Análisis energético y exergético de la integración de ciclos criogénicos con plantas de regasificación de gas natural licuado (GNL)

San José Díaz, Enrique (2016). Análisis energético y exergético de la integración de ciclos criogénicos con plantas de regasificación de gas natural licuado (GNL). Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Análisis energético y exergético de la integración de ciclos criogénicos con plantas de regasificación de gas natural licuado (GNL)
Autor/es:
  • San José Díaz, Enrique
Director/es:
  • Jiménez Alvaro, Ángel
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Julio 2016
Materias:
Palabras Clave Informales: Gas Natural Licuado (GNL), ciclo criogénico, análisis de sensibilidad, análisis exergético, diagrama de Grassman.
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Ingeniería Energética
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

Durante el año 2014, más del 85% de la energía consumida en el mundo fue de origen fósil. Este 85% se divide fundamentalmente entre tres fuentes distintas: productos petrolíferos, carbón y gas natural. De estos tres, el gas natural destaca, entre otras cosas, por ser el que tiene una extracción y combustión más limpias, o por tener el mayor poder calorífico por unidad de masa en su reacción de combustión. Esas características junto con otras, han permitido que su uso haya estado creciendo respecto de otras fuentes de energía, estimándose un aumento en su demanda anual mundial del 2% hasta el año 2020. El principal problema que tiene el gas natural respecto de las otras alternativas fósiles viene dado por su condición de gas a condiciones atmosféricas: al tener una densidad muy inferior a la que podría tener un compuesto sólido, como el carbón, o líquido, como el gasóleo, la masa de gas que se puede almacenar en un depósito de un cierto volumen es mucho menor que la de las otras alternativas. A pesar de ello, este problema tiene solución: llevar el gas natural a unas condiciones termodinámicas más favorables para tener una mayor densidad. Esto se podría conseguir por ejemplo elevando su presión hasta alcanzar presiones de más de 200bar en el llamado Gas Natural Comprimido (GNC). Otra posibilidad más extendida pasaría por disminuir su temperatura hasta alcanzar el punto de condensación, obteniendo así lo que se conoce como Gas Natural Licuado (GNL), que es en el que se va a centrar este proyecto. Teniendo el gas natural en estas condiciones, ya se podría presentar como una alternativa viable a otros combustibles de alto poder calorífico en aplicaciones donde se busque una buena autonomía, como puede ser el sector de la automoción. De hecho, ya existe una pequeña cantidad de vehículos propulsados por GNC y GNL, pero no se ha conseguido hacer un hueco entre otros combustibles ya asentados, como el gasóleo o la gasolina, debido principalmente al reducido número de puntos de abastecimiento disponibles. Por ejemplo, en España, sólo habría 42 disponibles en todo el país a día de hoy. El otro uso que tiene el GNL, con mucha mayor presencia que el anterior, es el transporte de gas natural. A parte de los conocidos gasoductos, el otro medio de distribución dominante, sobre todo para las regiones que no disponen de dicha infraestructura, es la distribución marítima mediante buques metaneros. Para optimizar la cantidad de combustible transportada por trayecto, se suele licuar antes, aprovechando que en estado líquido ocupa 600 veces menos volumen que en estado gaseoso en condiciones normales. El principal inconveniente de este sistema es que, generalmente, las condiciones termodinámicas de uso del gas natural no son los 115K y 90atm a los que se suele almacenar en los tanques de los buques metaneros. Existe la necesidad de devolverlo a un estado más próximo a las condiciones ambientales, y por tanto, de menor exergía. La exergía se define como la "máxima capacidad de un sistema cerrado para producir trabajo útil interaccionando sólo con el ambiente". Esta capacidad viene dada por las diferentes condiciones de presión y temperatura (exergía física) o de composición respecto del ambiente que lo rodea (exergía química). Esta situación de mayor exergía física que se le proporciona al gas natural en teoría debería permitirle desarrollar un trabajo útil antes de regresar a sus condiciones de uso, pero el hecho es que generalmente esta exergía es destruida mediante la liberación de frío al ambiente por medio de sistemas como evaporadores. Visto este desperdicio, en este proyecto se busca una alternativa. El objetivo de este proyecto es diseñar un sistema que pueda hacer uso de la exergía ligada a este frío por medio de ciclos termodinámicos criogénicos, para una aplicación industrial, y posteriormente, estudiarla mediante un análisis exergético para cuantificar los beneficios que podría traer a la instalación. En este caso, el análisis se ha realizado para un único proceso industrial, que es la producción en masa de nitrógeno líquido. El motivo de tal elección, aparte de por ser un caso totalmente válido para el estudio, se debe a la amplia utilidad que tiene este producto; con numerosas aplicaciones que abarcan campos desde la medicina y la investigación biológica, hasta otros como la criogenia, la alimentación o la superconductividad. Para cumplir ese objetivo, en este trabajo se han adaptado al uso del gas natural como fuente de potencia exergética adicional versiones de dos ciclos criogénicos ya existentes: el proceso Linde-Hampson y el proceso Kapitza. Para ello, se les ha practicado una desviación al flujo de fluido principal que atraviese un cambiador de calor refrigerado por el GNL. En estos modelos, la única corriente de exergía entrante viene del propio GNL, y sale del sistema asociada al caudal de nitrógeno líquido producido y al gas natural saliente que no cederá toda su exergía al sistema en el proceso. Además de estas entradas y salidas de exergía, también se ha analizado la aportada y extraída del sistema mediante elementos mecánicos, como turbinas o compresores, y por último, se ha obtenido la cantidad de exergía destruida en cada componente del ciclo debida a las irreversibilidades de estos. A partir los diseños de los ciclos, y después de buscar unas condiciones de trabajo óptimas para cada uno, se ha realizado un estudio exergético para comprobar de esta forma su eficiencia y la distribución de pérdidas por componentes. Posteriormente, estos resultados se han comparado con los de los mismos ciclos, pero sin el mencionado aporte de frío adicional, consiguiendo así cuantificar el beneficio que el aprovechamiento del frío del GNL ofrece a estos procesos. Además, el hecho de estudiar simultáneamente dos tipos de ciclos criogénicos ha permitido deducir si existe alguna superioridad de uno de ellos respecto del otro en criterios de diseño como son la eficiencia del uso de la exergía aportada o la productividad del ciclo en sí. Todo esto se ha calculado principalmente mediante el software conocido como Engineering Equation Solver (EES), el cual permite la correcta determinación de las propiedades termodinámicas en los distintos puntos de los ciclos mediante la resolución numérica de sistemas de ecuaciones no lineales. Además, EES cuenta con librerías con la expresión de funciones y ecuaciones propias de la resolución de problemas termodinámicos, así como varias tablas de propiedades de fluidos reales e ideales. Esto permite al programa incluir el cálculo de estos valores a partir de los resultados obtenidos en el propio proceso iterativo, evitando tener que obtenerlos manualmente. Con EES se podían así definir las ecuaciones características de los procesos termodinámicos integrados dentro del ciclo y, posteriormente, se ha podido realizar una primera optimización de los ciclos mediante un análisis paramétrico de sensibilidad. Sobre esta optimización, se ha realizado un nuevo análisis exergético con el mismo programa para obtener los resultados de distribución de uso de exergía buscados para los distintos casos estudiados. Para complementar el análisis exergético se han obtenido distintas representaciones gráficas que ilustraran de forma más intuitiva el valor de los resultados. Además de usar diagramas de distribución, se han representado en forma de diagramas de Grassman. Estos son un caso particular de los diagramas de flujo de Sankey aplicados particularmente al balance de exergía, como se verá más adelante en las figuras de las páginas 74 y 75 de este documento. Hecha la simulación y, tras estudiar los datos, se ha podido observar lo beneficioso de la integración de un cambiador de calor refrigerado por gas natural licuado en procesos criogénicos de este tipo, al aumentar la eficiencia del ciclo, disminuir la destrucción exergética y aumentar el caudal de producto final obtenido. Además, dentro de sus beneficios, también se ha comprobado que el ciclo derivado del proceso Kapitza queda como la mejor alternativa para producir nitrógeno líquido de las consideradas.

Más información

ID de Registro: 43811
Identificador DC: http://oa.upm.es/43811/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:43811
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 02 Nov 2016 08:00
Ultima Modificación: 02 Nov 2016 08:01
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