Die Smart Conversion GmbH entwickelt eine neue Form des Stirlingmotors. Diese Erfindung hat potenziell einen grossen Einfluss auf die Energiewende. Erfahren Sie mehr zum Stirlingmotor im Powernewz Interview mit den Firmengründern Daniel Bertschi und Jörg Mafli.

Am 2. Februar 1995 lief das schwedische U-Boot Gotland, als Namensgeberin einer drei Boote umfassenden Klasse, vom Stapel. Zusammen mit der Uppland und der Halland zählt die Gotland zu den modernsten Allzweckunterseebooten der schwedischen Marine und der heutigen Zeit überhaupt. Betrieben wird das Boot von zwei dieselelektrischen Stirlingmotoren. Diese Ausstattung ist ungewöhnlich. Der Stirlingmotor ist heute selten und in der öffentlichen Wahrnehmung weitgehend in Vergessenheit geraten. Im Bereich des U-Boot-Baus macht die Ausstattung mit einem solchen aber durchaus Sinn. Denn hier kommt einer seiner zentralen Vorteile besonders zum Tragen. Der Stirlingmotor ist leise. Für U-Boote ist das wichtig.

Lange Zeit stand der Stirlingmotor im Schatten des Verbrennungsmotors und führte ein Nischendasein. In der jüngeren Vergangenheit wurde ihm wieder mehr Aufmerksamkeit zu Teil. Das hat seine spezifischen Gründe. Eine vielversprechende Weiterentwicklung des Prinzips stellt der „Deltatube“ der Smart Conversion GmbH aus dem luzernischen Gelfingen dar. Daniel Bertschi, Geschäftsführer des Unternehmens, meint dazu: „Unsere Deltakonfiguration stellt sowohl von der Technik als auch von der Bauform einen ganz neuen Ansatz des Stirlingmotors dar. Nebst anderen Anwendungsmöglichkeiten ist es uns damit auch möglich sehr tiefe Abwärmetemperaturen nutzbar zu machen.“

Zweitälteste Wärmekraftmaschine der Welt

Robert Stirling Portät

Der Erfinder: Robert Stirling

Das Prinzip des Stirlingmotors ist alt. Genau genommen gilt der Stirlingmotor, nach der Dampfmaschine, als die zweitälteste Wärmekraftmaschine der Welt. Ersonnen wurde diese vom presbyterianischen Geistlichen Robert Stirling zu Beginn des 19. Jahrhunderts. Am 16. November 1816 erlangte er für seinen „Heat Ecconomiser“, unter der Nummer 4081, erstmals ein Patent in Schottland und Grossbritannien. Den Hintergrund der Entwicklung des Stirlingmotors bildeten verschiedene Unfälle mit Dampfmaschinen, die, bereits zu Lebzeiten von Stirling, zahlreiche Menschenleben gefordert hatten. Stirling wollte hier einen anderen Weg beschreiten und eine Alternative anbieten. Anders als bei Watt, der Dampf zur Speicherung und Freigabe von Energie in seiner Maschine verwendete, bildete die Kernidee von Stirlings Erfindung, Energie, durch die Zirkulation von Luft, zu speichern und abzugeben.

In den folgenden Jahren war dem Stirlingmotor durchaus Erfolg beschieden. Zu Ende des 19. Jahrhunderts

Patent Stirlingmotor

Patentzeichnung von Stirlings Heat Ecconomiser

war er als „Heissluftmaschine“ des deutschen Industriellen Louis Heinrici in vielen Haushalten des Bürgertums anzutreffen und bildete die dortige Energiequelle. Ein weiterer Höhepunkt des Stirlingmotors ist eng mit dem niederländischen Technologieunternehmen Philips verbunden. Ab den 30er Jahren des 20. Jahrhunderts stellte Philips in grosser Zahl Radios mit Stirlingmotoren her, die für Gegenden ohne Versorgung mit elektrischer Energie gedacht waren. In den 50er Jahren entwickelte das Unternehmen einen 200 kg schweren Stirling mit einer Leistung von 40 PS und einem Wirkungsgrad von 38%. Für seine Philips-Stirlings vergab das Unternehmen damals zahlreiche Lizenzen in alle Welt. Versuche in der Folge das Prinzip als Schiffs- oder Autoantrieb zu etablieren blieben Einzelfälle. Otto- und Dieselmotor hatten hier das Rennen bereits gemacht. Bis auf einige wenige spezifische Anwendungsbereiche wurde es um den Stirlingmotor schon bald wieder ruhiger.

Gleiches Prinzip – Verschiedene Konfigurationen

Der Stirlingmotor ist vom Prinzip her eine Wärmekraftmaschine, die nach dem Prinzip des geschlossenen Kreisprozesses arbeitet. „Je nachdem welcher Bereich des Motors genutzt wird, kann er sowohl als Wärmepupe, als auch als Kältemaschine eingesetzt werden“ so Bertschi. „In einem abgeschlossenen System wird beim Stirlingmotor ein Arbeitsmedium (Luft, Helium, Wasserstoff, etc.) in zwei verschiedenen, mit einander verbundenen Zylindern erhitzt und gekühlt und über einen Arbeits- und einen Verdrängerkolben, zwischen einem permanent heissen und einem permanent kalten Bereichen in Bewegung gehalten. Die Ausdehnung und das Zusammenziehen des Gases bei diesem Prozess macht dies möglich.“ Mittels Übertragung der Bewegung auf ein Schwungrad entsteht eine mechanische Kraft, die für weitere Zwecke, beispielsweise zur Produktion von Strom, verwendet werden kann.

Man unterscheidet zwischen drei Konfigurationen des Stirlingmotors, die nach dem gleichen Grundprinzip arbeiten, aber unterschiedliche Bauarten aufweisen. Der Alpha-, der Beta- und dem Gamma-Konfiguration.

Alpha-Konfiguration des Stirlingmotors

Bei der Alpha-Konfiguration werden zwei Kolben in separaten Zylindern untergebracht. Um 90 Grad versetzt, wirken diese auf eine Kurbelwelle und verrichten so entweder Arbeit oder verdrängen und verdichten das Gas. Die Verbindung der beiden Zylinder bildet ein Regenerator, der auf dem Weg des Gases vom warmen in den kalten Bereich einen Teil der Wärmeenergie aufnimmt und später wieder abgibt. Das erhöht den Wirkungsgrad des Motors. Bei der Beta-Konfiguration sind beide Kolben in einem Zylinder verbaut und hinter einander angeordnet. Der Arbeitskolben bewegt sich dabei immer in der kalten Zone und der Verdrängerkolben in der heissen. Die Gamma-Konfiguration verfügt über einen grossen Verdrängerzylinder mit einer heissen und einer kalten Seite und einen kleinen Arbeitszylinder.

Mit jeder Wärmequelle betreibbar aber nur schwer zu steuern

Der Stirlingmotor weist, im Vergleich zum konventionellen Verbrennungsmotor, zahlreiche Vorteile auf. Einer der zentralen ist seine Vielstoffakzeptanz im Hinblick auf die für seinen Betrieb notwendige Wärmezufuhr. Unterschiedlichste Wärmequellen lassen sich dafür grundsätzlich nutzen. Ein anderer Vorteil ist seine Langlebigkeit. Bedingt durch die Abgeschlossenheit des Systems gelangen keine Fremdstoffe oder Verschmutzungen in den Motor und es werden für dessen Betrieb auch kaum Schmierstoffe gebraucht. Darüber hinaus lassen sich die Abnutzungen der Einzelteile des Stirlings auf ein Minimum reduzieren. Im Vergleich zum Verbrennungsmotor ist der Stirlingmotor relativ leise, da er ohne die konstanten Explosionen des Verbrennungsmotors auskommt.

Stirlingmotoren haben aber auch Nachteile. So ist beispielsweise deren Wirkungsgrad direkt abhängig vom Wirkungsgrad der jeweiligen Wärmeüberträger. Je grösser diese sind, desto besser fällt der Wirkungsgrad des Stirlings aus. Das macht das System schwer und auch teuer. Zudem muss es für eine Verbesserung der Leistung möglichst hohen Druck aushalten, was mit entsprechenden Anforderungen an die verwendeten Materialien verbunden ist. Stirlingmotoren sind in der Regel auch nicht sofort einsatzbereit und lassen sich, wegen ihrer mechanischen Kopplung, nur unter sehr grossem Aufwand steuern. Daher werden sie in der Regel statisch eingesetzt.

Zur nächsten Generation des Stirlingmotors

Prototyp der smart conversion

Prototyp der smart conversion GmbH

Das Prinzip des Stirlingmotors war Jörg Mafli schon länger bekannt. Seine Stärken und Schwächen ebenfalls. Im Grundsatz existierte beim Kältetechniker schon länger die Absicht das System zu optimieren und einen leistungsfähigeren Stirling zu entwickeln. „Die einzelnen Prozessabläufe im Motor interessieren mich besonders. Vor allem auch die Möglichkeit mit einer beliebigen Wärmequelle kühlen zu können. Auch für den Bereich der Abwärmenutzung eröffnen sich durch unseren Stirling ganz neue Perspektiven. Bis heute gibt es hier noch keinen grossen Markt, weil man technisch noch nicht so weit ist.“ Eines Tages erzählte Mafli, während eines Vereinsanlasses, Bertschi von der Idee. Davon „angesteckt“ beschloss man das Ziel fortan gemeinsam zu verfolgen.

Ende 2016 wurde es konkreter. „Im Rahmen eines Industrieprojekts mit der Hochschule Luzern, das bis Sommer 2017 dauerte, konnten wir belegen, dass unsere Konfiguration des Stirlings rechnerisch funktioniert und auch plausibel ist“ meint Mafli. Parallel dazu erfolgten Anfang 2017 die Gründung der Smart Conversion GmbH als Trägerin für die neue Entwicklung und die ersten Patentanmeldungen. Unbemerkt blieb der neue Stirling nicht lange. Bereits im Sommer letzten Jahres gewann das Unternehmen, in der Kategorie „Jungunternehmer“ den mit 10‘000 Franken dotierten Schweizerischen Umweltpreis der Schweizerischen Umweltstiftung für ihre Erfindung.

Seit damals ist einiges gegangen und der „Deltatube“ wird immer konkreter. „Aktuell sind wir daran ein standardisiertes Produkt zu entwickeln, das skalierbar ist und streben dafür weitere Kooperationen an. Demnächst möchten wir einen entsprechenden Demonstrator fertigstellen.“ Ab 2020 rechnen Bertschi und Mafli damit, dass der neue Stirlingmotor auf den Markt kommen könnte.

 Der „Deltatube“ – Die vierte Konfiguration

smart conversion team

smart conversion GmbH Team

Bei den technischen Details zu ihrem „Deltatube“ ist man in Gelfingen noch zurückhaltend. Von der Konstruktion her ist er am ehesten mit der Beta-Konfiguration verwandt. „Die rasanten technischen Fortschritte in den vergangenen fünf Jahren in verschiedensten Bereichen haben uns hier ganz neue Perspektiven eröffnet“, so Mafli.

Anders als bei einer üblichen Beta-Konfiguration besteht der „Deltatube“ aus je zwei Arbeits- und Verdrängerkolben, die in einem Zylinder untergebracht und ohne mechanische Verbindungen auskommen. Darin zirkuliert das Arbeitsgas. In der Mitte des Stirlings befindet sich ein Linearmotor. „Durch die Doppelwirkung können wir bis zu 10 Mal mehr Druck, gegen 200 Bar, im System fahren und den Wirkungsgrad des Motors damit erheblich verbessern. Damit erreichen wir eine Leistung von 500 bis 1500 Watt. Das ermöglicht es uns immer mehr in den Bereich des Synchromotors vorzustossen.“ Vor allem auch für Wärmequellen mit tieferen Temperaturen, wie beispielsweise warmes Wasser, oder Abwärme als Antrieb des Motors ist dieser Ansatz vielversprechend. Gleichzeitig ermöglicht die komplett elektronische Steuerung der Delta-Konfiguration die Regulierbarkeit des Motors und bildet die Grundlage für die Skalierbarkeit desselben. „Das Arbeitsgas im System wird mit der Umkehrung des Arbeitsprozesses durch die elektrische Ansteuerung des Arbeitskolbens verdichtet und expandiert und kommt dabei ohne die sonst übliche, mechanische Kopplung aus.“ Zunächst war der „Deltatube“ als Zusatzmodul für Heizungen gedacht, das möglichst einfach angeschlossen werden kann und hier Strom produziert. Mittlerweile sind für Bertschi und Mafli aber auch weitere Anwendungsmöglichkeiten in den Fokus gerückt. Das hat seine Gründe.

Anwendung in der Kühltechnologie im Fokus

Stirlingmotoren eignen sich für unterschiedlichste Zwecke. „Einerseits können sie als Wärmepumpen verwendet werden, andererseits aber auch als Kühlgerät oder als Wärmekraftkopplung. Im besonderen Fall theoretisch sogar als Motor für Fahrzeuge.“ Entsprechende Versuche von GM, MAN, Ford und Renault mit Hybridmotoren kamen in der Vergangenheit aber nie über das Versuchsstadium hinaus. Das hängt einerseits stark mit seinen spezifischen Eigenschaften und der Konkurrenzfähigkeit des Systems zusammen, aber auch mit aktuellen Marktgegebenheiten. Gegenwärtig steht bei der Smart Conversion GmbH die Anwendung ihres Delta-Stirlings als Kühlgerät im Vordergrund. Bertschi und Mafli sehen hier zurzeit das grösste Marktpotential für ihren Motor. „Anders als bei einem Einfamilienhaus, wo die Amortisation des Stirlings wegen seiner jeweils kurzen Laufdauer etwas länger vonstattengeht, kommen uns die gegenwärtig tiefen Strompreise bei der Genese von Kälte entgegen. Damit kann möglichst viel Leistung günstig generiert werden.“ Besonders attraktiv gestalten sich hier Anwendungsmöglichkeiten für grössere Unternehmen, wo viel Kälte benötigt wird und auch entsprechende Abwärmequantitäten anfallen. Als Beispiel dafür nennt Bertschi die Pharma- und die Industriebranche. Aber auch Supermärkte wären denkbare Anwendungsmöglichkeiten für den Deltastirling. „Unser Ziel ist es noch in diesem Jahr mit potentiellen Kunden in Kontakt zu kommen und die Weiterentwicklung des Smart Stirling auf deren spezifische Bedürfnisse abzustimmen“ so Bertschi in diesem Zusammenhang.

Stirlingmotor und Energiewende  

Immer wieder wird dem Stirlingmotor nachgesagt, dass er der Motor der Zukunft ist. Das könnte durchaus zutreffen. Tatsächlich hat seine Bedeutung bereits seit den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts, mit dem Auftreten von Blockheizkraftwerken (BHKW) und der Wärme-Kraft-Kopplung (WKK), tendenziell wieder zugenommen. Diese Entwicklung dürfte auch künftig anhalten. Gewichtige Gründe sprechen dafür, dass der Stirlingmotor im Rahmen der Energiewende eine wichtige Rolle spielen könnte. Das Schlüsselwort in diesem Zusammenhang heisst Vielstoffakzeptanz. Da sich der Stirlingmotor prinzipiell mit jeder beliebigen Wärmequelle betreiben lässt, würde er sich zur Stromgewinnung aus der Photovoltaik, der Geothermie oder aus nachwachsenden organischen Brennstoffen gut eignen. Abhängig davon, welcher Brennstoff für den Betrieb verwendet wird, könnte der er dann sogar eine CO2-neutrale Energiebilanz aufweisen. Konstruktionsbedingt eignet sich der Stirlingmotor in seiner heutigen Form nach wie vor am besten für statische Anwendungen. Er stellt einen von vielen wichtigen Teilbereichen dar, die die Energiewende vorantreiben können. Und einen mit einem erheblichen Potential für die Zukunft. Weiterentwicklungen und Verbesserungen des Prinzips werden in diesem Zusammenhang die zentrale Rolle spielen. Die Smart Conversion GmbH hat diesen Weg bereits beschritten.

Remo Boretti