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Autarke Stromversorgung: die Renaissance des Stirling-Motors

Kraftwerk-1 in Autarke Stromversorgung: die Renaissance des Stirling-Motors

Das Kraftwerk vor dem Verlagsgebäude (Quelle: krick Verlag).

Mittlerweile weiß es jedes Kind: Die Sonne ist unser effektivster Energieträger. Allein durch Sonnenenergie ließe sich die Menschheit mit der nötigen Energie versorgen. In Deutschland blinken bereits auf vielen Dächern die spiegelnden Kollektoren, doch leider ist die Ausbeute in unseren schattigen Breiten oft enttäuschend. Solarthermie hingegen erfordert zudem viel Know-How und verursacht hohe Kosten. Eine einfachere Lösung erwartet man vom Dish-Stirling-Kraftwerk.

Ein riesiger, blausilbern schimmernder Parabolspiegel überragt das Bürogebäude des Krick-Verlags in Eibelstadt bei Würzburg. Die überdimensional große Satellitenschüssel zieht die Blicke auf sich. Leise surrend dreht eine Nachführeinrichtung den 57 m² großen Spiegel der Sonne nach, um die Sonnenstrahlen zu bündeln.  „Eltern haften für Ihre Kinder“ steht auf mehreren Schildern an dem Stahlgerüst. „Als wir dieses Kraftwerk im Rahmen unseres Neubaus aufstellten, dachten viele Radler am Main, dass es sich um ein Klettergerüst für Kinder handle. So ein Kraftwerk ist den meisten Leuten noch vollkommen unbekannt, daher wurde es zum Ausflugsziel“, erzählt Klaus D. Mapara, der Chef des Verlages.

Die futuristische Konstruktion ist das bislang einzige kommerziell betriebene Kraftwerk dieser Art in Deutschland. Nur auf dem Gelände der Universität Stuttgart steht ein weiteres, das jedoch kleiner ist und nur zu Forschungszwecken genutzt wird. Das Prinzip klingt einfach: Der Parabolkonzentrator bündelt die einfallenden Sonnenstrahlen und konzentriert sie exakt auf dem Brennpunkt des Spiegels, in dem der solare Wärmetauscher und ein sogenannter Stirlingmotor fixiert sind. Der Wärmetauscher absorbiert die Solarstrahlung und heizt ein Gas, meistens Helium oder Wasserstoff, in diesem Stirlingmotor auf. Die gesammelte Wärme treibt den Motor an. An die Kurbelwelle ist ein Generator gekoppelt, der die Rotationsenergie in elektrischen Strom umwandelt.

Der Stirlingmotor  – eine vergessene Technik

„Im Rahmen des Neubaus wollten wir unser Gebäude möglichst energiesparend bauen und an möglichst vielen Stellen mit erneuerbaren Energien unsere Energiebilanz verbessern“, so Mapara. „Über unseren Architekten haben wir eine Firma in der Schweiz gefunden, die dieses Kraftwerk gebaut hat.“ Kurz nach dem Bau musste die Firma Insolvenz anmelden. Die Konstruktion des  Stirlingmotor war aber noch nicht ausgereift. Deshalb stand die Anlage stand mehr als ein halbes Jahr still.

Dabei ist die Technik des Stirlingmotors fast 200 Jahre alt und bewährt.  Robert Stirling, von Beruf Pfarrer,  wollte eine Alternative zur gefährlichen Dampfmaschine schaffen. Seine Erfindung sollte effizient, aber mit niedrigem Druck arbeiten und damit die Explosionsgefahr minimieren. Durch explodierende Dampfmaschinen wurden damals vor allem in Bergwerken viele Menschen verletzt, verbrüht oder getötet. Stirling konnte seine eigenen Vorgaben erfüllen. Seine Motoren wurden bis Anfang des 21. Jahrhunderts oft in Kleingeräten eingesetzt. Doch die Elektrifizierung verdrängte sie. Nur wenige Stirlingmotoren wurden danach noch gebaut. Die Technik geriet in Vergessenheit. Erst in neuerer Zeit versucht man, diese Idee wieder zu nutzen.

Aus Sonne wird Bewegung

Bei einem Stirlingmotor wird Gas in zwei Zylindern auf bis zu 900°C erwärmt und wieder abgekühlt. Durch die Expansion des Gases bewegt sich der Kolben des heißen Zylinders, der eine Kurbelwelle dreht. Das Gas wird in den kalten Zylinder geschoben, es kühlt ab und zieht sich zusammen. Die Kurbelwelle wird weiter geschoben und der Kreislauf beginnt von neuem. Der Motor liefert also Bewegungsenergie, die der angeschlossene Generator sofort in elektrische Energie umwandelt. Da der Wirkungsgrad des Stirlingmotors mit steigender Temperatur zunimmt, ist die Kombination mit einem Solarkollektor ideal.

Dichtungen legten den Betrieb still

Seit 2008 speist das Kraftwerk Strom ins Netz ein – allerdings verlief der Start keineswegs reibungslos. Praktische Probleme verhinderten den schnellen Einsatz des Motors. Es dauerte über ein Jahr, bis der Verlag eine neue Firma für die Betreuung des Motors fand. Doch da kaum Pläne oder technische Zeichnungen zu bekommen waren, mussten die Ingenieure den gesamten Motor zerlegen und analysieren, um die Pläne neu zu erstellen. Es zeigte sich schnell, dass die Dichtungen das Problem verursachten. Durch die enorme Hitze waren sie geschmolzen. Es konnte sich kein Druck mehr aufbauen, der Motor stand still. Seit dem Austausch der Dichtungen funktioniert das Kraftwerk problemlos. Es speist durchschnittlich 10 kW ein. Mit dieser Energiemenge kann man ein Einfamilienhaus ein Jahr lang heizen.

Dabei ist Deutschland keineswegs der optimale Standpunkt. „Es ist eine Spielerei. Wir können die Ergebnisse nutzen und vielleicht in anderen Regionen gewinnbringend einbringen. Dort kann man mit der gleichen Anlage die 5-fache Leistung erzeugen. Doch hier in Deutschland rechnet sich der Einsatz wegen der hohen Konstruktionskosten kaum“, sagt Mapara. Im Südwesten der USA werden derzeit zwei Dish-Stirling-Parks gebaut, die durch ihre einfache Bauweise und hohen Wirkungsgrade kostengünstigen Solarstrom liefern sollen. Wirkungsgrade über 30 Prozent werden schon erreicht. Ein sehr gutes Ergebnis wenn man sie mit den üblichen solarthermischen Kraftwerken vergleicht, die gerade einmal auf 15 Prozent kommen. 34.000 Schüsseln auf etwa 33 Quadratkilometer und sollen ab 2011 750 MW erzeugen und ein großes Kohlekraftwerk ersetzen.

Besonders für Regionen, in denen kein Leitungsnetz verfügbar ist, bieten die Anlagen Vorteile. Deshalb planen sowohl Entwicklungsorganisationen als auch Regierungen den Einsatz von Dish-Stirling-Kraftwerken. Ein einziges Kraftwerk könnte ein Dorf mit 70 Einwohnern elektrisch versorgen. Man müsste den Strom nicht erst kompliziert mit Turbinen und Generatoren umwandeln, sondern könnte ihn direkt nutzen, und das ohne Abgase und ohne Abhängigkeit von anderen Energieträgern, wie Benzin, Öl oder Gas. Allein die Sonne muss scheinen, doch das tut sie in Regionen wie Afrika, dem Süden Amerikas oder Europas zu Genüge.

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