Applicazioni della macchina di Stirling

1. Introduzione

Una quota consistente dell’inquinamento atmosferico e delle emissioni di gas serra nel nostro paese è ascrivibile al settore energetico. Oltre l’80% del potenziale di riduzione delle emissioni in aria di gas climalteranti è legato alla produzione ed al consumo di energia elettrica e termica ed al settore dei trasporti.
La promozione delle fonti rinnovabili è divenuta ormai una delle priorità della politica energetica dell’Unione Europea.
Le motivazioni che muovono all’utilizzo delle rinnovabili sono molteplici: riduzione dell’utilizzo dei combustibili fossili e quindi tutela dell’ambiente su scala locale e globale (Protocollo di Kyoto), parziale affrancamento dalle importazioni di energia da altri paesi, maggiore flessibilità, economicità e sicurezza dell’approvvigionamento energetico, sviluppo della generazione distribuita, creazione di un comparto produttivo consono alle piccole e medie imprese, generazione di nuova occupazione.
Gli obiettivi di riduzione dell’impatto ambientale dei sistemi energetici possono essere raggiunti mediante la promozione e la diffusione dei sistemi basati sulle energie rinnovabili, sulla generazione distribuita, tramite il risparmio energetico e l’utilizzo di sistemi ad alta efficienza nei processi di produzione, gestione e trasporto dell’energia e negli usi finali.
L’attuale sistema di produzione di energia elettrica centralizzato e basato sull’utilizzo di fonti non rinnovabili deve essere affiancato da un sistema basato sull’integrazione reciproca delle diverse fonti rinnovabili e sulla generazione distribuita ad alta efficienza.
L’integrazione delle fonti rinnovabili permette di risolvere le problematiche dovute alle loro caratteristiche di aleatorietà e ridotta densità energetica rendendole competitive ed affidabili.
La diffusione dell’utilizzo delle fonti rinnovabili oltre a comportare benefici ambientali determina dei benefici economici, sociali ed occupazionali permettendo lo sviluppo sia di settori commerciali che produttivi legati alle tematiche ambientali ed ai sistemi ad energie rinnovabili.
La diffusione dei sistemi di produzione decentralizzati basati sulle energie rinnovabili può inoltre contribuire alla diffusione nella popolazione di una coscienza ambientalmente sostenibile.

Un sistema che possa funzionare con combustibili diversi a seconda della loro reperibilità costo o impatto sull’ambiente è decisamente interessante sia dal punto di vista tecnico che economico e ambientale. Altrettanto interessante è un sistema che si basi sullo sfruttamento di energia rinnovabile come quella solare o che utilizzi biomasse.
Un motore termico basato sul ciclo di Stirling risponde a queste caratteristiche.
Il suo funzionamento richiede soltanto due sorgenti termiche, una a temperatura elevata che fornisca il calore dall’esterno ed una a bassa temperatura che riceva la parte del calore immesso non trasformata in lavoro utile. Il motore Stirling è a combustione esterna e ciò permette l’utilizzo di diversi combustibili, anche a basso potere calorifico, e inoltre permette una combustione completa e quindi caratterizzata da minori emissioni inquinanti. Un motore Stirling può funzionare quindi bruciando biomassa di diverso tipo, carbone, o combustibili più pregiati come quelli derivanti dal petrolio, o gas naturale. Inoltre una prerogativa unica e che rende questa macchina estremamente interessante è la possibilità di alimentarlo ad energia solare o nucleare. Un motore Stirling può essere utilizzato anche per cogenerazione grazie alla facilità con cui si può utilizzare il calore di scarto che è trasferito all’acqua del circuito di raffreddamento ed eventualmente utilizzando il calore residuo dei fumi prodotti dalla combustione.
Il motore Stirling può essere utilizzato anche per la produzione distribuita di energia elettrica; un motore di piccola taglia può essere inserito all’interno delle comuni caldaie domestiche per la produzione di acqua calda. In questo modo il combustibile, in genere metano e quindi pregiato, potrebbe essere bruciato per alimentare il motore fornendo calore ad alta temperatura; il calore di scarto del motore verrebbe poi utilizzato per la produzione dell’acqua calda richiesta dall’utenza. In questo modo si avrebbe la contemporanea produzione di energia elettrica e calore evitando di utilizzare un combustibile pregiato come il metano per la produzione di calore a bassa temperatura.
Inoltre una macchina di Stirling può funzionare come macchina frigorifera; estremamente interessante a riguardo è il filmato dimostrativo realizzato dalla Philips nel 1947.
Il motore Stirling proprio per le sue caratteristiche favorevoli ha avuto nel corso degli anni momenti di intensi studi alternati però da periodi in cui le condizioni politiche, economiche o tecniche ne hanno fermato o bloccato il progresso e la diffusione. Nell’ultimo secolo motivi di ordine economico e politico, piuttosto che tecnico, non hanno determinato investimenti e ricerche tali da permetterne una affermazione sul mercato.
Oggi le problematiche energetiche ed ambientali esistenti possono dare un terreno fertile per lo sviluppo ulteriore e la diffusione del motore Stirling.

Figura 1: Un generatore a ciclo Stirling alimentato ad energia solare

2. Principio di funzionamento

La macchina di Stirling deve il suo nome al suo inventore, il reverendo Robert Stirling, che nel 1815 inventò e nel 1817 brevettò la prima versione della macchina il cui disegno, molto probabilmente dello stesso Robert Stirling, è riportato in figura 2.

Figura 2: Un disegno della prima versione della macchina di Stirling

La macchina era costituita da un lungo cilindro riscaldato nella parte superiore tramite i gas caldi prodotti da una combustione e raffreddato nella parte inferiore con aria o acqua. Il cilindro contiene al suo interno un displacer di diametro sensibilmente minore rispetto al diametro interno del cilindro ed un pistone con cui viene raccolto il lavoro prodotto dalla macchina. Il moto alternato del pistone e del displacer è regolato dal manovellismo visibile in figura. Il displacer determina il passaggio del fluido di lavoro dalla parte calda a quella fredda del cilindro facendolo passare attraverso un rigeneratore metallico disposto intorno ad esso.
Il successo della macchina di Stirling però venne oscurato dalla presenza dei cicli a vapore che all’epoca garantivano migliori prestazioni e maggiore affidabilità soprattutto per quanto riguardava la resistenza meccanica delle parti calde della macchina. A frenare ancora di più lo sviluppo della macchina di Stirling, che dal punto di vista termodinamico offre le migliori prestazioni possibili, fu l’avvento dei motori a combustione interna che all’epoca erano competitivi rispetto le macchine di Stirling. L’insuccesso della macchina fu all’epoca di natura prettamente tecnologica.
Il ciclo termodinamico di Stirling è costituito da quattro trasformazioni, una compressione isoterma, una espansione isoterma e due trasformazioni isocore rigenerative. Il ciclo ideale è riportato in figura 3 sul piano P-V, Pressione-Volume specifico.

Figura 3: Ciclo di Stirling nel piano P-V

Il calore viene scambiato con l’esterno tramite le due trasformazioni di compressione ed espansione; in particolare affinché la compressione sia perfettamente isoterma è necessario che il fluido ceda una determinata quantità di calore (pari al lavoro di compressione) all’esterno e che durante l’espansione isoterma questo riceva dall’esterno del calore (pari al lavoro di espansione). Durante le due trasformazioni isocore il fluido viene alternativamente scaldato e raffreddato senza che questo scambi calore con l’esterno ma cedendo ed acquistando successivamente la stessa quantità di calore ad un rigeneratore termico. In questo modo il fluido acquista calore dall’esterno ad elevata temperatura durante la fase di espansione e lo cede a bassa temperatura durante la compressione. Se la rigenerazione è ideale il rendimento del ciclo sarà pari a quello del ciclo di Carnot, che come noto è il ciclo termodinamico che assicura il maggiore rendimento possibile in sede ideale;
Il rendimento è dato dall’espressione:

Nel 1873 Reitlinger dimostrò che tutte le macchine ideali operanti nel medesimo intervallo di temperature e funzionanti con cicli costituiti da due isoterme e da altre due trasformazioni omologhe rigenerative sono in grado di realizzare il medesimo rendimento del ciclo di Carnot.
Assumendo quindi un ciclo con due trasformazioni isoterme alla massima e alla minima temperatura realizzando le altre due trasformazioni mediante isocore, politropiche o isobare rigenerative si otterrà il rendimento massimo ideale.
Dal punto di vista termodinamico il ciclo di Stirling presenta il vantaggio, rispetto agli altri cicli menzionati, di avere un maggiore lavoro specifico prodotto nel singolo ciclo come si può anche osservare dalle figure successive nelle quali sono riportati sul piano P-V un confronto tra il ciclo di Stirling e il ciclo di Carnot e di Ericsson a parità di temperature estreme e di volumi massimi e minimi disponibili e quindi del volume spazzato dai pistoni.

Figura 4: Confronto tra il ciclo di Stirling (1-2-3-4) e di Ericsson (5-2-6-4) a sinistra, e confronto tra il ciclo di Stirling (1-2-3-4) e di Carnot (1-5-3-6) a destra

Il ciclo di Stirling, a prescindere dalle difficoltà realizzative della macchina, è il ciclo termodinamico che presenta almeno in sede ideale il miglior rendimento e il maggior lavoro specifico.
Nelle macchine reali le trasformazioni di compressione ed espansione avvengono molto rapidamente e sono più vicine a trasformazioni adiabatiche rispetto ad isoterme. Da qui la necessità di inserire degli scambiatori termici ausiliari per poter permettere gli scambi di calore tra il fluido e l’esterno. Si viene così a realizzare il classico schema a cinque componenti: camera di compressione, scambiatore freddo, rigeneratore, scambiatore caldo, camera di espansione.


Figura 5: Configurazione Stirling a cinque componenti

Il moto dei pistoni determina sia lo scambio di lavoro con l’esterno e il fluido sia il passaggio del fluido di lavoro tra le diverse camere realizzando le due isocore. Il fluido di lavoro utilizzato è quasi sempre elio grazie al suo ridotto costo, alle ottime capacità di scambio, e alla atossicità e non infiammabilità. In alcuni casi per prestazioni maggiori viene utilizzato idrogeno.
Lo scambiatore freddo è in genere raffreddato mediante acqua o aria non essendo richieste prestazioni termiche gravose .
Lo scambiatore caldo può ricevere calore da una qualsiasi sorgente che sia in grado di fornire calore a temperature sufficientemente elevate (600-800 °C); come insegnato dalla termodinamica del ciclo di Stirling infatti le prestazioni migliorano all’aumentare della temperatura della sorgente calda ed al diminuire di quella fredda.
Esistono diverse tipologie di motori a ciclo Stirling e diversi criteri per classificarle; uno dei più utilizzati è quello proposto da Kirkley in base al quale le macchine di Stirling possono essere ricondotte a tre tipologie denominate alfa, beta e gamma.
Quando sono previsti due cilindri distinti contenenti due stantuffi di lavoro sulle cui facce agisce la pressione istantanea del ciclo si ha la configurazione chiamata alfa.

Figura 6: Configurazione alfa

Se invece in uno stesso cilindro scorrono un displacer ed un pistone di potenza la configurazione è detta beta.

Figura 7: Configurazione beta

Infine qualora uno dei due spazi di lavoro, quello di compressione, sia diviso tra i due cilindri che costituiscono la macchina si ha la configurazione gamma.


Figura 8: Configurazione gamma

La configurazione alfa ha il vantaggio di avere pochi volumi morti e poter separare il pistone caldo da quello freddo ma pone il problema di effettuare due tenute sulle aste dei pistoni. La configurazione beta è quella che pone minori problemi di volumi morti e di tenute poiché l’unica tenuta è sull’asta dell’unico pistone.
La configurazione gamma ha un pistone ed un displacer come la configurazione beta, ma questi sono posti in diversi cilindri separando così il cilindro contenente gli scambiatori da quello contenente il pistone. Tuttavia queste macchina hanno in genere maggiori volumi morti rispetto le altre configurazioni e, poiché parte dell’espansione avviene nel cilindro di compressione, la potenza specifica risulta ridotta. La configurazione gamma è utilizzata per lo più per macchine di piccola potenza.


3. Applicazioni

Come anticipato le applicazioni della macchina di Stirling sono notevoli.
Le applicazioni classiche sono l’utilizzo cogenerativo per produrre energia elettrica e calore utilizzando metano come combustibile. In genere la taglia per questa tipologia di macchine è delle decine di kWe come ad esempio la macchina della SOLO V-161 da 7,5 kWe o della STM Power da 55 kWe che sono riportate nelle seguenti figure.

Figura 9: La macchina di Stirling V-161 della SOLO


Figura 10: Il modello da 55 kWe della STM Power

L’utilizzo cogenerativo di queste macchine è consigliato grazie all’elevato sfruttamento dell’energia primaria del combustibile utilizzato che può raggiungere valori del 97%. Infatti l’energia del combustibile è trasformata in energia elettrica e calore che può essere facilmente recuperato e utilizzato per le utenze termiche.
Queste macchine sona caratterizzate da efficienze elettriche del 20-25 % (ma sono presenti casi di efficienze prossime al 30%) e dall’elevata silenziosità di funzionamento. Inoltre una importante caratteristica di queste macchine è l’elevata affidabilità che comporta una ridotta manutenzione e permette funzionamenti annui prossimi alle 8000 ore.


Figura 11: Il modello EG-1000 da 1 kWe della Sunpower
Figura 12: Prestazioni del modello EG-1000 della Sunpower

Molto interessanti sono le applicazioni di queste macchine che utilizzano come combustibile biomasse grazie alla possibilità tipica di questa macchina di funzionare a combustione esterna. Pertanto è possibile l’utilizzo di diverse tipologie di biomasse (scarti forestali, biomasse da coltivazioni energetiche, scarti di lavorazione o derivanti dall’attività agricola) in base al costo e disponibilità. Un esempio di questa applicazione è quello della macchina della Stirling Denmark da 35 kWe riportata in figura seguente.

Figura 13: La macchina di Stirling della Stirling Denmark da 35 kWe alimentata a biomassa

Questa tipologia di applicazione è estremamente interessante sia per l’elevata efficienza energetica nell’utilizzo del combustibile primario sia per il fatto che questo può derivare da scarti altrimenti non utilizzabili (es. eccessiva produzione di granturco) o essere una fonte rinnovabile di energia. Inoltre in questo caso la produzione di energia elettrica viene incentivata mediante i meccanismi dei Certificati Verdi o del conto energia (si veda la Finanziaria 2008).
Inoltre è pensabile l’installazione di una macchina di Stirling della potenza ridotta e quindi dalle ridotte dimensioni e modulare all’interno delle normali classiche caldaie a pellets o cippato.
Recentemente sono state studiate anche applicazioni di macchine di ridotta potenza elettrica per utilizzi domestici. In questo caso la macchina di Stirling, tipicamente della potenza elettrica di 1-3 kWe, è inserita all’interno di una caldaia domestica monofamiliare. In questo modo la caldaia è in grado di produrre energia termica per il riscaldamento domestico e acqua calda sanitaria insieme ad energia elettrica utilizzando metano come combustibile. L’utente trae vantaggio dall’utilizzo di questa macchina grazie alla parziale copertura dei carichi elettrici dell’abitazione e può eventualmente vendere l’energia elettrica in eccesso alla rete o usufruire del meccanismo di scambio sul posto. Generalmente le macchine utilizzate per questa applicazione sono della tipologia free-piston, ovvero a pistoni liberi; in queste macchine il moto dei pistoni non è regolato dal classico manovellismo ma da un sistema a molle. Le macchine free-piston hanno l’ulteriore vantaggio rispetto le altre tipologie di essere ancora più silenziose e affidabili e questo ne favorisce l’uso in ambienti domestici.
Al momento l’offerta commerciale di queste macchine per la produzione combinata di calore ed energia elettrica ad uso domestico è limitata ad alcuni esempi in paesi del nord Europa molto attenti alle problematiche ambientali.

Figura 14: Applicazione domestica della macchina di Stirling

Ovviamente la macchina di Stirling può essere utilizzata anche per utenze plurifamiliari al servizio di più appartamenti come nel caso di ville o condomini.

Figura 15: Applicazione domestica della macchina di Stirling

Grande interesse tecnico ed ambientale è legato all’utilizzo dell’energia solare per la produzione di energia elettrica. L’utilizzo di cicli termodinamici è una valida alternativa ai sistemi fotovoltaici con il vantaggio aggiuntivo di poter produrre contemporaneamente energia elettrica e calore.
La macchina di Stirling può essere utilizzata anche in queste applicazioni fornendo una valida alternativa ai classici sistemi a concentrazione con cicli a vapore e dimostrando tutta la sua versatilità.
Un esempio di questa soluzione è l’abbinamento di un disco concentratore del diametro di circa 10 m con una macchina di Stirling della potenza di 10-30 kWe.
Ovviamente possono essere affiancati più motori fino a realizzare un campo solare per la produzione di energia elettrica e calore in modo pulito.

Figura 16: La macchina di Stirling alimentata ad energia solare

Inoltre dal punto di vista tecnico il primato mondiale di efficienza, definita come rapporto tra potenza elettrica netta e potenza solare incidente sugli specchi, nella produzione di energia elettrica da fonte solare mediante cicli termodinamici spetta proprio ad un impianto con macchina di Stirling da 25 kWe della Advanco Vanguard che realizzò efficienze del 29%. Questo valore è superiore rispetto alle altre tecnologie di produzione di energia elettrica da solare con cicli termodinamici; ad esempio il progetto Archimede dell’ENEA prevede efficienze di circa il 17%.
Pertanto l’utilizzo di macchine di Stirling alimentate a fonte solare è una valida alternativa agli impianti solari a concentrazione parabolici lineari.
Una ulteriore applicazione di questa tipologia di macchine e che dimostra le grandi potenzialità di questa tecnologia è la possibilità di funzionamento inverso. Infatti la macchina di Stirling può funzionare anche come macchina operatrice qualora essa invece di cedere all’esterno lavoro meccanico ne riceva. In questo caso la macchina si comporta come pompa da calore, fornendo calore ad esempio per il riscaldamento domestico e sottraendolo all’ambiente esterno a bassa temperatura; la macchina viene in questo caso alimentata da un motore elettrico o da un’altra macchina di Stirling funzionante da motrice.
Infine, sempre funzionando da macchina operatrice ma invertendo il verso di rotazione dell’albero è possibile ottenere un effetto refrigerante fino a temperature criogeniche.
Alcuni esempi di questa applicazione sono riportati nella seguente figura.

Figura 17: Esempi di macchine di Stirling in funzionamento criogenico

4. Conclusioni

La macchina di Stirling presenta molti vantaggi rispetto ad alcuni normali sistemi di produzione di energia elettrica e calore e si dimostra affidabile e versatile potendo essere applicata in numerosi campi.
Purtroppo però è una tecnologia che ancora non è sviluppata sul mercato a causa di ritardi nelle fasi di ricerca legati a problemi non tecnologici ma di condizioni al contorno e competitività con altre tecnologie che hanno beneficiato nel tempo e continuano a beneficiare di ingenti finanziamenti sia nella ricerca che nella commercializzazione.
In questi anni l’attenzione alle tematiche ambientali può riproporre lo sviluppo di questa tecnologia, come già avvenne nei primi anni ’70 a seguito delle crisi energetiche; purtroppo all’epoca lo sviluppo e la ricerca vennero presto abbandonati a causa di instabilità economiche e politiche a livello mondiale (crisi dello Yom Kippur) che hanno spinto gli investitori a puntare verso settori più “sicuri” come quello dei motori a combustione interna.
Oggi le possibilità di sviluppo di questa tecnologia sono elevate e possono portare finalmente ad una diffusione di questa tecnologia con tutti i benefici economici e ambientali connessi.