Métodos de recuperación de energía – Ciclo Rankine Orgánico

Los sistemas de recuperación de energía son procesos a través de los cuales se busca rescatar la energía térmica contenida en las corrientes de desecho de algún proceso. Entonces, debido a que parte de la energía es recuperada para su reúso, estos sistemas ayudan a mejorar la ecoeficiencia de los procesos industriales. La mayor parte de métodos de recuperación se centran en la reutilización de la energía térmica de los subproductos de los procesos industriales. No obstante, también es posible la recuperación de esta energía en forma de electricidad.

Intercambiador de calor usado en el CRO

El Ciclo Rankine Orgánico (CRO) puede ser usado para convertir la energía térmica de las corrientes de desecho (i.e., los gases de chimenea) en energía eléctrica (Eyidogan, Canka, Kaya, Coban, & Cagman, 2016). Primeramente, es importante definir el funcionamiento del Ciclo Rankine. Idealmente, este ciclo consta de 4 equipos: una bomba, un evaporador, una turbina, y un condensador; el fluido de trabajo suele ser el agua. En la primera etapa, el agua entra a la bomba como líquido saturado (líquido a punto de entrar en ebullición). Luego, la compresión en la bomba lo hace transformarse en líquido subenfriado (por debajo de las condiciones de ebullición); este líquido entra a un intercambiador de calor (evaporador) en el cual se le agrega energía térmica hasta que el agua se vuelve vapor sobrecalentado (por encima de la temperatura de ebullición). Después, el vapor entra a una turbina en la cual este fluido se expande y ocasiona el movimiento de los álabes, que están conectados a un eje unido a un generador eléctrico. Finalmente, el vapor sobrecalentado se transforma en una mezcla líquido-vapor, la cual es enfriada en el condensador hasta que se convierta en líquido saturado para recomenzar el ciclo (Cengel & Boles, 2014).

Diagrama del Ciclo Rankine Ideal - Fuente: Cengel, Y. & Boles, M. (2014)

Entonces, el Ciclo Rankine Orgánico difiere del Ciclo Rankine tradicional en el fluido de trabajo. En la implementación del CRO se usan sustancias orgánicas con menor punto de ebullición que el agua; de tal manera que las condiciones de operación no requieren de presiones, ni de temperaturas tan elevadas como con la operación del ciclo convencional (Yamamoto, Furuhata, Arai, & Mori, 2001). De esta manera, se puede convertir en energía eléctrica el calor que normalmente sería desechado.

Interior de un micro CRO

Algunos ejemplos de fluidos de trabajo que se emplean en estos sistemas son: acetona, propano, etanol, metanol, benceno, R134a, y R245fa (Herath, Wijewardane, Ranasinghe, & Jayasekera, 2020). Al momento de seleccionar el fluido de trabajo, es importante tomar en cuenta las propiedades termodinámicas de las sustancias: entalpía, puntos de ebullición, etc. (Yamamoto, Furuhata, Arai, & Mori, 2001). Adicionalmente, se deben considerar los posibles efectos ambientales de la fuga de estas sustancias; por ejemplo, el R134a y el R245fa son dos compuestos hidrofluorocarbonos que se emplean como refrigerantes, las emisiones de estas sustancias a la atmósfera son dañinas para la capa de ozono y contribuyen al efecto invernadero (Garner, 2015).

En conclusión, el Ciclo Rankine Orgánico es un método de recuperación de energía térmica que permite la obtención electricidad mediante la operación de un Ciclo Rankine usando una sustancia con bajo punto de ebullición. De esta manera, el ciclo opera a temperaturas y presiones más bajas en comparación con el método tradicional. También, es importante tomar en cuenta los posibles impactos ambientales de las fugas de los fluidos de trabajo.

Referencias:

Cengel, Y., & Boles, M. (2014). Thermodynamics: An Engineering Approach. Nueva York: McGraw-Hill Education.

Eyidogan, M., Canka, F., Kaya, D., Coban, V., & Cagman, S. (2016). Investigation of Organic Rankine Cycle (ORC) technologies in Turkey from the technical and economic point of view. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 885-895.

Garner, R. (2015). NASA Study Shows That Common Coolants Contribute to Ozone Depletion. Obtenido de National Aeronautics and Space Administration: https://www.nasa.gov/news-release/nasa-study-shows-that-common-coolants-contribute-to-ozone-depletion/

Herath, H., Wijewardane, M., Ranasinghe, R., & Jayasekera, J. (2020). Working fluid selection fo Organic Rankine Cycles. Energy Reports, 680-686.

Yamamoto, T., Furuhata, T., Arai, N., & Mori, K. (2001). Design and testing of the Organic Rankine Cycle. Energy, 239-251.