Integration of latent thermal energy storage systems in the design and operation of residential cogeneration plants

Resumen

La presente tesis doctoral trata la integración de sistemas de almacenamiento de energía térmica latente en el diseño y operación de plantas de cogeneración residencial. El interés de la tesis nace de la actual coyuntura energética donde se ha reconocido el importante papel que juega la cogeneración. Más en concreto, y de acuerdo con la Directiva 2004/8/CE, la cogeneración presenta un gran potencial en todas aquellas aplicaciones donde se tiene un importante consumo de energía térmica, como es el caso del sector residencial. Sin embargo, la demanda térmica en este sector presenta dos particularidades: una alta variabilidad y dificultad en su predicción. Entre las distintas alternativas para ajustarse a estas particularidades, el almacenamiento térmico ofrece la posibilidad de mejorar la operatividad de estas plantas independizando la producción y la demanda. Entre los distintos tipos de almacenamiento, el almacenamiento térmico latente ofrece unas características que lo hacen muy idóneo para su integración en plantas de cogeneración residencial. Estos sistemas aprovechan el calor intercambiado en el cambio de fase de unos materiales (denominados PCMs) como efecto útil de almacenamiento. Esto permite almacenar una mayor cantidad de calor en un mismo volumen y por lo tanto, reducir el volumen de almacenamiento necesario para una determinada cantidad de energía térmica. Esto es especialmente de interés en el sector residencial donde generalmente existen problemas de espacio y el desarrollo de sistemas compactos es de una gran importancia.Se reconoce de gran interés para el diseño y operación de sistemas de almacenamiento latente, evaluar en detalle tanto el funcionamiento técnico como viabilidad económica de las plantas de cogeneración residencial donde van a integrarse. Se ha desarrollado un estudio de la situación normativa y económica actual de la cogeneración a pequeña escala (100kW-1MW) en España así como del actual mercado de las tecnologías de cogeneración. De entre las tecnologías disponibles, se ha seleccionado que actualmente la tecnología de cogeneración más adecuada para su aplicación en edificios son los motores de combustión interna, los cuales se han considerado en este trabajo. Basado en estos datos, se ha desarrollado un modelo de simulación para la evaluación del funcionamiento anual de este tipo de plantas. Este modelo permite obtener tanto datos de rendimiento energético anual como de viabilidad económica. Se ha ampliado este modelo permitiendo incluir sistemas de almacenamiento térmico de distinto tipo, el cual se define por su capacidad de almacenamiento y su potencia térmica promedio de carga y descarga. Tras evaluar la demanda térmica residencial, se ha determinado que la potencia térmica de descarga no afecta a los resultados anuales de la planta. Este enfoque permite la simulación anual de plantas de cogeneración incluyendo distintos sistemas de almacenamiento, permitiendo referir tanto el rendimiento energético como la viabilidad económica (a través del VAN) al tamaño de la planta y a las características del sistema de almacenamiento (capacidad de almacenamiento y potencia promedio de carga). Tras analizar las tecnologías de almacenamiento latente existentes, se ha seleccionado la tecnología de placas y aletas como la más adecuada para su inclusión en plantas de cogeneración residencial. Esta tecnología permite, mediante la definición de placas independientes, adaptar la potencia y la capacidad de almacenamiento para distintas aplicaciones, dotando al sistema de modularidad y flexibilidad en su diseño. Además, la geometría prismática de las placas hace posible conseguir formas prismáticas que pueden integrarse con facilidad en la salas de calderas y en los propios módulos de cogeneración. Esto es especialmente importante cuando se compara con los sistemas de almacenamiento convencionales consistentes en tanques de agua caliente, cuyo efecto de almacenamiento está estrechamente ligado con el efecto de estratificación, el cual requiere elevados ratios de aspecto. De entre todos los PCMs disponibles en el mercado, se ha seleccionado la parafina RT60 como la más adecuada para la aplicación seleccionada. Las propiedades de este material se han caracterizado mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC) obteniendo con precisión las propiedades que determinarán el funcionamiento del sistema de almacenamiento térmico latente final.Considerando estas propiedades, se seleccionan las condiciones operativas del sistema de cogeneración que permiten maximizar sus beneficios. Se definen yIntegration of latent thermal energy storage systems in the designand operation of residential cogeneration plants seleccionan los principales parámetros que condicionan el funcionamiento del sistema de almacenamiento. A continuación, se reconoce la importancia de predecir el funcionamiento de sistemas para distintas geometrías y configuraciones, siendo posible determinar el óptimo para distintos tipos de plantas. Se recurre a la simulación como base para cumplir este objetivo. Se han desarrollado tres modelos de simulación de distinta naturaleza: simulación numérica, simulación analítica aproximada y simulación numérica simplificada. Se han empleado estos modelos para simular una misma configuración, tanto para el proceso de carga, como el de descarga. Tras comparar los resultados de todos los modelos y el tiempo requerido para la simulación, se ha seleccionado el modelo numérico simplificado como el más adecuado para proceder con el proceso de diseño y optimización. Como parte del trabajo de simulación se ha realizado un estudio detallado del efecto de la convección natural de la fase líquida sobre la fase sólida en el proceso de fusión con el objeto de caracterizarlo mediante la definición de una conductividad efectiva para la fase líquida. Adicionalmente, y con el fin de determinar la energía eléctrica de bombeo, se ha presentado un modelo hidráulico que permite estimar las pérdidas de presión del fluido caloportador a lo largo del sistema. Antes de poder proceder con el empleo del modelo numérico simplificado para la evaluación y optimización de los sistemas de almacenamiento térmico latente propuestos, es necesario validar dicho código mediante una serie de ensayos experimentales. Es por ello que se ha desarrollado, dentro de las actividades de la tesis, el diseño y fabricación de una instalación experimental para el ensayo de sistemas de almacenamiento térmico latente. Se ha diseñado dotándola de suficiente flexibilidad para ser adecuada no exclusivamente a los objetivos de esta tesis, sino ser un banco de ensayo versátil para el ensayo de sistemas de almacenamiento térmico bajo condiciones operativas diversas que permita emular sistemas de calefacción de distinta naturaleza (solar, bomba de calor, etc.). De un modo análogo se ha diseñado y construido un prototipo para el ensayo en dicha instalación de sistemas de almacenamiento térmico latente de placa y aletas. Se ha diseñado con suficiente flexibilidad para permitir su apertura y sustituir el PCM, así como la incursión de de elementos para el aumento de la transferencia térmica.Se ha ensayado el prototipo para la carga y descarga considerando las condiciones operacionales seleccionadas para la cogeneración. Los resultados experimentales se han comparado con los resultados de la simulación del modelo numérico simplificado mostrando que ambos resultados muestran una gran conformidad. Esto permite emplear con confianza el modelo numérico simplificado en el posterior proceso de diseño y optimización. Posteriormente se ha desarrollado, contando con toda la información obtenida, un modelo de optimización que permite obtener el diseño de sistemas de almacenamiento latente de placas y aletas óptimo para plantas de cogeneración residencial de distinto tamaño. De este modo se ha definido como función objetivo a maximizar el VAN de la planta de cogeneración que incluye el sistema de almacenamiento latente a optimizar. Tras la evaluación de la función objetivo, esta se ha determinado como función de la capacidad de almacenamiento, de la potencia promedio de carga y del coste del sistema de almacenamiento. Sin embargo, de cara a plantear el proceso de optimización es necesario obtener expresiones analíticas para estas tres funciones. La obtención de una expresión analítica para la capacidad de almacenamiento es inmediata una vez conocidas las propiedades termofísicas de los materiales y las dimensiones del sistema. Por otro lado, la expresión analítica del coste de sistema se calcula mediante modelos de estimación de costes existentes. Se han considerado dos escalas de fabricación: pequeña y gran escala, utilizando, respectivamente, acero inoxidable y aluminio como materiales para la fabricación de las placas. El mayor reto se encuentra en la obtención de una expresión analítica para la determinación de la potencia promedio de carga de una determinada configuración del sistema de almacenamiento latente. Se ha empleado como punto de partida el modelo numérico simplificado, el cual permite un gran número de evaluaciones de configuraciones diferentes a un bajo coste computacional. Con los resultados de una batería de simulaciones de más de 800 configuraciones, se ha obtenido, mediante técnicas de regresión múltiple, un modelo estadístico para la predicción de la potencia promedio de carga con una gran precisión. Este modelo predictivo de la potencia promedio de carga contempla tanto la fabricación a pequeña como a gran escala.Una vez obtenida la expresión analítica del VAN, se procede al proceso de optimización, el cual se ha desarrollado en dos etapas: una primera etapa de búsquedaIntegration of latent thermal energy storage systems in the designand operation of residential cogeneration plantsaleatoria y una segunda aplicando métodos de programación cuadrática secuencial (Sequential Quadratic Programming) para la búsqueda del óptimo global. De este modo es posible obtener el diseño óptimo para plantas de distinto tamaño considerando las dos escalas de fabricación. Los resultados óptimos se comparan con aquellos obtenidos de emplear tanques de agua caliente, tanto para un dimensionamiento basado en la optimización de la capacidad de sistema, como para un dimensionamiento basado en un valor fijo de capacidad de almacenamiento. Se obtiene que, aunque los resultados económicos ofrecidos por los sistemas convencionales son mejores, el almacenamiento latente requiere volúmenes de almacenamiento mucho menores. Esto hace que sean una opción interesante (incluso la única posible) en aquellas aplicaciones en las que el volumen sea un factor limitante, como es el caso en muchas aplicaciones residenciales. Finalmente, a pesar de que se ha evaluado el comportamiento global de la planta de cogeneración residencial con el sistema de almacenamiento mediante el modelo desarrollado, se plantea estudiar el funcionamiento integrado de todos los componentes de la planta, para lo cual se acude a la simulación dinámica de la planta. De este modo, mediante el software de simulación TRNSYS, se plantea el modelo completo de una planta de cogeneración de 500kW incluyendo todos sus componentes. Se realiza la simulación dinámica para dos días tipo: día de invierno y día de verano. Para ambos casos se considera la misma capacidad de almacenamiento tanto para el sistema de almacenamiento latente como para el tanque de agua caliente. De este modo se obtienen los flujos térmicos horarios y se calcula, para cada uno de los casos, la eficiencia energética y exergética de la planta. Se obtiene que la integración del sistema de almacenamiento térmico latente permite obtener en un menor volumen unos mejores resultados de eficiencia, debido principalmente a que permite una integración y operación más eficiente en el conjunto de la planta reduciendo la necesidad de evacuar parte del calor para asegurar el correcto funcionamiento del sistema.Se tiene por tanto que los sistemas desarrollados y optimizados en este trabajo son una muy buena alternativa a los sistemas de almacenamiento convencionales debido a que: permiten reducir el volumen de almacenamiento; su forma prismática facilita un uso óptimo del espacio disponible, así como su integración en módulos de cogeneración; su estructura modular permite potenciar su producción a escala industrial, así como ajustar el diseño fácilmente a distintas capacidades y potencias de almacenamiento; su integración y operación mejoran el rendimiento global de la planta que los integran; etc. Actualmente, pese a todos estos beneficios, sus costes y características actuales hacen que sólo puedan competir económicamente con los sistemas convencionales de almacenamiento en aquellas aplicaciones donde existe limitación de espacio. De cara al futuro se está trabajando en el empleo de otros materiales alternativos como PCMs que permitan aumentar la compacidad de los sistemas así como abaratar los costes de producción, como por ejemplo, sales hidratadas. De este modo se tiene como objetivo ampliar el número de aplicaciones donde estos sistemas puedan ser una alternativa real a los sistemas de almacenamiento térmicos convencionales.