Berichte aus Energie- und Umweltforschung 4/1997
Stirling-Heizkraftwerk Phase II

Die Ziele des gegenständlichen Projektes "Stirling-Heizkraftwerk", Phase II, waren die Konstruktion, der Bau und der Test eines Stirlingmotors für den Einsatz bei Biomassefeuerungen zur Stromerzeugung. Die Bauart nach dem a-Typ-Stirlingmotor wurde gewählt, weil damit für kostenbestimmende Teile des Motors Serienprodukte verwendet werden konnten.

Diese Grundidee kann auch im größeren Leistungsbereich, in dem Anwendungen am wahrscheinlichsten erscheinen, realisiert werden. Für den Versuchsmotor wurde ein KFZ-Kurbelgehäuse mit Kurbeltrieb ausgewählt. Die spezifische Stirlingmotorkomponenten, d. s. der Erhitzer, der Motorkühler, der Regenerator, die Zylinder, die Kolben mit den Kolbendichtungen und die Kolbenstangen sowie die wassergekühlten Stangendichtungen wurden neu entwickelt.

Der Versuchsmotor wurde in eine vorhandene Holzhackgutfeuerung mit einer Brennstoffwärmeleistung von ca. 50 kW integriert. Eine automatische Messwerterfassungsanlage ermöglichte die Aufzeichnung von Datenreihen zur Analyse des Stirlingprozesses. Der Stirlingmotor sollte bei 1.500 Upm und 40 bar Ladedruck mit dem Arbeitsgas Luft (Stickstoff) ca. 4 kW bei einem Wirkungsgrad von 21 % erreichen. Bei 21 bar Ladedruck und 600 Upm wurden 2,6 kW Wellenleistung bei einem Wirkungsgrad von 23 % festgestellt. Als maximale Wellenleistung wurde innerhalb der Projektlaufzeit 2,9 kW bei 28 bar Ladedruck gemessen. Bezogen auf das Hubvolumen des Arbeitskolbens bedeutet das eine spezifische Stirlingmotorleistung von 3,45 kW/liter. Durch Steigerung des Ladedruckes bis zum Auslegungspunkt (40 bar) könnten ca. 3,5 kW Wellenleistung (spezifische Stirlingmotorleistung von 4,2 kW/liter) erreicht werden. Innerhalb der Projektlaufzeit war der Stirlingmotor insgesamt ca. 100 Stunden in Betrieb.

Die Ziele des Forschungsprojektes wurden erreicht. Verbesserungspotentiale, die einerseits Leistungssteigerungen ermöglichen, andererseits die Betriebssicherheit erhöhen, wurden identifiziert. Es wird daher vorgeschlagen, unmittelbar nach Abschluss der Projektphase II mit der Phase Il zu beginnen, um die erforderlichen Partnerschaften für den Bau und die Anwendung der Stirling-Heizkraftwerktechnik bei Biomassefeuerungen zu schließen und Anlagen mit elektrischen Leistungen von 30 bis 100 kW möglichst rasch in der Praxis einsetzen zu können.