Estudio termodinámico del aprovechamiento energético de fuentes de energía de baja temperatura mediante un ciclo rankine con fluidos de trabajo orgánicos (orc)

Resum

Las relativa bajas temperaturas alcanzadas con las tecnologías convencionales que transforman las fuentes de energía de carácter renovable como la solar, la biomasa, o la geotérmica, así como los calores que son desperdiciados en la mayoría de procesos industriales, hacen imprescindible el desarrollo de nuevas tecnologías que transformen eficientemente estos calores en energía eléctrica y/ó mecánica. En ese sentido, el tradicional ciclo Rankine no presenta un buen rendimiento para recuperarlos o usarlos y, adicionalmente, su viabilidad técnico-económica está supeditada a plantas de gran potencia. Tomando en cuenta las consideraciones anteriores, se evaluó la factibilidad de implementar otro tipo de proceso, el Ciclo Rankine Orgánico (ORC), que no es más que un ciclo Rankine de vapor convencional utilizando un fluido orgánico en vez de vapor de agua, reduciendo con ello la temperatura de evaporación. Así pues, se exploró la alternativa de usar diversos refrigerantes e hidrocarburos como fluidos de trabajo en Ciclos Rankine para generación de energía a partir de fuentes de baja temperatura en condiciones súper y subcríticas. El desarrollo metodológico para lograr los objetivos trazados se inició con la presentación de los principales problemas acontecidos con el modelo energético actual y, se amplió la información, tanto de los contaminantes que con su emisión provocan el efecto invernadero, como de la situación energética a nivel Mundial, Europeo y Español. Tras esto, se presenta una breve reseña histórica y de origen de los ciclos termodinámicos de potencia, se realiza una amplia revisión bibliográfica que permitió determinar el estado del arte de la tecnología; tanto a nivel académico, como tecnológico, económico y de mercado, conociéndose con ello sus ventajas, características, aspectos a considerar en la selección del fluido de trabajo y aplicaciones posibles de este proceso. Seguidamente, para optimizar energéticamente el proceso, fue realizado un análisis termodinámico comparativo de refrigerantes e hidrocarburos como fluidos de trabajo en condiciones subcríticas en estos ciclos Rankine. Con este estudio se mostró cómo, aumentar la presión, temperatura (o ambas) de entrada a la turbina, provoca un aumento en el efecto que tienen estos parámetros en la eficiencia total del ciclo, aumentándola o disminuyéndola, según sea el fluido húmedo o seco, respectivamente. El estudio energético y exergético realizado al ciclo Rankine orgánico transcrítico con CO2 como fluido de trabajo, también mostró que al aumentar la presión de entrada a la turbina, aumenta tanto la eficiencia energética, como el trabajo neto específico, hasta que, por las características propias del CO2 en este proceso, empiezan a disminuir los valores de dichos parámetros. El aumento de la presión de entrada a la turbina provocó el aumento del rendimiento exergético de manera asintótica, en tanto que para una presión determinada, el aumento de la temperatura de entrada a la turbina provoca una disminución del rendimiento exergético del ciclo. Finalmente, se analizó el comportamiento del Ciclo Rankine transcrítico con CO2, por medio de la realización de ensayos experimentales en planta piloto ubicada en el Centro Tecnológico Cartif. En ésta, se constató la óptima operabilidad y controlabilidad de las variables de toda la planta en general, y el elemento utilizado como expansor simuló acordemente la caída de presión que ocurriría en una turbina real. Los aportes de esta tesis se consideran de gran relevancia para la comunidad científica en general, pues si bien es cierto que hay numerosas referencias sobre este tema en la literatura, también es verdad que muchas de ellas analizan fluidos de trabajo para fuentes de calor muy superiores a 150 ºC, o fluidos con un alto, bien sea, Potencial de Destrucción de la capa de Ozono o de Calentamiento Global, por lo que son, o será prohibido su uso, dejando de ser interesantes esos estudios para una aplicación real. Así pues, en este trabajo se limita el estudio a fluidos teniendo en cuenta su efectiva utilidad futura, tanto por razones medioambientales, como por la baja temperatura de la fuente de calor a usar (<150 ºC). Otro punto a destacar del presente trabajo radica en la consecución de resultados experimentales, pues son pocas las instalaciones mencionadas en la bibliografía, que permiten evaluar experimentalmente ciclos transcríticos. Otros aspectos novedosos del presente trabajo, es el intento por evitar toda clase de distorsiones o ruidos por parámetros externos en el comportamiento del fluido dentro del ciclo, logrando con ello no limitar o sesgar el estudio a una sola aplicación (calores residuales, solar, geotérmica, etc.). Así mismo, en este estudio también se abarcó la diferencia en el tipo de fluido (húmedo, seco e isoentrópico) y, adicionalmente y de cara a una efectiva comparación, y que corresponde a otra notable diferencia de este trabajo con la bibliografía a la cual se accedió, es la parametrización de las presiones de entrada y salida de la turbina, debido precisamente a la diferencia que hay, a una determinada temperatura, en las presiones de saturación y de condensación de los fluidos. Por tanto, mediante la ejecución y desarrollo de este proyecto de investigación se obtuvieron conclusiones acerca de la manera como afectan parámetros como la temperatura y presión de entrada a la turbina, sobrecalentamiento del fluido, inclusión de un intercambiador interno de calor al ciclo simple, etc. Así pues, con base en la experiencia aportada con este proyecto de investigación, se puede afirmar que la tecnología ORC actuando tanto como ciclo topping o bottoming tiene un enorme potencial desde el punto de vista técnico y económico para la producción de calor (para calefacción, agua caliente sanitaria, secado de procesos en la industria, refrigeración por absorción, etc.) y/o energía mecánica y eléctrica (desde unos pocos kWe hasta algunos MWe) a partir de fuentes renovables de energía como la biomasa, la solar y la geotérmica y de los calores residuales de procesos industriales o de otras tecnologías, haciéndolas idóneas para el autoabastecimiento energético de pequeñas poblaciones, así como de las industrias. Además, de resaltar el hecho que hasta ahora no hay un único fluido que satisfaga todos los aspectos a tener en cuenta (en términos de eficiencia, toxicidad, medioambiente, económico, etc.) en un ciclo real ORC.