Nálisis termodinámico de un sistema hibrido solar-combustible fósil de generación de electricidad y agua caliente sanitaria (ACS)

Análisis termodinámico de un sistema hibrido solar-combustible fósil de generación de electricidad y agua caliente sanitaria (ACS)

Luis Fernando Rojas Ramirez1*, Manuel Eduardo Aguilar Balderrama1, Luis Ángel Guerrero Rivera1, Víctor M. Ambriz-Díaz2

1Ingeniería Electromecánica, Instituto Tecnológico de Chihuahua, Chihuahua, México.

2División de Estudios de Posgrado e Investigación/Maestría en Sistemas de Manufactura, Instituto Tecnológico de Chihuahua, Chihuahua, México.

Resumen

La constante innovación tecnológica es fundamental en todo sistema, en este trabajo se analiza un sistema que auxilie a un grupo de viviendas en la distribución de energía eléctrica además de agua caliente sanitaria con el propósito de disminuir los combustibles fósiles utilizados en las viviendas mediante un sistema híbrido solar-fósil. Se propone un sistema utilizando un ciclo Rankine con recalentamiento con suposiciones de temperatura y calidad en algunos estados para poder determinar si el sistema es viable o no utilizando el software Engineering Equation Solver (EES). Se realizan balances de energía en distintos componentes del sistema para obtener las propiedades de cada estado y así, poder calcular además de los flujos de energía, la eficiencia del sistema. Se concluye que el sistema es viable debido a la cantidad de viviendas a las que se puede suministrar energía eléctrica y agua caliente sanitaria. Además de la eficiencia del sistema indica que se obtiene buen aprovechamiento de energía y la disminución de combustibles fósiles es notable gracias al calor solar que se puede aprovechar. 

Palabras clave: Sistema hibrido, solar-fósil, generación de electricidad, agua caliente sanitaria, análisis termodinámico.

1. Introducción  

El aprovechamiento de energía ha tomado cada vez más fuerza conforme se utilizan los combustibles fósiles debido a que desde su descubrimiento se han utilizado por mucho tiempo. En la actualidad, los combustibles fósiles más utilizados son el petróleo, el gas y el carbón, por citar algunos ejemplos. Dichos combustibles, son las principales fuentes de energía primaria para la generación de electricidad. La generación de electricidad a partir de combustibles fósiles ha sido el proceso de generación más importante del siglo XX y la comunidad científica mundial anticipa que la generación de electricidad mediante combustibles fósiles prevalecerá durante el siglo XXI.

Las tecnologías de generación de energía eléctrica a partir de combustibles fósiles se pueden agrupar en dos grupos. En el primer grupo, se pueden distinguir las centrales basadas en turbinas de gas, las centrales de ciclo combinado y las centrales con turbinas a ciclo abierto y centrales de gasificación integrada a ciclo combinado. Mientras que, en el segundo grupo, se encuentran las centrales basadas en generación de vapor como lo son; el ciclo Rankine ideal simple, el ciclo Rankine regenerativo, el ciclo Rankine sobrecalentado y hasta el ciclo Rankine operando en una configuración de ciclo binario [1].

El ciclo Rankine ideal simple, es el ciclo ideal para las centrales eléctricas de vapor. El ciclo Rankine ideal no incluye ninguna irreversibilidad interna. Sin embargo, existen una serie de modificaciones que permiten mejorar el rendimiento del ciclo Rankine ideal, como por ejemplo el recalentamiento. Mediante este proceso se puede mejorar el rendimiento aproximando la turbina al funcionamiento isotermo. Para ello el vapor realiza una expansión parcial en la turbina y se introduce nuevamente el vapor en la caldera para que se recaliente a presión constante. A continuación, vuelve a la turbina (a otra sección de la misma turbina o a otra turbina) y se expande hasta la presión ambiente [2].

Por mucho tiempo en el ciclo Rankine la generación de calor suministrado ha sido por medio de quema de combustible fósil, pero con el aumento en la contaminación del planeta, el aumento de costos de combustibles y el avance en tecnología de energías renovables se ha conseguido cambiar esta situación, un ejemplo es la utilización de la energía solar. Dentro de las categorías de la energía solar, la energía termo-solar permite utilizar la energía solar para aumentar la temperatura de un fluido a partir de diferentes tecnologías disponibles. Existen cuatro tipos de tecnologías termosolares que se clasifican según la forma de concentrar y captar la energía solar. Dentro de estas tecnologías se pueden distinguir, los captadores cilíndricos-parabólicos, los sistemas de recepción central o torre solar, los concentradores lineales Fresnel y los de disco parabólico [2]. 

En cuanto a la generación de energía eléctrica las plantas termo-solares han tenido una barrera económica por superar para que su aplicación sea viable. En este sentido, ha surgido un nuevo concepto mediante el que se puede mejorar la rentabilidad económica y explorar el uso de las plantas termo-solares. Este nuevo concepto son las plantas hibridas de energía, en este caso una planta hibrida solar fósil puede ser altamente rentable y permite aprovechar recursos solares que aún no han sido aprovechados. En cuanto al modo de operación de la planta solar-combustible fósil, generalmente este tipo de plantas, se apoyan del concepto del ciclo binario, por lo que se requieren al menos dos fluidos de trabajo diferentes. La configuración de una planta solarcombustible fósil permite el ahorro de combustible (Fuel saving). De manera precisa, la energía producida por la sección solar del ciclo permite sustituir parte de la energía producida por la parte fósil, ahorrando combustible. También supone evitar la emisión de una cantidad de gases contaminantes proporcional al combustible ahorrado. 

El hecho de diseñar sistemas híbridos utilizando el ciclo Rankine, tiene como objetivo principal cumplir una necesidad si bien puede ser el requerimiento de energía eléctrica, o la obtención de agua caliente sanitaria, mediante la utilización de distintas fuentes de energía que permitan activar el ciclo y al mismo tiempo ahorrar combustible para que sea un proyecto realmente sustentable. Al obtener un porcentaje del calor requerido para activar el ciclo mediante combustibles fósiles, se puede obtener un ciclo totalmente eficiente y funcional, no obstante, es posible aprovechar la energía solar para disminuir costos en combustibles y que, al mismo tiempo, se obtengan los mismos productos para los que el ciclo fue diseñado [3]. 

El agua caliente sanitaria o ACS, se utiliza diariamente en todas las viviendas del mundo, es comúnmente utilizada para el lavado de platos, ropa, en la ducha, entre otros, por lo que es una aplicación típica del uso directo de calor. Es una necesidad vital no solo para mantener la higiene personal, si no que, además de su uso sanitario, es posible tomarla sin problemas en donde en el peor de los casos, solo es necesario un filtro que puede instalarse fácilmente. La necesidad es tanta que el obtener de producto agua caliente sanitaria, ayudaría a muchas viviendas debido a que el agua que se obtiene de la red está a la temperatura del subsuelo, con este análisis, el objetivo es llevar agua caliente sanitaria a viviendas para que puedan reducir el uso de combustibles fósiles, tales como el gas, que en México es muy utilizado para calentar el agua por su accesibilidad y que, además, tiene bajo costo.

Esta investigación se enfoca en el análisis termodinámico de un sistema hibrido activado mediante combustibles fósiles y energía solar. El sistema opera en una configuración de producción de electricidad y calor combinados. El análisis está limitado a un análisis de energía utilizando la primera ley de la termodinámica, con la finalidad de obtener los flujos de energía del sistema y la eficiencia energética del mismo. En el mismo sentido, la implementación practica de una configuración como la que se presenta en este trabajo fomenta el uso racional de los combustibles fósiles y contribuye en el ahorro de energía, ahorro de combustibles fósiles y por ende disminuir las emisiones de gases nocivos a la atmosfera.

1. Antecedentes

Dentro de la literatura de libre acceso se pueden encontrar diversos trabajos relacionados con el análisis termodinámico de sistemas híbridos. Por ejemplo, Bernardos [4], realizó un estudio general y sistemático de distintas topologías de plantas híbridas, las cuales consideran como ciclo de potencia el ciclo Brayton y el ciclo Rankine. En el estudio analizó la hibridación desde el punto de vista del bloque termo-solar lo que permite analizar el funcionamiento de la planta en modo híbrido. En general resalta que el diseño final de la planta debe estar en función del tiempo en que se opera. Migueláñez [2], simuló una central fósil-solar de ciclo combinado que utiliza la tecnología solar de torre o receptor central con sales fundidas. La simulación se realizó para ver la influencia que tiene el aporte solar y la potencia térmica solar introducida sobre la planta. Moreno [5], realizó un análisis termodinámico de una planta de energía eléctrica activada mediante energía solar. En el análisis presenta el balance de energía y de masa de cada uno de los componentes y de la planta global para determinar la influencia del campo de los colectores cilindro parabólicos en la producción de energía eléctrica. Muñoz [6], presentó un nuevo sistema de aprovechamiento de energía solar térmica de concentración “Caldera Solar”. El sistema presenta ciertos grados de libertad en el diseño que posibilitan la mejora en el rendimiento del sistema sin afectar sus principales características (fiabilidad, robustez y rendimiento). Palmay-Paredes et al [7], presentó un estudio con el objetivo desarrollar un modelo de un Ciclo Orgánico Rankine Híbrido activado por energía solar y mediante el aprovechamiento del calor residual proveniente de una operación industrial. Díaz [8], analizó la viabilidad de la integración de tecnología solar en un ciclo de cogeneración con turbina de gas.

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