Calor de bajo grado para la generación de energía: Ciclos Orgánicos de Rankine

30 January, 2013 | By More

CALOR DE BAJO GRADO PARA LA GENERACION DE ENERGIA: CICLOS ORGÁNICOS DE RANKINE

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Por Illán Arribas M.Sc., editado por Dora Alonzo Ph.D.; Enero 30, 2013

Aunque los yacimientos geotérmicos se basan en una fuente de agua muy caliente, es decir, ” depósitos de alta entalpía”, que tienen temperaturas superiores a 250 º C, existen algunos otros, a menudo llamados “de media o baja entalpía”, donde la electricidad no puede ser directamente generada con el “agua caliente”, alternativamente, se obtiene energía térmica [1].

Investigadores de la Universidad de  Valladolid en España y la Universidad Nacional de Colombia [2] han propuesto recientemente la utilización de tecnologías combinadas con el fin de proporcionar energía a partir de depósitos geotérmicos de baja temperatura. Las aplicaciones de esta investigación van más allá del uso de las aguas de bajo grado geotérmico como fuente de energía ya que la energía térmica solar, calor residual industrial, la combustión de biomasa y otras fuentes de calor de “bajo grado” también se puede utilizar como fuente de calor en Ciclos Orgánicos de Rankine (CORs) para la producción de electricidad.

¿Cómo pueden utilizarse las aguas de bajo grado de calor en CORs?

El principio se basa en el uso de una fuente de calor para hacer que un fluido refrigerante orgánico cambie su estado (vaporización o condensación).

ORCAquí es importante entender el concepto de calor latente, es decir, la cantidad de energía que se requiere para cambiar el estado de un fluido (en este caso, el refrigerante). Para que se dé la vaporización, el fluido refrigerante líquido necesita una cantidad adicional de energía para romper los enlaces entre las partículas y por lo tanto pasar a estado gaseoso; luego, este vapor orgánico es introducido en una turbina (en lugar de vapor de agua que hubiese necesitado más energía) para producir electricidad.

El agua como fuente de energía geotérmica de baja o media entalpía, se puede utilizar para proporcionar calor a un refrigerante orgánico con el fin de contribuir a su evaporación. Es importante elegir un fluido ecológico, económico, duradero y fiable. No obstante, esto se ha convertido en una tarea difícil ya que las autoridades están siendo cada vez más estrictas con el uso de los refrigerantes ya que su nocivo impacto para el ser humano y el medio ambiente, sigue siendo descubierto día a día. Un estudio completo sobre el tema de refrigerantes orgánicos se da en la referencia [3].

Más allá de las aguas geotérmicas de bajo calor

Además de energía geotérmica de baja entalpía, agua caliente generada con energía solar (utilizando tecnologías CSP) o la quema de la biomasa podría convertirse en una fuente confiable de bajo grado de calor. El punto crítico es utilizar un fluido orgánico con bajo punto de ebullición para producir electricidad, la que luego puede ser descargada a la red o utilizada para las necesidades locales, tales como la desalinización del agua de mar.

Las tecnologías basadas en el Ciclo Orgánico de Rankine tienen una gran cantidad de aplicaciones que pueden variar desde el uso inteligente del calor residual en muchos procesos industriales (sustituyendo a una fuente de electricidad extra) hasta la utilización de aguas termales que aparentemente no gozaban de la temperatura necesaria para generar directamente electricidad.

Mediante el uso de principios termodinámicos las posibilidades de utilizar gradientes de temperatura para generar electricidad ¡se multiplican!

REFERENCIAS

[1] POWER GENERATION FROM HIGH-ENTHALPY GEOTHERMAL RESOURCES. Einar Tjörvi Elíasson. National Energy Authority, Reykjavik, Iceland

[2] Fredy Vélez, José J. Segovia, M. Carmen Martín, Gregorio Antolín, Farid Chejne, Ana Quijano, A technical, economical and market review of organic Rankine cycles for the conversion of low-grade heat for power generation, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 16, Issue 6, August 2012, Pages 4175-4189.

[3] Tzu-Chen Hung, Waste heat recovery of organic Rankine cycle using dry fluids, Energy Conversion and Management, Volume 42, Issue 5, March 2001, Pages 539-553, (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0196890400000819)

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Low-grade heat for power generation: Organic Rankine Cycles

By Illán Arribas M.Sc.; Edited by Dora de Alonzo Ph.D.; January 30, 2013

Although regular geothermal reservoirs are based on a source of very hot water, i.e. “high enthalpy” reservoirs with temperatures above 250ºC, there exist some others, often called “medium or low enthalpy” reservoirs, where electricity cannot be directly generated from the “hot water”; instead, thermal energy is obtained [1].

Researchers from Universidad de Valladolid in Spain and the Universidad Nacional de Colombia [2] have recently proposed the utilization of combined technologies in order to provide energy from low temperature reservoirs. The applications of this research goes beyond the use of low-grade heat geothermal waters as an energy source as thermal solar power, industrial waste heat, biomass combustion and other sources of low grade heat can also be used as heat sources in Organic Rankine Cycles (OCRs) for the production of electricity.

How can low-grade heat water be employed in ORCs?

The principle is based on the use of a source of heat to make an organic refrigerant fluid change its state (vaporization or condensation).

ORCHere it is important to understand the concept of latent heat: that is the amount of energy that is required to change the state of a fluid (in this case, the refrigerant). In order to achieve vaporization, the liquid refrigerant fluid requires an extra amount of energy in order to break the links between particles and therefore turn into gas state; afterwards, this organic vapor is introduced in a turbine (instead of the water vapor that may have required a larger energy input) to produce electricity.

Low or medium-enthalpy geothermal water can be used to provide an organic refrigerant with heat in order to contribute to its evaporation.  It is important to choose an environmentally friendly, economic, durable and reliable fluid. However, this has become a hard task as authorities are banning more and more refrigerants as their harmful impact to humans and the environment keeps being discovered. A complete study on the topic of organic refrigerants is given in reference [3].

 

Beyond low-grade heat geothermal waters

Besides low-grade heat geothermal water, hot water generated from solar power (using CSP technologies) or from burning biomass could become a reliable source of low-grade heat. The critical point is to utilize an adequate low-boiling-point organic fluid to produce electricity, which can then be discharged into the grid or utilized for local needs, such as seawater desalination.

Technologies based on the Organic Rankine Cycle have a vast amount of applications that may vary from, the smart use of waste heat in many industrial processes (substituting an extra electricity supply) to the utilization of hot springs that were apparently “not hot enough” to directly generate electricity.

By using thermodynamic principles, the possibilities to take advantage of temperature gradients and generate electricity multiply!

 

REFERENCES

[1] POWER GENERATION FROM HIGH-ENTHALPY GEOTHERMAL RESOURCES. Einar Tjörvi Elíasson. National Energy Authority, Reykjavik, Iceland

[2] Fredy Vélez, José J. Segovia, M. Carmen Martín, Gregorio Antolín, Farid Chejne, Ana Quijano, A technical, economical and market review of organic Rankine cycles for the conversion of low-grade heat for power generation, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 16, Issue 6, August 2012, Pages 4175-4189.

[3] Tzu-Chen Hung, Waste heat recovery of organic Rankine cycle using dry fluids, Energy Conversion and Management, Volume 42, Issue 5, March 2001, Pages 539-553, (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0196890400000819)

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Category: Energía Geotérmica

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