Desarrollar soluciones descentralizadas – generación de electricidad a partir de calor residual industrial

GET® Turbina generadora (Foto: Universidad de Bayreuth) / GET turbine generator (Photo: Universität Bayreuth)

Sistema de prueba ORC (Foto: Universidad de Bayreuth) / Sistema de investigación (Foto: Universidad de Bayreuth)

Con el avance de la transición energética, crece el interés por las unidades generadoras descentralizadas y regulables. El aprovechamiento del calor residual en procesos industriales puede contribuir significativamente a aumentar la eficiencia energética y a generar electricidad con bajo contenido de CO2. El Ciclo Orgánico de Rankine (ORC) ofrece un enfoque tecnológico para convertir el calor residual en electricidad. El consorcio del norte de Baviera, formado por la Universidad de Bayreuth, la OTH Amberg-Weiden y la empresa DEPRAG, lleva más de 7 años desarrollando con éxito sistemas ORC y, en particular, microturbinas de expansión en rangos de potencia pequeños, por debajo de 50 kW (eléctricos).  

La recuperación de flujos de energía no utilizados, como el calor en los gases de escape de motores de combustión o turbinas de gas, o también el calor residual de procesos industriales, representa un enfoque prometedor para mejorar la eficiencia energética. Las soluciones técnicas existentes, como procesos de generación de vapor posteriores o turbinas como expandidoras de gas natural, se limitan a flujos de energía con temperaturas superiores a 500 °C y capacidades eléctricas superiores a 100 kW. Para lograr una penetración amplia en el mercado y un efecto positivo perceptible en el sistema energético actual, es importante también explorar los potenciales significativos en niveles de temperatura bajos. 

El concepto: turbina ORC eficiente y de pequeña escala

El ORC es especialmente adecuado para fuentes de calor con temperaturas entre 100 °C y 500 °C como tecnología de conversión de energía. Se trata, en esencia, del conocido proceso de generación de vapor, que lleva el nombre del físico e ingeniero escocés William John Macquorn Rankine (1820–1872). A diferencia de las centrales convencionales, en los sistemas ORC se utilizan fluidos orgánicos en lugar de agua como medio de trabajo. Estos compuestos tienen la ventaja de vaporizarse a temperaturas relativamente bajas. En el rango de potencia eléctrica inferior a 100 kW, esta tecnología aún no está suficientemente establecida. Esto se debe, en parte, a la falta de microexpansores económicos con generadores. Justamente aquí radica un punto clave para la intensa investigación y desarrollo de los socios del proyecto. Por un lado, se desarrolló una unidad innovadora y altamente integrada de turbina-generador, que consiste en una turbina axial de presión constante con un generador síncrono herméticamente sellado (Figura de la turbina). Además, se probó un diseño innovador de intercambiador de calor (intercambiador de placas y carcasa) para acoplar directamente el medio de trabajo ORC con los gases de escape. Con esta medida se evitan circuitos intermedios costosos.

Colaboración estrecha: Bayreuth y Amberg

En el proyecto "Desarrollo de una mini central ORC para el aprovechamiento del calor residual", financiado por la Fundación de Investigación de Baviera entre 2011 y 2013, se fusionaron inicialmente las experticias específicas de los tres socios en varias etapas de desarrollo: simulación estacionaria y selección de fluidos, diseño y fabricación de un evaporador directo y una microturbina de expansión con generador, planificación de la planta de demostración, así como su construcción y operación. En este proceso, la microturbina fue calculada y diseñada por el Prof. Dr.-Ing. Andreas Weiß de la OTH Amberg-Weiden. La DEPRAG SCHULZ GMBH u CO., con sede en Amberg, resolvió los desafíos técnicos en la fabricación de la microturbina ORC. Finalmente, se construyó una central de investigación en el Centro de Tecnología Energética (ZET) de la Universidad de Bayreuth, bajo la dirección del Prof. Dr.-Ing. Dieter Brügmann (Figura de la central de investigación). "La colaboración intensa y enfocada entre los desarrolladores de turbinas de Amberg y los termodinámicos de Bayreuth finalmente permitió alcanzar una potencia eléctrica de 12 kilovatios con un rendimiento de casi el 65%, utilizando temperaturas de gases de escape de hasta 300 grados Celsius", recuerda la Dr.-Ing. Theresa Weith, quien trabajó en el proyecto y ahora lidera el campo de transferencia de calor en el ZET.

Desarrollo continuo: aplicación más amplia y uso más flexible

El proyecto de investigación descrito representa el primer paso en una evolución constante de la tecnología ORC por parte de los socios del proyecto. Tras la exitosa construcción y prueba de la central experimental con evaporación directa de ciclopentano y una microturbina como expander, en el marco del subproyecto KoKWK "Microturbinas de expansión rápida con generadores para la generación de electricidad a partir de calor residual en cogeneración o en otros procesos industriales", financiado por el Ministerio de Educación y Cultura, Ciencia y Arte de Baviera entre 2013 y 2016, se desarrolló un sistema modular para microturbinas con generadores. Tres diferentes representantes de este sistema modular fueron medidos exhaustivamente en una segunda planta ORC con hexametildisiloxano (MM) como medio de trabajo.

Gracias a la fiabilidad del nuevo sistema experimental ORC, las turbinas no solo se probaron en el punto de diseño, sino también en carga parcial, permitiendo determinar las características de eficiencia y rendimiento. Las mediciones realizadas confirman mejoras adicionales en la eficiencia, logrando rendimientos de casi el 75%. Todos los participantes han puesto siempre énfasis en vincular los cálculos teóricos con evidencias concretas en laboratorio. "Numerosas publicaciones en estos campos se han limitado a cálculos por computadora, dejando de lado las pruebas experimentales. Nosotros logramos cerrar esa brecha y demostrar el gran potencial de generación eléctrica incluso en pequeñas plantas ORC", destaca el Prof. Brügmann.

Que los objetivos ambiciosos no solo se hayan alcanzado a nivel científico, también lo demuestra la "Turbina de Energía Verde (GET®)", una familia de productos de la empresa DEPRAG SCHULZ GMBH u CO., que en su arquitectura se basa en gran medida en los proyectos descritos. Con cinco tamaños diferentes, puede cubrir un rango de potencia eléctrica de 3 kW a 175 kW. Gracias a su sencilla construcción, la turbina-generador GET puede adaptarse rápida y económicamente a diferentes capacidades, fluidos de trabajo, presiones y temperaturas requeridas en la práctica, y actualmente ya hay unas 100 unidades en operación en campo.

A pesar de los logros alcanzados, los socios del proyecto tienen metas aún más ambiciosas. En el nuevo proyecto, financiado por la BFS, se desarrollará una turbina adaptable con geometría variable y se probará en la central de investigación existente. "Queremos lograr que la turbina se adapte de forma inteligente y eficiente a los rangos de carga parcial que ocurren con frecuencia", explica el Prof. Weiß.