Sistema tecnológico OTEC

Introducción

La tecnología que aprovecha la diferencia de
temperaturas existente entre la superficie de los océanos
y la de sus profundidades es conocida como OTEC, que
significa conversión de energía térmica del
océano, los antecedentes de la misma se remontan al siglo
XIX cuando ya se habían establecido los ingenios de vapor
y los estudios de los ciclos de potencia tenían un fuerte
movimiento, en esos tiempos se introducía por Alexander
Twining la primera producción comercial de hielo con el
uso de la expansión de un gas licuado. Todos estos avances
le proporcionaron a Le Bon y Arsene D´Arsonval (2) el
conocimiento necesario para proponer plantas de generación
de energía con gases licuados, entre los años 1881
a 1885. Luego el propio D´Arsonval reconoció que en
el océano tropical existían grandes reservas de
energía que podían ser explotadas mediante su
descubrimiento, naciendo así los sistemas OTEC.
La propuesta teórica del Ciclo de Potencia por el eminente
científico francés D´Arsonval, fue un Ciclo
Cerrado. Sucediéndoles en esta teoría según
Claude, el americano Campbell y los italianos Dornig y Boggia.
Pero no fue hasta el año 1926 que el ingeniero
francés Georges Claude emprendió un programa para
demostrar la teoría; pero en su proyecto varió el
ciclo termodinámico alegando que las áreas de los
equipos de intercambio de calor no eran económicamente
viables y que además la corrosión de los equipos
producto a la salinidad del agua de mar y incrustaciones
podría ser un problema en el futuro, proponiendo
así el Ciclo Abierto o Ciclo Claude. . El nuevo
método utilizaría la propia agua superficial del
mar como fluido de trabajo. Estas ideas se ponen en
práctica en la Bahía de Matanzas en 1930, tras
largos años de lucha contra los impedimentos
técnicos y climatológicos. El 6 de octubre de 1930
el inventor logró encender 30 bombillas eléctricas
incandescentes de 500 W cada una, para una potencia de 15 KW. Sin
contar una pequeña parte de la energía que era
captada para bombear el agua de las profundidades marinas. Este
hecho fue calificado por la Academia de Ciencias de Cuba como
hecho probado y aunque tuvo algunos detractores producto a que no
se obtuvo una generación por encima de la consumida en el
proceso ya que se bombeo más agua del fondo del mar que la
necesaria, se marco el inicio de una nueva meta para los
investigadores de esta tecnología. Con posterioridad dicha
ciencia aplicada ha tenido un lento desarrollado, teniendo en los
Estados Unidos, Japón, Taiwán y la India a sus
líderes internacionales.

Con el aumento del precio del petróleo se
convierte la OTEC en una atrayente alternativa para producir
energía eléctrica limpia por la posibilidad de
producir agua desalinizada, productos alimentarios, servicios de
climatización, cloruro de litio, titanio y hasta
hidrógeno; variante a la cual se refieren los
norteamericanos para producir el hidrógeno en el mar y
llevarlo a tierra firme, y utilizarlo como combustible en
centrales termoeléctricas del futuro, eliminando
así la utilización del combustible fósil.
Indiscutiblemente la tecnología OTEC ha tenido grandes
retos que vencer, como la corrosión por la presencia del
agua de mar, un costo de inversión superior a otras
tecnologías y las grandes dimensiones de los equipos
tecnológicos y otras; pero sin dudas, la tubería
para obtener el agua fría del fondo marino por su alto
costo, dimensiones, engorrosa colocación y
fijación; y la baja eficiencia del ciclo
termodinámico, son las grandes barreras para su uso hasta
el momento y lenta introducción en la práctica
social. Por otra parte, la búsqueda de información
de patente reporta una cantidad importante de autores trabajando
sobre la alternativa de incrementar la eficiencia del sistema y
de cada uno de los equipos de esta tecnología;
además de plantas OTEC anexas a otras instalaciones, como
por ejemplo la planta OTEC anexa a una refinería en Tokio,
donde se aprovechan los calores residuales de gases expulsados a
la atmósfera, producto de la refinación de
petróleo.

Resumiendo, los mayores avances de la tecnología
OTEC se han logrado en el mejoramiento de los equipos de
intercambio de calor y la posible utilización de otros
fluidos como pudiera ser la mezcla de amoniaco-agua, entre otros.
Paralelamente se han desarrollado también las producciones
derivadas del sistema OTEC, como la
climatización, el maricultivo, acuicultura,
extracción de minerales, producción de
fármacos, entre otros. Específicamente en Cuba
todos los resultados alcanzados han sido, exceptuando el
experimento de Claude en 1930, basados en los fundamentos
teóricos que aunque, irrebatibles, no se han llevado a la
práctica, principalmente por la falta de
financiamiento.

El objetivo de este trabajo es la comprensión de
cada uno de los componentes del ciclo OTEC. Diseñar un
ciclo, con datos específicos y realizar cálculos
que permitan determinar el área de transmisión de
calor del evaporador y su costo aproximado, tomando en
consideración la comparación entre un
intercambiador tubo y coraza y un intercambiador de placas y las
pérdidas de presión para el evaporador
seleccionado. Además se calculará el
sobrecalentador horizontal del sistema con la disposición
tubo y coraza, teniendo gases de escape de combustión por
dentro de los tubos y el amoniaco por fuera y el condensador
horizontal del sistema con la disposición tubo y coraza,
teniendo el amoniaco por fuera de los tubos y el agua de mar por
dentro y como objetivo fundamental, exponer criterios a partir
del calculo de la eficiencia del ciclo
termodinámico.

Desarrollo:

Variantes
tecnológicas que se podrían introducir en el
sistema OTEC

El desarrollo de la tecnología para la
explotación de la energía termo-oceánica ha
conllevado a la búsqueda de mayores eficiencias del ciclo
de generación con el fin de disminuir entre otros
problemas los flujos de trabajo, tanto de agua superficial como
profunda, áreas de los equipos y finalmente, el elevado
costo de la planta. Este tipo de energía también es
conocida como la distribución de temperatura vs.
profundidad o termo clima, siendo definida por la literatura
como: la diferencia de temperatura existente entre el agua
superficial y el agua fría de la profundidad del
mar.

En la búsqueda realizada tomando como referencia
la bibliografía consultada hemos observado una intensa
labor desarrollada por parte de los investigadores evidenciando
la variedad de los ciclos propuestos como ejemplos: el Ciclo
Kalina (ver anexo fig. 1).Donde se emplea una mezcla de amoniaco-
agua como fluido de trabajo. Ha realizado trabajos con el
refrigerante freón 22 y ha aprovechado calores de otras
industrias.

También se puede hacer referencia a otro ciclo
que no solo trabaja con una mezcla de amoniaco-agua sino que
realiza una extracción de turbina precalentado el fluido
antes de entrar al evaporador (ver anexo fig. 2).El ciclo
propuesto por el científico japonés
Uehara.

Otro de los ciclos que pudiera mencionarse es el del
científico igualmente japonés Ikegami, quién
propone el acople de un colector solar a la tecnología
OTEC para hacer evaporar la sustancia de trabajo o
sobrecalentarla ( ver anexo figura 3). Es importante
señalar que con esta propuesta es donde se han reportado
mayores aumentos de la eficiencia.

En conclusión los ciclos mencionados
anteriormente han logrado llegar a adquirir una eficiencia pero
no la suficiente para potenciar finalmente, la explotación
de esta tecnología a escala industrial.

La variante tecnológica utilizada para el
desarrollo y la profundización de este trabajo fue el
ciclo OTEC cerrado (anexo figura 4):

Este ciclo comienza en el evaporador energético
donde se utiliza el agua caliente de la superficie del mar para
evaporar el flujo de amoníaco líquido. En el
área llamada economizador, se prepara el fluido para que
alcance la temperatura de saturación para cuando pase a la
zona del evaporador ocurra el cambio de fase
(líquido-vapor), no se evapore rápidamente y se
taponee la tubería. Luego el sobrecalentador recibe el
vapor saturado procedente de la etapa de evaporación del
fluido de trabajo y tienen como función elevarle su
temperatura por encima de la temperatura de saturación
correspondiente a la presión a la que se encuentre, es
decir, sobrecalentar el vapor. Este vapor sobrecalentado llega a
la turbina que genera una corriente que es transportada por un
cable submarino a tierra. El vapor cansado que sale de la turbina
llega al condensador donde el agua fría profunda del mar
es utilizada para enfriar y condensar el amoníaco y
convertirlo en líquido nuevamente.

Parámetros de
los Sistemas OTEC

Los ciclos de potencia trabajan bajo ciertas
condiciones, que son requeridas en el buen funcionamiento de la
industria. Las condiciones o parámetros esenciales de
trabajo de una planta OTEC son su presión de
operación, la temperatura y los flujos que manejan,
está definida por bajos parámetros de temperatura y
presión conociéndose también su ciclo como
ciclo de bajas presiones, no obstante no puede decirse lo mismo
de sus flujos que tienen un comportamiento opuesto, claro
está dependiendo de la generación que se desee.
Estos tres parámetros determinan el funcionamiento del
sistema, así como sus propias ventajas y desventajas. Ya
que al mismo tiempo, trabajar con bajas presiones y temperaturas
implica una mayor utilización de flujos de las sustancias
en cuestión, es decir, para obtener grandes potencias se
necesitan valores muy grandes de caudales de agua superficial y
profunda, así como de la sustancia de trabajo, implicando
la necesidad de mayores áreas de los equipos, por
consiguiente mayores costos para lograr los parámetros de
salida de cada uno de ellos y su transportación.
Además, el trabajo con estas bajas condiciones disminuye
las posibles eficiencias a alcanzar, estrechándose de esta
manera el área del diagrama T-S.

Equipos
Tecnológicos

En la mayoría de las industrias existen equipos
relacionados con los procesos de absorción del calor,
trasiego de fluidos, instrumentación de control, entre
otros, los cuales conforman las industrias y/o sistemas de
servicios, pudiendo ser desde productoras de energía hasta
instalaciones de refrigeración, comercializadora de
productos y producción de compuestos
químicos.

En la tecnología correspondiente al
aprovechamiento del gradiente térmico del océano
existen igualmente estos aparatos, siendo de vital importancia
para su funcionamiento. Posteriormente se analizarán los
equipos más generales del ciclo termodinámico de
generación de energía eléctrica mediante una
Planta OTEC.

1-Intercambiadores de calor.

Los módulos de intercambio de las temperaturas
entre los fluidos en las industrias OTEC, que son
similares a otras industrias, se denominan intercambiadores de
calor o equipos de transferencia de calor, este nombre es el
general; porque en muchos casos su denominación depende de
la función que estén realizando, es decir el
proceso que se esté efectuando, por ejemplo para el
aparato donde el fluido de trabajo de una OTEC se
evapora se le llama evaporador como se ha mencionado
anteriormente, otro ejemplo sería el condensador, los
sobrecalentadores, los separadores y equipos de mezclas, entre
otros. Todos estos aparatos utilizan los agentes de
transmisión del calor para su funcionamiento, y como
aspectos generales pudieran mencionarse algunos otros, como gases
de escape, aceites, soluciones y mezclas
líquidas.

Otras diferencias muy importantes en los aparatos de
intercambio del calor son las formas constructivas,
diferenciándose grandemente por cada clasificación.
La mayoría de los intercambiadores de calor de una
OTEC son de superficie, entendiéndose,
según Herrera como aquellos equipos que intercambian
el calor de sus fluidos por medio de una pared sin mezclarse
entre sí. Es importante señalar que en la
actualidad existen muchas formas constructivas, entre las que se
encuentran los equipos de tubo y coraza, los construidos por
placas, etc. Serán analizados los mencionados, así
como las ventajas de uno con respecto al otro.

2-Intercambiadores de tubo y
coraza.

La denominación que reciben, es producto
según Herrera, a que "están formados por un
paquete o haz de tubos, unidos a una o dos placas o espejos por
los extremos de los tubos, limitado por una cubierta o coraza que
los envuelve". Con el fin de un mayor entendimiento se
muestra en la figura un esquema de algunas vistas y cortes del
mismo. El movimiento de los fluidos entonces se realiza por
dentro y fuera de los tubos respectivamente, separándolos
solamente el espesor del tubo.

Figura de Vistas de un intercambiador de
tubo y coraza. Fuente: en internet.

La construcción de estos equipos en la actualidad
ha disminuido producto a que existen otros métodos de
construcción más sencillos y baratos, que implican
menores caídas de presión, menores áreas de
los equipos para las mismas necesidades debido a la
obtención de mayores coeficientes de traspaso de calor
globales; utilizándose entonces preferiblemente cuando las
condiciones de explotación son las más severas, es
decir cuando se trabajo con parámetros críticos,
presión, temperatura, corrosión, etc.

3-Intercambiadores de placa.

Estos están construidos por láminas
separadoras, este tipo de construcción permite disminuir
las áreas de transferencia del calor logrando mayores
coeficientes globales del traspaso de calor. Entre las
características propias están la posibilidad de
trabajar con más de dos flujos a la vez, la posibilidad en
algunos casos de desarmarlos por piezas con extrema sencillez y
entonces, reparar alguna avería eventual. La estructura
fundamental se muestra en la siguiente figura, donde se observan
los componentes que conforman los equipos de placas.

FIGURA: Intercambiador de
placas.

Según Alfa Laval con la corrugación
adecuada de las placas se logra disminuir el área total
necesitada para el calor transferido de un 20 a un 30% con
respecto a los equipos de tubo y coraza.

Una desventaja que presentan los aparatos de placas es
que implican mayores caídas de la presión al paso
del fluido por estos, motivando con ello la necesidad de
contrarrestar con una bomba mayor o depender de una menor
generación de la planta por la disminución de este
parámetro.

Es importante señalar que la disponibilidad de
estos equipos es total y para el caso de los fluidos manejados en
la tecnología en cuestión están sumamente
probados por los Líderes Mundiales de la
construcción de estos aparatos. Es una necesidad de
comenzar a implantar esta energía limpia, ya que no
necesita la quema de combustibles fósiles (como el
petróleo), ahorrándolos y evitando la
contaminación ambiental.

Costos de los
sistemas OTEC

Estos sistemas a pesar de encontrarse entre las plantas
de generación de electricidad incluyendo las renovables
son de las menos eficientes debido a que la eficiencia
máxima lograda por una planta de este tipo es de alrededor
del 4%, mientras que los valores alcanzados por otras
tecnologías de las ramas energéticas están
sobre un 30% de eficiencia. Ahora bien para realizar un
análisis de este tipo se deben tener en cuenta otros
factores como el costo de producción de la electricidad.
Por lo tanto, asumiendo, entre ambas industrias, la única
diferencia es el uso de los combustibles fósiles por parte
de una termoeléctrica (CTE), y tomando en cuenta que
OTEC no los consume, es fácil asumir que el valor
del costo de generación de electricidad para una planta
termo oceánica es mucho menor que para una CTE, aumentando
esta diferencia en dependencia precisamente del costo del
combustible fósil, porque la tendencia a precios de los
combustibles fósiles es al incremento en el tiempo. Otros
de los factores a manejar a la hora de realizar un
análisis entre las tecnologías podría ser la
contaminación ambiental, los costos de recuperación
de la inversión, entre otros. Los principales costos del
sistema OTEC radican en el valor de la toma de agua fría
de las profundidades del mar, siendo aproximadamente el 30% de la
inversión inicial, la construcción de la
edificación, sea en tierra o en mar, y el costo de los
aparatos de transferencia del calor.

Para el estimado de los costos de inversión de
estas plantas se plantea que mientras aumente la
generación el costo de la inversión disminuye para
el megawatts producido, debido a que disminuye la influencia del
valor de la inversión por la toma de agua de las
profundidades y debido al factor de la economía de
escala.

Según Inc, Xenesys. en la realización de
un estudio en Cuba para una OTEC en tierra ubicada en la
Bahía de Matanzas, utilizando el Ciclo de Uehara, el costo
de la inversión es de 37,7 millones de dólares para
una generación de aproximadamente 1 MW.

Se presentan a continuación los datos utilizados
y la descripción de los cálculos realizados del
ciclo OTEC que permitieron el cumplimiento de los objetivos
planteados:

En este trabajo, algunos de los cálculos
realizados fueron los siguientes:

-Calculo de los evaporadores y los economizadores de
tubo- coraza y placa:

-Calculo del área y el flujo calorífico en
el sobrecalentador:

-Calculo del área del condensador:

-Calculo de la eficiencia del ciclo:

Para el cumplimiento del objetivo se han estudiado y
analizado los documentos digitales, ejercicios resueltos del
libro Krasnoschiokov y los conocimientos adquiridos en la
asignatura procesos tecnológicos II.

De los cálculos realizados se ha obtenido que el
calor necesario para ambos evaporadores es de 105462630 w y el
área en el evaporador, para un intercambiador de tubo y
coraza es de 89102.7976 m^2, mientras que para un intercambiador
de placas es 1058.2 m^2.

Podemos decir que existe una superioridad en el
área del evaporador de tubo de coraza con respecto a el
evaporador de placas ya que se comprobó que este necesita
una menor área de intercambio de calor que el primero
mencionado por que es evidente que se realizará una menor
inversión, un menor costo de mantenimiento y de mano de
obra , el ahorro de energía es mayor, ya que requiere
menos agua de enfriamiento y/o calentamiento con un menor
esfuerzo de bombeo, ya que la caída de presión en
el equipo se puede ajustar a los requerimientos del proceso,
estos intercambiadores presentan una instalación sencilla
de fácil expansión o modificación, que se
realiza directamente en su planta y que puede manejar una gran
variedad de procesos, además de presentar un menor
espacio, lo que conlleva a un menor peso y requerimientos
mínimos de superficie de instalación, es ideal para
ampliar su capacidad instalada. Posee menor volumen de
retención, requiere de 80% a 90% menos cantidad de
líquidos, brinda mayor precisión en el control de
temperatura y es muy fácil de drenar. Además de
todos estos elementos, se puede afirmar que la eficiencia de
estos intercambiadores es superior, ya que tiene coeficientes mas
altos de transferencia de calor y necesita menor área de
intercambio, valores relacionado directamente con la
eficiencia.

En el sobrecalentador se obtuvo un valor de2635239.86 w
de flujo calorífico y un área de 89991,9168 m^2; en
el condensador el calor total obtenido es de22190481.8
W.

Para completar el estudio se determinó con un
aproximado de índice de costo del 2010
quedando:

Podemos concluir que el evaporador de placas es mucho
menos costoso que el evaporador tubo coraza.

Conclusiones

Durante la realización de este informe se ha
adquirido conocimientos de la importancia del ciclo OTEC como una
forma más saludable de obtener energía.
Además de que a través de la realización de
cálculos de los intercambiadores de calor de placas y de
tubo coraza se llegó a conclusiones sobre la eficiencia de
los mismos, lo que nos condujo a entender que el intercambiador
de placas es más eficiente, económico, menor costo
de inversión, utilización y de mantenimiento.
Necesita además una menor capacidad de líquido y
requiere de una menor área de intercambio, posibilita un
mayor ahorro de energía.

Se han cumplido con este trabajo todos los objetivos
propuestos, logrando un mayor conocimiento de los procesos que se
llevan a cabo en el ciclo OTEC, y a pensar y desarrollar
técnicas como Ingenieros Industriales.

Anexos

Figura 1: Ciclo Kalina

Figura 2: Ciclo Uehara

FIGURA 3. Ciclo propuesto por el
japonés Yasuyuki Ikegami.

Figura 4: Ciclo OTEC

Autor:

Ing. Abdi Hassan Samireh

Universidad de Matanzas

"Camilo Cienfuegos"

Facultad de Ciencias Económicas e
Informáticas

Departamento Ingeniería
Industrial

Procesos Tecnológicos

Matanzas, 2014