Stirling motorok az energetikában

Az 1940-es évektől szigetüzemű áramtermelésre, majd hűtésre tökéletesítette a holland Philips cég, és a 20. században időről időre többször is előkerült. Az utóbbi években egyre nagyobb hangsúlyt kapó fenntartható fejlődésnek köszönhető a motor visszatérése, mivel elvi felépítéséből fakadóan képes megújuló energiaforrásokkal üzemelni és hulladékhő alapú villamosenergiát termelni.

A Stirling motor egy külső hőforrás által működtetett hőerőgép, mely munkaközegként levegőt, hidrogént vagy héliumot használ egy zárt körfolyamatban. Rendkívül sokoldalúan használható az igényeknek és a hőforrásoknak megfelelően, így teljesítményüket tekintve a mW-tól a MW-ig terjedő gépek léteznek. Működtetéséhez szinte bármilyen külső hőforrás megfelelő, beleértve a fosszilis üzemanyagokat, hulladékhőt, geotermikus, kémiai, nukleáris és napenergiát is.

Ellentétben a belső égésű motorokkal, a hőbevitel időben állandó, kevesebb mozgó alkatrészt tartalmaz, jobb a kiegyensúlyozottsága, emiatt a berendezés lényegesen csendesebben tud üzemelni. Ez akkor különösen előnyös, ha a fogyasztókhoz közel kell üzemeltetni a berendezést, vagy kimondott elvárás a csendes járás, például tengeralattjáróknál. Karbantartás igénye alacsony, hiszen egyszerűbb a felépítése, kevesebb mozgó alkatrészből áll. Sokkal kisebb nyomáson üzemelnek, ezért biztonságosabbak, mint a hagyományos hőerőgépek.

Az ideális Stirling körfolyamat négy termodinamikai folyamatból áll, melyek az izotermikus expanzió, izochor hőelvonás, izotermikus kompresszió és izochor hőbevitel. A körfolyamat hajtóereje a hideg és meleg oldal közti hőmérsékletkülönbség, hatásfoka akkor nagy, ha a hőbevezetés magas, a hőelvonás pedig alacsony hőmérsékleten történik. Gyakorlatban a Stirling motorok elektromos hatásfoka akár 25% is lehet, termikus hatásfoka pedig 74% az alkalmazott nyomásszinttől függően. Az összhatásfok értéke elérheti a 91%-ot [1]. Alkalmazásuk egy másik lehetséges formája a körfolyamat megfordításából adódik. Ehhez egy elektromos motorral mechanikai munkát kell bevinni a rendszerbe, eredményül pedig extrém alacsony hőmérsékletet (akár -258 °C) lehet elérni. Az ilyen kirogén hűtőgépekkel a hidrogén és a neon is cseppfolyósítható.

Alapvetően három fő Stirling motortípust különböztetünk meg. Az Alfa változat egy hideg és egy meleg dugattyúból áll, melyek mindegyike végez munkát. A gáz a két henger között közlekedik a regenerátoron keresztül. A Beta változatban egy munkadugattyú és egy kiszorító dugattyú található. A két dugattyú egy hengerben helyezkedik el, így a holt tér mérete csökken, ami jobb hatásfokot eredményez, a gép pedig összességében kompaktabb, de bonyolultabb szerkezetű. A Gamma típus a két változat között helyezkedik el, hiszen a kiszorító- és munkadugattyú két különálló hengerben található, de ugyanahhoz a tengelyhez csatlakoznak. Ezáltal a berendezés felépítése egyszerűsödik, de csak kisebb egységteljesítmény érhető el vele, mint a Beta változattal.

A motoroknak számos alkalmazási területük van az energetikában. Az egyik a háztartási méretű mikro CHP (kapcsolt villamos- és hőenergia termelő) rendszerek, melyek decentralizált hő- és villamosenergia termelést valósítanak meg. Ilyen berendezésekkel több gyártó is foglalkozik (Viessmann Vitotwin 300-W, Remeha eVita), 90-95% feletti összhatásfokú Stirling motorokkal indítottak lakóépületekben demonstrációs projekteket. Jelenleg is aktív fejlesztések folynak különböző alternatív tüzelőanyagok bevonásával, melyek kombinált energiaellátást biztosíthatnak villamos és földgáz hálózatoktól távoli, izolált épületeknek [2].

Egy másik felhasználási mód a koncentrált napenergia hasznosítás, amely a 2000-es években számos kísérleti beruházást eredményezett. Parabola tányérokkal a motor meleg oldalára összpontosítják a napsugarakat, amelyek nagy hőmérsékletű hőforrást biztosítanak a Stirling motor számára. Ilyen napkövető rendszerekkel a Maricopa Solar Project keretében Arizonában 1,5 MWe teljesítményt tudtak előállítani 26%-os hatásfok mellett, ami a napenergia alapú kiserőművek között kiemelkedőnek számít. Napjainkban a kínai támogatott fotovoltaikus piac hátráltatja a technológia elterjedését, de előnyt jelenthet számára, hogy magas hőmérsékletű, sivatagi területeken jelentősen magasabb hatásfokkal tud üzemelni és gyártásához is kevesebb speciális félvezető anyagra van szükség. Kérdés, hogy ezek az előnyök milyen energiapolitikai döntések során tudnak újra versenyképességet jelenteni.

Ipari hulladékhő hasznosítás esetében biomassza- vagy gáztüzelésű kazánokba integrálható motorokkal lehet kapcsolt energiatermelést megvalósítani. Ezek a hagyományos gőzkörfolyamatokhoz képest alacsonyabb hőmérsékletek mellett is működőképesek. Ilyen célra lettek kifejlesztve a Qnergy PowerGen rendszerei, amelyeket ipari hulladékhő vagy biogáz hasznosítására telepítenek távoli energiaellátási pontokon és kisebb ipari létesítményekben akár 5,6 kWe egységteljesítmény mellett.

A NASA az elmúlt évtizedben is aktívan fejlesztette a radioizotópos Stirling elven működő generátorokat, például az Radioisotope Power Systems koncepciót, amelynél a hagyományos égés helyett radioizotópos hőforrás (plutónium-238, amerícium-241) biztosítja a szükséges hőenergiát. Az ilyen rendszerek elfogadhatóan nagy hatásfokkal (20%) több évtizedes üzemidővel képesek villamos energiát termelni, ezért különösen alkalmasak mélyűri küldetések energiaellátására pár wattos mérettől egészen 350 W teljesítményig [4]. A központi hőforrás köré telepített generátor egységek számának növelésével a berendezések mérete igény szerint növelhető.

A felsorolt alkalmazási példák, a magas elméleti hatásfok, sokféle alkalmas hőforrás, csendes működés és alacsony karbantartási költségek ellenére a Stirling motorok széleskörű elterjedése még várat magára. Bár folyamatos kutatások és fejlesztések tárgyát képezi, jelenleg nehezen versenyképes a magas beruházási költségek, tömítési problémák és a lassú dinamikus szabályozhatósága miatt. A jövő kihívásai azonban teret nyithatnak a Stirling motorok széleskörű elterjedésének, hiszen a jelenleg domináns fosszilis tüzelőanyagok visszaszorulásával az alternatív hőforrásokra alapuló gépek versenyképessége nagyban nőhet. A decentralizált elektromos termelés iránti igény is ösztönzőleg hat az elterjedésre, amelynek kulcsa a gyártási költségek csökkenése, hasonlóan a fotovoltaikus rendszerekhez.

Források:

1. Ramla Gheith, Houda Hachem, Fethi Aloui, Sassi Ben Nasrallah: Stirling Engines. Comprehensive Energy Systems Energy conversion, 4, Elsevier, 2018, pp.169-208

2. García D, González MA, Prieto JI, Herrero S, López S, Mesonero I, Villasante C: Characterization of the power and efficiency of Stirling engine subsystems, Applied Energy 2014, 121:51–63

3. Yueh-Heng Li, Yu-Chi Chen, Yan-Ru Wang, Wen-Lih Chen, You-Cheng Kuo, Cheng-Jun Li: Development of a micro-CHP system combining a downdraft biomass gasifier and a Stirling engine, Applied Thermal Engineering 2026, Volume 293

4. energy.gov: Maricopa Solar Power Dish Plant, https://www.energy.gov/eere/solar/articles/maricopa-solar-power-dish-plant (elérés: 2026.03.10.)

5. Oriti, Salvatore M., and Scott D. Wilson: Dynamic Power Convertor Development for Radioisotope Power Systems at NASA Glenn Research Center, 2018 International Energy Conversion Engineering Conference, 2018