Oportunidades para la recuperación de energía residual en la industria (8ª PARTE)

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GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DEL CALOR RESIDUAL

La generación de energía eléctrica del calor residual típicamente implica el uso de calor residual de las calderas para crear energía mecánica que impulsa un generador de energía eléctrica. Si bien estos ciclos de energía están bien desarrollados, nuevas tecnologías se vienen desarrollando que pueden generar electricidad directamente del calor, tales como la generación termoeléctrica y piezoeléctrica. Cuando consideremos las opciones de generación de energía eléctrica para la recuperación de energía calorífica residual, un importante factor que debemos tener en mente son las limitaciones de la termodinámica en la generación de energía eléctrica a diferentes temperaturas. La eficiencia de la generación de energía eléctrica es profundamente dependiente de la temperatura de la fuente de calor residual. En general, la generación de energía eléctrica del calor residual ha sido limitado solamente a fuentes de energía térmica residual de media a alta temperatura. Sin embargo, los avances en los ciclos de potencia alterna pueden incrementar la factibilidad de generación a bajas temperaturas. Si bien la eficiencia máxima a estas temperaturas es más baja, estos sistemas pueden todavía ser económicos en la recuperación de grandes cantidades de energía del calor residual.

Generando energía eléctrica vía trabajo mecánico

Ciclo de Rankine de Vapor

El sistema más frecuentemente usado para la generación de energía eléctrica a partir de residuos es el ciclo de Rankine, que se usa para generar vapor y luego mover una turbina de vapor. El ciclo de Rankine de vapor tradicional es la opción más eficiente para la recuperación de calor del chorro de escape por encima de 340-270 ºC. En las temperaturas de calor residual más bajas, los ciclos de vapor llegan a ser menos efectivos en coste, ya que el vapor de baja presión requerirá un equipo de mayor tamaño. Sin embargo, el calor residual a baja temperatura puede no proporciona suficiente energía para sobrecalentar el vapor, lo cual es un requerimiento para prevenir la condensación y erosión de los álabes de la turbina. Por lo tanto, las aplicaciones de recuperación de calor de baja temperatura son más adecuadas para el ciclo de Rankine o ciclo de Kalina, que usan fluidos con temperaturas del punto de vaporización más baja comparada con el vapor.

Ciclo de Rankine orgánico

El ciclo de Rankine Orgánico (ORC) opera similar al ciclo de Rankine de vapor, pero usa un fluido de trabajo orgánico en vez de vapor. Las opciones incluyen aceite de silicona, propano, haloalcanos (ej. freones), isopentano, isobutano, p-xileno, y tolueno, que tienen un punto de vaporización más bajo y una presión de vapor más alta que la del agua. Esto permite que el ciclo de Rankine opere con temperaturas de calor residual significativamente más bajas – a veces tan reducidas como 66 ºC. El rango de temperatura más apropiado del ORC dependerá del fluido utilizado, ya que las propiedades termodinámicas del fluido influirán en la eficiencia del ciclo a varias temperaturas.

En comparación con el vapor de agua, los fluidos usados en ORC tienen una masa molecular mayor, lo cual permite diseños compactos, caudal másico, y eficiencias de la turbina más altas (tan altas como 80 – 85 %). Sin embargo, ya que el ciclo funciona a temperaturas inferiores, la eficiencia total es sólo de alrededor del 10-20 %, dependiendo de la temperatura del condensador y del evaporador. Mientras que esta eficiencia es mucho más baja que la de una planta de energía térmica a alta temperatura (30 – 40 %), es importante recordad que los ciclos a baja temperatura son inherentemente menos eficientes que los ciclos a altas temperaturas. Los límites en la eficiencia pueden expresarse de acuerdo con la eficiencia de Carnot – la máxima eficiencia posible para un motor térmico operando entre dos temperaturas. Un motor de Carnot operando con una fuente de calor a 150 ºC y rechazándolo a 25 ºC tiene sólo aproximadamente un 30 % de eficiencia. Una eficiencia del 10-20 % es un porcentaje sustancial de eficiencia teórica, especialmente en comparación con otras opciones a baja temperatura, tales como la generación piezoeléctrica, con una eficiencia solamente del 1 %

La tecnología ORC no es particularmente nueva; al menos 30 plantas comerciales están empleando el ciclo desde antes de 1984. Sus aplicaciones incluyen generación de energía eléctrica, geotérmica, y fuentes de calor residual.

Ciclo de Kalina

El ciclo de Kalina es una variación del ciclo de Rankine, usa una mezcla de amoniaco y agua y agua como el fluido de trabajo. Una diferencia clave entre ciclos de fluido simple y ciclos que usan fluidos primarios es el perfil de temperatura durante la ebullición y la condensación. Para ciclos de fluido simple (ej. Rankine orgánico o vapor), la temperatura queda constante durante la ebullición. Cuando el calor se transfiere al medio de trabajo (ej. agua), la temperatura del agua lentamente incrementa la temperatura de ebullición, en cuyo punto la temperatura queda constante hasta que toda el agua se evapora. En contraste, una mezcla binaria de agua y amoniaco (cada una con un punto de ebullición diferente) incrementará su temperatura durante la evaporación. Esto permite un mejor acoplamiento térmico con la fuente de calor residual y con el medio de enfriamiento en el condensador. Consecuentemente, estos sistemas alcanzarán una eficiencia energética mayor.

El ciclo se inventó en los años ochenta y la primera planta térmica basada en el ciclo de Kalina se construyó en el Canoga Park, California en 1991. Se instaló en varias otras localidades para generar energía geotérmica o calor residual.

Dispositivos de conversión eléctrica directa

Mientras que los ciclos de energía tradicionales implican el uso de calor para crear energía mecánica y eléctrica, nuevas tecnologías están siendo desarrolladas que pueden generar electricidad directamente del calor. Estas incluyen dispositivos termoeléctricos, termiónicos, y piezoeléctricos. No hay evidencia de que estos sistemas hayan sido utilizados en aplicaciones de recuperación de calor residual.

Generación termoeléctrica

Los materiales termoeléctricos son sólidos semiconductores que permiten la generación directa de electricidad cuando están sometidos a un diferencial de temperatura. Estos sistemas se basan en un fenómeno conocido como el efecto Seebeck: cuando dos materiales semiconductores diferentes están sujetos a una fuente de calor y un disipador de calor, un voltaje se crea entre los dos semiconductores. A la inversa, pueden usarse materiales TE para enfriar o calentar aplicando electricidad a semiconductores disimilares. La tecnología termoeléctrica ha existido desde hace mucho tiempo (el efecto termoeléctrico fue en primer lugar descubierto en 1821), pero su uso fue limitado debido a la baja eficiencia y altos costes. La mayoría de los sistemas de generación TE en uso tienen eficiencias del 2 al 5 %; ya sólo se han usado para instrumentos eléctricos en el espacio o en localizaciones muy remotas. Sin embargo, recientes avances en nanotecnología han permitido obtener materiales TE avanzados que pueden alcanzar eficiencias de conversión del 15 % o superiores.

Recientes estudios han obtenido que los materiales TE avanzados serían apropiados en medios a altas temperaturas, tales como los chorros de fluidos calientes en los que la industria obtiene poca recuperación de energía. Dos oportunidades ejemplo son los hornos de vidrio y los hornos de metal fundido. Antes de que los materiales TE puedan usarse en estas aplicaciones, son necesarios avances tanto en la tecnología de producción TE como en los sistemas de transferencia de calor.

Generación piezoeléctrica

La generación de energía piezoeléctrica es una opción para convertir calor residual de baja temperatura (100 – 150 ºC) a la energía eléctrica. Los dispositivos piezoeléctricos convierten energía mecánica en la forma de vibración ambiental a energía eléctrica. La membrana de film delgada piezoeléctrica puede tomar ventaja de la expansión de gas oscilatoria para crear una salida de voltaje. Varios desafíos técnicos asociados con la generación piezoeléctrica son los siguientes:

• Baja eficiencia: La tecnología de generación piezoeléctrica tiene una eficiencia de tan solo un 1 %, surgen dificultades para obtener frecuencias oscilatorias bastante altas; los dispositivos actuales operan a frecuencias de unos 100 Hz, y se necesitan frecuencias próximas a los 1.000 Hz.
• Impedancia interna alta.
• Dinámicas de fluidos oscilatorios complejos dentro de la cámara líquido/vapor.
• Necesidad de una fiabilidad y durabilidad a largo plazo, y
• Costes altos.

Pese a que la eficiencia de esta tecnología es muy baja (1 %), puede haber oportunidades usando PEPG en cascada, en cuyo caso la eficiencia puede alcanzar alrededor del 10 %.

Generación termiónica

Los dispositivos termoiónicos operan de forma similar a los circuitos termoeléctricos; sin embargo, mientras los dispositivos termoeléctricos operan de acuerdo con el efecto Seebeck, los dispositivos termoiónicos operan vía emisión termoiónica. En estos sistemas, una diferencia de temperatura impulsa el flujo de electrones a través de un vacío desde un metal a una superficie de óxido metálico. Una desventaja clave de estos sistemas es que están limitados a aplicaciones con altas temperaturas (por encima de 1000 ºC). Sin embargo, algunos desarrollos han permitido su uso en temperaturas de 100 – 300 ºC.

Generador termofotovoltaico

Los generadores TPV pueden ser usados para convertir energía radiante en electricidad. Estos sistemas implican una fuente térmica, un emisor, un filtro de radiación, y una célula fotovoltaica.

Bibliografía:

Waste Heat Recovery: Technology and Opportunities in U.S. Industry. U.S. Department of Energy. Industrial Technologies Program