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Integrated Organic Rankine Cycle system for simultaneous utilization of solar energy and LNG cold energy

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Un sistema de generación solar recupera la energía del frío para producir electricidad y calor

Investigadores financiados con fondos europeos han creado un ciclo Rankine orgánico que genera energía eléctrica y térmica a partir de distintos tipos de recursos térmicos: sistemas solares concentrados y energía fría contenida en el gas natural licuado.

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El cambio a las fuentes de energía renovables está motivado por una creciente demanda de electricidad, las reservas finitas de combustibles fósiles y las preocupaciones ambientales. Sin embargo, uno de los mayores problemas que plantean las tecnologías de energías renovables, como la solar, es que la energía se genera mientras brilla el sol, pero la noche y los días nublados pueden interrumpir el suministro. Además, la energía solar radiante tiene una baja densidad energética y, por lo tanto, su utilización práctica requiere colectores solares de gran superficie.

Un sistema integrado que resuelve los problemas de intermitencia y eficiencia

Los colectores cilindroparabólicos, un tipo de colectores solares térmicos, son actualmente uno de los dispositivos de menor coste para producir energía a partir del sol. Pueden suministrar calor útil a temperaturas de entre 50 y 400 ºC. Esta energía térmica puede convertirse en electricidad utilizando uno de los ciclos energéticos más versátiles y eficientes: el ciclo Rankine orgánico (ORC, por sus siglas en inglés). Este ciclo termodinámico cerrado, junto con los colectores cilindroparabólicos solares y los sistemas de almacenamiento de energía térmica, proporciona la flexibilidad necesaria para hacer frente al carácter intermitente de la energía solar. «En el contexto del proyecto SO-LNG-ORC, investigamos el diseño y funcionamiento óptimos de un sistema ORC combinado con colectores solares térmicos y almacenamiento de calor sensible para superar la intermitencia de la energía solar», señala Haoshui Yu, investigador que participa en SO-LNG-ORC. El proyecto ha sido financiado por las Acciones Marie Skłodowska-Curie. «Hemos elaborado un sistema ORC integrado que utiliza tanto la energía solar como la energía fría almacenada en el gas natural licuado (GNL o LNG, por sus siglas en inglés). Los sumideros térmicos criogénicos como el GNL pueden mejorar aún más la eficiencia del ORC al utilizar la energía del frío, que de otro modo se desperdicia durante la regasificación», explica Yu.

Racionalización del rendimiento del sistema mediante simulaciones

Los investigadores llevaron a cabo simulaciones para determinar el diseño óptimo del sistema de almacenamiento de energía térmica de dos tanques, así como las temperaturas más adecuadas de los tanques de almacenamiento caliente y frío. Por otra parte, investigaron los caudales másicos óptimos del fluido de transferencia de calor, que determinan tanto la temperatura del fluido circulante como el calor absorbido por el colector solar térmico. Además, se realizaron pruebas para identificar los fluidos caloportadores más adecuados para la recuperación de energía en frío a partir del GNL. «Cuando el sistema ORC utiliza simultáneamente energía solar y energía fría del GNL, el fluido de transferencia de calor óptimo puede diferir. La configuración del sistema también puede complicarse e incluir ciclos en cascada o en paralelo», señala Yu. El sistema ORC impulsado por energía solar generó una potencia estable a todas horas. «Mediante la optimización basada en las simulaciones, la eficiencia del sistema de la central eléctrica de ORC propuesta utilizando tolueno como fluido de transferencia térmica aumentó del 17,9 al 24,8 %», destaca Yu. El ORC que recupera el calor residual (energía fría) presentó un rendimiento mejorado en comparación con el ORC estándar. «Fuimos los primeros en explorar la sinergia entre un sistema de ORC con energía solar y energía fría almacenada en GNL», destaca Yu. «Los resultados del proyecto allanarán el terreno para los sistemas de energía que son muy eficientes y rentables, y que presentan un bajo riesgo y tienen un escaso impacto ambiental». El sistema propuesto se describe en el artículo «Optimal design and operation of an Organic Rankine Cycle (ORC) system driven by solar energy with sensible thermal energy storage» («Diseño y funcionamiento óptimos de un sistema de ciclo Rankine orgánico alimentado por energía solar con almacenamiento térmico de energía»), publicado en la revista científica con revisión por pares «Energy Conversion and Management». Además, en el artículo de conferencia de 2021 titulado «Performance comparison of organic Rankine cycle (ORC) and CO2 cycle for simultaneous utilization of liquefied natural gas (LNG) cold energy and solar energy» («Comparación del rendimiento del ciclo Rankine orgánico y el ciclo de CO2 para el uso simultáneo de la energía fría del gas natural licuado y la energía solar», se comparaba el rendimiento de los ORC y los ciclos de CO2 utilizando la energía fría del GNL y la energía solar.

Palabras clave

SO-LNG-ORC, GNL, energía fría, energía solar, fluido de transferencia de calor, gas natural licuado, electricidad, intermitencia, ciclo Rankine orgánico

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