Cada día, unha parte importante da enerxía que consome a industria termina perdéndose en forma de calor. Entre un 25% e un 55% disípase a temperaturas próximas aos 200°C, suficientemente elevadas como para aproveitar esa calor e convertela en electricidade. Recuperar ese potencial enerxético é un dos desafíos da industria para avanzar cara a procesos máis eficientes e sostibles. Con este obxectivo, persoal investigador do Centro de Investigación en Tecnoloxías Navais e Industriais (CITENI) da Universidade da Coruña analizou como mellorar o rendemento das tecnoloxías destinadas a converter esta calor en electricidade. O estudo forma parte da investigación de doutoramento que desenvolve Ana Ortega baixo a dirección do profesor Alberto Arce. Ambos son persoal investigador do grupo SISTER (Sistemas Térmicos), con actividade científica dentro do Campus Industrial de Ferrol.
A investigación céntrase nos ciclos Rankine orgánicos (ORC), unha tecnoloxía deseñada para transformar a calor residual en electricidade. A diferenza dos sistemas convencionais, utiliza un fluído orgánico en lugar de auga, o que lle permite vaporizarse a temperaturas máis baixas. Ese vapor move unha turbina conectada a un xerador eléctrico e unha vez completado o ciclo o fluído volve a estado líquido para reutilizarse.
Unha segunda vida
O estudo parte dunha pregunta sinxela: é posible aproveitar mellor a calor residual para xerar máis electricidade? Para responder, as persoas investigadoras analizaron dúas estratexias orientadas a aumentar a eficiencia dos ciclos Rankine orgánicos. A primeira consiste en elevar a temperatura do vapor antes de que chegue á turbina, para que poida transferir máis enerxía e xerar máis electricidade. A segunda vólveo a quentar antes de que se arrefríe por completo, o que permite seguir producindo electricidade antes de completar o ciclo. A combinación de ambas as dúas fai posible extraer máis enerxía útil a partir da mesma cantidade de calor.
Axuda dun “enxame” virtual
Introducir estas melloras non garante por si só un mellor resultado. O rendemento destes sistemas depende de numerosos factores, como a temperatura, a presión ou o fluído empregado. Axustar todas esas variables para obter o mellor resultado é un dos principais desafíos á hora de deseñar este tipo de instalacións.
Para resolver, o equipo desenvolveu un modelo matemático da planta e recorreu a un algoritmo de optimización denominado Particle Swarm Optimization (PSO). O seu funcionamento inspírase no comportamento dun enxame de abellas cando busca alimento: cada abella explora unha zona distinta e comparte a información co resto ata que o grupo localiza a mellor opción. De forma similar, o algoritmo explora miles de combinacións posibles de temperaturas, presións e fluídos para identificar aquelas que ofrecen os mellores resultados.
Grazas a esta metodoloxía, o persoal investigador optimizou de forma simultánea entre cinco e oito variables de funcionamento —un enfoque máis completo que o empregado habitualmente en estudos similares— e comparou dez fluídos de traballo para determinar cal ofrece mellores prestacións en cada configuración.
Mesma enerxía, máis electricidade
Os resultados poñen de manifesto que axustar as condicións de operación dos ciclos ORC permite sacar máis partido da calor dispoñible e xerar máis electricidade. A combinación das dúas estratexias analizadas alcanzou unha eficiencia térmica do 19,8%, próxima ao 20%, por encima das configuracións que incorporan unicamente unha das dúas melloras.
A análise tamén ten un impacto económico. Os sistemas que inclúen a etapa de sobrequecemento presentan períodos de recuperación do investimento inferiores a 7,5 anos, mentres que aqueles que non a incorporan poden tardar ata 16 anos en amortizarse. Máis aló destas cifras, o traballo achega novas ferramentas para deseñar instalacións máis eficientes e economicamente viables para a recuperación de calor residual.
Referencia: Impact of superheat and reheat on the thermal efficiency of Regenerative Organic Rankine Cycle (R-ORC) with optimized operating conditions (Publicado en Energy)
