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.
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
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