Termodinámica y transferencia de calor en ciclos de licuación de aire para almacenamiento de energía eléctrica.

Labarta Bello, José Ignacio
Cortés Gracia, Cristóbal (dir.)

Universidad de Zaragoza, EINA, 2022
Departamento de Ingeniería Mecánica, Área de Máquinas y Motores Térmicos

Graduado en Ingeniería de Tecnologías Industriales

Resumen: Para lograr el escenario de cero emisiones netas en 2050 se requiere la implementación de tecnologías energéticas limpias en la sociedad. Se estima que más de 75% del esfuerzo para reducir las emisiones en los próximos años recae sobre el sector eléctrico y en un despliegue más rápido de las energías renovables, más concretamente de la eólica y de la solar fotovoltaica (BloombergNEF, 2021). Esta situación crítica ha impulsado el desarrollo e inversión en nuevas formas de producción de energía, abriendo nuevos horizontes en el sector eléctrico. Sin embargo, el sistema energético actual tiene gran dependencia de algunas fuentes primarias, como los recursos fósiles, que proporcionan altas densidades energéticas y son almacenables durante períodos largos en el tiempo. En la actualidad, alrededor del 83% de la energía primaria procede de los combustibles fósiles, mientras que la eólica y la solar fotovoltaica representan el 1,3% (BloombergNEF, 2021). Todo ello evidencia la dificultad que reside en llevar a cabo la transición energética hacia un modelo económico y tecnológico des carbonizado, descentralizado, digitalizado y sostenible. En las últimas décadas las políticas nacionales energéticas promueven la integración de las Energías Renovables en la matriz energética, que son de carácter variable debido a su dependencia con las condiciones climáticas. Ello implica que en ocasiones se produzca un exceso de oferta en el mercado energético, obligando a las empresas energéticas a restringir la generación de energía renovable, es el llamado efecto “curtailment”. Plantear un escenario con alta penetración de las energías Renovables carece de sentido para la red eléctrica actual, que fue diseñada en un contexto muy diferente al de hoy en día. Surge por tanto la necesidad de renovar el sistema eléctrico para que éste sea capaz de reaccionar rápidamente ante oscilaciones en la demanda y oferta eléctrica, manteniendo las condiciones de robustez y calidad en el suministro eléctrico que tenemos hoy en día. Ante este contexto de des carbonización e integración de fuentes renovables, los sistemas de almacenamiento energético (ESS) se postulan como solución por su capacidad de almacenar grandes capacidades energéticas durante determinados períodos de tiempo para, posteriormente, liberarla durante las horas de alta demanda o baja producción renovable. De esta forma otorgan al sistema la seguridad de suministro energético necesaria para lidiar con la incertidumbre inherente de las fuentes renovables. En este sentido, el desarrollo de tecnologías ESS capaces de almacenar grandes capacidades energéticas durante periodos sostenidos en el tiempo constituye una de las principales líneas de investigación en el sector energético. En este proyecto se lleva a cabo una búsqueda bibliográfica de las distintas tecnologías de almacenamiento desarrolladas por el momento, clasificándolas según el proceso de almacenamiento. A su vez, se exponen las características operacionales de cada una y se comparan, obteniendo así las ventajas y desventajas que proporcionan cada una de ellas a la hora de implementarlas a gran escala. Dentro de las distintas tecnologías mencionadas, la tecnología de almacenamiento energético de aire líquido (LAES) proporciona grandes capacidades durante períodos de tiempo considerables sin restricciones geográficas ni medioambientales, constituyendo una opción favorable para su desarrollo a gran escala. El sistema LAES está basado en la tecnología CRYOBattery, desarrollada y patentada por la empresa energética británica HighviewPower. Esta tecnología consta de tres sistemas principales de carga, almacenamiento y descarga. Cuando existen excesos de producción renovable el sistema inicia el proceso de carga, que consiste en la compresión y refrigeración del aire atmosférico para su obtención en forma líquida. Posteriormente, este aire líquido es almacenado en tanques aislados a bajas presiones que funcionan como depósito energético. Cuando el sistema requiera de suministro energético durante las horas pico, el calor almacenado en el sistema de carga se aplica al aire líquido a través de intercambiadores de calor. Esto produce un gas a alta presión que acciona una turbina y genera electricidad. El proceso de descarga sucede mediante un proceso de evaporación y expansión. La tecnología LAES proporciona un ciclo de vida útil mayor de 30 años ya que se fundamenta en procesos termodinámicos propios de la industria del gas, que posee un alto grado de desarrollo tecnológico. Entre los procesos termodinámicos involucrados encontramos el de licuefacción de aire, que se da en el rango de temperaturas criogénicas. William Hampson y Carl von Linde presentaron de forma independiente la patente del ciclo en 1895, y en 1902 Georges Claude inventó el sistema Claude. Todos ellos fueron pioneros en el desarrollo de las plantas de refrigeración y licuefacción de gas de alta tecnología. El ciclo Linde y el Ciclo Claude constituyeron la base de los desarrollos posteriores en el sector industrial y hasta el día de hoy, constituyen la base de los procesos de licuefacción de gases de alta tecnología. Por ello su correcta comprensión y análisis resulta de vital importancia para desarrollos futuros. Para llevar a cabo el análisis y compresión de cada uno de los Ciclos se han llevado a cabo simulaciones mediante el Software EES, escalando los cálculos para una planta comercial de 50 MW. En el presente proyecto se analizan los componentes que conforman cada uno de los ciclos mencionados y su funcionamiento. A su vez, se plantean las diferencias entre ambos ciclos y cómo las mejoras introducidas en el Ciclo Claude, que cuenta con tres intercambiadores regenerativos de calor y un motor de expansión con respecto al Linde, permiten maximizar la producción de aire licuado bajo condiciones ideales de operación. Para optimizar las condiciones de los Ciclos de licuefacción, se han llevado a cabo el método de análisis exergético tanto a nivel global como para cada componente. El método de análisis exergético es especialmente adecuado para conseguir un uso más eficiente de los recursos energéticos, pues permite determinar la localización, tipo y magnitud real de su despilfarro y pérdida. Esta información es muy relevante, ya que puede emplearse en el diseño de los sistemas térmicos y permite guiar los esfuerzos para reducir las fuentes de ineficiencia de los sistemas. Otro parámetro fundamental en los ciclos Linde y Claude es la fracción de aire licuada producida. En la válvula de estrangulación se produce el efecto Joule-Thomson que constituye la base para la licuación de gases y demuestra que estos procesos solo son posibles bajo presiones supercríticas para que el gas se enfríe al expandir. Es por ello que las condiciones de entrada a la válvula son fundamentales para la maximización de la fracción de aire licuado. El presente proyecto guarda relación con los objetivos 7.2, 7.a y 12.5 de Desarrollo Sostenible y sus Metas, y se encuentra focalizado en la necesidad de garantizar el acceso a una energía asequible, segura y moderna, que asegure modalidades de consumo y producción sostenible. Promoviendo la inversión e investigación en infraestructura energética para la correcta integración de fuentes renovables en el futuro.

Tipo de Trabajo Académico: Trabajo Fin de Grado