Heat 2 Power:
Die Neue Stirlingmotor-Technologie []

Statt wechselnder Temperaturzustände wie bei klassischen Stirlingmaschinen bleibt der thermische Zustand in der gesamten Anlage konstant. Der Temperaturgradient zwischen heißer und kalter Seite ist dauerhaft und ermöglicht einen hohen Wirkungsgrad. Das Heizen und Kühlen der Zylinder erfolgt über die Zylinderwände selbst und entlang der gesamten Hublänge, wodurch das Gas optimal erwärmt bzw. gekühlt wird. Das Arbeitsgas wird vor der Kompression zusätzlich in der Niederdruckleitung vor Eintritt in die Zylinder heruntergekühlt, hier ist es besonders einfach, tiefe Temperaturen zu erzielen. Die Folge: Höhere Effizienz, geringere Materialspannungen, längere Lebensdauer – und deutlich höhere Wirkungsgrade bei stabiler Temperaturführung.

Anders als bei klassischen Stirlingmaschinen ist der Rekuperator in der neuen Technologie **kein Totraum**, da sich dort keine Expansion oder Kompression aus den Zylindern als zyklische Gasbewegung fortsetzt. Stattdessen wird der Gasstrom durch das ständige Umschalten zwischen Expansion und Kompression kontinuierlich und stationär geführt. Dadurch entfällt die typische Pendelströmung mit Umkehrpunkten. Die stationäre, gleichmäßige Strömung erlaubt im Rohrbündelregenerator gezielt turbulente Bedingungen, die den Wärmeübergang deutlich verbessern, und zwar über die gesamte Zeit. Bei klassischen Maschinen gab es neben Toträumen auch Totzeiten - während der Umkehr der Strömungsrichtung. Bei der Neuen Stirlingmotor-Technologie gibt es eine deutlich effizientere Wärmeübertragung über die Rohrwandungen, da die Gasgeschwindigkeit nicht zyklisch schwankt und turbulent bleibt. Die Rekuperatorgröße kann frei gewählt werden – ohne Einschränkungen durch Totvolumina. Dies führt zu einer höheren Rückgewinnung thermischer Energie und reduziert den erforderlichen Brennstoffeintrag.

Die gesamte Stirlingmotor-Installation ist modular konzipiert: Die Zylinder sind getrennt vom Brenner und Kühler, was eine flexible Anordnung und Montage erlaubt, z. B. auf Schiffen. Komponenten wie Erhitzer und Kühler sind nicht fest an die Zylinder gebunden und können skalierbar dimensioniert werden. Viele Teile bestehen aus gedrehten Stahlrohrkonstruktionen – komplexe Fräs- oder Gießverfahren entfallen. Die Mechanik ist so ausgelegt, dass sie auch bei hohen Temperaturen stabil bleibt, ohne aktive Kühlung oder Schmierung. Die Steuerung erfolgt ganz ohne externe Mechanik. Selbst die Wärmetauscher sind leicht austauschbar. Der modulare Aufbau erlaubt eine flexible Skalierung je nach gewünschter Leistung – bei minimalem apparativen Aufwand.

Auch ein Wechsel zwischen thermischer und chemischer Energiequelle ist möglich – etwa von Hochtemperatur-Wärmespeicher auf Methan, sobald der Speicher erschöpft ist. Dies ermöglicht einen unterbrechungsfreien Betrieb, z. B. als Backup-Lösung im Netzbetrieb.

Die Positionierung von Erhitzer und Kühler außerhalb des Zylinders ermöglicht flexible Bauformen – etwa mit integrierten Rohrbündelwärmeübertragern und externen Heat Pipes. Dank der stationären Betriebsweise treten keine thermischen Wechsellasten auf.
Die kalte Seite kann durch Nachverdichtung und intelligente Kühlung sogar unter Umgebungstemperatur fallen.
Ein thermodynamischer Vorteil der Konstruktion liegt im Verhältnis zwischen beheizter Oberfläche und verbleibendem Gasvolumen im Zylinder. Durch die innenliegende Kolbenstange reduziert sich das effektive Expansionsvolumen, während die Zylinderwand über die gesamte Hublänge beheizt wird. Dadurch ergibt sich ein besonders günstiges Oberfläche-Volumen-Verhältnis (A/V), das eine hohe Wärmeflussdichte und eine schnelle, nahezu vollständige Erwärmung des Arbeitsgases ermöglicht. Die Heatpipes können das Gas effizient aufheizen – auch bei kurzen Zykluszeiten – und so eine geglättete Expansion realisieren, ohne dass die gesamte Wandfläche aktiv beheizt werden muss.

Die beweglichen Komponenten – Kolben und Kolbenstange – bestehen aus einem hochwärmeleitfähigen Werkstoff, der eine stabile Temperaturführung auch bei hoher Taktung ermöglicht. Dadurch wird die beheizte Fläche innerhalb der Zylinderkammer vergrößert. Gleichzeitig erfolgt ein dynamischer Wärmeaustausch zwischen den gegenüberliegenden Kammern – temperaturbedingte Abweichungen werden ausgeglichen, die isotherme Expansion wird stabilisiert.

Die gewonnene Arbeit W pro Zyklus in kJ berechnet sich nach der Formel:

$$W = n \cdot R \cdot \ln\left(\frac{V_\text{max}}{V_\text{min}}\right) \cdot \left(T_\text{max} - T_\text{min}\right)$$

Typische Kompressionsverhältnisse:
– Klassischer Stirlingmotor: ca. 2–3
– Ottomotor: ca. 9
– Dieselmotor: ca. 22
– Neuer Stirlingmotor: bis ≥30 → deutlich höhere Leistungsdichte

Beispielhafte Werte für ln(Vmax/Vmin):
ln(30) ≈ 3.40  ln(22) ≈ 3.09  ln(9) ≈ 2.19  ln(3) ≈ 1.09

➡ Mit einem realisierbaren Verhältnis von z. B. 30 erreicht der Neue Stirlingmotor eine dreifach höhere Nutzarbeit im Vergleich zu klassischen Stirlingmaschinen. Durch doppeltwirkende Zylinder erhöht sich die Leistungsdichte zusätzlich – Faktor 6 gegenüber einfachwirkenden Maschinen.

Bei der Neuen Stirlingmotor-Technologie erfolgen die Zustandsänderungen (Expansion, Kompression, isochore Erwärmung/Kühlung) jeweils an anderen Orten nacheinander in der Anlage. Sie erfolgen sequenziell und ohne Überlappung oder Vermischung.

Durch Verschliessen der Zylinder und geringe Toträume stimmt die beheizte/kühlbare Gasmenge exakt mit der expandierten/komprimierten Menge überein. Bei klassischen Stirlingmaschinen bleibt dagegen ein Großteil der eingeschlossenen Gasmasse thermisch inaktiv – sie wird zwar komprimiert und expandiert, trägt aber kaum zur Leistung bei, da sich die Expansion/Kompression nutzlos in den Regenerator fortpflanzt.

Eine Kurbelwellenumdrehung führt beim Neuen Stirling-Motor bereits zu zwei Arbeitstakten. Ein einziges Zylinderpaar ersetzt daher bei gleicher Zykluszahl einen klassischen V8-Otto-, Diesel- oder Schiffsmotor mit 4–8 Zylindern. ➡ Ergebnis: Deutlich höherer thermodynamischer Wirkungsgrad, Annäherung an idealen Stirlingprozess.

Die Rohrleitungen sind vollständig strömungstechnisch aktiv – sie stellen keinen Totraum dar und können daher mit großem Querschnitt ausgeführt werden. Dadurch sinkt der Strömungswiderstand, und die benötigte Antriebsenergie zur Gasförderung wird minimiert. Die Anlage benötigt keine klassischen Nebenaggregate. Das reduziert interne Leistungsverluste deutlich – fast die gesamte zugeführte Energie wird zur Nutzarbeit umgewandelt. Im Gegensatz zu Otto- oder Dieselmotoren treten hier kaum Ladewechselverluste auf. Durch die kurze Wegführung und gezielte Steuerung im Inneren der Kolbenstange wird das Arbeitsgas effizient geführt.

Bei Verwendung einer Kurbelwelle führt ein grosses Kolbenstangenverhältnis ("Rod Ratio") zu gerinerer Kolbenbeschleunigung und längerer Verweilzeit in den Totpunkten und gleichmässigerer Geschwindigkeitsverlauf des Kolbens, dadurch mehr Zeit für Befüllung und Entleerung und gleichmässigere Wärmeübertragung und Gasexpansion = effizienterer thermodynamischer Prozess. Ausserdem werden hiermit Vibrationen und Seitenkräfte der Pleuel reduziert.

Bei klassischen Maschinen fließt Wärme vom heißen zum kalten Teil des Zylinders, insbesondere wenn der Kolben sich zyklisch zwischen diesen Bereichen bewegt. Beim Neuen Stirlingmotor herrscht in beiden Kammern identische Wandtemperatur – dadurch entsteht kein interner Wärmestrom und keine thermische Verschiebung.

Das Arbeitsgas wird nicht durch beheizte Leitungen transportiert, um sie anschließend wieder zu verlassen. Leitungen und Zylinder sind so konzipiert, dass keine ungenutzte Wärme in der Umgebung verloren geht.

Verbleibende Wärmeverluste durch Abstrahlung können durch eine luftdichte Einhausung abgefangen werden: Die darin enthaltene Luft erwärmt sich und kann direkt dem Brenner zugeführt werden. Dies reduziert den Temperaturunterschied, den der Brenner erzeugen muss – und spart somit Kraftstoff.

Die Wärmeverluste an der Wandoberfläche werden durch geteilte Zylinder (je zwei Kammern pro Block) reduziert. Die Oberfläche pro Kammer ist kleiner als bei einfachwirkenden Maschinen – dadurch halbieren sich die Verluste durch Wärmeleitung.

Heat Pipes ermöglichen eine verlustarme Verbindung zwischen externer Wärmequelle und Gaskreislauf. Sie benötigen keine beweglichen Teile und erzeugen keine eigene Strömung – das reduziert den Wärmeverlust auf ein Minimum.

Die Konstruktion verzichtet auf großflächige Motorblöcke oder metallische Gehäuse, die typischerweise Wärme abstrahlen. Stattdessen sind die Zylinder isolierbar, und durch die gerichtete Bauweise treten Wärmeverluste nur auf der heißen Seite auf – nicht auf der kalten.

Die Kolben dichten nicht in Richtung Kurbelwellengehäuse ab und benötigen keine klassische Ölführung. Dadurch kann auf Schmiermittel weitgehend verzichtet werden – besonders im kalten Bereich.

Kompressionszylinder lassen sich mit langlebigen Polymerlagern wie Iglidur W300 © ausführen. Luftlagerung des Steuerkolbens reduziert Reibung und ermöglichen thermisch robusten Betrieb.

Durch geringe Drehzahlen (ca. 200–600 min⁻¹) und kurze, leichte Kolben sind Massenkräfte minimal. Hohle Kolbenstangen senken die bewegte Masse weiter. Am Ende des Arbeitstakts wirkt ein Gaspuffer, der gemeinsam mit der niedrigen Drehzahl die Belastung durch Trägheitskräfte reduziert.

Die lineare „Boxer“-Konfiguration – also gegenüberliegende Zylinderanordnung – sorgt für mechanischen Ausgleich: Druckspitzen treten gleichzeitig auf und heben sich auf. So bleiben Lager und Kolben mechanisch entlastet.

Bei klassischen Stirlingmotoren führen adiabatische Expansion und Kompression zu steilen Druckkurven im pV-Diagramm. Daraus resultieren hohe Druckdifferenzen und zusätzliche Kräfte auf Lager und Kolben – besonders problematisch bei hohen Drehzahlen.

Die Neue Stirlingmotor-Technologie nutzt hingegen eine nahezu isotherme Expansion und Kompression – möglich durch durchgehende Wandbeheizung bzw. -kühlung. Dadurch ist der thermodynamische Exponent n näher an 1 statt an κ (1.4 für Luft).

Die Grafik zeigt zwei Kurven:
– Adiabatische Expansion (n = κ): steile Druckverlaufskurve mit hoher Druckdifferenz und damit erhöhter mechanischer Belastung.
– Isotherme Expansion (n = 1): flacher Druckverlauf, stabile Kräfteverteilung, ideal für effizienten und verschleißarmen Dauerbetrieb.

➡ Diese Prozessführung reduziert nicht nur thermische Spitzen, sondern auch mechanische Belastung – und ist ein Schlüsselelement für die Langlebigkeit des gesamten Antriebssystems.

Klassische Stirlingmotoren leiden unter geringen Leistungsdichten – auch durch Streckung der ursprünglichen 90°-Anordnung der Kolben, was zu höheren Reibungsverlusten führt. Die Neue Stirling-Technologie erreicht dank hoher Kompressionsverhältnisse dieselbe Leistungsausbeute mit deutlich kürzerem Hub.

Da Seitenkräfte auf die Kolben vollständig entfallen, können diese flach konstruiert werden – Führungsdichtungen oder Längsabstützungen sind unnötig. Pro doppeltwirkendem Zylinder genügt ein einziger Kolbenring mit geringem Spaltmaß – zur thermischen Trennung, nicht zur Außendichtung.

Die Abdichtung gegen Gasverlust erfolgt ausschließlich im Bereich der Kolbenstange – mit deutlich kleinerem Durchmesser als der Kolben selbst. Dadurch entstehen nur geringe Reibungsverluste auf kleiner Fläche. Zudem treten mögliche Leckagen ausschließlich auf der der Kurbelwelle zugewandten Seite auf – also maximal zwei potenzielle Leckstellen für vier Zylinderkammern.

Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren wird die durch Reibung entstehende Wärme nicht über das Abgas abgeführt – sie bleibt im System und wird größtenteils ans Arbeitsgas übertragen. Dadurch entsteht ein positiver Nebeneffekt: Die Reibungswärme unterstützt indirekt den Heizprozess und erhöht die Effizienz.

Die Reibungsverluste lassen sich drastisch durch den Einsatz einer Hypozykloid-Geradführung reduzieren. Ein klassischer Kurbeltrieb erzeugt drei- bis fünfmal mehr Reibungsverlust als eine Hypozykloid-Geradführung – abhängig von Drehzahl, Schmierung und Baugröße.

Zur Information: Bei Verbrennungsmotoren werden von der gesamten Energie im Kraftstoff nur etwa 27 Prozent als nützliche Arbeit über die Kurbelwelle vom Motor abgegeben. Ungefähr 9 Prozent der Energie gehen durch Reibung im Motor als Wärme verloren.
(https://www.springerprofessional.de/)

Wenn keine Hypozykloid-Geradführung zum Einsatz kommt, sondern eine Kurbelwelle, kann man die Mechanik durch ein grosses Pleuelstangenverhältnis positiv beeinflussen. Das Verhältnis zwischen der Länge der Pleuelstange und dem Hub des Motors (Pleuelstangenverhältnis, engl.: Rod Ratio) beeinflusst entscheidend die Dynamik des Kolbens, also den Geschwindigkeitsverlauf über die Hublänge.

Ein grosses Kolbenstangenverhältnis führt zu gleichmässigerer Kolbengeschwindigkeit, also zu geringeren Spitzengeschwindigkeiten und -beschleunigungen des Kolbens.

$$\dot{s}(\alpha) \approx \omega \cdot r \cdot \left( \sin(\alpha) + \frac{1}{2\lambda} \cdot \sin(2\alpha) \right)$$

ω = Winkelgeschwindigkeit, ergibt sich aus der Drehzahl über ω = 2π · (n/60).
r = Kurbelradius. 2 x r = Hub des Kolbens
α = Kurbelwinkel (aktuelle Winkelposition der Kurbel)
λ ist das Rod Ratio, das Verhältnis von Pleuellänge zu Kurbelradius: λ = l / r. Ein größeres λ bedeutet, dass die Kolbenbewegung näher an einem idealen Sinusverlauf liegt, was zu ruhigerem Lauf, geringeren Seitenkräften und damit zu weniger Reibung führt.

Die Neue Stirlingmaschine arbeitet mit nur zwei Zylindern – einem Expansions- und einem Kompressionszylinder – die jedoch doppeltwirkend ausgelegt sind. Dadurch entstehen vier Arbeitstakte pro zwei Motor-Umdrehungen, während z. B. ein Viertakt-Verbrennungsmotor nur einen Arbeitstakt alle zwei Umdrehungen liefert.

Die Reibungsstellen sind optimiert: Es werden nur zwei große Kolbenringe für ein Zylinderpaar verwendet (statt vier bis sechs), die Abdichtung erfolgt aber an der Kolbenstange – dort mit deutlich kleineren Durchmessern.

Bei Einsatz einer Hypozykloid-Geradführung anstatt einer Kurbelwelle entfallen zudem die Reibstellen der Kreuzkopf-Axialführung.

Fazit: Die Neue Stirlingmaschine erzeugt mehr thermodynamisch nutzbare Arbeit mit geringerer Reibung – der Reibungsverlust pro Arbeitstakt beträgt nur etwa 10 % bis 25 % im Vergleich zu klassischen Maschinen.

Die Neue Stirlingmotor-Technologie erreicht eine besonders hohe Effizienz, da sie viele klassische Verlustquellen eliminiert.
Der thermodynamische Wirkungsgrad nähert sich dem Carnot-Wirkungsgrad an, der durch die Temperaturdifferenz zwischen Heiß- und Kaltseite definiert ist:
η = 1 – Tkalt / Theiß

Beispiel: Bei T_heiß = 1100 K und T_kalt = 300 K ergibt sich:
η ≈ 1 – 300 / 1100 ≈ 0.727 → 72.7 %

Da keine zyklischen Temperaturwechsel auftreten, können hochtemperaturfeste Materialien eingesetzt werden – ohne Rissbildung oder Alterung. Rückgeführte Wärme aus Brennerumgebung, Kolbenreibung oder Abstrahlung ist entweder im System gefangen und wird dem Kreislauf wieder zugeführt, oder kann zur Vorwärmung der Brennluft genutzt werden – dadurch sinkt der erforderliche Brennerenergieeinsatz.

➡ Die Gesamtenergieausbeute ist damit deutlich höher als bei Otto-, Diesel- oder klassischen Stirlingmotoren.

Die Neue Stirlingmaschine arbeitet nicht mit explosionsartiger Verbrennung wie bei Dieselmotoren, sondern mit kontinuierlicher Erwärmung über einen zentralen Brenner. Dadurch entstehen keine Flammenrückschläge, keine Druckspitzen, und die Emissionen sind deutlich reduziert.

Brennersysteme wie FLOX (flameless oxidation), Poren- oder Strahlbrenner können eingebaut werden – sie arbeiten mit besonders niedrigen NO_x-Emissionen und ermöglichen niedrigen Schadstoffausstoss auch ohne Abgasnachbehandlung.

Die Neue Stirlingmotor-Technologie verzichtet auf viele kostentreibende Komponenten klassischer Maschinen: keine Ventiltriebe, keine Zylinderköpfe mit komplexen Steuerungen, keine Schmiermittelkreisläufe.

Die Bauteile sind meist rotationssymmetrisch und können kostengünstig auf CNC-Maschinen gefertigt werden. Durch modularen Aufbau lassen sich Zylindergruppen oder Steuerkolben einfach austauschen – ideal für Wartung oder Serienproduktion.

Da keine Ölkreisläufe notwendig sind, entfallen nicht nur deren Anschaffung, sondern auch Betriebskosten für Öl, Filter und regelmäßigen Austausch.

➡ Insgesamt liegt das Verhältnis von Investition zu Leistungsfähigkeit deutlich unter dem klassischer Motoren – bei zugleich geringeren laufenden Kosten.