Sistema tecnológico OTEC

Introducción

La tecnología que aprovecha la diferencia de temperaturas existente entre la superficie de los océanos y la de sus profundidades es conocida como OTEC, que significa conversión de energía térmica del océano, los antecedentes de la misma se remontan al siglo XIX cuando ya se habían establecido los ingenios de vapor y los estudios de los ciclos de potencia tenían un fuerte movimiento, en esos tiempos se introducía por Alexander Twining la primera producción comercial de hielo con el uso de la expansión de un gas licuado. Todos estos avances le proporcionaron a Le Bon y Arsene D´Arsonval (2) el conocimiento necesario para proponer plantas de generación de energía con gases licuados, entre los años 1881 a 1885. Luego el propio D´Arsonval reconoció que en el océano tropical existían grandes reservas de energía que podían ser explotadas mediante su descubrimiento, naciendo así los sistemas OTEC. La propuesta teórica del Ciclo de Potencia por el eminente científico francés D´Arsonval, fue un Ciclo Cerrado. Sucediéndoles en esta teoría según Claude, el americano Campbell y los italianos Dornig y Boggia. Pero no fue hasta el año 1926 que el ingeniero francés Georges Claude emprendió un programa para demostrar la teoría; pero en su proyecto varió el ciclo termodinámico alegando que las áreas de los equipos de intercambio de calor no eran económicamente viables y que además la corrosión de los equipos producto a la salinidad del agua de mar y incrustaciones podría ser un problema en el futuro, proponiendo así el Ciclo Abierto o Ciclo Claude. . El nuevo método utilizaría la propia agua superficial del mar como fluido de trabajo. Estas ideas se ponen en práctica en la Bahía de Matanzas en 1930, tras largos años de lucha contra los impedimentos técnicos y climatológicos. El 6 de octubre de 1930 el inventor logró encender 30 bombillas eléctricas incandescentes de 500 W cada una, para una potencia de 15 KW. Sin contar una pequeña parte de la energía que era captada para bombear el agua de las profundidades marinas. Este hecho fue calificado por la Academia de Ciencias de Cuba como hecho probado y aunque tuvo algunos detractores producto a que no se obtuvo una generación por encima de la consumida en el proceso ya que se bombeo más agua del fondo del mar que la necesaria, se marco el inicio de una nueva meta para los investigadores de esta tecnología. Con posterioridad dicha ciencia aplicada ha tenido un lento desarrollado, teniendo en los Estados Unidos, Japón, Taiwán y la India a sus líderes internacionales.

Con el aumento del precio del petróleo se convierte la OTEC en una atrayente alternativa para producir energía eléctrica limpia por la posibilidad de producir agua desalinizada, productos alimentarios, servicios de climatización, cloruro de litio, titanio y hasta hidrógeno; variante a la cual se refieren los norteamericanos para producir el hidrógeno en el mar y llevarlo a tierra firme, y utilizarlo como combustible en centrales termoeléctricas del futuro, eliminando así la utilización del combustible fósil. Indiscutiblemente la tecnología OTEC ha tenido grandes retos que vencer, como la corrosión por la presencia del agua de mar, un costo de inversión superior a otras tecnologías y las grandes dimensiones de los equipos tecnológicos y otras; pero sin dudas, la tubería para obtener el agua fría del fondo marino por su alto costo, dimensiones, engorrosa colocación y fijación; y la baja eficiencia del ciclo termodinámico, son las grandes barreras para su uso hasta el momento y lenta introducción en la práctica social. Por otra parte, la búsqueda de información de patente reporta una cantidad importante de autores trabajando sobre la alternativa de incrementar la eficiencia del sistema y de cada uno de los equipos de esta tecnología; además de plantas OTEC anexas a otras instalaciones, como por ejemplo la planta OTEC anexa a una refinería en Tokio, donde se aprovechan los calores residuales de gases expulsados a la atmósfera, producto de la refinación de petróleo.

Resumiendo, los mayores avances de la tecnología OTEC se han logrado en el mejoramiento de los equipos de intercambio de calor y la posible utilización de otros fluidos como pudiera ser la mezcla de amoniaco-agua, entre otros. Paralelamente se han desarrollado también las producciones derivadas del sistema OTEC, como la climatización, el maricultivo, acuicultura, extracción de minerales, producción de fármacos, entre otros. Específicamente en Cuba todos los resultados alcanzados han sido, exceptuando el experimento de Claude en 1930, basados en los fundamentos teóricos que aunque, irrebatibles, no se han llevado a la práctica, principalmente por la falta de financiamiento.

El objetivo de este trabajo es la comprensión de cada uno de los componentes del ciclo OTEC. Diseñar un ciclo, con datos específicos y realizar cálculos que permitan determinar el área de transmisión de calor del evaporador y su costo aproximado, tomando en consideración la comparación entre un intercambiador tubo y coraza y un intercambiador de placas y las pérdidas de presión para el evaporador seleccionado. Además se calculará el sobrecalentador horizontal del sistema con la disposición tubo y coraza, teniendo gases de escape de combustión por dentro de los tubos y el amoniaco por fuera y el condensador horizontal del sistema con la disposición tubo y coraza, teniendo el amoniaco por fuera de los tubos y el agua de mar por dentro y como objetivo fundamental, exponer criterios a partir del calculo de la eficiencia del ciclo termodinámico.

Desarrollo:

Variantes tecnológicas que se podrían introducir en el sistema OTEC

El desarrollo de la tecnología para la explotación de la energía termo-oceánica ha conllevado a la búsqueda de mayores eficiencias del ciclo de generación con el fin de disminuir entre otros problemas los flujos de trabajo, tanto de agua superficial como profunda, áreas de los equipos y finalmente, el elevado costo de la planta. Este tipo de energía también es conocida como la distribución de temperatura vs. profundidad o termo clima, siendo definida por la literatura como: la diferencia de temperatura existente entre el agua superficial y el agua fría de la profundidad del mar.

En la búsqueda realizada tomando como referencia la bibliografía consultada hemos observado una intensa labor desarrollada por parte de los investigadores evidenciando la variedad de los ciclos propuestos como ejemplos: el Ciclo Kalina (ver anexo fig. 1).Donde se emplea una mezcla de amoniaco- agua como fluido de trabajo. Ha realizado trabajos con el refrigerante freón 22 y ha aprovechado calores de otras industrias.

También se puede hacer referencia a otro ciclo que no solo trabaja con una mezcla de amoniaco-agua sino que realiza una extracción de turbina precalentado el fluido antes de entrar al evaporador (ver anexo fig. 2).El ciclo propuesto por el científico japonés Uehara.

Otro de los ciclos que pudiera mencionarse es el del científico igualmente japonés Ikegami, quién propone el acople de un colector solar a la tecnología OTEC para hacer evaporar la sustancia de trabajo o sobrecalentarla ( ver anexo figura 3). Es importante señalar que con esta propuesta es donde se han reportado mayores aumentos de la eficiencia.

En conclusión los ciclos mencionados anteriormente han logrado llegar a adquirir una eficiencia pero no la suficiente para potenciar finalmente, la explotación de esta tecnología a escala industrial.

La variante tecnológica utilizada para el desarrollo y la profundización de este trabajo fue el ciclo OTEC cerrado (anexo figura 4):

Este ciclo comienza en el evaporador energético donde se utiliza el agua caliente de la superficie del mar para evaporar el flujo de amoníaco líquido. En el área llamada economizador, se prepara el fluido para que alcance la temperatura de saturación para cuando pase a la zona del evaporador ocurra el cambio de fase (líquido-vapor), no se evapore rápidamente y se taponee la tubería. Luego el sobrecalentador recibe el vapor saturado procedente de la etapa de evaporación del fluido de trabajo y tienen como función elevarle su temperatura por encima de la temperatura de saturación correspondiente a la presión a la que se encuentre, es decir, sobrecalentar el vapor. Este vapor sobrecalentado llega a la turbina que genera una corriente que es transportada por un cable submarino a tierra. El vapor cansado que sale de la turbina llega al condensador donde el agua fría profunda del mar es utilizada para enfriar y condensar el amoníaco y convertirlo en líquido nuevamente.

Parámetros de los Sistemas OTEC

Los ciclos de potencia trabajan bajo ciertas condiciones, que son requeridas en el buen funcionamiento de la industria. Las condiciones o parámetros esenciales de trabajo de una planta OTEC son su presión de operación, la temperatura y los flujos que manejan, está definida por bajos parámetros de temperatura y presión conociéndose también su ciclo como ciclo de bajas presiones, no obstante no puede decirse lo mismo de sus flujos que tienen un comportamiento opuesto, claro está dependiendo de la generación que se desee. Estos tres parámetros determinan el funcionamiento del sistema, así como sus propias ventajas y desventajas. Ya que al mismo tiempo, trabajar con bajas presiones y temperaturas implica una mayor utilización de flujos de las sustancias en cuestión, es decir, para obtener grandes potencias se necesitan valores muy grandes de caudales de agua superficial y profunda, así como de la sustancia de trabajo, implicando la necesidad de mayores áreas de los equipos, por consiguiente mayores costos para lograr los parámetros de salida de cada uno de ellos y su transportación. Además, el trabajo con estas bajas condiciones disminuye las posibles eficiencias a alcanzar, estrechándose de esta manera el área del diagrama T-S.

Equipos Tecnológicos

En la mayoría de las industrias existen equipos relacionados con los procesos de absorción del calor, trasiego de fluidos, instrumentación de control, entre otros, los cuales conforman las industrias y/o sistemas de servicios, pudiendo ser desde productoras de energía hasta instalaciones de refrigeración, comercializadora de productos y producción de compuestos químicos.

En la tecnología correspondiente al aprovechamiento del gradiente térmico del océano existen igualmente estos aparatos, siendo de vital importancia para su funcionamiento. Posteriormente se analizarán los equipos más generales del ciclo termodinámico de generación de energía eléctrica mediante una Planta OTEC.

1-Intercambiadores de calor.

Los módulos de intercambio de las temperaturas entre los fluidos en las industrias OTEC, que son similares a otras industrias, se denominan intercambiadores de calor o equipos de transferencia de calor, este nombre es el general; porque en muchos casos su denominación depende de la función que estén realizando, es decir el proceso que se esté efectuando, por ejemplo para el aparato donde el fluido de trabajo de una OTEC se evapora se le llama evaporador como se ha mencionado anteriormente, otro ejemplo sería el condensador, los sobrecalentadores, los separadores y equipos de mezclas, entre otros. Todos estos aparatos utilizan los agentes de transmisión del calor para su funcionamiento, y como aspectos generales pudieran mencionarse algunos otros, como gases de escape, aceites, soluciones y mezclas líquidas.

Otras diferencias muy importantes en los aparatos de intercambio del calor son las formas constructivas, diferenciándose grandemente por cada clasificación. La mayoría de los intercambiadores de calor de una OTEC son de superficie, entendiéndose, según Herrera como aquellos equipos que intercambian el calor de sus fluidos por medio de una pared sin mezclarse entre sí. Es importante señalar que en la actualidad existen muchas formas constructivas, entre las que se encuentran los equipos de tubo y coraza, los construidos por placas, etc. Serán analizados los mencionados, así como las ventajas de uno con respecto al otro.

2-Intercambiadores de tubo y coraza.

La denominación que reciben, es producto según Herrera, a que "están formados por un paquete o haz de tubos, unidos a una o dos placas o espejos por los extremos de los tubos, limitado por una cubierta o coraza que los envuelve". Con el fin de un mayor entendimiento se muestra en la figura un esquema de algunas vistas y cortes del mismo. El movimiento de los fluidos entonces se realiza por dentro y fuera de los tubos respectivamente, separándolos solamente el espesor del tubo.

Figura de Vistas de un intercambiador de tubo y coraza. Fuente: en internet.

La construcción de estos equipos en la actualidad ha disminuido producto a que existen otros métodos de construcción más sencillos y baratos, que implican menores caídas de presión, menores áreas de los equipos para las mismas necesidades debido a la obtención de mayores coeficientes de traspaso de calor globales; utilizándose entonces preferiblemente cuando las condiciones de explotación son las más severas, es decir cuando se trabajo con parámetros críticos, presión, temperatura, corrosión, etc.

3-Intercambiadores de placa.

Estos están construidos por láminas separadoras, este tipo de construcción permite disminuir las áreas de transferencia del calor logrando mayores coeficientes globales del traspaso de calor. Entre las características propias están la posibilidad de trabajar con más de dos flujos a la vez, la posibilidad en algunos casos de desarmarlos por piezas con extrema sencillez y entonces, reparar alguna avería eventual. La estructura fundamental se muestra en la siguiente figura, donde se observan los componentes que conforman los equipos de placas.

FIGURA: Intercambiador de placas.

Según Alfa Laval con la corrugación adecuada de las placas se logra disminuir el área total necesitada para el calor transferido de un 20 a un 30% con respecto a los equipos de tubo y coraza.

Una desventaja que presentan los aparatos de placas es que implican mayores caídas de la presión al paso del fluido por estos, motivando con ello la necesidad de contrarrestar con una bomba mayor o depender de una menor generación de la planta por la disminución de este parámetro.

Es importante señalar que la disponibilidad de estos equipos es total y para el caso de los fluidos manejados en la tecnología en cuestión están sumamente probados por los Líderes Mundiales de la construcción de estos aparatos. Es una necesidad de comenzar a implantar esta energía limpia, ya que no necesita la quema de combustibles fósiles (como el petróleo), ahorrándolos y evitando la contaminación ambiental.

Costos de los sistemas OTEC

Estos sistemas a pesar de encontrarse entre las plantas de generación de electricidad incluyendo las renovables son de las menos eficientes debido a que la eficiencia máxima lograda por una planta de este tipo es de alrededor del 4%, mientras que los valores alcanzados por otras tecnologías de las ramas energéticas están sobre un 30% de eficiencia. Ahora bien para realizar un análisis de este tipo se deben tener en cuenta otros factores como el costo de producción de la electricidad. Por lo tanto, asumiendo, entre ambas industrias, la única diferencia es el uso de los combustibles fósiles por parte de una termoeléctrica (CTE), y tomando en cuenta que OTEC no los consume, es fácil asumir que el valor del costo de generación de electricidad para una planta termo oceánica es mucho menor que para una CTE, aumentando esta diferencia en dependencia precisamente del costo del combustible fósil, porque la tendencia a precios de los combustibles fósiles es al incremento en el tiempo. Otros de los factores a manejar a la hora de realizar un análisis entre las tecnologías podría ser la contaminación ambiental, los costos de recuperación de la inversión, entre otros. Los principales costos del sistema OTEC radican en el valor de la toma de agua fría de las profundidades del mar, siendo aproximadamente el 30% de la inversión inicial, la construcción de la edificación, sea en tierra o en mar, y el costo de los aparatos de transferencia del calor.

Para el estimado de los costos de inversión de estas plantas se plantea que mientras aumente la generación el costo de la inversión disminuye para el megawatts producido, debido a que disminuye la influencia del valor de la inversión por la toma de agua de las profundidades y debido al factor de la economía de escala.

Según Inc, Xenesys. en la realización de un estudio en Cuba para una OTEC en tierra ubicada en la Bahía de Matanzas, utilizando el Ciclo de Uehara, el costo de la inversión es de 37,7 millones de dólares para una generación de aproximadamente 1 MW.

Se presentan a continuación los datos utilizados y la descripción de los cálculos realizados del ciclo OTEC que permitieron el cumplimiento de los objetivos planteados:

En este trabajo, algunos de los cálculos realizados fueron los siguientes:

-Calculo de los evaporadores y los economizadores de tubo- coraza y placa:

-Calculo del área y el flujo calorífico en el sobrecalentador:

-Calculo del área del condensador:

-Calculo de la eficiencia del ciclo:

Para el cumplimiento del objetivo se han estudiado y analizado los documentos digitales, ejercicios resueltos del libro Krasnoschiokov y los conocimientos adquiridos en la asignatura procesos tecnológicos II.

De los cálculos realizados se ha obtenido que el calor necesario para ambos evaporadores es de 105462630 w y el área en el evaporador, para un intercambiador de tubo y coraza es de 89102.7976 m^2, mientras que para un intercambiador de placas es 1058.2 m^2.

Podemos decir que existe una superioridad en el área del evaporador de tubo de coraza con respecto a el evaporador de placas ya que se comprobó que este necesita una menor área de intercambio de calor que el primero mencionado por que es evidente que se realizará una menor inversión, un menor costo de mantenimiento y de mano de obra , el ahorro de energía es mayor, ya que requiere menos agua de enfriamiento y/o calentamiento con un menor esfuerzo de bombeo, ya que la caída de presión en el equipo se puede ajustar a los requerimientos del proceso, estos intercambiadores presentan una instalación sencilla de fácil expansión o modificación, que se realiza directamente en su planta y que puede manejar una gran variedad de procesos, además de presentar un menor espacio, lo que conlleva a un menor peso y requerimientos mínimos de superficie de instalación, es ideal para ampliar su capacidad instalada. Posee menor volumen de retención, requiere de 80% a 90% menos cantidad de líquidos, brinda mayor precisión en el control de temperatura y es muy fácil de drenar. Además de todos estos elementos, se puede afirmar que la eficiencia de estos intercambiadores es superior, ya que tiene coeficientes mas altos de transferencia de calor y necesita menor área de intercambio, valores relacionado directamente con la eficiencia.

En el sobrecalentador se obtuvo un valor de2635239.86 w de flujo calorífico y un área de 89991,9168 m^2; en el condensador el calor total obtenido es de22190481.8 W.

Para completar el estudio se determinó con un aproximado de índice de costo del 2010 quedando:

Podemos concluir que el evaporador de placas es mucho menos costoso que el evaporador tubo coraza.

Conclusiones

Durante la realización de este informe se ha adquirido conocimientos de la importancia del ciclo OTEC como una forma más saludable de obtener energía. Además de que a través de la realización de cálculos de los intercambiadores de calor de placas y de tubo coraza se llegó a conclusiones sobre la eficiencia de los mismos, lo que nos condujo a entender que el intercambiador de placas es más eficiente, económico, menor costo de inversión, utilización y de mantenimiento. Necesita además una menor capacidad de líquido y requiere de una menor área de intercambio, posibilita un mayor ahorro de energía.

Se han cumplido con este trabajo todos los objetivos propuestos, logrando un mayor conocimiento de los procesos que se llevan a cabo en el ciclo OTEC, y a pensar y desarrollar técnicas como Ingenieros Industriales.

Anexos

Figura 1: Ciclo Kalina

Figura 2: Ciclo Uehara

FIGURA 3. Ciclo propuesto por el japonés Yasuyuki Ikegami.

Figura 4: Ciclo OTEC

Autor:

Ing. Abdi Hassan Samireh

Universidad de Matanzas

"Camilo Cienfuegos"

Facultad de Ciencias Económicas e Informáticas

Departamento Ingeniería Industrial

Procesos Tecnológicos

Matanzas, 2014