Stirling-generator: elektriciteit uit een temperatuurverschil
Een Stirling-generator is een apparaat dat elektriciteit maakt met behulp van een Stirlingmotor: een type motor dat werkt op een temperatuurverschil in plaats van op verbranding binnenin de motor zelf. Waar een benzinemotor explosies in een cilinder gebruikt om een zuiger te laten bewegen, gebruikt een Stirlingmotor de uitzetting en samentrekking van een ingesloten gas dat afwisselend wordt verwarmd en gekoeld. Die beweging drijft een as aan, en die as is gekoppeld aan een generator die de mechanische beweging omzet in stroom.
Denk aan een fietspomp die warm wordt als je hem snel gebruikt: lucht die wordt samengeperst en weer uitgezet, verandert van temperatuur en volume. Een Stirlingmotor draait dat principe om. Aan de ene kant van de motor zit een warmtebron, bijvoorbeeld een brander, zonlicht dat via spiegels wordt geconcentreerd, of radioactief materiaal dat vanzelf warmte afgeeft. Aan de andere kant zit een koeler deel. Het gas in de motor stroomt heen en weer tussen die twee zones, zet daar uit en krimpt, en die cyclus houdt een zuiger in beweging. Omdat de warmtebron niet per se verbranding hoeft te zijn, kan een Stirling-generator in principe op vrijwel elke warmtebron draaien.
Wat is het precies?
De Stirlingmotor is uitgevonden in 1816 door de Schotse predikant Robert Stirling, oorspronkelijk als veiliger alternatief voor de toenmalige stoommachines, die nogal eens explodeerden. Het basisprincipe is een gesloten cyclus: een vaste hoeveelheid gas, meestal helium, waterstof of gewoon lucht, blijft binnen de motor opgesloten en wordt niet ververst zoals bij een verbrandingsmotor.
De cyclus bestaat grofweg uit vier stappen. Het gas wordt eerst verwarmd in het hete deel van de motor, waardoor het uitzet en een zuiger wegduwt. Vervolgens stroomt het gas via een zogeheten regenerator, een soort warmtebuffer, naar het koude deel. Daar koelt het af en krimpt het weer, waardoor de zuiger terugbeweegt. Doordat het gas steeds heen en weer wordt gestuurd tussen een hete en een koude zone, blijft de zuiger op en neer bewegen zolang het temperatuurverschil bestaat.
Bij een generator wordt die op-en-neer of ronddraaiende beweging gekoppeld aan een elektrische generator. Bij klassieke uitvoeringen gebeurt dat via een krukas, vergelijkbaar met een gewone motor. Bij modernere, zogeheten free-piston Stirlingmotoren zit er geen mechanische krukas meer in: de zuiger beweegt vrij heen en weer in een magnetisch veld en wekt daarmee direct stroom op, wat de motor eenvoudiger en onderhoudsarmer maakt, met minder bewegende, slijtende onderdelen.
Een belangrijk kenmerk is dat de motor extern verwarmd wordt: de verbranding of warmtebron zit buiten de gasruimte, in tegenstelling tot een dieselmotor waar de verbranding in de cilinder zelf plaatsvindt. Dat maakt de motor relatief stil en trillingsarm, en geschikt voor warmtebronnen die niets met verbranding te maken hebben.
Wat wil men ermee bereiken?
Het aantrekkelijke van een Stirling-generator is de veelzijdigheid van de warmtebron. Omdat de motor niet afhankelijk is van interne verbranding, kan hij in theorie draaien op aardgas, biomassa, geconcentreerd zonlicht, restwarmte uit industriële processen, of zelfs de warmte die vrijkomt bij radioactief verval. Dat maakt hem interessant voor toepassingen waarbij een constante, geleidelijke warmtebron beschikbaar is, maar een gewone verbrandingsmotor niet praktisch of wenselijk is.
Een tweede belofte is efficiëntie bij kleinschalige, gecombineerde opwekking van warmte en elektriciteit, de zogeheten warmtekrachtkoppeling. Bij een cv-ketel met Stirlingmotor wordt de warmte die toch al nodig is om een huis te verwarmen, eerst gebruikt om een klein beetje stroom op te wekken, voordat de restwarmte alsnog het huis in gaat. Zo wordt brandstof dubbel benut.
Verder is stilte en betrouwbaarheid een pluspunt. Free-piston Stirlingmotoren hebben weinig bewegende delen die slijten, wat ze aantrekkelijk maakt voor toepassingen waar onderhoud lastig of duur is, zoals afgelegen locaties of de ruimte.
Voorbeelden uit de praktijk
De Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG) was een Amerikaans project van NASA en het ministerie van Energie, ontwikkeld samen met Sunpower Inc. Het doel was een generator voor ruimtesondes die de warmte van vervallend plutonium-238 met een Stirlingmotor omzet in stroom, veel efficiënter dan de klassieke thermo-elektrische generatoren die nu in sondes zoals Voyager en Curiosity zitten. Na succesvolle tests werd het programma in 2013 stopgezet vanwege budgetkortingen bij NASA, ondanks dat de techniek werkte.
In de zonne-energiesector zijn er dish-Stirling-systemen gebouwd: grote schotelvormige spiegels die zonlicht concentreren op een Stirlingmotor in het brandpunt. Het Amerikaanse bedrijf Stirling Energy Systems bouwde met partner Tessera Solar de Maricopa Solar-installatie in Arizona, die in 2010 in gebruik werd genomen. Het Duitse ruimtevaartinstituut DLR test vergelijkbare systemen al jaren op de Plataforma Solar de Almería in Spanje. Veel van deze commerciële initiatieven zijn later gestaakt of failliet gegaan, vooral omdat gewone fotovoltaïsche zonnepanelen intussen veel goedkoper werden.
Zweden gebruikt Stirlingmotoren al sinds de jaren tachtig in onderzeeboten, als zogeheten Air Independent Propulsion-systeem. Scheepsbouwer Kockums rustte de onderzeeboot Näcken in 1988 uit met een Stirlingmotor, en de latere Gotland-klasse gebruikt dezelfde techniek. De motor verbrandt daarbij dieselolie met vloeibare zuurstof aan boord, waardoor de boot wekenlang stil en zonder buitenlucht onder water kan blijven, iets wat met een gewone dieselmotor niet kan.
Op huishoudelijk niveau bestaat er micro-warmtekrachtkoppeling met Stirlingmotoren, bedoeld om in cv-ketels tegelijk warmte en een beetje stroom te leveren. Het Nieuw-Zeelandse WhisperGen bracht hiervoor al in de jaren 2000 een ketel op de markt. Ook Microgen Engine Corporation, gevestigd in Almere, ontwikkelde een kleine Stirlingmotor die via ketelfabrikanten als Remeha en Baxi in Europese huizen terechtkwam.
Hoe ver is de techniek?
De Stirlingmotor zelf is meer dan tweehonderd jaar oud en technisch grotendeels uitontwikkeld; de uitdaging zit vooral in het economisch rendabel maken van de toepassingen. Op de meeste terreinen blijft de Stirling-generator een niche naast goedkopere alternatieven.
Bij zonne-energie hebben fotovoltaïsche panelen dish-Stirlingsystemen grotendeels ingehaald: panelen werden de afgelopen vijftien jaar zo goedkoop dat de mechanische complexiteit van een Stirlingmotor met bewegende onderdelen nauwelijks nog te verantwoorden is. Bij micro-warmtekrachtkoppeling voor woningen bleef de markt klein, mede doordat de opgewekte hoeveelheid stroom bescheiden is vergeleken met de investering, en doordat woningen steeds vaker overstappen op warmtepompen in plaats van gasgestookte ketels.
De duidelijkste blijvende toepassingen zijn juist de niches waar betrouwbaarheid, stilte of een ongebruikelijke warmtebron zwaarder wegen dan kosten: onderzeeboten, afgelegen off-grid stroomvoorziening bij bijvoorbeeld olie- en gasinstallaties, en onderzoek naar ruimtevaarttoepassingen. Voor grootschalige toepassing op aarde ontbreekt vooralsnog een doorbraak die de Stirling-generator concurrerend maakt met goedkopere technieken zoals zonnepanelen, gasmotoren of batterijen.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten is Sunpower Inc, gevestigd in Ohio, een belangrijke ontwikkelaar van free-piston Stirlingmotoren geweest, onder meer voor NASA. Het opvolgende bedrijf Qnergy bouwt voort op die technologie en richt zich op Stirling-generatoren voor off-grid stroomvoorziening, bijvoorbeeld bij olie- en gaslocaties en telecommunicatie-installaties. NASA en het Amerikaanse ministerie van Energie hebben decennialang onderzoek gedaan naar Stirling-generatoren voor ruimtemissies.
In Europa doet het Duitse ruimtevaartinstituut DLR onderzoek naar zonne-Stirlingsystemen. Zweden heeft via scheepsbouwer Kockums decennialange ervaring met Stirlingmotoren in onderzeeboten. In Nederland is Microgen Engine Corporation, gevestigd in Almere, een van de weinige bedrijven die Stirlingmotoren voor huishoudelijke warmtekrachtkoppeling heeft ontwikkeld en op de markt gebracht.