potencial de mejora del refigerador del motor stirling genoa 03 e

PFC de Pablo Utrilla Noriega
2. HISTORIA DEL MOTOR STIRLING
2.1.
Primera Etapa
El reverendo Robert Stirling (1790 – 1878) fue un clérigo escocés inventor del motor
que lleva su nombre. Robert, que heredó de su padre el interés por la ingeniería,
compaginaba sus trabajos e investigaciones con su carrera eclesiástica. A lo largo de su
vida, y junto a su hermano James, ingeniero, patentaron varias invenciones y procesos,
desde instrumentos ópticos a motores.
En 1816, patentó un dispositivo que llamó “economizador de calor” aplicable a gran
variedad de procesos industriales, para mejorar la eficiencia térmica de éstos. Al aplicar
este dispositivo, más tarde llamado “regenerador”, al ya los ya por entonces conocidos
como “motores de aire” sentó las bases del ahora conocido como motor Stirling, que en
la primera mitad del siglo XIX se ofrecía como una alternativa más económica y segura
que el motor de vapor, dado que las calderas de vapor explotaban con frecuencia
causando graves daños materiales y personales.
Fig. 5 Robert Stirling y uno de sus diseños de motor
Tras perfeccionar y desarrollar prototipos funcionales del nuevo motor, una unidad
se pone en funcionamiento para mover una bomba de agua. Ya en 1843, mejoras a la idea
inicial como la presurización del fluido de trabajo hicieron posible que el motor de Stirling
atendiera mayor demanda de necesidades energéticas, como las de toda una planta
metalúrgica de fundición de hierro en Dundee (Inglaterra). Pero conforme la máquina de
vapor se hacía más potente y segura, desbanca al motor Stirling del plano industrial,
quedando su uso relegado a pequeñas aplicaciones domésticas, y demostraciones
académicas.
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2. HISTORIA DEL MOTOR STIRLING
Robert Stirling al final de su vida en el año 1876, consciente de las limitaciones de
su motor, menciona en una carta que con los futuros procesos metalúrgicos, como el
entonces novedoso proceso Bessemer, se haría posible la construcción en el futuro de
motores Stirling que ofreciesen prestaciones muy superiores, animando a los ingenieros
del futuro a mejorar y completar el éxito de su invención. 1
Más tarde, en los albores del siglo XX, la llegada del motor de combustión interna y
el motor eléctrico revolucionaron por completo la industria mundial de producción de
energía, desbancando a la propia máquina de vapor de Watt y abriendo una era donde
los motores redujeron drásticamente su tamaño y aumentaron su potencia, permitiendo
aplicarlos a diversos medios de locomoción como automóviles, aeronaves y buques.
2.2.
Segunda Etapa
No fue hasta la década de 1930, cuando gracias a las evidentes mejoras en
tecnología, materiales y procesos de fabricación de la época, el motor Stirling, como su
inventor proféticamente vaticinó, despertó de su letargo. En 1937 los laboratorios de
investigación de la firma holandesa Phillips en Eindhoven, llevaron el motor Stirling a un
nuevo nivel de desarrollo tecnológico. Los investigadores de Phillips, consideraban la
utilización de pequeños motores Stirling para alimentar sus radios de válvulas, u otros
dispositivos, en lugares remotos, donde no llegaba el suministro eléctrico y las baterías
no tenían potencia suficiente. Finalmente tras años de desarrollo en 1951 comercializan
el motor MP1002CA de 200W de potencia (ver Fig. 6), que pese a resultar un fracaso
comercial, entre otras cosas, por el desarrollo de las nuevas radios de transistores (de
mucho menor consumo), sentaron las bases de la nueva era del motor Stirling.
Fig. 6 Generador eléctrico Stirling modelo MP1002CA de Phillips
1
(Sier, 1995)
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Con motivo de la crisis del petróleo de 1973, el panorama energético mundial
cambió por completo, y muchos gobiernos, instituciones y compañías trataron de ofrecer
nuevas ideas y alternativas al modelo energético desarrollado por los países
industrializados tras la segunda guerra mundial. El objetivo primordial era reducir el
consumo y aumentar la eficiencia de las máquinas y motores de entonces.
Bajo este contexto y a lo largo las décadas de 1970 y 1980, el departamento de
energía (DOE) de Estados Unidos junto a la NASA, y en colaboración con grandes de la
industria automovilística como Ford o AMC, realiza todo tipo de experimentos y
demonstraciones de vehículos comerciales propulsados por motores Stirling. La idea de
estas actuaciones, era elevar significativamente el rendimiento de los motores de
automóviles y por tanto reducir el consumo del cada vez más caro combustible. Fruto de
este trabajo surgieron varias generaciones de motores de automoción Stirling , como el
“Mod I” y el “Mod II”, que ofrecían potencias similares a los motores de la época, una
gran versatilidad de combustibles y muy alta eficiencia. Por otra parte estos motores
tenían una relación peso/potencia bastante mayor que los motores convencionales
tardaban cierto tiempo en arrancar, pues tenían que alcanzar altas temperaturas en el
calentador, y eran poco flexibles a cambios de régimen de funcionamiento.
Fig. 7 Automóvil AMC modificado como parte del programa de la NASA para motores Stirling
Un ejemplo de esta línea de trabajo es el proyecto de aplicación del motor Stirling
“Mod II” diseñado por la NASA, a un turismo Chevrolet Celebrity de 1984, con muy buenos
resultados de eficiencia energética respecto a su homólogo de gasolina, en concreto esta
unidad ofrecía una eficiencia del 38% en su pico de máximo rendimiento, mientras que
los motores de combustión convencionales de la época no superaban el 20% 2. En este
caso, como en la mayoría de intentos parecidos, fueron alternativas poco viables
económicamente debido a la complejidad de construcción de estos motores y la alta
calidad coste de los materiales empleados. Tras miles de horas de funcionamiento en
pruebas, como parte de la flota de la administración, y tras demostrar los objetivos que
planteaba el proyecto, el programa concluyó en 1987.
2
(Nightingale, 1986)
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2. HISTORIA DEL MOTOR STIRLING
También a finales de los años 80 se desarrolló una nueva aplicación que al contrario
que la mayoría de iniciativas, es actualmente una aplicación comercial viable; el uso de
un generador Stirling para la planta de potencia de submarinos militares. La firma sueca
Kockums, desde 1988 ha construido varios de estos submarinos para la armada sueca, los
pertenecientes a la clase “Gotland”, y clase “Södermanland”.
En esta aplicación el motor Stirling como generador es especialmente adecuado por
varias razones. La refrigeración, por ejemplo, es muy sencilla debido al entorno exterior.
Además, en comparación con los generadores diésel convencionales, el motor Stirling
tiene una operación muy silenciosa, ideal para un vehículo que debe permanecer
indetectable bajo el agua. Por último, la ya mencionada versatilidad de estos motores, le
permite funcionar con diversos tipos de combustible. 3 Las unidades más potentes
diseñadas por Kockums para este fin, corresponden a los modelos V4-275R, de 75 KW de
potencia, una cifra nada desdeñable para este tipo de motores.
Fig. 8 Esquema de funcionamiento del sistema de Kockums (izq.) y localización del motor en el submarino (dcha.)
Pese a que a que a lo largo de la segunda etapa de desarrollo del motor Stirling, las
mejoras en prestaciones sus nuevas aplicaciones, supusieron un enrome desarrollo en
esta tecnología, en la práctica el uso de estos motores permaneció como un mercado
nicho para el panorama energético global, y se mantuvo en un discreto margen hasta
finales del siglo XX, donde las energías renovables supusieron un nuevo filón en el cual
explotar el potencial del motor Stirling para la generación de energía eléctrica y la
cogeneración.
3
(Kockums AB, 2009)
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2.3.
El motor Stirling aplicado a fuentes renovables de energía.
Paralelamente a los desarrollos antes mencionados, desde los años 80 hasta la
actualidad, numerosas instituciones, universidades y compañías comenzaron la carrera
por el desarrollo de las energías renovables modernas, siendo las energías eólicas, solar y
las basadas en bio combustibles las que contaban con más adeptos, y las cuales han
sufrido una drástica evolución desde cero hasta convertirse en importantes proveedores
de energía eléctrica a escala global en decenas de países.
Como se ha comentado anteriormente, uno de los fundamentos y principales
ventajas de los motores Stirling, es la versatilidad de fuentes de calor que pueden adoptar
para su funcionamiento, prácticamente cualquier fuente de calor que lleve el lado
caliente del motor al punto operativo es utilizable. Este hecho, combinado con el auge de
las renovables, ha llevado a la tecnología de Stirling a una posición notoria con un amplio
margen de crecimiento y mejora en el futuro. Dos de estas aplicaciones es la tecnología
de disco Stirling, y las calderas Stirling de biomasa.
2.3.1. El motor Stirling en la tecnología CSP
Una de las tecnologías más interesantes fruto del desarrollo de las renovables a ha
sido la energía térmica solar concentrada, donde la radiación del sol es concentrada sobre
un fluido de trabajo que transforma este calor en energía de diversas formas según el tipo
de tecnología aplicada.
Las tecnologías más importantes en el campo de la energía térmica solar
concentrada, también llamadas “CSP” (Concentrated Solar Power) son la tecnología de
cilindros parabólicos, la tecnología de torre, y la tecnología de disco Stirling, o “Stirling
dish” (ver Fig. 9), aunque también existen otras tecnologías como los reflectores
“Fresnel”. El principio de funcionamiento de todas es similar; consiste en utilizar un
conjunto de espejos o lentes para concentrar un área lo más grande posible de radiación
solar en una pequeña área en contacto con el fluido de trabajo, éste fluido se calienta y
la energía calorífica obtenida se transfiere a un motor térmico, que lo transforma en
energía eléctrica previo paso por un generador.
Las dos primeras tecnologías, torres y cilindros parabólicos, utilizan fluidos
caloportadores, generalmente aceites sintéticos, cuya misión es actuar de foco caliente
una vez son transferidos a el motor térmico, normalmente una turbina de vapor.
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2. HISTORIA DEL MOTOR STIRLING
La tecnología de disco Stirling, por su parte, utiliza la radiación solar como foco
caliente directo, ya que el motor Stirling está localizado en el foco de la parábola que
crean los heliostatos, o espejos, calentando directamente el fluido de trabajo del motor
Stirling, generalmente hidrógeno.
Fig. 9 Tres tipos de tecnología CSP, de izq a dcha: Cilindros parabólicos, torres y discos parabólicos Stirling
Los sistemas de disco Stirling son capaces de producir la energía eléctrica
directamente y de manera independiente en cada motor, ahorrando pérdidas de calor
asociadas al transporte por conductos de los fluidos caloportadores a la turbina, o las
pérdidas de trasmisión de calor de un fluido a otro, y en general, dando eficiencias
globales por encima de las otras dos alternativas. Además su naturaleza modular, al ser
cada conjunto disco - motor un sistema independiente, les proporciona una fácil
escalabilidad.
Desde comienzos de la década de 1980 varias plantas piloto y comerciales de disco
Stirling han sido desarrolladas por Estados Unidos, Alemania, Japón y Rusia, con rangos
de potencia de entre 5 y 50 KW. Un ejemplo de aplicación de esta tecnología en nuestro
país se puede encontrar en la Plataforma Solar de Almería, donde desde su puesta en
funcionamiento en 1992, incluye entre otras, varias unidades de disco Stirling
pertenecientes al proyecto hispano-alemán “Eurodish”. Estas unidades trabajan con
motores Stirling “SOLO 161” de 10 KW de potencia eléctrica, de origen sueco, y fabricados
por SOLO GmbH, Alemania.4
4
(Mancini, 1997)
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Uno de los proyectos de este tipo de mayor envergadura hasta la fecha consiste en
la planta “Maricopa Solar”, construida en 2009 por la compañía norteamericana Stirling
Energy Systems (SES), con una potencia instalada de 1.5 MW. La planta consistía en
sesenta discos parabólicos equipados con motores Stirling de 25 KW, una evolución de
los diseños de Kockums, Suecia.
Fig. 10 Planta "Maricopa Solar" en Peoria, Arizona, USA
Esta planta, la primera en su especie, pretendía ser una experiencia piloto sobre la
cual evaluar y optimizar la aplicación de esta tecnología a un nivel comercial, por encima
de los trabajos meramente experimentales, y estudiar su acoplamiento a la red. Esta
experiencia terminó con la compra y posterior desmantelamiento de la planta por United
Sun Systems en 2012, pero quedará como referente y punto de partida para experiencias
similares.
2.3.2. El motor Stirling en calderas de biomasa.
Esta aplicación no supone ningún avance revolucionario en su formato, puesto que
ya en el siglo XIX el motor Stirling fue concebido para aprovechar la energía calorífica de
una caldera. Sin embargo, si el combustible a aportar a la caldera del sistema proviene de
fuentes renovables, resulta una línea de aplicación que resulta de interés en aplicaciones
donde se requiera de potencia eléctrica combinada con calor, la conexión a la red sea de
difícil acceso y el combustible fácilmente renovable y barato de adquirir.
En el ámbito industrial la biomasa se refiere generalmente a residuos orgánicos
provenientes de procesos agrícolas o industriales. Concretamente puede estar
compuesta por pellets de la madera, provenientes de la industria maderera, o residuos
orgánicos como hueso de frutos, cáscaras, ramas y tallos de plantas, provenientes de
distintas industrias agroalimentarias como pueden ser la industria frutera, vinícola, o del
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aceite. Además la biomasa, puede formar parte de la materia prima de los llamados
biocombustibles.
En el año 2011, compañía germano danesa Stirling DK, puso en funcionamiento una
planta de cogeneración o “CHP” (combined heat & power), basada en motores Stirling
alimentados por calderas de biomasa, siendo hasta ahora la de mayor potencia instalada
de este tipo.5 Esta planta se diseñó para suplir las necesidades eléctricas y de calor de un
Spa, o “centro de wellness”, en la localidad de Tabarz, Alemania, generando 140 KW
eléctricos y 560 KW térmicos a partir de la combustión de pellets de madera. La planta
operaba con cuatro motores Stirling (con carcasa verde en la Fig. 11) de 35 KW en
paralelo.
Fig. 11 Planta CHP Stirling de Tabarz, Alemania
El presente documento toma como referencia y caso de estudio un motor Stirling
destinado igualmente a la generación de energía eléctrica a través de una caldera de
biomasa. Por lo tanto, el ejemplo de la planta de Stirling DK es de especial importancia,
pues refleja el nivel de desarrollo actual en la industria de motores Stirling aplicados a
cogeneración, y permite una visión con una perspectiva más amplia del panorama actual
en torno a esta tecnología.
5
(Stirling DK, 2011)
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