Maximizando la Eficiencia del Calor Industrial: El Ciclo Rankine Orgánico

El calor residual puede ser aprovechado a pesar de sus bajas temperaturas para la generación de electricidad gracias al Ciclo Rankine Orgánico

A medida que los precios de energía eléctrica y del gas aumentan existe una creciente necesidad por maximizar la eficiencia de los sistemas de generación así como también de encontrar soluciones que disminuyan los costos operativos asociados. Es de esta manera que la recuperación del calor residual en todo tipo de industrias está cobrando un mayor impulso. En esta ocasión analizaremos una tecnología que hace posible la maximización de los recursos térmicos generados a través de distintas fuentes de energía junto con sus posibilidades y potencial para la generación de energía limpia.

En cualquier industria el calor residual proviene de los productos o subproductos derivados de un proceso específico, dicho calor residual puede aprovecharse mediante dos opciones, una es utilizando el calor propiamente para fines que requieren menos demanda térmica y la segunda es para generar energía eléctrica.

No obstante, existe un problema al considerar el calor residual para la generación eléctrica y es que la baja temperatura a la que opera no es suficiente como para generar suficiente presión de vapor capaz de operar una turbina de manera eficiente.  

Cabe destacar que en un ciclo termodinámico tradicional el calor generado en el proceso conlleva múltiples pérdidas asociadas a convección, conducción y radiación, por ende puede disminuir su temperatura considerablemente desde el punto de inicio del ciclo hasta el final. Dichas pérdidas calóricas pueden considerarse como de alta temperatura cuando la temperatura de operación es de 400ºC o más, de media temperatura en el rango comprendido entre 100-400ºC y de baja temperatura cuando es menor a 100ºC. Generalmente, el calor residual proviene de un proceso de combustión directa ubicándose en el rango de media y baja temperatura.  

Es en este sentido el ciclo orgánico Rankine tiene un potencial considerable, ya que es capaz de aprovechar el calor residual a bajas temperaturas para la generación de electricidad, algo que el ciclo Rankine tradicional no puede realizar. Esto no solo permite conseguir una mayor eficiencia en el proceso, sino que también evita la necesidad de realizar un tratamiento de aguas. Pero sobre todo, permite maximizar la generación de energía eléctrica de una manera amigable con el ambiente ya que las emisiones de carbono resultantes son mínimas considerando que el combustible utilizado es orgánico. Pero antes de entrar en más en detalle, debemos preguntarnos en qué consiste el ciclo Rankine orgánico (ORC por sus siglas en inglés).

¿Qué es el Ciclo Rankine Orgánico?

El ORC es una variante del ciclo Rankine tradicional en la que en vez de utilizar agua como fluido de trabajo, se utiliza un fluido orgánico de un elevado peso molecular. La razón de esta sustitución es que los fluidos orgánicos poseen temperaturas de ebullición menores que las del agua. 

En un ciclo Rankine orgánico existen siempre cuatro elementos principales: el evaporador, la turbina, el condensador y la bomba. El fluido orgánico de entrada, que se encontrará típicamente alrededor de 100ºC, entra en forma líquida al evaporador donde es calentado y evaporado pasando a su forma gaseosa generando vapor a una presión relativamente constante. Dicho vapor se dirige luego a la turbina, donde el vapor se expande y la presión es capaz de mover la turbina que estará acoplada con un generador eléctrico, dicho movimiento de la turbina se traduce en trabajo en forma de electricidad. Una vez que el vapor ha pasado por la turbina, para hacer el ciclo nuevamente es necesario convertir el fluido nuevamente en su forma líquida, con lo cual en el condensador se disminuye la temperatura del fluido hasta que se condensa en líquido saturado. Una vez en su estado líquido, el fluido pasa a través de la bomba, donde es comprimido y se eleva su presión para cerrar el ciclo nuevamente en el evaporador. 

Fig1. Esquemático simple del ciclo Rankine orgánico.

¿Qué Aplicaciones Puede Tener El Ciclo Rankine Orgánico?

Una de las mayores aplicaciones que pueden tener los ciclos Rankine orgánicos está en el campo de las energías renovables. En este sentido, existen dos grandes exponentes en esta área, los cuales son la energía solar térmica y la biomasa. Alternativamente, también puede utilizarse en el campo de la geotérmica pero su aplicación se realiza en menor medida debido a lo particular de  esta tecnología. 

Específicamente para la energía solar térmica en el campo de la CSP la tecnología del ciclo Rankine orgánico puede acoplarse perfectamente.  Los colectores solares térmicos varían según el tipo de aplicación, para casos a nivel de red se utilizan las llamadas torres solares, donde todos los colectores se enfocan hacia un solo punto ubicado en una torre, dicha aplicación se usa para sistemas a gran escala. Otras opciones son los discos parabólicos o tipo linear Fresnel, donde el fluido de trabajo circula a través de unos tubos ubicados en la parte superior de los colectores los cuales al reflejar la luz del sol, son capaces de elevar la temperatura del fluido típicamente en un rango máximo de hasta 200-300ºC. 

Aplicaciones como esta donde el fluido de trabajo utilizado en los colectores que puede  estar típicamente en un rango de 100-200ºC resultan extremadamente útiles para la generación de electricidad mediante el ORC con eficiencias que rondan el 20%.

Fig2. Esquemático de un ORC acoplado con un sistema solar.

Por otro lado, como se mencionó anteriormente, la biomasa resulta ser otra fuente de calor útil para ser acoplada con el ORC. De las energías renovables es la más similar a lo que conocemos como plantas térmicas tradicionales con la excepción de que el combustible usado es material animal o vegetal cuyas emisiones de carbono son mucho menores a la de los combustibles fósiles.

En este caso, el fluido de trabajo típico usado en centrales de biomasa es un aceite térmico (R11, R141b, R113, R245fa R123 entre otros) el cual produce una eficiencia del ciclo cercana al 35%, considerablemente mayor que usando otras fuentes de calor que puede disminuir a 25%. Las plantas de biomasa suelen utilizarse a mediana escala en el rango superior de los 100kW y hasta los 1500kW usando el calor residual en muchas ocasiones para calefacción urbana.

Fig3. Generación Biomasa con tecnología ORC.

Igualmente la energía geotérmica también es otra fuente de calor interesante con aplicaciones ORC. Los pozos geotérmicos suelen tener temperaturas que oscilan entre los 50-350 ºC, no obstante, existen múltiples pozos alrededor del mundo que se encuentran por debajo de los 100ºC que pueden ser de gran utilidad para sistemas ORC. La fuente de calor proveniente de los pozos geotérmicos puede usarse como un lazo secundario en el evaporador de un ciclo ORC, mientras que en el primario se utilizan fluidos orgánicos (aceites R123 o PF5050) o una mezcla de agua con amoníaco como fluido de trabajo. 

Otra aplicación valiosa del ORC es para plantas de desalinización de agua. Plantas que de hecho pueden operarse con plantas solares térmicas donde el producto final no es la obtención de energía eléctrica sino la obtención de agua potable. En dicho sistema, el vapor de agua caliente procedente de la turbina se usaría en el proceso de ósmosis inversa que permite convertir el agua salada en destilada.

Otras fuentes de calor aunque menos amigables con el ambiente, pueden provenir del calor residual en procesos industriales que abarcan la industria química, la metalurgia, la cerámica, o cemento. Líquidos calientes de desechos sea de agua o aceites en estas industrias circulan muchas veces a través de una especie de radiador. Al reemplazar este equipo con un sistema ORC es posible recuperar este calor residual para generar electricidad.  Incluso de aguas residuales de la industria petrolífera o incluso de plantas de desechos, cuyas temperaturas en muchos casos menores a 100ºC pueden resultar útiles para la aplicación de un ORC. 

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