Motori Stirling

Scopri il motore Stirling

Il motore Stirling è una macchina termica a combustione esterna che trasforma l’energia termica in energia meccanica sfruttando la dilatazione e la compressione di un gas (di solito aria, elio o idrogeno) all’interno di un sistema chiuso.

Inventato nel 1816 da Robert Stirling, pastore e inventore scozzese, questo tipo di motore fu inizialmente concepito come alternativa più sicura alle prime caldaie a vapore, soggette a esplosioni.
Nonostante abbia oltre due secoli di storia, il motore Stirling continua ad attrarre interesse grazie alla sua efficienza, silenziosità e flessibilità d’impiego.

Il motore Stirling opera secondo un ciclo termodinamico chiuso, in cui un gas – tipicamente aria, elio o azoto – viene riscaldato e raffreddato alternativamente all’interno di un contenitore sigillato. A differenza dei motori a combustione interna, in cui il combustibile brucia all’interno del cilindro, il motore Stirling riceve calore dall’esterno, ad esempio tramite una fiamma, una fonte solare o un flusso termico di scarto.

Il principio di base è quello dell’espansione e compressione di un gas in risposta a variazioni di temperatura:

1. Il gas viene riscaldato in una zona calda (spesso una camera in contatto con una fonte di calore esterna), provocando un aumento di pressione.

2. L’espansione del gas spinge un pistone, generando lavoro meccanico.

3. Il gas viene poi trasferito in una zona fredda, dove si raffredda.

4. Il pistone di compressione si muove, comprimendo il gas di lavoro. Il calore viene rilasciato all'ambiente esterno.

Questo processo avviene continuamente, con il gas che si muove avanti e indietro tra le zone calde e fredde del motore.

Il ruolo del rigeneratore

Un elemento centrale per l’efficienza del motore è il rigeneratore: una massa termica (solitamente una spugna metallica o una struttura porosa) situata tra la zona calda e quella fredda. Quando il gas caldo passa attraverso il rigeneratore verso la zona fredda, cede parte del suo calore alla massa del rigeneratore. Quando il gas freddo torna verso la zona calda, riassorbe quel calore.

Questa rigenerazione del calore:

• riduce le perdite termiche nel ciclo

• aumenta significativamente il rendimento termodinamico

• consente al motore di funzionare con un migliore bilancio energetico

Tipi diconfigurazione

Esistono diverse architetture di motore Stirling, tra cui:

• Alfa: due pistoni separati in due cilindri distinti (uno caldo e uno freddo)

• Beta: un pistone di potenza e un  dislocatore nello stesso cilindro

• Gamma: simile al Beta, ma con pistone e dislocatore in cilindri separati

Ogni configurazione ha vantaggi in termini di semplicità costruttiva, efficienza e ingombri.

Possibili applicazioni dei motori Stirling in ambito energetico

I motori Stirling trasformano calore in energia elettrica con combustione esterna, silenziosità e flessibilità di fonte termica (biomasse, biogas, solare termico, calore di scarto). Questo li rende ideali per molte applicazioni oltre ad aver bisogno di bassa manutenzione.

1) Recupero di calore di scarto (Waste-Heat-to-Power)

Dove: forni industriali, essiccatoi, fonderie, cartiere, vetrerie, trattamenti termici, compressori.
Perché: si produce elettricità dall’energia “in eccesso”, mantenendo calore utile per il processo.
Spunto: riduzione costi energetici ed emissioni senza toccare il processo principale.

2) Micro-cogenerazione (CHP) per siti produttivi e terziario

Dove: PMI manifatturiere, officine, serre, hotel, piccoli distretti termici.
Perché: un unico sistema fornisce elettricità + caldo (o acqua calda) con ottimi rendimenti stagionali.
Spunto: sostituzione/integrazione delle caldaie con un sistema CHP compatto e silenzioso.

3) Integrazione con rinnovabili termiche

Dove: solare a concentrazione, biomasse solide, biogas a basso tenore, calore da piani di teleriscaldamento.
Perché: lo Stirling è multifuel e tollera fonti termiche diverse.
Spunto: sistemi ibridi con fotovoltaico + Stirling per coprire anche le ore serali/notturne.

4) Siti remoti e micro-reti (off-grid)

Dove: rifugi, isole minori, impianti agricoli aree rurali non urbanizzate, siti di pompaggio isolati, ecc.
Perché: autonomia 24/7 con fonti locali (biomassa, scarti agricoli) e bassa manutenzione.
Spunto: backup affidabile per micro-grid con peak-shaving e ricarica storage.

5) Raffrescamento e refrigerazione (ciclo Stirling inverso)

Dove: raffrescamento tecnico, conservazione, applicazioni speciali.
Perché: invertendo il ciclo, si ottiene un frigorifero Stirling molto efficiente e silenzioso.
Spunto: trigenerazione (CCHP): elettricità + caldo + freddo dallo stesso sistema.

Come possiamo lavorare insieme

1. Sopralluogo/idea check → mappiamo fonti di calore disponibili e fabbisogni.

2. Studio di fattibilità tecno-economica → rendimenti attesi, integrazione impianto, payback.

3. Prototipo/pilota → dimensionamento, test su banco o on-site.

4. Ricerca contribuita → partnership a bandi e incentivi (FESR regionali, Horizon Europe, PNRR, credito d’imposta R&S).

Le nostre esperienze

Da oltre vent’anni lavoriamo sulla tecnologia Stirling: ricerca, progettazione, prototipazione e test su banco. Nel tempo abbiamo realizzato numerose versioni multicilindriche, sperimentando materiali e configurazioni differenti per scambiatori, rigeneratori e cinematismi, convalidando le soluzioni attraverso campagne di prova dedicate.

Sviluppo continuo

Attualmente stiamo sviluppando nuove famiglie di motori con configurazioni innovative, geometrie variabile, sistemi per il controllo delle leggi di moto e per il controllo di coppia per:

• ampliare il range di potenza e l’efficienza ai carichi parziali,

• ridurre vibrazioni e usura,

• integrare in modo flessibile fonti termiche diverse.

Dalle applicazioni elettriche al “freddo”

Accanto alle applicazioni per la produzione di energia elettrica e alla micro-cogenerazione, stiamo approfondendo una linea dedicata alla generazione e all’accumulo di freddo.
Grazie al principio Stirling inverso il sistema può essere usato come pompa di calore:

• per raffrescare ambienti;

• per raffreddare i gas a temperature estremamente basse (anche criogeniche) da utilizzare in processi industriali;

• per riattivare e mantenere il ΔT necessario al ciclo, in sistemi ibridi con storage termico.

Cosa mettiamo a disposizione

• Esperienza comprovata su motori multicilindrici in più taglie.

• Laboratori e banchi prova per caratterizzazione e validazione.

• Co-sviluppo con aziende ed enti, con supporto alla ricerca contribuita (bandi e incentivi).

Opportunità, contributi e sostegno alla ricerca

Perché investire ora nello sviluppo della tecnologia Stirling

La transizione energetica, la necessità di ridurre le emissioni e il recupero efficiente del calore di scarto stanno concentrando l’attenzione di programmi di finanziamento nazionali ed europei su tecnologie che, come il motore Stirling, coniugano efficienza, silenziosità e versatilità di combustibile.

Di seguito una panoramica delle principali leve che oggi rendono conveniente avviare o rafforzare progetti di R&D in questo ambito.

Perché cogliere adesso queste opportunità

• Finestra temporale 2024-2027 Molti programmi (Horizon Europe, PNRR, FESR) hanno call aperte o in apertura con dotazioni elevate su soluzioni “waste-heat to power” e “hybrid renewable-CHP”.

• Filiera manifatturiera italiana forte La meccanica di precisione nazionale è un asset chiave riconosciuto dai bandi: progetti che coinvolgono PMI e distretti produttivi ottengono punteggi premiali.

• Obiettivi ESG e tassonomia UE Le imprese energivore devono dimostrare percorsi di decarbonizzazione: una micro-cogenerazione Stirling, silenziosa e modulare, è un retrofit appetibile.

• Benefici fiscali cumulabili È possibile integrare sovvenzione a fondo perduto, credito d’imposta R&S e maggiorazione “beni 4.0” sui prototipi strumentali.

Come possiamo supportare partner e investitori

• Progettazione e pacchetto tecnico-scientifico per candidature Horizon/FESR (state-of-the-art, WP, Gantt, KPI energetici).

• Dimostratori su scala laboratorio o impianto pilota, con dati verificabili (rendimenti, curve di carico, analisi LCA).

• Documentazione per brevetti, FTO e certificazioni (CE, direttiva PED, norme CHP).

• Networking con poli universitari, cluster energy e competence center 4.0 per creare consorzi di progetto.