Sistemas de trigeneración acoplados a campos solares de concentración

Autores: Jesús García-Domínguez y José Daniel Marcos (Dpto. Ingeniería Energética, Universidad Nacional de Educación a Distancia)

Resumen: Los sistemas de trigeneración (CCHP en sus siglas en inglés) son actualmente una solución prometedora para la generación simultánea de electricidad y calefacción y refrigeración útiles para grandes edificios o industrias. En este trabajo se propone un enfoque de trigeneración con activación mediante energía solar de concentración basado en diferentes configuraciones del ciclo Rankine orgánico (ORC) y en una bomba de calor de absorción de H2O/LiBr de simple efecto integrada en la cola del sistema de trigeneración.

Abstract: Modular and scalable distributed generation solutions as combined cooling, heating and power (CCHP) systems are currently a promising solution for the simultaneous generation of electricity and useful heating and cooling for large buildings or industries. In the present work, a solar-heated trigeneration approach based on different organic Rankine cycle (ORC) layouts and a single-effect H2O/LiBr absorption heat pump integrated as a bottoming cycle is analysed from the thermodynamic viewpoint.

El objetivo principal del estudio es proporcionar una guía completa para seleccionar la configuración de CCHP más adecuada para un sistema de accionado por concentradores cilindro parabólicos (CCP). Se han estudiado seis configuraciones alternativas de CCHP basadas en ORCs de simple y de doble presión, como ciclos simples, sobrecalentados y con recuperación de calor, y sus diferentes combinaciones, y siete fluidos orgánicos como medio de trabajo propuestos y comparados sistemáticamente. Por su parte, el campo de los colectores cilindro parabólicos utilizados como fuente de calor de los diferentes esquemas y la bomba de calor de absorción se mantienen invariables.

Se ha llevado a cabo un análisis paramétrico exhaustivo de las diferentes configuraciones propuestas realizado para diferentes condiciones de funcionamiento de diseño. Se analizan varios parámetros de salida, como la eficiencia energética y exergética, la potencia eléctrica neta y los ratios entre electricidad y calefacción y refrigeración. El estudio revela que la configuración CCHP más eficiente es la de ciclo sobrecalentado regenerativo ORC con un nivel de presión y con tolueno como fluido de trabajo, que es en promedio un 25% y un 8% más eficiente que las variantes de CCHP con ciclo simple de un nivel de presión y el ciclo recalentado recuperado de doble presión, respectivamente (ver fig. 1).

Fig. 1. CCHP con ciclo ORC sobrecalentado regenerativo de un nivel de presión.

En condiciones nominales de diseño, la variante CCHP de mejor rendimiento presenta un 163,7% de eficiencia energética y un 12,3% de eficiencia exergética, mientras que las producciones de electricidad, refrigeración y calefacción son de 56,2 kW, 223,0 kW y 530,1 kW, respectivamente.

Asimismo, se ha llevado a cabo un proceso de optimización siguiendo criterios energéticos y exergéticos. Se ha llevado a cabo una optimización multi-objetivo para cada uno de los mejores pares identificados requiriendo la satisfacción simultánea de ciertos objetivos, como es la eficiencia energética del ORC y la eficiencia exergética del sistema de trigeneración completo (ver tabla adjunta).

Tabla 1. Resultados de la optimización multiobjetivo

Los resultados obtenidos destacan que el diseño óptimo para todos los casos analizados se produce para la máxima temperatura de salida del campo solar (260 ºC) y la mínima temperatura de condensación del ciclo ORC (85 ºC). El par que mejor funciona es el caso 5 con tolueno como fluido de trabajo, presentando unos valores de eficiencia energética del ORC y eficiencia exergética del CCHP del 16,82% y 18,23%, respectivamente. En comparación con las condiciones nominales de diseño, el diseño óptimo para el caso 5 es, en términos de eficiencia energética del ORC, un 50% más eficiente.

Referencias

[1] Thermodynamic Analysis and Systematic Comparison of Solar-Heated Trigeneration Systems Based on ORC and Absorption Heat Pump. Autor/es: Jesús García-Domínguez and J. Daniel Marcos. Revista: Energies (2021). DOI: https://doi.org/10.3390/en14164770 URL: https://www.mdpi.com/1996-1073/14/16/4770

Contacto

José Daniel Marcos, Investigador del grupo UNED-STEM en ACES2030-CM – jdmarcos@ind.uned.es

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

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