Stirlingmotor: så fungerar den, verkningsgrad och användning

En stirlingmotor är en värmemotor som gör rörelse av en temperaturskillnad: en instängd gas värms upp på ena sidan, kyls på den andra, och tryckskillnaden driver en kolv. Värmen tillförs utifrån, så motorn kan gå på nästan vilken värmekälla som helst, till exempel ved, pellets, gas, solvärme eller spillvärme. Den är tyst och fungerar bra i svenska ubåtar, men som elverk för villor har den aldrig slagit igenom.

Hur fungerar en stirlingmotor?

I motorn finns en bestämd mängd gas som aldrig byts ut, oftast luft, helium eller väte. Gasen flyttas fram och tillbaka mellan en varm och en kall del av motorn. När gasen är varm är trycket högt, och då får den expandera och trycka på kolven. När gasen är kall är trycket lågt, och då är det lätt att trycka ihop den igen. Eftersom det kostar mindre arbete att komprimera kall gas än man får ut när varm gas expanderar blir det ett överskott av arbete som driver en vevaxel eller en generator.

Två delar är avgörande:

• Förträngaren (displacer) flyttar gasen mellan den varma och den kalla sidan, medan arbetskolven tar ut kraften. I vissa konstruktioner sköts samma sak av två kolvar i varsin cylinder.
• Regeneratorn är en värmeväxlare, ofta ett nät eller en fyllning av metall, som gasen passerar på väg mellan sidorna. Den tar upp värme när gasen strömmar mot den kalla sidan och lämnar tillbaka den när gasen strömmar tillbaka. Då behöver inte all värme tillföras på nytt i varje varv. Robert Stirling beskrev den redan i sitt patent och kallade den ”economiser”.

Alfa, beta och gamma: tre sätt att bygga motorn

Stirlingmotorer delas in i tre grundtyper efter hur kolvarna är placerade. Principen är densamma, men konstruktionerna har olika styrkor.

Det finns också frikolvsmotorer, där kolvarna inte är kopplade till någon vevaxel utan svänger fritt och driver en linjär generator. De har få rörliga delar och kan vara helt slutna.

Arbetsgasen står ofta under högt tryck för att motorn ska ge mer effekt. Enligt Store norske leksikon används i dag oftast väte eller helium, och det högsta gastrycket kan ligga kring 15 000 kPa, ungefär 150 gånger atmosfärstrycket.

Stirlingcykelns fyra steg

Fackorden är isoterm (konstant temperatur) och isokor (konstant volym). I en verklig motor går stegen in i varandra, men modellen förklarar varför motorn fungerar.

Stirlingmotor jämfört med en vanlig bilmotor

Hur hög är verkningsgraden?

I teorin kan stirlingcykeln nå samma verkningsgrad som den ideala Carnotcykeln, alltså det högsta som är fysikaliskt möjligt mellan två temperaturer. Gränsen räknas ut som 1 minus kalla sidans temperatur delad med varma sidans, i kelvin.

Räkneexempel. Med en varm sida på 650 °C (923 K) och en kall sida på 25 °C (298 K) blir den teoretiska gränsen 1 − 298/923, alltså cirka 68 procent. Verkliga stirlingmotorer når ungefär hälften av den teoretiska gränsen, eftersom värmeväxlare och regenerator aldrig är perfekta och friktion tar en del.

För små stirlingmotorer som gör el och värme i bostäder anges en elektrisk verkningsgrad på 10–20 procent. Resten av energin blir värme. Det är därför marknadsföring ibland talar om ”över 90 procent”: då räknas både el och värme som tas tillvara, inte bara elen.

Ju kallare den kalla sidan är, desto bättre fungerar motorn. En stirlingmotor går alltså något bättre en kall vinterdag.

Vad ger en stirlingmotor i el och värme?

Den elektriska verkningsgraden avgör allt. Så här fördelar sig energin från 100 kWh bränsle, till exempel pellets, vid de verkningsgrader som anges för små anläggningar:

Slutsatsen: en stirlingmotor i ett hus är i första hand en panna som också gör lite el. Den är bara vettig om du ändå behöver värmen. På sommaren, när huset inte behöver värme, går den mesta energin förlorad om du kör motorn för elens skull. För enbart el är solceller, till exempel ett balkongkraftverk, ett enklare alternativ.

Robert Stirling och teknikens historia

• 1816. Den skotske prästen Robert Stirling patenterade sin luftmotor. Ångpannor med högt tryck exploderade ofta på den tiden, och Stirling ville ha en säkrare maskin utan panna.
• 1818. En motor byggd efter hans konstruktion pumpade vatten ur ett stenbrott i Ayrshire i Skottland.
• 1845. Brodern James Stirlings större motor för ett gjuteri i Dundee presenterades för Institution of Civil Engineers. Delar gick sönder av den höga värmen, och motorn ersattes till slut av en ångmaskin.
• 1930-talet till 1950-talet. Philips började forska på motorn i slutet av 1930-talet och myntade namnet ”Stirling engine” 1945. Elverket MP1002CA gav 180–200 watt, men transistorradioerna drog allt mindre ström och generatorn var dyr att tillverka. Omkring 150 exemplar hade byggts 1951.
• 1978–1985. NASA drev ett program för stirlingmotorer i bilar, finansierat av USA:s energidepartement. En testbil från 1985 körde 32 procent längre per liter bränsle än fabriksversionen.
• 1987–1988. Den svenska ubåten Näcken förlängdes med en sektion som innehöll en prototyp av ett stirlingsystem.
• 2011. Amerikanska Stirling Energy Systems, som byggde solkraftverk med paraboler och stirlingmotorer, gick i konkurs. Tekniken kunde inte konkurrera med solceller som blev allt billigare.
• 2018. NASA testade reaktorn KRUSTY, som använder stirlingteknik för att göra el, med tanke på framtida rymdfärder.

Stirlingmotorn i svenska ubåtar

Det mest kända användningsområdet i Sverige är ubåtarna. En vanlig dieselelektrisk ubåt måste upp till ytan, eller köra med snorkel, för att ladda batterierna. Det avslöjar den. Kockums, i dag Saab Kockums, utvecklade i stället ett luftoberoende system (AIP) där stirlingmotorer drivs med bränsle och flytande syre som förvaras ombord.

• Näcken fick en åtta meter lång sektion med ett prototypsystem 1987–1988, vilket gav en uthållighet under vatten på 14 dagar.
• Gotlandklassen, med Gotland, Uppland och Halland, byggdes med stirlingsystem från början och togs i tjänst i mitten av 1990-talet. Varje båt har två stirlingenheter som driver en generator på 75 kW. Ubåtarna kan stanna under vatten i veckor, och hur länge beror på hur mycket flytande syre som finns ombord.
• Södermanlandklassen byggdes om med en tolv meter lång stirlingsektion 2003–2004.
• Blekingeklassen (A26) får femte generationen av Saab Kockums stirlingsystem. Sveriges två båtar, Blekinge och Skåne, ska enligt ett avtal med FMV i oktober 2025 levereras 2031 och 2033.

Även Japan använder tekniken. De tio första japanska Sōryū-ubåtarna har Kockums stirlingmotorer som byggs på licens av Kawasaki. De två sista båtarna i klassen fick i stället extra litiumjonbatterier.

Varför passar stirlingmotorn så bra i en ubåt?

• Den är tyst. Förbränningen sker jämnt utanför cylindrarna, utan explosioner som hörs i vattnet.
• Den klarar sig utan luft. Med flytande syre ombord behövs ingen kontakt med ytan.
• Låg effekt räcker. I långsam smygfart behöver ubåten lite kraft, och då spelar den låga effekten per kilo mindre roll.

Läs mer om hur ubåtar fungerar i vår artikel om Titan-ubåten.

Andra användningsområden

• Kraftvärme i hus (mikrokraftvärme). Små anläggningar som gör el och värme samtidigt har tillverkats i mindre serier. I Storbritannien fanns ungefär 1 000 mikrokraftvärmeanläggningar 2002, de flesta av märket WhisperGen med stirlingmotor.
• Kylning. Stirlingcykeln fungerar baklänges: driver du motorn med en elmotor flyttar den värme i stället. Stirlingkylare har blivit kommersiellt viktiga för att kyla till mycket låga temperaturer.
• Solkraft. En parabolspegel samlar solljus på motorns varma sida. Tekniken fungerar men har förlorat mot billiga solceller.
• Rymden. NASA har studerat stirlingmotorer som drivs av värme från radioaktivt sönderfall för färder långt från solen.
• Leksaker och undervisning. Små demonstrationsmotorer säljs för att visa hur en värmemotor fungerar.

Stirlingmotor för villan: löftet och verkligheten

Idén att en pelletsdriven stirlingmotor ska göra huset självförsörjande på både el och värme dyker upp med jämna mellanrum. Det svenska exemplet är Inresol AB i Gävle:

• Våren 2018 presenterade företaget en stirlingmotor som skulle elda vanliga träpellets och ge både el och värme, och lovade att en villa skulle kunna bli helt självförsörjande på energi. Intresset var stort.
• Sommaren 2018 fanns 749 kronor på företagets konto, och de 30 anställda fick vänta på lönen.
• I slutet av oktober 2018 inleddes en företagsrekonstruktion. Rekonstruktören konstaterade att den tidigare ledningen inte hade levererat den utlovade prestandan.
• Den 4 mars 2019 gick Inresol i konkurs på egen begäran. Många hade beställt och betalat utan att få någon motor.

Problemet var inte att stirlingtekniken är bluff. Den fungerar. Men med 10–20 procents elektrisk verkningsgrad krävs mycket bränsle för att täcka ett hushålls hela elbehov, och då blir det mycket mer värme än huset kan använda, särskilt sommartid.

Om du funderar på att köpa en stirlingmotor

• Leksak eller demo? Små motorer för skrivbordet eller undervisning är billiga och roliga, men ger ingen användbar el.
• Kraftvärmeanläggning? Räkna på hur mycket värme du kan använda året runt. Elen är en bonus, inte huvudsaken.
• Betala inte i förskott för en produkt som inte finns i drift hos andra kunder. Be att få se fungerande referensanläggningar.
• Kontrollera service. En ovanlig maskin är svår att få reparerad om tillverkaren försvinner.
• Jämför med alternativen. För el är solceller och för värme en vanlig pelletspanna eller värmepump i regel billigare och enklare.

För- och nackdelar

Varför slog stirlingmotorn aldrig igenom?

Svaret har varit detsamma i 200 år. Förbränningsmotorn och senare elmotorn med batteri ger mer kraft per kilo och per krona. När Philips utvecklade sitt elverk tog transistorn bort behovet. När stirlingsolkraft såg lovande ut blev solcellerna billigare. Stirlingmotorn vinner bara där dess särdrag väger tyngst: där det ska vara tyst, där luft saknas eller där värmen ändå finns.

Vanliga frågor om stirlingmotorn

Vem uppfann stirlingmotorn?

Den skotske prästen Robert Stirling, som patenterade den 1816.

Vilka bränslen kan en stirlingmotor gå på?

Allt som ger värme: ved, pellets, gas, diesel, solljus, spillvärme från industrin eller värme från radioaktivt sönderfall. Motorn bryr sig bara om temperaturskillnaden.

Vilken gas finns i en stirlingmotor?

Luft i enkla motorer. Effektivare motorer använder ofta helium eller väte. Eftersom gasen är instängd och aldrig byts ut kan man välja den gas som fungerar bäst.

Kan en stirlingmotor göra en villa självförsörjande?

Tekniskt går det att göra både el och värme, men den låga elektriska verkningsgraden gör att du får mycket mer värme än el. Inresol lovade just detta och gick i konkurs 2019 utan att ha levererat.

Varför använder svenska ubåtar stirlingmotorer?

För att de kan ladda batterierna under vatten med hjälp av flytande syre, utan att behöva gå upp till ytan, och för att de är mycket tysta.

Är en stirlingmotor en evighetsmaskin?

Nej. Den behöver hela tiden en temperaturskillnad, och den energin måste komma från en värmekälla. Den omvandlar bara en del av värmen till rörelse.

Källor

• ScienceDirect: Stirling cycle
• VVS-Forum: Företaget bakom pelletsdrivna stirlingmotorn begärt i konkurs (7 mars 2019)
• Wikipedia: Stirling engine
• Wikipedia: Stirling cycle
• Britannica: Stirling engine
• Store norske leksikon: Stirlingmotor (uppdaterad 18 maj 2026)
• Lex (Den Store Danske): Stirlingmotor
• MathWorks: Gamma Stirling Engine (alfa-, beta- och gammakonfiguration)
• Wikipedia: Micro combined heat and power
• Wikipedia: Stirling Energy Systems
• Wikipedia: Näcken-class submarine
• Wikipedia: Gotland-class submarine
• Wikipedia: Södermanland-class submarine
• Wikipedia: Blekinge-class submarine
• Wikipedia: Sōryū-class submarine