Implementation of a Stirling engine generation system for residential use in rural areas of Beni department of Bolivia

• Main Authors: Ljunggren Falk, Hugo, Berg, Sandra
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Energiteknik 2014
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-148065

This thesis summarizes a degree project in Sustainable Energy Engineering, carried out by two students at the Royal Institute of Technology, Stockholm, in the year of 2014. As the extension of the power grid in Bolivia is largely underdeveloped, approximately half of the country’s rural inhabitants live in areas without access to electricity. Access to electricity not only improves standard of living for individuals, it also enables a more developed and sustainable society. The aim of this study was to design an off-grid energy system containing a Stirling engine, designed for rural households in lowland areas of Bolivia. The Stirling engine is externally heated, have a high efficiency and high fuel flexibility. The engine was supposed to be fueled by biomass combustion, a renewable source highly accessible in Bolivia. In order to design the energy system, the electricity demand, the daily routine of energy use and the Stirling technology had to be researched and analyzed. As a result, a conceptual model of the energy system was made, and a simulation of the model was conducted using HOMER software. In the simulation, a 2 kWel Stirling engine system with a 1 kWel support engine during peak hours and 3 kWel Stirling engine were analyzed. Test results show that a 3 kWel engine, with an electrical efficiency of 15 %, combined with two 6 kWh batteries can provide 30 households with the required amount of electricity, also in critical situations such as fluctuating demands and occasional interruptions of the engine operation. The 2 kWel engine system in combination with 25 batteries, 6 kWh each, could also supply the required demand. The power plant consisting of two engines provide a more flexible and resource effective solution, requiring 21 % less biomass than the 3 kWel engine. However, the combined system also requires a larger involvement from a user’s perspective. Results revealed that Stirling engines are a viable solution for rural electrification in Bolivia. However, there are obstacles regarding the Stirling technology that have to meet a solution before the engine will reach a commercial breakthrough.  === Denna rapport sammanfattar ett kandidatexamensarbete inom Hållbar energiteknik, som har utförts av två teknologer på Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm år 2014.   I dagens situation är elnätet i Bolivia begränsat både geografiskt och tillförlitlighetsmässigt, och nästan hälften av landets invånare boendes på landsbygden lever utan tillgång till elektricitet. Tillgång till elektricitet leder till en ökad livsstandard, och ökar också möjligheterna till ett utvecklat, mer integrerat och hållbart samhälle.   Målet med detta projekt var att dimensionera ett energisystem med en Stirlingmotor, anpassad för hushåll på landsbygden i låglänta områden i Bolivia. Stirlingmotorn värms upp externt och har en hög energieffektivitet, samt kan drivas av en stor mängd olika bränslen. I denna studie har motorn varit tänkt att drivas genom förbränning av biomassa. Biomassa, som är ett förnybart bränsle, finns det stor tillgång till i Bolivia. För att kunna modellera energisystemet behövdes först elektricitetsbehovet undersökas, sedan behövde Stirlingmotorns teknik kartläggas och analyseras. Resultatet blev en konceptuell modell över energisystemet som simulerades och beräknades i mjukvaruprogrammet HOMER. I simulationen beräknades två fall, ett system med en 2 kWel Stirlingmotor i kombination med en 1 kWel för drift under högtrafiktimmar, och ett system med en 3 kWel Stirlingmotor.   Beräkningarna visar att en 3 kWel motor, med elektrisk verkningsgrad på 15 %, ihopkopplad med två batterier på 6 kWh kan leverera elektricitet till runt 30 hushåll. I systemet med en 2 kWel och en 1 kWel motor, båda med samma verkningsgrad som föregående, kan elektricitetsbehovet mötas om systemet backas upp med 25 stycken 6 kWh-batterier. Systemet med två motorer kombinerade erbjuder en mer flexibel och resurseffektiv lösning, och förbrukar 21 % mindre mängd biomassa än motorn på 3 kWel. Däremot kräver det tvåmotoriga systemet ett större engagemang från användarna.   Slutsatsen blev att Stirlingmotorer är en genomförbar lösning för elektrifiering på landsbygden i Bolivia. Dock finns det ett flertal hinder angående Stirlingmotorer som behöver lösas innan motorn kan nå ett kommersiellt genombrott.