Desalación de agua de mar a partir de un disco paraboloide de revolución con microturbina de gas

i Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Ingeniería de la Energía Desalación de agua de mar a partir de un disco paraboloide de revolución con microturbina de gas Autor: David Serrano León Tutores: Lourdes García Rodríguez José María Delgado Sánchez Dpto. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 iii Trabajo Fin de Grado Ingeniería de la Energía Desalación de agua de mar a partir de un disco paraboloide de revolución con microturbina de gas Autor: David Serrano León Tutores: Dra. Lourdes García Rodríguez Catedrática de Universidad José María Delgado Sánchez Profesor sustituto interino Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 v Trabajo Fin de Grado: Desalación de agua de mar a partir de un disco paraboloide de revolución con microturbina de gas Autor: David Serrano León Tutores: Lourdes García Rodríguez José María Delgado Sánchez El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2019 El Secretario del Tribunal vii Agradecimientos En primer lugar, me gustaría agradecer a mis padres, Felipe y Loli, su continuo apoyo, motivación y facilidades durante estos años. A mis hermanos Javier y Alberto, por sus consejos y ánimo mutuo entre nosotros. A Miriam, por ser un pilar fundamental en mi vida y por tu ayuda para conseguir sacar adelante el grado. A mis tutores Lourdes y José María, por acogerme tan bien desde el primer día y por toda vuestra dedicación para ayudarme en todo lo necesario, muchas gracias. A todos los compañeros que he conocido durante esta etapa en Sevilla, sin nuestra ayuda recíproca hubiera sido todo más difícil. A todos los profesores que me aportaron conocimientos y experiencias en sus clases para poder formarme como ingeniero y como persona. David Serrano León ETSI Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 ix Resumen El agua es una sustancia esencial para el transcurso normal de la vida humana y animal. La escasez de agua dulce en el planeta Tierra es un problema creciente con el tiempo, por lo que la búsqueda de sistemas capaces de tratar agua salada está en alza desde mediados del siglo XX. Para contribuir con estas investigaciones, en este trabajo se desarrolla un pequeño prototipo para desalar agua marina con el apoyo energético de un disco solar con una microturbina de gas integrada. Con ese fin, en primer lugar, se ha realizado una revisión bibliográfica para escoger una geometría y características ópticas de los componentes de un disco solar para calcular el rendimiento óptico del concentrador. Seguidamente, se ha calculado la potencia horaria que llega al receptor en base a la radiación incidente sobre el área de apertura del concentrador del modelo. Por último, con el rendimiento de la microturbina de gas -el cual resulta ser del 90%- y la potencia en el receptor, se obtiene la potencia que genera la microturbina, con la cual se alimenta a la bomba de la aplicación de desalación. Simulando este proceso se obtiene el caudal de agua desalada en función de la radiación incidente horaria, llegando a generar casi 8.000 m3 de agua desalada con un solo disco paraboloide solar. xvii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Espectro de la radiación solar extraterrestre [2]. 3 Figura 2. Componentes de la radiación solar [4]. 4 Figura 3. Esquema general de la tecnología de concentración solar térmica [5]. 5 Figura 4. Tecnología de concentración solar térmica con un eje de seguimiento [6]. 6 Figura 5. Tecnología de concentración solar térmica con dos ejes de seguimiento [6]. 6 Figura 6. Reparto de la tecnología de concentración solar térmica en el mundo [8]. 7 Figura 7. Disco Stirling Eurodish [9]. 8 Figura 8. Disco Vanguard [13] 8 Figura 9. Disco Stirling Big Dish [5]. 9 Figura 10. Disco SunCatcher en Maricopa Solar, Arizona [15]. 10 Figura 11. Elementos de un Disco Stirling [17]. 10 Figura 12. Esquema de un receptor de cavidad [18]. 11 Figura 13. Estructura fija y móvil [19]. 12 Figura 14. Captador paraboloide del proyecto OMSoP en ENEA SOLAR [26]. 13 Figura 15. Vista general del software Tonatiuh en una simulación de un sistema lineal Fresnel [29]. 14 Figura 16. Esquema de un disco Stirling con sus dimensiones características [30]. 15 Figura 17. Representación del concentrador en Tonatiuh (a) y nodos creados para cada elemento del sistema (b). 16 Figura 18. Variación de la potencia medida sobre el receptor aumentando el valor de 'm_sigmaSlope'. 17 Figura 19. Distribución del flujo de potencia en la superficie del receptor para el valor de 0 mrad del parámetro 'm_sigmaSlope'. 17 Figura 20. Distribución del flujo de potencia en la superficie del receptor para el valor de 1 mrad del parámetro 'm_sigmaSlope'. 18 Figura 21. Distribución del flujo de potencia en la superficie del receptor para el valor de 2 mrad del parámetro 'm_sigmaSlope'. 18 Figura 22. Distribución del flujo de potencia en la superficie del receptor para el valor de 3 mrad del parámetro 'm_sigmaSlope'. 19 Figura 23. Distribución del flujo de potencia en la superficie del receptor para el valor de 4 mrad del parámetro 'm_sigmaSlope'. 19 Figura 24. Distribución del flujo de potencia en la superficie del receptor para el valor de 5 mrad del parámetro 'm_sigmaSlope'. 20 Figura 25. Distribución del flujo de potencia en la superficie del receptor para el valor de 6 mrad del parámetro 'm_sigmaSlope'. 20 Figura 26. Distribución del flujo de potencia en la superficie del receptor para el valor de 7 mrad del parámetro 'm_sigmaSlope'. 21 Figura 27. Distribución del flujo de potencia en la superficie del receptor para el valor de 8 mrad del parámetro 'm_sigmaSlope'. 21 Figura 28. Opciones de la simulación y de la definición de la fuente de luz 22 Figura 29. Representación de la simulación con (a) 100.000 rayos y (b) 200 rayos. 23 Figura 30. Resultados de la simulación con 100.000 rayos. 23 Figura 31. Potencia en el receptor y energía acumulada para un día típico de enero. 25 Figura 32. Potencia en el receptor y energía acumulada para un día típico de febrero. 26 Figura 33. Potencia en el receptor y energía acumulada para un día típico de marzo. 26 Figura 34. Potencia en el receptor y energía acumulada para un día típico de abril. 27 Figura 35. Potencia en el receptor y energía acumulada para un día típico de mayo. 27 Figura 36. Potencia en el receptor y energía acumulada para un día típico de junio. 28 Figura 37. Potencia en el receptor y energía acumulada para un día típico de julio. 28 Figura 38. Potencia en el receptor y energía acumulada para un día típico de agosto. 29 Figura 39. Potencia en el receptor y energía acumulada para un día típico de septiembre. 29 Figura 40. Potencia en el receptor y energía acumulada para un día típico de octubre. 30 Figura 41. Potencia en el receptor y energía acumulada para un día típico de noviembre. 30 Figura 42. Potencia en el receptor y energía acumulada para un día típico de diciembre. 31 Figura 43. Energía acumulada mensual y anual en el receptor. 32 Figura 44. Representación de un disco paraboloide con microturbina [36]. 33 Figura 45. Diferencia entre la ósmosis directa y la ósmosis inversa [38]. 35 Figura 46. Membrana en forma de espiral [39]. 36 Figura 47. Membrana en forma de espiral [40]. 37 Figura 48. Diagramas de distintos procesos de desalación por ósmosis inversa [39] 37 Figura 49. Diagrama de un proceso de desalación por ósmosis inversa con un turbochargers (a) y con intercambiador de presión (b) [39]. 38 Figura 50. Vista general del software LG Chem Q+ Projection Software. 39 Figura 51. Parámetros de la fuente de agua de alimentación. 40 Figura 52. Parámetros de la recuperación de energía. 41 Figura 53. Diagrama de la instalación de desalación. 41 Figura 54. Diagrama de la instalación de desalación simulada. 42 Figura 55. Hoja de resultados generada por el software de simulación de la desalación. 43 Figura 56. Esquema del sistema global. 45 Figura 57. Proceso de cálculo del volumen de permeado para un día típico del mes de enero. 46 Figura 58. Radiación incidente y permeado obtenido en un día típico de enero. 46 Figura 59. Radiación incidente y permeado obtenido en un día típico de febrero. 47 Figura 60. Radiación incidente y permeado obtenido en un día típico de marzo. 47 Figura 61. Radiación incidente y permeado obtenido en un día típico de abril. 48 Figura 62. Radiación incidente y permeado obtenido en un día típico de mayo. 48 Figura 63. Radiación incidente y permeado obtenido en un día típico de junio. 49 Figura 64. Radiación incidente y permeado obtenido en un día típico de julio. 49 xix Figura 65. Radiación incidente y permeado obtenido en un día típico de agosto. 50 Figura 66. Radiación incidente y permeado obtenido en un día típico de septiembre. 50 Figura 67. Radiación incidente y permeado obtenido en un día típico de octubre. 51 Figura 68. Radiación incidente y permeado obtenido en un día típico de noviembre. 51 Figura 69. Radiación incidente y permeado obtenido en un día típico de diciembre. 52 Figura 70. Representación del permeado producido mensual y anual. 53 1 1 INTRODUCCIÓN a escasez de agua dulce es un problema mundial que va en aumento a lo largo del transcurso de los años, y es debido a ello el reciente aumento de construcciones de plantas de desalación, sobre todo en los países más áridos. Esta necesidad de agua se debe a múltiples motivos entre los que se encuentran: el incremento de la población, el aumento del consumo por persona, la contaminación del agua y el cambio climático, el cual está alterando al ciclo natural del agua para obtener agua dulce apta para el consumo humano, animal y para riego. La superficie de la Tierra está ocupada tres cuartas partes por agua, donde aproximadamente solo un 2,5% es agua dulce. Todo esto ha generado el desarrollo de distintos procesos para desalinizar el agua salada de los mares y océanos. Para poder operar, las grandes plantas de desalación necesitan un alto aporte de energía, la cual puede provenir de fuentes de energía renovables, convencionales o de ambas. Ante la evidente necesidad de cambiar el modelo energético hacia las tecnologías renovables, surge la idea de aplicar a estos sistemas de desalación técnicas de aprovechamiento solar, como es la que se desarrolla en el presente trabajo. 1.1 Objetivos El objetivo principal de este trabajo será estudiar la implantación de una pequeña planta desaladora accionada mediante la energía eléctrica cedida por un disco solar paraboloide de revolución con una microturbina de gas en su receptor, así como obtener los resultados de las simulaciones necesarias para conocer la capacidad de desalación de dicha aplicación. Para ello, se necesitará realizar una revisión bibliográfica del estado del arte tanto del ámbito de la tecnología solar como el de la desalación. 1.2 Alcance El modelo que se va a estudiar en el presente documento es teórico, pudiendo ser desarrollado con más precisión en futuros trabajos. El alcance que puede tener el modelo a estudiar puede ser amplio debido a los problemas mundiales relacionados con el consumo de agua y con el cambio climático. 1.3 Metodología Para alcanzar los objetivos anteriormente descritos, se va a proceder de la siguiente manera; con una base de datos de radiación para una ubicación escogida, se va a calcular la potencia recibida en el receptor de un disco paraboloide para cuantificar la potencia eléctrica que la turbina de este disco es capaz de generar. Con esta potencia, se va a alimentar una bomba de alta presión para alimentar al sistema de desalación y poder calcular el caudal de agua desalada. Para cuantificar estos procedimientos se van a utilizar herramientas informáticas como Microsoft Excel, Tonatiuh y LG Chem Q+ Projection Software. Además, se usarán varias fuentes de información y bases de datos para consolidar todos los conceptos de los distintos campos tecnológicos en los que se centra este trabajo. L Introducción 2 3 2 CONCENTRADOR SOLAR 2.1 Introducción 2.1.1 Objetivos Los objetivos principales de esta sección parten de la revisión de un modelo óptico de un disco Stirling, repasando aspectos sobre la geometría, materiales y características ópticas de los componentes del disco. Previamente, se procede a conocer los componentes principales del disco solar, así como su funcionamiento en general y el estado actual de este tipo de tecnología de aprovechamiento del recurso solar. A partir de la corrección del modelo revisado, se implementa el prototipo óptico en un programa de simulación de trazado de rayos denominado Tonatiuh para desarrollar un análisis del rendimiento óptico del modelo. Con el rendimiento óptico se llega al objeto de estudio principal de esta sección, que es la estimación de la producción energética mensual y anual del disco Stirling en un emplazamiento concreto. 2.1.2 Energía solar La energía solar es la energía que llega a la Tierra proveniente de la radiación electromagnética generada por el Sol. Nuestro planeta recibe una energía de 1,7x1014 kJ por cada segundo o, dicho de otro modo, recibe una potencia de 1.367 W por cada m2 de superficie terrestre. Este número es constante y recibe el nombre de constante solar [1]. La radiación solar es una radiación de naturaleza térmica procedente de un foco (Sol) a alta temperatura (5780 K aproximadamente) como resultado de las reacciones y el movimiento acelerado de las partículas del Sol. La atmósfera es un medio semitransparente y, como se puede ver en la Figura 1, provoca que parte de la radiación solar que llega a la atmósfera sea absorbida y dispersada por los gases presentes en ella, como son el ozono (O3), el agua (H2O) o el dióxido de carbono (CO2), lo que causa que la radiación solar que incide sobre la superficie terrestre disminuya y además que se modifique la magnitud y la dirección de la radiación. Figura 1. Espectro de la radiación solar extraterrestre [2]. Debido a la absorción de H2O y CO2 la radiación solar disponible en la Tierra con longitudes de onda superiores a 2,5 μm es prácticamente nula (Tabla 1) [3]. Concentrador solar 4 Tabla 1. Porcentaje de la radiación para distintos rangos de longitudes de onda. Rango λ (nm) Porcentaje radiación (%) 0 – 380 10 380 – 780 46,5 780 – 3000 41,3 3000 - ∞ 2,2 Cuando se habla de radiación solar se refiere normalmente a la radiación solar global, que es la suma de la radiación directa, la difusa y la reflejada. • Radiación solar directa (ID): radiación solar recibida sin modificar su dirección al atravesar la atmósfera terrestre. Su dirección depende de la localidad geográfica y del tiempo. • Radiación solar difusa (Id): radiación solar recibida después de modificar su dirección al atravesar la atmósfera como consecuencia de la dispersión atmosférica. • Radiación solar reflejada (IR): radiación solar recibida después de reflejarse en una superficie. 𝐼𝐺=𝐼𝐷+𝐼𝑑+𝐼𝑅 [Ec. 1] Figura 2. Componentes de la radiación solar [4]. Para aprovechar la radiación solar hay distintas técnicas que se han ido desarrollando y mejorando a partir de los primeros inicios de la tecnología solar; aproximadamente desde las crisis del petróleo de los años 1973 y 1979. Éstas son: • Energía solar fotovoltaica: generan electricidad mediante placas con materiales semiconductores. • Energía solar pasiva: utilizan la energía solar sin transformarla en otro tipo de energía para calentar espacios, principalmente de edificaciones. • Energía solar activa o térmica de baja temperatura: suele usarse para producir agua caliente sanitaria, para calefacción o uso doméstico en viviendas, hospitales, hoteles, etc. • Energía termosolar de concentración o térmica de media y alta temperatura: reflejan la radiación en un elemento receptor para calentar un fluido. En el siguiente apartado se explica con más detalle esta tecnología. 5 2.2 Estado del arte 2.2.1 Tecnología de concentración solar térmica La tecnología de concentración solar térmica es una técnica que se basa en la reflexión de la radiación solar mediante espejos que concentran la luz sobre una superficie relativamente pequeña. El objetivo de esta tecnología es transformar la radiación solar en energía térmica, la cual suele ser empleada a su vez para generar electricidad mediante una turbina conectada a un generador eléctrico. La transformación en energía térmica básicamente es el aumento de temperatura de un fluido caloportador que se hace pasar por la superficie donde se refleja la radiación (receptor). Este fluido es el encargado de realizar un ciclo termodinámico posterior en el bloque de potencia o bien, se hace pasar por un intercambiador para calentar otro fluido que hará el ciclo. Figura 3. Esquema general de la tecnología de concentración solar térmica [5]. 2.2.2 Tipos de concentración solar térmica La tecnología de concentración solar se divide en dos grandes grupos en función del sistema de seguimiento solar que tenga instalado; puede ser en uno o dos ejes de rotación. El objetivo de estos sistemas es orientar el concentrador de manera que la radiación sea lo más perpendicular posible. Concentrador solar 12 Figura 13. Estructura fija y móvil [19]. 2.3.3 Estado actual de la tecnología Anteriormente, en la tabla 2, se mostraba que la tecnología que emplea discos Stirling es la técnica de aprovechamiento solar menos implantada en el mundo pese a tener buenos rendimientos en cuanto a la conversión radiación-energía eléctrica. Esto se debe a varios factores que hacen que esta tecnología no sea igual de competitiva frente a las demás, como por ejemplo: - Precios elevados. El alto coste de instalación provoca que sea poco competitivo frente a las otras tecnologías de concentración o la fotovoltaica. Además, si estuviera dotado con un sistema de apoyo auxiliar con combustible, esto encarecería la instalación. - Difícil implantación de un sistema de almacenamiento. Como el motor Stirling produce electricidad de manera directa, provoca que la capacidad de almacenamiento de energía sea más complicada que en otras tecnologías de concentración que no usan este tipo de motor. - Problemas estructurales. Existen problemas para aguantar el elevado peso de los discos y soportar los esfuerzos contra la estructura que provoca el viento. Todo esto provoca que el seguimiento solar sea aún más complicado [20] [21]. Para mejorar la posición de esta tecnología frente a las demás y aprovechar el buen rendimiento que tienen, hay estudios de innovación y desarrollo que se centran en mejorar lo descrito anteriormente. Investigan, por ejemplo, sobre hibridación para una generación de electricidad más estable, sistemas de almacenamiento, reducción de costes iniciales, operación y mantenimiento, diseño de nuevos materiales para los espejos de los concentradores y de los receptores, así como del aprovechamiento de los gases calientes de escape de la microturbina para servicios adicionales [22] [23] [24] [25]. 2.4 Innovación en captadores paraboloides Los sistemas solares basados en los captadores paraboloides normalmente han tenido instalados un motor Stirling en el foco para generar energía eléctrica, puesto que estos motores suelen tener rendimientos del 30%. Estos sistemas han ido evolucionando en las últimas décadas y han sido investigados con distintos proyectos 13 como OMSoP, REFOS, SOLGATE, etc. Las innovaciones más relevantes se han centrado en el bloque de potencia ubicado en el foco del concentrador, analizando las ventajas y desventajas de los motores Stirling y proponiendo nuevos sistemas de producción de energía eléctrica como la introducción de microturbinas de gas en el receptor del sistema, sustituyendo al motor Stirling. El caso particular del proyecto OMSoP (‘Optimised microturbine solar power system’), fue una investigación que comenzó en febrero de 2013 y finalizó en julio de 2017 y estuvo financiada con fondos europeos. Trataba la renovación de la producción eléctrica de los captadores paraboloides mediante la sustitución de los motores Stirling por microturbinas de gas. Los colaboradores del proyecto combinaron los sistemas de concentración solar parabólica (CSP) de última generación con la tecnología de las microturbinas de gas para producir electricidad, puesto que los motores Stirling generan costes elevados, presentan gran complejidad y ofrecen poca fiabilidad, como se ha descrito anteriormente. El sistema que se propuso era modular y producía entre 3 y 10 kW de electricidad, que podía abastecer energía a hogares y aplicaciones comerciales de pequeño tamaño. Además, su característica modular permitía unir varias unidades para lograr potencias mayores. También podían integrarse en sistemas de almacenamiento de energía a medio y largo plazo o hibridarse con combustibles convencionales. Esta característica diferenciaba a este sistema de otros tipos de producción de energía renovable a pequeña escala, ya que la generación distribuida resulta fundamental para aumentar la proporción de este tipo de energías. Figura 14. Captador paraboloide del proyecto OMSoP en ENEA SOLAR [26]. En el proyecto OMSoP utilizaron un disco parabólico como tecnología de concentrador y trabajaron para reducir su peso, mejorar el sistema de seguimiento y aumentar la tasa de concentración (figura 14). También optimizaron un receptor adecuado para esta aplicación. Las investigaciones progresaron alrededor del Concentrador solar 14 desarrollo del receptor, el concentrador y la microturbina de gas. Los socios identificaron que un vidrio fino con una reflectancia superior al 90% ofrece la mejor relación entre el rendimiento y la durabilidad del concentrador. También optimizaron la forma del disco y el sistema de seguimiento automático. El proyecto europeo OMSOP contribuye a que la Unión Europea cumpla sus objetivos de abastecer el 20% de la demanda energética mediante fuentes de energía renovable y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero para 2020 [27]. 2.5 Simulación óptica En este capítulo se describe el proceso seguido para la simulación del modelo solar, así como la descripción del software utilizado y los parámetros geométricos y ópticos del prototipo a simular. 2.5.1 Descripción del programa Tonatiuh Para el estudio del disco parabólico se ha utilizado el software de trazado de rayos Tonatiuh [28], el cual se basa en el algoritmo computacional del método de MonteCarlo de trazado de rayos. Este programa permite diseñar cualquier sistema solar de concentración y realizar análisis sobre los parámetros deseados. Básicamente el programa simula el cálculo de la trayectoria óptica desde una fuente solar hasta un receptor (objeto) permitiendo observar las interacciones de las superficies definidas con los rayos. Este software es un programa de código abierto desarrollado desde el Centro Nacional de Energías Renovables (CENER) con la colaboración de la Universidad de Texas (UTB) y de otros centros de investigación. Figura 15. Vista general del software Tonatiuh en una simulación de un sistema lineal Fresnel [29]. En Tonatiuh, la exactitud de los resultados aumenta conforme lo hace el número de rayos que se procesan, al igual que todos los procedimientos de simulación que usan el método de MonteCarlo, que se basa en la resolución numérica de ecuaciones diferenciales por métodos iterativos. Tonatiuh pide unos parámetros de entrada en función de la tecnología de concentración que se vaya a simular, como: dimensiones de todos los elementos, tipos de materiales y propiedades ópticas de todos los componentes del sistema. Antes de simular, hay que definir la posición del Sol, la cual se puede introducir de dos maneras; manualmente, es decir, indicando la elevación, el ángulo acimutal y la irradiancia, o indicando el lugar, día y hora de la instalación, de manera que el programa calcula automáticamente la posición del Sol. 15 Para la simulación, se debe indicar el número de rayos con los que se quiera realizar la prueba y tras ésta, se puede elegir la superficie deseada del sistema de concentración para su análisis e interpretación. 2.5.2 Descripción del modelo El modelo de disco Stirling que se ha utilizado para este estudio usa como referencia datos reportados por Sandoval et al en el artículo [30]. Para ello, se han introducido las medidas del concentrador y del receptor, así como sus características ópticas (tabla 3). El motor Stirling no se ha representado para simplificar el proceso, puesto que se estudiará en detalle en secciones posteriores. Tabla 3. Datos geométricos y ópticos del disco Stirling. Parámetro Valor Diámetro del concentrador, D 7,5 m Longitud focal, f 4,875 m Diámetro del receptor, d 0,07 m Longitud del receptor, H 0,0835 m Reflectividad del concentrador 94 % Figura 16. Esquema de un disco Stirling con sus dimensiones características [30]. Se han creado los nodos correspondientes al concentrador y receptor en el software Tonatiuh para simular el sistema completo como puede verse en la siguiente figura: Concentrador solar 16 (a) (b) Figura 17. Representación del concentrador en Tonatiuh (a) y nodos creados para cada elemento del sistema (b). A la hora de introducir en el programa Tonatiuh el material elegido para cada elemento del sistema del disco solar, se deben concretar los valores ópticos característicos para cada componente, como por ejemplo: • Sigma slope: parámetro en el que el programa Tonatiuh relaciona el error de pendiente y especularidad de la superficie reflectante. Representa los errores ópticos asociados a la desviación típica de la normal del sistema reflectivo, es decir, al error en el rayo incidente para converger en el foco óptico. Se ha realizado un análisis de sensibilidad variando el valor de ‘m_sigmaSlope’ para el concentrador desde 0 hasta 8 mrad. Con esto se quiere ver la influencia de este valor sobre la superficie receptora, es decir, cuantificar la potencia y la distribución sobre ésta. 17 Figura 18. Variación de la potencia medida sobre el receptor aumentando el valor de 'm_sigmaSlope'. Como se ve en la anterior representación, la potencia medida en el receptor es prácticamente constante hasta que ‘m_sigmaSlope’ alcanza el valor de 4 mrad, punto donde empieza a caer. Al aumentar este valor, la potencia que recibe el receptor va disminuyendo considerablemente. A continuación, en las siguientes figuras se ven las diferencias que existen en la distribución del flujo de potencia en la superficie receptora para los casos en los que ‘m_sigmaSlope’ tiene los valores desde 0 hasta 8 mrad: Figura 19. Distribución del flujo de potencia en la superficie del receptor para el valor de 0 mrad del parámetro 'm_sigmaSlope'. 25000 27000 29000 31000 33000 35000 37000 39000 41000 43000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Potencia [W] m_sigmaSlope [mrad] Variación de la potencia en el receptor en función de sigmaSlope del concentrador Concentrador solar 18 Figura 20. Distribución del flujo de potencia en la superficie del receptor para el valor de 1 mrad del parámetro 'm_sigmaSlope'. Figura 21. Distribución del flujo de potencia en la superficie del receptor para el valor de 2 mrad del parámetro 'm_sigmaSlope'. 19 Figura 22. Distribución del flujo de potencia en la superficie del receptor para el valor de 3 mrad del parámetro 'm_sigmaSlope'. Figura 23. Distribución del flujo de potencia en la superficie del receptor para el valor de 4 mrad del parámetro 'm_sigmaSlope'. Concentrador solar 20 Figura 24. Distribución del flujo de potencia en la superficie del receptor para el valor de 5 mrad del parámetro 'm_sigmaSlope'. Figura 25. Distribución del flujo de potencia en la superficie del receptor para el valor de 6 mrad del parámetro 'm_sigmaSlope'. 21 Figura 26. Distribución del flujo de potencia en la superficie del receptor para el valor de 7 mrad del parámetro 'm_sigmaSlope'. Figura 27. Distribución del flujo de potencia en la superficie del receptor para el valor de 8 mrad del parámetro 'm_sigmaSlope'. Concentrador solar 28 Figura 36. Potencia en el receptor y energía acumulada para un día típico de junio. Figura 37. Potencia en el receptor y energía acumulada para un día típico de julio. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Potencia [W/m2] Energía acumulada [Wh/m2] Horas JUNIO Energía acumulada Radiación incidente Potencia en receptor 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Potencia [W/m2] Energía acumulada [Wh/m2] Horas JULIO Energía acumulada Radiación incidente Potencia en receptor 29 Figura 38. Potencia en el receptor y energía acumulada para un día típico de agosto. Figura 39. Potencia en el receptor y energía acumulada para un día típico de septiembre. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Potencia [W/m2] Energía acumulada [Wh/m2] Horas AGOSTO Energía acumulada Radiación incidente Potencia en receptor 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Potencia [W/m2] Energía acumulada [Wh/m2] Horas SEPTIEMBRE Energía acumulada Radiación incidente Potencia en receptor Concentrador solar 30 Figura 40. Potencia en el receptor y energía acumulada para un día típico de octubre. Figura 41. Potencia en el receptor y energía acumulada para un día típico de noviembre. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Potencia [W/m2] Energía acumulada [Wh/m2] Horas OCTUBRE Energía acumulada Radiación incidente Potencia en receptor 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Potencia [W/m2] Energía acumulada [Wh/m2] Horas NOVIEMBRE Energía acumulada Radiación incidente Potencia en receptor 31 Figura 42. Potencia en el receptor y energía acumulada para un día típico de diciembre. Cabe destacar que la potencia en el receptor representada en las anteriores figuras es la calculada en la superficie receptora, es decir, sin tener en cuenta el rendimiento interno del receptor, el cual es del 80% aproximadamente, tal y como se ve en la figura 11 de la página 19 del Trabajo Fin de Grado de Miguel Rollán [37]. Evidentemente, y, como se ve en las gráficas mensuales, los meses centrales del año tienen una potencia medida en el receptor superior que en los meses invernales y, por consiguiente, la energía acumulada en el día y en el mes también es mayor. A continuación, se representa una gráfica con la energía acumulada mensual y anual para el receptor, en la que se observa que la energía acumulada anual supera los 1.800 kWh/m2. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 12345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Potencia [W/m2] Energía acumulada [Wh/m2] Horas DICIEMBRE Energía acumulada Radiación incidente Potencia en receptor Concentrador solar 32 Figura 43. Energía acumulada mensual y anual en el receptor. 2.7 Conclusiones Una vez desarrollada la primera parte del trabajo y cumplidos los objetivos marcados, se pueden sacar las siguientes conclusiones: - Se han obtenido los parámetros geométricos y ópticos del disco solar a partir de una revisión bibliográfica y del estado del arte de la tecnología. - Partiendo de los valores característicos anteriores, se ha simulado el prototipo en la herramienta Tonatiuh para calcular el rendimiento óptico del concentrador, resultando de un 90% aproximadamente, valor que está en el mismo rango que la bibliografía consultada. - Con la eficiencia óptica se han representado distintas gráficas mensuales de la potencia que llega al receptor para conocer la producción mensual y anual del disco. Aspectos básicos para las siguientes partes del trabajo. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 50 100 150 200 250 300 Energía acumulada [kWh/m2] Energía [kWh/m2] Mes Energía acumulada mensual y anual en el receptor Energía acumulada anual Energía acumulada mensual 33 3 MICROTURBINA DE GAS na microturbina de gas es un elemento para aprovechar la energía que contiene un fluido. Por dentro de ella circula un gas a alta presión que impacta contra los álabes de la turbina, haciendo girar a un eje que está conectado a un alternador, que convierte la energía mecánica que contiene la turbina en energía eléctrica. Se denominan microturbinas de gas por su pequeño tamaño y por su producción eléctrica, que como se vio en el apartado 2.4. están entre los 3 y 10 kWe. Como se ve en la figura 44, la microturbina de gas está constituida por los siguientes componentes; un compresor y una turbina, los cuales están montados en un mismo eje, por lo que giran a la misma velocidad, un recuperador para intercambiar calor entre los gases de escape calientes de la turbina y la entrada de aire al receptor solar, un alternador y una cámara de combustión para convertir el sistema solar en híbrido. Figura 44. Representación de un disco paraboloide con microturbina [36]. Las microturbinas de gas tienen varias ventajas. La primera es que pueden aprovechar la energía térmica para otros usos, como generar vapor para otras aplicaciones. La segunda es que se pueden hibridar mediante la incorporación al sistema de una cámara de combustión para una combustión complementaria, lo que provocaría un aumento del rendimiento del sistema y, por consiguiente, mayor producción anual de energía. Además, la generación de energía eléctrica ya no oscilaría de la misma manera que si el sistema no tuviera la combustión suplementaria, pudiendo controlar la demanda en todo momento sin la obligación de tener sistemas de almacenamientos, lo que supone un ahorro en el coste inicial. En cuanto al rendimiento global de la microturbina de gas (ηmTG), incluye el rendimiento del compresor, el de la cámara de combustión y el de la turbina y se expresa como el cociente entre la potencia eléctrica cedida por la turbina (Welec) y potencia térmica aportada al flujo de aire (Qrcv): 𝜂𝑚𝑇𝐺 =𝑊𝑒𝑙𝑒𝑐 𝑄𝑟𝑐𝑣 [Ec. 4] La temperatura del aire a la entrada de la turbina es de 900ºC. Las turbinas de gas suelen tener rendimientos globales entre 35 y 42%. En el caso de las microturbinas, los rendimientos están alrededor del 25% [36]. Para el caso de estudio, se tomará 25,23% el rendimiento de la microturbina de gas tal y como se muestra en la página 25 del Trabajo Fin de Grado de Miguel Rollán [37]. U Microturbina de gas 34 35 4 DESALACIÓN a desalación es un proceso para convertir el agua salada de mar en agua dulce, que tras un adecuado postratamiento se convertirá en agua potable apta para el consumo humano. El método más usado es el de la ósmosis inversa. La tecnología de ósmosis inversa se basa en el fenómeno natural llamado ósmosis directa. A través de una membrana semipermeable, dos soluciones con una concentración de sal diferente tienden a igualar sus concentraciones. El paso del disolvente se produce desde la solución más diluida hacia la más concentrada, que se detiene una vez que se ha alcanzado el equilibrio entre ambas concentraciones. La fuerza que genera este flujo de solvente es la diferencia de presiones osmóticas y está relacionada con la diferencia de concentración de sales en ambas soluciones. Aplicando una presión mayor que la osmótica sobre la solución concentrada el proceso se invierte (ósmosis inversa). Por lo tanto, el movimiento del solvente ocurre desde la solución concentrada hacia la solución más diluida (figura 45). Figura 45. Diferencia entre la ósmosis directa y la ósmosis inversa [38]. Los elementos principales para reproducir este fenómeno a escala industrial con agua de mar son una bomba (necesaria para aplicar presión) y las membranas capaces de permitir el paso del disolvente y la recuperación energética de la energía de la salmuera. Las membranas que suelen utilizarse en procesos industriales para la desalinización de agua de mar son de poliamida y se colocan de manera que un conjunto de membranas se arrolla en espiral (figura 46). L Desalación 36 Figura 46. Membrana en forma de espiral [39]. 4.1 Etapas del proceso de desalación El proceso de desalación por ósmosis inversa de agua de mar a escala industrial consta de las siguientes etapas: 1. Toma y bombeo de agua de mar. La captación de agua de mar puede ser con tomas abiertas o pozos playeros. La entrada del pozo playero proporciona una mejor calidad de agua con menos turbidez y sin actividad biológica. Su inconveniente es que requieren un área lo suficientemente grande para perforaciones con alta permeabilidad cerca de la costa. 2. Pretratamiento de agua de mar. El tratamiento previo incluye procesos fisicoquímicos para evitar la formación de incrustaciones de sales sobre las superficies de las membranas. Dependiendo de la calidad del agua de alimentación, se eligen filtros que usan agentes antiincrustantes o tratamientos previos de membrana desarrollados recientemente basados en ultrafiltración (UF) generalmente, o también podría utilizarse la nanofiltración (NF). En comparación con los pretratamientos convencionales, el uso de membranas proporciona un menor consumo de productos químicos y mayor eliminación de bacterias. En la actualidad, la ultrafiltración es el proceso más utilizado, ya que tiene el mejor equilibrio entre la eliminación de contaminantes y la producción de permeado. 3. Etapas de desalinización y recuperación energética. Esta etapa incluye los componentes principales de la planta de ósmosis inversa y consiste en los siguientes procesos: - Bombeo a alta presión. El flujo de alimentación del sistema de tratamiento previo debe presurizarse hasta la presión requerida. Sólo una parte del flujo de alimentación pasa a través de las bombas de alta presión. El flujo de alimentación restante está presurizado por el dispositivo de recuperación de energía, debido a la energía hidráulica del flujo de salmuera, seguido de una bomba de circulación. - El proceso de desalinización es llevado a cabo por los bastidores de la ósmosis inversa. Consisten en el montaje de tubos de presión, trabajando en paralelo, con 7-8 módulos de membranas en el interior, conectados en serie (figura 47). Los puntos de control más importantes del proceso de la ósmosis inversa son la presión de alimentación del agua pretratada antes de su entrada a los tubos de presión y el flujo de salmuera. 37 Figura 47. Membrana en forma de espiral [40]. Este proceso puede realizarse de distintas formas dependiendo de las veces que el agua pretratada se someta al proceso de ósmosis inversa, generando un amplio abanico configuraciones como se ve en las siguientes figuras: (a) (b) (c) (d) Figura 48. Diagramas de distintos procesos de desalación por ósmosis inversa [39] - Recuperación de energía de la salmuera. Se utilizan intercambiadores de presión (también denominados cámaras isobáricas) o turbochargers (figura 48). Desalación 44 45 5 DESALACIÓN APLICADA A UN DISCO PARABOLOIDE CON MICROTURBINA DE GAS ras haber estudiado las tres partes del modelo independientemente, en este capítulo se unirán todos los componentes para obtener los resultados del sistema global, estableciendo una relación entre la radiación sobre el concentrador del disco y la producción de agua apta para consumo o permeado. Para ello, se utilizan los resultados parciales de los rendimientos de cada subsistema obtenidos en los apartados anteriores. A partir de la radiación directa sobre Sevilla, se obtuvo en el apartado 2 la potencia térmica que recibía el receptor del disco paraboloide, mediante el cálculo previo del rendimiento del concentrador. Con esta potencia térmica se calienta aire que se hace pasar por el compresor y a continuación, por la microturbina de gas, la cual tiene un rendimiento (como se vio en el apartado 3) que representa la potencia eléctrica que cede. Esta potencia es la que se utiliza para hacer funcionar la bomba de agua de mar para la desalación, por lo que marcará el caudal que es capaz de mover. Por último, con ese caudal de agua salada y con los resultados obtenidos en la sección 4, se puede obtener el caudal de agua tratada, quedando todo el sistema relacionado completamente. Figura 56. Esquema del sistema global. Para obtener los resultados que se muestran más adelante, se ha utilizado la ecuación 5 aplicada a cada hora de un día típico de cada mes: 𝐴𝑔𝑢𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑑𝑎 [𝑚3 ℎ]=𝐷𝑁𝐼[𝑊 𝑚2]∙𝐴𝑐𝑜𝑛[𝑚2]∙𝜂𝑐𝑜𝑛∙𝜂𝑟𝑒𝑐 ∙𝜂𝑚𝑇𝐺 ∙1 𝑘𝑊 1000 𝑊 𝑆𝐸𝐶 [𝑘𝑊ℎ 𝑚3] [Ec. 5] Esta expresión extendida a lo largo de un día proporciona el volumen de agua permeada en metros cúbicos que el modelo es capaz de generar. Multiplicando este volumen por el número de días del mes se obtiene la cantidad mensual de producto y haciendo igual para todos los meses se tiene el agua desalada para un año. El proceso seguido es el que se representa en la siguiente figura: T Desalación aplicada a un disco paraboloide con microturbina de gas 46 Figura 57. Proceso de cálculo del volumen de permeado para un día típico del mes de enero. Para el caso del mes de enero, se obtienen 15,09 m3 de permeado, que, multiplicando por los 31 días que tiene enero, se obtienen 467,85 m3 en este mes. Procediendo de la misma manera para todos los meses del año, se obtienen los resultados mensuales y anual. A continuación, se muestran gráficas que representan los resultados de los cálculos para cada mes, donde la radiación incidente representa la DNI. Figura 58. Radiación incidente y permeado obtenido en un día típico de enero. Hora del día (Enero) DNI (W/m2)PQ (kW) η mTG Pwe (kWe) SEC (kWh/m3) qV producto (m3) qV producto acumulado (m3) 0.5 0.00 0.00 0.25 0.00 2.12 0.00 0.00 1.5 0.00 0.00 0.25 0.00 2.12 0.00 0.00 2.5 0.00 0.00 0.25 0.00 2.12 0.00 0.00 3.5 0.00 0.00 0.25 0.00 2.12 0.00 0.00 4.5 0.00 0.00 0.25 0.00 2.12 0.00 0.00 5.5 0.00 0.00 0.25 0.00 2.12 0.00 0.00 6.5 0.00 0.00 0.25 0.00 2.12 0.00 0.00 7.5 0.00 0.00 0.25 0.00 2.12 0.00 0.00 8.5 1.48 0.05 0.25 0.01 2.12 0.01 0.01 9.5 190.07 6.04 0.25 1.52 2.12 0.72 0.72 10.5 420.10 13.34 0.25 3.37 2.12 1.59 2.31 11.5 501.52 15.93 0.25 4.02 2.12 1.90 4.21 12.5 534.07 16.96 0.25 4.28 2.12 2.02 6.23 13.5 521.29 16.56 0.25 4.18 2.12 1.97 8.20 14.5 539.68 17.14 0.25 4.32 2.12 2.04 10.24 15.5 508.19 16.14 0.25 4.07 2.12 1.92 12.16 16.5 429.84 13.65 0.25 3.44 2.12 1.62 13.78 17.5 281.29 8.93 0.25 2.25 2.12 1.06 14.84 18.5 65.45 2.08 0.25 0.52 2.12 0.25 15.09 19.5 0.00 0.00 0.25 0.00 2.12 0.00 15.09 20.5 0.00 0.00 0.25 0.00 2.12 0.00 15.09 21.5 0.00 0.00 0.25 0.00 2.12 0.00 15.09 22.5 0.00 0.00 0.25 0.00 2.12 0.00 15.09 23.5 0.00 0.00 0.25 0.00 2.12 0.00 15.09 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Permeado [m3] Potencia [W/m2] Horas ENERO qV producto acumulado Radiación incidente 47 Figura 59. Radiación incidente y permeado obtenido en un día típico de febrero. Figura 60. Radiación incidente y permeado obtenido en un día típico de marzo. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Permeado [m3] Potencia [W/m2] Horas FEBRERO qV producto acumulado Radiación incidente 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Permeado [m3] Potencia [W/m2] Horas MARZO qV producto acumulado Radiación incidente Desalación aplicada a un disco paraboloide con microturbina de gas 48 Figura 61. Radiación incidente y permeado obtenido en un día típico de abril. Figura 62. Radiación incidente y permeado obtenido en un día típico de mayo. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Permeado [m3] Potencia [W/m2] Horas ABRIL qV producto acumulado Radiación incidente 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Permeado [m3] Potencia [W/m2] Horas MAYO qV producto acumulado Radiación incidente 49 Figura 63. Radiación incidente y permeado obtenido en un día típico de junio. Figura 64. Radiación incidente y permeado obtenido en un día típico de julio. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Permeado [m3] Potencia [W/m2] Horas JUNIO qV producto acumulado Radiación incidente 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Permeado [m3] Potencia [W/m2] Horas JULIO qV producto acumulado Radiación incidente Desalación aplicada a un disco paraboloide con microturbina de gas 50 Figura 65. Radiación incidente y permeado obtenido en un día típico de agosto. Figura 66. Radiación incidente y permeado obtenido en un día típico de septiembre. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Permeado [m3] Potencia [W/m2] Horas AGOSTO qV producto acumulado Radiación incidente 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Permeado [m3] Potencia [W/m2] Horas SEPTIEMBRE qV producto acumulado Radiación incidente 51 Figura 67. Radiación incidente y permeado obtenido en un día típico de octubre. Figura 68. Radiación incidente y permeado obtenido en un día típico de noviembre. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Permeado [m3] Potencia [W/m2] Horas OCTUBRE qV producto acumulado Radiación incidente 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Permeado [m3] Potencia [W/m2] Horas NOVIEMBRE qV producto acumulado Radiación incidente Desalación aplicada a un disco paraboloide con microturbina de gas 52 Figura 69. Radiación incidente y permeado obtenido en un día típico de diciembre. Como se observa, en los meses centrales del año, donde la radiación alcanza sus niveles máximos, el volumen de agua permeada es mayor, llegando a superar los 30 m3 en un día como es el caso del mes de julio. Unificando todos estos resultados, se obtienen las cantidades de permeado para cada mes y, sumando, para un año (tabla 11). Tabla 11. Volumen de permeado acumulado mensual y anual. Mes qV producto acumulado mensual (m3) qV producto acumulado anual (m3) Enero 467,85 467,85 Febrero 476,45 944,30 Marzo 555,08 1499,39 Abril 63299 2132,38 Mayo 824,19 2956,57 Junio 878,74 3835,31 Julio 1028,65 4863,96 Agosto 911,00 5774,96 Septiembre 666,84 6441,79 Octubre 526,02 6967,81 Noviembre 443,56 7411,38 Diciembre 406,44 7817,82 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Permeado [m3] Potencia [W/m2] Horas DICIEMBRE qV producto acumulado Radiación incidente 53 Figura 70. Representación del permeado producido mensual y anual. Como se ve en la tabla 11, la cantidad de agua permeada anual puede alcanzar los 7.817,82 m3, para lo que se necesitarían más de 17.000 m3 de agua salada, ya que el porcentaje de recuperación que se ha introducido en el software de simulación es del 45%. 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 0 200 400 600 800 1000 1200 Producto acumulado [m3] Producto [m3] Mes Producto acumulado mensual y anual qV producto acumulado qV producto