Microgeneración combinada: Calor y Electricidad

Una aplicación actual para los motores stirling es la micro-cogeneración o microgeneración combinada.l motor stirling acoplado a un generador eléctrico (alternador) funciona con gas u otro combustible, el calor remanente de la combustión permite calentar agua para el uso doméstico.

whispergen-cocina

Una aplicación actual para los motores stirling es la micro-cogeneración o microgeneración combinada. El motor stirling acoplado a un generador eléctrico (alternador) funciona con gas u otro combustible, el calor remanente de la combustión permite calentar agua para el uso doméstico. Es decir que se obtiene agua caliente y electricidad.

Uno de las  aparatos de este tipo es el WhisperGen™ de la empresa Whisper Tech de Nueva Zelanda. Es un ingenioso dispositivo diseñado para funcionar con gas o diesel en hogares o embarcaciones. No obstante su elevado precio, tiene la ventaja de ser silencioso y más eficiente que las plantas generadoras convencionales.

«La Microgeneración es la producción a escala pequeña de gas y/o electricidad procedente de una fuente baja en carbono. Las tecnologías de la microgeneración incluyen energía solar, microviento, minihidro, bombas de calor, biomasa, microcogeneración (micro CHP) y celdas de combustible a pequeña escala»

UK in Spain, Foreing and Commonwealth Office

Este es un claro ejemplo de energía casera o microgeneración. Para que  el impacto ambiental sea menor, se me ocurre una conexión entre este tipo de dispositivos y biogás procedente la biodegradación de residuos urbanos o agrícolas. De tal forma que haría parte de un sistema integrado con un biocombustible (residuos->biogas->calor->electricidad).

Partes internas y Motor stirling
Partes internas y Motor stirling

Esperemos que pronto existan aparatos mucho más baratos. Pienso que a medida que los costos de investigación y desarrollo (I&D) sean menos representativos podríamos tener en el mercado aparatos de microgeneración con precios más asequibles y seguramente distribución globalizada.

Motores Stirling

Los motores stirling son máquinas que utilizan calor de origen externo para generar potencia mecánica. Funcionan debido a la expansión y contracción del gas interno (p.e. aire) al calentarse y enfriarse

Los motores stirling son máquinas que utilizan calor de origen externo para generar potencia mecánica. Funcionan debido a la expansión y contracción del gas interno (p.e. aire) al calentarse y enfriarse, haciendo que el pistón se mueva. Para esto, el gas es forzado a desplazarse del sector frío al sector caliente y viceversa obteniéndose un ciclo continuo de expansión y contracción.

En el video se observa un motor stirling motor stirling de un solo cilindro (tipo beta- rhombic), el cual es uno de los tres tipos básicos (alfa, beta y gamma). No es fácil de construir ya que el desplazador del gas y el pistón están en un mismo cilindro. Los modelos gamma son mucho más fáciles de construir. De hecho, muchas personas han construidos sus propios modelos de motor stirling de reducido tamaño.

He aquí una animación tomada de la Wikipedia que deja bastante claro el funcionamiento de un motor stirling tipo beta.

MotorStirling-AnimacionLos motores stirling son versátiles. Pueden aprovechar diferentes fuentes energéticas como la biomasa, el biogás y todo tipo de combustibles; también el calor procedente de concentradores solares, del subsuelo e incluso de energía nuclear. Esta flexibilidad los hace adecuados para ser utilizados en sitios aislados donde escasean la energía y los combustibles convencionales.

Los motores stirling son considerablemente más eficientes que sus contrapartes de combustión interna. El rendimiento  por unidad de combustible es mayor que en los motores de combustión interna. Sin embargo, la potencia de esto últimos es mayor por unidad de peso, es decir que los motores stirling son más pesados y voluminosos.

Adicionalmente los stirling no pueden arrancar en frío, ya que tienen que esperar varios segundos hasta que se caliente. Esta es una característica que influye enormemente en la poca difusión que ha tenido este motor en las industrias que requieren «respuesta al instante». Por otra parte existen diferentes sectores que actualmente utilizan esta tecnología por su eficiencia, ese es el caso de los concentradores solares para generar electricidad o el de los submarinos (flota sueca).

Con toda seguridad es posible y hasta recomendable el  uso de esta tecnología para generar fuerza mecánica y energía eléctrica en viviendas y granjas autosostenibles. A pesar de sus ventajas, actualmente es difícil encontrar compañías que vendan este tipo de motores para uso público (dependiendo del país). No obstante, para los que poseen la habilidad o el conocimiento técnico, está la posibilidad de construir uno lo suficientemente grande y potente para usos prácticos.

Clasificación de Biodigestores

Biodigestores discontinuos

Por Lotes

Los biodigestores discontinuos o por lotes son contenedores cerrados que una vez cargados no permiten extraer o añadir más sustratos hasta que finalice el proceso completo de biodegradación y producción de biogás.  En otras palabras, el proceso finaliza cuando no se produce más biogás.

Estos tipo de digestores admiten mayor carga de materiales poco diluidos,  por lo que el requerimiento de agua es menor que en los  sistemas continuos.  Otro aspecto a favor es que no son afectados por presencia de material pesado como tierra o arena.

Al principio y al final del proceso la producción de biogás es marcadamente menor; Lo cual se debe a la carencia de condiciones óptimas para los microorganismos anaeróbicos al inicio y posteriormente al agotamiento de de los nutrientes para los mismos.

Biodigestores Semi-continuos

Estos biodigestores son alimentados diariamente con una carga relativamente pequeña en comparación al contenido total; Ésta se deposita en la cámara de carga, e igualmente se debe extraer de la cámara de descarga un volumen igual del efluente líquido para así mantener el volumen constante. Generalmente producen biogás casi permanentemente, gracias al suministro constante de nuevos nutrientes para las comunidades de bacterias.

Una limitante importante es la disponibilidad de agua, debido a que la carga debe ser una mezcla de una parte del material orgánico y cuatro partes de agua (proporción 1:4).

Biodigestores de mezcla completa

La característica que define a este tipo de biodigestores es que la carga añadida periódicamente se mezcla casi en su totalidad con el contenido ya presente en cámara de digestión. Como resultado, parte del material sin biodegradar sale en el efluente, lo cual evita que se pueda garantizar la eliminación total de agentes causantes de enfermedades en plantas y animales así como de semillas de plantas arvenses (malezas).

Modelo Chino

Es originó en China y consiste en una estructura cerrada con cámaras de carga y descarga que puede ser construida de concreto armado o ladrillos.  Tienen una larga vida útil (mayor a 15 años) con un adecuado mantenimiento. Sin embargo, el relativo alto costo que representa la construcción de este modelo hace que no se haya popularizado en países latinoamericanos tanto como otros diseños.

BiodigestorChino
Modelo chino

El digestor almacena solo pequeño volumen del gas generado en el interior, por lo que requiere un contenedor diferente construido para tal fin (gasómetro).

Modelo Indio

También llamado de domo flotante, en su parte superior presenta una campana o domo que que se mantiene flotando en el líquido a causa del biogás que retiene en su interior. El domo puede ser de metal o preferiblemte de un material resistente a la corrosión como los plásticos reforzados. Esta campana sube y baja dependiendo del volumen de gas que contiene y por esto requiere una varilla guía central o rieles laterales que eviten el rozamiento contra las paredes de la estructura.

Modelo de Domo flotante
Modelo de Domo flotante

Tienen la ventaja que no necesita un contenedor externo para el almacenar el gas generado. Este se mantiene a una presion relativamente constante al interior del domo, lo que es muy ventajoso.

Una variación a este modelo lo constituyen los biodigestores que presentan una pelicula de polietileno flexible en la parte superior en sustitución del domo flotante. Haciéndolos más económicos y accesibles socialmente.

Biodigestores de flujo pistón

Son aquellos en los cuales la cámara de digestión es alargada y por lo tanto la degradación de los residuos transcurre a medida que transitan a lo largo del digestor. En esta categoria se encuentran los digestores familiares de bajo costo.

Modelo Horizontal

Es básicamente un digestor tubular horizontal en cuyos extremos se sitúan las cámaras de carga y descarga del sistema. Su configuración alargada impide que la carga líquida inicial y el efluente se mezclen; Esto lo hace útil en el aprovechamiento de residuos que requieran un tratamiento prolongado, tales como excretas humanas y ciertos desperdicios de sacrificio de animales.

Modelo horizontal de bajo costo
Modelo horizontal de bajo costo

Los biodigestores familiares de bajo costo, populares en países en vias de desarrollo, son fáciles de implementar ya que se fabrican con grandes bolsas de polietileno tubular. Suelen situarse dentro de una especie de trinchera y su periodo de vida útil son unos cinco años.

Además de los modelos comunes descritos en este documento, existen otros con variaciones de todo tipo; Variaciones en forma, tamaño, continuidad del afluente y materiales de construcción.

Entrada relacionada: Biogás y biodigestión

Biogás y Biodigestión

El biogás es el gas producido por la biodegradación anaeróbica de la materia orgánica. Contiene entre un 50 a 75% de gas metano (CH4) y por tanto es un buen combustible que puede ser útil en la generación de energía eléctrica, mecánica y calorífica.

El biogás es el gas producido por la biodegradación anaeróbica de la materia orgánica. Contiene entre un 50 a 75% de gas metano (CH4)  y por tanto es un buen combustible que puede ser útil en la generación de energía eléctrica, mecánica y calorífica. La biodigestión de la materia orgánica se produce al interior de un contenedor llamado biodigestor en el cual los microorganismos presentes transforman la materia inicial -generalmente residuos agropecuarios- en el preciado biogás y en un efluente líquido con propiedades fertilizantes conocido como Biol.BiodigestorChino

El proceso para proceso para producir biogás es el siguiente: Al digestor se adiciona una cantidad diaria de estiércol o residuos  vegetales mezclados con agua. En la cámara interna del digestor el estiércol es transformado por las bacterias anaeróbicas en gas metano y otros gases que son conducidos por tuberías hasta el lugar de consumo o almacenamiento. Adicionalmente se obtiene como efluente, biol: un líquido concentrado rico en nutrientes que al ser diluido puede usarse como fertilizante orgánico. Otro subproducto de la biodegradación son lodos, estos pueden ser compostados y posteriormente usados como acondicionador de suelos en huertas o cultivos.

El biogás puede ser usado para cocinar, también como combustible de motores de combustión interna; obteniendose potencia mecánica o bien electricidad en el caso de estar acoplado a un alternador o generador eléctrico. Los motores Diesel son una buena alternativa para la generación ya que permiten una mezcla hasta de un 80% biogás + 20 diesel (gasóleo). Una gran ventaja es que el motor no requiere modificaciones para este propósito pues el biogás es succionado a través del filtro de aire (admisión de aire) además de que los motores diesel son comunes y bastante robustos.

En la parte superior, se observa un esquema de un biodigestor tipo chino que es resistente y durable. Existen otros modelos entre los que encontramos el modelo hindú o de campana flotante y los modelos de flujo horizontal continuo; cada uno posee características diferentes. Entre los horizontales se destaca por su facilidad y bajo costo el modelo FAO, que se construye utilizando una bolsa tubular de polietileno como parte principal. Vea Guía de uso y construcción.

Biodigestor tubular de polietileno

El biogás está llamado a ser un importante fuente de energía, especialmente si consideramos que la producción de combustible a partir de residuos orgánicos es una adecuada forma de reducir el volumen y potencial contaminante de estos.

Matter

%

Methane, CH 4

55-75

Carbon dioxide, CO 2

25-45

Hydrogen sulfide, H 2 S

0,1-0,5

Oxygen, O 2

traces;

Biodiesel Casero

Mediante un proceso que puede realizarse en casa, cualquiera está en capacidad de producir su propio biocombustible para motores diesel. Lo mejor de todo es que puedes hacerlo a partir de aceite comestible usado. Con esto trasformas un desecho en combustible útil…

Mediante un proceso que puede realizarse en casa, cualquiera está en capacidad de producir su propio biocombustible para motores diesel. Lo mejor de todo es que puedes hacerlo a partir de aceite comestible usado. Con esto trasformas un desecho en combustible útil.

Alimentado con Biodiesel
Alimentado con Biodiesel

Muchas personas en los  EE.UU. y otros países han estado recuperando  aceite usado de restaurantes de comida rápida para producir su propio biodiesel casero de alta calidad. Existen varios métodos disponibles para producir biodiesel casero. En el proceso más sencillo el aceite se filtra y calienta para extraer el agua luego se le agrega el metóxido de sodio (combinación de metanol y soda cáustica). Esta combinación se calienta para acelerar la reacción. Al final, se obtienen dos fases liquidas: biodiesel y glicerina.

La trasformación de aceite vegetal o animal en combustible se da mediante la reacción de transesterificación. En esta los ácidos grasos reaccionan con un alcohol en presencia de un catalizador que puede ser ácido o básico.

Aprovechar el aceite usado para producir tu propio combustible es considerablemente más barato y amigable con el medio ambiente que comprar el diesel mineral. Sin negar con esta afirmación que para este proceso se deben utilizar un par de productos químicos dependientes del petróleo, aún así sigue siendo un favor para la tierra y para el bolsillo.

Antes de empezar con el proyecto, recuerde que debe tomar medidas de seguridad ya deberá manipular ciertos productos químicos peligrosos. Así que usar guantes de nitrilo, gafas protectoras y delantal es altamente recomendable. Pero no se preocupe exageradamente ya que en un hogar común se encuentran estos productos en forma de destapa-cañerías y combustible de barbacoas.

Es importante mencionar que los cultivos intensivos para la producción de agrocombustibles a escala industrial, pueden tener un impacto negativo en la ecología local y en los costos de los alimentos (pdf Worldbank). En países como Colombia la situación puede ser aún peor (ver).

Para profundizar en el tema y producir excelente biodiesel casero aconsejo ver la página de Journey to forever, es muy completa e incluye respuestas a preguntas frecuentes del proceso.