Recuperación de energía térmica residual de un sistema de trigeneración de potencia

Abstract

La creciente demanda de energía a nivel mundial ha impulsado la búsqueda de soluciones eficientes y sostenibles para satisfacer estas necesidades. Aunque las energías renovables han ganado relevancia, aún no son suficientes para sustituir completamente a las fuentes no renovables. En este contexto, optimizar el aprovechamiento de los recursos fósiles en sistemas de generación de energía es esencial durante la transición hacia un modelo energético más sostenible. Este estudio aborda la optimización exergética de un sistema de trigeneración de potencia compuesto por un ciclo combinado de un nivel de presión. El sistema incluye una turbina de gas, un ciclo de vapor y un ciclo Rankine orgánico (ORC), acoplados mediante una caldera de recuperación de calor. Debido a su alta eficiencia y generación de potencia, los ciclos combinados emiten grandes cantidades de gases residuales a temperaturas entre 120 °C y 200°C, los cuales son un flujo de energía térmica residual. Este trabajo propone aprovechar dicha energía mediante la integración de un ORC en tres configuraciones: subcrítica (S − ORC), supercrítica (SP − ORC) y ultracrítica (UC − ORC). Para ello, se evalúan ocho fluidos orgánicos ampliamente utilizados: R1234yf, R290, R134a, R1234ze, R152a, R600a, R245fa y R123. La metodología incluye un análisis termodinámico bajo condiciones ambientales variables, considerando parámetros como eficiencia térmica, eficiencia exergética y flujo de irreversibilidades. El análisis energético evalúa el comportamiento de la turbina de gas y del ciclo de vapor, determinando el flujo de energía térmica residual disponible. Este flujo se utiliza para generar potencia eléctrica adicional mediante las configuraciones del ORC, optimizando su desempeño. Finalmente, se desarrolla un modelo de optimización exergética que identifica las condiciones operativas óptimas para maximizar la eficiencia global del sistema y reducir las irreversibilidades. Los resultados permiten proponer la selección del fluido orgánico más adecuado en función de criterios energéticos, exergéticos y ambientales, contribuyendo al diseño de sistemas más eficientes y sostenibles en la generación de energía.