Refrigeración

El Efecto Geotérmico: Enfriamiento Sustentable

El gas natural es una opción ideal para generar energía con el menor impacto ambiental, gracias a que mantiene el mismo nivel de calor, pero con la mitad de emisiones de CO2, en comparación con otros hidrocarburos. Este tipo de aplicación demanda tecnología de refrigeración industrial, lo cual representa una gran oportunidad para el crecimiento del sector

Eleazar Rivera

Mundialmente y a raíz de temas como el cambio climático, la transición energética hacia la producción y abastecimiento a través de tecnologías renovables ha tomado gran relevancia en la planeación estratégica y el desarrollo de políticas públicas en diversas economías. Asimismo, resultado de la Reforma Energética, México ha adquirido compromisos globales para la reducción de emisiones de CO2 asociadas a la generación de energía eléctrica por métodos tradicionales.

De acuerdo con la Agencia Internacional de las Energías Renovables (IRENA, por sus siglas en inglés), el país se encuentra en una región privilegiada en cuanto a recursos solares, por lo que diariamente recibe un promedio de 5.5 kilovatios KWh/m2 de radiación solar. En el noroeste del país, por ejemplo, se alcanza un potencial mayor, de hasta 8 KWH/m2, durante la primavera y el verano. Debido a esto y en relación con la cantidad de nodos de interconexión, así como a los incentivos nacionales para la generación distribuida, la zona es financieramente atractiva para invertir en este sector.

Sin embargo, resulta casi imposible realizar una transición hacia tecnologías completamente renovables para cubrir la demanda de economías tan productivas como la mexicana, por lo que aún se requieren recursos no renovables para consolidar las necesidades energéticas del país.

Una de las opciones para abastecer al sector es hacer más eficiente la producción de energía eléctrica, usando combustibles más amigables con el medioambiente, como el gas natural, el cual está cobrando mucha importancia. Además, es imperativo implementar tecnologías en centrales termoeléctricas que aprovechen los recursos que en ella se consumen, como lo es el ciclo combinado. En una central eléctrica de este tipo, la energía térmica del combustible se transforma en electricidad mediante dos ciclos termodinámicos:

  • El correspondiente a una turbina de gas, generalmente gas natural, mediante combustión (ciclo Brayton)
  • El convencional de agua / turbina de vapor (ciclo de Rankine).

Su funcionamiento consiste en quemar gas natural en una cámara de combustión y hacerlo pasar por una turbina de gas conectada a un alternador. Los gases calientes ya turbinados se aprovechan para calentar agua y convertirla en vapor en un recuperador de calor. Este vapor se hace pasar por una segunda turbina conectada a otro alternador, de forma que ambos generan energía eléctrica. Al generar electricidad con un motor generador o una turbina, el aprovechamiento de la energía primaria del combustible es de un 25 al 35 por ciento. El resto se pierde en forma de calor. En cambio, al cogenerar, se puede llegar a aprovechar de 70 al 85 por ciento de la energía que entrega el combustible.

La mejora de la eficiencia térmica de la cogeneración se basa en aprovechar el calor residual de los sistemas de refrigeración de los motores de combustión interna cuando se genera electricidad, utilizando el calor para calefacción.

Precisamente, por lo anterior, tener conocimientos sólidos en sistemas de refrigeración juega un papel muy importante para el correcto desempeño de estas instalaciones. Así, incluir dentro del equipo multidisciplinario a especialistas en refrigeración tomará gran relevancia para el desarrollo de la ingeniería propuesta para este tipo de proyectos.

Máquina Tecsir instalada en una planta termoeléctrica

Efecto Joules-Thomson
En la industria de generación energética a través de gas natural, es común hacer uso del efecto Joules-Thomson para transportar dicho recurso desde el pozo de extracción hacia la planta termoeléctrica. Este efecto se define como el proceso en el cual la temperatura disminuye o aumenta al permitir que el sistema se expanda libremente, manteniendo la entalpía constante. Por tal motivo, conocer los fundamentos básicos de la termodinámica asociada al mismo resulta de alto impacto durante el proceso de planeación y desarrollo de la ingeniería básica o conceptual.

Durante un ciclo de Joules-Thomson, hay dos factores que pueden cambiar la temperatura de un fluido durante una expansión adiabática:

  1. Un cambio en la energía interna
  2. La conversión entre energía potencial y cinética interna

La temperatura es la medida de la energía cinética térmica (energía asociada con el movimiento molecular), por lo que un cambio en la temperatura indica un cambio en la energía cinética térmica. La energía interna es la suma de la cinética térmica y la potencial térmica; por lo tanto, incluso si la energía interna no cambia, la temperatura puede variar debido a la conversión entre energía cinética y energía potencial. Esto ocurre en una expansión libre y generalmente produce una disminución de la temperatura a medida que el líquido se expande. Si el trabajo se realiza en o por el fluido a medida que se expande, la energía interna total cambia. Esto es lo que sucede en una expansión Joule-Thomson y puede producir un calentamiento o enfriamiento mayor que el observado en una expansión libre.

Definiendo la refrigeración
Debido a la naturaleza del gas natural, resulta común que este proceso requiera refrigeración mecánica complementaria para adaptarse a la disminución de las presiones del gas de alimentación en el campo. El paquete de refrigeración debe servir como soporte indispensable para la producción de energía, usando gas natural como combustible.

En general, los paquetes usados con este propósito constan de una serie de compresores para el sistema de refrigeración, unidades condensadoras del gas refrigerante, válvulas de expansión, recibidores, economizador, un sistema de control y otros componentes junto a los intercambiadores de calor entre el gas natural y el refrigerante. Asimismo, es común que el equipo de diseño trabaje documentos previos basados en códigos de seguridad o estándares internacionales. Algunas fuentes comunes de normatividad solicitadas en dichos proyectos son los siguientes:

  • Códigos de seguridad dictaminados por la NFPA, específicamente, el estándar NFPA 70 o National Electrical Code (NEC)
  • American Institute of Petroleum (API)
  • Estándares 15 y 34 de ASHRAE, los cuales hacen referencia al correcto diseño, clasificación y designación de refrigerantes y válvulas de alivio

Una de las claves para lograr un diseño eficiente consiste en definir desde la etapa de prediseño la accesibilidad a los recursos con los que se cuenta en campo. Inicialmente y al igual que en los proyectos de refrigeración industrial comunes, se debe seleccionar correctamente la capacidad del equipo. Usualmente, se debe mantener la convencionalidad de trabajar bajo el concepto de toneladas de refrigeración.

Una Tonelada de Refrigeración (TR) es la cantidad de calor eliminada por un sistema de aire acondicionado que derretiría 1 tonelada (2000 libras) de hielo en 24 horas. El calor requerido para derretir 1 libra de hielo a 32 °F de 144 Btu.

En sistemas de refrigeración industrial de altas capacidades es común que los diseños tiendan a incluir el uso de torres de enfriamiento. Los motivos son los siguientes:

  • La tonelada equivalente en el lado de la torre de enfriamiento en realidad rechaza, aproximadamente, 15 000 Btu/h, debido al equivalente en calor de la energía necesaria para impulsar el compresor del enfriador
  • Esta tonelada equivalente se define como el rechazo de calor al enfriar 3 galones de agua por minuto (1500 libras/hora) a 10 °F, lo que equivale a 15 000 Btu/hora, o un coeficiente de rendimiento (COP) de la enfriadora de 4.0, es decir, un COP equivalente a un índice de eficiencia energética (EER) de 13.65

Entonces, 1 tonelada por torre de enfriamiento es igual a:

  • 1 TR x 1.25
  • 15 000 Btu/h
  • 3 782 kcalorías/h
  • 15 826 kJ/h
  • 396 kW

Sin embargo, y aún con las ventajas térmicas que presenta un equipo que condensa a través de agua helada con respecto a uno enfriado por aire, debe considerarse en el estudio de factibilidad el estrés hídrico que pueda afectar a la zona, o bien, el valor económico del agua que se usaría para el sistema ya sea por el costo de pretratamiento, transporte, suavizado y/o bombeo.

Por ejemplo, en la práctica es común encontrar que el consumo de agua o la cantidad de agua de relleno que debe reponerse para evitar problemas asociados al aumento de sólidos y, por ende, de los ciclos de concentración de una torre de enfriamiento, es de aproximadamente 0.3 litros por minuto por tonelada de refrigeración.

Es decir, suponiendo que tengamos un equipo con una capacidad de 500 TR, significa que por evaporación y su consecuente reposición, cada 24 horas debería entrar al sistema abierto de la torre de enfriamiento una cantidad aproximada de 216 mil litros cada día. Tener estas consideraciones desde las primeras etapas evitará posteriores gastos asociados a operación y mantenimiento.

De esta manera, existen otras estrategias que pueden lograr el mismo objetivo:

  • Un diseño eficiente con los consumos de energía y que cumpla con la misma cantidad de rechazo térmico

Retomando lo anterior, si en cambio se sugiriera el uso de unidades condensadoras enfriadas por aire, los primeros pasos para cumplir con el objetivo antes descrito serían hacer uso de ventiladores electroconmutados, analizar el ángulo de dichos ventiladores para evitar resistencia al aire, o bien, considerar la altura con respecto al nivel del mar, así como la correcta distancia para asegurar suficiente flujo de aire.

Planta Geotérmica Los Azufres III, en Michoacán, México

En conclusión, la combustión del gas natural para generación produce menos gases de efecto invernadero que otros combustibles fósiles como los derivados petrolíferos (fuelóleo, gasóleo o gasolina) y el carbón, especialmente. Se trata, pues, de un combustible que se quema de forma más limpia, eficiente y segura, de modo que no produce dióxido de azufre (causante de la lluvia ácida) ni partículas sólidas.

La razón por la cual genera poco CO2 es que la molécula de su principal componente, el metano, contiene cuatro átomos de hidrógeno por cada uno de carbono. Esto produce dos moléculas de agua por cada una de CO2. En cambio, los hidrocarburos de cadena larga (por ejemplo, los contenidos en el gasóleo) producen prácticamente sólo una molécula de agua por cada una de CO2, sin olvidar que la entalpía estándar de formación del agua es muy elevada.

Además, obtención o extracción es más sencilla y económica en comparación con otros combustibles. La licuefacción del mismo se produce por la acción combinada de la compresión y refrigeración a bajas temperaturas y permite su transporte marítimo a largas distancias, sin la necesidad de infraestructuras terrestres. Esto lo hace un candidato ideal para la producción de energía.

Al incorporar sistemas de ciclo combinado, cogeneración o mediante el efecto Joules-Thomson, la industria de la refrigeración desempeña un papel muy importante para la seguridad energética y la transición a tecnologías más amigables con el medioambiente, ya que permite que los procesos sean más rentables, eficientes y seguros.
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CALOR Y FRÍO RENOVABLES
Alrededor de un 50 % del consumo global de energía corresponde a calefacción y refrigeración, entre el calor para procesos industriales y el calor para uso en edificios

En 2017, las fuentes renovables representaron el 10.3 % del consumo total de energía global para suministrar calor

Energía solar térmica y geotérmica, las tendencias para la generación de electricidad renovable

El uso directo del calor solar y geotérmico en el sector de la calefacción y el enfriamiento puede suministrarse:

  • En procesos industriales
  • Edificios individuales
  • Mayor número de usuarios, mediante el uso de sistemas de calefacción de distrito

La extracción geotérmica ofrece un gran potencial para la calefacción urbana

Necesidades del sector industrial:

  • Calor de temperatura baja y media
  • Calor de proceso a temperaturas mucho más altas
  • Vapor a varios cientos de °C
  • Calor directo de alta temperatura (como el uso en hornos)

Refrigeración urbana
Puede ser alimentada en su totalidad o en parte por energías renovables.

Las redes de refrigeración del distrito producen agua refrigerada en plantas de energía centralizada; luego, se distribuyen a través de tuberías subterráneas para proporcionar aire acondicionado a los edificios.

Las ubicaciones con alta demanda de enfriamiento suelen tener una buena disponibilidad solar, lo que crea la posibilidad de utilizar sistemas fotovoltaicos solares u opciones directas como el enfriamiento por absorción solar

América del Norte es el segundo mayor productor de calor renovable del mundo, ya que las fuentes geotérmicas cubren poco más del 10 % de la demanda de calor

En América Latina, las fuentes renovables abastecieron el 25 % de la demanda de calor en 2016 (otro 14 % provino de biomasa tradicional), aproximadamente; la mayor demanda de calor en la región es para uso industrial

América del Norte y el calor renovable

  • En 2017, los países con mayor energía geotérmica en América del Norte son Estados Unidos y México
  • La capacidad de generación en México es 916 MW
  • El país cuenta con 224 pozos de producción en cinco campos geotérmicos separados, para cubrir una demanda de 1.7 % (5.9 TWh) de las necesidades de electricidad del país
  • México finalizó con 25 MW más de energía en 2017, gracias al campo geotérmico de Los Humeros

Logros mundiales
Desde 2017, ha aumentado el uso de biocalor, energía solar térmica y geotérmica, pues 48 países tienen ya objetivos establecidos para el calor renovable
Sin embargo, su crecimiento aún es lento

Por lo tanto, el desafío es la formulación de políticas públicas y la superación de las múltiples barreras (económicas, tecnología, capacitación, etcétera)

Fuente: Renewables 2018, Global Status Report. A comprehensive annual overview of the state of renewable energy. REN21, 2018.
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Eleazar Rivera
Consultor en Eficiencia Energética y HVAC en la Dirección de Fomento Energético de la Secretaría de Economía y Trabajo de Nuevo León.

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