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Escuela Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla

ESTUDIO DE CICLO ELECTROGENO PARA UNIDAD DE GEOTERMIA TIPO HFR

Abril 2006

Resumen

Diego FERNANDEZ ESCRIBANO

INGENIERO QUIMICO

Especialización Medio Ambiente

Tutor E.S.I (Sevilla) : Luis Pérez-Lombard Martín de Oliva

Responsable de proyecto EDF: Nicolas ALBRIEUX Tutores Ecole Centrale Paris : Philippe Degand

Jean Pierre Fanton Stéphanie Laborie Moncef Stambouli

Estudio Ciclo Electrógeno para unidad de Geotermia HFR

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SINTESIS

El proyecto de título “Estudio de un ciclo electrógeno para un equipo de geotermia HFR” se ha desarrollado en el seno del grupo “Energías Renovables” situado en el centro de investigación y desarrollo de Electricidad de Francia (EDF) en la localidad de Chatou, próxima a París. El objetivo del proyecto consiste en realizar un estudio de los rendimientos en la producción energética de varios ciclos termodinámicos susceptibles de ser utilizados en el futuro en el proyecto europeo que se lleva a cabo en Soultz-sous-forêts (Alsacia, Francia). El proyecto Soultz es un proyecto de investigación a largo término que acomete el desarrollo de una nueva forma de geotermia. Se trata de un proyecto ambicioso, tanto a nivel científico e industrial, como en cuanto a su organización. En efecto, debido al número de etapas y de socios, el programa es complejo y dilatado en el tiempo. El principio de geotermia de rocas calientes fracturadas (HFR, “Hot Fractured Rock”) también conocido como sistema geotérmico activado (EGS, del inglés “Enhanced Geothermal System) tiene por objeto extraer el calor contenido en un macizo rocoso a gran profundidad (entre 3000 y 6000 m) gracias a la circulación de agua a través de un intercambiador térmico natural de gran volumen creado por estímulo hidráulico de la permeabilidad de las fracturas naturales que afectan a algunas regiones con macizos rocosos suficientemente fracturados y térmicamente activos (200° C a los 5000 m de profundidad a Soultz). El proyecto nace de un acuerdo de cooperación franco-alemán firmado en 1987. Después de una década de trabajos preliminares, la primera prueba de circulación se realiza en 1997 en Soultz y pone de manifiesto que se puede alcanzar una producción estable sin pérdidas de fluido puesto que se reinyecta a modo de circuito cerrado. Ello, unido a la baja pérdida de carga de la circulación del fluido y al volumen estimulado sin observarse disminución alguna de la temperatura de producción durante la duración de la experiencia (4 meses) abre la perspectiva de una producción energética. El programa informático elegido para la modelización, simulación y cálculo de resultados es ASPEN Plus 12.0. Si bien todos los ciclos estudiados parten del principio básico de un ciclo Rankine, se han realizado algunas modificaciones principalmente en función del fluido de trabajo utilizado:

1) Rankine: para agua-vapor (con y sin hibridación) y amoniaco.

2) Ciclo ORC (“Organic Rankine Cycle”): isobutano y pentano.

3) Ciclo Kalina: ciclos que utilizan una mezcla binaria agua-amoniaco. La producción energética en las simulaciones se ve limitada por unas condiciones de contorno muy restrictivas. Algunas son fijadas debido a las características excepcionales del yacimiento geotérmico de Soultz mientras que otras se definen mediante hipótesis. Las principales son:

a. Temperatura de producción en superficie = 185 ºC. b. Caudal máximo de fluido geotérmico = 100 kg/s.


3

c. Fluido geotérmico similar en cuanto a propiedades al agua pura y con una presión en la superficie de 20 bares (Hipótesis).

d. Temperatura de reinyección del fluido de trabajo = 90 ºC. e. Caudal de fluido refrigerante suficiente para considerar una temperatura de

refrigeración máxima de 35 ºC. f. Funcionamiento en todos los casos en régimen subcrítico. g. Cálculo de trabajo producido con rendimiento isentrópico de 1 y de 0.8.

La metodología seguida durante la modelización y simulación de los ciclos termodinámicos para obtener el punto de funcionamiento óptimo, definido como aquél que aporta la mayor cantidad de trabajo posible, sigue las siguientes etapas:

1. Fijar los valores de las restricciones de funcionamiento y condiciones de contorno. 2. Elegir el fluido y el método de cálculo de sus propiedades. 3. Concebir el ciclo sobre la interfaz de Aspen. 4. Definir (normalmente por hipótesis) los parámetros de dimensionamiento de los

equipos del modelo. 5. Realizar estudios de sensibilidad que permitan alcanzar el punto de funcionamiento

óptimo. Se trata de un proceso iterativo en el que participan variables del proceso como caudal del fluido de trabajo o presiones. Para validar cada etapa se debe verificar que se cumplen todas las restricciones impuestas.

6. Síntesis y análisis de resultados. Un ciclo Rankine con agua – vapor como fluido de trabajo supone el ciclo elemental sobre el que se trabaja. El conocimiento de la sustancia y su buen comportamiento general juegan a su favor. Sin embargo, la baja temperatura en los pozos de producción (185 ºC) hace indispensable el hecho de trabajar a vacío durante parte del ciclo (0,1 bar). El punto óptimo alcanzado (4 MW) se mejora en los ciclos híbridos con la aportación de un calor extra de origen no – geotérmico (hasta un 15 % para poder seguir considerando la producción energética a partir de la geotermia y como renovable). Para ello se han modelizado dos configuraciones variando el punto donde se aporta el calor extra, resultando la más eficaz hacerlo a la entrada de la turbina y directamente al fluido de trabajo (vapor en este caso). Con esta técnica se consigue elevar la producción energética practicamente un 25 % (5.2 MW). A pesar de que el amoniaco se comporta como un gran fluido termodinámico y ofrece buenos rendimientos energéticos (6.5 MW) su utilización como sustancia pura arroja dudas. En primer lugar supone considerar a la instalación como de alto riesgo, medidas de seguridad elevadas y una elección de materiales más cuidadosa y costosa. En segundo lugar, la utilización de amoniaco no se adapta a la imagen de energía limpia y renovable buscada. Los ciclos ORC son los que producen los trabajos más elevados (6.72 MW para el isobutano y 6.5 MW para el pentano). Cuenta a su favor el ser un ciclo de configuración simple y de ser una tecnología muy utilizada en centrales de producción eléctrica que aprovechan bajas temperaturas de un recurso, en este caso el geotérmico.

El ciclo Kalina se presenta como una opción interesante, más complicado e innovador. Sin embargo, la falta de experiencia a nivel industrial hace arriesgada la decisión de utilizarlo. Debido a estas razones es el ciclo que se ha visto sometido a más simulaciones y estudios. Los resultados obtenidos en este caso se han alejado de lo esperado y sus ventajas no se han visto reflejadas en el trabajo producido (4 MW).


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INDICE 1. Generalidades sobre la geotermia 6 2. El proyecto Soultz 8 3. El trabajo en EDF 10 4. Descripción de los ciclos 12

4.1. Ciclo Rankine 13 4.2. Ciclos ORC 14 4.3. Ciclo Kalina 15 4.4. Ciclos Híbridos 17

5. Metodología 20 6. Resultados 26

6.1. Ciclo Rankine 26 6.2. Ciclos ORC 31 6.3. Ciclos Híbridos 35 6.4. Ciclos Kalina 42

7. Conclusiones 50 8. Bibliografía 52


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1. CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE LA GEOTERMIA

El calor existente en el interior de la Tierra, ya sea debido al calor acumulado en su núcleo desde su formación, por distintas reacciones de desintegración de elementos radiactivos que se producen o debido a determinados procesos geológicos, permite obtener un gradiente medio de temperatura de 3 ºC/100 m, aunque muy variable a lo largo de la superficie terrestre. A principios del siglo XX, el descubrimiento de la electricidad acelera el desarrollo del sector geotérmico valorizando recursos hasta entonces inutilizables dado su alejamiento de las ciudades. El éxito de la experiencia de Larderelo en Italia (1904) donde se produce electricidad por primera vez a partir de una fuente de calor geotérmica, fomenta la búsqueda de yacimientos en Chile, Estados Unidos, Indonesia, Japón, Nueva Zelanda, Islandia, Hungría... Al principio, sólo los recursos hidrotérmicos a más alta temperatura permiten la producción de electricidad pero poco a poco los progresos tecnológicos ambicionan generalizar este sector al maximo numero de yacimientos, reduciendo las restricciones del fluido geotermico (ciclo "flash", geotermia HFR) y reduciendo la temperatura limite a partir de la que producir electricidad ("ciclos binarios"). Para valorizar la energía geotérmica existen dos etapas; la primera consiste en la extracción del recurso mientras que la segunda es el transporte de la energía al área de consumo. Las aplicaciones de una explotación geotérmica son muy variadas y dependen principalmente de la temperatura disponible en el yacimiento. Por lo tanto, a pesar de la universalidad del recurso, el término “geotermia útil” es relativo, depende a la vez del subsuelo y de la utilización local que se le vaya a dar.

Figura 1: Mapa de temperaturas a 5000 m de profundidad en Europa. La utilización de la energía geotérmica puede ser dividida basicamente en dos tipos: la uso directo del calor y la producción eléctrica.

A) La producción eléctrica. Según el tipo de tecnología utilizada en la extracción del recurso se distinguen principalmente tres casos:


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a. Ciclo directo: Inicialmente los únicos yacimientos explotados son de vapor “seco”: el vapor se introduce directamente en una turbina. Es la tecnología más rentable pero la menos frecuente ya que es necesario un yacimiento geotérmico a alta temperatura.

b. Ciclo flash: Los yacimientos de vapor “húmedo”, que constituyen la parte

fundamental de los recursos geotérmicos de alta temperatura, se explotan desde 1948 gracias al ciclo de vaporización, también llamado ciclo flash ("flash cycle"): una parte del líquido geotermico es vaporizado por expansión libre a su entrada en el ciclo. De este modo se elimina el contenido en agua del vapor y se turbina un vapor seco. A la salida de la turbina, el vapor es generalmente condensado (por contacto directo o en un condensador con circuito de enfriamiento separado) y reinyectado en el acuífero, de tal modo que se aumenta la producción de electricidad y se prolonga la duración de vida del tanque subterráneo. Suelen tener una potencia de 5 – 100 MWe.

c. Ciclos binarios: para temperaturas de entre 150 ºC y 200 ºC. El ciclo

electrógeno es independiente y utiliza otro fluido distinto al geotérmico. Existen varios tipos de tecnología basadas principalmente en el tipo de fluido utilizado en el ciclo electrógeno: vapor, hidrocarburos (ORC), mezclas binarias (Kalina).

B) Utilización directa del calor: en calefacción, invernaderos, piscifactorias, industria,

bombas de calor. Supone la utilización más universal de la geotermia como recurso energético.


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2. PROYECTO SOULTZ En un intento por ampliar los recursos geotérmicos disponibles para la producción de electricidad comienzan en la decada de los sesenta y setenta (Estados Unidos y luego en Inglaterra) los primeros proyectos experimentales de geotermia profunda. El objetivo previsto consistía en fracturar macizos compactos y secos que poseen una temperatura suficientemente elevada alrededor del pozo de inyección (geotermia HDR para "Hot Dry Rock"). Pérdidas de fluido y de carga excesivas hicieron fracasar estos proyectos y concentraron la atención para futuros proyectos en macizos fracturados de forma natural en los que el agua esté ya presente. Las primeras pruebas realizadas en Soultz sous-Forêts (Francia) vinieron a validar la viabilidad técnica de esta alternativa, rebautizada geotermia de rocas calientes fracturadas (geotermia HFR para "Hot Fractured Rock" o EGS para "Enhanced Geothermal System"). De este modo el objetivo del proyecto Soultz consiste en forzar la extracción de calor de un sub-suelo granítico fracturado de forma natural explotando una red subterránea de fracturas, situada entre 3000 y 6000 m de profundidad. Esta red se comporta como un intercambiador térmico de gran volumen (~ 1 km3). El fluido geotérmico que recupera el calor es una salmuera acida (pH = 4,9) cargada de minerales (100 g/L) y gases no-condensables (NO2, CO2) con agentes anti-corrosión añadidos. Este fluido geotérmico circula en bucle cerrado entre un pozo de producción y un pozo de inyección distantes entre sí algunos centenares de metros.

Figura 2: Recorrido del fluido geotérmico. Etapas: 1: Inyección. 2: Intercambio de calor con la roca caliente. 3: Recuperación. 4: Producción en ciclo electrógeno.


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Organización: La gestión del proyecto se ha vuelto compleja debido al número de socios que lo agrupan. Aproximadamente el 80% de los fondos están actualmente financiados por la Comisión Europea y por el ministerio francés (Investigación via ADEME) y alemán (BMWI primero, después BMU). La dirección científica está garantizada por un consorcio de organismos europeos y de laboratorios de investigación agrupados en la EHDRA (European Hot Dry Rock Association). En 1996 se creó un Grupo Europeo de Interés Económico (GEIE) para responsabilizarse de la dirección técnica del proyecto. Este grupo esta formado en la actualidad por EDF, Eléctricité de Strasbourg y Pfalzwerke pero empresas como Shell o Enel también han pasado por él en el pasado. El grupo permanente de trabajo in situ lo forman 4 ingenieros, 3 científicos, 3 técnicos y 2 asistentes (año 2004 – 2005). Programación: La localización elegida es Soultz, a 50km de Estrasburgo (Alsacia), zona conocida por sus aguas termales y con una geología bien identificada debido a su pasado petrolífero. El proyecto comienza en 1987 con la excavación del primer pozo GPK1 a 2000m. La red de pozos ha ido aumentando e interconectándose entre sí al igual que su profundidad (hasta más de 5000m) para crear el intercambiador subterráneo. El objetivo final es inyectar un caudal de 100kg/s de fluido geotérmico a 5000m de profundidad donde alcanzaría una temperatura de 200ºC recuperándolo por dos pozos con una caudal de 50kg/s cada uno. El ciclo electrógeno situado en la superficie produciría en una primera etapa 1,5MWe y en una segunda etapa 6Mwe. Sin embargo las medidas realizadas en el verano de 2005 se encuentran muy alejadas aún de los objetivos marcados: los caudales conseguidos en los pozos de producción son de 4L/s y de 11L/s y las temperaturas de 110ºC y 152ªC.

Figura 3: Representación del circuito de fluido geotérmico

con las condiciones finales fijadas inicialmente.


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3. EL TRABAJO EN EDF

El objetivo del proyecto es identificar el ciclo termodinámico que produce la mayor cantidad de energía a partir de una fuente geotérmica de tipo HFR. Para ello se ha elegido como variable a maximizar el trabajo generado por la turbina en el ciclo electrógeno. Las opciones a estudiar se basan principalmente en el tipo de fluido de trabajo incluido en el ciclo electrógeno:

a) Ciclo Rankine: agua y amoniaco. b) Ciclo Rankine Orgánico (ORC): isobutano y pentano. c) Ciclo Kalina: mezcla binaria agua – amoniaco. d) Ciclo híbrido: ciclo Rankine con agua con un aporte extra de calor.

La posición de EDF en el GEIE hace responsable al departamento de Energias Renovables y Producción Descentralizada del centro de I+D de Chatou en Paris de un pre-estudio del ciclo electrógeno en las condiciones de explotación esperadas. El nivel de responsabilidad queda reflejado en el organigrama del departamento de Sistemas de Producción y Medio Ambiente de EDF I+D del Centro de Chatou viene representada en la siguiente figura:

Figura 4: Organigrama del departamento SPE del centro de Chatou de EDF I+D

Las labores durante la estancia en EDF han sido:

- Colaboración directa con los investigadores integrados en el proyecto. - Realizar informes periódicos sobre los avances, hipótesis, problemas... - Modelización, simulación y análisis de los ciclos mediante el programa ASPEN. - Contactar con fabricantes y proveedores.

El programa se organizó en función de la complejidad de cada operación y según la dificultad prevista para cada tipo de fluido de trabajo, incluyendo una etapa previa de bibliografía. La duración de las prácticas ha sido de 6 meses con jornadas de 8 horas.


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Figura 5: Planning definido inicialmente por el responsable del proyecto.


11

4. DESCRIPCIÓN DE LOS CICLOS

En cuanto los ensayos de circulación en Soultz permitan establecer la viabilidad del recurso geotérmico (caudal, temperatura y estabilidad suficientes) un ciclo de conversión termodinámico debe valorizar el calor extraido por el fluido. No se contempla la posibilidad de utilizar directamente el calor extraido. Por lo tanto la única opción es la de la producción de electricidad. El ciclo electrógeno presenta restricciones que corresponden basicamente a las limitaciones de la fuente de calor y del fluido refrigerante:

- Fluido geotérmico: Propiedades similares al agua. Caudal = 100 kg/s Temperatura = 185 ºC Temperatura min. reinyección = 90 ºC

- Fluido refrigerante: Agua. Temperatura = 15 – 25 ºC.

Las condiciones de contorno son descritas con mayor claridad en el apartado de metodología. El objetivo es optimizar el ciclo para distintos tipos de fluidos de trabajo y distintas configuraciones de modo que la variable a maximizar sea el trabajo producido. El ciclo base utilizado es un Rankine como el de la figura :

Figura 6: Representación del ciclo electrógeno y su diagrama T – S.

En el diagrama Temperatura – Entropía está representado un ciclo perfecto, es decir, compresión y expansión isentrópica (rectas verticales). Estas condiciones ideales no se darán en muchos de los casos tratados. Las modificaciones realizadas en este ciclo base en función de los fluidos de trabajo estudiados son:

1) Ciclo Rankine: Agua pura, amoníaco puro.

2) Ciclo ORC: isobutano y pentano.

3) Ciclo Kalina: mezcla NH3 + H20.

Calentamiento

Enfriamiento

Compresión Expansión

Q1

Q2

B A

C D

W

T

S

A

B

C D


12

4) Instalación Híbrida: 15 % de calor aportado de origen no - geotérmico.

5) Varias opciones de concepción adicionales: instalación de recuperadores, calentadores, separadores (Kalina)...

4.1. Ciclo de Rankine Una cascada de intercambiadores precalienta, evapora y recalienta el fluido antes de la expansión en la turbina. Un único condensador disipa el calor, enfriando primero, si es el caso, el vapor sobrecalentado hasta el punto de saturación y condensando después hasta líqido saturado. Un sistema de bombeo comprime de nuevo el fluido. El recalentamiento tras la evaporación de estos fluidos es necesario para evitar la aparición de flujo bifásico durante la expansión, muy perjudicial para la turbina.

PUMP

TURB

CHAUFF

EVAP

1

2

SURCHAUF

COND

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13W

Figura 7: Configuración de un ciclo electrógeno Rankine

Figura 8: Diagrama Temperatura – Entropía del ciclo Rankine. Etapas: 1.Calentamiento. 2.Evaporación. 3. Recalentamiento.

4.Expansión. 5.Condensación. 6.Recompresión.


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Los fluidos de trabajo utilizados en este ciclo son:

a) Agua: normalemente utilizada como fluido de trabajo en las centrales eléctricas de alta temperatura (la mayoría), es un fluido totalmente conocido y seguro.

b) Amoniaco: Muy utilizado en los ciclos a baja temperatura, por ejemplo en la

refrigeración. Sin embargo lleva consigo un riesgo medioambiental considerable. 4.2. Ciclos ORC: Organic Rankine Cycle. Se trata de una modificación del ciclo Rankine que aprovecha la propiedad de determinados fluidos orgánicos de no penetrar en la zona bifásica durante la expansión lo que elimina la necesidad de recalentar el fluido tras la evaporación.

Figura 9: Configuración de un ciclo electrógeno ORC.

1

2

3

4 5

Figura 10: Diagrama Temperatura – Entropía del isobutano.

El recorrido del ciclo está representado por los tramos siguientes: 1.Calentamiento. 2. Evaporación. 3.Expansión. 4. Enfriamiento de vapor sobrecalentado + condensación. 5. Recompresión.

PUMP

TURB

CHAUFF

EVAP

1

2

COND

3

5

6

7

9

10

11

12

14W


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Los fluidos utilizados en este caso son hidrocarburos de cadenas cortas:

a) Isobutano. b) Pentano.

Su elección ha estado condicionada principalmente por sus características termodinámicas y apoyada por la bibliografía seleccionada. Puesto que el rango de temperaturas es limitado debido a la naturaleza de la fuente caliente (fluido geotérmico a 185ºC) y de la fuente de refrigeración (cercana a los 20ºC), uno de los principales requisitos es la temperatura del hidrocarburo a la presión de condensación y a la presión de evaporación. Las características termodinámicas de los fluidos orgánicos utilizados permiten presiones mayores en el ciclo que con el agua pura por ejemplo.

4.3. Ciclo Kalina El ciclo Kalina ha sido concebido para mejorar la eficacia energética de las centrales eléctricas que poseen una fuente de calor a baja - media temperatura. Es el caso de los gases de salida de una turbina de gas tras su combustión, de la biomasa, de las “direct fired coal burning plants” o de determinados yacimientos geotérmicos. El fluido de trabajo del ciclo es una mezcla de amoníaco y agua, cuya composición se adapta para cada caso concreto. En este caso, el diagrama temperatura – entropía de la mezcla muestra una forma parecida a la del agua y no presenta las ventajas de los ciclos orgánicos (expansión sin riesgo de penetrar en la zona bifásica). Por lo tanto un recalentamiento del vapor es en principio necesario. Una sustancia pura presenta el inconveniente de condensar y evaporar a una temperatura constante mientras que la solución amoniacal utilizada condensa y se evapora a una temperatura variable. Este hecho permite "seguir" mejor la variación de temperatura de las fuentes, caliente y fría, es decir, de realizar un intercambio más eficaz.

Figura 11: Evolución de un calentamiento en el caso de una sustancia pura y en el de una mezcla binaria. La evaporación se produce a temperatura constante en el primero mientras que lo hace a temperatura variable con

una mezcla binaria como la utilizada en un ciclo Kalina.

T

Q

Mezcla binaria

Sustancia pura

Fuente caliente


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La mezcla de dos fluidos se comporta como un nuevo fluido.El amoníaco es el más volátil de los dos, por lo tanto, cuando se calienta la mezcla comienza a vaporizarse en primer lugar (principio de la destilación). Lo contrario se produce cuando una mezcla vapor se enfría, el agua comienza a condensar en primer lugar.

Figura 12: Representación del diagrama T – x del la mezcla binaria H2O – NH3 a una presion de 20 bares.

Los tramos dibujados en la figura 12 muestran una evaporación parcial de la mezcla. El tramo 1 representa el calentamiento partiendo desde la zona líquida. Al llegar a la intersección con la línea de líquido saturado (azul) llegamos a la temperatura de burbuja y comienza la evaporación, primero de amoniaco pero a medida que la temperatura aumenta también lo hace el agua. El resultado en un punto intermedio como el representado en la figura 12 es un líquido saturado (tramo 2) más pobre en amoniaco que la mezcla inicial y un vapor saturado (tramo 3) más rico en amoniaco.

Es necesario distinguir dos casos en función de la temperatura de la fuente caliente disponible:

1) Para fuentes con una temperatura suficientemente elevada la mezcla es evaporada completamente. Este vapor tiene una concentración idéntica al líquido inicial. Se recalentará si es posible y el proceso de condensación será idéntico pero a la inversa. En este caso la configuración del ciclo es idéntica que para un ciclo Rankine.

2) Si la fuente caliente es insuficiente para evaporar la mezcla, otra disposición del ciclo

es necesaria. Se introduce en la configuración un separador que garantice la presencia de sólo vapor en la turbina. Por lo tanto es el vapor con elevado porcentaje en amoniaco el fluido que pasa a través de la turbina mientras que la solución amoniacal, con una composición de amoniaco inferior a la inicial se expande a través de una válvula o dispositivo similar para adecuar su presión a la de la salida de la turbina. En este caso aumenta la posibilidad de instalar recuperadores.


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Figura 13: Configuración basica de un ciclo Kalina con separador intermedio.

La opción de un ciclo Kalina también ofrece la posibilidad de aumentar los grados de libertad del proceso cambiando la presión y la concentración de la mezcla y adaptarlo así a un posible cambio en las condiciones de la fuente caliente o de refrigeración. 4.4. Ciclo híbrido El objetivo de una hibridación es mejorar las prestaciones del ciclo aportando una cantidad de calor extra, sea del origen que sea. Esta cantidad de calor debe situarse en torno al 15% del total aportado para poder seguir considerando al proyecto Soultz dentro de un marco plenamente geotérmico y considerarlo como energía renovable. La configuración de un ciclo Rankine permite la hibridación de dos tipos según la posición del recalentador adicional que utiliza energía no geotérmica:

1) Sobrecalentar el fluido de trabajo directamente y como paso previo a la expansión en la turbina.

S

T

Ts

Tvap

Tcond A

B

A’

D C

T1s

A’’

Condensación

Bombeo Expansión

A’ A’’

Q2

A

D

B

C

Q1’

Evaporación Calentamiento Sobrecalent.

T1e

T2e

Q1

Figura 14: Configuración de un ciclo Híbrido con aporte de calor no – geotérmico ( Q1´ ) al fluido de trabajo de forma previa a la entrada a la turbina y diagrama T – S.

1

132

14

12

3

10

8

11

9

4

5

6 7

HEATER

EVAPCONDENS

TURBINE

PUMP

SEP

MIXER

VALVE


17

La zona rallada del diagrama T – S de la figura 14 representa la diferencia entre el recorrido del fluido de trabajo (puntos A-A´-A´´-B-C) y las fuentes de calor y de refrigeración. Significa por tanto la creación de entropía, a menor zona rallada mayor eficiencia del ciclo. La diferencia que aporta la hibridación en este caso la representa el tramo A´´- B en el que la fuente de calor se encuentra a una temperatura mucho mayor que la fuente geotérmica.

Qhíbrido

S

T

185 ºC

Figura 15: Efecto de la hibridación en el diagrama T – S del ciclo.

El diagrama de la derecha representa el ciclo inicial mientras que el de la izquierda muestra la variación aportada por la hibridación.

2) Calentar el fluido geotérmico de forma previa al intercambio de calor con el fluido de

trabajo.

S

T

T*1e

Tvap

Tcond A

B

A’

D C

T1s

A’’

Condensación

Bombeo Expansión

A’ A’’

Q2

A

D

B

C

Q*1

Evaporación Calentamient Sobrecalent

TS

T2e

Precalent.

Q1

Q1’

Figura 16: Configuración de un ciclo Híbrido con aporte de calor no – geotérmico ( Q1´ ) al fluido geotérmico

de forma previa a su entrada al ciclo electrógeno y diagrama T – S.

S

T

185 ºC


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La diferencia con respecto a otros ciclos es que un calentamiento del fluido geotérmico eleva su temperatura y por lo tanto mejoran las condiciones para el intercambio entre fluido geotérmico y fluido de trabajo ya que la distancia entre temperaturas aumenta.

Figura 17: Efecto de la hibridación en el diagrama T – S del ciclo. En este caso el fluido geotérmico (fuente caliente) ve aumentada su temperatura.

S

T

185 ºC

205 ºC


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5. METODOLOGIA

Siendo el objetivo del estudio comparar las alternativas de concepción del ciclo electrógeno, cabe suponer que la aplicación rigurosa de un mismo método de cálculo a todos los casos basta para suprimir los riesgos de desviación entre estos: por lo tanto, más que los valores absolutos de trabajo calculado, son las divergencias entre estos valores lo que constituye un criterio de comparación significativo. El programa elegido para realizar las simulaciones es Aspen Plus en sus versiones 12.0 y 11.0, que permiten modelar los ciclos termodinámicos, introducir los parámetros y restricciones necesarias y hacer simulaciones y estudios de sensibilidad para comparar los resultados obtenidos.

El método de cálculo consistió en modelar para los distintos fluidos de trabajo el balance energético del ciclo electrógeno con las condiciones de funcionamiento previstas en el yacimiento de Soultz y buscar el punto óptimo de funcionamiento. Los principios generales de la metodología se pueden sintetizar en los siguientes pasos:

1) Fijar los valores de las restricciones de funcionamiento.

a. Temperatura del recurso para la producción eléctrica = 185 ºC. b. Caudal máximo de fluido de trabajo = 100 kg/s.

c. Fluido geotérmico con propiedades semejantes al agua pura. Mantenido a una

presión en superficie de 20 bares.

d. Disponibilidad de una caudal de agua de refrigeración suficiente como para no superar los 35 ºC de temperatura en la salida del circuito de refrigeración. Con esta temperatura de diseño se llega a un compromiso entre caudal de agua de refrigeración y posibles calentamientos puntuales durante el funcionamiento (se ha realizado un estudio de las temperaturas mensuales de los últimos 60 años en Alsacia).

e. Temperatura de reinyección del fluido geotérmico = 90 ºC. Esta limitación es

indispensable para mantener el subsuelo a una temperatura elevada durante el mayor tiempo posible. Si la temperatura de reinyección es de 90 ºC el intercambio de calor habrá sido eficaz entre fluidos. Sin embargo una temperatura de reinyección mayor es aceptable.

f. Funcionamiento en régimen subcrítico. No se sobrepasa en ninguno de los

casos estudiados el punto crítico del fluido de trabajo.

g. Título de vapor en la turbina lo más elevado posible y cercano a la unidad. En ningún caso es aceptable un título de vapor por debajo de 0,9.

2) Elegir el fluido y el método de cálculo de sus propiedades. Las propiedades termodinámicas de los distintos fluidos son calculadas según modelos de cálculo que deben ser especificados por el usuario. La elección del modelo tiene un impacto crítico en la validez de los resultados.


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Ciclo Modelo Agua ASME Amoniaco Peng – Robinson (PR) ORC Peng – Robinson (PR) Kalina Redlich -Kwong – SOAVE (RK-SOAVE)

3) Concebir el ciclo sobre la interfaz de Aspen.

Figura 18: Interfaz de Aspen.

4) Definir (por hipótesis) los parámetros de dimensionamiento del modelo. Basicamente existen 2 tipos de parámetros: restricciones de las variables (título de vapor, temperatura y presión principalmente) y condiciones de los equipos. El esquema general de un ciclo Rankine viene representado en la figura 19. Con su ayuda se caracterizarán las restricciones anteriores.

a. Condiciones en el título de vapor:

i. En la corriente 1 no debe haber vapor para evitar problemas de bombeo.

T1 = Tsat (P1) : %vap1 = 0

ii. En la corriente 4 todo el fluido de trabajo debe entrar en fase gas antes

de entrar en la turbina. La presencia de líquido es en principio perjudicial para la turbina y sus rendimientos.

T4 = Tsat (P4) : %vap4 = 1


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(en el caso de Rankine y Kalina vapor recalentado, para ciclos ORC vapor saturado).

Figura 19: Diagrama de flujo de un ciclo Rankine.

iii. En la corriente 5 el título de vapor debe ser elevado (cercano a la unidad).

iv. En la corriente 6 se produce una condensación completa.

T6 = Tsat (P6) : %vap6 = 0

b. Condiciones en la presión:

i. En el ciclo: P1 = P2 = P3 = P4 = P5 = P6.

ii. En el circuito de fluido geotérmico: P7 = P8 = P9 = P10.

iii. En el circuito de refrigeración: P11 = P12.

Suponiendo la pérdida de carga despreciable a lo largo del circuito:

i. Presiones del ciclo electrógeno:

1. Alta (HP, High Pressure): P1 = P2 = P3 = P4 2. Baja (LP, Low Pressure): P5 = P6.

ii. Presiones en circuito de fluido geotérmico: P7 = P8 = P9 = P10.

PUMP

TURB

CHAUFF

EVAP

1

2

SURCHAUF

COND

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13W


22

iii. Presiones en circuito de refrigeración: P11 = P12.

c. Condiciones en las temperaturas:

i. Bomba/Compresor: T1 = T6.

ii. Turbina: T4 = T5.

iii. Calentador (“Chauff”): T9 = T2. T9 = T10. T10 = T1. T10 = 90 °C. T2 = T1.

iv. Evaporador: T3 = T2. T8 = T9. T8 = T3. T9 = T2.

v. Recalentador: T4 = T3. T7 = T8.

T7 = T4. T8 = T3.

vi. Condensador: T5 = T6.

T12 = T11. T5 = T11. T6 = T12.

d. Condiciones en los intercambiadores de calor: Los intercambiadores son de

flujo a contracorriente. Es importante verificar que no se produce cruzamiento entre las corrientes, es decir, que la corriente fría llegue a tener una temperatura mayor que la caliente invirtiendo de esta manera el proceso de transferencia deseando y traduciéndose en una pérdida de eficacia del intercambiador. El fenómeno de cruzamiento se puede producir en determinadas geometrías de un intercambiador, no así en un intercambiador de un sólo un paso.

i. Por el hecho de ser intercambiadores con flujo a contracorriente:

T10 = T1. T7 = T4.

ii. En la corriente 2 el calentador alcanza el punto de líquido saturado:

T2 = Tsat (P2) : %vap2 = 0

iii. El evaporador está dimensionado para realizar el cambio de fase

completo de modo que en la corriente 3 se alcanza el punto de vapor saturado:


23

T3 = Tsat (P3) : %vap3 = 1

iv. Igualmente el condensador alcanza en la corriente 6 la saturación:

T6 = Tsat (P6) : %vap6 = 0

v. El máximo acercamiento térmico permitido entre ambas corrientes se define con el “pinch” o pinzamiento. En todos los intercambiadores se inserta un “pinch” de al menos 5 ºC.

Figura 20: Con condiciones definidas sólo en la entrada y salida de los intercambiadores puede suceder lo representado en la imagen de la izquierda (se cruzan las corrientes). La definición de un “pinch” como nueva

restricción asegura un comportamiento como el de la imagen de la derecha.

e. En la bomba / compresor se definen dos rendimientos que se consideran en

todo caso igual a la unidad.

1???brake

fluide

HP

HPefficiencyPump

1???electrical

brake

HPHP

efficiencyDriver

f. La turbina queda caracterizada por su rendimiento isentrópico. El rendimiento

mecánico se considera igual a la unidad.

g. Las pérdidas energéticas a lo largo del proceso se consideran despreciables.

5) Efectuar estudios de sensibilidad que permitan definir el punto de funcionamiento óptimo, es decir, de máximo trabajo producido, y comprobar que todas las condiciones introducidas, incluso las hipótesis de dimensionamiento de los componentes son válidas.

6) Sintetizar y analizar los resultados. La variable a maximizar es siempre el trabajo

producido en la turbina. El rendimiento del ciclo queda definido como la relación entre trabajo total producido y calor total aportado (Maria Jonsson, 2003).

? ?

in

bombaturb

in

netociclo Q

WWQ

W ????

T T

Pinch


24

Si el calor total aportado es igual al calor total disponible en el fluido geotérmico:

)(),(1 sepgeo TTPTCMQ ???? M = 100 kg /s Te = 185 °C Ts = 90 °C )20,º185º90( barCCC p ? = 4.3 J/g*K En este caso el calor aportado es de 40.85 MW.


25

6. RESULTADOS Los resultados obtenidos tras las simulaciones realizadas con Aspen están clasificados y analizados para encontrar el punto de funcionamiento óptimo que maximiza el trabajo producido por la turbina. Los resultados se presentan por lo tanto según el tipo de ciclo y el fluido de trabajo utilizado para permitir una mejor comparación entre los resultados de cada tecnología. 6.1. Ciclo Rankine 6.1.1. Agua – vapor El principal problema del sistema agua – vapor son las propias características termodinámicas del agua. El hecho de tener una fuente de calor de baja temperatura significa tener una presión de evaporación baja en el caso del agua. En el momento de la expansión surge el peligro de entrar en la zona bifásica con la consecuente creación de gotas que dañan la turbina. De ahí la necesidad de sobrecalentar el vapor. La solución a una relación de presiones baja en el ciclo es trabajar a vacío en buena parte del ciclo. Datos bibliográficos (Lazzery y Diotti, 1994) muestran valores de hasta 0,08 bar en ejemplos similares.

Figura 21: Diagrama T–S con las curvas de saturación del agua. La figura 21 muestra el diagrama T–S con las curvas de saturación del agua. El rango de temperaturas (hasta aproximadamente 370 ºC) hace pensar que el agua puede ser un fluido inadecuado para el tipo de ciclo estudiado, limitado por la baja temperatura de la fuente geotérmica. Para representar el ciclo en el diagrama T–S con un nivel de detalle aceptable es necesario ampliar la zona donde se desarrolla el proceso.


26

Figura 22: Diagrama T–S del ciclo Rankine agua–vapor en condiciones de funcionamiento reales..

Los resultados se presentan a continuación en formato de tabla:

Tabla 1 ; Resumen de resultados ciclo Rankine para el agua/vapor.

Nota: LP y HP se refieren a las presiones bajas y altas del ciclo respectivamente.

Un análisis de las condiciones de funcionamiento y de los resultados arroja las siguientes conclusiones:

1) La disminución de la presión de la expansión (LP) aumenta considerablemente el trabajo producido por la turbina. Para obtener potencias interesantes es necesario trabajar a vacío.

2) El trabajo de bombeo guarda una relación aproximada de 1/1000 con respecto del

trabajo producido por lo que es posible desestimarlo.

3) La temperatura de reinyección ( restricción es que sea = 90 ºC) es elevada. Este hecho de aprovechar todo el calor se explica debido al doble efecto que conlleva en el proceso una alta presión de evaporación (HP) y su temperatura de evaporación asociada. La producción de trabajo se ve favorecida por HP altas. Sin embargo la transferencia de calor encuentra un impedimento con una evaporación a temperatura elevada. Se llega a un compromiso entre caudal de fluido de trabajo y HP.

RESULTADOS RANKINE–AGUA Fluido de trabajo AGUA Trabajo (MW) 4.9 Rendimiento (%) 14.24 Caudal (kg/s) 11.5 HP (bar) 1.4 Tevap (°C) 109 LP (bar) 0.1 Tcond (°C) 46 Tsobrecalentamiento (°C) 175 Treinyección (°C) 105 Título de vapor tras expansión 0.93 Rendimiento isentrópico turbina 1 Trabajo (MW) con ? isentrópico turbina = 0,8 3.92 Rendimiento (%) con ? isentrópico turbina = 0,8 11.34


27

Figura 23: Gráfica representativa de la transferencia.

En la figura 23 se representa la transferencia completa por etapas. El punto problemático se da en la entrada al evaporador del agua (fluido de trabajo). Al hacerlo a 109 ºC (temperatura de evaporación) se encuentra con el fluido geotérmico que sale a 114 ºC (“pinch” de 5 ºC). Al ser una temperatura elevada, el caudal de agua es menor para poder ser vaporizada enteramente. Sin embargo el hecho de ser una temperatura elevada conlleva una presión de evaporación elevada que maximiza el trabajo producido. Incluso a pesar de no recuperar el calor geotérmico enteramente, las ventajas de una HP alta son superiores.

4) El título de vapor en este caso es demasiado bajo pero un rendimiento isentrópico de

la turbina real de 0.8 desplaza el punto de salida de la expansión a la derecha aumentando el título de vapor o incluso evitando el flujo bifásico.

185 ºC

T

Tevap

Tcond Calentamiento Evaporación Recalent.

Agua

Fluido geotérmico

Treinyección


28

6.1.2. Amoniaco. Las propiedades termodinámicas del amoniaco son muy diferentes de las del agua, evapora a baja temperatura (-33 ºC a 1 atm) lo que permite adaptarse mejor a las condiciones de una fuente geotérmica a una temperatura baja como es el caso y permite obtener un ratio de presiones elevado. Es posible incluso trabajar con un ciclo supercrítico pero esa opción no está considerada en los estudios preliminares. La necesidad de un recalentamiento del amoniaco vapor sigue presente ya que su diagrama temperatura-entropía tiene una forma similar a la del agua.

Figura 24: Presión de evaporación del amoniaco en función de la temperatura. Los resultados se presentan a continuación:

Tabla 2 ; Resumen de resultados ciclo Rankine para el amoniaco.

T(K) P(bar)

320 18,73

340 30,82

360 48,03

380 71,53

400 102,84

RESULTADOS RANKINE – AMONIACO Fluido de trabajo AMONIACO Trabajo (MW) 8.1 Rendimiento (%) 19.83 Caudal (kg/s) 30 HP (bar) 100 Tevap (°C) 125.1 LP (bar) 19 Tcond (°C) 47.5 Tsobrecalentamiento (°C) 170 Treinyección (°C) 90 Título de vapor tras expansión 0.98 Rendimiento isentrópico turbina 1 Trabajo (MW) con ? isentrópico turbina = 0,8 6.5 Rendimiento (%) con ? isentrópico turbina = 0,8 15.91


29

Figura 25: Diagrama T-S del ciclo Rankine-amoniaco en las condiciones de funcionamiento.

1) El uso del amoniaco como fluido de trabajo permite obtener trabajos hasta un 65%

más importantes que con el agua-vapor en el ciclo Rankine.

2) La presión de bombeo, en intercambiadores y a la entrada de turbina es considerable y puede ser crucial en el dimensionamiento de equipos, tuberías y en la elección de los materiales. Por lo tanto es un aspecto que no se debe despreciar y que puede incluso modificar la configuración y disposición de los fluidos en los intercambiadores.

3) En el caso del amoniaco todo el ciclo trabaja a sobrepresión.

4) La temperatura de reinyección del fluido geotérmico al sub-suelo es de 90 ºC. La

transferencia del calor del fluido geotérmico es por lo tanto más efectiva.


30

6.2. Ciclos ORC 6.2.1. Isobutano La presión y temperatura de evaporación del isobutano presenta características intermedias entre las estudiadas anteriormente para el agua y el amoníaco. El rango de temperaturas con el que se puede operar con el isobutano está siempre por debajo de la temperatura del fluido geotérmico ya que su punto crítico se sitúa a 134.3 ºC. Esta temperatura supone el límite superior en este estudio puesto que los ciclos supercríticos no están considerados.

Figura 26: Presión de evaporación del isobutano en función de la temperatura.

La figura 27 representa el diagrama temperatura-entropía del isobutano. Como se observa una expansión a partir del vapor saturado no corre el riesgo de entrar en la zona bifásica.

Figura 27 : Diagrama Temperatura-Entropía del isobutano y recorrido seguido en el ciclo ORC.

La configuración del ciclo electrógeno sin la necesidad de sobrecalentar el fluido de trabajo queda del siguiente modo:


31

PUMP

TURB

CHAUFF

EVAP

1

2

COND

3

5

6

7

9

10

11

12

14W

Figura 28: Diagrama de flujos del ciclo ORC-isobutano.

Los resultados obtenidos en busca del punto óptimo de funcionamiento quedan reflejados en la siguiente tabla:

Tabla 3 ; Resumen de resultados ciclo ORC para el isobutano.

Los rendimientos generales del ciclo parecen satisfactorios. Un análisis en profundidad conduce a las siguientes conclusiones:

1) Los trabajos obtenidos doblan los del ciclo Rankine-agua y son ligeramente superiores a los de Rankine-amoniaco. Los rendimientos también son más elevados.

2) Los caudales de fluido de trabajo, en este caso isobutano, también se ven

incrementados de manera importante. Este hecho puede tener influencia en costes de bombeo y dimensionamiento de equipos.

3) Las presiones de evaporación para un trabajo óptimo (31 – 36 bar) son cercanas al

punto crítico del isobutano. A presiones más elevadas el calor latente necesario para realizar el cambio de fase es menor pero el calentamiento y el bombeo aumentan.

RESULTADOS ORC - ISOBUTANO Fluido de trabajo ISOBUTANO Trabajo (MW) 8.4 Rendimiento (%) 20.5 Caudal (kg/s) 88 HP (bar) 31 Tevap (°C) 125 LP (bar) 5.5 Tcond (°C) 43.2 Tsobrecalentamiento (°C) NO Treinyección (°C) 90 Título de vapor tras expansión 1 Rendimiento isentrópico turbina 1 Trabajo (MW) con ? isentrópico turbina = 0,8 6.72 Rendimiento (%) con ? isentrópico turbina = 0,8 16.45


32

4) No existe sobrecalentamiento dada su innecesidad. El vapor se mantiene seco durante la expansión.

5) Un sobrecalentamiento del isobutano conduce a pérdidas de trabajo producido

cercanas a un 9 % con la misma cantidad de calor total utilizado. 6.2.2. Pentano. El pentano ha sido seleccionado como segundo fluido de trabajo para el estudio de los ciclos ORC. En la bibliografía es frecuente encontrar pentano e isobutano en plantas ya existentes ya sea por separado o como mezclas binarias en algunos casos. El pentano es un líquido en condiciones estándar (temperatura de evaporación = 36 ºC) mientras que el isobutano es un gas. La expansión en la turbina puede llevarse a una presión menor en el caso del pentano, sin embargo la presión de bombeo está límitada por el punto crítico del pentano (Pc = 33,7 bar, Tc = 196,6 ºC), algo menor que para el isobutano( ? 36 bar). En este caso no es posible un comportamiento del ciclo en régimen supercrítico pues la temperatura Tc es superior a la de la fuente caliente (185 ºC).

Figura 29: Presión de evaporación del pentano en función de la temperatura.


33

Figura 30 : Diagrama Temperatura-Entropía del pentano y recorrido seguido en el ciclo ORC.

La configuración o diagrama de flujo del ciclo no sufre ninguna variación respecto a un ciclo que utiliza isobutano como fluido de trabajo. Una tabla como las precedentes muestra los resultados y a continuación se exponen las conclusiones:

Tabla 4 ; Resumen de resultados ciclo ORC para el pentano.

1) Los trabajos producidos son del orden de un 4% inferiores a los del isobutano. Los rendimientos se mantienen en torno al 20 %.

2) En el caso del pentano el funcionamiento del ciclo se encuentra más alejado del punto

crítico gracias a un mayor rango de temperaturas disponibles y una temperatura de evaporación más elevada.

3) La posibilidad de sobrecalentamiento no se ha considerado visto la falta de interés

que el estudio mostró en el caso del isobutano.

RESULTADOS ORC - PENTANO Fluido de trabajo PENTANO Trabajo (MW) 8.1 Rendimiento (%) 19.8 Caudal (kg/s) 70 HP (bar) 14 Tevap (°C) 142.7 LP (bar) 1.15 Tcond (°C) 40 Tsobrecalentamiento (°C) NO Treinyección (°C) 90 Título de vapor tras expansión 1 Rendimiento isentrópico turbina 1 Trabajo (MW) con ? isentrópico turbina = 0,8 6.5 Rendimiento (%) con ? isentrópico turbina = 0,8 15.9


34

6.3. Ciclos Híbridos En este apartado se estudia la posibilidad de aportar un suplemento de energía o calor de origen no-geotérmico. El fluido de trabajo elegido es el agua-vapor. Existen dos configuraciones posibles. 6.3.1. Calentamiento del fluido geotérmico previo al ciclo

La ventaja de esta solución es en permitir un intercambio de calor mejor repartido a lo largo del proceso de calentamiento-evaporación-sobrecalentamiento del fluido de trabajo. El fluido geotérmico aumenta su temperatura justo antes de su entrada al ciclo por lo que es posible considerar esta configuración como un ciclo Rankine con una fuente de calor a una temperatura superior de los 185 ºC de los casos anteriores.

S

T

T*1e

Tvap

Tcond A

B

A’

D C

T1s

A’’

Condensación

Bombeo Expansión

A’ A’’

Q2

A

D

B

C

Q*1

Evaporación Calentamient Sobrecalent

TS

T2e

Precalent.

Q1

Q1’

Figura 31: Configuración de un ciclo Híbrido con aporte de calor no-geotérmico ( Q1´ ) al fluido geotérmico de

forma previa a su entrada al ciclo electrógeno y diagrama T-S. En este esquema el calor aportado al fluido de trabajo queda definido por:

*'III QQQ ??

con :

IQ = calor de origen geotérmico. '

IQ = calor suplementario de origen no-geotérmico. *

IQ = calor transferido por el fluido geotérmico al ciclo. El porcentaje o cantidad de “calor híbrido” aportado al proceso es calculado de la forma siguiente:

1. Inicialmente el calor utilizable en el fluido geotérmico es:

MWTTPTCMQ sepgeo 85.40)(),(1 ?????

con: Mgeo = 100 kg /s Te = 185 °C Ts = 90 °C


35

2. Según las bases del proyecto para ser considerado como energía renovable, el 85% de

la energía utilizada debe ser de tipo geotérmico. Por lo tanto si consideramos ese Q1 como el 85% de la energía total aportada al ciclo electrógeno y el 15% restante es de origen no-geotérmico (solar, biomasa, fósil...) significa que la temperatura del agua geotérmica aumenta de 185 ºC a 200-205 ºC. El valor finalmente elegido es 205 ºC.

Figura 32: Influencia de un calentamiento previo del fluido geotérmico. El cálculo realizado puede llevar a equívoco según se hable de calor total disponible o de calor total utilizado ya que la temperatura de reinyección del fluido geotérmico puede en algunos casos ser superior a 90 ºC. Por lo tanto existe un porcentaje de hibridación sobre el calor útil total disponible y otro porcentaje sobre el calor total utilizado en el intercambio. Se detalla a continuación el estudio de sensibilidad realizado sobre distintas variables del proceso para buscar su punto de funcionamiento óptimo. Tras un ligero pre – estudio se eligen las condiciones de funcionamiento iniciales:

Caudal fluido de trabajo (agua – vapor) = 12 kg/s. HP (presión de bombeo) = 2 bar. LP (presión de condensación) = 0,1 bar. Son parecidas a las condiciones de funcionamiento del ciclo Ranking-agua. El calor suplementario ha permitido elevar la presión de alta (HP).

A) Influencia de la temperatura de sobrecalentamiento: el trabajo producido aumenta casi linearmente con ella. El rendimiento lo hace más rápido a temperaturas mayores. Se comprueba que la temperatura de reinyección del fluido geotérmico es elevada (121 a 125 ºC), es decir, aún queda una cantidad importante de calor útil.

Una temperatura de sobrecalentamiento elevada supone utilizar más energía en el recalentador. Sin embargo se podría utilizar en el evaporador de modo que la evaporación se produjese a una presión superior. Es lo que se muestra a continuación.

B) Influencia de la presión de bombeo (evaporación): se fija la temperatura de vapor recalentado a 175 ºC. Aquí se produce un doble efecto, una HP elevada suele conllevar una mayor producción de trabajo pero también una transferencia de calor menos eficaz (dado el mayor acercamiento entre temperaturas). Además si se fija la

S

T

185 ºC

205 ºC


36

temperatura de vapor recalentado, la expansión se ve trasladada a la izquierda en el diagrama T-S provocando mayor riesgo de flujo bifásico.

Una solución a esto podría ser disminuir la presión de condensación aún más pero teniendo ya una presión del orden de 0,1 bar parece excesivo.

C) Influencia del caudal de fluido de trabajo: el trabajo producido aumenta casi linearmente. Se consigue disminuir la temperatura de reinyección del fluido geotérmico, es decir, se utiliza más cantidad de calor.

D) Influencia del rendimiento isentrópico de la turbina: este factor tiene dos efectos

contrapuestos. Un rendimiento elevado supone más trabajo producido pero también la posibilidad de entrar en flujo bifásico si el vapor no está suficientemente recalentado.

Figura 33: Influencia del rendimiento isentrópico sobre el proceso.


37

6.3.2. Recalentamiento del fluido de trabajo previo a la entrada en la turbina. En este caso la restricción sobre la temperatura de sobrecalentamiento desaparece pues ya no es el fluido geotérmico quien aporta ese calor si no la fuente híbrida. Por lo tanto la influencia de la temperatura de sobrecalentamiento del vapor está directamente relacionada con el grado de hibridción del sistema. En este proceso se tomó una cantidad de calor híbrido constante de 5,9 MW pero el porcentaje de híbridación (sobre el calor total utilizado) será variable en función de las condiciones individuales de cada caso.

Figura 34: Diagrama de flujo del ciclo híbrido con recalentamiento del vapor previo a la turbina. A diferencia del otro caso de ciclo híbrido las presiones de evaporación serán más bajas ya que el aporte extra de calor no se hace sobre el fluido geotérmico sino sobre el de trabajo. Sin embargo las temperaturas de recalentamiento serán muy superiores.

A) Influencia de la presión de evaporación: a pesar de ser menor, globalmente se obtienen trabajos y rendimientos más importantes que en el caso precedente. Igualmente se ha conseguido descender la temperatura de reinyección del fluido geotérmico (hasta 105 ºC) por lo que se ha aprovechado más calor geotérmico. La presión de condensación sigue siendo del orden de 0,1 bar. Un ligero aumento provoca pérdidas importantes en trabajo y rendimiento.

B) Influencia del caudal de fluido de trabajo: El trabajo producido alcanza un máximo

para valores cercanos a 12 kg/s. A partir de ese caudal la evaporación no es eficaz.

C) Influencia del rendimiento isentrópico de la turbina: el efecto es exactamente el mismo que el descrito en el ciclo híbrido estudiado anteriormente.

D) Influencia del grado de hibridación: evidentemente a mayor calor aportado mayor es

la temperatura y la producción de trabajo.

PUMP

TURB

CHAUFF

EVAP

1

COND

5

6

9 10

11

12

23W

4

8

2

3

HIBRIDE


38

Tabla 5: Relación entre calor híbrido aportado y porcentaje de hibridación.

Q (MW) % hibridación sobre el calor total disponible

% hibridación sobre el calor utilizado

2 4,6512 6,256 3 6,8182 9,099 4 8,8889 11,78 5 10,87 14,3

5,9 12,58 16,45 6 12,766 16,68 7 14,583 18,93 8 16,327 21,07 9 18 23,1

10 19,608 25,02

Figura 35: Influencia de la cantidad de “calor híbrido” aportado.

0

100

200

300

400

500

600

2 3 4 5 5,9 6 7 8 9 10

Q hibrido (MW)

°C

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Mw

T recalentam.

W (MW)


39

6.3.3. Conclusiones finales y comparación con los ciclos ORC

1) Comparación entre ambos ciclos híbridos. El recalentamiento del vapor previo a la turbina mediante “calor híbrido” presenta condiciones más favorables que el de precalentamiento del fluido geotérmico previo al ciclo. El primero permite recalentar el vapor a gran temperatura pero la presión de evaporación del ciclo (HP) es menor ya que el fluido geotérmico no eleva su temperatura. Los resultados indican que este handicap es despreciable frente a las ventajas de obtener un vapor seco y recalentado a alta temperatura. La tabla 10 recalca esta diferencia.

Tabla 10: Diferencias entre los dos ciclos híbridos en puntos de funcionamiento cercanos.

Calent. previo al ciclo Calent. previo a la turbina Caudal (kg/s) 13.2 12 HP (bar) 2 1,4 LP (bar) 0,1 0,1 Ts agua géo (°C) 114,5 105,95 % vap expansión 1 0,99534 Tsobrecalent (°C) 175 316,69 % hibridación (sobre calor utilizado) 18,56 14,3

W turbine (MW) 6,28 6.4 Rendimiento (%) 14,7 18,3

Remarcar que aunque el % de hibridación es mayor en el caso de calentar el fluido geotérmico previamente a su entrada al ciclo, el trabajo producido es menor, al igual que el rendimiento. Las ventajas aportadas en el primer ejemplo son un aumento de la HP (un 42% más alta) y del caudal de fluido de trabajo (hasta un 10% mayor). Pero la ventaja de recalentar el vapor hasta altas temperaturas como ocurre en el segundo caso resulta más interesante. La temperatura en la entrada de la turbina del fluido de trabajo es de 316,7 ºC o lo que es lo mismo, un 80% mayor que en el primer ciclo. Por lo tanto, con un 23% menos de “calor híbrido” aportado se obtienen 0,12 MW más (+2%) y un rendimiento del orden del 27% sobre el primer caso.

2) Comparación con los ciclos ORC. A pesar de corregir defectos de un ciclo Rankine con agua como fluido de trabajo los ciclos híbridos quedan por debajo de los ciclos ORC en cuanto a rendimientos y trabajo producido. A su favor se puede hablar de la simplicidad del fluido y de la tecnología.


40

Los resultados obtenidos permiten mostrar los mejores casos en un cuadro comparativo:

Tabla 11: Comparación entre los fluidos estudiados.

FLUIDO TRABAJO (MW) RENDIMIENTO (%)

CAUDAL (kg/s) HP (bar) LP (bar)

ISOBUTANO 8,4 20.5 88 31 5.5 PENTANO 8.1 19.8 70 14 1.15

AGUA 4,9 14.4 11.5 1.4 0.1 AGUA - HIBRIDO

PREVIO TURBINA 6.5 16.1 12 1.4 0.1

La elección para la instalación del ciclo electrógeno es en términos energéticos favorable a los fluidos de trabajo orgánicos. Existe también la posibilidad de aportar “calor híbrido” en un ciclo ORC, no para realizar un sobrecalentamiento del vapor saturado que según los estudios realizados (ver conclusiones de apartado 6.2.1.Isobutano) hace perder eficacia, sino para poder aumentar el caudal de fluido de trabajo. En definitiva, se trata de aportar un calor extra por lo que siempre será favorable para la producción de trabajo.


41

6.4. Ciclo Kalina. La tecnología Kalina descrita en el apartado 4.3 es una opción innovadora y las experiencias industriales son todavía insuficientes para poder preveer cuál será el verdadero desarrollo que este tipo de ciclos experimentará para fuentes de calor a bajas temperaturas, en nuestro caso la geotermia. Se ha realizado la modelización y simulación para dos configuraciones del ciclo muy distintas. Se trata de la configuración KCS11 para “altas temperaturas” (a partir de 150 ºC según Mlcack, 2002) y de la KCS34 para temperaturas más bajas que dispone de un separador previo a la turbina. 6.4.1. Ciclo Kalina KCS11 para altas temperaturas La configuración del ciclo no se diferencia de un ciclo normal de agua–vapor con sobrecalentamiento pues en el caso del KCS11 no hay separación de la mezcla agua-amoniaco. La mezcla es evaporada, recalentada y expandida posteriormente en la turbina (Mlcack, 2002). Tras un análisis de rendimiento del ciclo es conveniente considerar la opción de instalar un recuperador de calor tras la turbina pues la temperatura de salida de la mezcla es todavía elevada.

Figura 36 : Flowsheet del ciclo KCS11 con recuperador tras la turbina. Con esta configuración y un funcionamiento normal del ciclo se detecta un problema. La condensación de la mezcla que sale de la turbina (corriente 5) comienza en el recuperador. Si se acepta que el recuperador pueda realizar parte de la condensación es posible eliminar el calentador. Por lo tanto el recuperador lleva la mezcla de alta presión hasta el punto de líquido saturado (corriente 1). Se introduce para ello la especificación en el recuperador de tener un salto de 5 ºC entre las temperaturas de salida de ambos fluidos. Las ventajas de la nueva configuración son las siguientes:

1) Recuperación de una mayor cantidad de calor.

PUMP

TURB

CHAUFF

EVAP

COND

SURCH

RECUP

4

23

11 12

2

103

9

6

78

1

13

5

Circuit de refrigération

eau géothermale


42

2) Eliminación de un componente (calentador).

3) Menor cantidad de calor a eliminar en el condensador: menor caudal de fluido

refrigerante necesario.

Figura 37 : Nueva configuración del ciclo KCS11: el calentador ha sido eliminado.

Figura 38: Recorrido del ciclo sobre un diagrama T-x: La corriente1 de mezcla al pasar por el recuperador llega a la temperatura de burbuja (líquido saturado): punto 1. El evaporador aumenta la temperatura

hasta el punto 2 y el recalentador alcanza el punto 3. El proceso inverso es realizado por la expansión en la turbina, el enfriamiento en el recuperador y la condensación final.

PUMP

TURB

EVAP

COND

SURCH

RECUP

4

10

2

93

8

6

7

1

11

12

5

Circuit de refrigération

eau géothermale

1

2

3


43

El análisis del ciclo se efectúa en función de distintos parámetros para encontrar un punto de funcionamiento que maximice la cantidad de trabajo producido. La composición de la mezcla es cercana a un 84% p/p (porcentaje en peso) en amoniaco.

A) Influencia del caudal de fluido de trabajo: este apartado ha permitido comprobar las mejores condiciones de funcionamiento del recuperador. Dos condiciones eran viables en el recuperador. Exigir la temperatura de líquido saturado de la mezcla en la corriente2 o bien introducir una restricción de “pinch”.

Tabla 12: Comparación de modos de funcionamiento del recuperador

con el caudal de fluido de trabajo como variable.

Caso Caudal (kg/s)

T sobrecalent (°C)

T salida agua geotérmica

(°C) W (MW) % W

aumentado Rendimiento

(%)

Sin recuperador 20 25 90 2,1 - 6

Con recuperador especificación 1 22 25 90 2,3 9,5 7

Con recuperador especificación 2 29 25 90 3 42,9 9,2

Especificación 1 : recuperación hasta la temperatura de liquido saturado del fluido frío.

Especificación 2 : diferencia en la salida de los dos fluidos en el recuperador = 5 °C.

La especificación número 2 es la que mejor resultados produce.

B) Influencia de la presión de bombeo (HP):

Figura 39: Influencia de la presión de bombeo (HP) sobre el trabajo producido.

C) Influencia de la composición: A igualdad de HP un aumento de la riqueza en amoniaco de la mezcla supone un descenso en la producción de trabajo. Si se observa en un diagrama T–composición la temperatura de burbuja desciende para mezclas más ricas en amoniaco. Esto significa que precisamente la mayor ventaja de una mezcla de elevada riqueza sería aumentar la HP para maximizar el trabajo. Un aumento de las dos (HP y %NH3) permiten mejorar trabajo producido y rendimiento en el ciclo pero también una pérdida de eficacia en la transferencia de calor ya que la

W vs HP

2,5

2,7

2,9

3,1

3,3

3,5

3,7

0 5 10 15 20 25 30

°C sobrecalentamiento

MW 30 bar

34 bar

36 bar

32 bar


44

mezcla se aproxima a unas propiedades de fluido puro. Se pierde por lo tanto una de las características del ciclo Kalina.

6.4.2. Ciclo Kalina KCS34. La figura 40 representa la configuración del ciclo Kalina KCS34. La principal diferencia con respecto del KCS11 es la introducción de un separador previo a la turbina para separar las dos fases físicas (gas-líquido) de la corriente 3 que posee una mezcla del 84% p/p de amoniaco. A la salida del separador, la fase gas, más rica en amoniaco (alrededor de un 95%) es dirigida a la turbina. La fase líquida que posee una riqueza menor (42% aproximadamente) efectúa un bypass.

Figura 40 : Configuración del ciclo Kalina KCS34.

Las especificaciones iniciales con las que se inician el estudio de sensibilidad son:

1) % inicial de la mezcla amoniaco – agua = 84% de amoniaco en peso. 2) HP (presión de alta) = 31 bar. 3) LP (presión de baja) = 15 bar. 4) Equipo denominado “Heater” en el flowsheet calienta hasta saturación. 5) Evaporador calienta hasta 110 ºC (no se llega a condiciones de vapor

saturado). 6) Condiciones en el separador: 110 ºC (T3) y 31 bar. 7) Valvula adiabatica (flash). 8) Rendimiento isentrópico de la turbina = 0,8. 9) Pinch en los intercambiadores de calor de 5 ºC.

1

132

14

12

3

10

8

11

9

4

5

6 7

HEATER

EVAPCONDENS

TURBINE

PUMP

SEP

MIXER

VALVE


45

A) Influencia de la temperatura del separador: si el resto de condiciones se mantienen fijas un aumento de la temperatura en el separador produce los efectos siguientes:

i. El porcentaje de vapor en el separador es más alto por lo que la

relacion entre los caudales: caudal (corriente 4) / caudal (corriente 6) aumenta también.

ii. La corriente 4 pierde riqueza en amoniaco según se aumenta la

temperatura.

iii. Se obtienen temperaturas más altas globalmente. El caudal máximo de mezcla posible desciende para no violar restricciones.

Figura 41 ; Influencia de la temperatura del separador sobre el trabajo producido.

El aumento de trabajo que se produce aumentando la temperatura del separador se ve contrariada debido a la disminución total de caudal de mezcla al que obliga ese ascenso de temperatura.

Según estas consideraciones, la temperatura inicial elegida (110 ºC) parece baja pero la mejor forma de maximizar el trabajo producido es aumentar la presión de evaporación–separación (“presión de alta”, HP, presión de bombeo).

B) Influencia de la HP; al no poder fijar la temperatura (evaporación a temperatura variable) una buena solución es mantener una fracción o título de vapor constante a la entrada del evaporador (corriente 3) independientemente de la presión (HP). Se elige la misma que en las ocasiones anteriores; un título de vapor de 0,705 sobre el total de la mezcla y se procede a variar la HP.

W vs T separador HP = 31 bar

1 1,2 1,4 1,6 1,8

2 2,2 2,4 2,6 2,8

3

370 380 390 400 410 420 430 440 T (K)

MW 25 kg/s 29 kg/s 35 kg/s


46

Figura 42: Influencia de la presión HP sobre el trabajo producido. Si se hace variar el título de vapor a la entrada del separador se observa que las variaciones en funcíon del título de vapor se hacen más pronunciadas para presiones (HP) más elevadas. Esto es debido a las características de las curvas de equilibrio de la mezcla agua – amoniaco.

Figura 43: Curvas de equilibrio para altos porcentajes de amoniaco

y 30 y 90 atm de presión respectivamente. La figura 43 se ha obtenido mediante ASPEN (método RK – SOAVE). Para presiones más elevadas (90 atm – curvas en rojo) la zona de flujo bifásico es más estrecha, es decir las curvas de líquido y vapor saturado se acercan.

W vs HP (título de vapor a entrada separador = 0,705)

0 0,5

1 1,5

2 2,5

3 3,5

4 4,5

25 45 65 85 105 bar

20 kg/s

30 kg/s

40 kg/s


47

Conclusiones: El ciclo KCS34 parece presentar rendimientos superiores al ciclo KCS11. En primer lugar ambos se beneficia de los intercambios de calor, más eficientes en una mezcla binaria, en segundo lugar, la separación en el KCS34 permite realizar una expansión en la turbina con el fluido más rico en amoniaco. Esto último hace posible el utilizar presiones de alta (HP) más elevadas que maximizan el trabajo producido Las principales ventajas para un ciclo Kalina KCS34 son:

A) Una transferencia de calor más eficiente.

B) Temperatura de cambio de fase no constante. Figura 44: Evolución de un calentamiento en el caso de una sustancia pura y en el de una mezcla binaria. La evaporación se produce a temperatura constante en el primero mientras que lo hace a temperatura variable con

una mezcla binaria como la utilizada en un ciclo Kalina.

C) Expandir una mezcla de alto porcentaje en amoniaco (alrededor del 95%) obliga a una presion de salida de la turbina más baja ya que la temperatura de rocío (condensación) de esta mezcla es también menor. Por lo tanto el ratio ? P es mayor y se ve traducido en un aumento del trabajo producido.

La instalación de al menos dos recuperadores se perfilan como muy interesantes. Uno a la salida de la turbina y uno en la corriente de salida de líquido del separador (corriente 6 en el flowsheet). Se preveen rendimientos más elevados para estas nuevas configuraciones que distaciarían aún más los resultados entre KCS11 y KCS34. 6.4.3. Ciclo Kalina en función de la composición de la mezcla. El objetivo consiste en hacer variar las condiciones de funcionamiento del ciclo en función de la composición de la solución amoniaco – agua para encontrar la tendencia de producción de trabajo según esta variable. Los resultados obtenidos hasta el momento para un ciclo electrógeno de tipo Kalina se alejan de los resultados obtenidos por los dos compuestos de la mezcla, agua y amoniaco, por separado. De momento, el ciclo Kalina no ha ofrecido buenoas producciones de trabajo.

T

Q

Mezcla binaria

Sustancia pura

Fuente caliente


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La dificultad de este estudio radica en las propias características físicas y químicas de la mezcla. La composición hace variar las temperaturas de burbuja y de rocío. Si al realizar el estudio se mantienen las condiciones de funcionamiento, el ciclo pierde estabilidad. Hay que realizar modificaciones por lo tanto y buscar un compromiso principalmente entre caudal de fluido de trabajo y presiones (HP y LP), sin olvidar el resto de restricciones como los límites térmicos en la fuente de calor y en la de refrigeración o la formación de gotas en la turbina. El ciclo elegido es el KCS11 (sin separador), equivalente a los ciclos Rankine en los que amoniaco y agua fueron modelizados. Conclusiones: Se organizan por variables estudiadas.

1) LP & HP: Como el diagrama T-x-y refleja (ver figura 43), las temperaturas de burbuja y de rocio para una misma presión descienden a medida que aumenta la composición en amoniaco. Luego para concentraciones altas se puede trabajar con una presión de evaporación más elevada ya que la temperatura del fluido geotérmico (185 ºC) lo permite. Sin embargo, la temperatura de refrigeración (35 ºC en las peores condiciones) obliga a aumentar la presión de condensación (LP).

2) Caudal de mezcla (fluido de trabajo): Las variaciones son inciertas en

concentraciones alrededor del 50% pero queda claro que un ciclo con un fluido más “amoniacal” (altas concentraciones) permite un caudal más elevado. El caudal puede ser un parámetro decisivo en el dimensionamiento: cantidad de fluido, dimensión de componentes y tuberías, costes de bombeo, restitución de fugas y purgas...

3) Título de vapor: el título de vapor tras la expansión de la turbina disminuye con altos

porcentajes de amoniaco. Un sobrecalentamiento se hace necesario para evitar la formación de flujo bifásico en la turbina, gravemente perjudicial para su mantenimiento.

4) Temperatura de salida del agua geotérmica (T10): Para altas – medias

concentraciones de NH3 todo el calor disponible (restricción T10 = 90 ºC) es utilizado. Sin embargo con concentraciones bajas la temperatura de reinyección aumenta por lo que tenemos parte del calor geotérmico aprovechable no recuperado. Si queremos inevitablemente utilizar ese calor es posible la instalación de recuperadores.

5) Trabajo producido: Es en definitiva la variable a maximizar. Los resultados son

bastantes sorprendentes. El ciclo funciona mejor con fluidos puros (o mezclas de altos grados de pureza, ya sea en agua o amoniaco) hablando de producción de trabajo que con una mezcla típica de Kalina (80% en peso de NH3). También ha quedado demostrado que un ciclo Kalina con separación – absorción (KCS34) obtiene mejores resultados, pero si hablamos de cocentraciones alejadas de esos 80% puede no ser así.


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7. CONCLUSIONES A pesar del retraso aparente acumulado en el proyecto Soultz y de plantearlo como un proyecto a medio/largo plazo el “Estudio de un ciclo electrógeno para un equipo de geotermia HFR” ha permitido llegar a una serie de conclusiones de importancia immediata para comenzar el diseño de los primeros módulos de producción de electricidad en Soultz. La prioridad del proyecto es conocer y comparar los ciclos electrógenos propuestos. La variable decisiva en esta aproximación es el trabajo producido por la turbina. Durante los estudios de sensibilidad se ha buscado maximizar esta variable mediante un proceso iterativo. El programa utilizado ha sido Aspen Plus en sus versiones 11.0 y 12.0. A pesar de sus ventajas y su potencial, un programa más simple podía haber resultado una buena alternativa ya que los ciclos revisados son relativamente sencillos. Un programa de menor envergadura como Thermoptim, desarrollado en la Escuela de Minas de Paris y que personalmente he podido utilizar, puede ser una alternativa en el futuro. Hay que recordar que las condiciones simuladas están muy alejadas aún de los últimos tests realizados en Soultz (alrededor del 15-20 % de la producción esperada). Igualmente, si se llega a alcanzar las condiciones con las que se ha realizado el estudio, estas se verían sometidas a variaciones temporales (enfriamiento del subsuelo, desgaste de los equipos). En este caso los resultados obtenidos se verían modificados pues se trata de un análisis en régimen permanente para las condiciones de diseño y otros funcionamientos no se han simulado. Los ciclos que han obtenido mayores rendimientos son los ORC, especialmente en el caso del isobutano. La tecnología de ciclos de Rankine con fluidos de trabajo orgánicos está ampliamente demostrada y existen módulos de producción en numerosos países. Sin embargo una sóla empresa monopoliza practicamente la actividad. Se trata de Ormat, lider mundial en instalaciones de unidades de producción electricas con un fluido orgánico como fluido de trabajo. Actualmente otras dos empresas desarrollan prototipos para competir con Ormat. La tecnología Kalina, que utiliza una mezcla binaria de agua y amoniaco como fluido de trabajo, ha sorprendido negativamente en los resultados. No ha confirmado las predicciones de la bibliografía. Sin embargo dado lo novedoso de la tecnología, la falta de experiencias industriales (Hüsavik, 2002, en Islandia como única referencia directamente aplicada a al geotermia) y lo interesante de la propuesta no se debe desechar como alternativa. Aún así, tiene la desventaja de ser un ciclo más complejo, en cuanto a equipos, construcción y fluido de trabajo que los demás. Entre los ciclos Kalina estudiados, la configuración KCS34 ha obtenido rendimientos más elevados. Sin embargo hace necesaria la instalación de equipo adicional como el separador. Los ciclos Rankine de sustancias puras son sencillos y con resultados dispares. El amoniaco es un magnifico fluido de trabajo y sus resultados son practicamente equiparables a los de los ciclos ORC. Sin embargo la imagen de energía renovable y limpia que se quiere dar choca frontalmente con su utilización. En su uso y transporte es una sustancia peligrosa, tóxica y extremadamente inflamable. El agua representa al otro ciclo Rankine estudiado. La producción de trabajo es baja pues es el fluido cuyas propiedades termodinámicas más se alejan de las condiciones de diseño de


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Soultz, principalmente por la baja temperatura de la fuente geotérmica. Sin embargo, el ser una sustancia totalmente conocida, su uso en inumerables procesoso, y, principalmente, la posibilidad de aportar un calor extra pueden convertirla en una alternativa muy respetable. El añadir una cantidad de calor de origen no-geotérmico es lo que se conoce como ciclo híbrido o hibridación. La Comisión Europea limita el porcentaje de calor añadido al 15% sobre el total utilizado pero esa cantidad permite obtener hasta un 25 % más de energía. A continuación se muestra una tabla con la comparativa completa entre ciclos:

Tabla 13 : Resumen de resultados.

FLUIDO TRABAJO (MW)

RENDIMIENTO (%)

CAUDAL (KG/S) HP (BAR) LP (BAR)

AGUA 4.9 14.4 11.5 1.4 0.1 AMONIACO 8.1 19.8 30 100 19 ISOBUTANO 8.4 20.5 88 31 5.5

PENTANO 8.1 19.8 70 14 1.15 KALINA 5 12.3 40 36 16 HIBRIDO 6.5 16.4 12 1.4 0.1

Aunque personalmente recomendaría visto los resultados la construcción de un ciclo electrógeno con isobutano como fluido de trabajo, es muy probable que la dirección técnica del proyecto opte finalmente por el agua, ya sea mediante un ciclo Rankine sencillo o mediante un ciclo híbrido. Se trata de la solución más segura pero también la más conservadora. Por otro lado probablemente es la que menos retraso conllevaría, pya que el retraso del proyecto sobre el programa inicial ya es considerable. A título personal trabajar durante 6 meses en un centro de Investigación de Electricidad de Francia (EDF) ha supuesto un gran impulso para mi futura carrera y mis conocimientos como Ingeniero Químico. El departamento de Energías Renovables y Producción Descentralizada está formado por unos 30 investigadores, expertos en energía eólica, solar, geotermia, microturbinas... La interrelación entre todos ellos es muy grande y permite compartir proyectos y áreas de conocimiento. Semanalmente se producen reuniones donde se informa de los avances y problemas encontrados en el desarrollo de las investigaciones. La relación con los demás empleados, becarios y responsable de las prácticas ha sido excelente. El equipo que trabajaba en el proyecto Soultz estaba formado por dos investigadores y yo. Todos hemos trabajado con un nivel de dependencia elevado y hemos aportado nuevas ideas a la concepción del ciclo electrógeno. A pesar de la dificultad de trabajar con Aspen en determinadas circunstancias, comentadas anteriormente, ha sido de gran interés ya que es un programa utilizado a nivel industrial y por multitud de empresas y procesos.


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