MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO

Tema A4 Termofluidos: Energía

Comparación térmica de un Ciclo Rankine Orgánico accionado por una fuente geotérmica de calor de baja temperatura

I. Vera-Romeroa, Silvia L. Corona-Ruíza, J. Martínez Reyesa, I. Moreno Navab, O. Ordaz Murilloa.

a Universidad de la Ciénega del Estado de Michoacán de Ocampo. Ingeniería en Energía. UC-CA-3. Sahuayo, Michoacán, CP. 59103. México. b Universidad de la Ciénega del Estado de Michoacán de Ocampo. Estudios Multiculturales. UC-CA-3. Sahuayo, Michoacán, CP. 59103. México.

*Autor contacto:ivera@ucienegam.edu.mx

R E S U M E N

El siguiente estudio muestra una comparación de los resultados obtenidos del análisis termodinámico, por primera y

segunda ley, en una planta de potencia de Ciclo Rankine Orgánico operando con 14 diferentes fluidos de trabajo. La cual

aprovecha el calor proveniente de una fuente geotérmica de baja temperatura, ubicada en la localidad de Los Negritos,

municipio de Villamar en el Estado de Michoacán, México. Con la finalidad de identificar el fluido de trabajo más apto

para las condiciones de operación consideradas. La obtención de las propiedades termodinámicas se realizó empleando

el Software REFPROP v.8.0. El fluido que mostró un mejor desempeño en todos los parámetros termodinámicos

analizados, tuvo una eficiencia energética y exérgica global del 5.87 % y 43.07 % respectivamente, y una potencia neta

de salida de 13.04 kWe. Con la energía mínima generada se podría abastecer un aproximado de 76 y 41 casas-habitación

en consumo base e intermedio respectivamente, de acuerdo a la tarifa doméstica de CFE. Palabras Clave: Ciclo Rankine Orgánico, Geotermia, Los Negritos, Análisis térmico, Exergia.

A B S T R A C T

The following study shows a comparison of the results obtained from thermodynamic analysis, by first and second law, in

a power plant (Organic Rankine Cycle) operating with 14 different working fluids. Which takes advantage of the heat from

a geothermal source of low temperature, located in the town of Los Negritos, municipality of Villamar in Michoacán state,

Mexico. In order to identify the working fluid most suitable for the operating conditions considered. The thermodynamic

properties were obtained using the REFPROP Software v.8.0. The working fluid that showed a better performance in all

the thermodynamic parameters analyzed, had an overall energy and exergy efficiency of 5.87% and 43.07% respectively,

and a net power output of 13.04 kWe. With the minimum energy generated, an approximate of 76 and 41 houses could be

supplied in base and intermediate consumption, respectively, according to the CFE domestic rate.

Keywords: Organic Rankine Cycle, Geothermal, Los Negritos, Thermodynamic analysis, Exergy.

1. Introducción

La demanda creciente de energéticos a nivel mundial, exige cada día de nuevas y mejoradas propuestas tecnológicas de aprovechamiento de los mismos. Con un mayor rendimiento, que ayude a aumentar la oferta así como disminuir el impacto nocivo al medio ambiente derivado de los productos o subproductos producidos en la obtención y transformación. Con el crecimiento demográfico y la demanda de servicios, el aumento de la potencia instalada de un país y su generación de energía eléctrica son imprescindibles para garantizar un desarrollo adecuado. La dependencia que ha existido y que persiste de los combustibles fósiles para satisfacer estas necesidades [1], ha repercutido en la generación y acumulación de Gases Efecto Invernadero (GEI´s) en la atmósfera, los cuales traen consigo diversos problemas medio ambientales [2].

Nomenclatura

FT Fluido de Trabajo

FG Fluido Geotérmico

ta Temperatura caliente de la fuente geotérmica (° C) tb Temperatura fría de la fuente geotérmica (° C)

TV Turbina de Vapor

CON Condensador

GE Generador Eléctrico

GV Generador de Vapor

B Bomba kWe Kilowatts eléctricos

kWt Kilowatts térmicos

CRO Ciclo Rankine Orgánico

�̇� Potencia (kW)

�̇� Calor (kW)

�̇�𝑥 Exergia (kW) �̇� Flujo másico (kg/s)

ℎ Entalpía (kJ/kg)

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𝑠 Entropia (kJ/kg K)

R Relación de flujos másicos

�̇� Energía (kW) Eficiencia

P Presión (kPa)

T Temperatura Absoluta (K)

CFE Comisión Federal de Electricidad

Subíndices

A Aprovechado C Cedido

D Destruida

ent Entrada

sal Salida

i Número de flujo en el sistema

th Térmica Ex Exérgica

a Fluido geotérmico de entrada

b Fluido geotérmico de salida

0 Estado Ambiente de Referencia

La Geotermia es una fuente de energía primaria que ha

demostrado ser una fuente limpia, con bajo impacto ambiental, para la generación de energía eléctrica con un alto potencial para ser explotada [3]. México se encuentra posicionado como un país con alto potencial de este recurso [4,5], dentro de los primeros cinco países con mayor aprovechamiento a nivel mundial (Tabla 1). Con una capacidad neta instalada total de 932 kWe (www.cemiegeo.org), distribuidas de la siguiente manera (Tabla 2 y Figura 1).

Tabla 1 – Capacidad bruta instalada por país a nivel mundial.

No. País Capacidad instalada

(MWe)

1 Estados Unidos 3,567

2 Filipinas 1,930

3 Indonesia 1,375

4 México 1,069

5 Nueva Zelanda 973

6 Italia 944

Tabla 2 – Campos geotérmicos en México en funcionamiento.

Lugar Estado

Capacidad

Instalada

(MWe)

En operación

(GWh/año)

Cerro Prieto Baja California 570 4,100

Los Azufres Michoacán 248 1,550

Los Humero Puebla 94 340

Las Tres Vírgenes

Baja California Sur

10 55

Domo San Pedro

Nayarit 10 --------------

El Estado de Michoacán se encuentra ubicado sobre la falla geológica denominada Faja Volcánica Transmexicana (Figura 2) [6], donde se localiza el campo geotérmico Los Azufres [7,8]. Dentro de esta misma falla se encuentran algunos lugares como Ixtlán de los Hervores, Los Negritos y Pajacuarán, los cuales presentan manifestaciones termales fácilmente detectables [9-11]. El aprovechamiento de este recurso se ha venido realizando para fines terapéuticos o turísticos principalmente. En la zona de Los Negritos, municipio de Villamar [12], donde la manifestación es evidente a simple vista, se encuentran emanaciones naturales donde se perciben lodos con un contenido energético considerable con temperaturas similares a la temperatura de ebullición del agua de acuerdo a la presión atmosférica del lugar (92 °C). Esta fuente de calor de baja temperatura, puede ser utilizada para diferentes fines como: balnearios, calefacción, invernaderos, secado de madera, deshidratación de frutas; sin embargo la generación de energía eléctrica es una opción estratégica para el desarrollo del país y por ende es la considerada en este estudio. Las temperaturas en este lugar se consideran en un intervalo de baja temperatura lo cual impide que puedan ser aprovechadas por sistemas o ciclos de potencia con fluidos de trabajo convencionales como lo es un ciclo Rankine operando con vapor de agua. Sin embargo, se pueden emplear sistemas de ciclos de potencia basados en el Ciclo

Rankine Orgánico (CRO) [13], el cual trabaja con diferentes tipos de fluidos principalmente con bajos puntos de ebullición entre los que destacan los fluidos orgánicos [14-17]. Este tipo de ciclos, tienen la bondad de aprovechar fuentes de calor con bajas temperaturas para producir trabajo mecánico o potencia eléctrica, lo que los convierte en una opción ideal para aprovechar el recurso geotérmico en esta zona con el objetivo de generar energía eléctrica.

Figura 1 – Distribución de los campos geotérmicos en México.

Tomada de: http://proyectofse.mx/.

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Figura 2 – Faja Volcánica Transmexicana. Tomada de [6].

Los CRO´s son sistemas que están compuestos principalmente de cinco equipos [18], como en un ciclo Rankine convencional (Figura 3): Generador de vapor (GV), turbina (TV), generador eléctrico (GE), condensador (CON) y bomba (B). Donde el fluido de trabajo recupera calor de la fuente geotérmica en un intercambiador de calor (GV) llevándolo a condiciones de vapor saturado o sobrescalentado (2-3), este fluido es dirigido a una turbina de vapor (TV) a contrapresión o condensación dependiendo las necesidades del sistema (3-4), para posteriormente ser introducido a un condensador el cual empleará un fluido para remover el calor necesario y convertirlo en un líquido saturado (4-1), para enseguida ser direccionado a una bomba la cual aumentará su presión a la que trabaja el sistema (1-2), haciéndolo pasar nuevamente por el generador de vapor y así concluir con el ciclo. Al mismo tiempo que, en la TV se produce trabajo mecánico (5) el cual se transformará en potencia eléctrica por medio de un GE (6).

Figura 3 – Diagrama esquemático del Ciclo Rankine Orgánico

propuesto.

Para este estudio se propone analizar termodinámicamente una planta de CRO, con la finalidad de producir energía eléctrica [19]. La simulación consta en evaluar el CRO con 14 fluidos de trabajo distintos y detectar cuáles son las bondades entre uno y otro fluido. La comparación entre las simulaciones se enfoca en el rendimiento térmico, la potencia neta producida, el trabajo de la bomba, el calor suministrado, la exergia destruida por equipo y total así como la eficiencia exérgica. Con el objetivo de identificar el fluido de trabajo más conveniente a estas condiciones geotérmicas.

2. Metodología

Para la obtención de las propiedades termodinámicas de los 14 fluidos empleados (Tabla 3), se hizo uso del Software

Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Versión 8.0 (REFPROP v.8.0), creado por el National Institute of Standars and Technology (NIST). Dicho software es capaz de estimar propiedades termofísicas de más de 80 sustancias puras y sus posibles mezclas; principalmente de refrigerantes, hidrocarburos y diferentes composiciones del gas natural, proveyendo tablas y diagramas de los mismos.

Tabla 3 – Fluidos de trabajo empleados en la simulación del CRO.

No. Fluido No. Fluido

1 Propano 8 n-Pentano

2 i-Pentano 9 R152a

3 Butano 10 R11

4 1-Buteno 11 R12

5 R134a 12 R113

6 R141b 13 R114

7 R142b 14 R21

Las condiciones de operación se fijaron de acuerdo a

algunos parámetros propios de la zona y de la tecnología empleada, tales como la temperatura máxima del recurso geotérmico, la temperatura ambiental anual promedio (19 °C) la cual define la temperatura de condensación, se consideró una turbina a condensación empleando vapor sobrecalentado con una presión 46 % por debajo de la presión de saturación. Para el análisis por segunda ley, se tomó la presión de saturación correspondiente para cada fluido a la temperatura promedio ambiente. El resto de los criterios se pueden observar en la Tabla 4.

Los balances de energía y exergia se realizaron por cada uno de los componentes involucrados, de acuerdo a las siguientes ecuaciones (Tabla 5), despreciando en todo momento la energía cinética y potencial en el sistema.

Turbina de Vapor (TV)

Generador de Vapor

(GV)

Condensador (CON)

Bomba(B)

Recurso Geotérmico Generador

Eléctrico(GE)

1

2

3

4

5 6

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Tabla 4 – Condiciones y consideraciones para la simulación del CRO.

Temperatura de la fuente geotérmica (ta) 92° C

Diferencia de temperatura en el GV 10° C

Diferencia de temperatura en el CON 10° C

Eficiencia isentropica de la TV 85 %

Eficiencia isentropica de la B 80 %

Eficiencia del GE 96 %

Eficacia del GV 100%

Flujo másico del Fluido Geotérmico (FG) 1 kg/s

Tabla 5 – Ecuaciones empleadas para el análisis del CRO.

Ecuación No.

Bomba �̇�𝐵 = �̇�𝐹𝑇(ℎ2 − ℎ1)

(1)

Generador de Vapor �̇�𝐴 = �̇�𝐹𝑇(ℎ3 − ℎ2)

�̇�𝐶 = �̇�𝐹𝐺(ℎ𝑎 − ℎ𝑏)

(2) (3)

Turbina �̇�𝑇𝑉 = �̇�𝐹𝑇(ℎ3 − ℎ4)

(4)

Condensador �̇�𝐶𝑂𝑁 = �̇�𝐹𝑇(ℎ4 − ℎ1)

(5)

Generador Eléctrico �̇�𝐺𝐸 = (�̇�𝑇𝑉 − �̇�𝐵) ∗ 𝐺𝐸

(6)

Exergia Física �̇�𝑥𝑖 = �̇�[(ℎ𝑖 − ℎ0) − 𝑇0(𝑠𝑖 − 𝑠0)]

(7)

Balance de masa ∑�̇�𝑒𝑛𝑡 =∑�̇�𝑠𝑎𝑙

(8)

Relación de Fluido de Trabajo contra Fluido Geotérmico 𝑅(𝐹𝑇 𝐹𝐺⁄ ) = �̇�𝐹𝑇 �̇�𝐹𝐺⁄

(9)

Balance de Energía ∑�̇�𝑒𝑛𝑡 =∑�̇�𝑠𝑎𝑙

(10)

Balance de Exergia �̇�𝑥𝐷 =∑�̇�𝑥𝑒𝑛𝑡 −∑�̇�𝑥𝑠𝑎𝑙 − �̇�

(11)

Eficiencia Térmica

𝑡ℎ=�̇�𝑇𝑉 − �̇�𝐵

�̇�𝐶

(12)

Eficiencia Exergica

𝐸𝑥=�̇�𝑇𝑉 − �̇�𝐵

�̇�𝑥𝑎 − �̇�𝑥𝑏

(13)

3. Resultados

El análisis mostró diferencias significativas entre los valores de los flujos másicos, el fluido de trabajo con mayor demanda resultó ser el R114 con 1.355 kg/s mientras que el ciclo con n-Pentano solo arrojó una demanda de 0.487 kg/s (Figura 4). Sin embargo, en cuanto a los demás parámetros analizados como la potencia neta de salida (Figura 5), calor

suministrado (Figura 6), presiones de trabajo (Figura 7), potencia de la bomba (Figura 8) y eficiencia energética (Figura 9), el fluido de trabajo que obtuvo un mejor desempeño fue el R113.

A pesar de que el R113 es de los FT que mayor flujo másico arrojó (1.197 kg/s), es el que menor potencia en la bomba demanda (0.074 kW), dado que su intervalo de presiones de trabajo es el más bajo de todos (DP = 0.077 MPa). Aunado a lo anterior, posee las presiones más bajas de operación (0.052 MPa – 0.129 MPa). También se observa que es el FT que mayor aprovecha el calor geotérmico de la fuente (221.94 kWt) y dispone de más energía para ser transformada en potencia eléctrica (13.04 kWe), y finalmente obteniendo la mayor eficiencia térmica (5.87 %) comparada con el resto de los fluidos de trabajo.

Figura 4 – Flujos másicos requeridos para la operación del CRO.

Figura 5 – Potencia neta de salida para cada uno de los 14 fluidos de

trabajo analizados.

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Figura 6 – Calor suministrado o cedido al CRO a través de la fuente

geotérmica.

Figura 7 – Presiones máximas y mínimas de operación dentro del

sistema para cada uno de los fluidos.

Figura 8 – Potencia de la bomba requerida para cada uno de los

fluidos de trabajo.

Figura 9 – Eficiencia térmica para CRO por cada uno de los fluidos

analizados.

Para los resultados por segunda ley, en cuanto a la exergia destruida se observa que al emplear refrigerante R113 se destruye menor exergia en el evaporador y en la bomba, sin embargo, no es así para el caso de la turbina de vapor y el condensador (Figura 10 y 11). A pesar de ello, debido a su alto aprovechamiento de la exergia suministrada y al mismo tiempo aprovechada en el generador de vapor hace que el CRO presente mejor rendimiento exergico (Figura 12).

Figura 10 –Exergia destruida por equipo para cada uno de los fluidos

analizados.

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Figura 11 –Exergia total destruida por la planta de CRO para cada

uno de los fluidos analizados.

Figura 12 –Eficiencia exergica global del CRO para cada uno de los

fluidos analizados.

En este estudio se involucraron FT con potencial de calentamiento global (GWP, por sus siglas en Inglés), así como fluidos con potencial de agotamiento de ozono (ODP, por sus siglas en Inglés), Toxicidad (T), Inflamabilidad (I) y Corrosividad (Co) [20]. Sin embargo, a pesar de los dos primeros, algunos de los FT muestran condiciones óptimas para la seguridad y salud de los operarios de una planta de CRO. El caso de los FT más sobresalientes en los aspectos anteriormente descritos, son: el R11, R12, R113 y R114 (Tabla 6); mismos que al final de cualquier propuesta tecnológica tendrán un roll fundamental en la toma de decisiones debido a sus restricciones ambientales. Por otro lado, de acuerdo a las potencias netas obtenidas, se podría abastecer como mínimo 76 casas-habitación con un consumo básico y 41 casas-habitación con consumo intermedio de acuerdo a la tarifa Doméstica estatal de CFE (www.cfe.mx) (Figura 13).

Tabla 6 – Parámetros ambientales y de seguridad.

No. Fluido GWP ODP T I Co

10 R11 4,000 1 NO NO NO

11 R12 10,890 1 NO NO NO

12 R113 6,130 1 NO NO NO

13 R114 10.04 1 NO NO NO

Las plantas de potencia de CRO es una tecnología fiable

que ha sido difundida y aplicada en otras partes del mundo, como es el caso de Alemania e Italia, donde se han implementado equipos paquete modulares de diversas marcas (Siemens, Turboden, entre otras), para el aprovechamiento de calor de desecho en los procesos industriales principalmente.

Un aspecto que no se debe dejar de lado en este tipo de propuestas tecnológicas, es considerar que al aprovechar un recurso geotérmico se generan impactos que afectan al medio ambiente local; en el caso de Los Negritos, se ha evaluado que es una zona de un desarrollo sustentable muy débil [21], por lo que se debe tener un principal cuidado en proyectos de esta naturaleza.

Figura 13 –Casas-habitación que podrían ser alimentadas con energía

eléctrica producida por la planta de CRO.

4. Conclusión

A pesar de los rendimientos térmicos obtenidos para la planta de CRO, en las condiciones ambientales y de diseño propuestos en este estudio, los cuales resultaron no ser mayores al 6 %, indican que este tipo de plantas para la generación de energía eléctrica es una alternativa posible dado que son capaces de aprovechar fuentes de calor con bajas temperaturas. Con una o varias plantas de este tipo, se podría abastecer la demanda local de la región. De todos los fluidos de trabajo analizados, el R113 mostró un mejor desempeño, en todos los aspectos, en comparación con el resto de los FT, siendo el que menor exergia destruye. Es

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necesario realizar estudios más detallados para lograr identificar las eficiencias y potencias netas de salida máximas, variando algunas condiciones de diseño y operación así como estimar los costos de tecnologías contra potencia neta obtenida. Considerando en todo momento las medidas ambientales internacionales, la preservación de los ecosistemas y el paisaje local.

REFERENCIAS

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