24 junio 2013

Guía para plantear proyectos con sistemas de recuperación de energía térmica residual industrial (1ª PARTE)



En este nuevo artículo sobre reutilización de energías vamos a exponer en detalle las técnicas disponibles para el aprovechamiento de la energía residual que está disponible en los procesos industriales. El interés en la recuperación de calor de los residuos industriales proviene de la crisis energética de los años 70 y desde aquellos años se han venido desarrollando tecnologías que hoy en día permiten un importante ahorro en costes de explotación para aquellas industrias que consumen cantidades considerables de energía térmica.
El potencial detectado es muy importante. Por ejemplo las fábricas de cemento consumen alrededor del 2 % del consumo energético mundial (International Energy Agency, 2007). Con el potencial de reducir el consumo energético de los consumidores de energía de alta densidad tales como las fábricas de cemento por la reutilización de la energía disipada en el calor residual. Aquí pueden conseguirse enormes eficiencias energéticas.

Por otra parte, las industrias intensivas en energía están siendo presionadas para reducir  el consumo energético. La línea de fondo es que en la mayoría de los casos donde la recuperación de calor no se está llevando a cabo, energía y dinero se tira por chimeneas como agua caliente, o se vierte al mar y a los ríos.
En primer lugar, recuperando energía reduciremos el consumo del negocio. Usando la energía disponible dentro del negocio reduciremos el gasto de energía de fuentes externas y por lo tanto incrementaremos la eficiencia energética total del negocio.
En segundo lugar el suministro de energía a un consumidor externo, que (si se regula correctamente) obtiene beneficio mutuo tanto al productor inicial de calor como al consumidor externo de la energía recuperada del calor derrochado.
En este artículo introducimos  en primer lugar varios ciclos de ingeniería que se usan sobre la base de la tecnología de recuperación de calor de los residuos.
Seguidamente ofrecemos una visión general de varias tecnologías que convierten este calor de los residuos en energía que es útil y utilizable.
CICLOS DE INGENIERÍA PARA RECUPERACIÓN DE ENERGÍA RESIDUAL
Hay un amplio rango de ciclos diferentes que permiten recuperar energía térmica residual. Los más comunes son los siguientes.
Ciclo de Rankine
El ciclo de Rankine es relativamente simple y un ciclo térmico ampliamente usado, formando la base de la generación de energía térmica, entre otros procesos.
En la figura con la que abrimos este artículo mostramos un esquema simplificado del ciclo de Rankine. Hay cuatro partes principales. Estas partes son la bomba de agua, caldera, turbina para llevar trabajo mecánico y un condensador, que corresponde a cuatro pasos distintos descritos abajo.
Las etapas fundamentales de un ciclo de Rankine son cuatro, donde el agua se usa como fluido de trabajo en el ciclo:
  1. Ocurre adición de calor isobárica – El agua se calienta en una caldera mediante un suministro de energía externa (ej. quemando carbón o gas de los humos) para elevar el vapor bajo presión.
  2. Expansión adiabática – El vapor elevado se usa para impulsar una turbina para producir trabajo mecánico (que puede ir acoplado a un generador y por lo tanto generar electricidad).
  3. Liberación de calor isobárica – El vapor rechazado se enfría transformándose en agua en un condensador.
  4. Bombeo adiabático – El agua se bombea bajo presión a la caldera para ser recalentado como en la etapa 1. Esta presurización también incrementa la temperatura de vapor una cantidad relativamente pequeña.

Ciclo de Rankine Orgánico
Donde está disponible vapor de grado alto o gases de los humos, estos pueden fácilmente ser utilizados. Sin embargo, si sólo está disponible calor de bajo grado, éste no elevará el agua a vapor de alta temperatura así que se considerarán otras opciones.
  1. Ocurre adición de calor isobárica – Agua se calienta en una caldera por un suministro externo de energía (ej. quemar carbón o gas de los humos) para elevar el vapor bajo presión.
  2. Expansión adiabática – El vapor elevado se usa para mover una turbina para producir trabajo mecánico (que puede estar acoplado a un generador y por tanto generar electricidad.
  3. Liberación de calor isobárica – El vapor rechazado se enfría transformándose en agua en un condensador.
  4. Bombeo adiabático – El agua es bombeada bajo presión hacia atrás a la calera para ser recalentado como en la etapa 1. Esta presurización incrementa también la temperatura del vapor una cantidad relativamente pequeña.

 El diagrama T-s (Temperatura vs Entropía) de este proceso se muestra en la siguiente figura y cada punto del gráfico corresponde a uno de los pasos listados en el ciclo de Rankine.

Ahora en realidad, hay ineficiencias en procesos en el mundo real, así que este gráfico T-s no será real, sino que nos dará una indicación de cómo ocurre la operación ideal del ciclo.
El ciclo de Rankine es una ruta bien establecida para generación de energía, además de otros usos.
Ciclo orgánico de Rankine
Donde está disponible vapor de alto grado o gases de humos, estos pueden ser utilizados fácilmente. Sin embargo, si sólo está disponible calor de bajo grado, no se elevará agua a vapor de alta presión así que se considerarán otras opciones.
Cambiando el fluido de trabajo en un ciclo de Rankine para un sistema de recuperación de energía térmica residual de agua a otra sustancia, las propiedades del nuevo fluido de trabajo pueden ser usados para tomar ventaja de los grados inferiores del calor residual.
El fluido de trabajo distinto al agua debe tener características tales que se vaporicen a una temperatura inferior al agua, así puede usarse una turbina para producir trabajo mecánico (y así hacer funcionar un generador).
Es en las situaciones de calor residual a baja temperatura donde el ciclo de Rankine orgánico encuentra su uso principal. Debido a las pequeñas diferencias de temperatura, cualquier ciclo de ingeniería que se emplee sólo será capaz de capturar una pequeña cantidad de la energía disponible.
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