Uso del ciclo Stirling para generación de energía eléctrica a partir de fuentes de calor geotermicas de baja entalpía en Puyuhuapi

Abstract

Chile se sitúa en el Cinturón del Fuego del Pacífico y, más específicamente Puyuhuapi, localidad ubicada en la región de Aysén, esta se ha establecido como una zona con gran potencial geotérmico. Por ello, es necesaria la evaluación del uso de diferentes equipos en favor de aprovechar dicho recurso. Uno de los ciclos termodinámicos disponibles a usar es el ciclo Stirling, compuesto de dos procesos isotérmicos y dos isocóricos, que se caracteriza principalmente en que su eficiencia térmica teórica es igual a la de un ciclo de Carnot análogo. Sumado a ello, dentro de sus ventajas destacan su adaptabilidad a distintas fuentes de combustible, por lo que no se encuentran limitados por el clima, a diferencia de la generación eólica o solar. Sin embargo, su producción no se realiza a gran escala, por lo que los costos de fabricación son mayores. Por lo anterior, el presente trabajo de titulación explora el uso de un ciclo Stirling para generar una potencia eléctrica de 1[kW] , esto simulando el desempeño de un conjunto de motores Stirling seleccionados que explotan la energía de los reservorios geotermales en Puyuhuapi, donde se supondrá que el agua extraída está a 150 °C con variaciones de un 20 %, y un sumidero frío constituido por agua a 12 °C por sobre la temperatura ambiental. La correspondiente metodología por seguir es: caracterizar el recurso geotérmico y condiciones climáticas de la zona. Definir y resolver (por medio de simulaciones numéricas computacionales) las ecuaciones que gobiernan los procesos termodinámicos involucrados. Acotar la simulación de acuerdo tanto al contexto de aplicación como a conciliaciones geométricas que repercuten en las posibilidades constructivas de los motores Stirling, motores que pueden ser de configuración α, β o γ. Junto a ello, se ha de realizar un análisis de sensibilidad para estudiar el impacto de las variables más relevantes. Finalmente se dimensionan, simplificadamente, los elementos mecánicos del motor a fin de estudiar la factibilidad constructiva de los prototipos. A partir de los resultados obtenidos se concluye, en primer lugar, que no todas las configuraciones de motor Stirling cinemático son apropiadas para explotar el recurso geotermal, como es el caso de configuraciones tipo α. En segundo lugar, al comparar el desempeño del conjunto de prototipos simulado, se observa que, dado el contexto de aplicación, el rango de velocidades de operación posibles para configuraciones del tipo β es mucho menor que en el tipo γ, por lo cual se restringen sus posibilidades de operación. Todavía más, el tipo γ generan una mayor potencia que los del tipo β. Así, se comprueba que posible lograr una potencia de 1[kW] ya sea con un solo motor de grandes dimensiones o la unión de muchos de menor tamaño, sin embargo, se debe mantener un compromiso con la constructibilidad.