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2/8 Uso del motor Stirling con biomasa forestal para producir energía eléctrica MARCOS MARTÍN. F, PASCUAL CASTAÑO C., LATORRE MONTEAGUDO. B, IZQUIERDO OSADO. I Cátedra de Termodinámica. Departamento de Ingeniería Forestal. ETSI de Montes. Universidad Politécnica de Madrid. Ciudad Universitaria s.n. 28040 Madrid RESUMEN La presente comunicación estudia el uso del motor Stirling empleando biomasa forestal, para producir energía eléctrica. Se estudian las ventajas y los inconvenientes del uso del motor de combustión interna de aire (motor Stirling) para generar energía eléctrica con biomasa sólida forestal. Se compara esta tecnología con otras cinco: - Combustión en parrilla - Combustión en lecho fluido - Transformación en combustible líquido y posterior combustión - Transformación en combustible gaseoso y posterior combustión en motor o turbina de gas. - Transformación en combustible gaseoso y posterior combustión del gas en caldera. 1. Introducción En la pasada década aumentó el interés por las energías renovables y los cultivos energéticos forestales. La biomasa de productos leñosos se usa en combustión o co-combustión para generar calor y electricidad (Camps M. y Marcos, F. 2008). También, como una respuesta al cambio climático y al incremento de las emisiones de CO 2 atmosféricas se plantea el uso de fuentes de energías renovables basadas en cultivos forestales (Marcos, 2002). En España, concretamente, el Plan de Energías Renovables (IDAE, 2005) contempla como objetivo conseguir para el año 2010 un aumento considerable de la energía procedente de la biomasa. La tabla siguiente presenta estas previsiones para el año 2010. ORIGEN Tep Residuos forestales 462.000 Residuos agrícolas leñosos 670.000 Residuos agrícolas herbáceos 660.000 Residuos industrias forestales y agrícolas 1.340.000 Cultivos energéticos 1.905.300 APLICACIONES Aplicaciones térmicas 582.514 Aplicaciones eléctricas 4.457.766 TOTALES Energía primaria 5.040.300 Tabla 1. Previsiones energéticas 2005-2010 por origen y aplicación de la biomasa. IDAE.
3/8 Pero la biomasa forestal es sólida por lo que no puede usarse en motores de combustión interna que emplean combustibles líquidos (gasolina, gasoil). El motor Stirling fue inventado en por el reverendo escocés Robert Stirling. Su objetivo era tener un motor menos peligroso que la máquina de vapor. El principio de funcionamiento es el trabajo hecho por la expansión y contracción de un gas (normalmente aire, helio, hidrógeno o nitrógeno) al ser obligado a seguir un ciclo de enfriamiento en un foco frío, con lo cual se contrae, y de calentamiento en un foco caliente, con lo cual se expande. Es decir, es necesaria la presencia de una diferencia de temperaturas entre dos focos y se trata de un motor térmico. Este motor, de gran antigüedad, continúa en investigación gracias a la versatilidad de fuentes de energía utilizables para su funcionamiento, ya que al necesitar sólamente una fuente de calor externa al cilindro, es posible usar una gran variedad de fuentes energéticas (energía solar térmica, todo tipo de combustibles, uso de la biomasa, energía geotérmica, ). Hoy existe una variedad de artefactos que utilizan este principio, incluso algunos con base acústica. En España, en la Plataforma Solar de Almería, se han construido equipos (conocidos como Distal y EuroDISH) formados por grandes discos parabólicos que reflejan y concentran el sol hacia un motor Stirling, el cual produce energía mecánica que mediante un alternador es transformada en energía eléctrica. Son modelos experimentales y demostrativos de gran rendimiento. Esta tecnología se considera que será de gran aplicación para regiones donde hay gran número de pobladores dispersos, a los cuales sería muy costoso llegar con red eléctrica. Es de esperarse que los fabricantes de motores Stirling construyan en gran escala unidades pequeñas de ese mismo tipo, (con disco solar) como por ejemplo con capacidad de producir unos 200 a 400 kwh al mes (equipos de 1 a 2 kw de potencia aproximadamente); especialmente para los países situados entre los trópicos, pues en estas zonas la cantidad de radiación solar es grande a lo largo de todo el año y a su vez es la región donde hay mas población dispersa. El motor Stirling es el único capaz de aproximarse (teóricamente lo alcanza) al rendimiento máximo teórico (rendimiento de Carnot), por lo que, en lo que a rendimiento de motores térmicos se refiere, es la mejor opción. Pensando en su uso para un motor de un coche tal vez no es el ciclo idóneo, porque aunque su rendimiento es superior a otros, su potencia es inferior (a igualdad de peso) y el rendimiento óptimo sólo se alcanza a velocidades bajas.
4/8 Figura 1. Motor Stirling o de combustión externa. En el motor Stirling puede existir un elemento adicional, llamado regenerador, que, aunque no es indispensable, permite alcanzar mayores rendimientos. Es un intercambiador de calor interno que tiene la función de absorber y ceder calor en las evoluciones a volumen constante del ciclo. El regenerador consiste en un medio poroso con conductividad térmica despreciable, que contiene un fluido. El regenerador divide al motor en dos zonas: una zona caliente y otra zona fría. El fluido se desplaza de la zona caliente a la fría durante los diversos ciclos de trabajo, atravesando el regenerador. El motor Stirling puede emplear 3 o más cilindros en diferentes disposiciones. 2. Objetivos El objetivo de este trabajo de investigación ha sido comparar el uso del motor Stirling con otras tecnologías para producir energía eléctrica a partir de biomasa forestal (sólida). 3. Metodología Las alternativas que serán comparadas se recogen en la tabla siguiente: Posibles sistemas empleados para obtener energía eléctrica con biomasa forestal sólida Sistema S1 Motor Stirling S21 Combustión En parrilla móvil S22 Combustión En lecho fluido S3 Transformación en biocombustible líquido En caldera o en motor
S4 S5 Transformación en biocombustible gaseoso y posterior combustión en caldera de gas Transformación en biocombustible gaseoso y posterior combustión en motor o turbina de gas Caldera de gas 5/8 Motor o turbina de gas Para su comparación utilizaremos, como ya hemos hecho en otras ocasiones (MARCOS, 1985), técnicas multicriterio- multiobjetivo, también llamadas técnicas blandas de comparación de alternativas, en contraposición con las técnicas duras que son el Valor Actualizado Neto, la Tasa Interna de Retorno, el pay-back y la Renta Anual Equivalente. Es aconsejable su uso pues los costes del motor Stirling, de los gasificadotes y de los sistemas de conversión en biocombustible líquido serán cada vez más inferiores a medida que se utilice más este tipo de motor. Los criterios de comparación empleados han sido los que fueron utilizados en múltiples trabajos de planificación energética: Primer Plan de Energías Renovables de España (1982) del Ministerior de Industria y planes posteriores. A nivel tecnológico se ha añadido el factor 6 Adaptación a pequeñas potencias. A nivel de aplicación se ha añadido el factor 6 Necesidad de agua. 1. A nivel tecnológico: los factores de comparación utilizados serán: Factor 1: Desarrollo de la tecnología. Factor 2: Ampliación de la experiencia. Factor 3: Mejora de la tecnología. Factor 4: Nivel tecnológico asequible. Factor 5: Capacidad de investigación. Factor 6: Adaptación a pequeñas potencias. 2. A nivel de aplicación: los factores de comparación utilizados serán: Factor 1: Tiempo de operación. Factor 2: Facilidad de implantación. Factor 3: Capacidad de integración. Factor 4: Disponibilidad de empresas. Factor 5: Demanda potencial. Factor 6: Necesidad de agua. Las técnicas multidimensionales utilizadas han sido: - Suma y suma ponderada. Se pondera la no necesidad de agua, como favorable, como el doble sobre las demás. - Producto. - Producto ponderado. Se pondera la no necesidad de agua, como favorable, como el doble sobre las demás. - Cascadas de Newkirk, adaptación de Marcos. Se empleará con base de 2 y altura de 2. - Distancia al punto ideal. Este punto fue el de coordenadas (5,5,5,5,5,5) para los dos niveles (tecnológico y de aplicación). Los valores utilizados han sido de 1 a 5. El valor más propicio es 5 y el menos propicio es 1. No se utiliza el valor 0 para que en la técnica de los productos no aparezca el
6/8 producto 0. 4. Resultados A continuación se van a presentan los resultados obtenidos repartidos en las tablas siguientes, Técnica multidimensiona l Nivel tecnológico (NT) Nivel de aplicación (NA) Nivel global (NG) Alt. Alt. preferible Alt. inferior Alt. preferible Alt. inferior preferible Alt. Inferior Suma S1 S21 S21 S1 S21 S3 Suma ponderada S1 S21 S4 y S5 S22 S4 y S5 S3 Producto S1 S21 S21 S1 S21 S3 Producto ponderado S1 S21 S4 y S5 S22 S4 y S5 S3 Tabla 2. Resultados de la aplicación de las técnicas de suma, suma ponderada producto y producto ponderado. A nivel global, con estas técnicas multidimensionales, la alternativa preferible es la S21 que es la combustión en parrilla móvil (sin ponderación) y las alternativas S4 y S5 que son las gasificaciones cuando hay ponderación de factores de comparación de alternativas. Sin embargo, a nivel tecnológico, la alternativa S1 (motor Stirling) resulta atractiva, no a nivel de aplicación actual donde resulta ser la alternativa inferior. Técnica multidimensiona l NT NA NG Altern. prreferible (AP) Altern. Inferior (AI) AP AI AP AI Cascadas de Newkirk S21 S3 S21 S3 S21 S3 Distancia al punto ideal S1 S3 y S21 S21 S3 S21 S3 Tabla 3.Resultados de la aplicación técnica de las cascadas de Marcos y distancia al punto ideal. A nivel global, con estas técnicas multidimensionales, la alternativa preferible es la S21 y la alternativas S3 (transformación en biocombustible líquido y posterior combustión del mismo) resulta ser la alternativa inferior. A nivel tecnológico, con la distancia al punto ideal, ocurre lo mismo que aplicando las alternativas de las sumas y productos. 5. Discusión. La potencia instalada resulta ser un factor importante para elegir alternativa. Aplicando las técnicas de las sumas y productos los sistemas preferibles son el S21 (combustión en parrilla móvil). De hecho este es el sistema que más se está utilizando en
7/8 potencias medianas (de 8 MWe a 30 MWe) y grandes (por encima de los 30 MWe). Los sistemas S4 y S5 (gasificación y posterior combustión), se prevee que sean los que más se utilizarán en breve, sobre todo en pequeñas potencias, cuando disminuyan los precios de los gasificadores. El motor Stirling ocupa un lugar intermedio, entre las alternativas consideradas. Resulta ser una tecnología muy atractiva; pero poco madura. El sistema que peor queda clasificado es el que consiste en convertir la biomasa sólida en líquida y posteriormente, con este líquido, hacer energía eléctrica. El biocombutible líquido tiene una alta valoración para su uso en motores de coches y camiones y quemarlo en caldera resulta menos competitivo que quemarlo en motor de ciclo Otto (si es bioetanol de celulosa) o de ciclo Diesel (si es bio-oil), además los costes necesarios para obtener un biocombustible líquido a partir de un biocombustible sólido son caros y las tecnologías no están suficientemente maduras. 6. Conclusiones Por tanto, aplicando las técnicas multidimensionales citadas podemos concluir que: 1. Los sistemas preferibles son el S21 (combustión en parrilla móvil), que es la que más se está utilizando en potencias medianas y grandes y los sistemas S4 y S5 (gasificación y posterior combustión bien en caldera, bien en turbina o en motor de gas), que es la más se utilizará en breve (cuando disminuyan los precios de los gasificadores). Además, los sistemas de gasificación permiten el uso de pequeñas potencias (del orden de 1 ó 2 MWe). 1.1. Para pequeñas potencias (< 5MWe): Gasificación. 1.2. Para medianas y grandes potencias: Combustión en parrilla móvil y combustión en lecho fluido. Gasificadotes en España: Guascor, CIDAUT, 2. El motor Stirling ocupa un lugar intermedio, es una alternativa atractiva tecnológicamente pero que está poco madura y en la que hay que investigar y abaratar costes. Sus grandes ventajas son que se puede emplear con potencias pequeñas y que no precisa agua. 3. El sistema que peor queda clasificado es el que consiste en convertir la biomasa sólida en líquida y posteriormente, con este líquido, hacer energía eléctrica. Una vez obtenido el biocombustible líquido el sector del transporte puede valorizar económicamente mejor este biocombustible. 7. Bibliografía CAMPS., M. y MARCOS F. 2008. Los biocombustibles. Ed. Mundi-Prensa. Madrid. INSTITUTO PARA LA DIVERSIFICACIÓN Y AHORRO DE LA ENERGÍA. 2005. Plan de energías renovables. Instituto de Diversificación y Ahorro Energético. Ministerio de
8/8 Industria. Madrid. MARCOS MARTÍN, F. 1985. Cultivos energéticos forestales. V Conf. sobre Planificación, Ahorro y Alternativas Energéticas. Zaragoza. MARCOS MARTÍN, F. 1985. Aplicación de las técnicas multidimensionales a la planificación energética. Energía. Julio-Agosto 1985 :97-104. Madrid. MARCOS MARTÍN, F. 1999. Centrales eléctricas de biomasa. Montajes e instalaciones 333:85-91. Madrid. MARCOS MARTÍN, F. 2002. Biocombustibles sólidos de origen forestal. Ed. AENOR. Madrid.