En Stirlingmotor er effektiv og går på koks, ved og gass, stille og rolig med høy effekt per kilo motor. Den er bedre enn en «eksplosjonsmotor» der brennende gass driver noe gjennom et rør, som kinesiske raketter fra 1200-tallet. Så hvorfor ikke?
Bildet øverst: I denne noe trauste Chevrolet satt det en stillegående og momentsterk Stirlingmotor – men det ble med dette eksperimentet. (Foto: Chevrolet)
Av Stein Bekkevold
En Stirlingmotor* drives – til forskjell fra en dampmaskin** – av et permanentgassarbeidsmedium (ofte helium) i en sylinder med stempel – uten tilført drivstoff. Arbeidsmediet utvides av ytre varme og virker på stempler som gir arbeidsevnen. Også solen kan drive en Stirlingmotor…
Mer drivstoffeffektive
I motsetning til forbrenningsmotorer (ICE, Internal Combustion Engine) kan Stirling gi direkte utnyttelse av fornybare varmekilder, og jobbe stillere og mer pålitelig – med mindre vedlikehold. De brukes der slike fordeler er viktige, særlig om pris per kWh betyr mer enn kapitalkostnaden. Der er Stirling-motorer konkurransedyktige.
I forhold til en ICE med samme effekt er de dyrere, større og tyngre. Men de er mer drivstoffeffektive enn ICE. Mindre vedlikehold gjør den totale kW-prisen sammenlignbar. Den termiske effektiviteten er sammenlignbar og ligger på 15 til 30 %.
Senker utslippene
Brukt som mikroaggregat er en Stirling ofte bedre enn ICE. Annen bruk er vannpumping og elektrisk utvinning via kilder som er ikke går i en ICE, som solenergi, brennbar biomasse/landbruks-avfall og annet. Men motorene kan ikke konkurrere med ICE i bil på grunn av pris per kWh, og lav effekttetthet.
Fordelene mot ICE er altså at de går på en hvilken som helst varmekilde, ikke bare fra forbrenning – de kan gå på solenergi, varme fra geotermiske kilder, biomasse, varme fra kjernekraft eller overskuddsvarme fra industri, da brukt stasjonært. Kontinuerlig forbrenning senker utslippene i forhold til ICE.
Stirlingmotoren er fin i stasjonære generatorenheter der vekt per kWh ikke er det viktigste. (Foto: Phillips)
Går godt i kaldt vær
Mekanikken er ofte enklere enn i andre stempelmotorer. Ingen ventiler, og brenneren kan være enkel. Mange varianter lages med normalstål og lavlegert aluminium. Da den drives med et enfaset medium (sylindergassen) som holder arbeidstrykket nær designtrykket, er eksplosjonsfaren lav – og helium er en ikke brennbar gass til forskjell fra hydrogen, som har vært forsøkt.
En dampmaskin går jo med et tofaset gass/væske arbeidsmedium, en defekt overtrykksventil kan der gi eksplosjonsfare. En Stirlingmotor kan bygges for å gå stille og uten lufttilførsel, for drift av ubåter. Motorene starter lett (men sakte, etter oppvarming) og går alltid godt i kaldt vær, i motsetning til ICE.
I bil?
1986 bygde NASA en Stirling bilmotor og satte den i en Chevrolet Celebrity. Forbruket ble forbedret med 45 % og utslippene sank kraftig. Akselerasjon (kraftrespons) var som i en standard forbrenningsmotor. Stirlingmotoren, kalt Mod II, viste dessuten at Stirling-motorer IKKE er tunge, dyre, upålitelige og har dårlig ytelse.
Fordeler:
Katalysator, lyddemper og hyppige oljeskift er ikke nødvendig. Ulemper:
Stirlingmotoren krever varmeveksler for varmetilførsel og -effekt, og den må holde trykket til arbeidsmediet, som jo er proporsjonalt med motoreffekten.
I tillegg har varmeveksleren (energigjenvinneren) på ekspansjonssiden ofte svært høy temperatur, så materialene må motstå korrosjon og ha lav (termisk) kryp. Dette øker kostnadene. Material- og monteringskostnaden for høytemperatur-delene utgjør ofte 40 % av den totale motorkostnaden.
Alt i alt
Stirling er en interessant maskin men vil aldri bli aktuell for annet enn stasjonær bruk. Selv ikke lokomotivfolk satser på den. Sorry.
*Stirling-motoren ble utviklet av den skotske presten (!) Robert Stirling i 1816 for å være en industriell kraftpakke i konkurranse med Watts dampmaskin. Men praktisk nytte var begrenset til laveffekts anlegg i over 100 år. Satsing på fornybar energi, som solvarme, gjør at Stirlingmotorer nå går på konsentrert solenergi – og bl.a. brukes som varmepumpe.
**Kokende vann som driver noe har mennesker holdt på med siden oldtiden, men eldre maskiner var upraktiske. Beaumont fikk i 1606 det første patentet.
I 1698 patenterte Savery en pumpe der damp virket rett på vannet som skulle flyttes, maskinen brukte kondensering (sammenklapping) av damp for å skape et vakuum: Vann ble sugd inn i et kammer og så drev (ny) trykkdamp ut vannet. T Newcomen (1664–1729) laget en atmosfærisk dampmaskin som var den første med stempel. Fra 1712 pumpet slike opp vann fra kullgruver.
I 1781 tok James Watt (1736–1819) patent på en maskin med jevn roterende bevegelse. Den ga ti hk og drev mange slags andre maskiner. Maskinen var hovedårsaken til den industrielle revolusjonen fordi fabrikker uten vannkraft nå fikk effektiv arbeidshjelp. Maskiner med høyt trykk var blitt så små og lette at de også kunne drive lokomotiver og diligencer.
