Desarrollo de sistemas de micro-generación eléctrica utilizando fuentes de energía térmica de origen renovable

López Martín, Guillermo (2020). Desarrollo de sistemas de micro-generación eléctrica utilizando fuentes de energía térmica de origen renovable. Thesis (Master thesis), E.T.S.I. Industriales (UPM).

Description

Title: Desarrollo de sistemas de micro-generación eléctrica utilizando fuentes de energía térmica de origen renovable
Author/s:
  • López Martín, Guillermo
Contributor/s:
  • Sebastián Herrera, Andrés
Item Type: Thesis (Master thesis)
Masters title: Ingeniería Industrial
Date: October 2020
Subjects:
Freetext Keywords: microgeneración renovable térmica, ciclo de potencia, ciclo cerrado Brayton, temperatura máxima, relación de compresión, rendimiento del ciclo, presurización, downsizing de turbomaquinaria, bajo número de Reynolds, fluidos no convencionales, efectos del número de Reynolds.
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Ingeniería Energética
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

El desarrollo del nivel de vida del ser humano y el acceso a tecnologías de aprovechamiento energético son dos elementos estrechamente ligados. Para desligar el crecimiento económico del consumo de combustibles fósiles, es necesario buscar alternativas que sean viables desde el punto de vista económico, pero que también cumplan con los objetivos medioambientales. La consecuente transformación del sistema energético necesita la adaptación de la red a la penetración de energías renovables y un nuevo contexto: las microrredes. Su implantación permite incrementar la seguridad del abastecimiento, asegurar la viabilidad económica de la red y controlar la variabilidad asociada a las tecnologías renovables. Los aerogeneradores y paneles fotovoltaicos, cuyos costes son cada vez son más competitivos, destacan en este campo ya que, gracias a su sencillo escalado, se adaptan a distintas necesidades de potencia. Sin embargo, el desarrollo de sistemas de microgeneración basados en fuentes térmicas renovables supone un campo con gran potencial que, a día de hoy, presenta grandes oportunidades de investigación. El método principal de conversión energética a partir de una fuente térmica es el ciclo de potencia, concepto en el que se basará el estudio de este TFM. La adaptación de los ciclos de potencia empleados en centrales térmicas tradicionales, Rankine y Brayton, ha propiciado el desarrollo sus respectivas alternativas: los ciclos orgánicos Rankine, en inglés Organic Rankine Cycle (ORC), y los ciclos cerrados Brayton, en inglés Closed Brayton Cycle (CBC). En la actualidad, los ORC se encuentran mucho más extendidos en el campo de la microgeneración. Sin embargo, el amplio rango de temperaturas de operación de los CBC les permite adaptarse a un mayor número de fuentes renovables. Además, los avances en el estudio de turbomaquinaria a pequeña escala pueden suponer aumentos en el rendimiento de los ciclos CBC, facilitando su entrada en el mercado. Por ello, los ciclos cerrados Brayton van a ser el proceso estudiado en este proyecto. La Figura 1 muestra el esquema de funcionamiento y diagrama h-s de un ciclo cerrado Brayton con recuperación de calor, similar al que se modela en este trabajo. El comportamiento del ciclo, caracterizado por su rendimiento y potencia neta, está determinado por el funcionamiento específico de cada uno de los componentes que lo integran y las condiciones del fluido de trabajo seleccionado. Los parámetros principales del estudio multivariable de este proyecto son: los rendimientos isentrópicos de turbina y turbocompresor, la relación de compresión, la presión de entrada al compresor, el fluido de trabajo y la temperatura máxima alcanzada. La temperatura máxima o temperatura de entrada a turbina es el parámetro asociado a la fuente térmica renovable a aprovechar en el ciclo. Las fuentes térmicas más prometedoras en microgeneración renovable son: energía solar térmica, geotermia, biomasa y waste heat recovery. El rendimiento isentrópico de turbina y compresor es una parámetro clave en la integración de ciclos de potencia a pequeña escala. La disminución del tamaño característico de la máquina implica un menor número de Reynolds del fluido que la atraviesa. Cuando Re desciende por debajo de un cierto valor crítico, comienza la transición de flujo turbulento a laminar, lo que incrementa las influencia de la fricción viscosa en la capa límite, disminuyendo el rendimiento isentrópico. Este efecto dificulta la competitividad de los ciclos de potencia a pequeña escala en microgeneración. Valdés et al. [2018] estudia el efecto sobre el rendimiento al utilizar dos estrategias para paliar las consecuencias del downsizing en turbocompresores: el empleo de fluidos no convencionales y el incremento de la presión de entrada a la máquina, aumentando la densidad del fluido. Al aumentar el número de Reynolds, se logran mejoras en la eficiencia del turbocompresor. Consecuentemente, se realiza en este TFM un análisis de los efectos de la presurización, el uso de fluidos no convencionales y el downsizing sobre las prestaciones de turbinas y compresores de pequeña escala y, por tanto, los ciclos cerrados Brayton. El plan de trabajo llevado a cabo en este TFM consiste en el modelado del comportamiento de la turbomaquinaria en distintas condiciones de presión y tamaño para, integrando los resultados de este proceso, efectuar un estudio multivariable de los CBC con el objetivo de caracterizar las condiciones óptimas en función de la temperatura máxima y rango de potencias. El entorno de programación seleccionado para desarrollar los modelos y simulaciones es MATLAB, tomando como base de datos REFPROP [Lemmon et al., 2010]. Para estudiar el comportamiento de una microturbina en distintas condiciones, se aplica análisis dimensional a una turbina de referencia de forma que el rendimiento es función únicamente del Reynolds. Para representar dicha función, se analiza la validez de distintas correlaciones que estudian las pérdidas asociadas a la transición laminar-turbulenta. Los métodos estudiados muestran incrementos de rendimiento isentrópico del 1-4% al aumentar la presión de entrada a turbina de 2 a 5 bar. Estos resultados se muestran en la Figura 2. Así mismo, al estudiar la influencia del downsizing, se constatan importantes pérdidas al disminuir el tamaño de la turbomaquinaria y el rango de potencias. Respecto a los fluidos estudiados, se logran aumentos de eficiencia del 4 y 3,5%, respectivamente, al presurizar el fluido a 5 bar respecto a 2 bar. En cuanto al estudio del rendimiento de turbocompresores de muy pequeña escala, en inglés micro scale centrifugal compressors (MSCC), se toma como punto de partida la investigación realizada por Valdés et al. [2018], la cual emplea la correlación de Dietmann & Casey para estimar el rendimiento ante la variación de tamaño y presión de entrada. El estudio individual de cada máquina concluye con el análisis de las curvas de isorrendimiento diámetro-presión-eficiencia. De esta forma, se analiza el efecto opuesto que tienen ambas variables sobre el rendimiento isentrópico. La presurización permite lograr rendimientos en compresor cercanos al 75% a pesar del downsizing, mientras que este efecto incrementa la eficiencia de microturbina por encima del 80% para los distintos fluidos estudiados. A partir de los resultados del estudio de compresor y turbina, se elabora los modelos MSCC y MSRT, respectivamente, para el cálculo del rendimiento en cada máquina. La función de MATLAB emplea como parámetros de entrada la efectividad del recuperador de calor, la temperatura máxima, la relación de compresión, el radio de rodete del compresor, el fluido y la temperatura y presión de entrada. La inclusión del cálculo de rendimientos incrementa la complejidad y precisión del modelo de análisis de ciclos. Los casos de estudio de las simulaciones van a clasificarse en función de la temperatura máxima del ciclo. De esta forma, los resultados pueden ser asociados a la fuente térmica empleada dada la correlación que existe entre cada fuente y la temperatura que aporta. Los objetivos de las simulaciones son: el estudio de la relación de compresión óptima, la caracterización de la influencia de la turbomaquinaria, el análisis del efecto del tamaño del ciclo y, finalmente, la estimación de las potencias generadas. En el rango de temperaturas superior (400-750 °C) se estudian el aire y el CO2. Ambos fluidos logran rendimientos prometedores a relaciones de compresión relativamente bajas para las temperaturas estudiadas, aunque el segundo logra una densidad de trabajo superior. Respecto al estudio de la turbomaquinaria, se estudia el efecto que tiene la integración del modelo de cálculo de rendimiento isentrópico de compresor y turbina sobre el rendimiento global del ciclo. El estudio del tamaño del ciclo muestra la reducción de la eficiencia del CBC asociada a la reducción de dimensiones. Así mismo, se observa un valor crítico a partir del cual el aumento de tamaño reduce su influencia sobre el rendimiento. Finalmente, el estudio del potencias muestra que se pueden lograr ciclos con una potencia neta superior a 3 kW con ambos fluidos. Al tratar el rango de temperaturas más bajo, esto es, entre 100 y 300 °C, se emplean como fluidos de trabajo el propano y el isobutano. Este último presenta prestaciones superiores a nivel de rendimiento y densidad de trabajo, con la salvedad de que necesita mayores relaciones de compresión para lograr dicho comportamiento. Se determina un límite inferior de temperatura necesaria para lograr rendimientos positivos cercano a 240 °C. Si se estudia el rendimiento de la turbomaquinaria, ambos fluidos muestran rendimientos isentrópicos similares. Si se toma como variable de control el radio de rodete, para una presión de entrada de 1 bar, los rendimientos del ciclo se incrementan con el tamaño, alcanzando rendimientos entre 3 y 4% para ambos fluidos orgánicos cuando dicho radio toma un valor de 15 mm. Al emplear isobutano, la presión de entrada es un valor crítico ya que la presión de condensación es de 2,5 bar. A pesar de este inconveniente, el isobutano logra rendimientos superiores a esta presión que aquellos que presenta el propano a 4 bar. Finalmente, al considerar las potencias generadas, es posible sobrepasar los 0,6 kW y una eficiencia del 7% empleando propano, mientras que las potencias del isobutano son ligeramente inferiores (0.45 kW) manteniendo rendimientos similares. El último rango de temperaturas estudiado comprende la etapa intermedia, es decir, entre 300 y 400 °C, en el que es posible comparar el funcionamiento de los cuatro fluidos anteriormente mencionados. Las prestaciones que se obtienen empleando fluidos orgánicos son muy superiores a las del aire y el CO2 a nivel de rendimientos y densidades de trabajo. Las relaciones de compresión empleadas en la optimización del empleo isobutano y propano. De forma análoga, el rendimiento isentrópico que alcanza la turbomaquinaria es superior, lo que implica rendimientos positivos para una mayor gama de compresores y turbinas. Al prestar atención al estudio de potencias, el resto de fluidos se impone al isobutano, ya que, mientras este alcanza potencias de 0,8 kW en condiciones óptimas (máximo tamaño, 2,5 bar y 400 °C de temperatura máxima), aquellos superan potencias de 1 kW. Este hecho se muestra en la Figura 3. Sintetizando los resultados obtenidos en el análisis de ciclos, se obtiene un mapa tecnológico (Figura 4) que muestra las condiciones que optimizan el rendimiento del ciclo en términos de fluido de trabajo, relación de compresión y tamaño de turbomaquinaria para cada rango de potencias y temperatura máxima aportada por la fuente renovable. Para cubrir un mayor ámbito de potencias se han realizado simulaciones adicionales empleando tamaños mayores. Como se muestra, la alternativa óptima por debajo de 400 °C se basa en el empleo de fluidos orgánicos con una potencia limitada a 10 kW, mientras que el empleo de aire y CO2 permite alcanzar potencias netas y rendimientos superiores, para temperaturas hasta 750 °C. En conclusión, se comprueba a través de las simulaciones realizadas que los ciclos cerrados Brayton pueden ser una alternativa competitiva a los ORC en el ámbito de la microgeneración renovable térmica. Tomando los resultados de este proyecto, se abren nuevas líneas de investigación y trabajo relacionadas tomando como objetivo primordial la aplicación real de esta tecnología. En este sentido, se considera necesario un estudio en términos técnicos y económicos de la implantación de las opciones estudiadas para los distintos rangos de temperatura y potencia.

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Item ID: 65454
DC Identifier: http://oa.upm.es/65454/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:65454
Deposited by: Guillermo López Martín
Deposited on: 19 Nov 2020 08:34
Last Modified: 19 Nov 2020 08:34
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