Fachhochschule München

Christoph Müller

Der Stirlingmotor für den dezentralen stationären Energieeinsatz

Diplomarbeit
Aus dem Fachbereich Feinwerktechnik
bei Herrn Dr. Anselm Vogel

WS 1980/1981
SS 1981

Abgabetermin: 30.09.1981

Vorwort

Seit der ersten Ölkrise im Jahr 1976 versucht die Bundesrepublik Deutschland ihren Erdölverbrauch drastisch zu verringern. Die tatsächlichen Erfolge bei diesem Vorhaben stellen sich bislang als recht bescheiden heraus. Ein Grund dafür dürfte wohl in dem ständig wachsenden Energiebedarf liegen, auf dem scheinbar unsere gesamte Wirtschaft aufgebaut ist. Damit sind volkswirtschaftlicher Erfolg und Beschäftigungslage eng mit dem unklaren Energieangebot verknüpft. Auf einen kurzen Nenner gebracht läßt sich sagen: ,,Je weniger Energie zur Verfügung steht, umso mehr Arbeitslose werden wir zu beklagen haben und umso steiler wird die Inflation anwachsen."

Genau betrachtet haben wir mehr Erdöl und sonstige Energieformen zur ,,Verfügung" als wir tatsächlich bräuchten. Diese ,,verfügbare" Energie ist leider sehr oft deshalb nicht zu gebrauchen, weil sie in Form von Wärme die niedrigste Form der Energie überhaupt darstellt; vor allem dann, wenn sie als Niedertemperaturwärme anfällt, wie z.B. in Wärmekraftwerken.

Soll diese Energie genutzt werden, die immerhin 60 bis 70 Prozent der Primärenergie eines Kraftwerks ausmacht, so sind teure Fernwärmenetze zu errichten. Da ein einziger Anschluß ohne weiteres DM 20.000,- kosten kann, ist ein solcher Wärmeverbund nur in sehr dicht besiedelten Wohngegenden, am besten mit Hochhäusern, wirtschaftlich zu realisieren. Für Flächensiedlungen scheidet daher die Nutzung der Abwärme aus.

Erste Versuche, aus diesem Dilemma herauszukommen, fördert derzeit das Bundesministerium für Forschung und Technologie. Bei diesen Versuchen handelt es sich um sog. Blockheizkraftwerke von nur einigen hundert Kilowatt elektrischer Leistung, die überwiegend von Dieselmotoren oder kleinen Dampfturbinen angetrieben werden. Der Treibstoff ist in der Regel Erdgas oder leichtes Heizöl. Bei diesen kleinen Kraftwerken entspricht der Wirkungsgrad etwa dem der Großkraftwerke. Die Abwärme kann allerdings besser genutzt werden, weil die Wärmeleitungsnetze wesentlich kürzer und damit billiger sind. Wegen der kleinen Dimensionen kann ein solcher Block mitten in ein Wohngebiet gebaut werden, was zudem die Standortsuche vereinfacht. Mit dieser Form der Stromerzeugung lassen sich aber wiederum nur kleine, dichtbesiedelte Wohngegenden mit Abwärme beheizen. Ein paar Straßen weiter würden die Warmwasserrohre wieder zu lange und müßten relativ große Wärmeverluste an den Boden abgeben.

Die nächste Stufe der Dezentralisierung von Stromerzeugern wird praktisch nicht gefördert. Die Rede ist von Kraft-Wärme-Kopplung oder Kraftheizungen. Hierbei handelt es sich um kleinste Kraftwerke im zehn-Kilowatt-Bereich. Mit ihrer Abwärme sind sie immerhin in der Lage, ein schlecht isoliertes Einfamilienhaus gut durch den Winter zu bringen und mit dem gleichen Wirkungsgrad wie Großkraftwerke Strom zu erzeugen. Teure Fernwärmeleitungen sind nicht mehr nötig. Der so erzeugte Strom darf nicht in das Öffentliche Stromnetz eingespeist werden, da es in keinem Gesetz vorgesehen ist, weil die Leistungen zu gering sind (industrielle Stromerzeuger dürfen einspeisen). Seit 1.4.80 ist es übrigens erlaubt, sich seinen eigenen Strom selbst zu erzeugen, wenn er nicht eingespeist wird.

Eine solche Kraftheizung kostet derzeit weniger als eine nachträgliche Hausisolierung. Die Gasrechnung würde um ca. 33 Prozent steigen. Könnte der Strom verkauft werden (10 kW werden in Wohnhäusern nur selten benötigt), so könnten die 33 Prozent zusätzlichen Gaskosten mit Sicherheit bezahlt werden. Die effektive Ersparnis wäre für diesen Haushalt wohl genauso groß wie auch eine teure und umständliche Hausisolierung. Für die Allgemeinheit wäre eine solche Anlage ebenfalls sinnvoll, weil der privat erzeugte Strom nicht mehr von den Großkraftwerken geliefert werden müßte. D.h. sie müßten weniger Primärenergie einsetzen und der Privathaushalt muß nicht, wie jetzt üblich, zusätzlich noch einmal Feuer für seine Heizung machen. Als Nebeneffekt würde auch die Atmosphäre weniger durch Verbrennungsgase und die Flüsse weniger durch Abwärme belastet.

Nach den verfügbaren Informationen bietet lediglich die Firma Fiat eine solche Kraftheizung (Totem) zum Verkauf an. Dass es sich dabei aber nur um ein Provisorium handelt, läßt sich unschwer erkennen, wenn man die technischen Daten kennt. Dieses Totem setzt sehr viel Wartungsarbeiten (Kerzenwechsel, Keilriemenwechsel, Ventilspiel usw.) voraus, und die Antriebstechnik ist nach ca. 10.000 Betriebsstunden nicht mehr zu gebrauchen. Außerdem sollte aus abgastechnischen Gründen der Motor mit viel Luftüberschuß betrieben werden, was den Wirkungsgrad herabsetzt. So wird aus einer guten Idee ein großes technische Problem, das sich aber durch den Einsatz eines Stirlingmotors leicht beherrschen lassen müßte. Dies zu verdeutlichen ist die Aufgabe der folgenden Ingenieurarbeit.

Ingolstadt, 18. Oktober 1980
Christoph Müller