Ingeniería Energética

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Solar micro gas turbines driving innovative water treatment systems. Theoretical and experimental assessment
(2025-01-24) González-Almenara, Rafael; Sánchez Martínez, David Tomás; García Rodríguez, Lourdes; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Energética
The doctoral research presented in this document has been carried out in the framework of the SOLMIDEFF project (Grant Agreement RTI2018-102196-B-I00), funded by the Ministry of Science and Innovation (Government of Spain). Based on the favourable results of previous works by the research group coordinated by the supervisors on the development of Solar micro Gas Turbines (SmGTs) for renewable electricity generation, the coupling of a solar micro gas turbine with an innovative water desalination system comprised of two components, is proposed. An advanced desalination unit based on Reverse Osmosis (RO) technology is driven by the electric power produced by the micro gas turbine. This RO unit produces fresh water and a brine with high concentration of salts, which is further treated in the second element of the bottoming system. A Zero Liquid Discharge (ZLD) unit driven by the waste heat available in the exhaust of the micro turbine (air at some 250-300°C) makes use of the sensible heat of this latter stream to concentrate the aqueous effluent of the RO unit until the complete evaporation of the solvent. In this work, the capacity and level of detail of computational tools for the design and analysis of components and systems based on micro-turbomachinery, previously developed at Univer-sity of Seville, have been enhanced. Firstly, given the variable availability of the solar resource, the feasibility of using variable geometry compressors and turbines to improve the off-design performance of the power generation unit has been assessed. In addition, scale effects on the compressor caused by the low Reynolds number, characteristic of very small turbomachinery, have been evaluated. Finally, the effect of heat transfer between the turbine and compressor was assessed, as this phenomenon has several negative effects on the performance of the system, including energy losses and changes in the nominal pressure ratio of the engine. Regarding the water treatment system, an experimental analysis of both subsystems was carried out. In the case of the RO unit, a Forward Osmosis (FO) membrane operating in an Osmotically Assisted Reverse Osmosis (OARO) process has been evaluated. This analysis con-stitutes the experimental assessment of a part of the complete desalination system, aiming to assess the transport equations commonly used in RO applied to OARO processes. The analysis was carried out under both steady-state and transient operating conditions, evaluating the system performance as well as membrane properties such as water and salt permeability. For the ZLD system, a proof-of-concept was carried out by bubbling exhaust gases through the brine from the RO unit until a dry residue was obtained. The manufacturing process of the system itself are described and the results of the test are discussed. The viability of the concept and its potential application for continuous operation has been demonstrated. Finally, after a thorough evaluation of each of the subsystems that constitute the concept proposed in this work, a comparative analysis has been developed between the SmGT-RO based system and similar systems powered by other renewable energy technologies. A reference was taken from a stand-alone installation that treats water from the copper mining industry in the Atacama Desert (Chile). The competitiveness of each technology was quantified in terms of the levelised cost of electricity (LCoE) and the levelised cost of water (LCoW), assuming certain economic conditions. This parametric analysis has revealed that the technology with the lowest LCoE is not necessarily the most competitive in terms of LCoW, as factors such as consistency of production throughout the year and installed capacity for the same annual energy production play an important role.
Metodología de certificación para edificios del sector terciario: sector sanitario
(2025-01-30) Cruces Lora, Manuel; Salmerón Lissén, José Manuel; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Energética
El sector público de la sanidad, dado el tamaño de las inversiones que han de acometerse para la reforma necesaria de sus instalaciones, pone su foco en la financiación europea y la búsqueda de incentivos que posibiliten acometer las intervenciones, y en este ámbito, es preciso dotarse de mecanismos de justificación de las iniciativas que acrediten la bondad de las reformas practicadas. El criterio establecido habitualmente para dicha acreditación parte de la demostración de la mejora de la eficiencia energética de las soluciones propuestas, y en muchos casos, dado el auge y la aplicación que se ha llevado a cabo de la certificación y calificación energética de edificios, precisan del análisis de dichas soluciones para su valoración. La evolución sufrida en los procedimientos de certificación y calificación energética de la edificación existente en el sector residencial, no ha ido acompañada de un desarrollo similar en el sector terciario, dadas las peculiaridades de cada tipo de actividad terciaria, lo que dificulta establecer marcos de comparación entre edificios de dicho sector. La metodología de certificación y calificación actual en el sector terciario, en el caso de España, establece una metodología autorreferente pura, sin consideración del parque de edificios existente, lo que supone una modificación de los criterios existentes en edificación residencial y una separación de los criterios establecidos en la UE para la definición de los procedimientos de calificación. El objetivo del trabajo será establecer procedimientos de calibración que permitan extrapolar los resultados entre diferentes herramientas de simulación, de forma que el sistema de calificación energética no dependa de la herramienta de certificación empleada. Mientras el proceso de cálculo es completamente autorreferente, los valores de la escala energética se calculan a partir de los resultados obtenidos, empleando los mismos procedimientos de cálculo y simulación, por lo que, más allá de la credibilidad del valor obtenido de cada indicador energético, el valor real de los resultados toma especial interés en valor relativo a la escala energética, que se genera a través de la misma herramienta. El proceso de homologación de las herramientas informáticas para la calificación energética permite dar validez a las mismas siempre que los resultados se obtengan con una dispersión definida respecto a los establecidos en el procedimiento, por lo que es esperable que exista una diferencia en los resultados que se obtengan en función de la herramienta que se emplee. Es por ello que, al emplear diferentes herramientas, toma sentido utilizar sistemas de calibración que permitan, para un mismo modelo de simulación, establecer coeficientes de paso que permitan extrapolar los resultados obtenidos en un sistema, a los que sería previsible obtener si se simulasen en una herramienta diferente. Finalmente, con los índices obtenidos y la clasificación realizada, se obtendrán resultados estadísticos del comportamiento de la edificación existente, valorando la distribución de dichos resultados y proponiendo, en función de los mismos, un procedimiento de calificación que siga las características recogidas por la directiva europea, y reflejados en el procedimiento de calificación energética en edificación residencial, considerando para ello los valores del benchmarking generado. Esto contribuirá a no emplear únicamente un modelo auto-referencial puro, sino calibrar sus resultados junto al banco de edificios existentes, por lo que la calificación final del edificio consideraría la situación energética del edificio objeto de estudio respecto del parque de edificios existentes. Esto permitirá establecer una escala de certificación energética que pondere los resultados obtenidos en el edificio con los del banco de edificios existente, abandonando el modelo autorreferente tal como se hizo en el sector residencial.
Contribución al estudio de redes ultra-low temperature district heating and cooling
(2024-12-17) Quirosa Jiménez, Gonzalo; Chacartegui, Ricardo; Torres-García, Miguel; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Energética
La transición energética hacia un sistema basado en energías renovable es uno de los grandes retos actuales para combatir el cambio climático. La reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero se debe tener en consideración en todo el ciclo de la energía, desde la generación hasta el consumo, teniendo en cuenta todas las tecnologías que entran en juego en cada una de las etapas. Para evaluar la sostenibilidad de un sistema es necesario considerar las etapas y procesos de los que se compone, desde la obtención de recursos, hasta el consumo final, cuantificando las pérdidas que se producen a lo largo de cada etapa. La reducción de la demanda y la mejora en la eficiencia energética suele ser las mejores opciones para combatir el problema raíz y garantizar la sostenibilidad de la sociedad. Además, la transición energética debe ser justa y económicamente viable, por lo que es un problema complejo. El sector térmico tiene un peso muy importante en el consumo energético a nivel global. Es el causante del 50 % de la demanda total de energía en el mundo, siendo el sector residencial e industrial los mayores consumidores, con un aumento progresivo cada año [1]. Tomar las mejores medidas y considerar las tecnologías óptimas para diseñar el futuro de este sector es clave para poder alcanzar los objetivos climáticos. Los sistemas District Heating and Cooling (DHC) pueden desempeñar un rol importante para facilitar la descarbonización del sector térmico. Particularmente, son muy adecuados para cubrir las demandas térmicas residenciales de forma sostenible. Son redes flexibles, con capacidad de operar con fuentes energéticas diversas, a pequeñas y grandes escalas, y económicamente rentables. A lo largo de los años, han ido adaptando sus temperaturas de operación para ir mejorando progresivamente su eficiencia. Esta tesis aborda el estudio de los sistemas District Heating and Cooling de ultra baja temperatura (ultra-low temperature district heating and cooling, ULTDHC), que trabajan con temperaturas en torno a 20 - 40 °C. Son sistemas novedosos, que poseen relativamente escasos estudios específicos sobre su operación e integración. En la actualidad existen pocas instalaciones en funcionamiento, y aquellas que existen son de pequeña escala o de tipo piloto. Se identifica la necesidad de ahondar en el conocimiento de esta tecnología, que puede desempeñar un papel clave en la transición del sector térmico. Para profundizar en su funcionamiento se requieren simulaciones precisas, que aplicadas a casos específicos permitirán predecir su comportamiento bajo condiciones variadas y tomar decisiones en cuanto a su diseño, integración y operación. Este aumento en el conocimiento aumentará la fiabilidad en las predicciones de operación, aportando seguridad a su futura implantación y promoción. La tesis se presenta en la modalidad por compendio de artículos. La tesis se estructura en cuatro bloques principales. A lo largo de ellos se estudia la capacidad de los ULTDHC para integrar fuentes de energía renovable, su capacidad para actuar como sistema de almacenamiento, su nivel de sostenibilidad y su interconexión generación-distribución-demanda. Los estudios realizados y los resultados obtenidos en esta tesis muestran, por un lado, el potencial de la tecnología ULTDHC para integrar fuentes renovables, proporcionar flexibilidad al sector energético y participar en el acoplamiento entre sectores. Se muestra su potencial para una operación eficiente, sostenible, fiable, económicamente rentable y apta para cubrir diferentes integraciones y demandas, acoplando diferentes tecnologías. Los análisis arrojan resultados prometedores y muestran el gran potencial que poseen las redes District Heating and Cooling de ultra baja temperatura para contribuir a la sostenibilidad del sector térmico futuro y a la descarbonización del sector energético global.
Enfoque avanzado para la mejora del confort en espacios exteriores: cuantificación de la resiliencia, catálogo de componentes y metodología de prediseño de estancias mediante técnicas de control climático
(2024-06-20) Palomo Amores, Teresa Rocío; Álvarez Domínguez, Servando; Guerrero Delgado, María del Carmen; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Energética
En los últimos años, el impacto del calentamiento global, la degradación ambiental y la pandemia sanitaria ha resaltado la importancia de crear entornos exteriores térmicamente confortables. Dentro de este contexto la presente tesis busca analizar de manera integral los balances energéticos que influyen en el confort térmico de las personas en entornos urbanos. Se identifican y mejoran las ineficiencias encontradas en el estado del arte generando un procedimiento detallado de cuantificación de la resiliencia, aunando los conocimientos teóricos y experimentales. Por otro lado, y como objetivo principal, la tesis desarrolla una guía que permite a urbanistas, ingenieros, arquitectos y paisajistas diseñar espacios abiertos térmicamente confortables. Para lograr esto se analizan los principales componentes y soluciones empleados en el proceso de adaptación en espacios exteriores, caracterizando de manera detallada un grupo representativo de este. Esta caracterización permite generar un conocimiento reducido a través de la caracterización simplificada, sirviendo de base para la posterior toma de decisiones. Se genera una metodología global que permite, desde una situación de partida, identificar las medidas óptimas de adaptación de manera pasiva y activa que permiten mejorar el estado de confort de los ocupantes en los espacios exteriores. El trabajo doctoral parte de los conocimientos anteriores, los agrupa, identifica mejoras y genera un enfoque avanzado de actuación para la adaptación de espacios exteriores.
Innovative energy storage concepts based on power-to-power solutions using micro gas turbines
(2023-11-06) Escamilla Perejón, Antonio; García Rodríguez, Lourdes; Sánchez Martínez, David Tomás; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Energética
Power-to-Power is a process whereby the surplus of renewable power is stored as chemical energy in the formof hydrogen. Hydrogen can be used in situ or transported to the consumption node. When power is needed again, hydrogen can be consumed for power generation. Each of these processes incurs energy losses, leading to a certain round-trip efficiency (Energy Out/Energy In). Round-trip efficiency is calculated considering the following processes: water electrolysis for hydrogen production, compression, liquefaction or use of metal-hydride for hydrogen storage, fuel-cell-electric-truck for hydrogen distribution and micro-gas turbine for hydrogen power generation. From a first analysis of the commercial technologies available in the market, the achievable round-trip efficiency of the power-to-power energy storage system proposed is 29% when considering solid oxide electrolysis andmetal hydride storage. This number decreases sharply when using alkaline or proton exchange membrane electrolysers, 22.2% and 21.8% respectively. Round-trip efficiency is further reduced if considering other storage media, such as compressed- or liquefied-H2. Even if this is not positive, this thesis shows that there is a large margin to increase round-trip efficiency again, mostly through improvements in the hydrogen production process and the thermo-mechanical energy conversion step, which could lead to round-trip efficiencies of around 40%–42% in the next decade, for power-to-power energy storage systems based on micro gas turbines. By prioritising the development of a rapid techno-economic assessment tool, accuratemodels for the various components of the system have been successfully created and incorporated into a Python-based tool. The models encompass renewable energy sources such as PV Solar andWind Turbines, electrolyser technologies including proton-exchange membrane and solid oxide, a high-pressure storage system comprising volumetric compressors and high-pressure vessels, and the power block featuring a micro gas turbine. After completing the design modelling, a thorough examination of the economic aspects of each system is conducted. This involves conducting an extensive literature review and extracting relevant information regarding the capital and operational expenditures associated with renewable energy sources, electrolysers, compression systems, storage media, and micro-gas turbines. Additionally, various metrics are reported to assess the economic impact, including the levelised cost of hydrogen and energy, as well as the payback period and internal rate of return. The techno-economic assessment tool is put into practice for analysing an off-grid application with a continuous demand of 30 kWe for three European cities: Palermo, Frankfurt, and Newcastle. In the first part of the analysis, the results show that the latitude of the location is a very strong driver in determining the size of the system (footprint) and the amount of seasonal storage. The rated capacity of the PV plant and electrolyser is 37%/41% and 58%/64% higher in Frankfurt and Newcastle, respectively, as compared to the original design for Palermo. And not only this, but seasonal storage also increases largely from 3125 kg H2 to 5023 and 5920 kg H2. As a consequence of this, LCOE takes values of 0.86 €/kWh, 1.26 €/kWh, and 1.5 €/kWh for the three cities, respectively, whilst round-trip efficiency is approximately 15.7% for the three designs at the said cities. With the aim to reduce the footprint and rating of the different systems, two strategies are followed: hybridisation with other storage technologies and improvement of the electric efficiency of the power conversion unit. For the former, the system is hybridised with a battery energy storage system, leading to 20% LCOE reduction and 10% higher round-trip efficiency. For the latter, the incorporation of an ORC system as a waste-heat recovery system using the exhaust gases of the micro gas turbine is investigated. It is shown that a 30 kWe micro gas turbine can see efficiency rising from 27% to 42%. Analysing again the system with the incorporation of the battery storage system and the upgraded micro gas turbine yields 50% reduction of the PV solar system footprint, 60% reduction in the rated capacity of the electrolyser, and 40% reduction in the levelised cost of electricity. The present thesis effectively makes strides towards implementing power-to-power energy storage systems utilising micro gas turbines for off-grid applications. Moreover, by developing designmodels for each system component and integrating themwith an economic assessment, the thesis successfully identifies crucial parameters to be considered during the design process. Importantly, it highlightsweak areas that require further research and development to facilitate the successful deployment of the technology. This progress aims to achieve a minimal footprint and low LCOE while contributing to the wider adoption of renewable energy sources and the global fight against climate change.
Path to commercialisation: micro gas turbine technology roadmap
(2023-10-05) Tilocca, Giuseppe; Sánchez Martínez, David Tomás; Torres-García, Miguel; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Energética
Las micro turbinas de gas son sistemas de producción de potencia eléctrica y térmica, de pequeño tamaño y con capacidad para emplear diferentes combustibles. El potencial de la tecnología para abordar el trilema energético ha sido reconocido por la comunidad científica desde hace décadas; no obstante, a pesar de estar presente en el mercado desde hace más de veinte años, todavía no han logrado una penetración significativa. Ciertamente, a pesar de que la industria y la comunidad científica reconocen la existencia de este problema, hasta el momento no se ha implementado ninguna acción correctora de manera efective. De hecho, la literatura científica no contiene ningún estudio que aborde este asunto de manera holística y científica. La presente tesis doctoral tiene como objetivo llenar este vacío mediante el diseño de una metodología que pueda definir el problema, identificar las causas fundamentales y proponer soluciones de manera científica. Al inicio del doctorado, el candidato investigó dos metodologías cualitativas que podrían sentar las bases para el propósito presentado, el Análisis de Causa Raíz basado en procesos tradicionales (Root Cause Analysis - RCA, por sus siglas en inglés) y la Teoría de Restricciones basada en sistemas (Theory of Constraints - TOC, por sus siglas en inglés), encontrando que esta última era más adecuada. Después de realizar la definición del problema mediante un análisis de deficiencias/debilidades y la identificación de la causa raíz mediante el el denominado Árbol de la Realidad Actual (Current Reality Tree -CRT, por sus siglas en inglés), el autor validó la causa raíz inicialmente a través de un estudio de patentes y tendencias de innovación y generación de conocimiento. Además, el autor desarrolló una herramienta numérica para medir el grado e impacto de la innovación; el estudio realizado en nichos de mercado existentes confirmó la conclusión del Árbol de la Realidad Actual y midió el posicionamiento de las micro turbinas de gas en el mercado, en comparación con otras tecnologías competidoras. Finalmente, se definió la competitividad como la combinación de un término absoluto y otro relativo, y el concepto final se aplicó a la metodología anterior para producir una herramienta sencilla. Dicha herramienta tiene como objetivo evaluar la posición actual de las tecnologías en el mercado y diferenciar las vías de innovación tecnológica que resultan factibles y no factibles. Este estudio final sugiere un trabajo adicional, más allá de esta tesis, que implemente las vías de innovación propuestas y refine las metodologías utilizadas en la presente investigación a la vista de los resultados. Estas tareas exceden los objectivos y alcance del proyecto NextMGT.
Desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía térmica a gran escala: contribución a nuevas soluciones de almacenamiento y recuperación de energía a distintos niveles temperatura
(2023-07-07) Carro Paulete, Andrés; Chacartegui, Ricardo; Ortiz Domínguez, Carlos; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Energética; Universidad de Sevilla. Departamento de Electrónica y Electromagnetismo
Actualmente nos encontramos en una transición del sistema energético mundial, que busca sustituir las fuentes de producción convencionales (gas, petróleo, carbón) por una generación 100% renovable. Apoyado por la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero con el objetivo de mitigar los efectos del cambio climático, el uso predominante de renovables se perfila como factor clave en términos de desarrollo de mercado, independencia energética y sostenibilidad. El recurso renovable tiene una naturaleza estocástica e intermitente, que puede afectar negativamente a la calidad de la energía y a la estabilidad de la red eléctrica. El almacenamiento de energía, que permita vencer el desfase tanto diario como estacional, que existe entre la disponibilidad del recurso renovable y la demanda energética, es el componente necesario para mejorar la flexibilidad del sistema energético basado en generación 100% renovable. El desarrollo de nuevos sistemas de almacenamiento de energía a gran escala de alta eficiencia, de bajo coste, que utilicen materiales baratos y con bajo impacto ambiental, es necesario para poder aprovechar el recurso renovable. Esta tesis aborda el estudio de diferentes tecnologías de almacenamiento de energía térmica a gran escala, con capacidad de impacto, a diferentes niveles de temperatura y desarrollo; con el objetivo de contribuir en el grado de avance de nuevas soluciones de almacenamiento de energía de alta eficiencia y con un bajo impacto ambiental, que puedan integrarse en grandes plantas de potencia, facilitando la integración de renovables; desde la fase de planteamiento de la idea preliminar, al desarrollo del concepto a nivel de modelos, y con soporte experimental. El estudio se centra en tres prometedoras tecnologías de almacenamiento de energía térmica según el nivel de temperatura. La contribución a la investigación se divide en tres capítulos, cada uno dedicado a cada nivel de temperatura. El sistema de almacenamiento de energía electrotérmica usando ciclos transcríticos de dióxido de carbono (CO2) como tecnología de almacenamiento de energía térmica de baja temperatura, dentro de los sistemas de energía térmica, se encuentra en un estadio inicial en los niveles de desarrollo de la tecnología. Se desarrolla la validación tecno-económica del sistema de almacenamiento de energía a baja temperatura, y como novedad se incorpora un estudio sobre la novedosa integración con el almacenamiento geológico de CO2. El CO2 capturado en una central eléctrica o instalación industrial se utiliza como fluido de trabajo en el ciclo termodinámico propuesto para almacenar energía eléctrica de fuentes renovables en forma de energía térmica y CO2 en formaciones subterráneas, aprovechando las altas presiones que se utilizan en el ciclo transcrítico de CO2, con una eficiencia de ida y vuelta en un rango del 40-50%, dependiendo de las condiciones de operación. El sistema de almacenamiento de energía termoquímica basado en el hidróxido de calcio como tecnología de almacenamiento de energía térmica de media temperatura, se encuentra en fase de laboratorio en los niveles de desarrollo de la tecnología. Se trata de un sistema de almacenamiento de energía termoquímica basado en la reacción reversible de deshidratación/hidratación del hidróxido de calcio. Se desarrolla una validación tecno-económica del sistema de almacenamiento de energía a media temperatura con detalle. Como novedad, se discuten los retos tecnológicos del sistema, destacando la importancia de recuperar el calor latente de condensación del vapor generado en la reacción de deshidratación, que representa el 38% de la energía solar térmica que llega al reactor. Se analizan casos extremos en los que se recupera todo el calor latente y en los que este calor se cede al medio ambiente, y se proponen diferentes mecanismos de recuperación, como un ciclo Rankine de amoníaco o el almacenamiento de vapor a presión, mientras se mantiene el carácter independiente de las fases de carga y descarga. El sistema de almacenamiento de energía termoquímica basado en el calcium looping como tecnología de almacenamiento de energía térmica de alta temperatura se corresponde con el sistema más desarrollado entre los termoquímicos en los niveles de preparación tecnológica. El análisis tecno-económico realizado sitúa a la tecnología en una posición muy competitiva respecto a otros sistemas de almacenamiento térmico, con una eficiencia de conversión térmica a eléctrica que pueden alcanzar el 48% y un coste nivelado de la electricidad en torno a 100 MWhe. Como novedad, se presenta el diseño, desarrollo y ensayos de la campaña experimental de una planta piloto a escala de kW, la primera de este nivel para la tecnología del Calcium-Looping, de la que el autor fue actor principal. La campaña experimental sitúa a la tecnología en el estadio de desarrollo tecnológico de demostración en un entorno relevante, desarrollando las reacciones de calcinación y carbonatación en pocos segundos en un reactor de flujo arrastrado, en las condiciones de temperatura y presión del sistema de almacenamiento basado en Calcium-Looping, lo que permitiría la integración del sistema de almacenamiento en grandes centrales térmicas. La estructura de la tesis es la siguiente. En el primer capítulo, dedicado a la introducción, se presentan los antecedentes y oportunidades de investigación detectadas, los objetivos que se establecen en la tesis en función de las oportunidades y se delimita el alcance del estudio, se analiza el estado del arte, se describe la metodología y el plan de investigación en función de los objetivos establecidos, y se muestran los resultados derivados de la tesis y la estructura que sigue el documento. Tras la introducción se exponen las contribuciones a la investigación, mediante, el análisis de las tecnologías de almacenamiento de energía a gran escala, para alta, media y baja temperatura. Abarca los capítulos 2 (almacenamiento en baja temperatura basado en ciclos de CO2 transcríticos), 3 (almacenamiento en media temperatura mediante la tecnología del hidróxido de calcio) y 4 (almacenamiento en alta temperatura mediante la tecnología del calcium looping). Por último, se dedica un capítulo a la discusión de los resultados, el trabajo futuro y las conclusiones de la investigación. Finalmente, en los anexos se recogen las publicaciones realizadas por el autor durante el desarrollo de esta tesis doctoral.
Methodology for analysing CO2 emissions due to energy use: Pyramid approaches for activity, intensity and carbon drivers
(2023-03-17) González Torres, María; Pérez-Lombard, Luis; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Energética
Global concern about climate change and environmental sustainability has become widespread, together with the awareness of holding the world temperature increase below 1.5ºC. However, the continued growth of energy use and energy-related CO2 emissions remains an unsolved problem. Effective mitigation measures will only be possible if the drivers of emissions are analysed in depth in order to define future sustainable development pathways and improve governance in this area. This requires a thorough analysis of the impact of energy use on the environment at all stages of the energy chain. This thesis proposes three different approaches to this aim. First, the driving forces that make emissions change are assessed by the definition of an Emissions Indicators Pyramid that examines the energy system from a global perspective. Secondly, the focus moves to the supply side to analyse the effect of the energy sector on the overall efficiency. Finally, the demand-side approach focuses on the final services in buildings, which are examined to define and quantify main activity and efficiency drivers of consumption changes. The thesis is framed within a research line that could be called Global energy analysis and diagnosis, which studies the energy system, and identifies the causes of the problem by examining its stages and links to shed light on how to mitigate its impact.
Characterization of main ion properties for the optimization of future fusion power plants
(2022-12-19) Cano Megías, Pilar; Chacartegui, Ricardo; Viezzer, Eleonora; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Energética; Universidad de Sevilla. Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear
In the search for a clean and sustainable energy source for our society, fusion energy emerges as a promising candidate. The realization of a fusion power plant on Earth faces important technological and physical challenges. This thesis is a multidisciplinary project that addresses the optimization of future fusion devices from a plasma physics and engineering perspective. From the plasma physics perspective, the performance of future fusion reactors depends on the properties of the plasma, the fusion fuel. The main ion properties (in present experimental devices, deuterium) are particularly important as they determine the fusion power, which sets the electricity production. Traditionally, the main ions have been rarely diagnosed and their properties have typically been inferred from minority impurity measurements and theoretical models. In this thesis, a novel diagnostic method has been established that enables the direct experimental measurement of the main ions with a focus on the plasma edge. The plasma edge is a critical region, as it prescribes the boundary conditions for the plasma core performance, while it must enable a heat exhaust solution that limits the power loads to the plasma facing components, keeping the integrity of the fusion reactor. Plasma edge diagnostics are demanding in terms of spatial and temporal resolution, as they need to resolve fast transient events and strong spatial gradients. From an engineering perspective, the efficiency of the power conversion cycle coupled to a fusion reactor has been studied and optimized to maximize the electric power output. Cogeneration schemes as opportunities for boosting the efficiency of future fusion power plants have also been investigated. In the framework of this thesis, a new edge main ion diagnostic based on the Charge Exchange Recombination Spectroscopy technique has been installed and exploited at the ASDEX Upgrade experimental reactor, a full metal wall device, to provide main ion temperature and toroidal rotation velocity measurements. A new in-vessel optical head has been installed, which covers the outermost plasma region with a resolution down to 3 mm. A forward model, based on the collisional radiative model implemented in the fidasim code, and data analysis tools have been developed to enable an accurate interpretation of the main ion data. These are state-of-the-art measurements of edge deuterium temperature and toroidal rotation profiles in a tungsten environment, which resembles conditions relevant for future fusion reactors. Several experiments have been carried out at the ASDEX Upgrade tokamak to characterize the main ion temperature and toroidal rotation in a variety of plasma conditions. The role of plasma collisionality and heating scheme on the main ion temperature and toroidal rotation has been addressed. The main ion properties have been compared to minority impurity ion and electron measurements and serve as a testbed for theoretical transport models. In particular, the measurements are compared against neoclassical transport theory. The main ion properties in high and low confinement regimes, such as the high confinement mode (H-mode), low confinement mode (L-mode), improved energy confinement mode (I-mode) and quiescent high confinement mode (QH-mode), have been documented. It has been found that the impurity ion temperature does not always give a good description of the main ion properties, and the thermal equilibration between main and impurity ions is a complex function of heating scheme and collisionality. In H-mode, the main ion toroidal rotation is in remarkably good agreement with neoclassical theory in the steep gradient region of the plasma edge. The detailed diagnosis of the edge plasma properties is essential for understanding plasmas in present experimental devices, and consequently, for the projection towards future fusion power plants and their optimization. The integration of a portfolio of Rankine and Brayton power conversion cycles with a fusion reactor has been studied in a framework that couples the engineering equation solver and the process systems code. The fusion reactor is based on the European DEMO Baseline 2018, which sets the temperature and power boundary conditions. In the intermediate temperature range envisaged for the EU-DEMO Baseline 2018, supercritical carbon dioxide power conversion cycles constitute a very attractive technology. Nuclear fusion cogeneration of heat and electricity has been put forward as a strategy for boosting the efficiency of future fusion devices. The use of district heating networks for the recovery of low-grade heat yields efficiency improvements for all power cycle layouts. The economic viability has been studied by the definition of the levelized cost of hybrid production, which is an indicator that integrates cost estimates from process and production and distribution costs. The cogeneration scheme is feasible from an economic point of view for Rankine and supercritical carbon dioxide power cycles. This work expands potential fusion energy applications and its deployment in the energy market.
Integration of Solar Energy in Small-scale Industries. Application to Microbreweries in Spain
(2022-09-16) Pino Araya, Alan; Pino Lucena, Francisco Javier; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Energética
In the last two decades the number of small breweries and microbreweries has grown dramatically, representing more than 90% of all breweries in several countries. The brewing process requires heat, cold, and mechanical power, which are mainly provided by gas and electricity. The integration of solar energy to achieve decarbonization in the industry is still incipient. The literature reveals that most studies in this regard are made for medium and large breweries. Likewise, the few cases of solar thermal and photovoltaic integration have been in larger breweries. Therefore, the premise of this thesis is that solar energy integration can also be profitable for small-scale industries under the current market conditions. Initially, in the present thesis an economic prefeasibility study of solar thermal and photovoltaic integration for a microbrewery was carried out for Chile and Spain. Both countries with present high solar resources and differ from each other in the cost of conventional energy (fuels and electricity). The photovoltaic system was profitable for both countries under certain price and solar radiation conditions. The solar thermal system was profitable for Chile in most regions. However, in Spain it was not profitable without subsidies since the price of gas in Spain is much lower than in Chile. For these reasons, it was of interest to know in detail the consumption of a microbrewery to conduct a more detailed study of the use of photovoltaic energy. Thus, a monitoring campaign was carried out to characterize the consumption profile of a microbrewery located in southern Spain. It has been identified that the specific energy consumption per liter of beer may be five times that of a large brewery. In addition, the small-scale components for supplying cold usually operate off-design conditions, and there is no literature information regarding the performance under these conditions. Therefore, during the measurement campaign, data has been collected to adjust the performance curves of these components. Additionally, a simulation tool has been created in TRNSYS that includes the adjusted models of the components. It has been contrasted with measurement data and electricity consumption bills, resulting in a good agreement. The tool may be modified to be used for microbreweries of different sizes or with a different consumption profile. In addition, it can be used for other types of small industries that require cold, heat, and other electrical consumption. The results of the techno-economic analysis carried out in Spain reveal that in any situation a photovoltaic system would be profitable. The cost of energy could be reduced by up to 46.6% for the best solar radiation conditions and market prices. However, in a more moderate scenario where the size of the system is also limited by regulation, the reduction in the cost of energy can vary between 6.7% and 31.5%, for regions with low and high solar radiation respectively. Additionally, the payback periods are between 3.2 and 19.2 years, depending on the level of solar radiation, conventional energy prices, and the size of the PV system. Finally, the contribution of this study to the state of the art begins with the identification of gaps in the literature regarding energy use in small industries. In addition, the on-site monitoring campaign, together with the subsequent adjustment of performance curves, allows identifying the consumption in real conditions for this type of industries. On the other hand, the creation of a simulation tool whose development is explained in detail will allow it to be used and/or adapted for other industries, increasing its potential use. Finally, the economic results seek to demystify the belief that solar energy is expensive and that can only be used in large industries to be profitable. The aim is to move towards decarbonization, in order to meet the objectives of international initiatives against climate change.
Terrestrial Demonstrator for the Hydrogen Extraction of Oxygen from Lunar Regolith with Concentrated Solar Energy
(2022-03-01) Denk, Thorsten; Gómez Camacho, Carlos; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Energética
An experimental plant for the reduction of granular ilmenite (FeTiO3) with hydrogen (H2) powered by concentrated solar radiation was designed, built, and tested to demonstrate extraction of oxygen from lunar soil at the Plataforma Solar de Almería (PSA). This is done by a two-step process with water (H2O) as the intermediate product. The center-piece of the system is a fluidized bed reactor with a capacity of 22 kg of ilmenite, capable of operating in fully continuous mode. The reactor has a large quartz window that allows the concentrated solar radiation to heat the particles directly without the need for any heat exchanger surfaces. The system includes most of the peripheral components required to demonstrate its functioning as close as possible to what can be expected on the Moon. This includes in particular the cleaning system for the off-gas from the reactor, the extraction of the product water, and the gas recovery. The system was operated in the 60 kW Solar Furnace at PSA with solar power during 150 hours in four test campaigns. All initial test goals were successfully achieved. The maximum operation temperature in the reactor was 977 °C, and during a total of 21 hours of operation with hydrogen, the chemical reaction produced more than 1300 ml of water. To this date, this is the only large scale terrestrial demonstrator in Europe that has successfully produced water from minerals present in lunar regolith solely with concentrated solar power as heat source, showing a path for future chemical production on the lunar surface.
Recuperación mejorada de petróleo mediante concentración solar
(2021) Frasquet Herraiz, Miguel; Silva Pérez, Manuel Antonio; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Energética
La demanda de energía de un país está estrechamente relacionada con su producto interno bruto, con su capacidad industrial y con el estándar de vida alcanzado por sus habitantes. Es por ello que el petróleo, como fuente energética principal desde mediados del siglo XX, juega un papel estratégico en nuestra sociedad. La creciente demanda de este combustible fósil durante los últimos años, y las reservas limitadas de los crudos más económicos, están incrementando el interés de la industria en la extracción de crudos pesados. De entre todos los métodos disponibles para la extracción de crudos pesados, la inyección de vapor es el método más extendido. El incremento de la movilidad del crudo como resultado del efecto de la cámara de vapor en el interior del yacimiento, hace viable la explotación de crudos tradicionalmente poco rentables. La generación del vapor de inyección implica sin embargo un sobrecoste económico y medioambiental importante. Razón por la cual, la concentración solar, como fuente alternativa de energía para la generación de vapor de inyección, ha despertado el interés de la industria petrolera desde el nacimiento de la tecnología. Pese al temprano interés en la tecnología, su aplicación a proyectos reales ha sido limitada debido a los desafíos tecnológicos existentes. Uno de los más importantes es la diferencia entre la duración de la inyección de vapor en el yacimiento (alrededor de 7 años), y la vida útil del campo solar (hasta 25 años). Esta diferencia hace que en la mayoría de los casos, el campo solar únicamente puede aprovecharse durante una fracción reducida de su vida útil, lo que dificulta la viabilidad económica del proyecto. En esta tesis se detalla el diseño y la implementación real de un captador de concentración solar, que permite ser desmontado y transportado de manera económica al finalizar la fase de inyección de vapor. Permitiendo acompañar de esta forma la explotación secuencial de las zonas de inyección de un campo de petróleo. En el diseño de este captador transportable se compara de manera teórica, las posibles alternativas constructivas existentes para cada uno de los componentes principales. Las hipótesis que se asumen en el estudio teórico se comprueban y validan durante el proceso de implementación real del captador (a través de dos prototipos funcionales), y su ensayo en la Plataforma Solar de Almería. Consiguiendo medidas reales de los tiempos y costes de fabricación, montaje y transporte. Así como de la producción energética. Para validar la viabilidad económica del captador diseñado en proyectos de inyección de vapor, se desarrolla además un código de simulación para este tipo de aplicaciones. El código permite estimar la rentabilidad de un sistema solar para generación de vapor de inyección, utilizando tanto captadores convencionales como captadores transportables.
Gestión e integración de recursos energéticos naturales en edificios residenciales
(2020-09-03) Guerrero Delgado, María del Carmen; Álvarez Domínguez, Servando; Sánchez Ramos, José; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Energética
La mejora de la eficiencia energética de los edificios, así como la gestión e integración de recursos energéticos naturales para el acondicionamiento de espacios, resulta indispensable para lograr el objetivo de la Unión Europea de alcanzar la neutralidad en emisiones de carbono y la lucha contra el cambio climático. La presente tesis doctoral desarrolla su trabajo en dicha línea de investigación. En el marco de la misma, se han estudiado tecnologías convencionales e innovadoras de producción eléctrica y térmica. Esto ha permitido concluir el fuerte potencial de implantación que está teniendo y tendrán las soluciones fotovoltaicas con o sin almacenamiento eléctrico, el acoplamiento de estas soluciones a bombas de calor y el uso del edificio o sus elementos como sistemas de almacenamiento térmico. Se destaca la novedad vinculada a la integración de sumideros medioambientales de calor para el enfriamiento de elementos estructurales del edificio y, sobre todo, para la producción de agua fría. La presente tesis doctoral destaca la posibilidad de la unión de las soluciones fotovoltaicas con la disipación natural del tipo “falling-film”, lo cual permite ofrecer una solución multipropósito, con un sobrecoste admisible y con una alta facilidad de integración en los edificios. Además, el agua fría producida durante las horas nocturnas puede ser integrable en la disipación de una bomba de calor, en el sistema de ventilación del edificio, o incluso usar la misma para enfriar la masa térmica del edificio (sistemas térmicamente activos TABS). Todo ello con objetivo de lograr un acondicionamiento natural de espacios y destacando de los resultados obtenidos la posibilidad de convertir a los edificios residenciales en edificios totalmente pasivos mediante la integración de las técnicas de enfriamiento natural estudiadas en la tesis doctoral.
Evaluación experimental de los tubos receptores de una planta termosolar de tecnología cilindroparabólica. Impacto en la producción eléctrica de una planta comercial
(2020-09-21) Espinosa Rueda, Guillermo; Sánchez Martínez, David Tomás; Gallas Torreira, Manuel; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Energética
Los tubos receptores son elementos clave en las plantas termosolares de tecnología cilindro parabólica, puesto que en ellos tiene lugar la conversión de energía solar en energía térmica, y por tanto, cabe esperar que su rendimiento tenga un impacto directo sobre la producción de energía eléctrica. El rendimiento de los tubos receptores está determinado por las condiciones de contorno y por sus propiedades ópticas, térmicas y mecánicas. Sin embargo, estas propiedades sufren una serie de degradaciones a lo largo de la vida útil de los tubos debido a los procesos habituales de operación y al entorno físico en el que se ubican las planta termosolares, disminuyendo el rendimiento de los tubos receptores. Debido a la poca o nula información experimental existente en la literatura esta tesis se plantea con el objetivo de estudiar la evolución de las prestaciones de los tubos receptores instalados en campo solar tras varios años de operación. Posteriormente, se calcula el impacto que los resultados obtenidos ejercen sobre la producción eléctrica final de una planta comercial. Para conseguir estos objetivos, la tesis comienza con un análisis del estado del arte. En el capítulo 3 se exponen los equipos de medida que se utilizan para realizar la evaluación de los tubos receptores. Algunos de los equipos son desarrollos específicos con una participación personal directa. Posteriormente, en el capítulo 4, se aborda la caracterización del ensuciamiento que experimentan los tubos receptores en operación. Para ello se desarrolla una metodología que permite obtener valores de ensuciamiento representativos para una planta comercial de 50 MW. En el capítulo 5 se aborda el estudio de la degradación óptica irreversible que sufren tanto la cubierta de vidrio como el coating selectivo del tubo absorbedor. A continuación, en el capítulo 6, se caracteriza de forma experimental el estado de vacío que presentan los receptores instalados en campo solar. Por último, en el capítulo 7 se desarrolla el modelo analítico completo de una planta termosolar de 140 MW, que permite simular la operación de la misma durante toda su vida útil. Este modelo incorpora un bloque referente al campo solar con un grado de detalle muy avanzado y que permite particularizar todas las propiedades de los tubos instalados en el campo solar. Las variables estudiadas en los capítulos anteriores y que caracterizan el comportamiento de los tubos receptores, se trasladan a este modelo para analizar el impacto sobre la producción eléctrica.
Análisis bidimensional transitorio de sistemas de almacenamiento de energía térmica en lechos porosos
(1993-05) Wasmi Mayed, Isbeyeh; Guerra Macho, José Julio; Cejudo López, José Manuel; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Energética
Se estudia el comportamiento térmico de lechos porosos fijos como medio de almacenamiento de energía. En el modelo desarrollado se considera el régimen transitorio del lecho, las variaciones radiales y axiales de la velocidad del fluido, campo de temperaturas, coeficientes de transporte y porosidad del lecho. El problema de conducción en el interior de la partícula se resuelve a partir de un método de variables de estado. El modelo se ha resuelto numéricamente mediante un método de diferencias finitas implícito en la discretización temporal y central en la espacial. Los resultados obtenidos se validan con datos experimentales de otros autores. Mediante un análisis de sensibilidad se cuantifica la influencia de diferentes parámetros de diseño en el comportamiento del lecho como sistema de almacenamiento de energía. Se analizan entre otros el medio de almacenamiento, el caudal másico de energía y la geometría del lecho. Por último se estudian diferentes simplificaciones del modelo en función de variables geométricas y de operación características del lecho.
Distribuciones de flujo radiante en sistemas concentradores de radiación solar. Aplicación al desarrollo de un código de simulación, Solver
(2004-02-24) Fernández Quero, Valerio; Ruiz Hernández, Valeriano; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Energética
Thermo-economic assessment of supercritical CO2 power cycles for concentrated solar power plants
(2020-02-11) Crespi, Francesco Maria; Sánchez Martínez, David Tomás; Sánchez Lencero, Tomás Manuel; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Energética
Análisis de estrategias para la combustión dual gasóleo-hidrógeno orientadas a la reducción de emisiones: desarrollo teórico-experimental sobre motor diésel common-rail y aplicación en motores diésel lentos de dos tiempos
(2019-06-27) Serrano Reyes, Javier; Jiménez-Espadafor Aguilar, Francisco José; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Energética
Este trabajo de investigación con título “Análisis de estrategias para la combustión dual gasóleo-hidrógeno orientadas a la reducción de emisiones: desarrollo teórico-experimental sobre motor diésel common-rail y aplicación en motores diésel lentos de dos tiempos” se enmarca en el contexto actual de implantación de nuevas leyes y medidas para reducir las emisiones de gases de efectos invernadero, impulsar las energías renovables e incrementar la eficiencia energética. Es por ello que en esta tesis se realiza un estudio de los procesos de combustión de diferentes motores de combustión interna alternativos para su aplicación en distintos ámbitos: motores de vehículos convencionales, la producción de potencia y la propulsión naval; el empleo de diversas técnicas para la reducción de emisiones contaminantes en los mismos, analizando el impacto de éstos en la reducción de emisiones y en las prestaciones del motor. En el trabajo se analizan dos modos de combustión diferentes, un primer modo de combustión diésel convencional y un segundo modo de combustión dual, que combina el hidrógeno y el diésel como combustibles. El trabajo incluye dos partes, aunque ambas están ligadas:  Un primer estudio basado en un motor diésel convencional de turismos de producción actual que empleará la experimentación y un modelo termodinámico para analizar ambos modos de combustión, así como la implementación de las técnicas de reducción de emisiones: recirculación de gases de escape y la inyección de agua en la admisión del motor.  Un segundo estudio de un motor diésel de dos tiempos de baja velocidad, motor empleado en la propulsión naval y en la plantas de producción de potencia, mediante el desarrollo de un modelo termodinámico completo, incluyendo el compresor y la turbina, para el análisis de los modos de combustión en el mismo. El motor empleado en esta parte del trabajo es un motor representativo de este tipo de motores y que se encuentra presente en muchas de las centrales térmicas que existen en España, así como en la propulsión de grandes buques. La presente tesis está dividida en nueve capítulos:  En el primer capítulo se expone el contexto y la legislación vigente en materia de emisiones. Así como se hace un breve repaso de las evoluciones tecnológicas que han experimentado los diferentes tipos de motores sobre los que se basa el trabajo. Finalmente se justifica el trabajo de investigación y se plantean los objetivos.  El segundo capítulo es un estudio del arte del uso del hidrógeno en motores de combustión interna alternativos y de las técnicas para paliar los efectos negativos de su utilización.  El tercer capítulo presenta las diferentes herramientas para el análisis de los procesos de combustión. En primer lugar se describe la transformación del motor diésel convencional para su utilización con hidrógeno. Posteriormente se desarrolla el modelo termodinámico de zona cero que permite el estudio de la tasa de liberación de calor del proceso de combustión y finalmente se expondrá la validación de dicho modelo.  El capítulo cuarto es el análisis del modo de combustión diésel convencional para el control de emisiones. Se analizarán y compararán las técnicas de recirculación de gases de escape y la inyección de agua en dos puntos de la admisión del motor.  El quinto capítulo es el estudio del modo de combustión dual hidrógeno – gasóleo. El estudio contempla dos enfoques distintos: 1) La utilización del hidrógeno como combustible primario y el gasóleo sólo como fuente de ignición. 2) El empleo de ambos (hidrógeno y diésel) como combustibles primarios.  El sexto capítulo incluye el estudio del empleo del hidrógeno en motores destinados a la propulsión naval y a la producción de potencia. Este capítulo estudia el estado del arte del empleo de este tipo de combustible en dichos motores, así como una descripción general de los mismos. Se desarrolla y expone el modelo termodinámico del motor diésel de dos tiempos lento, incluyendo los diferentes sub-modelos que lo componen y la validación del mismo. Finalmente se realiza un análisis de la operación del motor en modo dual.  El séptimo capítulo incluye las conclusiones que se alcanzan con el trabajo de investigación.  El penúltimo capítulo incluye los posibles desarrollos futuros.  Finalmente, el capítulo nueve, incluye las referencias incluidas a lo largo de la tesis.
Techno-economic optimization of a solar thermal power generator based on parabolic dish collector and micro gas turbine.
(2019-04-26) Gavagnin, Giacomo; Rech, Sergio; Sánchez Martínez, David Tomás; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Energética
El aprovechamiento de energía solar con un sistema de producción de potencia microtermosolar basado en un colector de disco parabólico y una microturbina de gas resulta prometedor para suministrar electricidad a comunidades remotas no conectadas a red y para, demanera general, incrementar la contribución de las energías renovables al panorama energético mundial. No obstante, el ímpetu investigador surgido a raíz de la crisis del petróleo de los años setenta fue abandonado posteriormente casi por completo debido a la caída de los precios del combustible fósil y a la falta de apoyo institucional. A pesar de alguna actividad ocasional, no fue hasta la llegada del proyecto OMSoP (Optimised Microturbine SOlar Power generator) en 2013, financiado por la Comision Europea a través del ProgramaMarco VII, cuando se retomó esta solución tecnológica con decisión. Sobre la base de capacidades complementarias en varias áreas tecnológicas, el proyecto pretendió (y consiguió) demostrar la viabilidad tecno-económica del concepto. En este escenario, la presente tesis está centrada en la optimización de un sistema de producción de potencia termosolar formado por un colector de disco parabólico y una microturbina de gas, con el objetivo de proporcionar una respuesta sólida (esperemos que definitiva) a la pregunta planteada originalmente por el proyecto OMSoP: "¿Pueden los sistemas discomicroturbina ser económicamente rentables en el futuro? Y, en caso afirmativo, ¿qué hace falta para conseguir dicha rentabilidad?" Con este objetivo en mente, la tesis se estructura en tres secciones claramente diferenciadas, cada una de las cuales hace uso de metodologías avanzadas, desarrolladas por el autor odisponibles en la literatura, todas ellas integradas en una plataforma de simulación innovadora. El modelo que evalúa el diseño de los componentes y el comportamiento termodinámico del sistema está compuesto por submodelos cero-dimensionales para la mayoría de los componentes principales, dado que estos resultan escalables con el tamaño adecuadamente: colector, receptor solar, intercambiadores de calor, alternador. Estos modelos están validados con datos disponibles en la literatura o con datos experimentales obtenidos durante el desarrollo del proyecto OMSoP. En el caso de las turbomáquinas, no obstante, se sabe que las pérdidas de energía aumentan de manera no lineal cuando el tamaño de la máquina disminuye (menor número de Reynolds, mayores pérdidas intersticiales y de venteo, etc.), aspecto que se indentificó desde un primer momento como una fuente potencial de pérdida de eficiencia que debía ser tenida en cuenta en la investigación. Por ello, se desarrollaron herramientas unidimensionales (códigos de líneamedia) de diseño y análisis de compresores y turbinas radiales, adaptadas a las especificaciones particulares de OMSoP. El simulador global resultante demostró ser capaz de proporcionar diseños preliminares de las turbomáquinas y de realizar análisis del sistema en condiciones de diseño y fuera de diseño, en operación estacionaria. Se han considerado tres configuraciones de microturbina: ciclo simple regenerativo, ciclo regenerativo con compresión refrigerada y ciclo regenerativo con compresión refrigerada y recalentamiento. Para cada configuración, caben dos estrategias de operación: solar o híbrida. Los sistemas híbridos emplean combustible fósil de apoyo, el cual puede ser añadido en serie o en paralelo al receptor solar y con diferente intensidad. Así, para una fracción solar (solarshare) alta, el sistema se denomina híbrido mientras que la denominación es solar-booster para una fracción solar baja. En este último caso, el sistema es diseñado esencialmente para operar con combustible fósil pero hay un colector solar de pequeño tamaño que aumenta la energía térmica aportada al sistema cuando existe energía solar disponible. Esto incrementa la potencia producida por la microturbina. El diseño y las especificaciones de los componentes son evaluados para todas las combinaciones posibles, así como su impacto sobre las prestaciones del sistema OMSoP. Finalmente, también se desarrollan las estrategias de control que permiten optimizar el comportamiento a carga parcial y garantizar la integridad mecánica del conjunto en cualesquiera condiciones operativas. La sección económica tiene por objetivo evaluar los costes de inversión y operación del sistema a lo largo de toda la cadena de suministro: fabricación, ensamblaje, transporte, importación, construcción, operación y desmantelamiento. Este análisis se implementa a través de funciones de coste sensibles al tamaño del sistema, las especificaciones de los componentes (temperatura de entrada a turbina, efectividad del recuperador), localización de la planta, volumen de producción. La base de datos de costes resultante se implementa posteriormente en un análisis de flujos de caja diseñado de manera específica para obtener la información de interés para este sistema. La optimización, tercera sección de la tesis, está basada en métodos estocásticos (algoritmos genéticos) tanto para el caso de una variable como para el caso multivariable. Se consderan diferentes funciones objetivo, la más relevante de las cuales son el Coste Nivelado de Electricidad (Levelized Cost of Electricity) y el impacto ambiental. Estas funciones se minimizan a través de la selección del tamaño óptimo del sistema, la calidad del colector y el valor de irradiancia normal directa empleado para el diseño (independientemente de la irradiancia de la localización elegida). En conjunto, los costes de instalacion son fuertemente dependientes del coste del disco. Esto significa que elevar el rendimiento de la microturbina, aunque esto requiera un motor con un mayor coste (mayor temperatura de entrada a turbina y efectividad del recuperador), casi siempre resulta compensado por la reducción de coste asociado a un disco parabólico de menor tamaño. Los resultados también ponen de manifiesto la importancia de la localización de la planta, no sólo por su impacto sobre la disponibilidad de recurso solar sino, de manera más importante, por el fuerte efecto que tienen los costes de transporte y tasas de importación sobre el coste final de instalación. Una vez se selecciona la ubicación del sistema con estos criterios, los resultados del análisis tecno-económico evidencian la importancia de realizar un diseño para las condiciones de contorno específicas que experimentará el motor. En otras palabras, el ajuste del diseño a las condiciones específicas de proyecto se manifiesta como una fuente de reducción de costes mucho mayor de lo que cabría esperar a partir de análisis similares con otras tecnologías. Antes de finalizar, debe reconocerse que existen ptras tecnologías para la producción de electricidad solar a pequeña escala, las cuales ya están consolidadas en el mercado (fundamentalmente paneles fotovoltaicos). No obstante, esta tesis revela que la electricidad microtermosolar producida mediante sistemas basados en disco parabólico y microturbina de gas tiene el potencial de ser económicamente competitiva frente a las tecnologías anteriores si se dan ciertas condiciones de contorno (que no resultan excepcionales). Es más, estos sistemas disco-mTG tienen características especiales que los diferencian de otras tecnologías como la fotovoltaica. Por ejemplo, su flexibilidad y fiabilidad y la fácil hibridación con combustibles fósiles es ciertamente un aspecto ganador en ciertas aplicaciones. Desde el punto de vista de la comercialización, los sistemas tipo solar-booster con aportación 50/50 combustible/solar parecen la opción más interesante a corto plazo. Los sistemas híbridos diseñados para operación sólo solar resultan más interesantes a medio plazo. Y si el volumen de mercado es suficientemente grande (10MWe/year), los sistemas solares puros se presentan como la mejor opción desde el punto de vista tecno-económico.
Technological challenges of seawater desalination: analysis of future opportunities
(2019-03-15) Buenaventura Pouyfaucon, Arturo; García Rodríguez, Lourdes; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Energética

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