La evolución eficiente del Ciclo Rankine

Las estrategias para minimizar elcontinuo encarecimiento de lasfuentes tradicionales de energía semultiplica entre los diferentes paí-ses. En una economía que obedecea las necesidades del mercado, laindustria ha usado su ambición na-tural de expansión para aportar so-luciones innovadoras a las constric-ciones de la oferta. Esto ha llevadoa invertir ininterrumpidamente ensoluciones viables y alternativas,aumentando de ese modo la efi-ciencia, así como buscando nuevasfuentes de energía. Entre las tecnologías clásicas, y deuso común en todas las plantastérmicas tradicionales y nucleares,está el ciclo Rankine o ciclo de va-por. El rendimiento de este ciclo seha ido mejorado con el transcursodel tiempo, pero se propone apor-tar una mejora, no sólo en la efi-ciencia, sino en otras facetas degran interés para la industria ener-gética como es el ahorro del consu-mo de agua.Se propone promover a través deeste artículo una nueva tecnologíapara la mejora del ciclo, explicandosus ventajas y su gran potencialpara las plantas energéticas actua-les y futuras. Dicha tecnología estáencabezada por IMASA, Ingenieríay Proyectos, S.A., multinacional es-pañola, que ostenta en exclusiva lamisma proyectando múltiples apli-caciones, entre ellas, plantas debiomasa y, especialmente, en elcampo solar termoeléctrico, dondeha acumulado conocimiento a lo

largo de su trayectoria en el sector.El ciclo Rankine es un ciclo termo-dinámico en el cual se transformael calor en trabajo. Su eficienciaestá acotada por la eficiencia ter-modinámica del ciclo de Carnotoperando entre dos focos térmicos.La principal ventaja de este ciclo essu madurez industrial, fruto de unlargo y continuo desarrollo, así co-mo a su elevada aplicabilidad. Lasmejoras se producen principalmen-te por el aumento de la diferenciade temperatura entre el foco frío yel foco caliente, gracias a la conti-nua evolución de los materiales,siendo capaces de sostener condi-ciones cada vez más restrictivas,llegando a soportar hasta condicio-nes supercríticas del agua. Los di-seños térmicos y mecánicos másrecientes han permitido diseñarcondensadores de muy baja pre-sión y turbinas de vapor a conden-sación para trabajar a presiones in-feriores a 0,1 bar. Esto ha incre-mentado el rendimiento eléctricodel ciclo.Otras ventajas han venido de unmejor aprovechamiento del caloren las calderas para sobrecalentarel vapor o recalentarlo, o utilizarvarias corrientes de sangrado de laturbina para precalentar el agua deaporte a la caldera (regeneración).Para ampliar el aprovechamientodel calor de algunas plantas, sehan introducido ciclos binarios, endonde operan dos ciclos en serie adiferentes temperaturas. En casosde bajas fuentes de calor, se puede

emplear un fluido orgánico paraaprovecharlo mejor (ciclos de Ran-kine orgánicos). Por medio de he-rramientas modernas de CFD, sehan elaborado turbinas y equiposmás sofisticados, con rendimientosaumentados y menor manteni-miento.Sin embargo, en la actualidad, ladisponibilidad de agua y el uso detorres de refrigeración están siendoun cuello de botella con los que seestá encontrando los ciclos de Ran-kine actuales. El agua es cada vezun bien más caro y escaso. Sirvade referencia que ubicaciones idó-neas para plantas solares termoe-léctricas, con elevado grado de in-solación anual, están encontrandobarreras por la limitación de aguaen la zona. Estas circunstanciasjuegan en detrimento de la produc-ción eléctrica, ya que obliga a unamayor presión de condensación. Esineludible pues que estos factores

La industria energética está abocada a cambios periódicos tecnoló-gicos y a seguir ofreciendo el mejor compromiso de eficiencia, fia-bilidad y servicio. Ante hechos tan contundentes como el aumento delconsumo eléctrico al doble en los últimos veinte años, y la más queprobable continuación de tal tendencia en el futuro, es necesario se-guir esforzándose en innovar y continuar aumentando la eficienciaen el uso y provecho de todas las fuentes de energía en los añosvenideros.

Ciclo Higroscópico

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Francisco Javier Rubio, inventor de latecnología

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pueden llegar a penalizar el rendi-miento y, como consecuencia, eléxito del proyecto. Y aún cuando ladisponibilidad de agua es asequi-ble, el empleo de torres de refrige-ración trae consigo un aumento delos costes de explotación, trata-miento del agua (consumo de adi-tivos químicos) y riesgos medioam-bientales (como es el problema ca-da vez más presente de la legione-lla) que dificultan o inclusive haceninviables la instalación de estos ci-clos utilizando refrigeración por víahúmeda. Aunque los aeroconden-sadores (condensación del vaporde agua mediante contacto indirec-to con aire ambiente), a priori, per-miten solucionar en parte el pro-blema, tanto su precio como el es-pacio requerido y su consumo eléc-trico hacen que su instalación nosea rentable ni atractiva en la ma-yoría de los casos.En los problemas comentados an-teriormente es donde realmentehay espacio para mejora, ya queun equipo español de investigado-res, liderado por Francisco JavierRubio, jefe de ingeniería de la divi-sión de energía de IMASA, Ingenie-ría y Proyectos, S.A., ha llegado auna solución simple y con múltiplesventajas en cuanto a espacio, cos-tes de operación y mantenimiento,rendimiento, y coste de inversión.Se trata del ciclo Higroscópico. Es-ta evolución del ciclo Rankine per-mite trabajar con compuestos hi-groscópicos que contribuyen a me-jorar las condiciones de condensa-ción del vapor a la salida de la tur-bina y reducir muy significativa-mente el consumo de agua.El ciclo Higroscópico utiliza losprincipios físicos y químicos de lasmáquinas de absorción para apor-tar al ciclo Rankine mayor rendi-miento y mejores condiciones derefrigeración en un sistema eficien-te y práctico. El conocimiento y ex-periencia con compuestos higros-cópicos ha sido la motivación deesta idea, y especialistas a nivel in-ternacional de institutos de energíade primer nivel así lo avalan.Los compuestos higroscópicos soncompuestos que presentan unagran avidez por el agua en formade vapor. Generalmente son sales(LiBr, NaCl, Na2SO4 por citar algu-

nos ejemplos) presentes algunasde ellas en bajas concentracionesen el agua de red. Se trata de com-puestos que no son volátiles, tóxi-cos ni inflamables, sino estables,abundantes y baratos. Dependien-do de su naturaleza y concentra-ción, todos ellos tienen en comúnque, en mayor o menor medida,sus disoluciones con el agua permi-ten aumentar las temperaturas decondensación. El ejemplo más sen-cillo lo encontramos en el aumentoebulloscópico que sufre el aguacuando lo mezclamos con peque-ñas cantidades de sal común.Por medio de la absorción con com-puestos higroscópicos, a diferenciadel ciclo Rankine, se pueden conse-guir menores presiones a la salidade la turbina para la misma tempe-ratura de refrigeración, o conden-sar a mayor temperatura para lasmismas presiones de condensa-ción. Además, la elección de com-puestos higroscópicos con caloresde dilución endotérmicos (KNO3 yNaNO3 por ejemplo) disminuyeparte de la energía de condensa-ción en el absorbedor. Para aprove-char este efecto al máximo y dis-minuir el consumo de agua, estesimple y eficaz ciclo disipa el resto

de la energía mediante un aerorre-frigerante. La configuración del ci-clo Higroscópico es tal que de ma-nera ingeniosa y práctica se reem-plaza el condensador tradicional oun aerocondensador, por un absor-bedor donde se ponen en contactolas sales higroscópicas con el vaporde salida de turbina que se preten-de condensar. La configuración delciclo empleando un absorbedor co-mo condensador tiene numerosasventajas sobre un condensadortradicional. La primera es el precio,ya que puede llegar a ser hasta 5veces más barato que un conden-sador tradicional, ocupa muchomenos espacio (reducción de cos-tes de obra civil), la pérdida de car-ga es prácticamente nula (menosnecesidad de subenfriar el vapor) ylos costes de explotación son tam-bién significativamente inferiores.Según la concentración del com-puesto higroscópico elegido se ob-tendrá mayor o menor rendimien-to, puesto que se podrá trabajarcon presiones de condensaciónmás bajas sin que las condiciones

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“La principal ventaja de este ciclo es

su madurez industrial, fruto de un lar-

go y continuo desarrollo, así como a

su elevada aplicabilidad”.

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medioambientales limiten el focofrío. Esta optimización se traduceen producciones eléctricas entre un1% y un 5% mayores que los ac-tuales ciclos Rankine operando alas mismas condiciones en el fococaliente y bajo las mismas condi-ciones ambientales (foco frío). Setrata por tanto de un paso muy sig-nificativo en la evolución e implan-tación de los ciclos Rankine. El ciclo higroscópico cuenta con va-rias similitudes al ciclo Rankine pe-ro, sobre todo, de entre todas, ca-be destacar el hecho de poder apli-car las mismas mejoras que en elciclo convencional. Esto permiteobtener aún más rendimiento a es-te último, gracias a las mejorescondiciones de refrigeración, con-diciones que vienen marcadas porel uso de los distintos compuestoshigroscópicos. Tal familia en la ac-tualidad, es motivo de intensos es-tudios, los cuales están dando susfrutos, obteniendo como conse-cuencia una constante expansiónen número de compuestos y en elconocimiento de sus propiedades.El ciclo Higroscópico de ello se ve yverá beneficiado a medida que elconocimiento avance. Con frecuencia, en ingeniería suce-de que los aumentos de eficienciaconllevan un mayor coste de losequipos, debido mayormente a losmejores materiales y la tecnologíaempleada en su fabricación. Sin

embargo, en comparación a los ac-tuales ciclos Rankine, se puedeafirmar que para bajas concentra-ciones de sal o compuesto higros-cópico se consigue un 1% más deproducción eléctrica, se reduce enmás de un 90% el consumo deagua de la planta, se disminuyenlos costes de explotación, y todoesto con una inversión inicial de laplanta similar o menor, dado quese utilizan equipos convencionales,comerciales y garantizados por elfabricante.Ciertamente una mayor concentra-ción de sales implica mayor costede los equipos, pero el aumento deeficiencia del ciclo compensa am-pliamente tal incremento, redu-ciéndose así el tramo a amortizar.

Este punto es clave a la hora de co-mercializar el ciclo, ya que, para in-versiones similares, el ciclo Higros-cópico es más competitivo, renta-ble y con la misma fiabilidad y ga-rantía que los ciclos Rankine tradi-cionales.Esta tecnología es de aplicación in-mediata en ciclos combinados,plantas solares termoeléctricas,plantas nucleares y plantas decombustión por biomasa, carbón,etc… Incluso al aumentar la tempe-ratura de condensación se puedeutilizar en plantas de cogeneraciónpara aprovechamiento térmico, au-mentando su campo de acción ypotencial futuro.Empleando un ejemplo real de in-versión reciente, se puede compa-rar su rendimiento con el ciclo Hi-groscópico para demostrar la po-tencialidad del mismo a la hora decompetir entre proyectos energéti-cos. El referente es una sofisticadaplanta de producción eléctrica porcombustión de biomasa de 15 MWede reciente instalación. Ésta garan-tiza una disponibilidad del 86 %,7.500 h/año, y un rendimientoeléctrico neto del 27% utilizandoun ciclo optimizado de Rankine tra-dicional. Uno de los problemas conlos que se encuentra esta planta esla escasez de agua en los alrededo-res y las continuas inspeccionessanitarias por el problema de la le-gionella. Por lo tanto, en ausenciade agua, la presión de condensa-ción del vapor a la salida de la tur-bina está limitada, y con ello elrendimiento del ciclo. El ciclo Hi-groscópico que comercialmentepodría instalarse en la actualidadtiene el potencial de liberar el ciclode este límite y aumentar su rendi-miento a un coste inferior. En pri-mer lugar el ciclo Higroscópico norequiere torres de refrigeración niaerocondensadores, sino un aero-rrefrigerante por el que se disipa elcalor de condensación del vapororiginado en el absorbedor. Se es-tima de manera conservadora queel precio total de la inversión de es-te ciclo está en torno a un 5% me-nos que el actual ciclo Rankine. Sepuede incluso garantizar un incre-mento neto de un 1% en la produc-ción eléctrica, lo que correspondeen este caso a 150 kW netos más,

“El ciclo Higroscópico utiliza los princi-

pios físicos y químicos de las máqui-

nas de absorción para aportar al ciclo

Rankine mayor rendimiento y mejores

condiciones de refrigeración en un

sistema eficiente y práctico. El conoci-

miento y experiencia con compuestos

higroscópicos ha sido la motivación de

esta idea, y especialistas a nivel inter-

nacional de institutos de energía de

primer nivel así lo avalan”.

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dado que los autoconsumos no au-mentan con este ciclo. En cuanto alahorro anual de agua y aditivos pa-ra esta planta, se estima en400.000 m3 el consumo de aguaen las torres de refrigeración, ymás de 10 m3 en aditivos químicos(NaClO, biocida y antiincrustante)al año. En comparación, el consu-mo de agua anual de esta planta esel equivalente a llenar 160 piscinasolímpicas, y podría abastecer amás de 7.000 personas en un añopara un consumo normal diario de

agua de 150 litros por persona.Además, con el paso del tiempo, elcoste del agua industrial irá en au-mento, y para el año 2014 se pre-vé un coste medio de 2 €/m3. Apli-cando estas cifras se llega al valorde 800.000 € ahorrados al año só-lo en agua de reposición. Despuéshay que considerar el coste de losaditivos químicos, el mantenimien-to de las torres, el impacto medio-ambiental etc…Por otro lado se encuentra el bene-ficio económico del ciclo originado

por la mayor producción eléctricaneta que se alcanza con esta nue-va tecnología, en este caso de1.125 MWh/año, que supone un in-greso anual de 135.000 € aproxi-madamente.Por tanto se puede concluir que,para este ejemplo de planta eléctri-ca por combustión de biomasa, elemplear el ciclo Higroscópico envez de un ciclo Rankine tradicionaldaría 1 millón de euros de benefi-cio netos más al año, calculado demanera conservadora y, recorde-mos, partiendo de una menor in-versión.Cabe destacar que en plantas sola-res termoeléctricas estos valoresde beneficio son ligeramente supe-riores, pues generalmente la mejorubicación de la planta correspondea zonas desérticas donde la ausen-cia de agua es el principal proble-ma.Estos valores reflejan la competiti-vidad de la inversión en el ciclo Hi-groscópico, y el equipo de expertosresponsables de esta novedosatecnología está dispuesto a afron-tar cualquier desafío para aplicareste ciclo a la industria, gracias asu talento, experiencia y motiva-ción para ofrecer la mejor solucióntécnica, económica, segura y me-dioambiental a sus clientes.

Inventor de la tecnología:Francisco Javier Rubio SerranoJefe de ingeniería de la división deenergía de IMASA, Ingeniería y Pro-yectos, S.A.www.imasa.com

Artículo realizado por:Grupo de investigación Ibergywww.ibergy.com

“Esta tecnología es de aplicación inme-

diata en ciclos combinados, plantas sola-

res termoeléctricas, plantas nucleares y

plantas de combustión por biomasa, car-

bón, etc… Incluso al aumentar la tempe-

ratura de condensación se puede utilizar

en plantas de cogeneración para aprove-

chamiento térmico, aumentando su cam-

po de acción y potencial futuro”.

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