Desenvolvimento de Sistemas de Micro-Geração Elétrica

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DESARROLLO DE SISTEMAS DE 
MICRO-GENERACIÓN ELÉCTRICA 
UTILIZANDO FUENTES DE ENERGÍA 
TÉRMICA DE ORIGEN RENOVABLE 
 
OCTUBRE 2020 
Guillermo López Martín 
DIRECTOR DEL TRABAJO FIN DE MASTER: 
Andrés Sebastián Herrera 
TRABAJO FIN DE MASTER 
PARA LA OBTENCIÓN DEL 
TÍTULO DE MASTER EN 
INGENIERÍA INDUSTRIAL 
 
Desarrollo de sistemas de
micro-generación eléctrica utilizando
fuentes de energía térmica de origen
renovable
Guillermo López Martín
Máster Universitario en Ingeniería Industrial
Dirigido por: Andrés Sebastián Herrera
Departamento de Ingeniería Energética
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales
Universidad Politécnica de Madrid
2020
A Lucía y Daniella
Agradecimientos
Concluye hoy mi camino en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales. Han sido
años muy intensos, cargados de emociones y, muchas veces, agotadores. Echando la vista atrás,
eso sí, no me arrepiento de haber escogido esta senda hace seis años, aunque es el momento de
dejarlo atrás y abrir nuevos caminos.
Por suerte, no he estado solo en estos años inciertos. Sin mi familia no podría haber llegado
hasta aquí porque mi esfuerzo y ética de trabajo no es más que un resultado del suyo. En
especial, el tesón ejemplar de mi madre, referencia en todo momento de mi vida.
Esta etapa me ha servido para darme cuenta de lo importante que es la salud, mental y física,
para poder seguir adelante. He pasado mucho tiempo solo, despejándome del día a día, haciendo
ejercicio y escuchando música. En definitiva, recuperándome del desgaste que supone vivir los
tiempos en los que vivimos. Sin embargo, puedo dar gracias de haber tenido siempre a mis
amigos para rescatarme. Los viejos amigos, mi grupo de siempre con el que he compartido y
compartiré mi vida. También los nuevos, a los que agradezco de corazón haberse acercado y
quedado conmigo.
En lo que respecta a este trabajo, merece mención especial mi tutor, Andrés, el cual ha tenido
infinita paciencia conmigo y mi forma de trabajar. Puedo decir que ha sido uno de los proyectos
que más he disfrutado en la Universidad. Confieso que pocos días antes de escribir esto se me
seguían viniendo a la cabeza nuevas líneas de trabajo en las que me gustaría seguir completando
este proyecto. Sin embargo, considero que es el momento de finalizar mi aportación a un campo
tan prometedor como es el de la microgeneración renovable y buscar nuevos retos.
Resumen ejecutivo
El desarrollo del nivel de vida del ser humano y el acceso a tecnologías de aprovechamiento
energético son dos elementos estrechamente ligados. Para desligar el crecimiento económico del
consumo de combustibles fósiles, es necesario buscar alternativas que sean viables desde el punto
de vista económico, pero que también cumplan con los objetivos medioambientales.
La consecuente transformación del sistema energético necesita la adaptación de la red a la
penetración de energías renovables y un nuevo contexto: las microrredes. Su implantación
permite incrementar la seguridad del abastecimiento, asegurar la viabilidad económica de la red
y controlar la variabilidad asociada a las tecnologías renovables. Los aerogeneradores y paneles
fotovoltaicos, cuyos costes son cada vez son más competitivos, destacan en este campo ya que,
gracias a su sencillo escalado, se adaptan a distintas necesidades de potencia. Sin embargo,
el desarrollo de sistemas de microgeneración basados en fuentes térmicas renovables supone un
campo con gran potencial que, a día de hoy, presenta grandes oportunidades de investigación. El
método principal de conversión energética a partir de una fuente térmica es el ciclo de potencia,
concepto en el que se basará el estudio de este TFM.
La adaptación de los ciclos de potencia empleados en centrales térmicas tradicionales, Rankine
y Brayton, ha propiciado el desarrollo sus respectivas alternativas: los ciclos orgánicos Rankine,
en inglés Organic Rankine Cycle (ORC), y los ciclos cerrados Brayton, en inglés Closed Brayton
Cycle (CBC). En la actualidad, los ORC se encuentran mucho más extendidos en el campo de
la microgeneración. Sin embargo, el amplio rango de temperaturas de operación de los CBC les
permite adaptarse a un mayor número de fuentes renovables. Además, los avances en el estudio
de turbomaquinaria a pequeña escala pueden suponer aumentos en el rendimiento de los ciclos
CBC, facilitando su entrada en el mercado. Por ello, los ciclos cerrados Brayton van a ser el
proceso estudiado en este proyecto.
La Figura 1 muestra el esquema de funcionamiento y diagrama h-s de un ciclo cerrado Brayton
con recuperación de calor, similar al que se modela en este trabajo. El comportamiento del
ciclo, caracterizado por su rendimiento y potencia neta, está determinado por el funcionamiento
específico de cada uno de los componentes que lo integran y las condiciones del fluido de trabajo
seleccionado. Los parámetros principales del estudio multivariable de este proyecto son: los
rendimientos isentrópicos de turbina y turbocompresor, la relación de compresión, la presión de
entrada al compresor, el fluido de trabajo y la temperatura máxima alcanzada.
La temperatura máxima o temperatura de entrada a turbina es el parámetro asociado a la
fuente térmica renovable a aprovechar en el ciclo. Las fuentes térmicas más prometedoras en
microgeneración renovable son: energía solar térmica, geotermia, biomasa y waste heat recovery.
El rendimiento isentrópico de turbina y compresor es una parámetro clave en la integración
de ciclos de potencia a pequeña escala. La disminución del tamaño característico de la máquina
implica un menor número de Reynolds del fluido que la atraviesa. Cuando Re desciende por
debajo de un cierto valor crítico, comienza la transición de flujo turbulento a laminar, lo que
incrementa las influencia de la fricción viscosa en la capa límite, disminuyendo el rendimiento
isentrópico. Este efecto dificulta la competitividad de los ciclos de potencia a pequeña escala
en microgeneración. Valdés et al. [2018] estudia el efecto sobre el rendimiento al utilizar dos
Guillermo López Martín vii
(a) (b)
Figura 1: Esquema (a) y diagrama h− s (b) del CBC con recuperación de calor.
estrategias para paliar las consecuencias del downsizing en turbocompresores: el empleo de
fluidos no convencionales y el incremento de la presión de entrada a la máquina, aumentando
la densidad del fluido. Al aumentar el número de Reynolds, se logran mejoras en la eficiencia
del turbocompresor. Consecuentemente, se realiza en este TFM un análisis de los efectos de
la presurización, el uso de fluidos no convencionales y el downsizing sobre las prestaciones de
turbinas y compresores de pequeña escala y, por tanto, los ciclos cerrados Brayton.
El plan de trabajo llevado a cabo en este TFM consiste en el modelado del comportamiento de
la turbomaquinaria en distintas condiciones de presión y tamaño para, integrando los resultados
de este proceso, efectuar un estudio multivariable de los CBC con el objetivo de caracterizar las
condiciones óptimas en función de la temperatura máxima y rango de potencias. El entorno de
programación seleccionado para desarrollar los modelos y simulaciones es MATLAB, tomando
como base de datos REFPROP [Lemmon et al., 2010].
Para estudiar el comportamiento de una microturbina en distintas condiciones, se aplica análi-
sis dimensional a una turbina de referencia de forma que el rendimiento es función únicamente
del Reynolds. Para representar dicha función, se analiza la validez de distintas correlaciones
que estudian las pérdidas asociadas a la transición laminar-turbulenta. Los métodos estudiados
muestran incrementos de rendimiento isentrópico del 1-4% al aumentar la presión de entrada
a turbina de 2 a 5 bar. Estos resultados se muestran en la Figura 2. Así mismo, al estudiar
la influencia del downsizing, se constatan importantes pérdidas al disminuir el tamaño de la
turbomaquinaria y el rango de potencias. Respecto a los fluidos estudiados, se logran aumentos
de eficiencia del 4 y3,5%, respectivamente, al presurizar el fluido a 5 bar respecto a 2 bar. En
cuanto al estudio del rendimiento de turbocompresores de muy pequeña escala, en inglés micro
scale centrifugal compressors (MSCC), se toma como punto de partida la investigación realizada
por Valdés et al. [2018], la cual emplea la correlación de Dietmann & Casey para estimar el
rendimiento ante la variación de tamaño y presión de entrada. El estudio individual de cada
máquina concluye con el análisis de las curvas de isorrendimiento diámetro-presión-eficiencia.
De esta forma, se analiza el efecto opuesto que tienen ambas variables sobre el rendimiento
isentrópico. La presurización permite lograr rendimientos en compresor cercanos al 75% a pesar
del downsizing, mientras que este efecto incrementa la eficiencia de microturbina por encima del
80% para los distintos fluidos estudiados.
A partir de los resultados del estudio de compresor y turbina, se elabora los modelos MSCC y
MSRT, respectivamente, para el cálculo del rendimiento en cada máquina. La función de MAT-
LAB emplea como parámetros de entrada la efectividad del recuperador de calor, la temperatura
viii Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Desarrollo de sistemas de micro-generación utilizando fuentes térmicas renovables
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
105
-0.05
-0.04
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0
0.01
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0.05
DC
Tang
Hiett
Lee
Ainley Mathieson
Figura 2: Comparación de métodos de estudio del rendimiento isentrópico de turbina en función
de la presión de entrada.
máxima, la relación de compresión, el radio de rodete del compresor, el fluido y la temperatura
y presión de entrada. La inclusión del cálculo de rendimientos incrementa la complejidad y
precisión del modelo de análisis de ciclos.
Los casos de estudio de las simulaciones van a clasificarse en función de la temperatura máxima
del ciclo. De esta forma, los resultados pueden ser asociados a la fuente térmica empleada dada
la correlación que existe entre cada fuente y la temperatura que aporta. Los objetivos de
las simulaciones son: el estudio de la relación de compresión óptima, la caracterización de la
influencia de la turbomaquinaria, el análisis del efecto del tamaño del ciclo y, finalmente, la
estimación de las potencias generadas.
En el rango de temperaturas superior (400-750 °C) se estudian el aire y el CO2. Ambos
fluidos logran rendimientos prometedores a relaciones de compresión relativamente bajas para las
temperaturas estudiadas, aunque el segundo logra una densidad de trabajo superior. Respecto
al estudio de la turbomaquinaria, se estudia el efecto que tiene la integración del modelo de
cálculo de rendimiento isentrópico de compresor y turbina sobre el rendimiento global del ciclo.
El estudio del tamaño del ciclo muestra la reducción de la eficiencia del CBC asociada a la
reducción de dimensiones. Así mismo, se observa un valor crítico a partir del cual el aumento de
tamaño reduce su influencia sobre el rendimiento. Finalmente, el estudio del potencias muestra
que se pueden lograr ciclos con una potencia neta superior a 3 kW con ambos fluidos.
Al tratar el rango de temperaturas más bajo, esto es, entre 100 y 300 °C, se emplean como
fluidos de trabajo el propano y el isobutano. Este último presenta prestaciones superiores a nivel
de rendimiento y densidad de trabajo, con la salvedad de que necesita mayores relaciones de
compresión para lograr dicho comportamiento. Se determina un límite inferior de temperatura
necesaria para lograr rendimientos positivos cercano a 240 °C. Si se estudia el rendimiento de la
turbomaquinaria, ambos fluidos muestran rendimientos isentrópicos similares. Si se toma como
Guillermo López Martín ix
variable de control el radio de rodete, para una presión de entrada de 1 bar, los rendimientos del
ciclo se incrementan con el tamaño, alcanzando rendimientos entre 3 y 4% para ambos fluidos
orgánicos cuando dicho radio toma un valor de 15 mm. Al emplear isobutano, la presión de
entrada es un valor crítico ya que la presión de condensación es de 2,5 bar. A pesar de este
inconveniente, el isobutano logra rendimientos superiores a esta presión que aquellos que presenta
el propano a 4 bar. Finalmente, al considerar las potencias generadas, es posible sobrepasar los
0,6 kW y una eficiencia del 7% empleando propano, mientras que las potencias del isobutano
son ligeramente inferiores (0.45 kW) manteniendo rendimientos similares.
El último rango de temperaturas estudiado comprende la etapa intermedia, es decir, entre 300
y 400 °C, en el que es posible comparar el funcionamiento de los cuatro fluidos anteriormente
mencionados. Las prestaciones que se obtienen empleando fluidos orgánicos son muy superiores
a las del aire y el CO2 a nivel de rendimientos y densidades de trabajo. Las relaciones de
compresión empleadas en la optimización del empleo isobutano y propano. De forma análoga, el
rendimiento isentrópico que alcanza la turbomaquinaria es superior, lo que implica rendimientos
positivos para una mayor gama de compresores y turbinas. Al prestar atención al estudio de
potencias, el resto de fluidos se impone al isobutano, ya que, mientras este alcanza potencias de
0,8 kW en condiciones óptimas (máximo tamaño, 2,5 bar y 400 °C de temperatura máxima),
aquellos superan potencias de 1 kW. Este hecho se muestra en la Figura 3.
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18
C
yc
le
 th
er
m
al
 e
ffi
ci
en
cy
 (
%
)
Figura 3: Resultados de la influencia de la potencia del ciclo para temperaturas intermedias en
función de la potencia nominal y la temperatura máxima para r1t,C = 0,015 m y PR óptimo.
Sintetizando los resultados obtenidos en el análisis de ciclos, se obtiene un mapa tecnológico
(Figura 4) que muestra las condiciones que optimizan el rendimiento del ciclo en términos de
fluido de trabajo, relación de compresión y tamaño de turbomaquinaria para cada rango de
potencias y temperatura máxima aportada por la fuente renovable. Para cubrir un mayor ámbito
de potencias se han realizado simulaciones adicionales empleando tamaños mayores. Como se
muestra, la alternativa óptima por debajo de 400 °C se basa en el empleo de fluidos orgánicos
con una potencia limitada a 10 kW, mientras que el empleo de aire y CO2 permite alcanzar
potencias netas y rendimientos superiores, para temperaturas hasta 750 °C.
En conclusión, se comprueba a través de las simulaciones realizadas que los ciclos cerrados
Brayton pueden ser una alternativa competitiva a los ORC en el ámbito de la microgeneración
renovable térmica. Tomando los resultados de este proyecto, se abren nuevas líneas de inves-
tigación y trabajo relacionadas tomando como objetivo primordial la aplicación real de esta
tecnología. En este sentido, se considera necesario un estudio en términos técnicos y económi-
x Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Desarrollo de sistemas de micro-generación utilizando fuentes térmicas renovables
Figura 4: Sumario de los resultados del análisis de ciclo
cos de la implantación de las opciones estudiadas para los distintos rangos de temperatura y
potencia.
Palabras Clave: microgeneración renovable térmica, ciclo de potencia, ciclo cerrado Brayton,
temperatura máxima, relación de compresión, rendimiento del ciclo, presurización, downsizing
de turbomaquinaria, bajo número de Reynolds, fluidos no convencionales, efectos del número de
Reynolds.
Códigos UNESCO: 332202 - 332205
Guillermo López Martín xi
Contenidos
1 Introducción 21
1.1 El reto de la micro-generación de energía eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2 Justificación del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 26
1.2.1 Ciclos de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.2.2 Análisis cualitativo del rendimiento de los CBC . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.2.3 Turbomaquinaria en ciclos de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.3 Estado del arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.3.1 Fuentes térmicas renovables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.3.2 Ciclos cerrados Brayton en microgeneración . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.3.3 Turbomaquinaria de los CBC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.3.4 Fluidos de trabajo en ciclos de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.4 Declaración de objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
1.5 Estructura de la memoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2 Metodología 47
2.1 Método de trabajo del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.2 Estudio del efecto del número de Reynolds en el rendimiento de la turbomaquinaria
a pequeña escala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.2.1 Cálculo de puntos homólogos para diferentes fluidos empleando análisis
dimensional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.2.2 Microturbina de referencia: parámetros y diseño . . . . . . . . . . . . . . 52
2.2.3 Métodos de correción del rendimiento en función del número de Reynolds
en turbinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.2.4 Variables de control en el estudio del rendimiento en turbina y compresor:
presión y tamaño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.3 Modelado del ciclo de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.3.1 Ecuaciones e hipótesis del ciclo de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.4 Estudio integrado de microciclos de potencia CBC . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3 Resultados 65
3.1 Estudio del rendimiento de la turbomaquinaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.1.1 Análisis de turbinas a pequeña escala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.1.2 Análisis de compresor a pequeña escala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.2 Análisis de ciclos de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.1 Estudio de ciclos de potencia para temperaturas máximas altas . . . . . . 75
3.2.2 Estudio de ciclos de potencia para temperaturas máximas bajas . . . . . . 84
3.2.3 Estudio de ciclos de potencia para temperaturas máximas intermedias . . 91
3.3 Discusión y comparativa de resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4 Conclusiones y trabajos futuros 101
4.1 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.2 Trabajos y líneas futuras de investigación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5 Gestión del proyecto 105
5.1 Planificación temporal del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.2 Estimación económica del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Guillermo López Martín xiii
CONTENIDOS
Bibliografía 109
xiv Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Índice de Figuras
1 Esquema (a) y diagrama h− s (b) del CBC con recuperación de calor. . . . viii
2 Comparación de métodos de estudio del rendimiento isentrópico de turbina
en función de la presión de entrada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
3 Resultados de la influencia de la potencia del ciclo para temperaturas inter-
medias en función de la potencia nominal y la temperatura máxima para r1t,C
= 0,015 m y PR óptimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x
4 Sumario de los resultados del análisis de ciclo . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
1.1.1 Capacidad de generación instalada por fuente, 2000-2040 . . . . . . . . . . . 22
1.1.2 Diagrama de una microrred . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.1.3 Crecimiento de la capacidad de generación solar fotovoltaica distribuida por
segmentos, 2007-2024. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.2.1 Esquema (a) y diagrama T − s (b) de un ciclo Rankine. . . . . . . . . . . . 27
1.2.2 Esquema (a) y diagrama h− s (b) de un ciclo cerrado Brayton. . . . . . . . 28
1.2.3 Esquema (a) y diagrama h− s (b) del CBC con recuperación de calor. . . . 30
1.2.4 Características del flujo alrededor de un álabe a diferentes números de Reynolds 32
1.2.5 Correlación entre el número de pérdidas y el número de Reynolds mostrando
el tipo de flujo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.2.6 Coeficiente de pérdidas para distintos valores del número de Reynolds (a) y
esquema del flujo en torno a un álabe para el valor Re* (b) . . . . . . . . . . 33
1.2.7 Rendimiento de turbina y compresor en función de la escala de generación . . 33
1.3.1 Ejemplos de emplazamientos con recurso geotérmico clasificados según sus
valores termodinámicos e índice SExI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.3.2 Potencial de calor recuperado teórico y de Carnot para la industria en la
Unión Europea según la temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.3.3 Ciclo híbrido Rankine - Brayton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.3.4 Variaciones de rendimiento (a) y potencia (b) de un MSCC frente a la presión
de entrada para distintos fluidos no convencionales . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.3.5 Desarrollo de micro turbinas y sus especificaciones: tipo, diámetro, régimen
de giro y potencia suministrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.3.6 Prestaciones de turbocompresor para distintos fluidos en un CBC de 12 kW
de aplicación espacial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.1.1 Flujograma de la metodología de trabajo seguida en el presente TFM. . . . . 48
2.2.1 Esquema de los componentes de una turbina radial y digrama h-s de la expansión 52
2.3.1 Estructura de parámetros de entrada y salida de la función madre . . . . . . 59
2.3.2 Esquema (a) y diagrama h− s (b) del CBC con recuperación a modelar. . . 59
2.4.1 Flujograma de la metodología seguida por el código de MATLAB de opti-
mización del rendimiento en función de temperatura máxima y potencia. . . 64
3.1.1 Comparación de métodos de estudio del rendimiento isentrópico de turbina
en función de la presión de entrada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.1.2 Comparación de métodos de estudio del rendimiento isentrópico de turbina
en función del diámetro de entrada a rotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.1.3 Comparación de métodos de estudio del rendimiento isentrópico en función
de la presión de entrada y número de Reynolds. . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Guillermo López Martín xv
ÍNDICE DE FIGURAS
3.1.4 Variación del rendimiento isentrópico en función del diámetro de entrada a
rotor y potencia nominal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.1.5 Variación del rendimiento isentrópico en función de la potencia nominal a
escala logarítmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.1.6 Variación del rendimiento isentrópico de turbina respecto a la presión de en-
trada empleando aire, dióxido de carbono, propano e isobutano. . . . . . . . 69
3.1.7 Rendimiento isentrópico de turbina en función de presión de entrada, fluido
de trabajo y rango de potencia nominal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1.8 Curvas de isorrendimientos en función de presión de entrada y diámetro de
entrada a rotor para distintos fluidos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.1.9 Comparación de métodos de estimación del rendimiento de compresor para
distintas presiones de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.1.10 Variacióndel rendimiento isentrópico en función del diámetro de entrada a
rotor y potencia nominal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.1.11 Variación del rendimiento isentrópico en función de la potencia nominal a
escala logarítmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.1.12 Variación del rendimiento isentrópico de compresor respecto a la presión de
entrada empleando aire, dióxido de carbono, propano e isobutano. . . . . . . 73
3.1.13 Rendimiento isentrópico de compresor en función de presión de entrada, fluido
de trabajo y rango de potencia nominal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.1.14 Curvas de isorrendimientos en función de presión de entrada y diámetro de
entrada a rotor para distintos fluidos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2.1 Resultados del estudio en altas temperaturas de la temperatura máxima y la
relación de compresión sobre el rendimiento del ciclo. . . . . . . . . . . . . . 76
3.2.2 Resultados del estudio en altas temperaturas de la temperatura máxima y la
relación de compresión sobre el trabajo específico del ciclo. . . . . . . . . . . 76
3.2.3 Resultados del estudio en altas temperaturas de la temperatura máxima y la
relación de compresión sobre la densidad de trabajo del ciclo. . . . . . . . . . 77
3.2.4 Resultados de la influencia de la turbomaquinaria en altas temperaturas para
Tmax = 400°C a partir de la optimización del PR. . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2.5 Resultados de la influencia de la turbomaquinaria en altas temperaturas para
Tmax = 500°C a partir de la optimización del PR. . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.2.6 Resultados de la influencia de la turbomaquinaria en altas temperaturas para
Tmax = 600°C a partir de la optimización del PR. . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.2.7 Resultados de la influencia de la turbomaquinaria en altas temperaturas para
Tmax = 700°C a partir de la optimización del PR. . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.2.8 Resultados de la influencia de la turbomaquinaria en altas temperaturas para
Tmax = 750°C a partir de la optimización del PR. . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.2.9 Resultados de la influencia del tamaño del ciclo para altas temperaturas en
función de la temperatura máxima para ciclo con pmin = 1 bar. . . . . . . . . 79
3.2.10 Resultados de la influencia del tamaño del ciclo para altas temperaturas en
función de la temperatura máxima para ciclo con pmin = 4 bar. . . . . . . . . 80
3.2.11 Resultados de la influencia del tamaño del ciclo para altas temperaturas en
función de la temperatura máxima y la presión mínima para ciclo con r1t,C
= 0,001 m con PR óptimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.2.12 Resultados de la influencia del tamaño del ciclo para altas temperaturas en
función de la temperatura máxima y la presión mínima para ciclo con r1t,C
= 0,006 m con PR óptimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.2.13 Resultados de la influencia del tamaño del ciclo para altas temperaturas en
función de la temperatura máxima y la presión mínima para ciclo con r1t,C
= 0,011 m con PR óptimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
xvi Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Desarrollo de sistemas de micro-generación utilizando fuentes térmicas renovables
3.2.14 Resultados de la influencia del tamaño del ciclo para altas temperaturas en
función de la temperatura máxima y la presión mínima para ciclo con r1t,C
= 0,015 m con PR óptimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.2.15 Resultados de la influencia de la potencia del ciclo para altas temperaturas en
función de la potencia nominal y la temperatura máxima para r1t,C = 0,003
m y PR óptimo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.2.16 Resultados de la influencia de la potencia del ciclo para altas temperaturas en
función de la potencia nominal y la temperatura máxima para r1t,C = 0,006
m y PR óptimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.2.17 Resultados de la influencia de la potencia del ciclo para altas temperaturas en
función de la potencia nominal y la temperatura máxima para r1t,C = 0,011
m y PR óptimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.2.18 Resultados de la influencia de la potencia del ciclo para altas temperaturas en
función de la potencia nominal y la temperatura máxima para r1t,C = 0,015
m y PR óptimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.2.19 Resultados del estudio en bajas temperaturas de la temperatura máxima y la
relación de compresión sobre el rendimiento del ciclo. . . . . . . . . . . . . . 84
3.2.20 Resultados del estudio en bajas temperaturas de la temperatura máxima y la
relación de compresión sobre el trabajo específico del ciclo. . . . . . . . . . . 85
3.2.21 Resultados del estudio en bajas temperaturas de la temperatura máxima y la
relación de compresión sobre la densidad de trabajo del ciclo. . . . . . . . . . 85
3.2.22 Resultados de la influencia de la turbomaquinaria en bajas temperaturas para
Tmax = 300°C a partir de la optimización del PR. . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.2.23 Resultados de la influencia del tamaño del ciclo para bajas temperaturas en
función de la temperatura máxima para ciclo con pmin = 1 bar. . . . . . . . . 87
3.2.24 Resultados de la influencia del tamaño del ciclo para bajas temperaturas en
función de la temperatura máxima y la presión mínima para ciclo con r1t,C
= 0,001 m con PR óptimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.2.25 Resultados de la influencia del tamaño del ciclo para bajas temperaturas en
función de la temperatura máxima y la presión mínima para ciclo con r1t,C
= 0,006 m con PR óptimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.2.26 Resultados de la influencia del tamaño del ciclo para bajas temperaturas en
función de la temperatura máxima y la presión mínima para ciclo con r1t,C
= 0,011 m con PR óptimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.2.27 Resultados de la influencia del tamaño del ciclo para bajas temperaturas en
función de la temperatura máxima y la presión mínima para ciclo con r1t,C
= 0,015 m con PR óptimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.2.28 Resultados de la influencia de la potencia del ciclo para bajas temperaturas en
función de la potencia nominal y la temperatura máxima para r1t,C = 0,003
m y PR óptimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.2.29 Resultados de la influencia de la potencia del ciclo para bajas temperaturas en
función de la potencia nominal y la temperatura máxima para r1t,C = 0,006
m y PR óptimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.2.30 Resultados de la influencia de la potencia del ciclo para bajas temperaturas en
función de la potencia nominal y la temperatura máxima para r1t,C = 0,011
m y PR óptimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.2.31 Resultados de la influencia de la potencia del ciclo para bajas temperaturas en
función de la potencia nominal y la temperatura máxima para r1t,C = 0,015
m y PR óptimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.2.32 Resultados del estudio en temperaturas intermedias de la temperatura máx-
ima y la relación de compresión sobre el rendimiento del ciclo. . . . . . . . . 91
Guillermo López Martín xvii
ÍNDICE DE FIGURAS
3.2.33 Resultados del estudio en temperaturas intermedias de la temperatura máx-
ima y la relación de compresión sobre el trabajo específico del ciclo. . . . . . 92
3.2.34 Resultados del estudio en temperaturas intermedias de la temperatura máx-
ima y la relación de compresión sobre la densidad de trabajo del ciclo. . . . . 92
3.2.35 Resultados de la influencia de la turbomaquinaria en temperaturas interme-
dias para Tmax = 300°C apartir de la optimización del PR. . . . . . . . . . . 92
3.2.36 Resultados de la influencia de la turbomaquinaria en temperaturas interme-
dias para Tmax = 400°C a partir de la optimización del PR. . . . . . . . . . . 93
3.2.37 Resultados de la influencia del tamaño del ciclo para temperaturas intermedias
en función de la temperatura máxima para ciclo con pmin = 1 bar. . . . . . . 93
3.2.38 Resultados de la influencia del tamaño del ciclo para temperaturas intermedias
en función de la temperatura máxima para ciclo con pmin = 4 bar. . . . . . . 94
3.2.39 Resultados de la influencia del tamaño del ciclo para temperaturas intermedias
en función de la temperatura máxima y la presión mínima para ciclo con r1t,C
= 0,001 m con PR óptimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.2.40 Resultados de la influencia del tamaño del ciclo para temperaturas intermedias
en función de la temperatura máxima y la presión mínima para ciclo con r1t,C
= 0,006 m con PR óptimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.2.41 Resultados de la influencia del tamaño del ciclo para temperaturas intermedias
en función de la temperatura máxima y la presión mínima para ciclo con r1t,C
= 0,011 m con PR óptimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.2.42 Resultados de la influencia del tamaño del ciclo para temperaturas intermedias
en función de la temperatura máxima y la presión mínima para ciclo con r1t,C
= 0,015 m con PR óptimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.2.43 Resultados de la influencia de la potencia del ciclo para temperaturas inter-
medias en función de la potencia nominal y la temperatura máxima para r1t,C
= 0,003 m y PR óptimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.2.44 Resultados de la influencia de la potencia del ciclo para temperaturas inter-
medias en función de la potencia nominal y la temperatura máxima para r1t,C
= 0,006 m y PR óptimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.2.45 Resultados de la influencia de la potencia del ciclo para temperaturas inter-
medias en función de la potencia nominal y la temperatura máxima para r1t,C
= 0,011 m y PR óptimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.2.46 Resultados de la influencia de la potencia del ciclo para temperaturas inter-
medias en función de la potencia nominal y la temperatura máxima para r1t,C
= 0,015 m y PR óptimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.3.1 Sumario de los resultados del análisis de ciclo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.1.1 Listado de tareas y subtareas del trabajo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.1.2 Diagrama de Gantt del Trabajo Fin de Máster. . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
xviii Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Índice de Tablas
1.1 Ventajas y desventajas de los fluidos no convencionales más utilizados en CBC . 43
2.1 Parámetros de diseño y funcionamiento de la microturbina de referencia . . . . . 53
2.2 Parámetros de diseño y funcionamiento del microcompresor de referencia . . . . 57
2.3 Rangos de variación, discretización, dimensión y valores invariables de los parámet-
ros de entrada en el estudio de altas temperaturas. . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.4 Rangos de variación, discretización, dimensión y valores invariables de los parámet-
ros de entrada en el estudio de temperaturas intermedias. . . . . . . . . . . . . . 63
2.5 Rangos de variación, discretización, dimensión y valores invariables de los parámet-
ros de entrada en el estudio de bajas temperaturas. . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.1 Presupuesto del proyecto: recursos humanos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.2 Presupuesto del proyecto: recursos informáticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.3 Presupuesto del proyecto: total. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Guillermo López Martín xix
Capítulo 1
Introducción
En este primer capítulo se exponen las motivaciones que conducen a la realización de este
Trabajo Fin de Máster. Para comenzar, en la Sección 1.1 se introduce el concepto de micro-
generación y su relevancia en el sector energético. A continuación, en la Sección 1.2 se definen y
enlazan las piezas fundamentales del proyecto: ciclos de potencia, con especial atención al ciclo
Brayton y su aplicación con fuentes renovables; uso de fluidos no convencionales en ciclos; y
downsizing de turbomaquinaria, esto es, el efecto sobre rendimiento y potencia de la variación
de tamaño en compresores y turbinas. Estas dos primeras secciones se completan con una
revisión del Estado del Arte en la Sección 1.3. El Capítulo 1 concluye con la exposición de
los objetivos del proyecto en la Sección 1.4 y un sumario de la estructura de la memoria en la
Sección 1.5.
1.1. El reto de la micro-generación de energía eléctrica
El desarrollo del nivel de vida del ser humano y el acceso a la energía son dos variables que se
encuentran estrechamente ligadas. De esta forma, a lo largo de los dos últimos siglos la buena
accesibilidad económica a combustibles fósiles combinada con los avances técnicos en ingeniería
han sustentado un círculo virtuoso de progreso socio-económico, potenciando el nivel de vida de
la sociedad.
Aunque la disponibilidad de los combustibles no peligra en el corto y medio plazo, es nece-
sario buscar alternativas viables desde el punto de vista técnico y económico y más respetuosas
con el medio ambiente. El establecimiento de sociedades modernas sustentadas en estilos de
vida energéticamente intensivos conduce al ser humano hacia una realidad difícil de mantener.
Este hecho puede tener un efecto irreversible en el medio ambiente que no solo provoque que
sea inviable un crecimiento indefinido, sino que requiere reducciones para alcanzar un futuro
sostenible.
Desligar el crecimiento económico del consumo de energía constituye una estrategia para de-
carbonizar la actividad económica e incrementar la seguridad energética [Moreau and Vuille,
2018]. En este sentido, la mayoría de miembros de la Unión Europea ha logrado reducir su
intensidad energética, entendida como el cociente de consumo energético final y producto interior
bruto.
El futuro de la generación de energía
En los últimos años, se ha comenzado a caracterizar el futuro de la energía con 4 D’s, esto
es, Democratización, Decarbonización, Descentralización y Digitalización [Herenčić
et al., 2019] [Judson et al., 2020]. Estas directrices conforman un nuevo paradigma del sistema
energético mundial, en contraposición del sistema tradicional caracterizado mayor rigidez, mayor
pasividad del consumidor y una estructura formada por grandes centrales de energía.
Guillermo López Martín 21
INTRODUCCIÓN
Democratización: En el sistema energético tradicional, el consumidor se consideraba una
carga pasiva de la red cuyo consumo variaba a lo largo del día. Al introducir capacidad
de generación en los hogares e industrias, se produce un cambio en el reparto de poder.
Paneles solares fotovoltaicos, baterías y coches eléctricos son algunas de las tecnologías que
cambian el sentido del flujo de potencias, aumentando el grado de dinamismo y complejidad
de la red y dando mayor protagonismo a una nueva figura: el prosumer.
Decarbonización: Constituye el reto más importante del sector energético de cara a
las próximas décadas. Afortunadamente, el desarrollo tecnológico y la disponibilidad de
fuentes limpias y fiables permite cubrir la demanda. La Unión Europea podría doblar la
participación de energías renovables en su mix energético, con un coste eficiencia, del 17%
en 2015 al 34% en 2030 [IRENA, 2018]. Las proyecciones realizadas por la International
Energy Agency en su informe World Energy Outlook 2019 indican un incremento sustancial
de la capacidad de generación de energía renovable instalada para 2040 (Figura 1.1.1) [IEA,
2019b].
Figura 1.1.1: Capacidad de generación instalada por fuente, 2000-2040- Crecimiento de la
capacidad instalada durante los últimos 20 años y proyecciones hasta 2040 para un escenario en
el que las políticas se mantengan estables según el World Energy Outlook 2019 [IEA, 2019b]
Descentralización: El sistema de generación de energía que conocemos en la actualidad,
el cual no ha variado en profundidad su esquema durante las últimas décadas, está car-
acterizado por el protagonismo de las grandes centrales de generación de energía. En el
caso de las centrales térmicas, la mayoría del calor generado no termina convirtiéndose
en electricidad. Este calor malgastado se denomina como waste heat. Este problema de
escala y localización se palia en cierto modo a través de las centrales de cogeneración, lo
que incrementa la eficiencia en la utilización de combustibles fósiles. La incorporación de
las tecnologías renovables supone un cambio radical en el sistema tradicional debido a la
mayor disponibilidad geográfica (solar, eólica, biomasa), capacidad de escalar la generación
energética (geotérmica).
Digitalización: El desarrollo en las telecomunicaciones y el control digital completa el
sistema energético del futuro. Debido a la complejidad y variabilidad de la red, desde la de
22 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Desarrollo de sistemas de micro-generación utilizando fuentes térmicas renovables
un domicilio hasta la estatal, la incorporación de sistemas de control, medida y previsión
capaces de adecuar la generación a la demanda supone una revolución en la gestión de la
energía. La digitalización es capaz de controlar flujos de potencia, automatizar procesos
técnicos y proporcionar información sobre precios, oferta y mercados.
Oportunidades y retos de las microrredes
El futuro del sistema eléctrico, caracterizado por los puntos explicados en el epígrafe anterior,
se conforma en torno a la existencia de microrredes, cuyo esquema puede observarse en la
Figura 1.1.2. Una definición habitual es la desarrollada por Microgrid Exchange Group del
Departamento de Energía de EEUU, un grupo de expertos en I+D, que es la siguiente:
“Una microrred es un grupo de cargas interconectadas y recursos energéticos distribuidos
dentro de unos límites eléctricos claramente definidos que se comporta como una sola entidad
gestionable con respecto a la red. Una microrred puede conectarse y desconectarse de la red, de
forma que puede funcionar como isla o dependiente de la red” [Ton and Smith, 2012].
Figura 1.1.2: Diagrama de una microrred [Xu et al., 2013]
Los factores que favorecen el crecimiento de las microrredes y su implantación en zonas con
una infraestructura eléctrica en funcionamiento pueden clasificarse en tres categorías: beneficios
económicos, integración de energía limpias y seguridad de suministro [Hirsch et al., 2018].
El crecimiento de la infraestructura de la red eléctrica implica inversiones y expansiones
necesarias para que no se produzcan restricciones de capacidad. Estas inversiones económi-
cas se podrían paliar con la implantación de microrredes. Por otro lado, dichas microrredes
ofrecen un aumento de eficiencia, incluyendo menores pérdidas en las líneas; control
de temperatura y conversiones entre corriente continua y alterna. Finalmente, se deben
Guillermo López Martín 23
INTRODUCCIÓN
considerar los servicios auxiliares necesarios en la red para aliviar congestiones, regu-
lación de frecuencia y seguimiento de carga, power quality (regulación de potencia reactiva
y armónicos). Estos servicios son menores en una microrred al poder operar en modo isla
[Morris et al., 2011]
Uno de los principales retos que implica la implantantación de energías limpias en el
mix energético es que los recursos renovables, como el solar o el eólico, son variables. Esto
provoca problemas en la red actual de sobregeneración, inestabilidad y control de
tensión [Bebic, 2008] [Denholm et al., 2015]. Las microrredes están diseñadas para lidiar
con generación variable, empleando tecnologías de almacenamiento para equilibrar
generación y demanda.
Existe incertidumbre en cuanto a la resiliencia de la red respecto a condiciones ex-
tremas provocadas por el cambio climático. Al emplear recursos distribuidos, las mi-
crorredes pueden suministrar energía a las infraestructuras críticas cuando la red principal
esté fuera de servicio. Esta seguridad también puede aplicarse a la posibilidad de que
un accidente en un elemento de la red provoque un “efecto dominó” que se propague
por toda la infraestructura, o a posibles ataques físicos o cibernéticos [Wang and
Lu, 2013]. La estructura descentralizada y autónoma de una microrred presenta mayor
resistencia contra estas incidencias.
Entre los retos más relevantes a los que se enfrentan las microrredes se encuentran la incer-
tidumbre regulativa [NYSERDA, 2010], las políticas de interconexión con la red principal
[DeBlasio, 2013] y la oposición de las grandes empresas eléctricas con respecto a los re-
cursos distribuidos [Romankiewicz et al., 2014].
Si consideramos las microrredes el contexto del nuevo paradigma del sistema energético, las
energías renovables son, sin duda, el actor principal. Como ya se ha mencionado anteriormente,
la integración de tecnologías renovables es uno de los valores de las microrredes. Los aerogen-
eradores y paneles fotovoltaicos destacan en este campo debido a su generación de potencia a
pequeña escala y la caída de precios reciente. En la Figura 1.1.3 se muestra el crecimiento en los
últimos años de la solar fotovoltaica distribuida y las proyecciones para el próximo lustro, con
un caso adicional en el que las condiciones económicas, regulativas y tecnológicas sean favorables
(accelerated case) [IEA, 2019a].
Respecto a otras tecnologías, existen iniciativas para incentivar el uso de tecnologías renovables
térmicas. Domestic Renewable Heat Incentive (Domestic RHI) y Non-Domestic Renewable Heat
Incentive (Non-Domestic RHI) son ayudas económicas implantadas por el gobierno británico
para promoveer el uso de calor renovable con el objetivo de reducir las emisiones de CO2 y
alcanzar los objetivos de energía renovable [OFGEM, 2020]. Para optar a estas subvenciones, se
consideran fuentes de energía térmica renovable la biomasa, la energía geotérmica, los colectores
solares y la energía aprovechada de procesos industriales, Waste Heat Recovery.
Para aprovechar fuentes térmicas renovables como las mencionadas, se pueden emplear ciclos
de potencia, fundamentalmente similares a los que se utilizan en centrales térmicas tradicionales.
Uno de los factores clave en la caracterización de los ciclos de potencia es el rango de potencias
capaz de generar, el cual esta inequívocamente ligado al tamaño de la turbomaquinaria que
compone el ciclo.
Como se verá de aquí en adelante, la integración de ciclos de potencia en microgeneración con
fuentes de energía térmica renovable tiene efectos sobre el rendimiento y el rango de temperat-
uras de funcionamiento. Estos efectos son el objeto principal de este trabajo, pues suponen el
24 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Desarrollo de sistemas de micro-generación utilizando fuentes térmicas renovables
Figura 1.1.3: Crecimiento de la capacidad de generación solar fotovoltaica distribuida por seg-
mentos, 2007-2024. - En azul cyan la comercial e industrial, en azul oscuro la residencial y en
verde la capacidad off-grid. En el eje derecho la proporción de generación distribuida respecto
a la solar fotovoltaica total.
punto crítico respecto a la viabilidad de los sistemas de microgeneración con fuentes térmicas
renovables. En la Sección 1.2 se analizan en profundidad estos dos puntos y se exponen las
decisiones tecnológicas, que cobrarán relevancia al avanzar en este proyecto.
Guillermo López Martín 25
INTRODUCCIÓN
1.2. Justificación del proyecto
En esta sección se van a exponer las motivaciones del proyecto y las justificaciones sobre las
elecciones tomadas, prestando especial atención a las implicaciones de la integración de ciclos depotencia con turbomaquinaria de pequeña escala en microgeneración empleando fuentes térmicas
renovables.
1.2.1. Ciclos de potencia
Los valores de todas las propiedades macroscópicas observables y medibles forman un con-
junto que define unívocamente la configuración del sistema, y recibe el nombre de estado termod-
inámico. Si, desde un estado termodinámico, se produce una variación de las propiedades del sis-
tema, un proceso termodinámico, es posible aprovechar estas variaciones en las propiedades
para generar energía en un ciclo [Nieto et al., 2013].
El empleo de ciclos de potencia en generación de energía es uno de los pilares básicos del
sistema eléctrico. De esta forma, cada ciclo implica la utilización de procesos, maquinaría y
fluidos diferentes, lo que a su vez implica unos rangos de potencia y rendimiento distintos.
El ciclo Brayton es un sistema abierto con combustión interna. Dado que los gases de com-
bustión se expanden en una turbina , se requiere utilizar combustibles limpios; generalmente,
gas natural. El sistema completo, llamado turbina de gas, tiene un uso generalizado en mi-
crogeneración. El combustible puede ser de tipo no renovable, como el gas natural, o de tipo
renovable, como el biofuel.
Por otro lado, existen fuentes energéticas cuyo aprovechamiento se realiza a través del ciclo
Rankine, como el combustible nuclear o el carbón. En este caso, la reacción nuclear o química
se emplea para producir calor en una caldera, provocando la ebullición del agua que contiene.
El vapor producido se expande en una turbina que genera el trabajo.
De forma general, un ciclo Rankine se compone de los siguientes sistemas:
Sistema de combustible: aporta calor al sistema que desarrolla el ciclo térmico, obteniendo
la energía de una combustión química, una reacción nuclear o un intercambio térmico.
Estos procesos son externos al ciclo.
Sistema cerrado: desarrolla el proceso cíclico.
Sistema de enfriamiento: retira el calor por intercambio con un fluido de temperatura
cercana al ambiente (agua o aceite) [Nieto et al., 2013].
Ciclos de potencia en microgeneración: ORC y CBC
La tecnología y los procesos que emplean los ciclos Rankine y Brayton se han optimizado con
la estructura del sistema energético tradicional en mente. De esta forma, la potencia generada
puede llegar al orden de miles de MW en el caso de las centrales nucleares. La producción es
controlada en gran medida para adaptarse a la potencia requerida por la red, pudiendo variar,
dentro de unos límites, la cantidad de combustible consumido.
26 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Desarrollo de sistemas de micro-generación utilizando fuentes térmicas renovables
En un sistema formado por microrredes y energías renovables, es necesario adaptar estos
ciclos a nuevos esquemas. En primer lugar, el rango de potencias debe diseñarse teniendo en
cuenta las necesidades de los usuarios de la microrred y las características de la fuente térmica
renovable. Por ello, el tamaño de la turbomaquinaria y los sistemas eléctricos necesarios será en
muchos casos varios ordenes de magnitud menor que aquel utilizado en centrales tradicionales.
En segundo lugar, la capacidad de control sobre la potencia suministrada a la microrred es muy
dependiente de la fuente empleada. Por ejemplo, el control sobre recurso solar es nula, salvando
la capacidad de predicción de los modelos meteorológicos, mientras que el empleo de biomasa se
asemeja al de los ciclos tradicionales. Finalmente, se pueden mencionar otros factores que distan
mucho de aquellos de los ciclos empleados en grandes centrales, como el rango de temperaturas,
el perfil de generación-demanda o la capacidad de modular la potencia generada.
Los ciclos Rankine y Brayton pueden ser adaptados a las circunstancias de la microgeneración
y se han desarrollado las siguientes opciones:
Organic Rankine Cycle (ORC): Este sistema usa una sustancia orgánica como fluido
de trabajo para aprovechar fuentes térmicas de baja temperatura y está formado por un
evaporador, donde se calienta el fluido orgánico; una expansor y un condensador, donde
se produce la refrigeración [Yamamoto et al., 2001], como se observa en la Figura 1.2.1. El
fluido de trabajo debe ser condensable. Su principal diferencia respecto al ciclo Rankine de
vapor es su mayor eficiencia a bajas temperaturas, mejor adaptación a pequeños tamaños
de la turbomaquinaria empleada en microgeneración y mayor sencillez en intercambios de
energía a baja temperatura [Tian and Shu, 2017].
Closed Brayton Cycle (CBC): Como su nombre indica, se trata de un ciclo cerrado en
el que el fluido de trabajo - no convencional - se recircula a un intercambiador de calor.
En este caso se emplean fluidos no condensables, por lo que se cambian el evaporador
y condensador del ciclo convencional por dos intercambiadores de calor (Figura 1.2.2).
Esta tecnología deriva de la utilización de grupos turbo, o turbocharger en inglés. Su
funcionamiento consiste en introducir los gases de escape de un motor en una turbina,
aprovechando esta energía para comprimir el aire de entrada al motor, aumentando la
potencia.
(a) (b)
Figura 1.2.1: Esquema (a) y diagrama T − s (b) de un ciclo Rankine.
Ambas opciones son prometedoras en la generación térmica renovable y comparten algunas
características. Al ser ciclos cerrados, la transferencia energética se lleva a cabo en intercam-
biadores de calor, cuya eficiencia se incrementa con el tamaño. Esto hace que ambos tengan
tamaños relativamente grandes para generar energía. Además, la turbomaquinaria empleada es
Guillermo López Martín 27
INTRODUCCIÓN
(a) (b)
Figura 1.2.2: Esquema (a) y diagrama h− s (b) de un ciclo cerrado Brayton.
una prioridad en el diseño y su tamaño afecta el rendimiento global del ciclo. Este último punto
se estudiará en detalle en las próximas secciones y es el tema más relevante de este TFM.
Aunque comparten ciertas características, también tienen ámbitos de aplicación diferentes:
Selección de fluido de trabajo
La selección del fluido de trabajo está directamente determinada por la fuente térmica disponible
ya que está determina el rango de temperaturas máximas de trabajo.
Mago et al. [2007] presenta un análisis para el uso de un ciclo orgánico Rankine empleando
WHR como fuente de energía. Los fluidos estudiados fueron R134a, R113, R245ca, R245fa, R123,
isobutano y propano, con puntos de ebullición entre -43 °C y 48 °C. Entre las conclusiones destaca
que los fluidos orgánicos “secos” (R113, R245ca, R245fa, R123, isobutano), esto es, aquellos que
no condensan en el paso de la turbina, presentan mejores rendimientos térmicos que los húmedos
(R134a y propano).
Además, se muestra una relación proporcional entre punto de ebullición y eficiencia pues el
R113 (Tbp = 47,59 °C) y el propano (Tbp = -42,09 °C) presenta la mejor y peor eficiencia térmica
para temperaturas menores de 380 K, respectivamente. Según Vescovo and Spagnoli [2017],
la estabilidad térmica es uno de los principales retos de los ORC, que actualmente encuentran
su límite en los 300 °C, por lo que la búsqueda de nuevos fluidos con mayor estabilidad a altas
temperaturas podría aumentar la eficiencia del ciclo. Respecto a aspectos de seguridad, se puede
dar la autoignición de algunos alcanos de cadena larga por encima de los 200 °C [Saleh et al.,
2007], dándose está en general para los fluidos orgánicos a temperaturas moderadas.
Por otro lado, los CBC operan con fluidos no condensables, por lo que los problemas de
estabilidad térmica y seguridad no suponen un peligro. Si se considera la utilización de flui-
dos orgánicos, se pueden alcanzar de forma razonable temperaturas de 400-450 °C [Angelino
and Invernizzi, 2001], mientras que se pueden rebasar temperaturas de 2000 K en aplicaciones
espaciales, empleando helio como fluido de trabajo [J.Juhasz et al., 1993].
Las fuentes térmicas que se estudian en el presente trabajo operan en un rango bajo y medio
de temperaturas (desde 100 °C hasta 750 °C), por lo que ambas tecnologíascompiten de forma
razonable.
28 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Desarrollo de sistemas de micro-generación utilizando fuentes térmicas renovables
Rango de potencias
Se han desarrollado distintos proyectos en la industria mecánica y aeroespacial que emplean
CBC, cuyas potencias se encuentran en el rango de los 1-500 kW [Liu et al., 2020] [Fuller, 2010].
Las plantas basadas en ORC pueden llegar a alcanzar varios megavatios de potencia en función
de la aplicación y el rango de temperaturas. Las plantas ORC que funcionan entre 225 y 350
°C, pueden alcanzar 2 MW [Quoilin et al., 2010].
Viabilidad técnica
La fase de condensación necesaria en los ORC implica dos desventajas frente a los CBC. Por
un lado, la potencia necesaria para hacer frente a la entalpía de vaporización no es aprovechada.
Por otro lado, aunque la turbomaquinaria necesita ajustes en ambos ciclos para optimizar el
funcionamiento a pequeña escala, el cambio de fase hace que el número de componentes a
diseñar sea mayor en el caso de los ORC, lo que implica mayor complejidad.
En la actualidad, los ORCs se encuentran mucho más extendidos en el campo de la microgen-
eración. Sin embargo, existen ciertas razones por las que los CBC tienen potencial de competir
con los ciclos orgánicos Rankine, estableciéndose como una alternativa viable. Su mayor rango
de temperaturas de operación les otorga la capacidad de adaptarse a distintas fuentes térmicas,
siendo incluso aplicables a temperaturas superiores a las que soportan los ciclos ORC. Además,
como se verá en las siguientes páginas, los avances en el estudio de turbomaquinaria aplicada
a pequeña escala pueden repercutir en aumentos del rendimiento de esta, incrementando el
rendimiento global de los ciclos CBC.
Por tanto, este TFM va a centrar su atención en los CBC, estudiando principalmente los
valores de presión y temperatura que, junto a las características de los componentes del ciclo,
presenten mejores resultados en cuanto a rendimiento y potencia.
1.2.2. Análisis cualitativo del rendimiento de los CBC
Durante el diseño de los CBC, existen una serie de parámetros a considerar para optimizar
su funcionamiento. Una vez presentado el contexto general de estos ciclos, se van a estudiar los
factores con mayor relevancia sobre el rendimiento y la potencia generada de estos ciclos.
En la Figura 1.2.2 se representan las etapas de un ciclo Brayton cerrado básico. En primer
lugar, se realiza la compresión irreversible y adiabática del fluido en el estado 1, cuya presión es
p1, hasta el estado 2, con presión p2. Los valores de presión de estos dos estados van a suponer
los estados de mínima y máxima presión, y su cociente se denomina relación de compresión
o Pressure Ratio (PR). El comportamiento de este proceso se valora comparándolo con una
compresión isentrópica, a partir del rendimiento isentrópico de compresión, ηsC . El fluido en el
estado 2 se hace circular por un intercambiador de calor, high pressure heat exchanger (HPHE)
en el cual se lleva a cabo el aprovechamiento de la fuente renovable térmica, cediendo calor, qin.
El estado termodinámico de salida, con alto valor de entalpía y entropía, se denota como estado
3. Este estado de gran energía se aprovecha expandiéndose en una turbina de forma irreversible y
adiabática hasta el estado 4. De la misma forma que en el turbocompresor, el comportamiento
de la turbina se valora con el rendimiento isentrópico de turbina, ηsT . Finalmente el fluido
se hace circular por un intercambiador de baja presión, low pressure heat exchanger (LPHE),
retornándolo al estado 1 inicial.
Guillermo López Martín 29
INTRODUCCIÓN
Se puede mejorar el funcionamiento del ciclo implementando un recuperador de calor en la
salida de la turbina de forma que se aproveche parte de la energía residual en la salida de la
turbina para aumentar la entalpía del fluido a la salida del compresor. Esto es posible dado
que h4 > h2. La eficiencia de este intercambiador de calor viene definida por el valor ϵ. El
funcionamiento de este ciclo con recuperador se muestra en la Figura 1.2.3.
(a) (b)
Figura 1.2.3: Esquema (a) y diagrama h− s (b) del CBC con recuperación de calor.
La eficiencia del recuperador de calor ϵ, el rendimiento isentrópico del compresor ηsC y el
rendimiento isentrópico de turbina ηsT influyen directamente en el rendimiento global del ci-
clo ηciclo. Por otro lado, el salto de presiones, representado por PR y p1, tiene repercusión
directa sobre el salto de entalpía posible. Esto se debe a la divergencia de las isobaras en el
diagrama h-s. Además, el rango de temperaturas en el que se enmarca el ciclo va a determinar
el rendimiento del ciclo: a mayor diferencia entre la temperatura de entrada al compresor o
temperatura mínima Tmin, y la temperatura de entrada a la turbina o temperatura máxima
Tmax, mayor será el rendimiento. Esto se puede comprobar a través del rendimiento de Carnot,
el cual representa en condiciones ideales el rendimiento de una máquina térmica entre dos focos
de distinta temperatura.
ηcarnot = 1 − Tmin
Tmx
(1.1)
Finalmente, se debe tener en cuenta el tipo de fluido que se emplee en el ciclo, pues cada
fluido de trabajo tiene unas características distintas, (calor específico, viscosidad, densidad o
velocidad del sonido). Además del rendimiento térmico, se considera el cálculo de la potencia
neta, es decir, la que genera la turbina menos la consumida en el compresor. La potencia neta,
ẆT −ẆC se determina a partir del trabajo específico wT −wC , el cual estará definido por el salto
de entalpías de los estados térmicos del fluido, y el flujo másico ṁ, el cual dependerá del fluido
empleado y del tamaño del ciclo. El tamaño del ciclo tendrá influencia sobre el rendimiento de
la turbomaquinaria como se estudiará a continuación.
Las variables a estudiar en el ciclo se resumen en la Ecuación 1.2
ηciclo = ẆT − ẆC
Q̇in
= wT − wC
qin
= ηciclo
(
ηsC , ηsT , PR, p1, Tmx, Tmin,fluido, ϵ
)
(1.2)
donde
30 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Desarrollo de sistemas de micro-generación utilizando fuentes térmicas renovables
1.2.3. Turbomaquinaria en ciclos de potencia
Una vez definido el ciclo de potencia a emplear y los parámetros que determinan su fun-
cionamiento, es necesario estudiar los componentes que lo forman. Como se ha demostrado, el
rendimiento global del ciclo está determinado por el rendimiento de cada uno de los sistemas
del ciclo. Así, de la misma forma que las temperaturas de operación, que están definidas por la
fuente térmica, influyen en la eficiencia del ciclo, el empleo del compresor y turbina también va
a caracterizar el rendimiento del ciclo.
En esta Sección se va a estudiar, en primer lugar, el efecto de la pequeña escala sobre el flujo
que atraviesa la turbomaquinaria. A continuación, se va a relacionar este flujo con el número de
Reynolds y el rendimiento de la máquina. Finalmente, se van a definir estrategias para optimizar
el funcionamiento de esta turbomaquinaria en los CBC.
Comportamiento del flujo alrededor de álabes en función del número de Reynolds
Los ciclos de potencia de las centrales térmicas tradicionales han sido optimizados para tener
buenos rendimientos y generar potencia a gran escala. Si se desea estudiar como funcionarían
estos sistemas a una escala distinta, se puede aplicar semejanza dinámica a partir del análisis
dimensional. Para que dos sistemas puedan considerarse semejantes, es necesario que los números
adimensionales que caracterizan ambos sistemas sean iguales, siendo uno de ellos el número
de Reynolds, Re. Este caracteriza el flujo que atraviesa la turbomaquinaria, comparando las
fuerzas inerciales, ρvD, con las viscosas µ. Si las fuerzas inerciales dominan (ρvD ≫ µ), el flujo
se denomina turbulento, mientras que si las fuerzas viscosas tienen prevalencia (ρvD ≪ µ), se
denomina flujo laminar. La transición entre ambos flujo se denomina capa límite.
Re = ρvD
µ
(1.3)
El valor D representa un tamaño característico que escala eltamaño real del ciclo. Por tanto,
el número de Reynolds crecerá de acuerdo con el tamaño del ciclo.
La Figura 1.2.4 muestra un esquema de como se comporta el flujo sobre un álabe para distintos
números de Reynolds. Para números de Reynolds altos, habituales en turbomaquinaria, el flujo
laminar en la superficie superior del álabe se somete a un elevado gradiente de presión en el
borde de ataque. Debido a la menor energía cinética de la capa límite laminar, el flujo se separa
como una “capa de corte” (shear layer). Esta capa se somete a la fuerza del flujo libre y vuelve
a adherirse como capa límite turbulenta, creando una burbuja de separación laminar. Esta capa
límite turbulenta se mantiene adherida al álabe hasta el borde de salida. Si disminuye el número
de Reynolds, debido a que las fuerzas viscosas son mayores y el momento del flujo libre es menor,
se produce la adhesión de la capa límite turbulenta en una zona más cercana del borde de ataque,
creando una zona de separación relativamente grande. Si el número de Reynolds disminuye aún
más, es posible que la adhesión de la capa límite no se produzca y se separe completamente del
álabe.
Esta zona de separación en la que las fuerzas viscosas dominan es proporcional a las pérdidas
viscosas del álabe. Como se ilustra en la Figura 1.2.5, las pérdidas viscosas tienen un impacto
mayor según disminuye el número de Reynolds. Por tanto, el bajo Re asociado a ciclos de
potencia a pequeña escala conduce a grandes pérdidas de tipo viscoso en la turbomaquinaria
que ponen en riesgo su competitividad en el mercado debido a los bajos rendimientos térmicos.
Guillermo López Martín 31
INTRODUCCIÓN
Figura 1.2.4: Características del flujo alrededor de un álabe a diferentes números de Reynold -
[Winslow et al., 2018]
Figura 1.2.5: Correlación entre el número de pérdidas y el número de Reynolds mostrando el
tipo de flujo - [Jahanmiri, 2011]
Influencia del número de Reynolds en el rendimiento de la turbomaquinaria de
pequeña escala
Como se ha demostrado anteriormente, la generación de energía mediante ciclos de potencia
queda limitada a la gran escala debido a que el tamaño de la turbomaquinaria tiene influencia
sobre las pérdidas viscosas. Por el tamaño característico D de la turbomaquinaria empleada en
los ciclos CBC de muy pequeña escala, el número de Reynolds se sitúa en la transición laminar-
turbulento, donde la influencia sobre el rendimiento es más acusada. Como se muestra en la
Figura 1.2.6a, se da un aumento notable en las pérdidas a partir de cierto número de Reynolds,
Re*, donde comienza la transición laminar-turbulenta. En la Figura 1.2.6b, se muestra que se da
una adhesión al álabe del flujo, pero el tamaño de la separación laminar tiene cierta relevancia,
es decir, la magnitud de pérdidas viscosas comienza a ser considerable.
Si se considera que el número de Reynolds, el tamaño característico D y la potencia son
directamente proporcionales, el efecto sobre el rendimiento es equivalente. En la Figura 1.2.7,
se muestra como el rendimiento de la turbomaquinaria cae en los rangos de potencia asociados
a la microgeneración.
Debido a las características del fluido en la transición laminar-turbulenta, el empleo de la
turbomaquinaria asociada a la microgeneración, es decir, de tamaños reducidos, implica pérdidas
de rendimiento de gran magnitud. En la Figura 1.2.7 se muestra como el rendimiento de la
turbomaquinaria cae en los rangos de potencia asociados a la microgeneración.
Por tanto, si se desea que la microgeneración con ciclos de potencia sea competitiva en el
futuro se deben abordar los retos asociados a la utilización de turbomaquinaria a pequeña escala.
Prestando atención a la correlación entre el número de Reynolds y las pérdidas, es evidente que
es necesario paliar la caída en el tamaño característico D con la variación de alguno de los
32 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Desarrollo de sistemas de micro-generación utilizando fuentes térmicas renovables
(a) (b)
Figura 1.2.6: Coeficiente de pérdidas para distintos valores del número de Reynolds (a) y esquema
del flujo en torno a un álabe para el valor Re* (b)- [Maffioli et al., 2015]
Figura 1.2.7: Rendimiento de turbina y compresor en función de la escala de generación [Galanti
and F.Massardo, 2011].
demás parámetros. Aumentando la presión del fluido a la entrada de la turbina o el compresor,
es posible aumentar la densidad ρ del fluido, con lo que el número de Reynolds aumenta. Por
ello, se considera una estrategia valiosa la de incrementar la presión en la linea de baja, con lo
que se aumenta el rendimiento isentrópico. En la Ecuación 1.4 se expresa la dependencia sobre
rendimiento isentrópico de turbina y compresor del tamaño característico D y la presión de
entrada pin. Esta expresión representa uno de los objetivos principales de este TFM: estudiar el
efecto del downsizing sobre el funcionamiento del ciclo y cómo un aumento previo de la presión
de entrada puede aumentar el rendimiento de la turbomaquinaria y, consecuentemente, de la
potencia y del rendimiento global del ciclo.
ηsT,C = ηsT,C (Re) = ηsT,C (D, pin, f luido) (1.4)
Guillermo López Martín 33
INTRODUCCIÓN
1.3. Estado del arte
Habiendo expuesto el contexto de la microgeneración con fuentes renovables (Sección 1.1) y
las razones por las que se lleva a cabo el presente TFM (Sección 1.2), se procede a revisar el
Estado del Arte de las tecnologías relacionadas con la microgeneración con fuentes renovables
térmicas. En primer lugar, se va a realizar un estudio de la generación de energía renovable a
pequeña escala, con especial atención a aquella de tipo térmico. A continuación, se van a revisar
los ciclos cerrados Brayton en la escala de microgeneración, similar a la empleada en el trabajo,
tanto para generación de calor como para electricidad. Enlazando con el apartado previo, se
estudiará la turbomaquinaria a pequeña escala citando los retos que afronta esta tecnología.
Finalmente, se van a estudiar los fluidos más relevantes en los ciclos de potencia a pequeña
escala. Con este apartado se pretende dar una visión global al lector de la situación actual en
la generación de energía a pequeña escala a partir de fuentes renovables térmicas.
1.3.1. Fuentes térmicas renovables
Ante el nuevo paradigma de generación de energía, las tecnologías afronta distintos retos.
En un nuevo sistema formado por agentes consumidores cada vez más activos en el mercado
eléctrico, es fundamental desarrollar opciones de generación que se adapten a las necesidades
y la capacidad de los pequeños usuarios. Además, la mayor preocupación por el impacto del
ser humano sobre el medio ambiente hace necesario que se encuentren alternativas limpias y
renovables que sustenten un modo de vida con un alto consumo de energía. Dado el creciente
interés por las fuentes renovables, existen tecnologías con distinto grado de desarrollo, por lo que
los retos que afrontan van desde la incógnita de la viabilidad tecnológica hasta la optimización
de costes y procesos.
Estos retos son particulares para cada tecnología y son claves para lograr la integración en
el ámbito comercial. Tomando como ejemplo la generación de energía solar de concentración
Concentrating Solar Power (CSP), los costes unitarios de los elementos para capturar la radiación
solar y la excesiva complejidad de la configuración del campo solar suponen el principal obstáculo
en su camino para la competitividad comercial. En este sentido, es esencial la participación
académica para salvar los retos hacia una mayor participación en el mercado energético. Como
ejemplo, se tiene el caso de la investigación desarrollada por la Universidad Politécnica de Madrid
para desarrollar una nueva configuración basada en espejos cilíndrico-circulares para resolver
los problemas geométricos, el diseño mecánico y las especificaciones térmicas que suponen las
aplicaciones CSP [Muñoz-Antón et al., 2019]. Un prototipo de este Rotatory Fresnel Collector o
SunDial se está desarrollando enla UPM, con un presupuesto reducido y una potencia nominal
de 15 kW con una temperatura final superior a 300 °C, con cerca de 20 m2 de espejos.
El empleo de ciclos de potencia a partir de fuentes renovables está supeditado a su accesibilidad
y a la capacidad técnica de obtener energía de forma viable. En la naturaleza existen fuentes
térmicas de energía que han sido aprovechadas con distinto grado de complejidad a lo largo de
la historia.
El desarrollo tecnológico ha permitido aprovechar fuentes térmicas como las aguas termales,
de tipo geotérmico, para generar electricidad y calor. Desde que se descubrió el fuego, el ser
humano ha empleado la biomasa para sostener la industria a nivel mundial antes de que se
pudiera acceder a otros combustibles, como el gas y el carbón [Lewis, 1981]. Hoy en día, debido
a la mayor capacidad de generación de biomasa, esta vuelve a ser una opción atractiva como
fuente térmica renovable. La energía solar se ha convertido en uno de los principales agentes
34 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Desarrollo de sistemas de micro-generación utilizando fuentes térmicas renovables
en la integración de las fuentes renovables en la generación de electricidad a pequeña escala,
especialmente la vertiente fotovoltaica. Sin embargo, el uso de la energía solar como fuente
térmica se mantiene como una opción viable en el ámbito de la generación renovable. En este
mismo sentido, el aprovechamiento del calor de los gases liberados en procesos industriales
supone una manera viable de generar electricidad, mientras se aprovecha un recurso que de otra
manera sería expulsado a la atmósfera.
De esta forma se las fuentes térmicas que se consideran para la microgeneración renovable
son: la geotermia, la biomasa, la energía solar térmica y el Waste heat Recovery (WHR). En
la presente sección se plantea el Estado del Arte de estas fuentes, tomando como su parámetro
principal la temperatura a la que operan, cuyo valor será la temperatura de entrada a turbina,
es decir, la temperatura máxima del CBC.
Energía geotérmica
La energía geotérmica abarca los recursos energéticos almacenados en el subsuelo y aguas
subterráneas. Al introducir un caudal de fluido en el seno de este recurso se produce un in-
tercambio de calor que conduce al aumento del estado termodinámico de dicho fluido. En un
intercambiador de calor como el que se usaría en este proceso, los parámetros empleados serían
la temperatura de subsuelo o su entalpía [Hochstein, 1990]. Sin embargo, estos valores por si
solos no son capaces de clasificar los recursos geotérmicos, ya que se debe considerar también el
fluido o material que compone el recurso. Por ejemplo, el agua almacenada a unos pocos cientos
metros de profundidad y las rocas que se encuentran en capas más bajas del suelo no tienen
el mismo valor de entalpía aunque se encuentren a la misma temperatura. Por este motivo se
emplea la clasificación propuesta por Lee [2001] según la cual se utiliza la exergía para definir el
estado térmico del recurso geotérmico. Para parametrizar esta función termodinámica se emplea
la adimensionalización de la exergía específica del vapor de agua respecto al valor máximo de
exergía que puede tomar, lo que se conoce como índice adimensional de exergía, en inglés Specific
Exergy Index (SExI). Las fuentes geotérmicas se clasifican en los siguientes niveles según el valor
de SExI:
Exergía baja: Se caracteriza por un índice SExI < 0,05 y está formado por recursos
de agua caliente a presión atmosférica. Se emplea principalmente para aplicaciones de
calefacción, ventilación y agua caliente sanitaria (ACS). En China, se encuentran dos
ejemplos de este tipo de fuente geotérmica como son Fuzhou y Tianjin. Esta última es
una región con una implantación de la energía geotérmica excelente, generando más de 30
millones de m3 de agua caliente, de los cuales el 82% se destinaron a sistemas de calefacción,
un 17% a ACS y el restante a agricultura, entre otras aplicaciones. Por tanto, el 6% de la
región cuenta con calefacción sustentada por geotermia [An et al., 2016].
Exergía media: Se caracteriza por un índice SExI entre 0,05 y 0,5. En este rango de
exergía el agua se encuentra en equilibrio líquido-vapor, por ello tiene aplicaciones en
producción de vapor a nivel industrial. Este es el caso de la central japonesa de Otake que
cuenta con una capacidad de 12 MW. Su funcionamiento es posible gracias a un separador
líquido-vapor que opera a 1,5 bar, con lo que se obtienen caudales en distinta fase [C.Usui
and K.Aikawa, 1970].
Exergía alta: Estas son reservas geotérmicas capaces de producir vapor seco a alta presión
y temperatura. Se caracterizan por un valor de SExI superior a 0,5. Este vapor se puede
aprovechar en un ciclo Rankine para producir electricidad o directamente en un proceso
Guillermo López Martín 35
INTRODUCCIÓN
industrial. En Larderello (Italia) se encuentra la primera central geotérmica del mundo.
The Geysers es un conjunto de centrales geotérmica en San Francisco (California), cuya
producción alcanza 950 MW al 63% de su capacidad. Consiste en 21 centrales eléctricas
que utilizan vapor de más de 350 géiseres [Sanyal and Enedy, 2016].
En la Figura 1.3.1 se muestran otras fuentes geotérmicas en función de su valor de SExI.
Figura 1.3.1: Ejemplos de emplazamientos con recurso geotérmico clasificados según sus valores
termodinámicos e índice SExI [Lee, 2001].
Biomasa
La combustión de biogás, biocombustibles líquidos y residuos orgánicos sólidos se emplea para
producir calor y/o calor. Su integración es especialmente extensa en zonas con acceso limitado
a la red, por lo que se puede considerar una fuente térmica con gran desarrollo en el paradigma
de microgeneración en microrredes. Su principal inconveniente es la emisión de CO, NOX y
productos inquemados. Se considera un proceso neutro en lo que respecta al CO2 debido a que
la emisión de este compuesto se compensa con la absorbida durante la vida de la vegetación,
en ciclos de tiempo varios órdenes de magnitud menores a los correspondientes en combustibles
fósiles. Los distintos tipos de biomasa se pueden clasificar en función de su procedencia y la
temperatura capaz de generar:
Biogás: Consiste en un combustible gaseoso generado a partir de la digestión anaeróbica
de materia orgánica. En este proceso biológico, un grupo de bacterias descompone en
productos gaseosos la materia biodegradable. El biogás contiene un alto porcentaje de
metano, entre 50 y 70 % , dióxido de carbono, 30-40 %, y cierta cantidad de hidrógeno,
ácido sulfhídrico y otros gases [IDAE, 2007]. Sus características son similares a las del gas
natural, el cual se compone de hasta un 90 % de metano. Esto hace que el biogás pueda
ser empleado en ciclos de potencia como combustible o como fluido de trabajo en ciclos sin
combustión. El porcentaje de metano en el gas es proporcional a la temperatura máxima
generada en la combustión. Mientras que un gas natural con un 90 % de metano genera
en su combustión gases de escape a 1900 °C, el quemado de biogás con 60 % de metano
es capaz de alcanzar los 1700 °C [Wresta and Saepudin, 2018]. En consecuencia, el biogás
supone un alternativa competitiva y relativamente limpia al quemado de gas natural en
ciclos de potencia, con temperaturas máximas de hasta 1700 °C.
36 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Desarrollo de sistemas de micro-generación utilizando fuentes térmicas renovables
Biocombustible líquido: la temperatura máxima de gases de escape que son capaces de
generar son de hasta 700 °C. De la misma forma que el biogás supone una alternativa al
gas natural más respetuosa con el medio ambiente, los biocombustibles líquidos o biofuels
representan una opción viable para sustituir la gasolina y el gasoil en los motores de
combustión interna. En su estudio sobre estos combustibles, [Rajak et al., 2018] concluye
que opciones como el aceite de soja o el aceite de semilla de algodón, entre otros, presentan
características muy similares