Technical Papers. 37th Annual Meeting. International Institute of Ammonia Refrigeration. March 22 25, 2015

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1 Technical Papers 37th Annual Meeting International Institute of Ammonia Refrigeration March 22 25, Industrial Refrigeration Conference & Exhibition San Diego, California

2 ACKNOWLEDGEMENT The success of the 37th Annual Meeting of the International Institute of Ammonia Refrigeration is due to the quality of the technical papers in this volume and the labor of its authors. IIAR expresses its deep appreciation to the authors, reviewers and editors for their contributions to the ammonia refrigeration industry. ABOUT THIS VOLUME IIAR Technical Papers are subjected to rigorous technical peer review. The views expressed in the papers in this volume are those of the authors, not the International Institute of Ammonia Refrigeration. They are not official positions of the Institute and are not officially endorsed. International Institute of Ammonia Refrigeration 1001 North Fairfax Street Suite 503 Alexandria, VA (voice) (fax) Industrial Refrigeration Conference & Exhibition San Diego, California

3 International Technical Paper #1 Perspectivas del futuro de sistemas de conversión de energía térmica oceánica (OTEC) Zahid Ayub, Ph.D., P.E. Isotherm, Inc. Arlington, Texas Samuel Sami, Ph.D., P.E. Transpacific Energy, Inc. San Diego, California Abstracto Este trabajo examina el potencial del uso de amoníaco en la conversión de energía térmica oceánica (OTEC). Se analizan diferentes tipos de equipo de transferencia de calor avanzado para utilización como vaporizador, condensador y regenerador. Se discuten brevemente las ventajas y desventajas de cada opción. Se presenta una comparación general entre un sistema con amoníaco y otro con R-134a usando un ciclo Rankine de baja temperatura. Un análisis comparativo de varios componentes del ciclo usando amoníaco y R-134a bajo las mismas condiciones de entrada en el evaporador y el condensador mostró que el amoníaco tiene eficiencia de recuperación de calor mejor que R-134a. Además, el ciclo de amoníaco tiene mucho menos caudal másico comparado con R-134a, que resulta en un sistema mucho más pequeño comparado con el de R-134a. IIAR

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5 Perspectivas del futuro de sistemas de conversión de energía térmica oceánica (OTEC) Introducción La disminución de recursos de energía mundiales y el constante incremento en la demanda de energía ha estimulado al mundo a buscar fuentes de energía alternativas. Durante las últimas décadas se han visto desarrollos en los sectores solares y eólicos, que ha traído la producción de energía de estas fuentes a un nivel aceptable; sin embargo, está aún lejos de ser utilizado en una gran escala. Se entiende que la demanda de energía mundial se encuentra a niveles que nuca serán satisfechos con viento y sol; sin embargo, puede jugar un rol destacado en suplementar los recursos de energía convencionales. Es importante entender que cada fuente de energía alternativa tiene sus limitaciones inherentes. La limitación puede ser la ubicación física del sitio de la energía o la densidad de la energía; las celdas fotovoltaicas tienen un problema con la densidad de la energía la cual la hace económicamente no viable para muchas regiones y también molinos de viento solo pueden ser colocados en localizaciones específicas. En ambos casos la economía se convierte en una fuerza motriz. Un área que necesita ser trabajada es OTEC. La idea no es nueva y en las décadas pasadas ha habido desarrollos en escalas comerciales. Qué es OTEC? La fuente de energía de OTEC (Conversión de Energía Termal Oceánica, por sus siglas en inglés) es gratis porque más de 70% de nuestro planeta es comprendido por agua en la forma de mares y océanos lo cual hace estos cuerpos de agua la más grande colectora de energía solar y sistema de almacenamiento de energía en el mundo. De acuerdo al Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL por sus siglas en inglés) [1], en un día promedio, 23 millones de millas cuadradas de mar tropical absorben una cantidad de radiación solar equivalente en contenido de calor a aproximadamente 250 International Technical Paper #1 IIAR

6 2015 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, San Diego, CA mil millones de barriles de aceite. Si menos de un décimo del uno por ciento de esta energía solar almacenada pudiera ser explotada, supliría más de 20 veces la cantidad total de energía consumida en los estados Unidos en cualquier día dado. De acuerdo al Laboratorio Nacional de Oak Ridge [2], la cantidad de energía que puede ser prácticamente cosechada vía OTEC está en el orden de 3 a 5 terawatts (1 terawatt son watts), sin afectar la temperatura del océano o el ambiente del mundo. Esto es más o menos dos veces la demanda de energía global actual. Los océanos son un vasto recurso de energía renovable, con el potencial de contribuir a la mezcla de energía del futuro ofreciendo un método de producción de electricidad sostenible. El uso eficaz de esta fuente de energía ilimitada y convirtiéndola a energía eléctrica es llamado OTEC, o Conversión de Energía Termal Oceánica. El sistema OTEC trabaja con el principio del ciclo de temperatura baja de Rankine. El sistema aplica principios termodinámicos básicos para utilizar el gradiente termal natural de los océanos (Fig. 1) para manejar un ciclo de producción de energía. Mientras la temperatura entre el agua superficial cálida y la fría agua profunda difiera por cantidades de C (30-36 F), un sistema OTEC puede producir electricidad (Fig. 2). La fría, profunda agua de mar utilizada en el proceso OTEC es también rica en nutrientes, y puede ser usada para cultivar tanto organismos marinos como vida vegetal cerca de la orilla del mar o en tierra. Figura 1. Gradientes termales oceánicos globales [1] 4 IIAR 2015 International Technical Paper #1

7 Perspectivas del futuro de sistemas de conversión de energía térmica oceánica (OTEC) Figura 2. Ciclo Rankine OTEC Conversión de energía termal oceánica tiene prospectos prometedores como un recurso de energía alternativa para comunidades en islas tropicales que dependen en gran manera en combustible importado. Plantas OTEC en estos mercados podrían International Technical Paper #1 IIAR

8 2015 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, San Diego, CA proveer a isleños con la necesitada electricidad, así como con agua desalada y una variedad de productos acuiculturales. Su importancia ha sido subrayado desde 1881 cuando Jacques d Arsonval [3], un físico francés, propuso primero en capturar la energía termal de los océanos. En 1979, la primer planta demostrativa OTEC de 50kWa empezó en Laboratorio de Energía Natura Autoridad Hawaiana (NELHA) [4], instalado en una barcaza convertida, 2 km mar adentro y después en 1980 el Departamento Estadounidense de Energía (DOE) construyó OTEC-1 en un petrolero marino convertido. Resultados de pruebas identificaron métodos para diseñar cambiadores de calor a escala comercial y demostró que sistemas OTEC pueden operar desde embarcaciones en movimiento lento con un bajo efecto en el ambiente marino. Un nuevo diseño para ductos suspendidos de agua fría fue validado en el lugar de prueba. En la Instalación de Pruebas de la Costa de Hawái [5], la cual fue establecida como un proyecto compartido con el estado de Hawái y DOE, agua desalada fue producida usando el proceso de ciclo abierto. Y un sistema de abastecimiento de agua marina con diámetro de 1m para agua marina fría y 0.7 m diámetro para agua marina tibia fue desplegado para demostrar que ductos grandes de agua fría de polietileno pueden ser utilizados en un sistema OTEC. En 1981, el Japón demostró una planta de ciclo de 100 kwe con sede en la orilla del mar en la República de Nauru, en el Pacífico [4]. Esta planta empleó tubería de agua fría puesta en el mar a una profundidad de 580 metros. Freón fue el fluido de trabajo, y un intercambiador de calor de casco y tubo de titanio fue utilizado. En mayo de 1993, una planta OTEC de ciclo abierto en Kea Hole Point, Hawaii [4], produjo 50 MWe de electricidad durante un experimento de producción de energía neta. Esto rompió el récord de 40 MWe establecido por un sistema japonés en Hoy en día, los científicos están desarrollando nuevas y rentables turbinas para los sistemas de OTEC de ciclo abierto. 6 IIAR 2015 International Technical Paper #1

9 Perspectivas del futuro de sistemas de conversión de energía térmica oceánica (OTEC) Proyectos OTEC actuales y futuros alrededor del mundo Hay varios sitios potenciales alrededor del mundo [4] de los cuales algunos sitios importantes en la etapa de desarrollo se citan a continuación: Las Bahamas: La Corporación de Energía Termal Oceánica y la Corporación de Electricidad de las Bahamas han firmado un Memorando de Entendimiento para desarrollar dos plantas OTEC en las Bahamas. Se afirma que estos serán las dos primeras plantas en operación comercial en el mundo. El Japón: Las empresas de ingeniería japonesas IHI Plant Construction Corporation, Xenesys Incorporated y Yokogawa Electric Corporation anunciaron su colaboración en la construcción de una planta OTEC de demostración de 50kW en las aguas de la Isla de Kumejima, situada en las Islas Okinawa en el extremo sur de Japón. La planta de OTEC se integrará en la Okinawa Prefecture Deep Seawater Research Center (Centro de investigación de agua marina profunda de la Prefectura de Okinawa), que es el mayor de cuatro sistemas de bombeo de agua del mar en Japón. Las compañías apuntan a tener la planta de OTEC en funcionamiento en marzo de Xenesys diseñará y fabricará la unidad de generación de electricidad y los intercambiadores de calor. Martinica Belle-Fontaine: Los franceses están trabajando en un sistema prototipo OTEC con amoníaco. Hawái: Una empresa del continente se encuentra en el proceso de obtención de un contrato de arrendamiento de 30 años para probar la conversión de energía térmica oceánica en el oeste de Hawái. NELHA ha autorizado el arrendamiento final. Lockheed Martin ha desarrollado un intercambiador de calor especial mediante movimiento friccionado de soldadura que minimiza la corrosión del océano y, en última instancia, reduce el costo. Las pruebas en Hawái ayudarán a validar el diseño y la nueva información para desarrollar un prototipo más avanzado; finalmente, allanando el camino hacia una planta de producción a gran escala. Isla Reunión: El ex-presidente francés, Nicolás Sarkozy, en una visita a la Isla Reunión, implementó un plan para hacer que la isla sea neutral en cuanto a International Technical Paper #1 IIAR

10 2015 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, San Diego, CA emisiones de dióxido de carbono para el Un sitio fue demarcado para demostración y experimentación con una planta OTEC de amoníaco. Este proyecto está en marcha a través del primer constructor naval militar europeo (DCNS). Curaçao Ecopark: Curaçao Airport Holding planea un eco-parque industrial sostenible con el objetivo de tener un impacto positivo en el medio ambiente y al mismo tiempo crear el crecimiento económico, estimular las industrias en la isla y educar al público acerca de las oportunidades que ofrecen las tecnologías renovables. Ciclo de energía basada en OTEC Un ciclo típico de Rankine similar al de una planta de energía de vapor se utiliza en un sistema OTEC. La Figura 2 ilustra los componentes básicos de tal ciclo. El vapor es un producto químico calentado en lugar del vapor de agua sobrecalentado. Los productos químicos utilizados podrían ser halocarbono o amoníaco. Agua de mar de la superficie se utiliza para conducir la caldera de calor residual del ciclo, mientras que el agua de mar profunda enfría el condensador. Sistema basado en amoníaco El amoníaco es uno de los medios de trabajo favorables para el sistema de OTEC debido a sus excelentes propiedades termodinámicas y de transporte. También es el menos costoso de todos los refrigerantes disponibles en el mercado. Con el fin de diseñar, construir y mantener un sistema sostenible es esencial escoger un fluido de trabajo adecuado e intercambiadores de calor de alta eficiencia con características de temperatura de acercamiento muy baja. Un enfoque hacia temperaturas de acercamiento bajas es altamente deseable en un ciclo de OTEC eficiente. Para lograr temperaturas de acercamiento próximas es deseable seleccionar cada componente del 8 IIAR 2015 International Technical Paper #1

11 Perspectivas del futuro de sistemas de conversión de energía térmica oceánica (OTEC) ciclo en una manera óptima. Una descripción de los diversos componentes del ciclo de OTEC se da a continuación: Evaporador: En el pasado, se han sugerido dos tipos de evaporadores; es decir, inundados y los de casco y tubo de aspersión [6] como se muestra en la figura 3. Ambos son fiables y diseños robustos; sin embargo, ambos tienen ventajas y desventajas. Los inundados requieren cantidades relativamente grandes de fluido y como el amoníaco es tóxico no va a su favor. Un evaporador de aspersión, por otro lado, lleva carga baja; sin embargo, requiere bombas adicionales que se suman problemas de mantenimiento, tiempo de inactividad y la energía parasitaria extra. La mejor opción posible es una combinación de ambos como se muestra en la figura 4. Esta nueva invención [7] ha demostrado ser muy versátil y opera con una carga muy baja. Resultados de campo recientes [8] de un chiller han demostrado un excelente rendimiento como se muestra en la figura 5 con la carga total del sistema de amoníaco menor a 50 libras. Figura 3. Evaporador inundado Evaporador de aspersión International Technical Paper #1 IIAR

12 2015 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, San Diego, CA Figura 4. Evaporador de amoníaco de película fina [8] Figura 5. Resultados de campo de una prueba de funcionamiento con el evaporador de película fina de amoníaco 10 IIAR 2015 International Technical Paper #1

13 Perspectivas del futuro de sistemas de conversión de energía térmica oceánica (OTEC) Condensador: Un condensador de carcasa y tubos también se recomienda debido a la facilidad de limpieza y su resistencia (fig. 6). Tubos de alta eficiencia (fig. 7) se pueden utilizar para reducir el tamaño. Un intercambiador de calor de placas y marcos con placas semi-soldadas podría ser una opción también; sin embargo, los pequeños pasajes de flujo podrían crear problemas de ensuciamiento y obstrucción. Estas cuestiones se han experimentado buques pesqueros comerciales donde los intercambiadores de placas fueron finalmente reemplazados por condensadores de carcasa y tubos. Figura 6. Condensador de casco y tubo International Technical Paper #1 IIAR

14 2015 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, San Diego, CA Figura 7. Tubos de titanio mejorados Unidad de Turbina-Generador (TGU): Un generador de turbina axial multietapa único se ha desarrollado que puede ser empleado en un sistema de OTEC con amoníaco como se muestra en la figura 8. Figura 8. Turbina-generador 12 IIAR 2015 International Technical Paper #1

15 Perspectivas del futuro de sistemas de conversión de energía térmica oceánica (OTEC) La unidad de generador de turbina tiene carcasa con bridas de entrada y salida en la izquierda y el generador en la derecha. Gas caliente sobre calentado desde el evaporador entra en la carcasa de la turbina por la brida superior y se expande a través de la turbina para girar el rotor y eje del generador. El gas de escape se expulsa a un regenerador por medio de la brida de conexión inferior. El diseño se basa en la utilización de un sellado hermético, concepto permanente de imán acoplado a la turbina, lo que elimina el mantenimiento de un caja de cambios. Componentes electrónicos de potencia convierten la alta frecuencia de AC desde el generador PM para la frecuencia de salida y el voltaje requerido para la interconexión de redes. Además, el generador utiliza cojinetes magnéticos sin la necesidad para un sistema de lubricación por separado. Esto elimina el coste adicional y el mantenimiento de un sistema de lubricación, así como la posibilidad de contaminación de refrigerante por el lubricante. Regenerador: Como el regenerador ve amoníaco en cada lado, que es bastante limpio, se recomienda el uso de un intercambiador de placas de tipo totalmente soldado como se muestra en la figura 9. Intercambiadores de placas se desempeñan bien bajo condiciones de temperatura de cruce y en un regenerador las temperaturas de ambos lados se cruzan para maximizar el transporte de calor. Una configuración de carcasa y tubería también se puede utilizar con tubos aumentados; sin embargo, tubos más largos podrían resultar en problemas de espacio a menos que múltiples unidades se apilan en serie como se muestra en la figura 10. International Technical Paper #1 IIAR

16 2015 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, San Diego, CA Figura 9. Regenerador totalmente soldado Figura 10. Regenerador de carcasa y tubo apilado Bomba: Se recomienda el uso de una bomba sellada herméticamente para evitar posibles fugas. 14 IIAR 2015 International Technical Paper #1

17 Perspectivas del futuro de sistemas de conversión de energía térmica oceánica (OTEC) El amoníaco versus CR-134a: Análisis termodinámico y de costo El análisis de la simulación comparativa se ha llevado a cabo por los autores para establecer el impacto de fluido de trabajo en el rendimiento del ciclo de OTEC. Condiciones similares fueron utilizadas en la simulación de ambos casos; el uso de R-134a y el amoníaco. Los siguientes parámetros se mantuvieron iguales: La temperatura del agua superficial del océano: 86 F La temperatura del agua profunda del océano: 40.8 F Caudal de agua de la superficie del océano hacia el evaporador: 15,000 gpm Caudal de agua profunda del océano a través del condensador: 510 gpm Cada una de las siguientes ecuaciones se deriva fácilmente del balance de energía y masa a través de cada componente como se muestra en la figura 2. La última ecuación indica la eficiencia del ciclo. Q in / m = h 2 h 1 Q out / m = h 4 h 5 W turbine / m = h 2 h 3 W pump / m = h 6 h 5 η= [W turbine -W pump ] / Q in Dónde: m = caudal másico; h = entalpía específica; Q = tasa de flujo de calor; W = trabajo en unidades de caudal de calor. El análisis termodinámico de los dos ciclos usando amoniaco y R-134a en virtud las condiciones antes mencionadas y utilizando las ecuaciones antes mencionadas mostró que el amoníaco tiene una eficiencia de recuperación de calor ligeramente más alto en comparación con el R-134a. Por otra parte, la energía generada en el eje de la turbina fue significativamente mayor con amoníaco debido a la diferencia de entalpía a través de la turbina. La potencia en el eje de la turbina se mejoró en un 27% con amoníaco. Esto es significativo ya que cuanto más alto es el poder producido por el OTEC, más International Technical Paper #1 IIAR

18 2015 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, San Diego, CA económicamente viable será el sistema. La detallada simulación del ciclo para ambos refrigerantes se muestra en las figuras 11a y 11b. Figura 11a. Ciclo R134a Figura 11b. Ciclo amoníaco 16 IIAR 2015 International Technical Paper #1

19 Perspectivas del futuro de sistemas de conversión de energía térmica oceánica (OTEC) La Tabla 1 muestra el análisis comparativo de los componentes clave del ciclo OTEC con ambos refrigerantes en las mismas condiciones de funcionamiento como se muestra en las figuras 11a y 11b. Es bastante claro en el cuadro que el amoníaco tiene una mejor eficiencia de recuperación de calor en comparación con R-134a; además, el ciclo basado en amoníaco genera más energía. Esto se traduce en más de kw-hr producido sobre una base anual. Además, el ciclo de amoníaco tiene significativamente menos caudal másico frente a R-134a. Debido a las propiedades de transporte inherentes de amoníaco los tres componentes principales es decir, evaporador, condensador y el regenerador son comparativamente más pequeños que resulta en un costo de capital más bajo. Las bombas y TGU también cuestan menos que se traduce en menor costo por kw generado, lo que resulta en un retorno de la inversión más corto. Componentes del ciclo R-134a Amoníaco Evaporador (kw) 34,979 42,898 Condensador (kw) 33,678 42,190 Regenerador (kw) 5,473 2,566 Bomba (kw) 14 8 Poder neto generado (kw) Flujo másico (lb/hr) 1,403, ,415 Eficiencia Pecio, $/kwe 3,300 2,500 Tabla 1. Análisis comparativo entre el amoníaco y el R-134a usados como fluidos de trabajo en un ciclo OTEC International Technical Paper #1 IIAR

20 2015 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, San Diego, CA Conclusión La conversión de energía térmica oceánica sin duda puede desempeñar un papel positivo en complementar las necesidades de energía del mundo. Varios fluidos de trabajo, como los halocarbonos y los refrigerantes naturales, están disponibles actualmente. Cada uno tiene sus pros y sus contras. Los halocarbonos tienen cuestiones ambientales, los hidrocarburos tienen problemas de inflamabilidad y el amoníaco tiene un problema de toxicidad. Entre estos fluidos el amoníaco se destaca sobre la base de las siguientes características: Tiene un mejor rendimiento del transporte y el ciclo Tiene la tasa de menos flujo por unidad de energía Es natural, sin impacto en el medio ambiente, con potencial de calentamiento global (GWP) y el potencial de agotamiento del ozono (PAO) de cero Es el menos caro y de fácil acceso El único inconveniente es su toxicidad y esto puede ser manejado mediante el uso de intercambiadores de calor de punta para reducir la carga. La comparación entre sistemas OTEC de R-134a y amoníaco con capacidades idénticas muestra que el amoníaco es el ganador! 18 IIAR 2015 International Technical Paper #1

21 Perspectivas del futuro de sistemas de conversión de energía térmica oceánica (OTEC) Referencias 1. National Renewable Energy Laboratory, 2. Oak Ridge National Laboratory Review, Power from the Sea, Vol. 44, No. 3, pp 18-19, Day, L. y McNeil, I., Biographical Dictionary of the History of Technology, Routledge, pp , World Energy Council, Survey of Energy Resources Ocean Thermal Energy Conversion, 2007, p Hallanger, L.W., Capabilities and Potential of the OTEC Seacoast Test Facility, presentado en el 8th Ocean Energy Conference, Washington, D.C., junio de Ayub, Z. H., Industrial Refrigeration and Ammonia Enhanced Heat Transfer, International Journal of Enhanced Heat Transfer, Vol. 13, No. 2, , Ayub, Z. H. and Ayub, A. H., Thin Film Evaporator, United States Patent and Trademark Office, 17 de mayo de 2012: 2012/ A1. 8. Ayub, Z. H. Recent Developments in Low Charge Ammonia Evaporators and its Potential Use in District Cooling Systems, ASHRAE Abu Dhabi Chapter, International Technical Paper #1 IIAR

22 2015 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, San Diego, CA Notes: 20 IIAR 2015 International Technical Paper #1