Kan de Stirling motor nog doorbreken?

Deze post is een eerste deel in een reeks van twee artikelen over de Stirling motor en over de toekomst en nieuwe ontwikkelingen omtrent dit type motoren. De volgende post, die binnenkort zal gepost worden, is dan het tweede artikel van deze reeks en bouwt verder op dit artikel.   

Indien de eerste ontwikkelaars van de auto hadden geopteerd voor een Stirling motor in plaats van een Otto of een Diesel motor, dan hadden we nu allemaal rondgereden in wagens die veel efficiënter werken en minder vervuilende gassen produceren. Maar een aantal zaken in de evolutie van de auto zorgden ervoor dat de Stirling geen interessant alternatief was voor de motor in auto's. In het algemeen heeft de Stirling motor een aantal voordelen, namelijk is de werking van deze motor een stuk efficiënter dan de Otto en de Diesel motor. Daarnaast kan de Stirling motor werken met een heel veel verschillende soorten brandstoffen. 

De Stirling motor is in tegenstelling tot andere voertuigmotoren een externe verbrandingsmotor, de Otto en de Diesel motor zijn allebei interne verbrandingsmotoren. Het feit dat de verbranding hier nu extern gebeurt, kan men er beter voor gaan zorgen dat er minder schadelijke verbrandingsgassen gaan ontstaan tijdens de verbranding van de brandstof. Ondanks het feit van dat de verbranding extern gebeurt, dit voorkomt niet dat er een heleboel CO2 ontstaat. Maar doordat het rendement groter is, is de CO2-uitstoot van een Stirling motor per hoeveelheid nuttige energie een stuk kleiner dan bij een Otto of Diesel motor. In een Otto en een Diesel motor vinden er steeds ontploffingen plaats, maar in een Stirling motor is dit niet het geval, waardoor een Stirling motor ook heel wat minder lawaai maakt.

Een Stirling motor wordt ook wel eens een heteluchtmotor genoemd, dit omdat in deze motor er gebruik gemaakt wordt van de expansie van lucht of andere gassen door verhitting en de contractie ervan bij afkoeling. Het principe van deze motor werd bedacht door Robert Stirling, een Schotse dominee. Hij had van jongs af aan belangstelling voor techniek en wetenschap. Hij maakte zich zorgen om de arbeiders en de gevaren waaraan zij blootgesteld waren door het gebruik van stoommachines in de fabrieken. In de tijd dat Robert Stirling leefde, aan het begin van de 19de eeuw, was er nog geen plaatstaal beschikbaar van hoge kwaliteit, en daarom gebeurde het wel eens dat er een stoommachine ontplofte. En wanneer dit gebeurde, dan vielen er vaak gewonden onder de arbeiders die er aan het werk waren. Daarom besloot Robert Stirling om het ontwerp van een al bestaand type luchtmotor te optimaliseren in de hoop een veiliger alternatief te bekomen voor de stoommachines in de fabrieken van toen.

Binnen een jaar na zijn eerste ontwerp, had hij al verdere verbeteringen bedacht. Namelijk de 'heat economiser', dit is een regenerator die ervoor zorgt dat er minder warmte verloren gaat naar de omgeving en dus dat er uiteindelijk minder brandstof verbruikt wordt. In 1817 kreeg hij een patent op zijn ontwerp voor de luchtmotor en op een luchtmotor met een ingebouwde regenerator. Het duurde daarna nog tot 1818 tot dat hij zijn eerste praktisch bruikbare versie van zijn ontwerp heeft gebouwd, deze werd gebruikt om water uit een steengroeve naar boven te halen.

In de Stirling motor bestaat steeds uit een warme ruimte of cilinder en een koude ruimte of cilinder. Daarnaast is er een zuiger of een ander mechanisme, die ervoor zorgt dat lucht heen en weer beweegt tussen deze warme en koude ruimte. Als de lucht zich in de warme ruimte bevindt, dan zal deze opwarmen en expanderen. En doordat tijdens het expanderen er dus een grote volume ingenomen zal worden, wordt er daarbij arbeid verricht op een zuiger in deze warme ruimte. Eenmaal de expansie heeft plaatsgevonden, verplaatst deze lucht zich terug naar de koude ruimte. Daar wordt de lucht afgekoeld en gaat deze terug krimpen.

De geïdealiseerde Stirling cyclus bestaat uit vier thermodynamische processen die op het gas werken. Namelijk wordt in de eerste stap de lucht in de koude cilinder gecomprimeerd, dit proces gebeurt isotherm, wat wil zeggen dat de temperatuur constant blijft gedurende dit proces. De gegenereerde warmte tijdens deze compressie wordt onmiddellijk afgevoerd uit de koude cilinder. Aan het einde van deze stap is het volume van de lucht, die zich nu in de koude cilinder bevindt, een stuk kleiner. Daarnaast is de druk wel veel hoger en de temperatuur is dezelfde als voordien. In de tweede stap verplaatst de lucht zich van de koude naar de warme cilinder. Bij deze transfer verandert er op het eerste moment niet aan de toestand van de lucht. Maar eenmaal in de warme cilinder, begint de lucht op te warmen. De temperatuurstijging van de lucht verloopt isochoor. Dit wil zeggen dat het volume van de lucht onveranderd blijft. Tijdens het isochoor opwarmen van de lucht, stijgt de temperatuur en de druk van de lucht. 

Nadat de lucht opgewarmd is, zorgt de hoge druk ervoor dat de zuiger in de warme cilinder naar achteren wordt geduwd. Nu expandeert de opgewarmde lucht en gaat het dus een groter volume innemen. Deze expansie gebeurt isotherm want aangezien de lucht zich in de warme cilinder bevindt blijft de temperatuur constant. Het is tijdens dit proces dat er arbeid geleverd wordt door de motor, die daarna nuttig gebruikt kan worden. Eenmaal de expansie heeft plaatsgevonden, beweegt de zuiger in de warme cilinder terug helemaal naar boven waardoor al de lucht terug naar de koude cilinder gaat. Tijdens de overgang van de lucht van de warme naar de koude cilinder, verandert er niets aan de fysische toestand van de lucht. In de koude cilinder koelt de lucht af. Dit gebeurt terug bij een constant volume. En als de lucht terug afgekoeld is, dan bevindt de lucht zich terug in de begintoestand en kan de volgende cyclus starten.

Later werd er ook nog een regenerator aan de Stirling motor toegevoegd. Dit is een interne warmtewisselaar voor tijdelijke warmte opslag tussen de warme en de koude cilinder. Op het einde van de cyclus verplaatst de warme lucht zich van de warme cilinder naar de koude cilinder en daar koelt die af. Maar nu wordt deze lucht door de regenerator geleidt, waar het zijn warmte kan afgeven en dus al afkoelt voordat het in de koude cilinder terecht komt. En bij de volgende cyclus, wordt de koude lucht die naar de warme cilinder verplaatst wordt, eerst door de regenerator geleidt. Daar neemt de lucht de eerder afgegeven warmte weer op en warmt het dus al op voordat het in de warme cilinder terecht komt. Op deze manier gaat er minder warmte verloren tijdens het afkoelen van de warme lucht in de koude cilinder. En omgekeerd in ook waar, zo is er dus minder warmte nodig in de warme cilinder om de lucht op te warmen. Dit is het algemeen principe voor een Stirling motor. Er bestaan namelijk wel verschillende uitvoeringen, maar deze zijn uiteraard allemaal gebaseerd op dit principe.

Ondanks dat hun werking veel efficiënter en flexibeler is, toch is de Stirling motor (nog) niet in algemeen gebruik. Hoewel grote bedrijven zoals NASA, Philips en General Motors er al miljoenen aan geld in gestopt hebben. Dit heeft gezorgd voor zeer innovatieve oplossingen voor steeds dezelfde zwakke punten van de Stirling motor. Deze zijn namelijk dat de Stirling motor niet echt geschikt om te werken met een variërend toerental en vermogen. Deze motor werkt uitstekend bij een vast toerental en vermogen, maar dit resulteert erin dat hij niet snel kan accelereren. En een tweede zaak, is dat bij grote vermogen de Diesel en Otto motor wel een hoog rendement kunnen behalen en kunnen ze het rendement van de Stirling motor evenaren.

Daarnaast lijkt het er sterk op dat het nu te laat is voor de Stirling Motor om nog een grote doorbraak te maken in de transportwereld. Momenteel worden vele nieuwe technologieën naast verbrandingsmotoren onderzocht en overwogen. Dus er kan misschien wel gezegd worden dat het veel te laat is voor de Stirling motor om succes te hebben, zelfs ondanks alle veelbelovende eigenschappen van de theorie achter deze motor. 

Geschreven door Emile Glorieux