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El sucesivo incremento de los precios de los combustibles, unido a la mayor concienciación respecto a la amenaza medioambiental que suponen las emisiones de dióxido de carbono y su contribución al efecto invernadero, ha propiciado el desarrollo de tecnologías destinadas a mejorar los consumos y la eficiencia de los motores de los automóviles. Además se han comenzado a explorar alternativas más allá de los motores de combustión interna exclusivamente.

Fruto de estas alternativas son los vehículos híbridos y el comienzo de la reaparición de los vehículos eléctricos, aunque de momento a precios fuera del alcance del mercado de masas.

Aunque como futurólogo dejo bastante que desear, en mi opinión el futuro del automóvil está en los vehículos eléctricos. Las ventajas son evidentes, mayor eficiencia de los motores eléctricos, recuperación energía en frenadas, menor mantenimiento, menores vibraciones y ruido, …

El único obstáculo que afronta el vehículo eléctrico está en el nivel tecnológico de las baterías para almacenar la energía eléctrica. En los primeros tiempos del automóvil, convivieron los vehículos eléctricos y los de combustión interna, prevaleciendo estos últimos gracias a su mayor flexibilidad y autonomía. Las baterías eléctricas eran enormemente pesadas, no permitían más que cortos viajes y era necesario una conexión eléctrica para cargarlas de nuevo, proceso que requería demasiado tiempo. Por fortuna, al rebufo del desarrollo de la era de la información y de sus “gadgets”, portátiles, móviles, Gps, …, han aparecido nuevas tecnologías como las baterías de litio, que mejoran la relación energía almacenada/peso. En el horizonte se vislumbran otras tecnologías que prometen aún mayor eficiencia.

En los últimos años hemos visto la aparición de los vehículos híbridos, que conjugan un motor de combustión interna con un motor eléctrico para propulsar el vehículo. Esta asociación redunda en la mejora del rendimiento energético del vehículo a pesar del incremento de peso por los sistemas adicionales y las baterías. El motor de combustión es la principal planta motriz, siendo apoyada por el motor eléctrico cuando este se haya a bajas revoluciones, donde su eficiencia baja, o es necesario un incremento de potencia rápido, aprovechando el par del motor eléctrico. Las dos grandes ventajas de estos híbridos están en que es posible recuperar parte de la energía de frenado, que de otra manera se disiparía en forma de calor en los frenos y que en caso de una parada, como en un semáforo, es posible detener el motor de combustión interna ahorrando combustible.

En mi opinión los vehículos híbridos son una tecnología de transición hacia un futuro dominado por los vehículos eléctricos. Sin embargo, creo que van a tener sus nichos en el futuro, no desapareciendo por completo. Veamos su evolución actual y la que yo preveo:

Los primeros híbridos son básicamente vehículos convencionales de combustión interna, donde la parte eléctrica sirve de apoyo al motor térmico, recuperando parte de la energía de frenado y muy poca capacidad de las baterías.

Ahora están comenzando a aparecer los híbridos enchufables, donde se han mejorado las baterías y permiten autonomías de unos 50 Km., únicamente con la energía de las baterías que se pueden cargar a partir de la red eléctrica convencional. Este tipo de uso ya se había conseguido por la modificación por parte de los propietarios de los híbridos de serie de forma privada.

La siguiente evolución es la de los híbridos denominados serie. En estos el motor térmico no va unido mecánicamente a las ruedas, sino que lo hace a un generador eléctrico que se ocupa de cargar las baterías. La propulsión del vehículo es totalmente eléctrica, bien con un motor central o con motores eléctricos en cada rueda. Este modo es más eficiente, ya que la potencia, rendimiento y par de los motores eléctricos es más estable a lo largo de todo el rango de potencias y par necesarios para mover el vehículo. Por otra parte el motor térmico puede funcionar en sus condiciones óptimas de operación, sin tener que hacerlo a bajas revoluciones con bajo rendimiento ni tener que mantenerse al ralentí en las paradas. Por supuesto este vehículo es enchufable, con una autonomía en función de las baterías instaladas, las cuales serían suficientes para la inmensa mayoría de los trayectos diarios, solamente utilizando el motor térmico en los desplazamientos largos.

La última evolución es el motor de pila de combustible. Este es básicamente un híbrido serie donde se sustituye el motor térmico por una pila de combustible (fuel cell en inglés). La pila de combustible lo que hace es combinar oxígeno obtenido del ambiente e hidrógeno, para producir electricidad y como resultado agua pura. Para entendernos, es el proceso inverso a la hidrólisis. Este proceso no produce CO2, por lo que se podría considerar limpio, pero el hidrogeno no existe libre en la naturaleza, por lo que hay que obtenerlo mediante hidrólisis del agua (proceso muy poco eficiente) o por reformado de un combustible hidrogenado, como gas natural, metanol, etanol,… Existen algunos tipos de pilas de combustible que pueden ser alimentados directamente con este tipo de combustibles realizando el reformado “in situ”. Los problemas que afronta este tipo de vehículo es que aún no está solucionado el modo de almacenar el hidrógeno de forma económica y el coste de la propia pila de combustible aún es muy elevado.

El motor Stirling no ha tenido cabida en los automóviles dadas sus características. A pesar de ser más eficiente, tiene poca flexibilidad para aumentar o disminuir la potencia producida, lo cual es indispensable en un coche convencional. Además requiere cierto tiempo de “calentamiento” hasta alcanzar las temperaturas de operación. Finalmente, las necesidades de refrigeración son mayores que en un motor de combustión interna donde se expulsan los gases calientes al ambiente, y por tanto requiere radiadores de mayor tamaño para la misma potencia nominal que los convencionales.

Sin embargo, lo que es una desventaja se convierte en una ventaja cuando hablamos de su uso en híbridos serie. El motor no propulsa en vehículo, sino que acciona un generador eléctrico, por lo cual se pueden diseñar ambos para que funcionen en condiciones óptimas (una vez pasado el proceso de arranque y calentamiento). La potencia necesaria en este caso es diferente a la de un coche convencional. En estos, el motor debe tener una reserva de potencia disponible para poder acelerar, por lo que toda esa potencia de “caballería” que nos venden al anunciar los vehículos está descansando más del 90% del tiempo. En los híbridos serie esa potencia extra tiene que estar en el motor eléctrico, no en el térmico. Este solo debe proporcionar la energía para recargar las baterías para los picos de consumo en los momentos en que sobra energía (cuestas abajo, velocidad de crucero en llano, frenadas, etc. …). Es por ello que para tener un uso comparable, es suficiente un motor con una potencia del 20-30% de la que nos venden. (Ojo, hablo de potencia, no de rendimiento global. No es que hagamos los mismos kilómetros con el 20-30% de combustible). Dicho de otra manera, el motor debe estar funcionando siempre en la media de la energía necesaria, y no necesita tener potencia adicional para los picos. Como consecuencia de lo anterior, necesitamos un motor más pequeño, más ligero y con menores necesidades de refrigeración, lo cual facilita su integración en el volumen del vehículo. Además estará funcionando en condiciones de máximo rendimiento, mejorando los consumos globales.

Estas son las condiciones ideales para un motor Stirling. Para el propietario, tendría ventajas adicionales como menores vibraciones y ruidos, junto con un menor mantenimiento por desgaste derivado. El mayor rendimiento repercutiría en menores consumos para el mismo uso y por tanto de menores costes operativos del vehículo. Es en este momento donde se abre una ventana de oportunidad para los motores Stirling si quieren tomar cumplida venganza de los motores diesel y gasolina.

Finalmente voy a ejercer de futurólogo aficionado de nuevo. Como dije antes los híbridos son una tecnología de transición hacia los coches eléctricos, pero en mi opinión no van a ser totalmente sustituidos. El vehículo eléctrico es idóneo para ámbitos urbanos donde los desplazamientos son cortos y hay grandes facilidades para realizar la recarga de las baterías. Incluso tiene utilidad en viajes largos si se desarrollan sistemas de recarga rápida de las baterías, para realizar el proceso en tiempos semejantes a los que se emplean ahora en las estaciones de servicio. Sin embargo, yo no veo razonable por ejemplo un todoterreno exclusivamente eléctrico, salvo que lo uses para llevar a los niños al colegio exclusivamente. En zonas rurales donde los puntos de abastecimiento son más dispersos, el tener un sistema alternativo a las baterías puede ser indispensable. Se me ocurren otros usos menos glamurosos, como tractores todo tipo de maquinaria móvil, donde tendrían cierta oportunidad los motores Stirling como apoyo. Los camiones de transporte pueden ser otra oportunidad, ya que la cantidad de baterías que necesitarían sería excesiva.

En cuanto a la pila de combustible, me parece una excelente solución pero hay demasiada incertidumbre para poder hacer una predicción. Hay varios problemas que aun tiene que resolver, para poder ser una alternativa realista. Son indudables sus ventajas adicionales de funcionamiento y operación. Veamos lo que el futuro nos depara.

Ahora veremos los cinco principales puntos de pérdidas:

Ciclo no ideal
La principal dificultad con la que nos encontramos es la de replicar el ciclo ideal. Lo idóneo en un motor típico es que cuando realizamos la compresión en el cilindro frío, no haya ningún gas en el cilindro caliente, por lo que el pistón debería estar parado en su punto muerto. Análogamente en la expansión el pistón del cilindro frío también tendría que realizar una parada. Este hecho es muy complicado de conseguir cinemáticamente en un motor del que queremos obtener un movimiento rotatorio. Las alternativas propuestas hasta ahora solo plantean aproximaciones a ese ciclo ideal, tal y como es mi diseño S-MDI.
Revisión teoría
La consecución de los movimientos para los procesos a volumen constante son menos dificultosos.

Histéresis gases
Otra fuente de pérdidas la encontramos en los volúmenes muertos derivados del diseño. Estos volúmenes muertos se encuentran en los conductos entre los dos cilindros, en el regenerador, y entre el pistón y la culata del cilindro (para evitar el impacto y deterioro del motor).
Lo ideal sería que pudiéramos comprimir todo el gas en el el foco frío y expandirlo en el caliente. Estos volúmenes muertos hacen que parte de esa expansión y compresión no se realice íntegramente dentro de los cilindros como sería deseable, ademas de actuar como amortiguadores de los mismos. Por lo tanto a la hora de diseñar un motor debemos reducir estos volúmenes lo máximo posible.

Rozamiento viscoso
El gas de trabajo dentro del motor es un fluido y por tanto tiene viscosidad. Al circular por los distintos conductos y el regenerador, se produce un rozamiento que se traduce en calor y por tanto pérdidas. La forma de solucionarlo es utilizar gases de baja viscosidad, como el Hidrógeno o el Helio. El Hidrógeno plantea problemas de contención por su baja masa molecular y además problemas de difusión en metales agravados por las altas temperaturas.

Rozamiento mecánico
Este ya es más común al resto de motores. Es debido al rozamiento del pistón con las paredes de los cilindros y la parte de transmisión (bielas, cigüeñal,….).

Transmisión térmica
Un motor Stirling trata de obtener trabajo a partir de dos focos a distinta temperatura. Es por tanto de vital importancia conseguir transmitir al fluido de trabajo adecuadamente esa energía térmica. Uno de los modos de hacerlo es aumentando las superficies de intercambio, pero esto si no se hace adecuadamente provoca un incremento de los volúmenes muertos que ya hemos visto antes. Otra solución es aumentar el tiempo para que se produzca ese intercambio de calor. Los motores de explosión funcionan a altas revoluciones lo que hace que los procesos sean adiabáticos, evitando sobrecalentamientos del motor. Los motores Stirling funcionan a muchas menores revoluciones para facilitar el intercambio. Esto tiene como consecuencia que tengamos menos ciclos por minuto y por tanto menos potencia para volúmenes similares. Es por ello que los motores Stirling son de mayor tamaño que los de combustión interna.

Como hemos visto, normalmente las soluciones que son buenas para un problema son malas para otra. Es por ello que en todo diseño de ingeniería se busque una solución de compromiso que obtenga el mayor rendimiento. No obstante siempre hay la posibilidad de una innovación suficiente para mejorar en algún aspecto sin afectar a los otros.

Animación Biela

 Este gráfico lo obtuve de la pagina del socio español de MDI. Desafortunadamente, parece que ha habido algún problema entre ambos y la pagina ya no existe como tal. He intentado buscar esta información y gráficos en la pagina original francesa y no los he encontrado. Por suerte tenía este archivo guardado. Espero que os resulte útil.

he tenido el blog un poco abandonado ultimamente, pero espero cambiar eso. En esta semana confío en completar mi serie sobre aplicaciones del motor Stirling, y ya tengo algunos temas los siguientes posts. 

Gracias por las visitas y los comentarios.

El proyecto denominado Solar Two, y localizado en Imperial County, California, consiste en dos fases. En la primera se instalarían 12.000 unidades Disco-Stirling de 25Kw cada una, hasta una potencia total de 300MW. En una segunda fase se instalarían otras 24.000 unidades para alcanzar los 900MW totales del proyecto.

Via: erenovable

Proyecto Solar Two

• Gases de escape de un motor de combustión interna. Los MCI tienen unos rendimientos entre el 25 y el 40 %, el resto se va en el calor de los gases de escape. Imaginemos un MCI supereficiente con rendimiento del 40%. El 60% de la energía contenida en el combustible se pierde en forma de calor. Si utilizamos un MS con un rendimiento teórico del 50% (calculado por la diferencia de temperatura de los gases con el ambiente). Apliquemos un factor del 50% en el aprovechamiento práctico.

0,5 x 0,5 = 0,25 Rendimiento total del MS = 25%0,6 x 0,25 = 0,15 Recuperamos el 15% de la energía contenida en el combustible.Rendimiento total del sistema40% + 15% = 55%Dicho de otra manera hemos aumentado el aprovechamiento del combustible un 37% (15/40 x 100) o dicho de otra manera para recorrer una misma distancia consumiriamos solo el 73% del combustible inicial, ahorrando un 27%.

• Refrigeración de centrales de Carbón y Nucleares. De las turbinas de vapor de estas centrales sale vapor con una considerable energía térmica (para evitar daños en los alabes de las turbinas no se puede condensar gotas de agua en las mismas), que tiene que ser condensado. La energía que se libera en esta condensación podría ser aprovechada por un MS para generar electricidad reduciendo las necesidades de refrigeración.
• Energía geotérmica. Para poder aprovechar la energía geotérmica para generar electricidad necesitamos alcanzar temperaturas superiores a 150ºC. Esto deja a muchos yacimientos sin posibilidades de explotación, que sin embargo podrían ser utilizados marginalmente por motores Stirling.