Begleitet vom wachsenden CO2- Problem drängt uns die Sorge um die zukünftige Energieversorgung zur Hinterfragung unseres Lebensstils.
Karrierenfördernd haben Politiker es verstanden, Sympathien zu ernten, indem sie dem ökologischen Problem durch billige Scheinlösungen entgegenwirken wollen: Linke "Weltretter" vertreten die These, der Staat solle dies und jenes tun, hauptsache der einzelne Bürger hat genau so wenig zu sagen wie zu denken, während Konservative den Lösungsansatz bevorzugen, andere Staaten seien Schuld daran und diese müssen sich darum kümmern.
Da unsere rote Medienlandschaft in der Debatte zwischen diesen beiden Fronten keinen Raum für interessierte, verantwortungsbewusste und selbst handelnde Menschen bieten, ist es angebracht, deren Standpunkt hier zu vertreten.
So lässt man die Frage in den Vordergrund rücken, wie der normale Haushalt, der eigene Produktionsbetrieb, das Büro und der einzelne Landwirtschaftsbetrieb die Energie effizienter nutzen können. Genau so wie sich der Bedarf an fossilen Energieträgern stark reduzieren lässt, wenn man Oelheizungen durch Sonnenkollektoren ersetzt, steckt in zuverlässig funktionierenden Stirling-Motoren ein enormes Energiespar- Potential.
Funktionsprinzip eines Stirling- Motors:
Die Dampfmaschine von I. Newton aus dem 18. Jahrhundert sicherte England einst die unantastbare Weltmacht. Ihr Funktionsprinzip bestand darin, ein thermisches Potential in eine mechanische Leistung umzuwandeln. Durch die Expansion von Wasser bei Wärmezufuhr ermöglicht das "delta_T" (Temperaturdifferenz zwischen innen und aussen des Systems) eine Verschiebung des Kolbens. Nach der Expansion wird der Dampf wieder herausgelassen und das Schwungrad lässt den Prozess wieder von vorne beginnen. So wird die fortlaufende Bewegung aufgebaut. Der Wirkungsgrad hält sich allerdings stark in Grenzen, weil die thermodynamische Leistung zur Hälfte des Prozesses nicht genutzt wird und die Wärme im abgelassenen Dampf aus dem System verloren geht.
Diese Tatsache brachte Robert Stirling aus Schottland im Jahre 1816 auf die Idee, den ganzen Prozess in einem geschlossenen System durchlaufen zu lassen. Er erfand eine Wärmekraftmaschine, in der ein Gas bei hoher Temperatur Entropie aufnimmt und bei tiefer Temperatur wieder abgibt.
Grundsätzlich funktioniert ein solcher Stirling- Motor mit zwei gekoppelten Zylindern: Der eine bildet das Wärme- der andere das Kältebad. Zu erst wird im Wärmebad (Heizkessel) ein Gas erhitzt, was dort eine Volumenausdehnung bewirkt. Der Kolben im Kältebad verdrängt das Gas zuerst richtung Heizkessel. Nach halber Expansion des Heizkessels wird es vom Kältebad wieder angesaugt, bis dieser seine volle Grösse erreicht hat (zu diesem Zeitpunkt hat das Kältebad sein halbes Volumen erreicht). Danach wird das Gas im Heizkessel wieder komprimiert, der Gasdurchfluss ist blockiert und die konstante Gasmenge expandiert im Kältebad auf das maximale Volumen, womit dort eine Abkühlung erzeugt wird. Zwischen den beiden Zylindern befindet sich ein Regenerator mit einem Wärmetauscher, der diese "Kältemenge" aufnimmt und dem Heizkessel zuführt, was die Rückverschiebung dieses Kolbens erleichtert (isotherme Kompression). Das abgekühlte komprimierte Gas im Heizkessel erreicht somit sein Minimum an Volumen, das Kältebad hat dann wieder sein anfänglich halbes Volumen und der Prozess beginnt von vorne. So ist dieser Kreisprozess um einiges effizienter als sämtliche andere Wärmekraft- Maschinen.
die vier Stirling- Kreisprozesse:
Der Stirling- Motor arbeitet mit isothermen und isochoren Prozessen. Isotherm bedeutet, dass die Temperatur konstant bleibt und isochor bedeutet die Konstanthaltung des Volumens.
1. isotherme Expansion im Heizkessel
2. isochore Abkühlung im Regenerator
3. isotherme Kompression
4. isochore Erwärmung
Könnte man in Zukunft für die Stromproduktion solche Stirling- Motoren einsetzen, liesse sich der fossile Energieverbrauch ohne zusätzliche Einsparungen signifikant senken. Der Grund, wieso in den letzten knapp 200 Jahren gerade mal ein paar hundert solche Objekte realisiert wurden lässt sich mit Komplikationen der Materialeigenschaften erklären. Die Kolben und die Wände der Zylinder erreichen nicht so schnell eine ausreichende Temperaturänderung wie das Gas. Es ist deshalb kaum möglich, ein zuverlässig arbeitender Stirling-Motor zu bauen, der den idealen Prozess einwandfrei durchläuft. Die versuchsweise realisierten Motoren fallen durch ihre häufige Leistungsaussetzungen auf, womit ein solches Produkt noch nicht vermarktungstauglich ist. Der Stirling- Motor ist jedoch ein interessanter Ansatz, thermodynamische Gesetze in ein realistisches Projekt umzusetzen.
Quellen:
- Thermodynamik Systemdesign: Vorlesungen Prof. Maurer/ website: systemdesign.ch
- Berechnung Kurve: Modellierunsprogramm "Berkeley Madonna"
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