{"id":135152,"date":"2022-04-25T12:57:27","date_gmt":"2022-04-25T11:57:27","guid":{"rendered":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/?p=135152"},"modified":"2022-04-25T12:57:27","modified_gmt":"2022-04-25T11:57:27","slug":"turbo-trigeneracion-solar-de-pequeno-tamano-y-temperatura-media-baja","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/2022\/04\/25\/135152","title":{"rendered":"Turbo-trigeneraci\u00f3n solar de peque\u00f1o tama\u00f1o y temperatura media-baja"},"content":{"rendered":"

Autor: Andr\u00e9s Sebasti\u00e1n, Grupo de Investigaciones Termoenerg\u00e9ticas, Universidad Polit\u00e9cnica de Madrid<\/em><\/strong><\/p>\n

Resumen<\/strong><\/span><\/p>\n

La reducci\u00f3n de costes supone un factor clave para la implementaci\u00f3n a gran escala de la energ\u00eda termosolar en el mix energ\u00e9tico, tanto para producci\u00f3n de electricidad, como de calor industrial y de fr\u00edo. Para ello, en los \u00faltimos a\u00f1os se ha optado por aumentar la potencia nominal de las plantas termosolares, para reducir los costes por econom\u00eda de escala, y aumentar la temperatura del receptor de la radiaci\u00f3n solar concentrada, para aumentar el rendimiento solar-a-electricidad. Aqu\u00ed se presenta una alternativa de trigeneraci\u00f3n solar a media-baja temperatura, de peque\u00f1o tama\u00f1o y basado en la idea de un grupo de turbosobrealimentaci\u00f3n. De esta manera, se pretende idear una soluci\u00f3n de bajo coste mediante una tecnolog\u00eda modular y de mayor simplicidad que permita acoplarse mejor a peque\u00f1as y medianas industrias.<\/span><\/p>\n

Abstract<\/strong><\/span><\/p>\n

Cost reduction is a key factor to enhance the market penetration of solar thermal energy in the energy mix, both for the power generation, and industrial heat and refrigeration. Increasing power plants size is one of the main solutions to reduce costs due to the economy of scale. In addition, increasing the maximum receiver temperature is also a key solution to increase the sun-to-electricity efficiency and, consequently, reduce costs. An alternative solution is presented here based in a small-scale low-to-medium temperature solar trigeneration system, based on a turbocharger-like concept. Hence, this novel conception seeks the same cost reduction but with a modular and simpler technology, better suited to small and medium-sized industries.<\/span><\/p>\n

Art\u00edculo de difusi\u00f3n<\/strong><\/span><\/p>\n

A pesar de no haber experimentado un crecimiento exponencial como la tecnolog\u00eda e\u00f3lica o la solar fotovoltaica, se espera que la tecnolog\u00eda solar de concentraci\u00f3n desempe\u00f1e un papel importante en las pr\u00f3ximas d\u00e9cadas para aumentar la cuota de producci\u00f3n el\u00e9ctrica renovable. Adem\u00e1s, se prev\u00e9 que la energ\u00eda termosolar pueda contribuir tambi\u00e9n a la reducci\u00f3n de la dependencia de fuentes de energ\u00eda de origen f\u00f3sil para la producci\u00f3n de calor en sectores como el industrial, comercial e incluso residencial [1]. Para ello, uno de los principales retos al que se enfrenta esta tecnolog\u00eda es la reducci\u00f3n de costes para poder mejorar su competitividad.<\/span><\/p>\n

Durante la \u00faltima d\u00e9cada, los costes de la termosolar han disminuido considerablemente con la instalaci\u00f3n de grandes centrales de torre central, con potencias instaladas del orden de 100 MW. Adicionalmente, este tipo de centrales permiten obtener temperaturas m\u00e1ximas de hasta 565\u00baC en el receptor gracias al calentamiento directo de sales fundidas. Bas\u00e1ndonos en las reflexiones del padre de la Termodin\u00e1mica, Nicol\u00e1s L\u00e9onard Sadi Carnot, una mayor temperatura del foco caliente nos permite aumentar el rendimiento del motor t\u00e9rmico que transforma dicho estado t\u00e9rmico en potencia mec\u00e1nica y, posteriormente, en electricidad. Por ello, no cabe duda de que tanto aumentar dicha temperatura como optar por grandes instalaciones permitir\u00eda desarrollar una tecnolog\u00eda m\u00e1s eficiente que permita una mayor reducci\u00f3n de costes y, por tanto, una mayor competitividad. Sin embargo, este camino podr\u00eda no ser el \u00fanico prometedor para fomentar el uso de la energ\u00eda termosolar de concentraci\u00f3n con un bajo coste. La posibilidad de producir simult\u00e1neamente electricidad y calor \u00fatil para un determinado proceso (cogeneraci\u00f3n) permite maximizar el aprovechamiento de este tipo de centrales y proporcionar \u201ccalor renovable\u201d al consumidor. Si adem\u00e1s de esta cogeneraci\u00f3n permite producir fr\u00edo, se trata de un sistema de trigeneraci\u00f3n a partir exclusivamente de energ\u00eda solar de concentraci\u00f3n [2]. Esta opci\u00f3n permitir\u00eda cubrir la demanda energ\u00e9tica, por ejemplo, de una industria sin emisiones directas de CO2<\/sub>.<\/span><\/p>\n

Esta nueva posibilidad permitir\u00eda acoplar sistemas solares en emplazamientos cercanos a demandas energ\u00e9ticas industriales. Esto significa un gran cambio de escala y acudir a sistemas de peque\u00f1o tama\u00f1o, abandonando la gran escala de megavatios para adentrarse en la de kilovatios para acoplarse mejor a la demanda de peque\u00f1as y medianas industrias. He aqu\u00ed uno de los principales retos a los que enfrentarse, ya que los sistemas t\u00e9rmicos son grandes enemigos del peque\u00f1o tama\u00f1o puesto que las p\u00e9rdidas relativas de calor se incrementan y el rendimiento de las turbom\u00e1quinas utilizadas se ve mermado. Esta reducci\u00f3n de escala tambi\u00e9n ha de ir ligada con una reducci\u00f3n de temperatura del foco caliente, ya que el rango de temperatura demandado en la mayor\u00eda de aplicaciones industriales es menor de 260\u00baC [3]. De esta manera, para garantizar que estos sistemas sean competitivos han de buscar una reducci\u00f3n de costes por una v\u00eda alternativa a la anteriormente presentada.<\/span><\/p>\n

Estos peque\u00f1os sistemas modulares de trigeneraci\u00f3n de baja-media temperatura han de contar con un campo solar con un dise\u00f1o simple y materiales de bajo coste. Una de las posibilidades que se barajan es el empleo de colectores lineales Fresnel gracias a su menor complejidad y su menor rango de temperaturas-concentraci\u00f3n. Configuraciones novedosas como el SunDial (o \u201cReloj de Sol\u201d), consistente en un campo rotatorio de tipo Fresnel con espejos planos ligeramente curvados mediante plegado [4], pueden encajar muy bien en este tipo de aplicaciones de baja potencia.<\/span><\/p>\n

Una vez obtenida la temperatura de foco caliente necesaria, el quid<\/em> de la cuesti\u00f3n es el sistema termoenerg\u00e9tico empleado para poder proveer una peque\u00f1a instalaci\u00f3n de trigeneraci\u00f3n, modular y sencilla. Es aqu\u00ed donde encaja la propuesta de turbo-trigeneraci\u00f3n solar [5], basada en el concepto de los grupos de turbosobrealimentaci\u00f3n de aire, generalmente conocidos por ser empleados en motores de combusti\u00f3n interna alternativos. Este turbo-grupo consiste en un turbocompresor centr\u00edfugo y una turbina centr\u00edpeta acoplados en un mismo eje. El sistema propuesto parte de esta idea y puede verse representado un esquema del ciclo de funcionamiento en la Figura 1. Se trata de un ciclo org\u00e1nico Rankine (ORC) para producir potencia gracias al estado t\u00e9rmico obtenido en el colector turbinando un fluido org\u00e1nico, combinado con una bomba de calor (HP), que utiliza el mismo fluido, accionada por el turbocompresor. As\u00ed, existe una l\u00ednea de condensaci\u00f3n com\u00fan que une ambos sub-ciclos, configurando un sistema que utiliza un \u00fanico fluido de funcionamiento. La producci\u00f3n de calor \u00fatil para un determinado proceso se obtiene gracias al empleo de un intercambiador de calor a la salida del proceso de expansi\u00f3n de la turbina, que podr\u00eda tambi\u00e9n recuperarse para mejorar el rendimiento del ciclo de potencia. Por otro lado, la obtenci\u00f3n de fr\u00edo se consigue en el lado de la bomba de calor como consecuencia de la evaporaci\u00f3n del fluido refrigerante a su paso. As\u00ed, el sistema permite una gran flexibilidad ya que la producci\u00f3n de calor y fr\u00edo est\u00e1n desacopladas.<\/span><\/p>\n

Una de las grandes ventajas que proporciona este sistema es su compacidad, gracias al empleo de fluidos org\u00e1nicos presurizados (a temperaturas cercanas a la ambiental) y al empleo de turbom\u00e1quinas de muy peque\u00f1o tama\u00f1o y alto r\u00e9gimen de giro, conocidas como micro-turbom\u00e1quinas [6]. Los principales retos que presenta esta prometedora tecnolog\u00eda son: (i) el dise\u00f1o ad-hoc<\/em> de estas peque\u00f1as m\u00e1quinas t\u00e9rmicas, (ii) el empleo de motores-generadores el\u00e9ctricos de alta velocidad y (iii) la implementaci\u00f3n de estrategias de operaci\u00f3n \u00f3ptimas del sistema termoenerg\u00e9tico. Todas estas actuaciones, aunadas con la concepci\u00f3n de un sistema modular de peque\u00f1o tama\u00f1o, que podr\u00eda estar incluso embarcado en la plataforma solar, hacen de esta tecnolog\u00eda una prometedora soluci\u00f3n para reducir la emisi\u00f3n de CO2<\/sub> en la demanda energ\u00e9tica, especialmente del sector industrial.<\/span><\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Figura 1: Esquema del sistema de micro-trigeneraci\u00f3n combinando un sistema ORC-HP aplicando para un colector Fresnel rotatorio [5]<\/span><\/em><\/p>\n

Referencias<\/strong><\/p>\n

[1] S. Hisan Farjanaa, N. Hudaa, M.A. Parvez Mahmuda and R. Saidurbc, Solar process heat in industrial systems – A global review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 82 Part 3, 2270-2286, 2018.<\/p>\n

[2] F. A. Al-Sulaiman, F. Hamdullahpur and I. Dincer, Trigeneration: A comprehensive review based on prime movers, International Journal of Energy Research 35 (3) 233\u2013258, 2021.<\/p>\n

[3] P. Kurup and C. Turchi, Initial investigation into the potential of CSP industrial process heat for the southwest united states, Tech. rep., National Renewable Energy Lab. (NREL), Golden, CO, 2015.<\/p>\n

[4] J. Mu\u00f1oz-Ant\u00f3n, J.M. Mart\u00ednez-Val, L. F. Gonz\u00e1lez-Portillo, J. Cano and J. San Mill\u00e1n, Experimental facility for a new thermal-solar field configuration: The rotatory Fresnel collector or SunDial, AIP Conference Proceedings 2126, 060007 (2019).<\/p>\n

[5] A. Sebasti\u00e1n, R. Abbas, M. Vald\u00e9s and A. Rovira. Modular micro-trigeneration system for a novel rotatory solar Fresnel collector: A design space analysis. Energy Conversion and Management, 227, 13599, 2021<\/p>\n

[6] A. Sebasti\u00e1n, R. Abbas and M. Vald\u00e9s. Analytical prediction of Reynolds-number effects on miniaturized centrifugal compressors under off-design conditions. Energy, 227, 120477, 2021.<\/p>\n

Contacto<\/strong><\/p>\n

Andr\u00e9s Sebasti\u00e1n, Investigador del grupo UPM-GIT del Programa ACES2030-CM – andres.sebastian@upm.es<\/a><\/p>\n

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero \u00c1lvarez. IMDEA Energ\u00eda.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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