]Die stille Verschwendung
Tag für Tag entstehen in Industrieanlagen, Kraftwerken und Schiffsantrieben enorme Mengen an Wärme. Doch ein Großteil davon bleibt ungenutzt – er entweicht unbemerkt in die Umgebung. Diese stille Verschwendung ist eines der größten Effizienzprobleme unserer Zeit: wertvolle Energie geht verloren, während gleichzeitig der Bedarf an Strom und klimafreundlichen Lösungen steigt.
- Über 160.000 GWh industrieller Abwärme verpuffen jährlich in Deutschland – vielfach oberhalb von 500 °C, obwohl sie direkt zur Stromerzeugung nutzbar wäre.
- Mehr als 9.000 GWh Strom aus erneuerbaren Energien werden jedes Jahr abgeregelt oder zu Negativpreisen abgegeben – ein Potenzial, das durch Speicherung in Thermospeichern und Rückverstromung in der Heat2Power-Engine wieder nutzbar gemacht werden kann.
Warum Heissgasmotoren heute?
Die Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit ist ein universelles Prinzip, das seit dem 19. Jahrhundert genutzt wird. Heute gewinnt es neue Bedeutung: Jede beliebige Wärmequelle – ob fossile, regenerative oder industrielle Abwärme – kann als Ausgangspunkt für Stromerzeugung dienen. Gerade in Zeiten der Energiewende und Dekarbonisierung ist diese Flexibilität entscheidend.
Zielsetzung und Anwendungsfelder moderner Heat-to-Power-Konzepte
Die klassische Stirlingmotor-Technologie bildet den Ausgangspunkt für eine neue Generation von Wärme-zu-Strom-Systemen. Während traditionelle Stirlingmotoren lange Zeit nur in Nischen eingesetzt wurden, zeigt die Weiterentwicklung zum modernen Heat-to-Power-Konzept, dass sich ihre thermodynamischen Prinzipien heute in ganz neuen Leistungsbereichen nutzen lassen.
Ziel ist es, im Bereich von 500 kW bis >10.000 kW robuste und effiziente Systeme zu schaffen, die Wärmequellen aller Art in Strom umwandeln können. Besonders geeignet sind diese Konzepte für:
- Rückverstromung von Überschusswärme aus regenerativer Energieerzeugung
- Nutzung von industrieller Abwärme (z. B. Zement-, Glas- und Stahlwerke)
- Stationäre Stromerzeugung mit Biomasse oder Blockheizkraftwerken
- Schiffsantriebe mit reduziertem Treibstoffverbrauch und alternativen Kraftstoffen
Damit wird deutlich: Der Stirlingmotor ist nicht Vergangenheit, sondern liefert die Grundlage für die Heat2Power-Engine, die klassische Grenzen überwindet und neue Einsatzfelder erschließt.
Vor- und Nachteile von Stirlingmotoren
Klassische Stirlingmotoren moderner Bauart haben unbestreitbare Vorteile, konnten sich jedoch für die wichtigen Anwendungen nicht durchsetzen, da sie bisher auch systembezogene, typische Nachteile hatten.Allgemeine Vorteile klassischer Stirlingmotoren
- Viele mögliche Energiequellen zur Wärmeerzeugung.
- Vergleichsweise simple, robuste Konstruktion mit langer Lebensdauer.
- Die externe Verbrennung erfolgt kontinuierlich. Moderne Brennersysteme führen zu sehr günstigen Abgaswerten.
- Da sie weder Explosions- noch Abgasgeräusche erzeugen, sind Stirlingmotoren leise.
- Geringer Schmierölverbrauch.
- Stirlingmotoren erzeugen bei niedrigen Drehzahlen hohe Drehmomente.
Allgemeine Nachteile klassischer Stirlingmotoren
- Stirlingmotoren haben ein ungünstiges Leistungsgewicht, sie werden darum praktisch nur stationär mit konstanter Drehzahl, konstantem Drehmoment oder konstanter Leistung eingesetzt.
- Effizienzverlust, weil der reale Prozess deutlich vom idealen Prozess abweicht.
- Bei klassischen Stirlingmotoren wird die maximale Arbeitstemperatur durch die verwendeten Werkstoffe begrenzt. In der Praxis kann das Arbeitsgas kaum über 800 K erhitzt werden.
- Kompressionsverlust und begrenzte Regeneratoreffizienz.
Manche mögen’s heiß
Heißgasmotoren kamen Anfang des 19. Jahrhunderts auf. Es gab zahlreiche Bauformen. Am bekanntesten ist die der Gebrüder Robert und James Stirling von 1816. Wenn man heute von einem Heissgasmotor redet, so meint man eigentlich den Stirlingmotor. In seinem Patent beschreibt Stirling die Verwendung des Regenerators (Economiser) für einen Luftmotor, der aber auch für andere Anwendungen wie zum Beispiel Öfen etc. zur Kraftstoffeinsparung gedacht war.Alexander Kirk Rider ist der einzige, der eine erfolgreiche Massenproduktion mit einer Stirling-Heißgasmaschine vom Typ Alfa realisieren konnte. Ab 1870 verkaufte er rund 80.000 Maschinen.
Die praktische Verwendung von Heißluftmotoren war weitgehend auf Anwendungen mit geringem Leistungsbedarf beschränkt. Anfang des 20. Jahrhunderts sind weltweit ca. 250.000 Stirlingmotoren im Einsatz, zum Beispiel als Antrieb für Wasserpumpen und Kleingeräte. Ab den 1920er Jahren verbreiten sich Otto-, Diesel- und Elektromotoren immer weiter und verdrängen diese historischen Stirlingmotoren zunehmend vom Markt.
MItte des 20. Jahrhunderts wurden von verschiedener Seite neue Anläufe unternommen, den Stirlingmotor weiter zu entwickeln. Heutzutage wird er vor allem in BHKW, als Stromerzeuger in privaten Haushalten, in der Raumfahrt und als aussenluftunabhängiger Antrieb für U-Boote verwendet.
Die Franchot-Heißluftmaschine hat
zwei doppeltwirkende Zylinder
auf einer Kurbelwelle
1860
1860
1860
Die offene Maschine nutzte die expandierte
Luft, um das Feuer zu nähren
Bis 1878 wurden 1.300 Exemplare in Lizenz gebaut
1869
Kalter und heisser Bereich sind strikt voneinander getrennt
1875
Dieser Heißluftmotor aus England verwendet
den Verdränger als Regenerator.
Heat2Power-Engine im Effizienzvergleich
| Wirkungsgrade vorhandener Anlagen: | ||||
|
Tmax [K] |
Tmin [K] |
ηCarnot | ηeff | |
| Verbrennungsmotoren | 2775 | 1275 | 0.54 | 0.36 |
| Klassische Stirlingmaschine | 800 | 400 | 0.5 | 0.25 |
|
Gas Turbine ("Micro Turbine") |
1775 | 975 | 0.45 | 0.3 |
|
HD-Dampf-Turbine |
600 | 400 | 0.60 | 0.45 |
| Berechnete Wirkungsgrade der Heat2Power-Engine: | ||||
|
Tmax [K] |
Tmin [K] |
ηCarnot | ηeff | |
| Beispiel 1 | 800 | 400 | 0.5 | 0.3 ....0.4 |
| Beispiel 2 | 800 | 350 | 0.56 | 0.34 ...0.45 |
| Beispiel 3 | 850 | 400 | 0.53 | 0.32 ...0.45 |
| Beispiel 4 | 850 | 350 | 0.59 | 0.35 ...0.5 |
| Beispiel 5 | 850 | 280 | 0.67 | 0.53 ... 0.57 |
| Beispiel 6 | 900 | 400 | 0.56 | 0.33 ...0.47 |
| Beispiel 7 | 900 | 350 | 0.61 | 0.37 ...0.52 |
| Beispiel 8 | 950 | 400 | 0.58 | 0.35 ...0.49 |
| Beispiel 9 | 950 | 350 | 0.63 | 0.38 ...0.54 |
| Beispiel 10 | 1000 | 350 | 0.65 | 0.5 ... 0.55 |
| Beispiel 11 | 1100 | 350 | 0.68 | 0.55 ... 0.58 |
| Beispiel 12 | 1100 | 280 | 0.75 | 0.60 ... 0.64 |
|
1=Heat2Power-Engine, 2=Verbrennungsmotor, 3=Gasmotor, 4=Mikrogasturbine, 5=Gasturbine |
Mehr technische Details: Erläuterungen zum Wirkungsgrad
Der Carnot-Wirkungsgrad definiert die theoretische Obergrenze für die Umwandlung von Wärme in Arbeit:
ηCarnot = 1 − Tmin / Tmax.
Der effektive Wirkungsgrad (ηeff) liegt darunter, da reale Maschinen unvermeidbare Verluste aufweisen: Reibung, Wärmeabstrahlung, Abgasverluste, Strömungsverluste und begrenzte Regenerator-Effizienz.
Klassische Stirlingmotoren erreichen typischerweise nur etwa 50 % ihres Carnot-Wertes. Die Heat2Power-Engine ist auf einen Gütegrad von 75–85 % ausgelegt und kann so deutlich höhere Wirkungsgrade erzielen.
Die Prinzipien moderner Heat-to-Power-Konzepte
„Man muss die Dinge so einfach wie möglich machen. Aber nicht noch einfacher.“ (A. Einstein)
Die thermodynamischen Prinzipien des Stirlingmotors bilden die Basis, doch moderne Heat-to-Power-Konzepte führen sie konsequent weiter. Durch einfache Mechanik, optimierte Apparatur und adiabatische Prozessführung entsteht die Heat2Power-Engine, die höhere Wirkungsgrade, geringere Verluste und flexible Einsatzmöglichkeiten erschließt.
Der Stirlingmotor bleibt als Begriff präsent; die Heat2Power-Engine greift seine thermodynamischen Prinzipien auf,
führt sie konsequent weiter und überwindet die bekannten Grenzen.
Dieses Thema bildet den Kern dieser Webseite und wird auf den folgenden Seiten im Detail erläutert – von den Grundlagen der klassischen Technologie bis hin zu den spezifischen technischen Innovationen.
Die klassische Stirlingmotor-Technologie bildet den Ausgangspunkt, an dem die Heat2Power-Engine ansetzt und ihre Weiterentwicklungen verständlich werden.