Diseño de un prototipo bio-Stirling para abastecer la demanda energética de una vivienda rural

Abstract

El progresivo agotamiento de los combustibles fósiles y de origen nuclear crea la necesidad de estudiar la viabilidad de sustituir el modelo energético actual por un modelo donde las ERNC sean protagonistas. El presente trabajo de título tiene por objetivo diseñar un prototipo “bio-Stirling” para abastecer la demanda eléctrica de una vivienda rural. En primer lugar, se desarrolla la base teórica para la comprensión del ciclo termodinámico Stirling (ideal y real) y se introduce el concepto de biomasa, ya que se trata de la fuente de alimentación del motor de estudio. En segundo lugar, se desarrolla el diseño del motor explicando las modificaciones realizadas en el cabezal de un compresor para que funcione como máquina térmica. Además se explica también el diseño del regenerador, ya que se trata de la parte constituyente más importante del motor y una de las ideas más brillantes de Robert Strinling. En tercer lugar se estudia la combustión de excrementos vacunos como fuente de energía de motor. El motivo de su elección recae por el hecho de disponer de un flujo másico diario constante ya que está previsto que el conjunto “bio-Stirling” se implemente en un recinto rural que dispone de cultivos y de una pequeña granja. Después de estudiar los resultados obtenidos en los análisis matemáticos, termodinámicos y mecánicos se establece que mediante la combustión de 51,68 kg de estiércol vacuno se consigue desarrollar una potencia de salida de 118,59 W. Teniendo en cuenta la demanda eléctrica del habitáculo rural, se necesitan tres conjuntos “bio-Stilring” para poder abastecer la vivienda a cualquier franja horaria del día. Posteriormente, se estudia la viabilidad económica del proyecto calculando el ahorro anual que supone la sustitución del consumo de electricidad del SIC por el prototipo desarrollado obteniendo un total de 158.909,76 $/año. Se realiza el mismo estudio al sustituir un generador eléctrico convencional obteniendo, en este caso, un ahorro anual de 1.847.410 $/año. Gracias a la implementación del conjunto “bio-Stirling” se consiguen unos periodos de retorno de la inversión de 11 y 2 años respectivamente. Finalmente se hace un estudio medioambiental, en el que se calcula el ahorro de emisiones de CO2 al utilizar la biomasa como combustible para la generación de energía eléctrica obteniendo un total de 2.544,86 kg CO2/año al no consumir la electricidad del SIC. Esta cantidad equivale al CO2 que 4.000 m3 de bosque mediterráneo convierten en O2 a lo largo de un año. Al realizarse el mismo estudio en el caso del generador eléctrico convencional se obtiene un ahorro de 2.844,25 kg CO2/año, que es la cantidad de dióxido de carbono que 4.300 m3 de bosque mediterráneo convierten en O2 a lo largo de un año. De este modo se comprueba que los resultados obtenidos son totalmente beneficiosos para el medioambiente.