Investigadores desarrollan primer prototipo de combustor a chip para calefacción domiciliaria a nivel mundial

La iniciativa fue desarrollada por el Centro de Sistemas de Ingeniería Kipus de la Universidad de Talca, con apoyo de la MacroFacultad de Ingeniería, para generar una alternativa de calefacción de uso domiciliario con bajas emisiones contaminantes, usando un combustible alternativo a la leña y de menor costo.

La contaminación atmosférica producida por el uso de calefacción a leña es un problema que afecta, cada año, la calidad de vida de miles de habitantes en diversas ciudades de la zona centro y sur de Chile. En los últimos años, esta situación se agudizó, generando una saturación de material particulado, causando preocupación en las autoridades que a través de planes de descontaminación atmosférica, comenzando a regular el uso de la leña.

Ante esta realidad, que obedece a que la leña es la opción económicamente más conveniente para la calefacción de los hogares del centro y sur de Chile, académicos e investigadores del Centro de Sistemas de Ingeniería Kipus, analizaron los chips de madera, pequeños trozos resultantes del proceso de corte y astillado de troncos, como una alternativa viable y más económica que el pellet para la calefacción.

De este modo y como parte de una iniciativa Fondef IDeA de CONICYT, se comenzó a desarrollar un prototipo de estufa en base a chip en el marco del proyecto "Desarrollo y optimización de equipos para la combustión de biomasa granular con bajas emisiones de uso domiciliario". La iniciativa se lleva a cabo en la Universidad de Talca, con apoyo de la MacroFacultad de Ingeniería, en asociación con empresas Amesti y el Instituto Alemán de Investigación en Biomasa (DBFZ por sus siglas en alemán).

En este contexto, el director del Centro de Sistemas de Ingeniería Kipus, Carlos Torres, comentó que "vimos un alto potencial en el chip, porque Chile produce excedentes de este producto, lo que también ocurre en países como Brasil, Colombia y Canadá, existiendo un comercio internacional de este combustible de biomasa, cuyo costo es de 15 pesos por kilowatt hora, mientras que la leña, en estas mismas condiciones, alcanza un valor de 30 o 35 pesos y el pellet llega a un valor de 45 pesos, lo que convierte al chip en la alternativa más económica", sostuvo.

Al ver estas cifras, y ante la interrogante de por qué en el país no se ha diseñado un equipo de calefacción con estas características, el investigador y director del centro, Carlos Torres, explicó que ello se debe a que Chile ha adoptado tecnologías extranjeras en este ámbito. Así, como en ningún otro país ha existido la necesidad de generar un equipo de esta naturaleza, el desarrollo generado por Kipus se convierte en el primer prototipo de estufa domiciliaria en base a chip a nivel mundial.

"Con las características de la estufa que hemos desarrollado, se busca cumplir el objetivo de que esta sea susceptible de reemplazar los equipos existentes actualmente, por una calefacción en base a chip que quema un combustible más barato que los demás y que también emite menos material contaminante", dijo el investigador.

En tanto, el director de la MacroFacultad de Ingeniería, Cristian Bornhardt, indicó que "la problemática de la contaminación atmosférica es la misma desde el Maule al sur, por lo que en la medida en que se minimice la emisión de partículas, ello va en beneficio de la calidad de la atmósfera y la salud de las personas. Nuestra idea como MacroFacultad es desarrollar innovaciones tecnológicas que puedan ser transferidas al mercado. La mejora de los artefactos trae consigo una mayor eficiencia energética y una minimización de las emisiones", sostuvo.

Estufa con componentes de innovación
Para la fabricación de la estufa a chip, se automatizó la combustión de forma similar a una estufa a pellet, proceso con el que se evita el encendido incorrecto del equipo, permitiendo tener mejores emisiones a pesar de lo heterogéneo del material. Esta es una de las principales innovaciones que presenta el desarrollo, ya que en estufas a leña es la ignición la que produce la mayor fracción del humo visible emitido.

Además, este prototipo incluye un sistema de alimentación automática por afloramiento, es decir, se suministra el chip desde la parte inferior de la pila de combustible. Esto permite secar y precalentar el material en la medida que se acerca al frente de llama, solucionando de esta manera el problema que presentan las estufas a pellet, que al alimentar desde la parte superior, el combustible de menor temperatura enfríe la llama, generando mayor cantidad de material particulado.

Otro componente es el intercambiador de calor por el que circulan los humos, elemento ya masificado en estufas a pellet, que eleva la eficiencia de la estufa en su proceso de transferencia de calor desde los gases de combustión al ambiente.

Finalmente, el elemento más innovador del diseño propuesto es el uso de un sistema de control con sonda lambda y catalizador, similar a los sistemas de los automóviles. La sonda mide el nivel de oxígeno de los humos a la salida de la estufa, información que permite al prototipo controlar el acceso de aire a la cámara de combustión, a modo de minimizar emisiones de material particulado.

El catalizador integrado en la cámara de combustión permite completar la combustión de gases contaminantes como el monóxido de carbono, que no alcanzaron a ser quemados dentro de la cámara, disminuyendo sus emisiones contaminantes y elevando la eficiencia del equipo.

Validación de resultados en laboratorio certificado
Para validar los resultados que fueron obtenidos en el Laboratorio Ambiental de la Universidad de Talca, el prototipo fue sometido a una medición externa que estuvo a cargo del laboratorio CERYLAB de Concepción, que cuenta con certificación para realizar este tipo de análisis.

En este proceso se evaluó la potencia de la estufa y sus emisiones con dos niveles de humedad y dos configuraciones: una básica, con un sistema de control similar al de una estufa a pellet; y una configuración avanzada, con control lambda y catalizador activados. Los resultados preliminares mostraron emisiones similares a las de una estufa a pellet, alcanzado valores entre 1,4 y 2,3 gramos de material particulado por hora de operación (g/h), eficiencias de combustión sobre 85% y una potencia de 10 kW. Estos resultados son positivos y promisorios, considerando que la norma de emisiones para estufas a leña en este rango de potencia es de 3,5 g/h.

Mauricio Antivil Morgado
Proyecto ING2030