Stirling: la piccola unità micro-cogenerativa

Una tecnologia brevettata 2 secoli fa, ma che ancora oggi deve fare i conti con quelle irreversibilità che allontanano la macchina dal suo funzionamento teorico

Sono passati quasi 200 anni da quando il Rev. Robert Stirling depositò il suo primo brevetto del motore che oggi porta il suo nome. Il motore Stirling ha una lunga storia. Scoperto nei primi decenni dell’Ottocento per superare gli inconvenienti del motore a vapore, lo studio del motore Stirling fu trascinato nell’oscurità appena dopo l’invenzione di un nuovo processo per la produzione di acciaio di qualità che rese i motori a vapore più potenti e sicuri.
L’interesse nei suoi confronti rinacque soltanto a partire dagli anni 30, grazie principalmente ai Laboratori di Ricerca della Philips di Eindhoven. Lo scopo era quello di realizzare una piccola unità di generazione che potesse regolare e fornire in maniera silenziosa l’energia elettrica necessaria al funzionamento delle trasmissioni radio anche lontano dalla rete. Ma negli anni 50 l’avvento dei transistor e lo sviluppo di batterie più performanti ridussero la sua utilità. Negli anni successivi, lo sviluppo e l’impiego del motore Stirling come unità di potenza si limitò al solo campo aerospaziale, ad applicazioni di criogenia e di nicchia. Senza successo fu il tentativo negli anni 70 da parte della Ford Motor di Detroit di sostituire, nel settore automobilistico, i ben più leggeri e collaudati motori a combustione interna con i meno inquinanti motori Stirling. Soltanto di recente, come risultato della crescente attenzione verso problematiche connesse all’inquinamento ambientale e acustico, il motore Stirling ha attirato nuovamente interesse come unità di micro cogenerazione e di piccola potenza.
A partire dal 1982, ogni due anni, ricercatori, operatori industriali e appassionati di tutto il mondo si ritrovano per l’International Stirling Engine Conference (ISEC) per confrontarsi sulle principali novità e problematiche connesse con lo sviluppo delle macchine a ciclo Stirling, che operano secondo un ciclo termodinamico chiuso. Si tratta di macchine che hanno da sempre affascinato e incuriosito tecnici e fisici da ogni parte del mondo, che hanno deciso di dedicare gran parte della loro attività di ricerca allo studio e allo sviluppo della termodinamica di base.
A fronte di rendimenti teorici perfino superiori a quelli della macchina di Carnot, le macchine a ciclo Stirling hanno sempre presentato rendimenti reali di gran lunga inferiori. Negli anni, molti degli sforzi sono stati condotti proprio nell’analisi e nello studio di quelle irreversibilità (perdite) che allontanano la macchina dal suo funzionamento teorico. Studi approfonditi del sistema hanno spesso prodotto interessanti risultati fino ad arrivare alla definizione di nuovi componenti e configurazioni. Varianti delle configurazioni standard, tali soluzioni hanno offerto preziosi contributi e suggerimenti per la realizzazione di alcune macchine commerciali. Ma l’interesse principale verso le macchine a ciclo Stirling è certamente legato al loro utilizzo come unità micro-cogenerativa. La notevole silenziosità di funzionamento, unitamente alla sua affidabilità e all’elevato rendimento complessivo, infatti, le rendono una valida alternativa ai boiler come unità di micro-cogenerazione domestica. È in tale ambito che il motore ha raggiunto la sua piena maturità e conseguito un apprezzabile successo commerciale nelle aree geografiche più idonee alla micro-cogenerazione domestica.
La macchina di Stirling tra l’altro, è capace di funzionare anche secondo ciclo inverso per la produzione del freddo, in applicazioni criogeniche o più ampiamente come pompa di calore. Si tratta di applicazioni limitate, nelle quali tuttavia la macchina può vantare un successo consolidato.
L’attenzione alle problematiche di inquinamento ambientale ha interessato anche il mondo dello Stirling che grazie alla sua policombustibilità ben si presta all’impiego di fonti di energia rinnovabile come solare e biomasse. Molti sono stati i tentativi, anche di successo, per adattare il motore all’alimentazione solare, come la soluzione Dish Stirling, attraverso la quale viene concentrata sulla testa del motore l’energia solare incidente sulla superficie di uno specchio parabolico. Ma il consistente e rapido calo dei prezzi dei moduli fotovoltaici ha limitato (e non poco) la diffusione dei sistemi termodinamici Stirling e spostato l’attenzione verso soluzioni alternative, quali per esempio l’alimentazione a biomassa, capace di offrire una prospettiva di mercato decisamente più incoraggiante. Molte delle più recenti novità si registrano proprio per le configurazioni Stirling a biomassa e cippato, con prodotti che, oltre ad essere eco-compatibili, risultano particolarmente idonei per l’elettrificazione di aree remote o sottosviluppate. In queste zone, infatti, si ha spesso abbondanza di biomassa legnosa che può essere facilmente sfruttata per l’alimentazione dei motori.
Queste e molte altre novità e problematiche verranno discusse con attenzione durante il XV ISEC che quest’anno, per la prima volta dal 1982, si terrà in due separate sessioni. La prima sessione sarà online dal 10 al 22 settembre 2012, attraverso un portale dedicato. La seconda parte, invece, si terrà presso il Centro Interuniversitario di Dubrovnik, dal 27 al 29 Settembre 2012 con una due giorni di discussioni plenarie.

di Luca Cioccolant – Stirling International Association

“Approfondisci il tema della cogenerazione domestica”