Uso de Ciclos Rankine Orgánicos Para Generación de Potencia Acoplados a Fuentes Renovables y Calor de Desecho

28 March, 2013 | By More

USO DE CICLOS RANKINE ORGÁNICOS PARA GENERACIÓN DE POTENCIA ACOPLADOS A FUENTES RENOVABLES Y CALOR DE DESECHO

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Por Ricardo Vásquez Padilla PhD; Editado por Dora López PhD; Marzo 28, 2013

En el desarrollo de la economía global, la energía es el componente principal directa o indirectamente de la cadena productiva en la mayoría de las actividades de los diferentes sectores. El aumento del precio de los energéticos ha impulsado a que las tendencias de gestión energéticas globales vayan dirigidas a el uso racional y eficiente de energía y a la penetración de energías alternativas que promuevan el desarrollo sostenible del planeta.

Estas iniciativas políticas al ser puestas en marcha ayudan a promover la disminución de los impactos ambientales, el incremento de la productividad en los diferentes sectores industriales, el manejo eficiente de los recursos y ocasionan un gran impacto en los procesos productivos de las organizaciones las cuales se ven reflejados en beneficios económicos y aumento en la competitividad del sector industrial en los diferentes países.

En Colombia existe un Organismo encargado de los programas de gestión energéticos llamado Unidad de Planeación Minero Energética la cual desarrolla el programa de Uso Racional y eficiente de los Recursos energéticos (PROURE). Una de los componentes principales del PROURE es el análisis de eficiencia en los procesos del sector industrial. Según el PROURE existe un potencial de ahorro de energía eléctrica para el 2015 del 5,3% del consumo actual, y se planea alcanzar como meta para ese año un ahorro del 3,43% [1] que corresponden a 2219 GWh [2]. Una de las formas de alcanzar esas metas de reducción de consumo y aumento de la eficiencia en el sector industrial es la implementación de sistemas de recuperación de energía térmica que puedan aprovechar el calor de desecho de los diferentes procesos industriales.

Existen muchas aplicaciones en donde este calor sobrante es utilizado para calentar agua o para procesos de precalentamiento de materias primas, de esta forma se aprovecha una parte de la energía de desecho antes de ser expulsada al ambiente. Sin embargo este calor de desecho al ser expulsado todavía tiene un gran potencial de energía recuperable que puede ser transformada en trabajo mecánico o en energía eléctrica. De esta forma no solo se reduce el consumo eléctrico sino que se genera electricidad.

Para realizar los procesos de recuperación energética a partir de calores de desechos de procesos industriales, es necesario recurrir a las tecnologías de generación a partir de fuentes de calor de baja temperatura (menores a 250°C), dichas fuentes no solo incluyen fuentes de calor residual sino que también cubren las fuentes de energías renovables tales como: geotérmica y solar de baja concentración. La tecnología con mas alto desarrollo en este tema es el Ciclo Rankine Orgánico conocido por sus siglas en inglés ORC (Organic Rankine Cycle) el cual es capaz de generar trabajo con fuentes de de calor desde los 80 °C.

ORC

Ciclo Orgánico de Rankine.
Diagrama  cortesía de Ricardo Vasquez PhD

Este ciclo funciona como un ciclo Rankine convencional, pero su fluido de trabajo no es agua. Entre los fluidos de trabajo más comunes se encuentra el R134a, R22, R123, R245fa, mezcla amoniaco-agua (Ciclo Kalina) y mezclas de refrigerantes.

Las operaciones del ciclo pueden llevarse a cabo de manera subcrítica o supercrítica, por lo que para ambos casos el punto crítico y el grado de humedad (fluido seco o húmedo) son fundamentales para decidir las condiciones de operación del ciclo. Como todo ciclo de potencia, requiere de una máquina de flujo que convierta la energía térmica del fluido en movimiento del eje, y este es uno de los retos fundamentales que tiene el ORC, especialmente a micro escala de generación, ya que son pocos los fabricantes que desarrollan turbo máquinas para las condiciones y características especiales que se presentan en el ciclo.

El otro gran reto se encuentra en el acople, entre la fuente de energía térmica y el ORC. En Colombia este tipo de tecnología está tratando de incursionarse a nivel industrial, pero en este caso son los centro de investigaciones quienes están tropicalizando y adaptando la tecnología con miras a la disminución de costos de inversión por medio de la fabricación de partes en el mercado local y trabajando en la integración de la tecnología con diferentes fuente de calor para hacer de ésta una solución robusta y viable.

Referencias

[1] Resumen ejecutivo, Plan de Acción Indicativo 2010-2015 PROURE.

[2] Informe Final, Plan de acción 2010-2015 PROURE

 

ORGANIC RANKINE CYCLES FOR POWER GENERATION WITH RENEWABLE SOURCES AND WASTE HEAT

By Ricardo Vasquez Padilla PhD; Edited and translated by Dora Lopez PhD; March 28, 2013

In the development of the global economy, energy is the main direct or indirect component in the production chain in most of the activities in the different sectors. The increase in the price of energy has encouraged that global energy management trends pursue the rational and efficient use of energy and the penetration of alternative energies that promote the sustainable development of the planet.

These initiatives help promote the reduction of environmental impacts, the increase in productivity in industrial sectors, the efficient management of resources and cause a great impact on the productive processes in the organizations which are reflected in economic benefits and increased competitiveness of the industrial sector in different countries.

In Colombia, there is a body responsible for energy management programs called Planning Unit for Mining and Energy which develops the program for rational and efficient use of energy resources (PROURE). One of the main components of PROURE is efficiency analysis of industrial processes. According to PROURE there is a potential savings of electric energy of 5.3% of current consumption by 2015, and it is planned to reach a savings goal of 3.43% this year [1] which correspond to 2219 GWh [2]. One of the ways of achieving these goals of reducing consumption and increasing efficiency in the industrial sector is the implementation of thermal energy recovery systems that can take advantage of waste of different industrial processes.

There exist many applications where this excess heat is used to heat water or for the pre-heating of raw materials, thus a part of the wasted energy is employed before being expelled to the environment. However, this wasted heat being expelled still has great potential of recoverable energy that can be transformed into mechanical work or electrical energy. This way not only electricity consumption is reduced but also electricity is generated.

To recover energy from waste heat from industrial processes, it is necessary to resort to generation technologies for low temperature heat sources (less than 250 °C), these sources not only include waste heat but also cover other renewable energy sources such as: geothermal and solar low-concentration. The technology with the highest development on this topic is the Organic Rankine Cycle which is capable of generating work with sources of heat from 80 °C.

ORC

Organic Rankine Cycle.
Diagram courtesy of Ricardo Vasquez PhD

This cycle operates as a conventional Rankine cycle, but its working fluid is not water. Among the most common working fluid are R134a, R22, R123, R245fa, ammonia-water mix (Kalina cycle) and mixtures of refrigerants.

The cycle operations can be carried out subcritically or supercritically, so for both cases the critical point and the degree of humidity (dry or wet fluid) are fundamental to decide the conditions of operation of the cycle. As in every power cycle, it requires a machine that converts heat energy of the fluid to shaft movement, and this is one of the fundamental challenges facing the ORC, especially to micro-scale generation, since there are few manufacturers who develop turbo machines for the conditions and special features that occur in the cycle.

The other great challenge lies in the coupling between the source of thermal energy and the ORC. In Colombia this type of technology is trying to make inroads at the industrial level, but it is Research Centers who are transferring and adapting the technology with a view to reducing investment costs through manufacturing of parts in the local market, and working on the integration of technology with different heat source to make this a viable and robust solution.

References

[1] Resumen ejecutivo, Plan de Acción Indicativo 2010-2015 PROURE.

[2] Informe Final, Plan de acción 2010-2015 PROURE

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Category: Energía Geotérmica, Energía Solar, Renovables, Eficiencia Energética y Medio Ambiente

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