Eficiencia de una planta geotérmica de ciclo binario mediante cálculos de exergía - García Ángeles, Uriel (My University, 2024)
El aprovechamiento de los recursos geotérmicos para generar energía eléctrica es un tema de actualidad e interés en México y el mundo. Para tal efecto, en la industria se dispone de diferentes tipos de plantas generadoras que operan en ciclos termodinámicos de acuerdo con la energía térmica del fluido del yacimiento. En cualquier caso, es importante determinar su eficiencia para identificar las mejores condiciones de operación. Para tal efecto, la eficiencia de una planta de potencia, y en general de cualquier proceso que involucre conversiones de trabajo y calor, puede determinarse mediante diversos enfoques. Uno de ellos está basado en cálculos de exergía. Siendo ésta una propiedad del conjunto sistema/alrededores, permite estimar cuánta energía térmica proveniente de una fuente de calor será transformada en trabajo útil y cuánta se perderá hacia el entorno. Ahora bien, este tipo de enfoque involucra cálculos extensos, por lo que resulta conveniente automatizarlos. En este contexto, y siendo la geotermia un área afín a la ingeniería petrolera, el objetivo de este trabajo es: “Integrar una metodología que permita determinar la eficiencia de una planta de ciclo binario mediante cálculos de exergía, e implementarla en un programa computacional que cuente con una interfaz amigable para el usuario”. El escrito comienza con una revisión de conceptos de termodinámica relevantes para el estudio de la exergía y los procesos involucrados en la operación de las plantas geotérmicas. Posteriormente, se describen aspectos generales de los sistemas geotérmicos y los diferentes tipos de plantas geotérmicas existentes en la industria para la generación de energía eléctrica. Se presenta una metodología para determinar la eficiencia de una planta de ciclo binario mediante cálculos de exergía. Se describe la herramienta computacional desarrollada a partir de esa metodología, y se discute la verificación de sus resultados a partir de datos de un caso de aplicación reportado en la literatura. Finalmente, se presentan estudios paramétricos para identificar los efectos de variables selectas del sistema sobre la eficiencia de la planta y los cálculos de exergía.
Determinar la eficiencia de un proceso termodinámico a partir de cálculos de exergía permite una mejor estimación del trabajo útil que genera, pues toma en cuenta la interacción sistema/alrededores. En este contexto, se presenta una metodología para determinar la eficiencia de una planta geotérmica de ciclo binario con base en cálculos de exergía y la segunda ley de la termodinámica La metodología involucra cálculos de: 1) propiedades termodinámicas del agua e isopentano en función de la presión y la temperatura, mediante algoritmos de interpolación 2D sobre tablas de vapor; 2) condiciones de operación por componente (turbina, condensador, bomba, precalentador y evaporador); y 3) exergía (gastada, recuperada, destruida) y eficiencia de la planta. En el trabajo, primeramente, se describen los tipos de plantas geotérmicas y se revisan conceptos pertinentes de termodinámica y exergía. Posteriormente, se describe la metodología referida, y el funcionamiento del programa computacional (macros de VB/Excel) desarrollado a partir de ella. Los resultados del programa fueron verificados exitosamente con datos de un caso publicado en la literatura. Finalmente, se discuten los efectos de variables selectas del sistema sobre la eficiencia de la planta.
Keywords: Cálculos de exergía; Plantas de ciclo binario; Energía geotérmica; Trabajo y transferencia de calor; Herramienta computacional; Estudios paramétricos