El CITENI estudia como generar más electricidad con el calor residual de la industria

Cada día, una parte importante de la energía que consume la industria termina perdiéndose en forma de calor. Entre un 25% y un 55% se disipa a temperaturas próximas a los 200 °C suficientemente elevadas como para aprovechar ese calor y convertirla en electricidad. Recuperar ese potencial energético es uno de los desafíos de la industria para avanzar hacia procesos más eficientes y sostenibles.

Con este objetivo, personal investigador del Centro de Investigación en Tecnologías Navales e Industriales (CITENI) de la Universidade da Coruña analizó como mejorar el rendimiento de las tecnologías destinadas a convertir este calor en electricidad. El estudio, publicado recién en la revista científica Energy bajo el título «Impact of superheat and reheat on the thermal efficiency of Regenerative Organic Rankine Cycle (R-ORC) with optimized operating conditions», forma parte de la tesis doctoral  que desarrolla Ana Ortega bajo la dirección del profesor Alberto Arce. Ambos soy personal investigador del grupo SISTER (Sistemas Térmicos) con actividad científica dentro del Campus Industrial de Ferrol.

La investigación se centra en los ciclos Rankine orgánicos (ORC), una tecnología diseñada para transformar el calor residual en electricidad. La diferencia de los sistemas convencionales, utiliza un fluido orgánico en lugar de agua, el que le permite vaporizarse a temperaturas más bajas. Ese vapor mueve una turbina conectada a un generador eléctrico y una vez completado el ciclo el fluido vuelve a estado líquido para reutilizarse.

Darle una “segunda vida” a ese calor residual

El estudio parte de una pregunta sencilla: es posible aprovechar mejor el calor residual para generar más electricidad? Para a responder, las personas investigadoras analizaron dos estrategias orientadas a aumentar la eficiencia de los ciclos Rankine orgánicos.

La primera consiste en elevar la temperatura del vapor antes de que llegue a la turbina, para que pueda transferir más energía y generar más electricidad. La segunda lo vuelve a calentar antes de que se enfríe por completo, lo que permite seguir produciendo electricidad antes de completar el ciclo. La combinación de ambas hace posible extraer más energía útil a partir de la misma cantidad de calor.

Ayuda de un «enjambre» virtual

Introducir estas mejoras no garantiza por sí solo un mejor resultado. El rendimiento de estos sistemas depende de numerosos factores, como la temperatura, la presión o el fluido empleado. Ajustar todas esas variables para obtener el mejor resultado es uno de los principales desafíos a la hora de diseñar este tipo de instalaciones.

Para resolverlo, el equipo desarrolló un modelo matemático de la planta y recurrió a un algoritmo de optimización denominado Particle Swarm Optimization (PSO). Su funcionamiento se inspira en el comportamiento de un enjambre de abejas cuando busca alimento, cada abeja explora una zona distinta y comparte la información con el resto hasta que el grupo localiza la mejor opción. De forma similar, el algoritmo explora miles de combinaciones posibles de temperaturas, presiones y fluidos para identificar aquellas que ofrecen los mejores resultados.

Gracias a esta metodología, el personal investigador optimizó de forma simultánea entre cinco y ocho variables de funcionamiento —un enfoque más completo que el empleado habitualmente en estudios similares— y comparó diez fluidos de trabajo para determinar cual ofrece mejores prestaciones en cada configuración.

Misma energía, más electricidad   

Los resultados ponen de manifiesto que ajustar las condiciones de operación de los ciclos ORC permite sacar más partido del calor disponible y generar más electricidad. La combinación de las dos estrategias analizadas alcanzó una eficiencia térmica del 19,8%, próxima al 20%, por encima de las configuraciones que incorporan únicamente una de las dos mejoras.

El análisis también tiene un impacto económico. Los sistemas que incluyen la etapa de sobrequecemento presentan períodos de recuperación de la inversión inferiores la 7,5 años, mientras que aquellos que no la incorporan pueden tardar hasta 16 años en amortizarse.

Más allá de estas cifras, el trabajo aportación nuevas herramientas para diseñar instalaciones más eficientes y económicamente viables para la recuperación de calor residual.

Investigación aplicada desde el Campus Industrial de Ferrol

Con trabajos como este, el CITENI contribuye al modelo de investigación aplicada que impulsa el Campus Industrial de Ferrol de la Universidade da Coruña, orientado a desarrollar soluciones tecnológicas para responder a retos concretos de la industria, como la eficiencia energética, el aprovechamiento de recursos y la descarbonización de los procesos productivos.