Para conseguir una moderna estufa de pellets que funcione sin conexión a la red eléctrica, las empresas austriacas RIKA Innovative Ofentechnik y BIOS Bioenergiesysteme han desarrollado una nueva tecnología de micro-CHP basada en una estufa de pellets y un generador termoeléctrico (TEG). Gracias a los TEG se puede producir energía eléctrica de forma silenciosa y sin mantenimiento a partir del calor.

Las estufas de pellets se han popularizado en los últimos 15 años debido a sus ventajas: control automático, facilidad de uso y bajas emisiones en comparación con las estufas de leña. Sin embargo, la necesidad de una fuente de alimentación eléctrica externa para el encendido y el funcionamiento de la estufa es una desventaja respecto a otros sistemas de calefacción independientes. Esta nueva tecnología es particularmente adecuada en hogares que necesitan una estufa independiente de la red eléctrica.

Cómo funciona un TEG

El principio de funcionamiento de los TEG se basa en el efecto Seebeck, por el cual el calor se convierte directamente en electricidad gracias a dos semiconductores conectados y dopados de distinta manera, colocados a distintas temperaturas.

La salida eléctrica de los TEG depende del tipo de generador, número de módulos termoeléctricos utilizados, diferencia de temperatura entre los lados frío y caliente del TEG y temperatura del lado frío del TEG. Para colocarlo en una estufa de pellets se necesita una diferencia de temperatura elevada y una temperatura baja del lado frío del TEG.

Con estas condiciones y sobre un diseño de estufa de pellets de RIKA de 10,5 kW se ha definido el esquema general para la nueva tecnología con TEG.

Mientras la estufa de pellets está funcionando, el TEG produce electricidad para su operación y para cargar un acumulador. Éste suministra electricidad para el siguiente encendido y resto de elementos que consumen energía, por ejemplo el ventilador y la bomba, hasta que el TEG inicie la producción de electricidad. El TEG se refrigera por el mismo circuito de agua que alimenta los radiadores.

Durante el desarrollo de la nueva tecnología se realizaron cálculos para evaluar diferentes opciones de refrigeración del TEG y definir el tamaño adecuado para producir energía suficiente. También se utilizó Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) para definir la posición óptima del TEG en la estufa y asegurar un aprovechamiento completo de los gases de combustión.

En paralelo, se seleccionaron componentes de bajo voltaje tratando de reducir la demanda de electricidad de la estufa y se desarrollaron componentes electrónicos de potencias adecuadas para maximizar la producción de electricidad durante la operación.

Prototipo de la estufa de pellets con la nueva tecnología de microcogeneración con TEG en el banco de pruebas de BIOS

Prototipo de la estufa de pellets con la nueva tecnología de microcogeneración con TEG en el banco de pruebas de BIOS

Posteriormente se construyó y probó el primer equipo de ensayo. Tras un exhaustivo programa de pruebas y evaluación, el sistema se optimizó y se construyó un segundo prototipo más avanzado que también fue evaluado.

Potencia eléctrica de 10 a 50 W

La demanda de electricidad con esta nueva tecnología para estufas de pellets podría reducirse en más del 50% en comparación con las estufas comunes. Gracias a la posición optimizada del TEG, la nueva electrónica de potencia y un sistema de refrigeración adecuado, el TEG puede alcanzar una potencia de salida eléctrica de 10 – 50 W (dependiendo de la carga de la estufa de pellets) y cargar completamente el acumulador a los 40 minutos de funcionamiento de la estufa.

La eficiencia total de la nueva tecnología ((calor útil + electricidad)/entrada de potencia de combustible relacionada con PCI * 100) asciende, en carga nominal, al 91% y aumenta en carga parcial hasta el 97%.

Se han realizado pruebas con ciclos de carga que representan una operación real, y la idoneidad práctica ha sido probada: la electricidad producida por el sistema TEG cubre la demanda de energía para la puesta en marcha y operación de la estufa de pellets.

El excedente de electricidad producido puede utilizarse para cargar teléfonos móviles u otros pequeños aparatos a través de un puerto USB. Además, con el agua del circuito de enfriamiento del TEG se podría calentar una sala adicional a través de radiadores.

La nueva tecnología de microcogeneración basada en una estufa de pellets y un sistema TEG suministra calefacción renovable neutra en CO2 independiente de la red eléctrica. El diseño final y las pruebas a largo plazo de los nuevos componentes están en curso.

Su introducción en el mercado está prevista por RIKA en 2018.


 

 

Nuevas tecnologías de cogeneración a micro y pequeña escala

El proyecto internacional de ERA-NET Bioenergy “Cogeneración con biomasa a pequeña escala” explora tres tecnologías que harían posible la cogeneración con biomasa a micro y pequeña escala de forma eficiente, fiable y económica.

Su objetivo es desarrollar y probar nuevas tecnologías de cogeneración basadas en la combustión a pequeña escala de biomasa en el rango de potencia eléctrica entre algunos W y 100 kW, que abarcan una amplia gama de aplicaciones en el sector de la calefacción residencial.

El consorcio está formado por 8 socios científicos y 4 fabricantes de calderas y hornos de biomasa conocedores de las tecnologías de cogeneración de Austria, Alemania, Suecia y Polonia. El coordinador ha sido la compañía austriaca BIOS Bioenergiesysteme GmbH.

El consorcio agradece el apoyo financiero del Fondo Austriaco para el Clima y la Energía, la Agencia Alemana de Recursos Renovables (FNR), el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo (NCBiR) de Polonia y la Agencia Sueca de Energía.

eranet proyecto microcogeneracion con biomasa

El potencial eléctrico de los sistemas de calefacción a pequeña escala

La eléctrica a partir de biomasa sólida se realiza sobre todo en plantas de cogeneración a media y gran escala (>200 kWel). Sobre todo en grandes plantas, si la demanda de calor es limitada la eficiencia total se ve limitada.

Para obtener la máxima potencia del combustible de biomasa es fundamental que la operación de la planta esté controlada por la demanda de calor. Por otra parte, al ser un combustible local resulta preferible utilizar la biomasa en aplicaciones descentralizadas por cuestiones de logística y transporte.

Estos argumentos apoyan la idea de activar el gran potencial de generación eléctrica de los sistemas de calefacción de biomasa a pequeña escala en Europa. Hasta ahora no se dispone de tecnologías de cogeneración con biomasa a micro y pequeña escala adecuadas (en términos de eficiencia y fiabilidad) y económicamente asequibles.

Debido a la gran diversidad de capacidades térmicas y aplicaciones, el proyecto se centró en tres conceptos de cogeneración para diferentes tipos y tamaños de sistemas de combustión de biomasa a pequeña escala:


Ingwald Obernberger y Gerhard Weiß/BIOS Bioenergiesysteme GmbH,

www.bios-bioenergy.at

Publicado en BIE 36 – Verano 2017

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