anfangs zu unbeweglich und zu schwer war, war es dem Reagenzglas
nicht so einfach möglich seine Position zu ändern. Auch die Verbindung vom
Schlauch zum Luftballon ist sehr empfindlich.
Lösungsvorschläge:
1) Unser Hub-Luftballon bestand aus den relativ geraden Teilen der Mundöffnung eines
Luftballons. Der Kreativität sind keine Grenzen gesetzt. Ich empfehle, den Luftballon
ein wenig kleiner zu halten, vor allem die Auflagefläche, da der Hub schon bei diesen
erstaunlich groß ist. Beim Kleben ist auf jeden Fall eine ruhige Hand und Geduld
gefragt.
2) Hier könnte Silikonspray helfen, wie man es bei Türgummis bei Autos verwendet.
Getestet habe ich das aber bis jetzt noch nicht.
3) Öfter ist es besser einen Teil des Heißklebers auf der undichten Kante zu entfernen
und gleich neu zu kleben. Vorsicht sei beim Kleben auch hier geboten: Heißkleber ist
unangenehm, wenn er im heißen Zustand auf die Finger kommt. Auch die Spitze der
Klebepistole wird sehr heiß. Dies kann nicht nur zu Verbrennungen an den Fingern,
sondern auch zu Verletzungen am Gummi des Luftballons führen. Also den Luftballon
niemals mit der Spitze berühren.
4) Es empfiehlt sich, einen möglichst beweglichen Schlauch zu verwenden. Die Stelle wo
der Schlauch mit dem Luftballon verbunden wird, sollte ganz sorgfältig geklebt
werden. Bei zu viel Heißkleber am Luftballon könnte jedoch die Schlauchöffnung
verklebt werden.
- 47 -
11
Meine und unsere Erfahrungen haben gezeigt, dass es kein optimales, narrensicheres Rezept
für eine gelungene Feineinstellung gibt. Schon der Begriff „Feineinstellung“ indiziert dies.
Trotzdem sind einige Details sehr beachtenswert, die es durchaus erleichtern den Motor in
Betrieb zu nehmen.
•
•
•
•
•
•
Die Ausgangsposition muss, wie schon oben beschrieben, so aussehen, dass das
Reagenzglas auf die Seite des Arbeitskolbens geneigt ist.
Nach einigen Versuchen sollte dem Motor wieder Zeit gegeben werden um abkühlen
zu können. Es hilft nicht, einfach nur auf einer noch höheren Stufe zu heizen.
Es ist auch möglich, dass entweder zu viel oder zu wenig Luft im System ist. Das
kommt vor, wenn man den Pfropfen vom Reagenzglas löst, während das System sehr
heiß ist, es danach wieder verschließt und es abkühlen lässt. Der umgekehrte Weg ist
auch denkbar.
Hilfreich kann es auch sein, den richtigen Punkt, an dem die Mutter auf der Schraube
sitzt, zu markieren, um dagegen gewappnet zu sein, dass sich der Motor verstellt oder
verstellt wird.
Die Stelle, an der das Reagenzglas mit Hilfe der Wäscheklammer befestigt wird, sollte
selbst herausgefunden werden. Es sollten auf jeden Fall beide Feineinstellungen
benutzt werden, die zuletzt angesprochene und jene über die Schraube und Mutter. Zu
beachten gilt es auch, dass beide Einstellmöglichkeiten aufeinander einen relativ
hohen Einfluss haben.
Die Länge des Schlauches spielt auch eine Rolle bei der Feineinstellung. Ca. 50-60cm
sollten die richtige Länge sein.
Eine kleine Warnung an dieser Stelle, die sich schon vielfach bewährt hat. Vor allem für
mich, wenn ich wieder einmal vorhabe oder vorgehabt habe, in meiner Freizeit an meinem
Computer zu basteln:
Never change a running system. – Verändern Sie nie ein funktionierendes System.
- 48 -
6
/
Alt, Franz (31. Juli 2003). Umweltjournal: Österreichs Umweltminister Pröll:
Biomasse statt Atom. http://www.umweltjournal.de/fp/archiv/AfA_politik/5101.php ,
02.01.2004
Anonymus (?). Industrielle Revolution. In: Microsoft® Encarta® OnlineEnzyklopädie 2004.
http://de.encarta.msn.com/encyclopedia_761577952/ Industrielle_Revolution.html ,
07.01.2004
Anonymus (?). Dampfmaschine, 2 Geschichte. In: Microsoft® Encarta® 2003
Anonymus (?). Turbine, 4 Dampfturbine. In: Microsoft® Encarta® 2003
Anonymus (?). Gasturbine. In: Microsoft® Encarta® 2003
Anonymus (1998/2000). AEE – Stirlingmotor - 2. Der Prozess.
http://www.aee.at/verz/artikel/stirl01.html , 17:20 06.01.2004
Anonymus (?). Wikipedia – Stirlingmotor. http://de.wikipedia.org/wiki/Stirlingmotor ,
17:40 06.01.2004
Anonymus (?). Solo Stirling BHKW mit niedrigen Emmissionen. Seite 9
http://www.minibhkw.de/Tagung_MiniBHKW/Vortrag_Solo.pdf , 24.01.2004
Anonymus (1993). Umweltlexikon: Fossile Brennstoffe. http://www.umweltlexikononline.de/fp/archiv/RUBenergie/FossileBrennstoffe.php , 05.12.2003
Anonymus (1993). Umweltlexikon: Treibhauseffekt. http://www.umweltlexikononline.de/fp/archiv/RUBluft/Treibhauseffekt.php , 05.12.2003
Anonymus (1993). Umweltlexikon: Kohlendioxid-Problem.
http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBluft/KohlendioxidProblem.php ,
05.12.2003
Anonymus (?). Umweltlexikon: Kohlendioxid. http://www.umweltlexikononline.de/fp/archiv/RUBluft/Kohlendioxid.php , 02.01.2004
Anonymus (1993). Umweltlexikon: Biomasse. http://www.umweltlexikononline.de/fp/archiv/RUBlandwirtsrohstoffe/Biomasse.php , 02.01.2004
Anonymus (2000). Stirling-Motoren für die Kraft-Wärme-Kopplung.
http://www.bhkw-info.de/spezielle_themen/stirling-motor.HTML , 02.01.2004
- 49 -
Anonymus (1993). Umweltlexikon: Nachwachsende Rohstoffe.
http://www.umweltlexikononline.de/fp/archiv/RUBlandwirtsrohstoffe/NachwachsendeRohstoffe.php ,
02.01.2004
Anonymus (?). Österreichischer Biomasse-Verband.
http://www.biomasseverband.at/default.htm , 02.01.2004
Anonymus (?). Feste Biomasse – Technologie Portrait (Kapitel 9).
http://www.energytech.at/(de)/biomasse/portrait_kapitel-9.html , 04.01.2004
Anonymus (?) Spiegel Online (Oktober 2003). Fossile Brennstoffe: 23 Tonnen
Pflanzen für einen Liter Sprit.
http://www.spiegel.de/wissenschaft/erde/0,1518,271540,00.html , 04.01.2004
ANONYMUS (2001) Origins Of The Stirling Heat Machine http://www.stirlinghotairengine.com/history.htm , 18.02.2004
Hochstein, Jacqui (2000). Der Stirling_Motor – Funktion.
http://www.jhk1.de/motor/stirling_e.htm 13.01.2004
Kirchhoff, Jan u.a. (?). Referat zum Stirlingmotor.
http://jan.kirchhoff-consulting.com/schule/physik/stirling/ , 13.01.2004
Krug, Klaus (?). Die Dampfmaschine. Der Motor der industriellen Revolution.
http://opus.fh-merseburg.de/opus/volltexte/2003/52/pdf/Schutz-RV1-Krug-Beitrag06.pdf , 07.01.2004
Schmidt, Hermann (2002). Die Geschichte der Heißluftmotoren - Seite 4.
www.stirlingmotor.com Geschichte_HL.pdf, 07.01.2004
Schmidt, Hermann (?). Hat der Stirlingmotor eine Zukunft?.
http://www.abclist.net/raristir/down/Stirling_zukunft_11_03.pdf , 04.01.2004
Sexl, Raab, Streeruwitz (1990) Physik 2.
ÖBV & HPT
Steinborn, Friedhelm (?) Stirling Motor – Stand und Perspektiven.
http://www.bhkw-info.de/Stirling/Stirling.pdf , 13.01.2004
Viebach, Dieter (1998): Der Stirlingmotor. Einfach erklärt und leicht gebaut Auflage:
1. Auflage 1998 Staufen bei Freiburg: ökobuch
Wesinger, Walter (1998) Basisinfo zu Stirlingmotoren – Stirlingmotoren.
http://theorie.physik.uni-wuerzburg.de/~kinzel/statphys/stirling.pdf , 13.01.2004
- 50 -