Integración de sistemas basados en ciclos ORC en viviendas

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de la energía Integración de sistemas basados en ciclos ORC en viviendas Autor: Juan José Hernández Puertas Tutor: Ricardo Chacartegui Ramírez Dep. Ingeniería energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2016 iii Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de la energía Integración de sistemas basados en ciclos ORC en viviendas Autor: Juan José Hernández Puertas Tutor: Ricardo Chacartegui Ramírez Profesor titular Dep. Ingeniería energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2016 v Autor: Juan José Hernández Puertas Tutor: Ricardo Chacartegui Ramírez El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2016 El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis amigos A mi madre Encarmi A mi padre Juan José Y a mis hermanos Ana y Jorge ix Agradecimientos Este trabajo significa la conclusión del grado por esto aprovecho este espacio para agradecer a todas esas persona que me han ayudado en estos cuatro años desde mis compañeros de clase a profesores. Una mención especial para mis amigos y mi familia que tanto me han ayudado y apoyado. Juan José Hernández Puertas Sevilla, 2016 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2a.Hipótesis de selección de fluido 21 Tabla 2b.Condiciones de trabaja de algunos fluidos 21 Tabla 2c. Análisis R113 23 Tabla 2d. Análisis Tolueno 24 Tabla 2e. Análisis Propileno 25 Tabla 2f. Análisis R124 26 Tabla 2g. Análisis R123 27 Tabla 2h. Análisis R245fa 28 Tabla 2i. Análisis Pentano 29 Tabla 2j. Resumen análisis de los fluidos 29 Tabla 2.3 Parámetros GWP y ODP 32 Tabla 2.5 Resumen Selección del fluido de trabajo 34 Tabla 3.1 Condiciones de referencia 36 Tabla 3.1a Condiciones de operación ciclo ORC de 250 w 39 Tabla 3.1.1b Comportamiento del ORC 250 w en Enero 40 Tabla 3.1.1m Parámetros anuales 46 Tabla 3.1.2a Condiciones en el ciclo ORC con recalentamiento 47 Tabla 3.1.2o Comportamiento del ORC con recalentamiento Anual 54 Tabla 3.1.3.1m Comportamiento del ORC con recuperador Anual 63 Tabla 3.1.3.1n Rango de gastos másicos durante el funcionamiento 63 Tabla 3.1.3.3 Propiedades físicas del material PCM 73 Tabla 3.1.4a Condiciones del ciclo de la bomba de calor 77 Tabla 3.1.4b Parámetros característicos del ciclo de la bomba de calor 78 Tabla 3.1.4c Propiedades físicas del A52 83 xvii Tabla 3.1.4d Rango de gastos en el ciclo ORC bomba de calor (Producción calor) 83 Tabla 3.1.4e Rango de gastos en el ciclo ORC bomba de calor (Producción frío) 86 Tabla 4.1a Condiciones de operación del evaporador 89 Tabla 4.1b Propiedades calóricas del aceite 90 Tabla 4.1c Parámetros del aceite en el evaporador 91 Tabla 4.1e Características del evaporador 91 Tabla 4.2a Condiciones de operación del primer recalentamiento 92 Tabla 4.2b Longitudes características y Parámetros del aceite 92 Tabla 4.2c Parámetros calóricos del R245 93 Tabla 4.2d Características del 1º recalentamiento 93 Tabla 4.2e Dimensionamiento del recalentador 93 Tabla 4.3a Condiciones de operación en el Condensador 94 Tabla 4.3b Longitudes características y Parámetros del agua en el condensador con placas 95 Tabla 4.3c Parámetros calóricos del R245 en el condensador de placas 96 Tabla 4.3d Características del condensador de placas 96 Tabla 4.3f Configuración de los tubos en el condensador 97 Tabla 4.3g Prestaciones del condensador carcas y tubo VS condensador de placas 98 Tabla 4.4a Condiciones de entrada y salida del expander 99 Tabla 4.4b Hipótesis de diseño 100 Tabla 4.4c Triángulos de velocidades del expander 101 Tabla 4.4d Geometría del rotor 102 Tabla 4.4e Condiciones de entrada y salida 1º escalonamiento 103 Tabla 4.4f Triángulos de velocidades en el 1º escalonamiento 104 Tabla 4.4g Geometría del rotor en el 1º escalonamiento Tabla 4.4h Condiciones de trabajo y geometría de los escalonamientos de la turbina 105 Tabla 5.3 Demanda diaria por unidad de superficie 127 Tabla 5.2a Parámetros anuales en Brasilia 119 Tabla 5.2b Parámetros anuales en Buenos Aires 121 Tabla 5.2c Parámetros anuales en Antofagasta 123 Tabla 5.2d Parámetros anuales en Bombay 125 Tabla 6.1.1a Parámetros de costes de intercambiadores 136 Tabla 6.1.1b Costes del evaporador y recalentadores 137 Tabla 6.2.2 Parámetros económicos 138 Tabla 6.3 Costes del sistema ORC con recuperador de 1,5 kw 138 Tabla 6.4 Precio y Producción eléctrica en las distintas zonas 139 xix ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1a Esquema ciclo ORC con recuperador 12 Figura 1.1b Diagrama T-S ORC 12 Figura 1.1c Diagrama T-S agua y tolueno 13 Figura 1.2.1 Esquema ORC biomasa 14 Figura 1.2.2 Esquema ORC geotermia 15 Figura 1.2.3 Esquema ORC Solar 15 Figura 1.3 Companas de saturación del agua y fluidos orgánicos 16 Figura 1.4 Componentes de potencia 17 Figura 2.1a. Esquema ORC 21 Figura 2.1b.Diagrama T-S R113 22 Figura 2.1c Diagrama T-S Tolueno 23 Figura 2.1d Diagrama T-S Propileno 24 Figura 2.1e Diagrama T-S R124 25 Figura 2.1f Diagrama T-S R123 26 Figura 2.1g Diagrama T-S R245fa 27 Figura 2.1. Diagrama T-S Pentano 28 Figura 2.2 Diagrama T-S de distintos fluidos y gráfico eficiencia VS Temperatura de evaporación 30 Figura 2.3 Parámetros GWP y GWP 31 Figura 2.4a Coste VS Eficiencia 33 Figura 2.4b Diagrama Coste VS Condiciones operación 33 Figura 3.1a Tipos de terreno en la geotermia 35 Figura 3.1b Profundidad VS Temperatura 35 Figura 3.1c Radiación horaria en Sevilla 36 Figura 3.1.1 Esquema de la instalación ORC 250 y 700 watios 38 Figura 3.1.1a Diagrama T-S ciclo ORC de 250 w de potencia nominal 38 Figura 3.1.1b Variación del rendimiento de la turbina respecto a la carga 39 Figura 3.1.1c Producción VS Demanda en Enero y Febrero 41 Figura 3.1.1d Producción VS Demanda en Marzo y Abril 41 Figura 3.1.1e Producción VS Demanda en Mayo, Junio, Julio y Agosto 42 Figura 3.1.1f Producción VS Demanda en Septiembre y Octubre 43 Figura 3.1.1g Producción VS Demanda en Noviembre y Diciembre 43 Figura 3.1.1h Gasto de agua en el condensador ORC 250 watios 44 Figura 3.1.1i Consumo de auxiliar para mover el agua de condensado ORC 250 watios 44 Figura 3.1.1j Consumo de bomba ORC 250 watios 45 Figura 3.1.1k Rendimiento global ORC 250 watios 45 Figura 3.1.2a Diagrama T-S ciclo ORC con recalentamiento 47 Figura 3.1.2b Demanda-Producción ciclo ORC con recalentamiento en Enero, Febrero y Diciembre 48 Figura 3.1.2c Demanda-Producción ciclo ORC con recalentamiento en Marzo y Abril 49 Figura 3.1.2d Demanda-Producción ciclo ORC con recalentamiento en Mayo, Junio, Julio y Agosto 50 xxi Figura 3.1.2e Demanda-Producción ciclo ORC con recalentamiento en Septiembre, Octubre y Noviembre 51 Figura 3.1.2f Gasto de agua de condensado en ORC 700 watios 52 Figura 3.1.2g Consumo de la bomba auxiliar del condensador en ORC 700 watios 52 Figura 3.1.2h Consumo de la bomba del ORC 700 watios 53 Figura 3.1.2i Rendimiento global del ORC 700 watios 53 Figura 3.1.3a Esquema de la instalación con recuperador 55 Figura 3.1.3b Diagrama T-S del ciclo ORC con recuperador de calor 55 Figura 3.1.3.1b Producción VS Demanda en ciclo ORC 1,5 kw con recuperador en Enero, Febrero y Diciembre 56 Figura 3.1.3.1c Producción VS Demanda en ciclo ORC 1,5 kw con recuperador en Marzo, Abril y Mayo 57 Figura 3.1.3.1d Producción VS Demanda en ciclo ORC 1,5 kw con recuperador en Junio, Julio y Agosto 58 Figura 3.1.3.1e Producción VS Demanda en ciclo ORC 1,5 kw con recuperador en Septiembre, Octubre y Noviembre 59 Figura 3.1.3.1f Producción VS Gasto de agua en el condensador ORC 1,5 kw con recuperador 60 Figura 3.1.3.1g Comparativa de gasto de R-345fa en el mes de Julio 60 Figura 3.1.3.1h Consumo de bomba auxiliar del condensador ORC 1,5 kw con recuperador 61 Figura 3.1.3.1i Consumo de bomba ORC 1,5 kw con recuperador 61 Figura 3.1.3.1j Rendimiento global ORC 1,5 kw con recuperador 61 Figura 3.1.3.1k Producción diaria típica mensual del ciclo ORC con recuperador 61 Figura 3.1.3.1l Porcentaje de ahorro mensual 62 Figura 3.1.3.1m Gastos de aceite térmico y agua presurizada en un día típico de Julio en Sevilla 63 Figura 3.1.3.2a Comportamiento del ORC con recuperador en Enero 65 Figura 3.1.3.2b Comportamiento del ORC con recuperador en Febrero 65 Figura 3.1.3.2c Comportamiento del ORC con recuperador en Marzo 66 Figura 3.1.3.2d Comportamiento del ORC con recuperador en Abril 66 Figura 3.1.3.2e Comportamiento del ORC con recuperador en Mayo 67 Figura 3.1.3.2f Comportamiento del ORC con recuperador en Junio 67 Figura 3.1.3.2g Comportamiento del ORC con recuperador en Julio 68 Figura 3.1.3.2h Comportamiento del ORC con recuperador en Agosto 68 Figura 3.1.3.2i Comportamiento del ORC con recuperador en Septiembre 69 Figura 3.1.3.2j Comportamiento del ORC con recuperador en Octubre 69 Figura 3.1.3.2k Comportamiento del ORC con recuperador en Noviembre 70 Figura 3.1.3.2l Comportamiento del ORC con recuperador en Diciembre 70 Figura 3.1.3.2m Producción diaria típica mensual del ciclo ORC con recuperador 71 Figura 3.1.3.2n Ahorro mensual en ciclo ORC con recuperador y producción ACS 71 Figura 3.1.3.3 Esquema instalación de ORC con almacenamiento térmico 72 Figura 3.1.3.3a Demandas diarias medias de calefacción 73 Figura 3.1.3.3a Comportamiento diario de la producción de calor del ORC con recuperador en Enero 74 Figura 3.1.3.3b Comportamiento diario de la producción de calor del ORC con recuperador en Febrero 74 Figura 3.1.3.3a Comportamiento diario de la producción de calor del ORC con recuperador en Marzo 75 Figura 3.1.3.3a Comportamiento diario de la producción de calor del ORC con recuperador en Noviembre 75 Figura 3.1.3.3a Comportamiento diario de la producción de calor del ORC con recuperador en Diciembre 75 Figura 3.1.3.3a Volumen de A118 requerido horariamente 76 Figura 3.1.4a Esquema bomba de calor 77 Figura 3.1.4a Esquema bomba de calor 78 Figura 3.1.4c Demanda de calefacción diaria 79 Figura 3.1.4d Comportamiento de la bomba de calor en Enero 79 Figura 3.1.4e Comportamiento de la bomba de calor en Febrero 80 Figura 3.1.4f Comportamiento de la bomba de calor en Marzo 80 Figura 3.1.4g Comportamiento de la bomba de calor en Noviembre 81 Figura 3.1.4h Comportamiento de la bomba de calor en Diciembre 81 Figura 3.1.4i Producción VS Apoyo auxiliar diario 82 Figura 3.1.4j Consumo del compresor para la producción de calor (bomba de calor) 82 Figura 3.1.4k Volumen diario de A52 83 Figura 3.1.4l Demanda diaria de frío en Sevilla 84 Figura 3.1.4m Comportamiento de la bomba de calor en Junio 84 Figura 3.1.4n Comportamiento de la bomba de calor en Julio 85 Figura 3.1.4o Comportamiento de la bomba de calor en Agosto 85 Figura 3.1.4p Comportamiento de la bomba de calor en Septiembre 86 Figura 3.1.4q Producción frío VS Consumo del compresor 86 Figura 4.1 Intercambiador de placas 88 Figura 4.3a Intercambiador de placas 95 Figura 4.3b Intercambiador carcasa y tubo 97 Figura 4.4a Turbina radial 98 Figura 4.4b Diagrama T-S del ciclo con un escalonamiento 99 Figura 4.4c Triángulos de velocidades 100 Figura 4.4d Diagrama T-S con 4 escalonamientos 103 Figura 4.4e Geometría del rotor 105 Figura 5.1a Ubicación de las zonas de clima mediterráneo 106 Figura 5.1b Radiación típica diaria de cada mes en Atenas 107 Figura 5.1c Radiación típica diaria de cada mes en Nápoles 107 Figura 5.1d Radiación típica diaria de cada mes en Marsella 108 Figura 5.1e Producción de energía en las zonas mediterráneas en Enero 108 Figura 5.1f Producción de energía en las zonas mediterráneas en Febrero 109 Figura 5.1g Producción de energía en las zonas mediterráneas en Marzo 109 Figura 5.1h Producción de energía en las zonas mediterráneas en Abril 110 Figura 5.1i Producción de energía en las zonas mediterráneas en Mayo 110 Figura 5.1j Producción de energía en las zonas mediterráneas en Junio 111 Figura 5.1k Producción de energía en las zonas mediterráneas en Julio 111 xxiii Figura 5.1l Producción de energía en las zonas mediterráneas en Agosto 111 Figura 5.1m Producción de energía en las zonas mediterráneas en Septiembre 112 Figura 5.1n Producción de energía en las zonas mediterráneas en Octubre 112 Figura 5.1o Producción de energía en las zonas mediterráneas en Noviembre 113 Figura 5.1p Producción de energía en las zonas mediterráneas en Diciembre 113 Figura 5.1r Producción diaria en Atenas 114 Figura 5.1s Porcentaje de ahorro de consumo eléctrico mensual en Atenas 114 Figura 5.1t Producción diaria en Nápoles 115 Figura 5.1u Porcentaje de ahorro de consumo eléctrico mensual en Nápoles 115 Figura 5.1v Producción diaria en Marsella 116 Figura 5.1w Porcentaje de ahorro de consumo eléctrico mensual en Marsella 116 Figura 5.2 Zonas de Sudamérica estudiadas 117 Figura 5.2a Radiación típica diaria de cada mes en Brasilia 118 Figura 5.2b Producción diaria en Brasilia 118 Figura 5.2c Tiempo de funcionamiento a plena carga en Brasilia 119 Figura 5.2d Radiación típica diaria de cada mes en Buenos Aires 120 Figura 5.2e Producción diaria en Buenos Aires 121 Figura 5.2f Tiempo de funcionamiento a plena carga en Buenos Aires 121 Figura 5.2g Radiación típica diaria de cada mes en Antofagasta 122 Figura 5.2h Producción diaria en Antofagasta 123 Figura 5.2i Tiempo de funcionamiento a plena carga en Antofagasta 124 Figura 5.2j Radiación típica diaria de cada mes en Bombay 125 Figura 5.2k Producción diaria en Bombay 125 Figura 5.2l Tiempo de funcionamiento a plena carga en Bombay 125 Figura 5.2m Comparación de porcentaje de horas a plena carga entre Brasilia, Bombay e Antofagasta 126 Figura 5.2n Comparativa de la producción anual de todas las ubicaciones analizadas 127 Figura5.3.1a Comportamiento de la bomba de calor en invierno Atenas 128 Figura 5.3.1b Comportamiento de la bomba de calor en Julio Atenas 129 Figura5.3.1c Comportamiento de la bomba de calor en Agosto Atenas 129 Figura5.3.1d Comportamiento de la bomba de calor en Septiembre Atenas 130 Figura5.3.2a Demanda-Producción de calor en Marsella invierno 130 Figura5.3.2b Demanda-Producción de frío en Marsella Julio 133 Figura5.3.2c Demanda-Producción de frío en Marsella Agosto 133 Figura5.3.3a Demanda-Producción de calor en Nápoles 134 Figura5.3.3b Demanda-Producción de frío en Nápoles 135 Figura 6.4b VAN de las distintas ubicaciones 140 Figura 6.4c TIR de las distintas ubicaciones 141 Figura 6.4d Payback en las distintas ubicaciones con baterías económicas 141 Figura 6.4e VAN en las distintas ubicaciones con baterías económicas 142 Figura 6.4f TIR en las distintas ubicaciones con baterías económicas 142 xxv Introducción 16 16 El esquema de funcionamiento que el de una instalación solar típica, modificando exclusivamente el agua por el nuevo fluido de trabajo. Otras aplicaciones interesantes son la de producción de calor a través de equipos industriales y motores de combustión interna. 1.3 Comparación con el ciclo Rankine de vapor La curva de saturación del vapor es negativa para el agua, mientras la curve es mucho más vertical para los fluidos orgánicos. Como consecuencia, la limitación del título de vapor al final de la expansión desaparece en un ciclo ORC y no hay necesidad de sobrecalentar el fluido antes de turbinar. Figura 1.3 Companas de saturación del agua y fluidos orgánicos[42] Por otro lado, el salto de temperaturas es menor por lo que se espera un trabajo específico inferior al que puede producir el ciclo de Rankine, esto influye además en el rendimiento. Una ventaja de los ORC es la posibilidad de invertir el ciclo y trabajar como bomba de calor. 1.4 Bloque de potencia En los sistemas ORC hay muchas configuraciones de ciclo posibles, principalmente depende del fluido orgánico empleado, Las configuraciones más empleadas son la simple, con regenerador y con sobrecalientamiento y regenerador. En este trabajo analizaremos los dos primeros, previamente seleccionaremos el fluido de trabajo analizándolo a unas condiciones de trabajo con un ciclo simple en la ubicación de Sevilla, que tomaremos como referencia, y posteriormente haremos otros análisis más exhaustivos con el fluido determinado. 17 Figura 1.4 Componentes de potencia [40] Los procesos que ocurren entre los puntos de la figura son los siguientes: 1-2: El fluido de trabajo es llevado a la presión de evaporación. 2-3: El fluido es evaporado y según la configuración puede ser sobrecalentado. 3-4: Se expande el fluido en la turbina hasta la presión de condensación. 4-4re: Se extrae calor hacia el precalentado del fluido expansionado hasta saturarlo. 4re-1: Se condensa al fluido de trabajo. 1.4.1 Bomba La bomba es la encargada de suministrar la potencia suficiente a nuestro fluido para que adquiera la presión adecuada, al tratarse de compresión en estado líquida y al manejar gastos pequeños no vamos analizar ni dimensionar este componente en este proyecto, dándole mayor importancia al resto de componentes. Es fácil obtener el punto dos una vez conocido la temperatura de condensación y la presión de evaporación mediante el rendimiento isentrópico de la bomba que la consideraremos del 80%. 𝑝1=𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛(𝑥 =0;𝑇=𝑇1) ℎ1=𝐸𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝í𝑎(𝑥 =0;𝑇 =𝑇1) 𝑠1=𝐸𝑛𝑡𝑟𝑜𝑝í𝑎(𝑥 =0;𝑇 =𝑇1) Y a partir del rendimiento: ℎ2𝑠 =𝐸𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝í𝑎(𝑆 =𝑠1;𝑃 =𝑃2) 𝜂𝑏=ℎ2𝑠 −ℎ1 ℎ2−ℎ1 Introducción 18 18 1.4.2 Turbina Es el componente más importante del ORC debido a que todo lo que se hace es en vano si este componente hace su labor correctamente. En nuestro trabajo trabajo cabe destacar que trabajaremos con dimensiones muy inferiores a las que solemos ver en el ciclo de Rankine convencional, además como hemos mencionado anteriormente requeriremos de menos escalonamientos al trabajar con relaciones de expansiones inferiores y con fluidos de curva de saturación con pendiente positiva generalmente. Otro aspecto fundamental que hay que destacar de la turbina respecto de la turbina que es que se convierte muy económica no solo por el motivo de la dimensión, sino por el tema de los materiales. Al configurar un ORC para una vivienda unifamiliar, la temperatura de entrada se reduce consideradamente (inferior a 150º C) permitiéndonos el uso de materiales de bajo coste e incluso es posible su fabricación con impresora 3D. 1.4.3 Evaporador El evaporador es un intercambiador de calor que tiene una función específica, evaporar a alta presión al fluido de trabajo. En nuestro caso fluidos orgánicos, generalmente trabajara con gastos bajos en el tipo de instalaciones que vamos a estudiar de carácter residencial. Estos fluidos se caracterizan por ser densos, por lo que el tamaño de este intercambiador será menor que en los ciclos de vapor. En el caso de que exista regenerador el fluido llegaría en estado bifásico. Esta tecnología utiliza en ocasiones intercambiadores de placas o los convencionales carcasa y tubo. 1.4.4 Regenerador En ORC cuando trabajamos con un fluido seco, tal y como hemos mencionado anteriormente, en la salida de nuestro expander nos encontramos con un fluido que está a la presión de condensación aunque no a la temperatura de condensación. El objetivo de este componente es trasvasar esa energía localizada en el salto de temperatura hasta la condensación hacia el evaporador aumentando la eficiencia del ciclo. Esta provoca un aumento del gasto de fluido de trabajo evaporado, aumentando la potencia adquirida para una dimensión de colector dada o permite reducir dicha dimensión. 1.4.5 Condensador Es uno de los componentes principales de la instalación, su función es condensar el fluido de trabajo a baja presión para pasar a la bomba y poner el fluido a alta, reduciéndose la potencia necesaria al trabajar con un líquido. En nuestro caso utilizaremos la geotermia como foco frío teniendo como principal motivo la estable temperatura que se da durante todo el año. Una temperatura cambiante en el foco frio provocaría 19 muchos problemas técnicos y estratégicos como la reducción de salto en la turbina y la operación de los equipos en condiciones distintas a la de diseño. Otro aspecto importante es el encontrar un fluido de trabajo cuya temperatura de condensación considerada óptima para esta condensación se realice a una presión adecuada desde el punto de vista de la producción. Es conveniente trabajar con un fluido cuya presión condensación este acompañada de una temperatura superior a la del foco frio con objetivo de reducir su dimensión y el gasto de refrigerante necesario. Estos intercambiadores pueden ser carcasa y tubo o de placas, en este trabajo analizaremos los dos para decantarnos con el que mejor prestaciones nos proporcione. 1.5 Almacenamieno 1.5.1 Almacenamiento térmico Una vez descritos los componentes esenciales que intervienen en el ORC vamos a describir un concepto muy importante desde el punto de vista estratégico. Los sistemas ORC dependen de la radiación solar que no es constante y está limitada al no darse por la noche. Por este motivo en el caso de derivar el ACS y/o la producción de calor debemos ser capaces de almacenar energía térmica en horas punta de radiación para cuando nuestro sistema no sea capaz de cubrir la demanda recurrir a ella. En este trabajo analizaremos estas estrategias de operación. 1.5.1.1 Almacenamiento por calor sensible La energía térmica puede ser almacenada en el cambio de temperatura de sustancias que modifican su energía interna. El almacenamiento por calor sensible consiste en almacenar en un tanque la energía mediante la entrada y salida de fluidos en el tanque. Los tanques deben mantener almacenado el material y evitar pérdidas de energía térmica. Este tipo de almacenamiento suele realizarse con medios sólidos o líquidos. Los sólidos suelen ser cerámicos y manejables. Cuando el fluido es líquido, la capacidad calorífica del sólido no es despreciable y el sistema es dual. La ventaja del sistema dual es el bajo coste de los sólidos como rocas, arenas u hormigón. Además de ser barato, el hormigón posee un alto calor específico, buenas propiedades mecánicas y alta resistencia mecánica a la carga del ciclo térmico. Los líquidos mantienen la estratificación térmica natural debido a la diferencia de densidades entre los fluidos calientes y fríos. La condición para usar esta característica es suministrar al fluido caliente por la parte superior del tanque durante la carga y el fluido frio es extraído por el fondo del tanque durante la descarga. Se pueden emplear diferentes líquidos como el silicio y aceites (caros) o nitratos en sales que tienen problemas de corrosión. 1.5.1.2 Almacenamiento por calor latente La energía térmica puede ser almacenada de forma que sea un proceso prácticamente isotérmico en algunas sustancias como el calor latente en cambio de fase, como el calor de fusión o de vaporización. La transición sólido-líquido es la más empleada y las sustancias utilizadas para esta tecnología son conocidas como phase change materials (PCM). Los sistemas de almacenamiento que utilizan PCM Selección del fluido de trabajo 20 20 pueden reducir el tamaño comparado con los sistemas de calentamiento monofásico. Sin embargo, una dificultad es el diseño de la transferencia de calor, y la experiencia con sales a baja temperatura ha demostrado que el sistema de los materiales puede degradarse después de un determinado número de ciclos de solidificación-licuación. PCM permite almacenar una enorme cantidad de energía en pequeños volumen, por tanto, es un medio barato de almacenamiento.[1] 1.5.1.3 Almacenamiento químico Un tercer mecanismo de almacenamiento es el aprovechamiento de las reacciones químicas. En este tipo de almacenamiento es necesario que las reacciones químicas involucradas sean completamente reversibles. Los colectores solares son empleados para excitad una reacción química endotérmica. Entonces, la energía térmica puede ser devuelta completamente por la reacción inversa. Una de las ventajas de este mecanismo son la alta densidad de almacenamiento energético, el alto periodo de almacenamiento cerca de la temperatura ambiente. Este tipo de almacenamiento es una opción interesante a largo plazo y podría ser económica.[2] 1.5.2 Almacenamiento eléctrico Otro tipo de almacenamiento a tener en cuenta es el eléctrico, el motivo es similar al térmico debido al desacople de la radiación solar con la demanda. En una vivienda unifamiliar la demanda se caracteriza por ser plana con pico al en las primeras horas de la noche, por eso es conveniente almacenar en las horas de más radiación energía suficiente para cubrir esa demanda nocturna. En este trabajo analizaremos de forma horaria nuestra producción y optimizaremos el almacenamiento de la energía sobrante, calcularemos la capacidad máxima que requiere el sistema y evaluaremos los costes de una batería de semejante capacidad. 2 SELECCIÓN DEL FLUIDO DE TRABAJO La selección del fluido es uno de los aspectos técnicos más importante a la hora de diseñar la instalación debido a que tiene una acción directa con el rendimiento de la instalación y el coste en equipos como los intercambiadores. En este capítulo analizaremos una serie de posibles fluidos de trabajo desde el punto de vista termodinámico, técnico, medioambiental y económico. 2.1 Análisis termodinámico En primer lugar hay que describir nuestro modelo, es decir, a qué condiciones trabajarán nuestros fluidos. En la siguiente figura se representa el esquema donde trabajaran estos fluidos. 21 Figura 2.1a. Esquema ORC.[3] Tal y como se observa en el esquema nuestro foco caliente será la energía solar obtenida mediante placas solares y nuestro foco fría será la geotermia, aprovechándonos de su óptima temperatura y estabilidad a lo largo del año. A la hora de analizar el ciclo con los diferentes fluidos debemos fijar una serie de parámetros como el rendimiento de la bomba, turbina, la ubicación y la potencia solar que recibe el colector. Rendimiento de la bomba 80% Rendimiento de la turbina 70% Temperatura de fuente de fría (Sevilla) 15ºC Potencia Solar 1 kw Tabla2.1a.Hipótesis de selección de fluido Una vez establecido los parámetros invariantes de nuestro ciclo y la energía mostramos los fluidos que vamos a estudiar y sus temperaturas de operación. Estos fluidos debido a sus propiedades a estas temperaturas de trabajo pueden ser aptos para una aplicación cuya fuente de frio es la geotérmica. En la siguiente tabla se muestra las condiciones recomendadas las que deben trabajar los fluidos.[17] Fluido 𝑇𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑇𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 R113 30-50ºC 120ºC Tolueno 40ºC 120ºC R152a 35ºC 60-100ºC R227ea,Propileno 25ºC 80-115ºC R124 35-60ºC 80-110ºC R123 30ºC 150ºC R245fa 30ºC 130ºC Pentano 30-40ºC 150ºC Tabla2.1b.Condiciones de trabaja de algunos fluidos Selección del fluido de trabajo 22 22 A continuación vamos analizar los fluidos anteriores a sus respectivas condiciones óptimas de operación teniendo en cuenta el rendimiento de sus ciclos, la potencia específica neta y rango de presiones en el que trabajan. Para ello mostraremos los valores de estos parámetros e ilustraremos el comportamiento del fluido en la campana de dicho fluido de trabajo. Inicialmente vamos a definir los parámetros que van a caracterizar nuestro análisis: 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 →𝑊𝑡=𝑚∗∆ℎ𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎→𝑊𝑏=𝑚∗∆ℎ𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 →𝜂𝑔=𝑊𝑡−𝑊𝑏 𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 −𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑟 R113 La siguiente figura nos representa la evolución del fluido analizado sobre el diagrama T-S. Figura2.1b.Diagrama T-S R113 23 En la siguiente tabla se muestra los parámetros a tener en cuenta de la instalación usando este fluido en particular para su posterios comparación con el resto. Gasto de R113 0,009 kg/s Potencia de la bomba 0,008 kW Potencia de la turbina 0,232 kW Rendimiento térmico 12,43% Presión de evaporación 10,25 bar Presión de condensación 1 bar Temperatura de condensación 47,2ºC Densidad en la descarga del expander 6,37 kg/m3 Velocidad del sonido en la descarga 2,6 m/s Tabla2.1c. Análisis R113 El R113 no es un fluido apto debido a su baja capacidad de producir trabajo, entre sus virtudes se encuentran una alta velocidad del sonido y la condensación atmosférica se da a una buena temperatura. Tolueno Selección del fluido de trabajo 24 24 Figura 2.1c. Diagrama T-S Tolueno Gasto de Tolueno 0,003 kg/s Potencia de la bomba 0,001 kW Potencia de la turbina 0,07 kW Rendimiento térmico 4% Presión de evaporación 2,76 bar Presión de condensación 1 bar Temperatura de condensación 110ºC Densidad en la descarga expander 2,84 𝑘𝑔/𝑚3 Velocidad del sonido en la descarga 3,1 m/s Tabla2.1d. Análisis Tolueno El Tolueno pese a tener una curva de saturación con pendiente positiva no es un fluido de trabajo termodinámicamente hablando se produce muy poco gasto, siendo baja la potencia capaz de dar. Propileno Figura 2.1d. Diagrama T-S Propileno 25 Gasto de Propileno 0,01164 kg/s Potencia de la bomba 0,11 kW Potencia de la turbina 0,43 kW Rendimiento térmico 17,73% Presión de evaporación 44,68 Presión de condensación 10 bar Temperatura de condensación 19,27ºC Densidad a la descarga del expander 24,5 kg/m^3 Velocidad del sonido a la descarga 2,48 m/s Tabla2.1e. Análisis Propileno El propileno tiene una potencia y gasto aceptable que junto a su velocidad del sonido a la descarga de turbina lo posiciona como aspirante. Un problema es que la curva de saturación tiene pendiente negativa, por tanto, habrá presencia de humedades. R124 Figura 2.1e. Diagrama T-S R124 Selección del fluido de trabajo 32 32 de ozono y calentamiento global. Los HFCs no destruyen la capa de ozono, pero si tienen potencial de calentamiento. Los refrigerantes naturales como el CO2, propano, butano o amoniaco tienen muy poco valor de estos efectos. Fluido GWP ODP R113 4800 0,8 R123 0,02 0,02 R124 620 0,02 R152a 120 0 R245a 0 0 Tolueno 0 0 Propileno 0 0 Pentano 0 0 Tabla 2.3 Parámetros ambientales de los fluidos estudiados En nuestro caso, el R113 no es un fluido recomendado por las políticas globales de conservación medioambiental, normalmente es sustituido por el R141b. Lo mismo ocurre con el R123. En cambio, el R245fa, R124 y R134a son buenos candidatos. Por tanto, de los fluidos que estamos analizando solo podríamos seleccionar uno de los tres anteriores. Seguridad: Se debe evitar fluidos tóxicos, corrosivos e inflamables. La toxicidad y corrosividad se clasifica mediante el estándar de seguridad 34 de la ASHRAE, siendo A1 (menor toxicidad y no inflamable), A3(menor toxicidad y más alta inflamabilidad), B1(mayor toxicidad y no inflamable) y B3(mayor toxicidad y alta inflamabilidad). Referido a nuestros fluidos de trabajo el Tolueno es tóxico, por tanto quedaría excluido y el propileno inflamable. Estabilidad: La estabilidad química del fluido a utilizar limita la temperatura de la fuente de calor, ya que al exponerse a determinadas temperaturas puede descomponerse, provocando un funcionamiento distinto al esperado. Calor latente y peso molecular: Cuanto mayor sea el peso molecular y el calor latente del fluido, mayor absorción de energía de la fuente de calor en el evaporador reduciendo así el tamaño de la instalación y el consumo de la bomba. Curva de saturación: La pendiente de la curva de saturación es otro aspecto importante nos interesará una curva positiva o seca para evitar la condensación en turbina con los daños mecánicos que suponen. 33 2.4 Economía Figura 2.4a Coste VS Eficiencia [4] Desde el punto de vista económico el pentano y el R-245fa son los más destacados, siendo este otro punto a favor del segundo. Figura 2.4b Diagrama Coste VS Condiciones operación [4] Desde el punto de vista económico conviene que la salida del evaporador ronde los 90-100 ºC y del condensador los 18ºC en el R-245fa, Valores similares requiere el pentano. Por ello, nos interesará montar el ciclo aproximándolo a estos valores. Análisis de distintas instalaciones ORC en Sevilla 34 34 2.5 Conclusiones Una vez analizadas las diferentes características que deben tener un fluido en este tipo de instalaciones, analizamos y decidimos por cual nos debemos decantar: Fluido Termodinámica Legislación Económica Seguridad R113 No No - Sí R124 - Sí - Sí Tolueno No Sí - No Propileno Sí Sí - No Pentano - Sí Sí Sí R123 Sí No - Sí R245fa Sí Sí Sí Sí Tabla 2.5 Resumen Selección del fluido de trabajo Una vez definido las características fundamentales en un fluido de trabajo podemos definir de una forma objetiva que fluido es el que más se ajusta a nuestra instalación. El fluido elegido será el R-245fa por los siguientes motivos: 1. Condiciones de operación adecuadas para una evaporación a partir de una fuente solar y una condensación a partir de una fuente geotérmica. 2. Amplia relación de expansión que proporciona una buena potencia específica. 3. Cumple con los requisitos medioambientales y de seguridad. 4. Económico. 5. Alto rendimiento térmico. 3 ANÁLISIS DE DISTINTAS INSTALACIONES ORC EN SEVILLA 3.1 Estrategias de operación A la hora de implantar una instalación ORC es adecuado estudiar distintas estrategias de administrar la energía. En este apartado vamos a plasmar el funcionamiento de la instalación, ya sea como un simple apoyo energético paralelo a la conexión a red hasta lograr la independencia energética. Para este estudio hemos utilizado una demanda típica horaria de una vivienda unifamiliar española junto a la potencia solar a esa hora en Sevilla y realizamos un análisis de sensibilidad a la producción energética de nuestro ciclo, la energía de red necesaria cuando fuera requerida para satisfacer la demanda, como cambia el rendimiento de nuestro expander, el gasto de nuestro fluido de trabajo y el aceite térmico y el almacenamiento en el caso de implantar baterías. Posteriormente, analizaremos la inversión del ciclo en bomba de calor para satisfacer la 35 demanda de calor y frío. Figura 3.1a Tipos de terreno en la geotermia [7] En nuestra ubicación (Sevilla) contaremos con una zona en geotermia con entalpía muy baja, este será nuestro foco frío. Observando las condiciones que se dan en una la tabla la función de la geotermia en el ciclo ORC difiere según la ubicación. En el caso de estar situados en lugares de muy baja o baja entalpía sería nuestra fuente de condensación, aprovechando que la temperatura es invariante a lo largo del año, y por otro lado, si es de media o alta entalpía podríamos emplearlo en el evaporador. En el caso de poder emplearla como fuente para nuestro evaporador estaría por delante de la solar debido a que esta no depende del clima. Esto supondría una gran ventaja a la hora de satisfacer una demanda. Figura 3.1b Profundidad VS Temperatura[7] Como podemos observar en el gráfico anterior a partir de los 10 metros tenemos una temperatura constante de condensación de 10 ºC en el caso de geotermia de muy baja temperatura. Este análisis lo vamos a realizar para instalaciones dimensionadas para una turbina de 250 watios, una turbina de 700 watios y esta última con recuperador a la salida del expander. En el primer caso únicamente analizaremos la reducción del consumo energético de la red y en los otros dos casos analizaremos una operación paralela de ACS o almacenamiento simultáneamente. Además tendremos en cuenta los parámetros técnicos mencionados Análisis de distintas instalaciones ORC en Sevilla 36 36 en el párrafo anterior. En primer lugar debemos definir completamente las condiciones a las que va a trabajar nuestra instalación, estas condiciones valdrán para el ciclo de 250 watios y el de 700 watios con y sin recuperador. Ubicación Sevilla Rendimiento de la turbina 70% Rendimiento mecánico de la turbina 98% Rendimiento de la bomba 70% Rendimiento de los intercambiadores 80% Presión de condensación 1,1 bar Fluido del colector Aceite térmico Tabla 3.1: Condiciones de referencia 37 En el análisis se utilizaran las mismas demandas y potencia solar mensuales para poder comparar de forma objetiva. La potencia solar la hemos obtenido a través del SAM nrel, seleccionando como dispositivo empleado el colector residencial y ubicación en Sevilla obtenemos las siguientes radiaciones mensuales medias: Figura 3.1c Radiación horaria en Sevilla 3.1.1 Ciclo ORC con potencia nominal de 250 watios En este régimen de operación se implantara un ciclo simple de rankine al contar con una campana de pendiente negativa, imposibilitando la presencia de humedad en la expansión. Como hemos mencionado anteriormente el objetivo de este régimen es reducir el consumo en la red, reduciendo los gastos energéticos. En este sistema hemos optado por evaporar a 90ºC (10,1 bar) debido a que no es necesario un gran salto al decantarnos por una portencia nominal baja y un colector de 3,5 𝑚2. Análisis de distintas instalaciones ORC en Sevilla 38 38 Figura 3.1.1 Esquema de la instalación ORC 250 y 700 watios Figura 3.1.1a Diagrama T-S ciclo ORC de 250 w de potencia nominal 39 Condiciones termodinámicas: Zona Temperatura Presión Entalpía Salida del condensador 𝑇1=17,26º𝐶 𝑃1=1,1 𝑏𝑎𝑟 ℎ1=222271 𝑗 𝑘𝑔 Salida de la bomba 𝑇3=90º𝐶 𝑃3=10,1 𝑏𝑎𝑟 ℎ3=324279 𝑗 𝑘𝑔 Entrada a turbina 𝑇4=90º𝐶 𝑃4=10,1 𝑏𝑎𝑟 ℎ4=468120 𝑗 𝑘𝑔 Salida de la turbina 𝑇5=41,62º𝐶 𝑃5=1,1 𝑏𝑎𝑟 ℎ5=439725 𝑗 𝑘𝑔 Tabla 3.1.1a Condiciones de operación ciclo ORC de 250 w de potencia nominal El conocer la potencia solar nos proporcionará conocer el gasto de aceite y R-245fa con el que podemos trabajar: 𝑄𝑐𝑜𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 =𝐴𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 ∗𝑃𝑜𝑡𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑄𝑐𝑜𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 =𝑚𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 ∗𝐶𝑝𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 ∗(𝑇𝑒𝑛𝑡 −𝑇𝑠𝑎𝑙)=𝑚𝑅245 ∗(ℎ4−ℎ3)∗𝑛ℎ𝑥 Una vez conocido los gastos podemos conocer que potencia generamos a partir del gasto que bombeamos y turbinamos simultáneamente: 𝑊𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 =𝑚𝑅245 ∗(ℎ4−ℎ5) 𝑊𝑏𝑜𝑚𝑏𝑒𝑜 = 𝑚𝑅245 ∗(ℎ3−ℎ1) 𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 =(𝑊𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 −𝑊𝑏𝑜𝑚𝑏𝑒𝑜)∗𝜂𝑚𝑒𝑐 Hay que tener en cuenta que nuestra turbina trabajará en carga parcial a partir de un 15% de carga hasta un 120%, única limitación junto a la falta de potencia solar a la hora de la producción. Esta variación de la carga modificará el rendimiento de nuestra turbina, considerando que regulamos por admisión, de la siguiente forma: Figura 3.1.1b Variación del rendimiento de la turbina respecto a la carga [4] Al tener la demanda horaria de la vivienda y la potencia solar que recibe, podemos obtener unas tablas que nos refleje cuando produzcamos cuanto producimos y según lo demandado la cantidad de de wh que necesitaríamos de red para satisfacer la demanda total. Otro parámetro interesante que podemos obtener es el siguiente rendimiento global: Análisis de distintas instalaciones ORC en Sevilla 40 40 𝜂𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 =𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛− 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 𝑎𝑢𝑥𝑖𝑙𝑖𝑎𝑟 𝑄𝑐𝑜𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 Este parámetro está definido por lo que producimos quitándole a esa producción lo que consumimos en la bomba auxiliar del condensador entre la energía solar aportada. Una vez definido las características y parámetros fundamentales de nuestro ciclo procedemos a analizar cómo responde estos parámetros indicadores del comportamiento de la instalación a las condiciones solares correspondientes a Sevilla. Enero Hora Producción Demanda Almacenamiento Deficit Acumulado Compra Red 𝜂𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 9 0 242 0 242 0 242 0% 10 0 218 0 218 0 218 0% 11 283,9 283 0,9 0 0,9 0 81,13% 12 283,3 275 8,3 0 9,2 0 82,63% 13 279 227 52 0 61,2 0 82,63% 14 277,9 270 7,9 0 69,1 0 82,63% 15 279 499 0 220 0 150,9 82,63% 16 283,1 440 0 156,9 0 156,9 82,63% 17 289,4 343 0 53,6 0 53,6 82,63% 18 0 247 0 247 0 247 0% 19 0 320 0 320 0 320 0% 20 0 414 0 414 0 414 0% 21 0 710 0 710 0 710 0% 22 0 966 0 966 0 966 0% 23 0 735 0 735 0 735 0% 24 0 357 0 357 0 357 0% Total 1975,6 6546 4570,4 Tabla 3.1.1b Comportamiento del ORC 250 w en Enero Este es el seguimiento mensual que realizaremos a nuestra instalación, en primer lugar introducimos la radiación diaria típica del mes en cuestión en el software en el cual esta definido los expresiones que modelan nuestro sistema. Una vez realizado esto, podemos realizar un seguimiento horario de nuestra instalación obteniendo datos interesantes como la energía que es capaz de producir y compararla con la demanda obteniendo cuando se produce déficit y cuando superávit de energía permitiéndonos conocer cuando debemos obtener energía de red y cuanta energía somos capaces de almacenar en una batería para satisfacer la demanda en horas posteriores. Además, nos servirá para dimensionar la batería y el resto de componentes esenciales de la instalación. Este análisis también nos ayudara a conocer cuánto consumiremos en la bomba del R-245fa como en la bomba auxiliar. Además, a partir de estos parámetros obtenemos el rendimiento global que nos da una orientación acerca de cómo funciona nuestra instalación. Este tipo de seguimiento lo realizaremos en el resto de meses de la misma forma que en el mes de Enero, por tanto, los resultados obtenidos en este análisis son los siguientes: 41 Figura 3.1.1c Producción VS Demanda en Enero y Febrero En los dos primeros meses del año cabe destacar que en el mes de Enero se consigue satisfacer la demanda durante 4 horas y tan solo dos en el mes de Febrero. La producción en el mes de Febrero es muy baja y únicamente una pequeña parte de la demanda, en cambio, en Enero se consigue trabajar varias horas a plena carga objetivo de esta instalación, ya que, la potencia nominal de la instalación imposibilita satisfacer la demanda diaria exceptuando en zonas de demanda valle. Figura 3.1.1d Producción VS Demanda en Marzo y Abril En los meses de Marzo y abril se consigue satisfacer la demanda en un mayor número de hora debido por el aumento de horas con radiación suficiente como para que el sistema trabaje a plena carga. Además, se encuentran a plena carga en horas de demanda pico contribuyendo a una reducción considerable del apoyo de red requerido. -200 0 200 400 600 800 1000 1200 010 20 30 Energía(wh) Hora Enero Producción Demanda -200 0 200 400 600 800 1000 1200 010 20 30 Energía(wh) Hora Febrero Producción Demanda -100 0 100 200 300 400 500 600 010 20 30 Energía(wh) Hora Marzo Producción Demanda -100 0 100 200 300 400 500 600 010 20 30 Energía(wh) Hora Abril Producción Demanda Análisis de distintas instalaciones ORC en Sevilla 48 48 Utilizando las mismas expresiones que en el caso anterior, la potencia solar y la demanda en Sevilla para una vivienda unifamiliar, obtenemos los siguientes resultados: Figura 3.1.2b Demanda-Producción ciclo ORC con recalentamiento en Enero, Febrero y Diciembre En el mes de Enero nuestra instalación trabaja desde las 11 hasta las 17 horas satisfaciendo la demanda completa en 5 horas de ellas. En el mes de Febrero únicamente se consigue satisfacer la demanda durante dos horas, la producción es muy baja en este mes por lo que habría que pensar en otra forma de cubrir la demanda. Por último, en el mes de Diciembre ocurre lo mismo que en Enero se produce energía durante seis horas de las cuales cinco cubren la demanda completa y no consigue almacenar una gran cantidad de energía. -200 0 200 400 600 800 1000 1200 010 20 30 Energía(wh) Hora Enero Producción Demanda -200 0 200 400 600 800 1000 1200 010 20 30 Energía(wh) Hora Febrero Producción Demanda -100 0 100 200 300 400 500 600 010 20 Energía(wh) Hora Diciembre Producción Demanda 49 Figura 3.1.2c Demanda-Producción ciclo ORC con recalentamiento en Marzo y Abril En el mes de Marzo se consigue satisfacer la demanda prácticamente durante todo el día de 10-20 horas, necesitando únicamente de aporte de Red durante la noche y primeras horas de la mañana. En Abril tenemos un comportamiento similar. -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 010 20 30 Energía(wh) Hora Marzo Producción Demanda -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 5 10 15 20 25 Energía(wh) Hora Abril Producción Demanda Análisis de distintas instalaciones ORC en Sevilla 50 50 Figura 3.1.2d Demanda-Producción ciclo ORC con recalentamiento en Mayo, Junio, Julio y Agosto En el mes de Mayo se consigue producir de 9-18 horas y se consigue satisfacer la demanda hasta las 21 horas gracias a la energía almacenada en batería durante las horas punta de la radiación. En Junio tenemos una hora más de producción y se comporta de forma similar al mes de Mayo. En los meses de Julio y Agosto la producción llega a un nivel que se consigue cubrir la demanda hasta las 22 horas. -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 010 20 30 Energía(wh) Hora Mayo Producción Demanda -200 0 200 400 600 800 1000 010 20 30 Energía(wh) Hora Junio Producción Demanda -200 0 200 400 600 800 1000 010 20 30 Energía(wh) Hora Julio Producción Demanda -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 5 10 15 20 Energía(wh) Hora Agosto Producción Demanda 51 Figura 3.1.2e Demanda-Producción ciclo ORC con recalentamiento en Septiembre, Octubre y Noviembre En el mes de Septiembre se consigue satisfacer la demanda de 9 a 20 horas, estos óptimos niveles de producción empiezan a caer en los meses de Octubre y Noviembre donde la cobertura de la demanda se produce durante 10 y 8 horas respectivamente. -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 5 10 15 20 Energía(wh) Hora Septiembre Producción Demanda -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 5 10 15 20 Energía(wh) Hora Octubre Producción Demanda -100 0 100 200 300 400 500 600 700 0 5 10 15 20 Energía(wh) Hora Noviembre Producción Demanda Análisis de distintas instalaciones ORC en Sevilla 52 52 Figura 3.1.2f Gasto de agua de condensado en ORC 700 watios En esta figura se representa cómo evoluciona el gasto de agua demandado por el condensador, como podemos ver, el rango por el que se mueve diariamente oscila entre los 0,1 kg/s hasta 0,8 kg/s dados en algunas horas punta de los meses de Agosto y Septiembre. Hay que destacar que esta instalación mueve un caudal importante en horas punta que puede ser crítica a la hora de dimensionar el almacenamiento subterráneo. Figura 3.1.2g Consumo de la bomba auxiliar del condensador en ORC 700 watios El consumo de la bomba auxiliar del condensador supone una buena cantidad de energía llegando a los 118 wh en horas punta. -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0 5 10 15 20 25 30 Gasto agua en el condensado(kg/s) Hora Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre -20 0 20 40 60 80 100 120 140 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Consumo bomba auxiliar del condensado Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre 53 Figura 3.1.2h Consumo de la bomba del ORC 700 watios El consumo por parte de las bombas que comprimen el fluido de trabajo oscila entre los 10-69 wh, valores muy inferiores a la potencia de turbina característica propia de los ciclos de Rankine. Figura 3.1.2i Rendimiento global del ORC 700 watios A diferencia de la instalación analizada en el apartado anterior el rendimiento global permanece plano y con un valor óptimo como es un 22,6% durante todo el año exceptuando el mes de Febrero. Esto nos indica de qué instalación tiene una respuesta adecuada a las condiciones tanto de radiación solar como la producción respecto al consumo de la bomba auxiliar. -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Consumo bomba del ORC Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre -0,05 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0 5 10 15 20 25 30 Rendimiento Global Hora Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Análisis de distintas instalaciones ORC en Sevilla 54 54 Es interesante analizar los siguientes parámetros anuales: Producción (kwh) 985 Demanda (kwh) 1077 Red (kwh) 207,36 Ahorro diurno (%) 91,46 Horas Funcionamiento 3320 Plena Carga 27,62% Capacidad Batería (kwh) 2,2 Tabla 3.1.2o Comportamiento del ORC con recalentamiento Anual El ahorro se calcula tomando como situación de origen la vivienda unifamiliar sin ORC. Esta instalación esta pensada para tener un apoyo eléctrico por la noche al satisfacer prácticamente la diurna en su totalidad con alguna excepción al comienzo de la mañana, desde el punto de vista técnico solo esta un 31,38% trabajando a plena carga siendo un hándicap del sistema. Ventajas: 1. Satisface casi la totalidad de la demanda diurna produciéndose un ahorro del 91,46% de la factura eléctrica en este periodo. Desventajas: 1. Se reduce el número de horas a plena carga respecto al caso anterior de forma considerable, siendo peor el rendimiento de la producción. 2. Variación de carga de forma horaria que produce estrés en los equipos y reduciendo la vida útil de la instalación. 3. No satisface la demanda eléctrica nocturna, al no almacenar la suficiente energía durante el día. 4. No satisface la demanda de frío ni calor. 3.1.3 Ciclo ORC con recuperador de calor En este modo de operación la novedad es la incorporación de un recuperador de calor a la salida de la turbina que permita aprovechar parte del calor que anteriormente se desechaba en el condensador para evaporar parte del R245. Esto supone un aumento de gasto y como consecuencia de la producción aumentando el rendimiento del ciclo. Al aumentar la potencia nominal de la turbina para trabajar en los rangos de potencia que se verán a continuación es de 1,5 kW. 55 Figura 3.1.3a Esquema de la instalación con recuperador Figura 3.1.3b Diagrama T-S del ciclo ORC con recuperador de calor En este ciclo trabajamos a las mismas condiciones de presión, temperatura y entalpía que en el caso anterior, por lo que sería redundante definirlos. Este modo de operación será analizado para satisfacer la demanda eléctrica, para satisfacer la demanda eléctrica y ACS y para satisfacer la demanda eléctrica y de calor. Análisis de distintas instalaciones ORC en Sevilla 56 56 4.1.3.1 Satisfacer la demanda eléctrica En este apartado, al igual que en los dos anteriores nos dedicaremos únicamente a satisfacer la demanda eléctrica. De modo que toda la energía solar que recibamos será transformada por la turbina en energía eléctrica, la energía excedente la almacenaremos en baterías para cubrir el máximo de demanda. Figura 3.1.3.1a Producción VS Demanda en ciclo ORC 1,5 kw con recuperador en Enero, Febrero y Diciembre En Enero se consigue cubrir con el ORC toda la demanda exceptuando la producida entre las 6 y 10 de la mañana siendo este un buen resultado ante uno de los meses más desfavorables para esta tecnología, se consigue producir en su hora de máxima carga 1,3 kwh. El mes de Febrero como se ha podido comprobar en los análisis anteriores, es el mes más desfavorable y en este caso consigue satisfacer la demanda diurna de 10-18 horas alcanzando a producir en su hora de máxima carga 1 kwh. Por último, en el mes de Diciembre también se consigue satisfacer la demanda durante las 8 horas del día. -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 010 20 30 Energía(wh) Hora Enero Producción Demanda -200 0 200 400 600 800 1000 1200 010 20 30 Energía(wh) Hora Febrero Producción Demanda -200 0 200 400 600 800 1000 1200 010 20 30 Energía(wh) Hora Diciembre Producción Demanda 57 Figura 3.1.3.1b Producción VS Demanda en ciclo ORC 1,5 kw con recuperador en Marzo, Abril y Mayo En el mes de Marzo se consigue satisfacer la demanda de forma completa e incluso disponer de 1kwh de energía sobrante que puede ser destinada a producción de ACS. En los dos meses posteriores el comportamiento es similar con la diferencia de que la energía sobrante es de 3,2 kwh y 2kwh respectivamente en los meses de Abril y Mayo. Por tanto, podemos decir que el sistema es capaz de encargarse de la producción ACS en este trimestre. -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 010 20 30 Energía(wh) Hora Marzo Producción Demanda -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 010 20 30 Energía(wh) Hora Abril Producción Demanda -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 010 20 30 Energía(wh) Hora Mayo Producción Demanda Análisis de distintas instalaciones ORC en Sevilla 64 64 Ventajas: 1. Aumento de la producción de energía eléctrica al aumentar la eficiencia del ciclo. 2. Energía sobrante en los meses estivales, se puede añadir producción de ACS o de calor en paralelo. 3. Aumento del rendimiento global de la instalación. 4. Se disminuye el consumo de auxiliares por energía producida. Desventajas: 1. Esta instalación no puede ser del todo independiente, necesita de un auxiliar como por ejemplo un grupo electrógeno o seguir conectado a la red. En especial, para el mes de Febrero y mañanas del resto de meses de invierno. 2. Escaso periodo a plena carga. 3. Gasto muy elevado de condensado en el foco frío. 4. Gran tamaño de batería de almacenamiento. En esta instalación hemos utilizado aceite térmico como fluido caloportador encargado de absorber la energía en el colector y cedérsela a nuestro fluido de trabajo en un intercambiador. Otra posibilidad que resultaría interesante de estudiar es la utilización de agua en lugar de aceite térmico para esta función debido a que sería una opción más económica. El agua presurizada debe ser capaz de trabajar sin evaporarse hasta los 165ºC, esto supone presurizar el agua hasta los 8 bar. A diferencia del agua, el aceite trabajará a presión atmosférica. El trabajar a una presión superior la utilización de conductos menos económicos. Para realizar la comparativa vamos analizar como varía el gasto de ambos fluidos en el mes de mayor producción (Julio). Figura 3.1.3.1o Gastos de aceite térmico y agua presurizada en un día típico de Julio en Sevilla Esta representación nos indica que podríamos reducir el gasto prácticamente a la mitad con agua presurizado, esto significaría reducir el tamaño de la instalación referente al fluido caloportador como el colector y el evaporador hasta la mitad con el ahorro económico que esto supondría. -0,01 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0 5 10 15 20 kg/s Hora Aceite térmico Agua presurizada 65 3.1.3.2 Satisfacer la Demanda eléctrica y ACS de manera simultánea En este caso vamos a analizar como la instalación actuaría a la hora de tener que satisfacer la demanda eléctrica y de agua caliente sanitaría, en nuestro caso le daremos prioridad a la demanda de ACS, es decir, primero cumpliremos dicha demanda y posteriormente con la energía sobrante procuraremos de satisfacer la totalidad de la demanda eléctrica. Para la demanda de ACS hemos considerado que en la vivienda unifamiliar se alojan 4 personas requiriendo entre 60 litros/día. Analizaremos sobre qué hora del día obtendríamos la energía necesaria para cumplir la demanda ACS, esa energía será almacenada en batería aparte conectada a un termo eléctrico y el resto de energía sobrante se derivará a otra batería que debemos conocer que capacidad es la más conveniente para trabajar a estas condiciones. El análisis nos facilitará de qué capacidad son convenientes poner las dos baterías. Figura 3.1.3.2a Comportamiento del ORC con recuperador en Enero La producción se realiza de las 10 a las 17 horas, como consecuencia se requerirá más energía de red tal y como podemos observar en el gráfico. Además, parte de energía almacenada se destina a la producción de ACS, como consecuencia, necesitaremos apoyo de la red de las 21 horas hasta las 10 horas de la mañana. Figura 3.1.3.2b Comportamiento del ORC con recuperador en Febrero -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Enero Producción Demanda Almacenamiento eléctrico Red -200 0 200 400 600 800 1000 1200 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Febrero Producción Demanda Almacenamiento eléctrico Red Análisis de distintas instalaciones ORC en Sevilla 66 66 En el mes de Febrero no conseguimos satisfacer la demanda ACS siendo el sistema capaz de producir 28 litros. Además, solo consigue satisfacer la demanda eléctrica durante cuatro horas siendo necesario obtener energía de red durante el resto del día. Figura 3.1.3.2c Comportamiento del ORC con recuperador en Marzo En el mes de Marzo se consigue satisfacer la demanda de ACS y casi la totalidad de la eléctrica salvo la demanda producida en la madrugada. Figura 3.1.3.2d Comportamiento del ORC con recuperador en Abril En Abril se satisface las dos demandas con creces quedando incluso energía almacenada. -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Marzo Producción Demanda Almacenamiento eléctrico Red -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Abril Producción Demanda Almacenamiento eléctrico 67 Figura 3.1.3.2e Comportamiento del ORC con recuperador en Mayo En Mayo al igual que en Abril se satisface la demanda de ACS y eléctrica salvo de 5-10 horas que se necesita apoyo de Red. Figura 3.1.3.2f Comportamiento del ORC con recuperador en Junio En esta figura podemos observar como se satisface ambas demandas con exceso de energía que podría orientarse a la producción de frío. -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Mayo Producción Demanda Almacenamiento eléctrico Red -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Junio Producción Demanda Almacenamiento eléctrico Análisis de distintas instalaciones ORC en Sevilla 68 68 Figura 3.1.3.2g Comportamiento del ORC con recuperador en Julio Figura 3.1.3.2h Comportamiento del ORC con recuperador en Agosto En el mes de Julio y Agosto el comportamiento es similar al del mes de Junio contando con más energía sobrante que podría orientarse a la producción de frío tan necesario en este tipo de clima en estas fechas. -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Julio Producción Demanda Almacenamiento eléctrico -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Agosto Producción Demanda Almacenamiento eléctrico 69 Figura 3.1.3.2i Comportamiento del ORC con recuperador en Septiembre En esta figura se observa como en el mes de Septiembre se necesita un apoyo eléctrico durante la madrugada y primeras horas de la mañana. Figura 3.1.3.2j Comportamiento del ORC con recuperador en Octubre En el mes de Octubre se consigue satisfacer la demanda de ACS y la demanda eléctrica diurna. -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Septiembre Producción Demanda Almacenamiento eléctrico Red -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Octubre Producción Demanda Almacenamiento eléctrico Red Análisis de distintas instalaciones ORC en Sevilla 70 70 Figura 3.1.3.2k Comportamiento del ORC con recuperador en Noviembre En el mes de Noviembre el comportamiento es similar al mes de Octubre. Figura 3.1.3.2l Comportamiento del ORC con recuperador en Diciembre Se consigue producir 53 litros de ACS por lo que no completa este tipo de demanda y solo se consigue cubrir la demanda eléctrica durante cinco horas. -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Noviembre Producción Demanda Almacenamiento eléctrico Red -200 0 200 400 600 800 1000 1200 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Diciembre Producción Demanda Almacenamiento eléctrico Red 71 Figura 3.1.3.2m Producción diaria típica mensual del ciclo ORC con recuperador La producción no se ve afectada respecto al modo de operación anterior, lo que si cambia es el ahorro anual y mensual al derivar parte de energía a la producción de ACS. Figura 3.1.3.2n Ahorro mensual en ciclo ORC con recuperador y producción ACS Este modo de operación nos garantiza los siguientes valores de carácter anual: Producción (kwh) 3038,5 Demanda (kwh) 2831,3 Red (kwh) 755,4 Ahorro anual (%) 73 Capacidad Batería ACS (kwh) 2,1 Capacidad Batería (kwh) 5 Tabla 3.1.3.2m Comportamiento del ORC con recuperador y producción ACS Anual 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Producción(wh) Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre 0 20 40 60 80 100 120 Ahorro(%) Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Análisis de distintas instalaciones ORC en Sevilla 72 72 Ventajas: 1. El sistema es capaz de suministrar ACS salvo en Febrero. 2. Se consigue simultáneamente un ahorro en la factura eléctrica aceptable. 3. Se podría producir frío en horas puntas del verano. Desventajas: 1. Aumento de consumo en Red considerable. 2. Necesidad de una batería específica para el ACS. 3. Necesidad de un termo eléctrico. 4. Sistema incapaz de satisfacer demanda eléctrica en invierno. 3.1.3.3 Satisfacer la demanda de calor y eléctrica Figura 3.1.3.3 Esquema instalación de ORC con almacenamiento térmico El último tipo de operación que vamos analizar para este ciclo es el de la producción simultánea de energía térmica y eléctrica. Este modo de operación consiste en aprovechar toda la potencia solar sobrante respecto a la demanda eléctrica instantánea y derivarlo a un sistema de almacenamiento directo, este almacenamiento se realizará mediante la tecnología phase-change material (PCM). La PCM consiste en almacenar energía térmica suministrando dicha energía a un material que se va fusionando a medida que se le aporta calor latente de fusión, para recuperar la energía se produce la reacción a la inversa. A diferencia del resto de análisis, este se realizará en los meses donde se produzca demanda de calefacción, los meses no analizados tomarán valores como el mostrado en el análisis original con recuperador. En primer lugar hay que asignar un material adecuado para nuestra instalación. Teniendo en cuenta que el aceite sale del colector de 165ºC debemos seleccionar un material cuya temperatura de fusión se algo inferior a esta temperatura, por otro lado, es conveniente que su calor latente de fusión sea alto para reducir el volumen del depósito. 73 Material A118 Temperatura de fusión 118ºC Calor latente de fusión 340 kJ/kg Calor específico 2,7 kJ/(kg∗ºC) Densidad 1450 𝑘𝑔/𝑚3 Tabla 3.1.3.3 Propiedades físicas del material PCM [8] El almacenamiento térmico será modelado mediante las siguientes expresiones: 𝑚𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒𝑠𝑜𝑏𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 ∗𝐶𝑝𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 ∗(𝑇𝐸𝑛𝑡 −𝑇𝑆𝑎𝑙)=𝑚𝐴118 ∗𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 ∗𝑛ℎ𝑥 El aceite que no se destina para evaporar el fluido de trabajo se dirige al depósito donde intercambia calor enfriándose de 165 hasta 125ºC donde el material PCM absorbe dicho calor cambiando de fase. Se considerará un rendimiento en el intercambiador del 80%. 𝐴𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑜 =𝑚𝐴118 ∗𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 Además es interesante conocer cuánto volumen de material se requeriré para conocer la dimensión del depósito y cantidad de dicho fluido. El volumen requerido en una hora será: 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝐴118 =mA118 ρA118 ∗3600 Las demandas a las que deberá hacer frente el sistema son las siguientes: Figura 3.1.3.3a Demandas diarias medias de calefacción Desde el punto de vista del ciclo del R-245fa no hay modificación alguna salvo la premisa que el aceite de exceso a la demanda eléctrica no será empleado para evaporar más R-245fa y expansionar más en la turbina, sino que será derivado al depósito donde se encuentra el material A118. Por tanto, 𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎. Por otro lado, hay que estudiar el almacenamiento directo: 𝑚𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 =𝑚𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒1 +𝑚𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒2 +𝑚𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒3 +𝑚𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒4 +𝑚𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒5 El gasto de aceite número uno es el que va al evaporador, el número dos al primer recalentamiento, el número tres al segundo y el cuatro al tercero. El quinto es el gasto de aceite adicional producido en el colector, el que aprovecharemos para el almacenamiento por PCM. -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Demanda calefacción Enero Febrero Marzo Abril Noviembre Diciembre Análisis de distintas instalaciones ORC en Sevilla 80 80 Figura 3.1.4e Comportamiento de la bomba de calor en Febrero En el mes de Febrero la demanda sigue siendo considerable, pero el sistema no es capaz de almacenar la suficiente energía como para satisfacer las horas nocturnas. Figura 3.1.4f Comportamiento de la bomba de calor en Marzo En el mes de Marzo cae la demanda respecto a los dos meses anteriores y disponemos de una mayor potencia solar en el evaporador, nuestro sistema será autosuficiente. -500 0 500 1000 1500 2000 2500 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Febrero Demanda Producción Auxiliar -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Marzo Demanda Producción Auxiliar 81 Figura 3.1.4g Comportamiento de la bomba de calor en Noviembre En el mes de Noviembre ocurre lo mismo que en el mes de Marzo. Figura 3.1.4h Comportamiento de la bomba de calor en Diciembre En el mes de Diciembre se consigue satisfacer la demanda diurna pero no la nocturna como en los anteriores. -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Noviembre Demanda Producción Auxiliar -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Diciembre Demanda Producción Auxiliar Análisis de distintas instalaciones ORC en Sevilla 82 82 Figura 3.1.4i Producción VS Apoyo auxiliar diario Este gráfico nos cuantifica la capacidad de cubrir la demanda de esta instalación de forma mensual, cabe destacar el escaso apoyo que requiere los meses de Enero, Marzo y Noviembre. En contrapartida los meses de Febrero y Diciembre necesitan un apoyo algo superior a 10000wh. Figura 3.1.4j Consumo del compresor para la producción de calor (bomba de calor) El consumo del compresor oscilará entre los 3000-8000 wh diario dependiendo de la demanda y sobre todo de la disponibilidad de sol para sacarle partido a la instalación, de ahí, Mayo es la que presenta un mayor consumo. A la hora de considerar el almacenamiento térmico hay que tener en cuenta de que producimos agua a 65ºC, por tanto del catálogo anterior [8] debemos seleccionar un material PCM orgánico adecuado para esa temperatura. 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 Energía(wh) Producción VS Auxiliar Enero Febrero Marzo Noviembre Diciembre 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Enegía Consumos compresor Enero Febrero Marzo Noviembre Diciembre 83 Material A52 Densidad 810 𝑘𝑔/𝑚3 Calor latente 222 𝑘𝐽/𝑘𝑔 Temperatura de fusión 52ºC Tabla 3.1.4c Propiedades físicas del A52 Figura 3.1.4k Volumen diario de A52 El depósito de material deberá ser superior a los 550 litros (445 kg). Otro aspecto a tener en cuenta son los gastos en los que se mueve nuestro sistema: Fluido de trabajo (R-245fa) 0,0013-0,027 kg/s Agua caliente condensador(58ºC) 0,011-0,22 kg/s Agua fría en el evaporador(16ºC) 0,01-0,17 kg/s Tabla 3.1.4d Rango de gastos en el ciclo ORC bomba de calor (Producción calor) Ventajas: 1. Se consigue satisfacer casi la totalidad de la demanda de producción. 2. Se trabajan con temperaturas que permiten utilizar agua a presión atmosférica. 3. Posibilidad de utilizar un material PCM con buenas características. 4. En todo momento el almacenamiento funciona de forma continua. 5. En meses como Marzo y Noviembre capacidad para producir ACS en paralelo. Desventajas: 1. Gran variación de los gastos que puede ser un problema en el compresor y bombas. 2. Se requiere de una gran cantidad de A52 y un depósito superior a los 550 litros. 3. En el mes de Febrero es necesario un auxiliar. 4. Consumo eléctrico del compresor. -100 0 100 200 300 400 500 600 0 5 10 15 20 25 30 Litros Hora Capacidad Enero Febrero Marzo Noviembre Diciembre Análisis de distintas instalaciones ORC en Sevilla 84 84 Producción de frío En la producción de frío utilizaremos el mismo modificando únicamente la condensación que la realizaremos a 0,65 bar (3,5 ºC) aumentando el rendimiento de intercambio en el condensador a la hora de producir agua a 7ºC. Esto supondrá un aumento en el consumo del compresor. Figura 3.1.4l Demanda diaria de frío en Sevilla Estas son las demandas de frío a satisfacer por la instalación en los meses estivales, una observación importante es que la demanda se comporta de forma similar a la producción, al estar vinculada de forma directa a la radiación solar, por tanto, no sería necesario un almacenamiento. A continuación pasamos a comentar el comportamiento mensual en este modo de operación: Figura 3.1.4m Comportamiento de la bomba de calor en Junio En el mes de Junio se satisface la demanda con creces debido a que no es muy pronunciada, en este caso sería recomendable reducir la producción haciendo pasar menos gasto y reducir el consumo del compresor. -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Demanda Junio Julio Agosto Septiembre -500 0 500 1000 1500 2000 2500 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Junio Demanda Producción Consumo Deficit 85 Figura 3.1.4n Comportamiento de la bomba de calor en Julio En el mes de Julio la demanda crece significativamente y nuestro sistema es capaz de satisfacerlo exceptuando el intervalo de la tarde representado. Figura 3.1.4o Comportamiento de la bomba de calor en Agosto Se requiere apoyo de 15 a 20 horas debido a una demanda pronunciada en ese periodo. -500 0 500 1000 1500 2000 2500 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Julio Demanda Producción Consumo Deficit -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Agosto Demanda Producción Consumo Deficit Análisis de distintas instalaciones ORC en Sevilla 86 86 Figura 3.1.4p Comportamiento de la bomba de calor en Septiembre El descenso de la demanda provoca que solo se necesite un aporte externo más reducido y de menos duración. Figura 3.1.4q Producción frío VS Consumo del compresor Este diagrama nos representa la producción y consumo diario de nuestra instalación en los meses que trabaja para producir frío, cabe destacar el alto consumo respecto a lo que se produce. Es uno de los aspectos más desfavorables de la instalación y su motivo principal es la compresión hasta 5 bar que se asignó para producir calor. Una solución sería reducir la relación de compresión en estos meses. Gasto fluido de trabajo (R-245fa) 0,0012-0,017 kg/s Gasto condensador (Agua) 0,005-0,083 kg/s Gasto evaporador (Agua) 0,011-0,28 kg/s Tabla 3.1.4e Rango de gastos en el ciclo ORC bomba de calor (Producción frío) -500 0 500 1000 1500 2000 2500 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Septiembre Demanda Producción Consumo Deficit 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 Energía(wh) Producción VS Consumo Junio Julio Agosto Septiembre 87 Los gastos tienen unos órdenes de magnitud apropiados para el correcto funcionamiento de este modo de operación. En horas punta el gasto de agua que pasa por el condensador es elevado debido a la poca diferencia de temperaturas entre los fluidos. Ventajas: 1. Se consigue producir frio empleando el mismo ciclo que se utilizó para producir calor, tenemos un sistema versátil y flexible. 2. Se consigue satisfacer las demandas picos. Desventajas: 1. Se requiere apoyo en los meses más severos, el sistema no es autosuficiente. 2. El consumo del compresor es considerable respecto a la producción, sería necesario desacoplar el sistema frío/calor para reducir dicho consumo. 4 DIMENSIONADO DE COMPONENTES Una vez analizado el ORC en la ubicación de Sevilla en diferentes modos de operación y con distintas estrategias de actuación es turno de pasar a analizar los diferentes componentes de la instalación. En nuestro caso vamos a estudiar de forma más detallada elementos como el evaporador, los recalentadores, el condensador y el expander. El dimensionado de los componentes se realizará respecto a las condiciones nominales de referencia del caso del ciclo con recalentamiento de 700 watios de potencia nominal con estrategia de satisfacer la demanda eléctrica con baterías. El resultado del dimensionado de los componentes es un característica muy importante de la instalación, ya que, está ligado con el tamaño, y por tanto, con los costes. 4.1 Evaporador El intercambiador más apropiado para este tipo de tecnología es el intercambiador de placas. Como su nombre nos indica los fluidos intercambian calor a partir de placas en lugar de tubos. Los líquidos calientes y fríos se alternan entre cada una de las placas y los bafles dirigen el flujo del líquido entre las placas. Ya que cada una de las placas tiene un área superficial muy grande, las placas poseen un área extremadamente grande de transferencia térmica a cada uno de los líquidos. Esto significa una ventaja sobre los intercambiadores de carcasa y tubo debido a que se requiere menos volumen para transferir el mismo calor, más económicos. Dimensionado de componentes 88 88 Figura 4.1 Intercambiador de placas Para el dimensionado del evaporador vamos a emplear el método de diferencia de temperatura logarítmica media (DTLM). Su coeficiente global de transferencia es: 1 𝑈=1 ℎ𝑝𝑎𝑟𝑡𝑒𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 +1 ℎ𝑒𝑛𝑠𝑢𝑐𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜𝑐𝑎𝑙 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝜆1 ℎ𝑒𝑛𝑠𝑢𝑐𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜𝑓 1 ℎ𝑝𝑎𝑟𝑡𝑒𝑓𝑟𝑖𝑎 Consideraciones de diseño [9] Superficie máxima por placa: 3,8 m^2 Caudal máximo por placa: 50 m^3/h Espesor: 0,0005m Máximo número de placas (aprox.):500 Despreciamos los coeficientes de película de ensuciamiento debido a que este tipo de intercambiador el ensuciamiento es mínimo debido a su carácter autolimpiable. Diseño En este apartado vamos a dimensionar el intercambiador de calor de placas de forma que cumpla con su propósito, evaporar el R-245fa. Para ello obtendremos las dimensiones de una placa individual como su espesor, longitud y anchura como también el número de placas que vamos a utilizar mediante el método DTLM. 89 Condiciones de los fluidos: Temperatura R-245fa 130ºC Presión R-245fa 23,4 Bar Temperatura de entrada aceite 165ºC Temperatura salida del aceite 150ºC Gasto R-245fa 0,03216 kg/s Entalpía R-245fa a la entrada (ℎ𝑅245𝐼𝑁) 390400 J/kg Entalpía R-245fa a la salida(ℎ𝑅245𝑂𝑈𝑇) 487882 J/kg Tabla 4.1a Condiciones de operación del evaporador El principal objetivo es evaporar el R-245fa mediante: 𝑄 =𝑚𝑅245 ∗(ℎ 𝑅245𝑂𝑈𝑇 −ℎ𝑅245𝐼𝑁𝑇)=𝑚𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 ∗𝐶𝑝𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 ∗(𝑇𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒𝐼𝑁 −𝑇𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒𝑂𝑈𝑇) Como utilizamos el método de DTLM: 𝐷𝑇𝐿𝑀 = ∆𝑇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 −∆𝑇𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 ln(∆𝑇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 ∆𝑇𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 )=18,2 𝑄 =𝐴ℎ𝑥 ∗𝑈∗𝐷𝑇𝐿𝑀∗𝐹 Como DTLM<30 podemos considerar las temperaturas calóricas como la media entre la temperatura de entrada y de salida de cada fluido, siendo: 𝑇𝑐𝑎𝑙𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 =157,5º𝐶 𝑇𝑐𝑎𝑙𝑅245 =130º𝐶 Como hay cambio de fase en el intercambiador, suponemos F=1. Otro término fundamental es el coeficiente global de transferencia: 1 𝑈=1 ℎ𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 +𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝜆+1 ℎ𝑅245 Dimensionado de componentes 96 96 Los parámetros característicos de nuestro intercambiador es: Área de transferencia 𝐴𝑡=0,1 𝑚2 Longitud característica 𝐿 =0,0005 𝑚 Grashof agua 𝐺𝑟𝑤=5,27∗10−9 Nusselt agua 𝑁𝑢𝑤=0,839 Rayleigh 𝑅𝑎𝑤=4,22∗10−7 Coeficiente película agua ℎ𝑤=971,3 𝑤 𝑚2∗º𝐶 Tabla 4.3b Longitudes características y Parámetros del agua en el condensador con placas -Cálculo del coeficiente de película del R-245fa Para obtener el coeficiente de película de nuestro fluido de trabajo en el intercambiador realizamos el mismo proceso que con el aceite y las dimensiones son las mismas al utilizarse el mismo tipo de placa: Prandtl 𝑃𝑟 =6,7 Grashof 𝐺𝑟𝑅245 =0,11 Rayleigh 𝑅𝑎𝑅245 =0,07 Nusselt 𝑁𝑢𝑅245 =0,97 Coeficiente de película R-245fa ℎ𝑅245 =93,3 𝑤 𝑚2∗º𝐶 Tabla 4.3c Parámetros calóricos del R245 en el condensador de placas Una vez conocidos los coeficientes de películas podemos definir el coeficiente global de transferencia, que junto a la DTLM anteriormente calculado obtenemos el área de transferencia necesario y el número de placas. Coeficiente global de transferencia 𝑈 =84,9 𝑤 𝑚2∗º𝐶 DTLM 𝐷𝑇𝐿𝑀 =7,9 F 𝐹 =1 Calor transferido 𝑄 =6149 𝑤 Área de transferencia intercambiador 𝐴ℎ𝑥 = 9,11 𝑚2 Número de placas 𝑛𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎𝑠 =91 Tabla 4.3d Características del condensador de placas 97 Condensador carcasa y tubo Figura 4.3b Intercambiador carcasa y tubo En nuestro caso vamos a utilizar tubos 16 BWG de 1/2”[10], por tanto: Diámetro interior 𝐷𝑖=0,0094 𝑚 Diámetro exterior 𝐷𝑒=0,0127 𝑚 Tabla 4.3e Dimensión de los tubos en el condensador En primer lugar designamos una longitud de tubos, número de ellos y número de pasos para comprobar mediante la ecuación de la continuidad que la velocidad del agua no supere los 2m/s valor a partir del cual la fricción es más protagonista. Longitud de tubos 𝑙𝑡=8 𝑚 Número de tubos 𝑛𝑡= 8 Número de pasos 𝑛𝑝=2 Tabla 4.3f Configuración de los tubos en el condensador 𝑚𝑤=ρw∗Vel∗Di 2 4∗nt np= 0,0229𝑘𝑔 𝑠→𝑉𝑒𝑙 =1,3𝑚 𝑠 En segundo lugar debemos obtener el Reynolds para conocer en que régimen estamos si laminar y turbulento, para ello debemos conocer la viscosidad cinemática, el diámetro interno, la velocidad y la densidad. 𝑅𝑒 =ρw∗Vel∗Di µ=10411 > 10000 →𝑇𝑢𝑟𝑏𝑢𝑙𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑙𝑒𝑡𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑎𝑟𝑟𝑜𝑙𝑙𝑎𝑑𝑜 Al ser este tipo de régimen y tener un número de Prandtl de 8 la expresión del Nusselt es: 𝑁𝑢𝑤=0,023∗𝑅𝑒4 5∗𝑃𝑟0,4 =85,6 Por tanto, el coeficiente de película del agua: 𝑁𝑢𝑤=ℎ𝑤∗𝐷𝑖 𝑘𝑤→ℎ𝑤=5329 𝑤 𝑚2∗𝑘 =ℎ𝑖𝑛𝑡 A partir de los coeficientes de película podemos calcular el coeficiente global de transferencia: Dimensionado de componentes 98 98 1 𝑈=𝐴𝑒∗( 1 𝐴𝑖𝑛𝑡 ∗ℎ𝑖𝑛𝑡 +1 𝐴𝑒𝑥𝑡 ∗ℎ𝑒𝑥𝑡)→𝑈=1327 𝑤 (𝑚2∗𝑘) Una vez definido las dos opciones, valoramos los parámetros fundamentales: Placas Carcasa y tubo Coeficiente global de transferencia 𝑈 =84,87 𝑤 𝑚2∗𝑘 𝑈=1327 𝑤 𝑚2∗𝑘 Área de transferencia 𝐴=9,11 𝑚2 𝐴= 0,41 𝑚2 Calor transferido 𝑄 =6149 𝑊 𝑄 =4376 𝑊 Tabla 4.5g Prestaciones del condensador carcas y tubo VS condensador de placas El intercambiador carcasa y tubo tiene mejores prestaciones a la hora de condensar nuestro fluido de trabajo debido a su alto coeficiente global de transferencia que permite transmitir el calor en menos unidad de área, esto supondrá un intercambiador de menor dimensión y por tanto, más económico. 4.4 Turbina Figura 4.4a Turbina radial En los ciclos orgánicos de rankine los expanders pueden ser de tipo scroll o radial, en nuestro caso vamos a realizar un diseño de una turbina radial que trabaje en condiciones nominales (700 W) que permita una flexibilidad para un funcionamiento correcto en carga parcial. En primer lugar vamos a estudiar la termodinámica de nuestro ciclo para conocer el gasto que necesitamos turbinar para producir la planificado teniendo en cuenta las condiciones a las que trabajaría nuestra instalación. 99 Figura 4.4b Diagrama T-S del ciclo con un escalonamiento Temperatura entrada turbina 𝑇03 =90º𝐶 Presión entrada turbina 𝑃03 =10,09 𝑏𝑎𝑟 Entalpía entrada turbina 𝐻03 =468120𝑗/𝑘𝑔 Temperatura salida de turbina 𝑇04 =41,6 º𝐶 Presión salida de turbina 𝑃04 =1,1 𝑏𝑎𝑟 Entalpía salida turbina 𝐻04 =439725 k/kg Tabla 4.4a Condiciones de entrada y salida del expander Conociendo estos datos obtenidos del ciclo, calculamos el gasto a turbinar: 𝑊𝑡=𝑚∗(𝐻03 −𝐻04)→ 𝑚 =0,02289𝐾𝑔 𝑠 Una vez establecido las condiciones a la que opera la turbina debemos determinar la geometría y los triángulos de velocidades que lo hagan posible. Para facilitar su diseño debido a que se trata de una aplicación de bajas temperaturas y rendimientos orientado a bajo coste realizaremos una serie de hipótesis como la entrada radial al rotor del fluido con un grado de reacción 0,5 produciéndose una expansión del fluido tanto en el estator como en el rotor. Otra hipótesis que impondremos es el del coeficiente del flujo (adimensional) que le daremos un valor de 0,7. Hipótesis: Dimensionado de componentes 100 100 Entrada axial a rotor 𝛽2=0º Grado de reacción R=0,5 Coeficiente de flujo 𝛷 =0,7 Tabla 4.4b Hipótesis de diseño Definimos los triángulos: Figura 4.4c Triángulos de velocidades 𝐶2 2=𝑈2 2+𝑊2 2 𝑊3 2=𝑈3 2+𝐶3 2 Siendo la velocidad de arrastre a la entrada y salida del rotor en función del radio: 𝑈2=Ω∗r2 𝑈3=Ω∗r3 Como conocemos el grado de reacción otra expresión útil es: 𝑅 =(𝑊3 3−𝑊2 2)+(𝑈2 2−𝑈3 2) 2∗𝑈2 2 Y por último vinculamos directamente el triángulo a la potencia de la turbina: 𝑊𝑡=𝐻03 −𝐻04 =𝐾𝑓∗𝑈2 2→𝐾𝑓=0,96(𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜) 101 U2 172𝑚 𝑠 𝐶2 209,9m s 𝑊2 120,4𝑚 𝑠 U3 82,6𝑚 𝑠 𝐶3 120,4𝑚 𝑠 𝑊3 146𝑚 𝑠 RPM 13806 Tabla 4.4c Triángulos de velocidades del expander Definimos la geometría: La expresión principal a la hora de definir la geometría es la ecuación de la continuidad: 𝑚 =ρ2∗𝐶𝑟2 ∗(2∗π∗r2−𝑍∗𝛿)∗𝑏2 Debido a que la entrada es radial la velocidad radial coincide con la velocidad relativa ->𝐶𝑟2 =𝑊2 ρ2→𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎 𝑙𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟 r2→𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑎 𝑙𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑙 𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑍→𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 á𝑙𝑎𝑏𝑒𝑠 𝛿 →𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 á𝑙𝑎𝑏𝑒 𝑏2→𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟 Una hipótesis recomendada de diseño es que 𝑍∗𝛿 es el 5% de la sección de entrada al rodete. Por último definimos una relación entre radios tales que: 𝑟𝑒𝑥𝑡 𝑟𝑖𝑛𝑡 =2,9 𝑟2 𝑟𝑒𝑥𝑡 =1,4 𝑟3=𝑟𝑖𝑛𝑡 +𝑟𝑒𝑥𝑡 2 Siendo el radio interior y el exterior el radio de raíz y de cabeza a la salida de la turbina respectivamente. Dimensionado de componentes 102 102 Aplicando estas hipótesis y expresiones obtenemos: Radio a la entrada al rotor 𝑟2=0,119 𝑚 Radio de raíz salida del rotor 𝑟𝑖𝑛𝑡 =0,0293 𝑚 Radio de cabeza salida del rotor 𝑟𝑒𝑥𝑡 =0,0849 𝑚 Radio medio salida del rotor 𝑟3=0,057 𝑚 Altura álabes de entrada al rotor 𝑏2=0,03 𝑚 Espesor de los álabes 𝛿 =0,0008 𝑚 Número de álabes 𝑍=17,68 Tabla 4.4d Geometría del rotor Una vez definida las condiciones en las que trabaja nuestra turbina, su triángulo de velocidades y su geometría se debe conocer un parámetro fundamental a la hora de conocer si nuestra turbina funcionaría o se bloquearía, este parámetro es el número de Mach relativo a la salida de nuestra turbina. 𝑀𝑤3 =𝑤3 √𝑅∗𝑇3∗𝛶 =1,61 Tal y como hemos planteado el expander se produce bloqueo en la descarga del mismo, el principal motivo es que trabajamos con una relación de expansión muy grande (33,8/1,1) para un solo escalonamiento. La solución a este problema es dividir la expansión en varios escalonamientos con recalentamiento intermedio, de esta forma reducimos dicha relación de expansión por escalonamiento reduciendo así el número de Mach de descarga que nos garantiza la ausencia de bloqueo en esa zona. De esta forma nuestro ciclo sería de la siguiente forma: 103 Figura 4.4d Diagrama T-S con 4 escalonamientos A partir de las expresiones anteriores recalculamos las nuevos escalonamiento con las nuevas condiciones. Primer escalonamiento Condiciones de operación: Presión a la entrada 𝑃04 =33,81 𝑏𝑎𝑟 Temperatura a la entrada 𝑇04 =150º𝐶 Entalpía a la entrada ℎ04 =484514 𝑗 𝑘𝑔 Presión a la entrada del rotor 𝑃𝑟=18,39 𝑏𝑎𝑟 Presión a la salida 𝑃05 =10 𝑏𝑎𝑟 Temperatura a la salida 𝑇05 =92,61º𝐶 Entalpía a la salida ℎ05 =471655 𝑗 𝑘𝑔 Potencia 𝑊 = 204,2 𝑤 Tabla 4.4e Condiciones de entrada y salida 1º escalonamiento Triángulo de velocidades: Dimensionado de componentes 104 104 Ub 115,7𝑚 𝑠 𝐶𝑏 127,1m s 𝑊𝑏 52,44𝑚 𝑠 Uc 55,6𝑚 𝑠 𝐶𝑐 52,44𝑚 𝑠 𝑊𝑐 76,42𝑚 𝑠 RPM 10981 R 0,5 𝑀𝑤𝑐 0,72 Tabla 4.4f Triángulos de velocidades en el 1º escalonamiento Geometría del escalonamiento: Coeficiente de flujo Φ=0,45 Radio a la entrada al rotor 𝑟𝑏=0,1𝑚 Radio de raíz salida del rotor 𝑟𝑐=0,048 𝑚 Radio de cabeza salida del rotor 𝑟𝑒𝑥𝑡 =0,071 𝑚 Radio medio salida del rotor 𝑟𝑖𝑛𝑡 =0,024 𝑚 Altura álabes de entrada al rotor 𝑏2=0,025 𝑚 Espesor de los álabes 𝛿 = 0,004 𝑚 Número de álabes 17 Tabla 4.4g Geometría del rotor en el 1º escalonamiento 105 Figura 4.4e Geometría del rotor Utilizando el mismo procedimiento realizamos los siguientes tres escalonamientos: 1º Escalonamiento 2º Escalonamiento 3º Escalonamiento 4º Escalonamiento Presión a la entrada 33,81 bar 10 bar 5 bar 2,7 bar Temperatura a la entrada 150ºC 100ºC 95ºC 95ºC Presión a la salida 10 bar 5 bar 2,7 bar 1,4 bar Temperatura a la salida 92,6ºC 88,8ºC 85,1ºC 84,4ºC Potencia 204,2w 174,3w 153,3w 163,2 RPM 10981 18981 10981 10981 Mach a la descarga 𝑀𝑤𝑐 =0,72 𝑀𝑤𝑐 =0,8 𝑀𝑤𝑐 =0,78 𝑀𝑤𝑐 =0,8 Coeficiente de flujo Φ=0,45 Φ=0,5 Φ=0,5 Φ=0,5 Radio a la entrada al rotor 𝑟𝑏= 0,1𝑚 𝑟𝑏=0,092𝑚 𝑟𝑏=0,087𝑚 𝑟𝑏=0,089𝑚 Radio de raíz salida del rotor 𝑟𝑐=0,048 𝑚 𝑟𝑐=0,041 𝑚 𝑟𝑐= 0,039𝑚 𝑟𝑐=0,04 𝑚 Radio de cabeza salida del rotor 𝑟𝑒𝑥𝑡 =0,071 𝑚 𝑟𝑒𝑥𝑡 =0,062 𝑚 𝑟𝑒𝑥𝑡 =0,058 𝑚 𝑟𝑒𝑥𝑡 =0,059 𝑚 Radio medio salida del rotor 𝑟𝑖𝑛𝑡 =0,024 𝑚 𝑟𝑖𝑛𝑡 =0,021 𝑚 𝑟𝑖𝑛𝑡 =0,02 𝑚 𝑟𝑖𝑛𝑡 =0,02 𝑚 Altura álabes de entrada al rotor 𝑏2=0,025 𝑚 𝑏2=0,03𝑚 𝑏2=0,03 𝑚 𝑏2=0,03 𝑚 Espesor de los álabes 𝛿 =0,004 𝑚 𝛿 =0,004 𝑚 𝛿 =0,004 𝑚 𝛿 =0,004 𝑚 Número de álabes 17 16 16 16 Tabla 4.4h Condiciones de trabajo y geometría de los escalonamientos de la turbina Extrapolación del sistema a diferentes localizaciones 112 112 Figura 5.1l Producción de energía en las zonas mediterráneas en Agosto Figura 5.1m Producción de energía en las zonas mediterráneas en Septiembre En los meses estivales ocurre lo mismo que en el mes de Mayo, en todas las ubicaciones es posible una producción paralela de ACS y/o producción de frío. Figura 5.1n Producción de energía en las zonas mediterráneas en Octubre En el mes de Octubre al igual que la ubicación de referencia Atenas satisface la demanda en su totalidad, Nápoles la demanda diurna y Marsella únicamente 8 horas. -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Septiembre Atenas Napolés Marsella Sevilla Demanda -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Octubre Atenas Napolés Marsella Sevilla Demanda 113 Figura 5.1o Producción de energía en las zonas mediterráneas en Noviembre En este mes ninguno logra comportarse de forma similar a la instalación referencia. En estas ubicaciones se consigue satisface la demanda hasta las 19-20 horas, posteriormente se necesita un auxiliar. Figura 5.1p Producción de energía en las zonas mediterráneas en Diciembre Por último en Diciembre, al igual que la instalación de referencia en Nápoles y Marsella se satisface la demanda diurna. -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Noviembre Atenas Napolés Marsella Sevilla Demanda -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Diciembre Atenas Napolés Marsella Sevilla Demanda Extrapolación del sistema a diferentes localizaciones 114 114 Figura 5.1q Producción anual de las zonas mediterráneas Un parámetro que nos indica de la capacidad de las instalaciones a grandes rasgos es la producción anual. En esta imagen se interpreta que Atenas tiene una capacidad similar a nuestra instalación de referencia, el principal problema de esta ubicación es que pese a tener una producción similar a Sevilla su producción es más desigual. En invierno la producción es inexistente y en verano superior a la referencia. Sin embargo, en Marsella y Nápoles pese a tener una producción anual inferior, tiene un comportamiento más plano siendo capaz de tener una producción aceptable en los meses más desfavorables. Atenas Figura 5.1r Producción diaria en Atenas Atenas es un buen lugar para una instalación por este tipo porque tiene fuente solar suficiente para producir una media de 9000wh o más durante ocho meses del año exceptuando los meses de invierno. 2600 2700 2800 2900 3000 3100 3200 Energía(kwh) Producción anual Atenas Marsella Nápoles Sevilla 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Producción(wh) Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre 115 Figura 5.1s Porcentaje de ahorro de consumo eléctrico mensual en Atenas Se consigue satisfacer la demanda prácticamente de forma completa en siete de los 12 meses del año. En los meses estivales se puede producir frío para combatir las condiciones climatológicas. Nápoles Figura 5.1t Producción diaria en Nápoles En Nápoles se consigue producir 9000wh o más durante los meses que transcurren entre Mayo y Septiembre, luego hay cuatro meses de una producción que oscila los 6000wh que puede satisfacer parcialmente la demanda eléctrica. En el mes de Enero se requerirá gran apoyo de red. 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Ahorro(%) Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Producción(wh) Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Extrapolación del sistema a diferentes localizaciones 116 116 Figura 5.1u Porcentaje de ahorro de consumo eléctrico mensual en Nápoles En Nápoles la producción es más plana por lo que supone una ventaja para el funcionamiento de nuestra instalación, además tiene buenos rangos de producción mensuales a excepción de Enero. Marsella Figura 5.1v Producción diaria en Marsella En Marsella la producción anual esta caracterizada por tener diferencias extremas de rango de producción entre los meses cálidos y fríos. En los meses cálidos producciones muy superiores a los 9000wh y en los fríos apenas llegan a los 5000wh. Los meses de Marzo y Octubre muy pobres en productividad. 0 20 40 60 80 100 120 Ahorro(%) Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 Producción(wh) Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre 117 Figura 5.1w Porcentaje de ahorro de consumo eléctrico mensual en Marsella En Marsella la producción varía mucho mensualmente, siendo un factor desfavorable para la instalación. Además, se caracteriza por una baja producción durante la mitad del año viéndose en dificultad de satisfacer la demanda. 5.2 Extrapolación en zonas de sudamérica e India del ORC con recuperador En este apartado vamos analizar como respondería la instalación en las siguientes ubicaciones y a que condiciones estarán expuesta. En este análisis comentaremos aspectos importantes en la instalación como la producción mensual, anual, la potencia nominal de la instalación, horas de funcionamiento y variación de carga en dichas horas. Figura 5.2 Zonas de Sudamérica estudiadas Los lugares que hemos seleccionado son Brasilia, Buenos Aires, Antofagasta y Bombay. 0 20 40 60 80 100 120 Ahorro(%) Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Extrapolación del sistema a diferentes localizaciones 118 118 5.2.1 Brasilia La primera ubicación sudamericana que vamos a estudiar es la capital de Brasil situada en la latitud -15,87º N, longitud -47,93º E a 1000 metros de altitud, donde la radiación se comporta anualmente de la siguiente forma: Figura 5.2a Radiación típica diaria de cada mes en Brasilia En Brasilia normalmente se obtienen picos diarios por encima de los 600 𝑤/𝑚2 , salvo en los meses de septiembre, octubre y noviembre donde apenas llega a los 400 𝑤/𝑚2. En estos peses se verán afectada la producción de forma considerada. Figura 5.2b Producción diaria en Brasilia 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Producción(wh) Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre 119 Este gráfico nos representa la producción diaria normal en cada mes del año, exceptuando los meses de Mayo, Junio y Julio la capacidad productiva diaria oscila entre los 7000-12000 wh. Esta cantidad de energía nos valdría para satisfacer una demanda siempre y cuando se optimice el almacenamiento. Por tanto, Brasilia podría ser un lugar interesante para este tipo de instalación. Figura 5.2c Tiempo de funcionamiento a plena carga en Brasilia Una vez estudiado el comportamiento horario de la instalación en esta ubicación podemos obtener a que suele trabajar mensualmente, a partir del número de horas diarias que trabaja y a cuantas de ellas se hace a plena carga. La producción nominal ha sido establecida en 1,15 kwh, este valor ha sido adjudicado a posteriori de conocer los rangos de energía horaria. Otros parámetros de carácter anual que pueden resultar de interés para evaluar la potencialidad de nuestra instalación en Brasilia son la producción anual, las horas de funcionamiento y porcentaje a plena carga. Producción (kwh) 3006,75 Horas Funcionamiento 3859 Horas Plena Carga 850 PC(%) 22,02 Tabla 5.2a Parámetros anuales en Brasilia 0 10 20 30 40 50 60 % Plena Carga Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Extrapolación del sistema a diferentes localizaciones 120 120 5.2.2 Buenos Aires La segunda ubicación sudamericana que vamos a estudiar es Buenos Aire situada en la latitud -34,82º N, longitud -58,5º E a 20 metros de altitud. La radiación en esta ubicación se comporta de la siguiente forma: Figura 5.2d Radiación típica diaria de cada mes en Buenos Aires Esta figura nos muestra cómo evoluciona el foco caliente de nuestro ORC en Buenos aires a lo largo del año. Esta localización se caracteriza por tener potencias superiores a los 600𝑤/𝑚2en horas pico durante los meses de clima cálido. El principal problema de esta localización son los meses que transcurren entre Mayo y Agosto donde la potencia pico apenas llega a 200 𝑤/𝑚2penalizando este tipo de instalación, tal y como analizaremos a continuación. 121 Figura 5.2e Producción diaria en Buenos Aires En Buenos aires se consigue producir diariamente un mínimo de 9000 wh en los meses cálidos siendo un valor óptimo para satisfacer demandas eléctricas ya sea de forma parcial o total. En los meses de Marzo, Abril y Septiembre se obtiene unos valores aceptables que oscilan entre los 4000-6000 wh diarios. En los meses de invierno el sistema apenas puede llegar a producir 2000 wh siendo un valor muy pobre para el tipo de demanda al que está sometida una vivienda unifamiliar. Figura 5.2f Tiempo de funcionamiento a plena carga en Buenos Aires Este es uno de los principales inconvenientes de este tipo de instalaciones en este tipo de clima, ya que, en los meses que transcurren entre Marzo y Octubre no se trabaja a plena carga siendo una cantidad de tiempo razonable para que pueda reducirse la vida útil del sistema de una forma considerada. Producción (kwh) 2319,1076 Horas Funcionamiento 3646 Horas Plena Carga 572 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Producción(wh) Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre 0 10 20 30 40 50 60 % Plena Carga Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Extrapolación del sistema a diferentes localizaciones 128 128 Diciembre 9540 0 Tabla 5.3 Demanda diaria por unidad de superficie 5.3.1 Atenas Producción de calor En primer lugar vamos analizar los meses que requieren de producción de calor, observando un día típico del mes que nos permitirá conocer cuanta demanda seremos capaces de satisfacer. -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 010 20 30 Energía(wh) Hora Enero Demanda Producción Auxiliar -200 0 200 400 600 800 1000 1200 010 20 30 Energía(wh) Hora Febrero Demanda Producción Auxiliar -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 -10 0 10 20 30 Energía(wh) Hora Marzo Demanda Producción Auxiliar -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 010 20 30 Energía(wh) Hora Noviembre Demanda Producción Auxiliar 129 Figura5.3.1a Comportamiento de la bomba de calor en invierno Atenas Producción de frío Figura 5.3.1b Comportamiento de la bomba de calor en Julio Atenas En Julio se consigue cubrir la demanda hasta las 17 horas, es decir, cubre las horas pico y requeriría de apoyo para satisfacer las últimas horas de demanda (valle). -500 0 500 1000 1500 2000 2500 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Diciembre Demanda Producción Auxiliar -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 -5 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Julio Demanda Producción Consumo Deficit Extrapolación del sistema a diferentes localizaciones 130 130 Figura5.3.1c Comportamiento de la bomba de calor en Agosto Atenas En el mes de Agosto la demanda aumenta considerablemente y solo se consigue cubrir la demanda hasta las 13 horas se debería aumentar la dimensión de la instalación para cubrir más demanda debido a que la radiación en esta época no es un inconveniente. Figura5.3.1d Comportamiento de la bomba de calor en Septiembre Atenas En el mes de Septiembre la demanda baja consideradamente cubriéndose la totalidad de ella. A diferencia de la producción de calor el sistema es capaz de satisfacer la demanda con creces salvo en puntuales horas pico del mes de Julio, donde convendría un apoyo auxiliar. Por tanto, el sistema es óptimo para la producción de frío en esta localización. -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Agosto Demanda Producción Consumo Deficit -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Septiembre Demanda Producción Consumo Deficit 131 5.3.2 Marsella Producción de calor -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 010 20 30 Energía(wh) Hora Enero Demanda Producción Auxiliar -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 010 20 30 Energía(wh) Hora Febrero Demanda Producción Auxiliar Extrapolación del sistema a diferentes localizaciones 132 132 Figura5.3.2a Demanda-Producción de calor en Marsella invierno De la producción de calor en Marsella podríamos destacar de que únicamente se cubre de forma completo en el mes de Noviembre, que en los meses de Enero, Febrero y Diciembre se cubre durante el día necesitando de apoyo auxiliar para la noche. Producción de frío -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 010 20 30 Energía(wh) Hora Marzo Demanda Producción Auxiliar -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 010 20 30 Energía(wh) Hora Noviembre Demanda Producción Auxiliar -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 010 20 30 Energía(wh) Hora Diciembre Demanda Producción Auxiliar 133 Figura5.3.2b Demanda-Producción de frío en Marsella Julio Figura5.3.2c Demanda-Producción de frío en Marsella Agosto En Marsella solo hay demanda apreciable de calor en Julio y Agosto en ambos casos se consigue cubrir la demanda satisfactoriamente exceptuando un par de hora a final de la tarde en Agosto. 5.3.3 Nápoles Producción de calor -500 0 500 1000 1500 2000 2500 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Julio Demanda Producción Deficit -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Agosto Demanda Producción Deficit Extrapolación del sistema a diferentes localizaciones 134 134 Figura5.3.3a Demanda-Producción de calor en Nápoles -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 010 20 30 Energía(wh) Hora Enero Demanda Producción Auxiliar -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 010 20 30 Energía(wh) Hora Febrero Demanda Producción Auxiliar -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 -10 0 10 20 30 Energía(wh) Hora Marzo Demanda Producción Auxiliar -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 010 20 30 Energía(wh) Hora Noviembre Demanda Producción Auxiliar -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 010 20 30 Energía(wh) Hora Diciembre Demanda Producción Auxiliar 135 Producción de frío Figura5.3.3b Demanda-Producción de frío en Nápoles En las ubicaciones estudiadas la conclusión más clara que se puede extraer es que el empleo de la bomba de calor con este tipo de tecnología es viable para la producción de frío y deja mucho que desear en la producción de calor al ser complicado compensar el desacople radiación-demanda en los meses más severos. -200 0 200 400 600 800 1000 -10 0 10 20 30 Energía(wh) Hora Junio Demanda Producción Deficit -500 0 500 1000 1500 2000 2500 -10 0 10 20 30 Energía(wh) Hora Julio Demanda Producción Deficit -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 -5 0 5 10 15 20 25 30 Energía(wh) Hora Agosto Demanda Producción Deficit Análisis económico 136 136 6 ANÁLISIS ECONÓMICO 6.1 Costes del sistema de referencia En primer lugar vamos analizar los costes de nuestra instalación de referencia, ORC de 700 w de potencia nominal ubicada en Sevilla. A la hora de calcular los costes los dividiremos de la siguiente forma: *Costes del bloque de potencia -Coste del condensador -Coste del evaporador y recalentadores -Coste de la turbina -Otros costes como el de la bomba, válvulas y tuberías *Colector solar *Almacenamiento 6.1.1 Costes del bloque de potencia Condensador El coste capital de un intercambiador carcasa y tubo es determinado por la siguiente correlación. [17] ln𝐶𝑝=𝐾1+𝐾2∗ln𝐴+𝐾3∗(ln𝐴)2 ln𝐹𝑝=𝐶1+𝐶2∗ln𝑃+𝐶3∗(ln𝑃)2 𝐶𝐵𝑀 =𝐶𝑝∗𝐹𝐵𝑀 =𝐶𝑝∗(𝐵1+𝐵2𝐹𝑀𝐹𝑝) 𝐶𝐻𝐸 =𝐶𝐵𝑀 ∗𝐶𝐸𝑃𝐶𝐼2016 𝐶𝐸𝑃𝐶𝐼1996 En estas ecuaciones, 𝐶𝑝 es el coste básico del equipo asumiendo que se fabricó en 1996. El corrector 𝐹𝐵𝑀 se emplea para corregir el coste básico según el material y la presión de operación. Por último, mediante el índice CEPCI actualizamos el precio al 2016. 𝐾1 𝐾2 𝐾3 𝐶1 𝐶2 𝐶3 𝐵1 𝐵2 𝐹𝑀 𝐶𝐸𝑃𝐶𝐼1996 𝐶𝐸𝑃𝐶𝐼2016(𝑟𝑒𝑓) 3,21 0,2688 0,07961 -0,065 0,05025 0,01474 1,8 1,5 1,25 382 468 Tabla 6.1.1a Parámetros de costes de intercambiadores Precio condensador=298 € 137 Evaporador y recalentadores En este caso hemos utilizado intercambiadores de placas, por tanto no nos sirve las expresiones anteriores. Para obtener estos costes hemos recurrido a un diagrama [18] con precios de 1998 y lo hemos actualizado mediante el índice CEPCI. Equipo Coste Evaporador 293€ Recalentadores 182,5€ Tabla 6.1.1b Costes del evaporador y recalentadores Otros costes El coste de las tuberías, válvulas y bomba se supone según la bibliografía que es el 20% del precio del bloque de potencia [19]. La turbina la despreciamos porque como hemos mencionado antes al trabajar con temperaturas inferiores y tener un tamaño reducido su precio es muy bajo respecto a los demás componentes. Costes varios=154,7€ 6.1.2 Coste del colector solar El coste del colector solar se estima entre 190-220 €/𝑚2[20]. En nuestro caso utilizamos 220€/𝑚2. Precio colector=660 €. 6.1.3 Coste de almacenamiento En este modo de operación empleamos una batería para suministrar energía recargada en las horas punta de radiación. En nuestro análisis llegamos a la conclusión que para esta configuración necesitaríamos una batería de 2,5 kwh. [21] Precio Batería=3348 € 6.2 Análisis económico del sistema de referencia En primer lugar calculamos los beneficios obtenidos anualmente al implantar esta instalación, consideraremos como beneficio lo que nos ahorramos en consumo eléctrico de red respecto a una vivienda sin ORC. Tomamos como precio eléctrico 0,18 €/kwh.[22] 𝐴ℎ𝑜𝑟𝑟𝑜 =𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛(𝑘𝑤ℎ)∗𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 (€ 𝑘𝑤ℎ)=1031 𝑘𝑤ℎ∗0,18 € 𝑘𝑤ℎ= =185,6€ 6.2.2 Análisis de resultados En primer lugar calculamos el Payback: 𝐼0=𝑃𝐵∗𝐶𝐹 →𝑃𝐵 =26,6 𝑎ñ𝑜𝑠 El payback es totalmente desfavorable considerando que la vida útil del sistema ronda los 25 años. No se recupera la inversión.