Modelado de un motor Stirling para microcogeneración y validación a partir de datos experimentales

Resumen

El sector de la vivienda representa un 24,6 % del consumo total de energía y el 36 % de las emisiones de gases de efecto invernadero en la Unión Europea. En consecuencia, la adopción de medidas de eficiencia energética y de promoción de energías renovables en la edificación se encuentra hoy día en una posición de máximo interés para los distintos agentes implicados. Destacan entre ellas la gestión de energía, la integración de los servicios y la generación in situ. En este sentido, tal y como se refleja en la normativa vigente, la micro-cogeneración es una tecnología emergente con gran potencial para obtener beneficios medioambientales y de eficiencia energética. Dentro de las posibles alternativas existentes en cogeneración, el motor Stirling se muestra como una solución muy atractiva para la producción de energía térmica (calefacción y ACS) y eléctrica; además de las ventajas propias de la cogeneración, presenta bajos niveles de emisiones de dióxido de carbono y de ruido, así como flexibilidad en la utilización de diferentes combustibles. Sin embargo, es un hecho que se trata de una tecnología muy poco extendida para este tipo de aplicaciones. Así, resulta necesario desarrollar modelos de simulación para mejorar el diseño, operación y análisis de estos sistemas residenciales de cogeneración, y aplicar dichos modelos para evaluar el comportamiento técnico, ambiental y económico de esta tecnología. La Agencia Internacional de la Energía (IEA), dentro del Annex 42 del Programa de Conservación de Energía en Edificios y Sistemas Comunitarios (ECBCS), llevó a cabo una investigación sobre el comportamiento de dispositivos de cogeneración de gas natural adecuados para viviendas unifamiliares y multifamiliares de pocas alturas, entre los que se incluía el motor Stirling. El trabajo se realizó tanto de forma experimental como mediante simulaciones, estudiándose equipos con potencias eléctricas que variaban desde aproximadamente 1 kW hasta 15 kW. En este contexto, el presente trabajo tiene como objetivo analizar el modelo de motor Stirling desarrollado por la IEA/ECBCS en la investigación mencionada. Se pretende, de este modo, poder completar y mejorar el modelado de importantes fenómenos como: transitorios de encendido y apagado; variación de los rendimientos térmico y eléctrico del dispositivo de cogeneración en función de la temperatura de retorno del fluido de trabajo; y transitorios durante el funcionamiento, todos ellos aplicados a un equipo Whispergen EU1. A tal efecto, se analizaron los datos experimentales del dispositivo de cogeneración Stirling obtenidos en distintos ensayos, y se calibraron y ajustaron los fenómenos modelados en base a los datos experimentales disponibles. Por último, se desarrolló una aplicación en la que se implementaba el modelo obtenido en una simulación dinámica de un edificio de viviendas para 3 climas representativos de España.