Estudio termodinámico de la integración de un ciclo Kalina para aprovechamiento del calor residual en sistemas para generación termosolar

Abstract

Con motivo de la creciente preocupación y concienciación de la sociedad y los gobiernos sobre el cambio climático, cada día son más las medidas y objetivos que se marcan para hacer frente a este problema mundial. Los gases de efecto invernadero como el CO2 son, a día de hoy, la principal amenaza para la sostenibilidad del planeta. La emisión de estos gases está provocando un aumento considerable de la temperatura del planeta previéndose un incremento para finales de siglo 1,5ºC mayor que en el periodo comprendido entre 1850 y 1900. Un claro ejemplo es el hecho de que las emisiones mundiales de CO2, principal causante del efecto invernadero, se han incrementado en un 50% desde el año 1900. Pero también es conocido que es la industria de la energía la responsable del 60% de los gases de efecto invernadero emitidos a la atmósfera. Es este motivo, junto con la necesidad de cumplir los objetivos marcados internacionalmente (Tratado de París, Objetivos del Desarrollo Sostenible…), el que lleva a la búsqueda de alternativas sostenibles en la obtención de energía eléctrica. La creciente lucha contra las emisiones provocadas por procesos que emplean combustibles fósiles y las reservas finitas de estos hace que cada día se incentive, promueva y obligue a un mayor uso de energías de origen renovable como la eólica, la solar, la hidráulica u otras muchas. Dentro del estudio y aprovechamiento de estas energías, conocidas también como energías limpias, es donde se enmarca este Trabajo de Fin de Grado. Siendo muy amplio aún el campo de mejora en el aprovechamiento de los recursos naturales, este estudio trata de ver cómo progresar en él para el caso de la energía térmica solar. Para ello, se busca obtener el máximo rendimiento posible a este recurso por medio de un ciclo Brayton cerrado que emplea Helio como fluido de trabajo. No se trata simplemente de optimizar este ciclo, sino que el trabajo tiene como objetivo principal demostrar los beneficios que aporta, en términos de generación de potencia, la integración de un ciclo Kalina que aproveche las pérdidas de calor dadas en el ciclo Brayton. Con el objetivo final marcado, se define una hoja de ruta que permita obtener los resultados buscados para la comprobación del estudio. Para ello, primeramente, se lleva a cabo un análisis y una optimización del proceso termodinámico dado en un ciclo Brayton cerrado impulsado por energía solar. Después se realiza un estudio del ciclo Kalina y, finalmente, se analiza el funcionamiento de ambos ciclos trabajando de manera integrada. En este estudio se ha decidido utilizar Helio como fluido de trabajo debido a las muchas ventajas que ofrece frente al CO2 supercrítico cuando se fijan temperaturas altas a la entrada de la turbina del ciclo (950ºC) [1]. La mayor eficiencia que se consigue en el proceso y las temperaturas más altas alcanzadas en los distintos puntos del ciclo hacen del Helio, aun siendo más caro, un fluido ventajoso para el aprovechamiento del recurso solar.