Análisis energético, exergético y medioambiental de la hibridación con energía solar de una planta de cogeneración

Abstract

Desde finales del siglo XVIII el consumo energético mundial ha estado en continuo crecimiento. Esto hace que sea cada vez más difícil satisfacer las necesidades energéticas de las personas. Los combustibles fósiles han sido y siguen siendo todavía la principal fuente de energía primaria a escala mundial, pero las reservas mundiales de los mismos están llegando a su fin. Además, en su combustión se producen gases contaminantes como óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre y CO2. El CO2 es, junto con el metano, el principal gas de efecto invernadero, lo que hace que los organismos internacionales regulen sus emisiones y fijen metas a medio y largo plazo para reducir las consecuencias negativas que su emisión tiene sobre la salud de las personas y del planeta. Por todo esto, el desarrollo de la tecnología energética se ha orientado hacia la mejora de la eficiencia de los procesos de obtención de energía y hacia la búsqueda de fuentes de energía inagotables como alternativa a los combustibles fósiles. Sin embargo, estas nuevas fuentes de energía no han alcanzado aún su etapa de madurez tecnológica y, por lo tanto, el rendimiento que las plantas de generación a partir de este tipo de fuentes ofrecen no es comparable al de las plantas que utilizan los combustibles fósiles; por ello, su aplicación es menor. Al estar los combustibles fósiles fuertemente arraigados, la transición hacia fuentes de energía renovables es un camino largo. En este camino de transición surgen las plantas híbridas, plantas que combinan los combustibles fósiles con las fuentes renovables. Las plantas híbridas pretenden aunar las ventajas de ambas fuentes de energía y minimizar sus desventajas. En este trabajo se analiza, desde el punto de vista energético, exergético y medioambiental, la viabilidad de la integración de tecnología solar en un ciclo de cogeneración con turbina de gas. Este tipo de plantas híbridas solar-fósil permiten, por un lado, aumentar la eficiencia de la planta gracias al ciclo de cogeneración, y por otro reducir el consumo de combustibles fósiles gracias al calor solar, pero manteniendo la capacidad de reacción de las plantas convencionales ante variaciones grandes de demanda.
Concretamente, la planta objeto de estudio es una planta que produce 80 MWe y vapor de agua a 45,8 bar de presión y 394ºC, utilizando gas natural como combustible y a la que se le ha integrado un campo solar. De esta manera la planta tiene dos modos de funcionamiento: El modo fósil, cuando el campo solar esta desactivado, y el modo híbrido cuando se hace uso de los colectores solares. El análisis de la planta se ha llevado a cabo de la siguiente manera:
Inicialmente, se describen la planta y los elementos que la conforman para entender los procesos que tienen lugar en ella. La planta está compuesta por una turbina de gas, donde se genera la potencia eléctrica, y un sistema de intercambiadores de calor acoplados a la turbina mediante un quemador, en los que se aprovechan los gases de salida de la turbina para calentar agua alimentada mediante una bomba y generar vapor. En su configuración híbrida la planta utiliza además un campo de colectores solares cuyo objetivo es reducir a cero el consumo de combustible que se utiliza para producir el vapor (el que entra al quemador). Una vez comprendida la planta se procede a su análisis energético y exergético que se va a abordar desde tres niveles: • Primeramente, se van a analizar todas las corrientes que circulan a través de los componentes de la planta calculando entalpías, entropías y exergías de las mismas. Para ello se utiliza la herramienta informática EES (Engineering Equation Solver), que permite conocer las propiedades de los fluidos que intervienen en el proceso. • En segundo lugar, haciendo uso de las propiedades obtenidas anteriormente y de los balances de energía y exergía, se calculan las potencias generadas y consumidas y las irreversibilidades en cada uno de los componentes de la planta. Esto permitirá a su vez calcular los rendimientos energéticos y exergéticos de cada uno de los elementos de la central. Tras llevar a cabo dicho análisis se concluye que, para la configuración fósil, la cámara de combustión y el quemador son los componentes donde la pérdida exergética es mayor debido a la imperfección del proceso de combustión. Además, la integración del campo solar, en la configuración híbrida, introduce mucha irreversibilidad en el proceso debido al bajo rendimiento exergético de los colectores solares. Finalmente, se lleva a cabo el análisis de la planta global, en sus dos configuraciones, calculando la potencia exergética destruida en el total de la instalación y evaluando el rendimiento energético ( ) y los rendimientos exergéticos ( , ) de la planta en cada uno de sus modos.
El rendimiento energético ( ) es una relación entre la energía obtenida en un proceso y el máximo que se podría obtener, o lo que es lo mismo, la energía suministrada a ese proceso. No diferencia entre potencia eléctrica ( ) y potencia calorífica ( ). El rendimiento exergético
relaciona la potecia exergética obtenida con la potencia exergética aportada, es decir, la potencia que se obtendría frente a la potencia que se ha suministrado. A diferencia del rendimiento energético, éste establece la diferencia entre potencia ( ) y potencia calorífica ( ). El rendimiento exergético racional ( ) es la ratio entre la cantidad de exergía que se obtiene en el proceso y la que se introduce. Tanto el rendimiento energético como el exergético son ligeramente menores en la configuración híbrida que en la fósil. Esto se debe al bajo rendimiento energético y exergético de los colectores solares. Sin embargo, con la configuración híbrida se produce la misma potencia consumiendo menos combustible porque, si bien entra más energía a la planta que en la configuración fósil, parte de esta energía es de origen solar, que es una fuente limpia e inagotable. Lo que permite concluir que la planta híbrida es una buena solución encaminada a reducir el consumo de combustibles fósiles y, consecuentemente,las emisiones de CO2.