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:
- 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.
- 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).
- Liberación de calor isobárica – El vapor rechazado se enfría transformándose en agua en un condensador.
- 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.
- 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.
- 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.
- Liberación de calor isobárica – El vapor rechazado se enfría transformándose en agua en un condensador.
- 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.
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.
Ver 2ª PARTE
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