Desarrollo de un sistema de conversión de calor en energía eléctrica

Abstract

En la Introducción del presente Proyecto de Fin de Grado se expone que el sector secundario es un importante consumidor de energía. Muchas industrias devuelven una cantidad de calor al entorno que queda sin explotar. Este calor constituye una fuente de energía renovable que sería posible aprovechar con un sistema apropiado. La motivación de poder responder a esta problemática, ha hecho que la empresa FIMATEC Ingénierie lanzase un proyecto de innovación en colaboración con la universidad. El objetivo de éste era encontrar nuevas soluciones no disponibles en el mercado actual, lo cual destaca las virtudes innovadoras del proyecto. Sin embargo, la temperatura de ese calor disipado no es lo suficientemente elevada como para utilizarla de forma eficaz en los motores que se alimentan de calor (su rendimiento aumenta con el gradiente de temperatura entre los focos caliente y frío). Por este motivo, se estudia implementar un sistema que incluya o bien una bomba de calor o bien el ciclo de Brayton inverso para aumentar esa temperatura. Una vez esa temperatura sea cercana o superior a los 80ºC, un motor Stirling se encarga de transformar esa energía calorífica en energía mecánica. Para terminar, con ese movimiento de rotación, un alternador trifásico permite la obtención de energía eléctrica que puede almacenarse en baterías o ser reinyectada en la red. Si bien el primero de los objetivos es disponer de una tecnología capaz de aprovechar la energía desperdiciada en forma de calor, también se pretende hallar una forma alternativa de climatización para las industrias cuyo calor a disipar moverá el sistema, lo cual justifica que ese calor que se desaprovecha pueda ahora tener un nuevo uso. Se ha tomado como referencia un Data Center que desprende 150 kW de calor. Actualmente, la electricidad se obtiene principalmente de la quema de combustibles fósiles. Están surgiendo proyectos innovadores que relacionan termodinámica con electricidad, es decir, proyectos que plantean recuperar calor para convertirlo en energía eléctrica. Así, se ofrecen alternativas menos contaminantes aunque, por el momento, de bajo rendimiento. Este Proyecto busca precisamente la producción de electricidad de manera más ecológica y con menor impacto en el medio ambiente, a través de la explotación del calor desperdiciado y su reutilización. El sistema resultante de este Proyecto (bomba de calor o ciclo de Brayton inverso, junto a un motor Stirling y un alternador) no se puede adquirir en ningún negocio actual, pero sí los elementos que lo constituyen –aunque se usan para otros fines–. Por ejemplo, la bomba de calor se emplea en el campo del confort (residencias, hoteles y hospitales), aunque también tiene cabida en la industria (climatización y calefacción, igual que en el sector doméstico y además procesos de calentamiento de agua o de secado de tabaco, madera…). En cuanto al ciclo de Brayton inverso, tiene aplicación para procesos de climatización (entre otros, las aeronaves) y también en criogenización, pues dada su estructura puede alcanzar temperaturas extremas. En realidad, en los aviones, es el mismo compresor de propulsión el que actúa, por una parte, con una cámara de combustión y una turbina de gas y, por la otra, con un intercambiador de calor y turbina, de donde se obtiene el aire frío para climatizar la cabina. La diferencia es que, en este Proyecto, el ciclo de Brayton inverso se alimenta con un motor eléctrico dado que, al no trabajar con combustión de gas, la turbina no suministra trabajo suficiente para hacer funcionar el sistema. El motor Stirling tiene también diversas aplicaciones: puede trabajar con prácticamente cualquier fuente de calor. Una de las más conocidas es el SunCatcher (Figura 1). Se dispone de un disco que recibe la energía del sol y es capaz de producir electricidad sin contaminación. En cuanto a su funcionamiento, tiene lugar gracias al concentrador solar y a la unidad de conversión de potencia, situada en el brazo receptor del disco. Esta unidad consta de cuatro cilindros con hidrógeno que se expande cuando el calor de los rayos solares alcanza la unidad. Se producen un máximo de 1.800 rpm y una tensión de 480 V a 60 Hz. También se ha empleado el motor Stirling en aplicaciones espaciales. Su simple construcción y su alto grado de versatilidad los hacen ideales para largos períodos de uso. De manera adicional, no producen ningún tipo de residuo. Para terminar, el alternador se usa en cualquier aplicación que precise de la conversión de energía mecánica en electricidad, gracias a la inducción electromagnética. En función del sistema del que forme parte, puede ser un generador síncrono, asíncrono o, como finalmente se ha escogido en el presente Proyecto, un alternador trifásico de vehículo.

The Introduction of this Final Degree Project shows that industries consume a great amount of energy. Most of them reject heat waste to the environment and it stays therefore unutilized. This heat is in fact a source of renewable energy that would be possible to employ with the appropriate system. To answer to this problematic, the firm FIMATEC Ingénierie has proposed an innovative project in collaboration with the University. The aim of this projet was to find new solutions unavailable in the current market, which enhances the innovative virtue of this Project. However the exit temperature of the above-mentioned heat waste is not high enough to be used in an efficient way within the existent heat engines. This is the reason why a new system is analyzed. The proposed system will include whether a heat pump or a reversed Brayton cycle in order to increase this temperature. Once it is close to or greater than 80ºC, a Stirling engine is in charge of transforming this heat energy into mechanical energy. Finally, with this rotational movement, an alternator allows obtaining electrical energy that can be accumulated in batteries or resent to the grid. Another objective would be finding an alternative form of cooling the industries from which the heat waste is taken. A Data Center is chosen as a reference. It detaches 150 kW of heat to the atmosphere. Currently, electricity is mainly obtained by burning combustibles such as gas or petroleum by-products. A number of projects that are being developed in the area of thermoelectricity, ergo, projects that take heat waste and transform it into electricity. By doing this, the contamination is lower but on the other hand, the efficiency of these systems is not very high. This Project intends the production of electricity with little impact on the environment and in a more ecological form. The final product designed in this Project cannot be obtained yet as a whole but the devices that constitute it can. For instance, the heat pump is used in residences, hotels and hospitals but also in the industry (processed that need heating water or drying tobacco, wood… Regarding the reversed Brayton cycle, it is used in cooling systems (aircrafts, among others) and in cryogenics. Due to its structure, it is able to reach extreme temperatures. As a matter of fact, in airplanes, it is the same compressor in charge of moving the craft (with a combustion chamber and a gas turbine) and cooling the cabin as well (along with a heat exchanger and a turbine). The main difference between that system and the one that will be presented in this Project is that, here, an electrical engine is needed to make the system work. The Stirling engine has a variety of applications too: it can work with almost any heat source. One of the most famous uses is the SunCatcher, a solar disc that takes the energy from the sun to produce electricity with almost zero impact on the environment. It works with a solar concentrator and a unit that converts power. This unit has four cylinders filled with hydrogen that suffers an expansion when the heat from the sun reaches the unit. The gas moves along the cylinders, producing up to 1.800 rpm and a voltage of 480 V at 60 Hz. The Stirling engine has also been used in space applications. Its simple construction and its degree of versatility make it perfect for long periods of use. In addition, it does not produce any kind of waste. Lastly, the alternator is used in any type of application that must transform mechanical energy into electricity, thanks to the electromagnetic induction. Depending on the system it can be a synchronous machine, and asynchronous one or, as it has been chosen within this Project, an alternator used in vehicles