El motor Stirling es un motor térmico de combustión externa. Originariamente se concibió como un motor principal industrial para competir con la máquina de vapor, pero en la práctica, durante más de un siglo sólo se usó para aplicaciones domésticas y para motores de baja potencia.
El motor Stirling fue inventado en 1816 por Robert Stirling, un cura escocés. Una de las preocupaciones de la época era la seguridad de las máquinas de vapor. El objetivo de Stirling era conseguir un motor menos peligroso que la máquina de vapor.
El funcionamiento se basa en la expansión y contracción de un gas que puede ser helio, hidrógeno, nitrógeno o aire. A este gas se le obliga a desplazarse cíclicamente de una fuente fría donde se contrae a una fuente caliente donde se expande.
Este tipo de máquina se considera como un motor térmico. Se trata de un motor termodinámico debido a la presencia de un gradiente de temperaturas entre las dos fuentes térmicas.
Actualmente, aún se investiga el desarrollo. El hecho de que sólo necesite una fuente de calor externa le da una gran versatilidad ya que este hecho le da la posibilidad de poder utilizar muchas fuentes de energía para su funcionamiento. Ejemplos de fuentes de energía utilizadas en esta tecnología son la energía solar térmica, combustibles fósiles tales como carbón o petróleo, biomasa, energía geotérmica y otras.
¿Cómo funciona un motor Stirling?
Un motor Stirling es un motor alternativo que funciona en un ciclo regenerativo termodinámicamente cerrado. Este ciclo es el denominado ciclo de Stirling. La caracterísitca principal de este ciclo es que funciona con compresión cíclica y expansión cíclica del fluido de trabajo a diferentes niveles de temperatura.
El motor Stirling es un motor térmico que funciona a través de un ciclo de compresión y expansión de un gas. Se utilizan dos niveles de temperatura que hace que haya una conversión neta de energía térmica en energía mecánica (trabajo mecánico).
El gas comprimido ejerce una presión sobre un pistón. El pistón va conectado a un eje cigüeñal que permite convertir el movimiento lineal del pistón por dentro del cilindro en un movimiento de rotación de un eje.
Dentro del grupo de los motores térmicos, al igual que la máquina de vapor, el motor Stirling se clasifica como un motor de combustión externa; todas las transferencias de calor con el gas de trabajo se hacen a través de la pared del motor. En cambio, en un motor de combustión interna la entrada de calor se hace por la combustión de una combustible dentro del cuerpo del fluido de trabajo.
Como es típico en los motores térmicos, el ciclo general consiste en:
- Comprimir el gas que está a menor temperatura.
- Calentar el gas en un foco caliente.
- Expandir el gas caliente generando un trabajo mecánico.
- Enfriar el gas en un foco frío para poder repetir el ciclo de Stirling.
Aplicaciones del motor Stirling
El motor Stirling se perfila como una tecnología con gran potencial para su implementación en regiones con una población dispersa, donde la extensión de la red eléctrica resulta económicamente inviable. Su eficiencia y capacidad para operar con diversas fuentes de calor lo hacen especialmente atractivo para la generación descentralizada de energía.
Se prevé que los fabricantes desarrollen y produzcan en gran escala unidades compactas basadas en esta tecnología, especialmente aquellas acopladas a discos solares. Estos sistemas podrían ofrecer potencias de entre 1 y 2 kW, lo que equivale a una producción mensual de aproximadamente 200 a 400 kWh. Su uso sería particularmente beneficioso en países situados entre los trópicos, donde la radiación solar es abundante durante todo el año, proporcionando una fuente de energía constante y renovable.
Además de su aplicación en electrificación rural, el motor Stirling también podría desempeñar un papel clave en el suministro energético de estaciones remotas, instalaciones agrícolas, sistemas de bombeo de agua y generación de energía en viviendas aisladas. Su capacidad para operar con diferentes fuentes térmicas, incluyendo biomasa y calor residual, lo convierte en una alternativa versátil para mejorar el acceso a la energía en comunidades con recursos limitados.
Ejemplos de aplicaciones
Aquí tienes algunos ejemplos adicionales de aplicaciones del motor Stirling:
- Electrificación de comunidades aisladas: En áreas rurales o montañosas donde la infraestructura eléctrica es escasa o inexistente, los motores Stirling pueden proporcionar energía para iluminar viviendas, alimentar electrodomésticos básicos y ofrecer calefacción, utilizando únicamente la energía solar o biomasa disponible localmente.
- Sistemas de bombeo de agua: En regiones agrícolas donde el acceso a energía eléctrica es limitado, los motores Stirling pueden alimentar bombas de agua para riego, lo que mejora la productividad agrícola. Estos sistemas podrían funcionar con energía solar o calor de biomasa, lo que resulta en una solución sostenible.
- Generación de energía en zonas turísticas remotas: Los motores Stirling podrían abastecer de electricidad a alojamientos turísticos en áreas apartadas, como cabañas ecológicas o campamentos, donde la conexión a la red eléctrica no es viable. Los sistemas basados en energía solar son ideales para este tipo de aplicaciones, reduciendo el impacto ambiental.
- Aplicaciones en industrias pequeñas y medianas: En zonas industriales alejadas de las grandes ciudades, donde las pequeñas fábricas o talleres enfrentan dificultades para obtener energía de la red eléctrica, los motores Stirling pueden ser utilizados para generar electricidad de manera autónoma, alimentados por fuentes renovables, como la biomasa o el calor residual de los procesos industriales.
- Generación de energía para telecomunicaciones: En áreas donde las torres de telecomunicaciones no están conectadas a la red eléctrica, los motores Stirling pueden ser utilizados como una solución para alimentar equipos de transmisión, utilizando energía solar o térmica de fuentes naturales.
Rendimiento de un motor Stirling
La eficiencia del proceso queda muy restringida por la eficiencia del ciclo de Carnot, que depende de la diferencia de temperatura entre la zona caliente y la zona fría. De todos modos, el motor Stirling es el único capaz de aproximarse al rendimiento máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot.
Ciclo de Carnot
En termodinámica, el ciclo de Carnot o el proceso de Carnot es un proceso circular ideal. Este ciclo consta de dos procesos adiabáticos y dos procesos isotérmicos. En el proceso de Carnot, el sistema termodinámico realiza un trabajo mecánico mediante el intercambio de calor con dos depósitos de calor. Los dos depósitos de calor tienen temperaturas constantes pero diferentes.
En los ciclos de Carnot hay dos focos de calor:
- El calentador, que que sn tanque con una temperatura más alta
- El refrigerador, que es un tanque con una temperatura más baja.
Diferencia entre el motor Stirling y el motor de vapor
A diferencia de un motor de vapor el motor Stirling cierra una cantidad fija de fluido en estado permanentemente gaseoso como es el aire. En cambio, en la máquina de vapor el fluido de trabajo sufre un cambio de fase de líquido a gas.
El motor Stirling se caracteriza por su alta eficiencia en comparación con las máquinas de vapor, un funcionamiento más silencioso, y mayor facilidad para utilizar diferentes fuentes de calor.
Esta compatibilidad con las fuentes de energías alternativas y renovables ha sido cada vez más importante a medida que subía el coste de los combustibles fósiles convencionales, y la sensibilidad social con el cambio climático. El motor Stirling es actualmente de interés como núcleo de las unidades microcombinades de calor y energía, es decir de cogeneración, en las que es más seguro y eficiente que una energía de vapor.