Motore Stirling
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Il motore ad aria calda di Stirling o più semplicemente motore Stirling è un motore a combustione esterna, inventato da Robert Stirling nel 1816. Il funzionamento del motore è descritto dal ciclo Stirling.
Il motore Stirling è una evoluzione dei motori ad aria calda che erano usati in Inghilterra durante la prima rivoluzione industriale. In particolare, l'invenzione di Stirling riguardò l'adozione di un recuperatore di calore, dispositivo che consentì di migliorare notevolmente il rendimento del motore.
Evoluzione storica.
All'inizio del 1800, in Inghilterra i motori ad aria calda competevano con il motore a vapore per fornire energia meccanica ai macchinari industriali (in opifici e miniere) della prima rivoluzione industriale.
Benché i motori a vapore avessero caratteristiche superiori di quelli ad aria, in quel periodo la competizione aveva ragione di essere in quanto il motore ad aria presentava il vantaggio di essere meno pericoloso, dato che le prime realizzazioni di motori a vapore, a causa dell'utilizzo di materiali tecnologicamente scadenti allora disponibili, era soggetto a devastanti esplosioni delle caldaie.
Questo fatto consentì quindi, in una prima fase, al successo del motore Stirling nelle applicazioni di dimensioni commerciali. Tuttavia, il perfezionamento dei motori a vapore e la disponibilità di materiali via via più affidabili resero lo Stirling poco conveniente e, in conseguenza, il suo uso fu abbandonato.
Con lo sviluppo dell'elettronica, l'uso dei primi apparecchi radio e lo sviluppo dell'aviazione, nel 1950 si ebbe una seconda applicazione del motore Stirling. La Philips, industria olandese di produzione di apparecchi radio, realizzò il Philips MP1002CA (detto Bungalow Set), una piccola unità Stirling di generazione elettrica mediante combustione di petrolio, che veniva usata per alimentare radio-trasmittenti e riceventi di sua costruzione dislocate in postazioni remote prive di alimentazione elettrica. Si trattava di un generatore con una potenza di circa 200 watt, per la cui realizzazione venne utilizzata tecnologia allora all'avanguardia, con uso anche di leghe leggere, ottenendo un buon compromesso tra praticità e costo.
L'esigenza di tale generazione elettrica era particolarmente sentita per alimentare gli apparecchi radio (allora dotati di grosse ed onerose valvole termoioniche), necessari per il collegamento stabile con i campi di aviazione della rete aerea civile in costituzione (in prima fase per il servizio postale) in luoghi remoti e senza attrezzature.
Nel 1960 l'adozione del transistor nei circuiti elettronici rese sufficiente l'alimentazione con potenze elettriche limitate, che si potevano ottenere con semplici batterie di accumulatori di piccola dimensione conseguendo anche buone autonomie. L'uso del motore Stirling fu così abbandonato.
Altre applicazioni sono state realizzate in seguito, e sviluppate attualmente con motori di diversa taglia, ottenendo discreti o buoni successi tecnici, ed in qualche caso anche commerciali per mercati di nicchia.
Il motore.
Il motore funziona a ciclo chiuso utilizzando un gas come fluido termodinamico, solitamente aria o azoto, oppure elio o idrogeno nelle versioni ad alto rendimento. Quando è raggiunta un'opportuna differenza di temperatura tra il suo punto caldo ed il punto freddo, si innesca una pulsazione ciclica (opportunamente avviata all'inizio), normalmente trasformata in moto alternato dei pistoni. La pulsazione perdura fino a quando si continua a mantenere la differenza di temperatura, somministrando calore al punto caldo e sottraendone al freddo.
La rigenerazione.
Il criterio innovatore di invenzione di Stirling del 1816 rispetto ai preesistenti motori ad aria calda è il rigeneratore, che ha reso possibile un utilizzo ragionevole del motore. Si tratta di un accumulatore di calore, interposto nel flusso alternato del fluido tra punto caldo e punto freddo, il quale limita la perdita netta di calore nel punto freddo, dove il calore è sottratto dalla refrigerazione.
Il rigeneratore è costituito da una piccola massa di materiale, buona conduttrice di calore, con una elevata superficie di scambio, così che possa, al flusso del gas caldo verso il refrigeratore, catturare parte significativa del calore, ed in virtù della piccola massa aumentare rapidamente di temperatura. Quando il gas refrigerato di ritorno riattraversa il rigeneratore, questo cede il calore accumulato al gas, ed abbassa in ugual modo la sua temperatura; il gas ritorna così al punto caldo già preriscaldato: il motore, riducendo il calore sottratto dalla refrigerazione, ha un rendimento drasticamente superiore.
In motori di maggiore tecnologia i rigeneratori sono costituiti da lamine sottili, lane metalliche o "garze" metalliche impilate costituite da fili molto sottili; i materiali usati sono di norma metalli inossidabili e resistenti al calore, oltre che con alta densità e conducenti termicamente, quali acciaio inossidabile, nickel o sue leghe.
Varianti.
In effetti il motore Stirling realizza una oscillazione ciclica del fluido confinato che in parte è trasformata in energia meccanica. In applicazione di questo principio esistono varianti del motore Stirling, come ad esempio il motore Stirling-Ringbom, in cui il dislocatore si muove trascinato dalla pulsazione senza essere connesso alla parte meccanica.
Una particolare applicazione del motore Stirling è quella di indurre nel motore una pulsazione del solo fluido tra punto freddo e punto caldo ad una frequenza molto più elevata (motore termoacustico) del movimento alternato di pistoni del motore convenzionale; tale pulsazione, in quasi totale assenza di parti mobili quali pistoni e dislocatori, si autosostiene fino a quando si eroga calore al punto caldo e se ne sottrae al punto freddo. Tale fenomeno ha prodotto storicamente gravi problemi quando si è realizzata spontanemente ed in modo incontrollato, tipicamente in camini (camini che cantano), giungendo a fastidiosissimi effetti acustici, violente vibrazioni incontrollate e disastrose rotture. Con lo sviluppo tecnologico il problema si trasferì immutato in devastanti ed inspiegabili incidenti nel funzionamento delle camere di combustione di turbine e dei motori a razzo. Furono eventi soprattutto da evitare più che da utilizzare.
L'effetto motore si ottiene invece con un'accuratissima progettazione ed il mantenimento di precise condizioni fisiche controllate; il vantaggio di tale tipo di motore è la estrema semplificazione meccanica e strutturale. Le oscillazioni (pulsazioni) del fluido possono essere trasferite a masse connesse a generatori elettrici lineari, ovvero portate a sollecitare piastre piezoelettriche, producendo energia.
Caratteristica peculiare del ciclo Stirling è la sua reversibilità: la macchina può essere realizzata in maniera tale che, fornendole energia meccanica (facendo girare l'albero) si ottenga per contro calore ad un capo, e freddo dall'altro, funzionando quindi a tutti gli effetti come una pompa di calore. Una fortunata applicazione è la macchina frigorifera di Stirling.
Vantaggi del motore Stirling rispetto ai motori a combustione interna.
Il motore Stirling è a combustione esterna, il che significa che le parti maggiormente riscaldate dal calore (che può essere prodotto da combustione) non sono a contatto con le parti scorrenti o rotanti (cuscinetti e pistoni); di conseguenza, vi è una minore sollecitazione sia di tali parti sia del lubrificante. Ciò si traduce in minori esigenze di manutenzione.
Il motore inoltre non ha valvole e non subisce scoppi, quindi è costruttivamente più semplice, quasi privo di vibrazioni e, soprattutto, molto meno rumoroso di un motore a combustione interna. La assenza di scoppi e la deposizione graduata della spinta riduce enormemente la necessità di lubrificazione.
La somministrazione del calore per il funzionamento è continua, cosicché nel caso in cui il calore sia prodotto mediante combustione, questa può avvenire in maniera continua, con rapporto stechiometrico aria-combustibile che può essere mantenuto ottimale; in assoluto si ottiene quindi la migliore combustione possibile.
Il motore funziona mediante una qualsiasi somministrazione di calore, che si può ottenere mediante la combustione di legna, carbone, gas, biogas, combustibili liquidi, ma anche da calore solare concentrato: le tecnologie che appaiono più promettenti sono il calore solare ed i combustibili liquidi e gassosi.
Svantaggi del motore Stirling rispetto ai motori a combustione interna.
Poiché il calore non è prodotto all'interno del motore ma è applicato dall'esterno, occorre trasferirlo all'interno. Inoltre, dato che il motore utilizza il dislivello di calore, occorre sottrarre calore per creare un punto freddo. In sintesi, ciò comporta che, dato che il fluido agente è all'interno del motore, il suo riscaldamento e il suo raffreddamento rendono necessaria la presenza di estese superfici (fasci tubieri o radiatori) per riscaldarlo e raffreddarlo. Tali radiatori sono grandi e lo rendono più voluminoso e pesante a parità di energia erogata.
All'avviamento del motore, il flusso del calore dalla sorgente termica al fluido interno non è improvviso, il che rende l'avviamento lento; inoltre anche la variazione di tale trasferimento è ugualmente lenta: per conseguenza il motore non è adatto ad applicazioni che richiedano avviamenti rapidi o consistenti variazioni di regime.
L'energia (e la potenza) erogata è proporzionale al dislivello di temperatura tra sorgente calda e punto freddo, con il limite di temperatura per il freddo dato dalla temperatura ambiente: aumentare il dislivello significa quindi innalzare la temperatura del punto caldo. Il limite è legato essenzialmente ai limiti tecnici e al costo dei materiali capaci di resistere a temperature elevate.
Una maniera per aumentare la potenza erogata è quella di aumentare la pressione del fluido interno, aumentando così la mole del fluido di lavoro. L'uso di apparecchiature chiuse, in pressione (pressurizzate), rende però necessario un attento dimensionamento strutturale e tecnologico del motore, che così dev'essere più robusto e più pesante.
Pur essendo definito tradizionalmente "motore ad aria calda" (il fluido di lavoro è l'aria), l'uso dell'aria pone un grave problema: mescolare in pressione all'interno del motore aria e liquidi lubrificanti derivati di idrocarburi può produrre miscele esplosive. Il problema è stato risolto preferendo l'utilizzo di gas riducenti (idrogeno) o neutri (elio, azoto) come fluidi di lavoro, che risultano più sicuri ma anche molto meno comuni e molto più costosi. Si sono anche realizzati motori in grado di funzionare senza l'uso di lubrificanti convenzionali usando materiali di alta tecnologia, che però ancora una volta risultano molto costosi.
La progettazione è complessa ed è solo in parte legata a parametri accuratamente calcolati: la circolazione del fluido perfetta e senza volumi morti è difficile da realizzare: trattandosi di un flusso alternato in ambiente chiuso, ogni architettura di motore ottimizza alcuni parametri e ne penalizza altri.
Utilizzi moderni.
Il motore Stirling, per il suo ingombro, e per la sua inerzia all'avvio ed alla variazione di regime, non è adatto ad usi diversi dalla erogazione continua di energia e calore. Non è quindi adatto direttamente per l'autotrazione.
Essendo molto voluminoso e pesante, il motore Stirling è adatto alla generazione in postazione fissa per potenze dai 5 ai 100 kW elettrici, intervallo di consumo che lo rende adatto ad un'utenza domestica o per piccole comunità, da una famiglia ad un piccolo condominio. Al di fuori di tali valori, altri tipi di generazione sono maggiormente convenienti: ciclo Otto (motori a benzina), ciclo Rankine, e derivati (turbine a vapore), ciclo Brayton-Joule (turbina a gas), e ciclo Diesel (motore diesel). In particolare, l'adozione di materiali e tecniche costruttive sofisticate e la miniaturizzazione delle parti con tecnologie consolidate hanno reso la turbina a gas un micidiale concorrente.
La convenienza del motore Stirling è soprattutto legata alla possibilità di utilizzare in loco, oltre che l'energia elettrica generata, il calore "di scarto" prodotto - in valore di circa il triplo o il quadruplo del valore della potenza elettrica - ad uso riscaldamento; trova inoltre congiuntura favorevole nella possibilità di usare combustibili o sorgenti di calore a disposizione localmente ed altrimenti non utilizzabili quali legna, carbone, biogas e energia solare.
Sommergibili.
Utilizzi tecnici di media potenza si sono avuti con moduli produttivi per mantenere su tempi lunghi il livello di accumulo dell'energia elettrica nei sommergibili militari svedesi a propulsione convenzionale della Classe Västergötland[1]: la produzione di calore con combustione in ambiente controllato (usando in immersione come comburente scorte di ossigeno liquido) permette la continua erogazione di energia elettrica ad usi di propulsione e di altro tipo, consentendo di prolungare la autonomia delle immersioni profonde da poche ore a diverse settimane. È evidente che in queste applicazioni il peso del motore non è fattore negativo; inoltre è un ulteriore vantaggio la disponibilità dell'acqua quale refrigerante.
Tecnologie per il mondo sviluppato, per il terzo mondo, e per alte tecnologie[modifica | modifica sorgente]
La sorgente di calore può essere di qualsiasi natura, il che rende il motore Stirling utilizzabile in un gran numero di contesti.
Mentre appaiono evidenti i vantaggi di utilizzare, nei paesi maggiormente sviluppati, combustibili ottenuti da gassificatori (tecnologia attualmente matura) e biogas, con filiere di materiali ampiamente disponibili e ad oggi spesso non utilizzati, per il terzo mondo appare di enorme importanza avere comunque anche solo una modesta forza motrice, (per trebbiare, per pompare acqua, ecc.), quando i prodotti che alimentano il motore possono essere la combustione di materiali eterogenei disponibili in loco come pula di riso o di altri cereali trebbiati, sterco di bovini seccato, paglia, torba, sterpi, segatura di legno o cippato. Tali combustibili svincolano completamente la tecnologia dai combustibili fossili convenzionali.
Sono numerosissimi i dispositivi di riscaldamento domestico ed industriale di piccola. media o grande taglia che producono calore come prodotto di scarto, tipicamente sotto forma di gas combusti con temperature dai 100 ai 500 °C. L'energia sotto forma di calore contenuta in tali gas può essere almeno in parte ricuperata da scambiatori e generatori Stirling. Con macchinari Stirling di maggior mole, ma tecnologicamente più economici, è possibile valutare la praticabilità del ricupero energetico anche di effluenti a temperature inferiori.
È stata proposta la applicazione di motori Stirling alla generazione elettrica ottenuta da calore di centrali nucleari. Il raffreddamento del nocciolo del reattore è previsto, in alcune "filiere" nucleari, che sia ottenuto con circolazione di sodio liquido, che ha un elevato contenuto calorico, ma è radioattivo per induzione, ed inoltre incendiario, esplosivo ed aggressivo in caso di accidentale contatto con aria atmosferica (umida) o con l'acqua. La pericolosità intrinseca ha portato all'abbandono di tale filiera, preferendo il raffreddamento del nocciolo radioattivo con acqua, gas, o acqua pesante. L'adozione di motore Stirling ad aria o a gas secchi in luogo di motori a vapore d'acqua (turbine a vapore), eviterebbe almeno il rischio dell'accidentale contatto tra sodio ed acqua negli scambiatori di calore.
Utilizzi di altissima tecnologia del motore termoacustico Stirling sono stati realizzati dalla NASA allo scopo di fornire energia elettrica a satelliti nello spazio profondo in carenza di radiazione solare, in tal caso la sorgente di calore è la emissione termica di radioisotopi, il punto freddo è semplicemente lo spazio.
Il vero grandissimo successo del ciclo Stirling (inverso) si ha con la macchina frigorifera di Stirling, che è l'unica macchina veramente adatta per la refrigerazione di fluidi nel campo di temperatura che va dai −30, −40 °C fino ai −200 °C (73 K) perché non si avvale di evaporazione di fluidi.
Motore Stirling con gassificatore.
L'integrazione fra il motore Stirling e il processo della gassificazione permette l'utilizzo della biomassa come combustibile per la produzione di energia. L'utilizzo della biomassa permette di avere un ciclo di produzione ad impatto nullo sulle emissioni di CO2, (si rilascia in atmosfera il carbonio che biologicamente era stato inglobato, prelevandolo dalla atmosfera, nelle sostanze che vengono combuste); questo diviene molto interessante dato che non è introdotto nel sistema nuovo carbonio di origine fossile. Il motore Stirling può diventare così una tecnologia da valorizzare per facilitare il raggiungimento degli obiettivi fissati dal Protocollo di Kyoto. L'organizzazione di questo tipo di impianto prevede l'articolazione di cinque componenti principali:
- deposito della biomassa
- gassificatore
- caldaia
- motore Stirling
- accumulatore termico o volano termico
Tramite un sistema di coclee la biomassa (cippato legnoso) viene portata all'ingresso del gassificatore in cui la biomassa viene trasformata in syngas che, estratto dall'alto viene portato alla camera di combustione.
Nella camera di combustione si raggiungono temperature tra gli 800 e i 1250 °C e il motore Stirling è a diretto contatto con la fiamma stessa, andando a costituire un corpo unico fra caldaia e motore Stirling.
L'ultimo elemento è costituito dall'accumulatore termico che permette di utilizzare l'energia termica del ciclo di produzione per la produzione di acqua calda sanitaria e per il riscaldamento, ottimizzando così la resa energetica. La massima ottimizzazione si ottiene facendo funzionare l'impianto solo nei periodi in cui c'è la richiesta di energia termica. Per impianti di piccola taglia, si riesce ad avere una potenza elettrica di 35 kW e una potenza termica di 140 kW.
Nel 2008, in Provincia di Bologna si è realizzato il primo progetto italiano sperimentale di questo tipo, a servizio del complesso scolastico del comune di Castel d'Aiano, che utilizza il cippato come combustibile di partenza. Il percorso intrapreso prevede la realizzazione di altri impianti analoghi nello stesso comune.
L'impianto è stato realizzato grazie all'azione del centro CISA che, nato nel 2005 come consorzio fra Provincia di Bologna, Fondazione Cassa di Risparmio di Bologna e ISSI (Istituto Sviluppo Sostenibile Italia), si propone come promotore di iniziative legate alla diffusione delle energie rinnovabili e del risparmio energetico, con l'obiettivo finale di creare il Distretto delle Energie Sostenibili dell'Appennino bolognese.
La conversione da biomassa a combustibile é risultata economicamente conveniente, sia dagli esami di laboratorio che dai risultati di operazioni continuative, in impianti pilota sin dal 1973.
