Estudio exergético avanzado de un ciclo termodinámico

Abstract

En este proyecto se va a analizar el funcionamiento de una planta termosolar de 10MW de potencia neta generada. Esta se divide en el boque del campo solar, y el bloque de potencia; este segundo se trata de un ciclo Rankine con Tolueno como fluido de trabajo. La configuración mostrada en la Figura 1 tiene la función de obtener energía eléctrica mediante la transformación de la potencia solar concentrada en una planta termosolar de colectores cilindro-parabólicos. El bloque solar está formado por el campo solar, que lo conforman los colectores cilindro-parabólicos, una bomba, y el evaporador (sistema de generación de vapor). Por otro lado, el bloque de potencia está formado por el evaporador, la turbina (o etapa de expansión), un condensador, una bomba (etapa de compresión), y un recuperador, para aumentar la eficiencia del ciclo.
En este documento se analiza la configuración correspondiente, realizando un análisis energético y exergético convencional. Los resultados obtenidos en este primer estudio, se comparan posteriormente con los correspondientes al análisis exergético avanzado, con el objetivo no solo de identificar los puntos con mayores ineficiencias en el sistema, sino aquellos con un mayor potencial de mejora real.
De este primer análisis, se concluiría que se deben destinar los esfuerzos prioritariamente a la mejora tanto del condensador, como del campo solar, pues son los componentes con menores rendimientos exergéticos, y por lo tanto, en los que tiene lugar la mayor parte de las pérdidas. Estos irían seguidos del recuperador, mientras que la turbina y el evaporador tienen rendimientos bastante altos.
Estas serían las conclusiones obtenidas en un análisis convencional. Sin embargo, tras el estudio del análisis exergético avanzado, se extraen resultados distintos, a veces incluso contradictorios con los anteriormente descritos.Para el estudio exergético avanzado, no es solo el rendimiento o las destrucciones exergéticas totales las que se analizan, sino las cuatro fracciones en las que se divide este valor total. Así, la cantidad correspondiente a la destrucción endógena evitable será el principal indicador de cuáles son los componentes con mayor potencial de mejora.
De los resultados obtenidos, se concluye finalmente que la destrucción endógena evitable del evaporador es casi el 90% de la destrucción exergética real en dicho componente, por lo que a diferencia de lo que se podría pensar con el análisis convencional, el evaporador es el elemento al que se deben destinar mayores recursos para la optimización en el funcionamiento del ciclo, por sus elevadas posibilidades de mejora, y la gran influencia en la mejora global de la planta (puesto que el valor total en kW de destrucción exergética además es muy elevado).
Por otro lado, el campo solar es el elemento con mayor porcentaje de destrucción exergética endógena. Sin embargo, casi la totalidad de esta es inevitable. Esto explica tanto que la dificultad de optimización de este componente es debida a sus características propias, y no a su dependencia con otros elementos del ciclo, como el hecho de que con las tecnologías actuales, sus posibilidades de mejora no son muy significativas. Así, no sería el elemento al cual habría que destinar recursos de mejora actualmente para la optimización de la planta total.
En cuanto al recuperador, el hecho de que el valor en kW de destrucción exergética no sea especialmente elevado en comparación a otros componentes, junto con el elevado porcentaje de destrucción exergética inevitable (más del 50%), hace que tampoco sea un elemento atractivo a la
hora de destinar recursos. Por otro lado, dentro de la fracción de destrucción evitable en el recuperador, la mayor parte de esta es exógena, lo que significa que a diferencia del resto de componentes, en el recuperador sí hay una influencia notable con la optimización de los demás componentes del ciclo. De hecho, esta es superior a la resultante de la propia optimización del recuperador. Así, la optimización del funcionamiento del recuperador se deberá a la implementación de avances técnicos en otros componentes del ciclo, y no en él mismo.
Como se desarrolla a lo largo del estudio, la situación actual hace cada vez más necesaria la investigación y la aportación de recursos para lograr una independencia de los combustibles fósiles, a la par que se reduce el consumo energético y, por tanto, la dependencia externa para el propio abastecimiento. Derivado de este panorama se hace evidente la utilidad de estudios como el presente, en el que se busca no solo mejorar la eficiencia de los ciclos (esta metodología podría aplicarse a distintas configuraciones de ciclos de potencia, realizar estudios comparativos con diferentes fluidos de trabajo…), sino la identificación directa de los puntos con mayor potencial de mejora, haciendo posible la mejora de las plantas de potencia de una manera eficiente y eficaz.
Así, este trabajo se ha realizado dentro del proyecto AvanCCSol (PID2019-110283RB-C31 y PID2019-110283RB-C32) financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación (MCIN/ AEI/10.13039/501100011033). El objetivo general del proyecto AvanCCSol es el desarrollo y estudio de ciclos termodinámicos avanzados aplicados plantas termosolares.