Ein Stirlingmotor besteht in seiner sog. Gamma-Bauart zum einen aus einem thermischen Verdichter, in dem ein doppelseitig wirkender Verdrängerkolben das Arbeitsgas zwischen einem „heißen" und einem „warmen" (d. h. auf dem Wärmenutzungstemperaturniveau der KWK-Anwendung befindlichen) Zylinderraum isochor über einen Regenerator periodisch hin- und herschiebt. Zum anderen besitzt er ein hiervon räumlich getrenntes, einseitig wirkendes Arbeitskolben-Zylinder-System, das mit der „warmen" Seite des thermischen Verdichters durch einen Überströmkanal verbunden ist und sich somit auf ähnlichem Temperaturniveau befindet. Fügt man in diesen Überströmkanal einen zusätzlichen Regenerator ein, so kommt es zu einer Trennung der Temperaturniveaus, da die Wärmeabgabe des Prozesses primär über den warmen Zylinderraum des Verdrängersystems erfolgt, während der Zylinderraum des Arbeitskolbens eine Wärmesenke darstellt. Dieser so entstandene „Hybrid"-Prozess zeichnet sich nach wie vor durch eine - gegenüber dem Stirling-Modus lediglich leicht verringerte - mechanische Leistungsabgabe aus, zusätzlich jedoch auch durch eine theoretisch zu dieser betragsmäßig gleichen, über den Arbeitszylinder bei „kalter" Temperatur aufgenommene Kälteleistung. Er stellt somit ein integriertes System zur Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung dar, das durch einen einzigen thermodynami-schen Prozess realisierbar ist. Schaltet man diesem Prozess im warmen Temperaturbereich zusätzlich einen weiteren, auf der Rückseite des Arbeitskolbens liegenden Zylinderraum zu, so dass ersterer zu einem zweiten, doppelseitig wirkenden Verdrängerkolben wird, so erhält man schließlich den als thermisch angetriebene Wärmepumpe bzw. Kältemaschine bekannten Vuilleumier-Prozess, der im Idealfall keine mechanische Leistung abgibt oder aufnimmt. Am Lehrstuhl für Thermodynamik der TU Dortmund wurde in einem mittlerweile abgeschlossenen, von der DFG geförderten Forschungsprojekt eine Versuchsmaschine entwickelt und vermessen, die sich zwischen den drei beschriebenen Prozessen umschalten und so wechselnden Strom-, Wärme- und Kältebedarfssituationen anpassen lässt. Dabei wurde zur Reduktion des experimentellen Aufwandes eine ähnlichkeitstheoretische Skalierung unter Konstanthaltung aller für den internen Gaskreisprozess relevanten dimensionslosen Kennzahlen durchgeführt. Die in diesem Beitrag vorgestellten experimentellen Ergebnisse bedürfen deshalb zwar einer Korrektur wegen einiger externer, nicht korrekt skalierbarer Reibungs- und Isolationsverluste, belegen aber dennoch, dass die Realisierung derart umschaltbarer Systeme zur dezentralen, bedarfsorientierten Energieversorgung von Gebäuden in einer praxisgerechten Baugröße und Leistungsklasse möglich ist. Bei koordiniertem Betrieb einer größeren Zahl solcher Systeme - z. B. über Rundsteuerungen oder netzlastabhängige Stromverbrauchs- und -einspeisetarife - kann durch entsprechende Umschaltung zwischen den Betriebszuständen auch auf Lastschwankungen im öffentlichen Stromnetz reagiert und so wertvolle, kurzfristig abrufbare Regelenergie bereitgestellt werden. Weiterhin sind auch Anwendungen im Bereich der antriebsunabhängigen Klimatisierung, Beheizung und Stromversorgung von Fahrzeugen denkbar.
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