Evaluación técnica de la conversión de la energía térmica oceánica en Panamá - López Tenorio, Guillermo; James Rivas, Arthur Mc Carty; Ortega Del Rosario, María de Los Ángeles (Panamá : Universidad Tecnológica de Panamá, 2022)
El acelerado crecimiento poblacional registrado en las últimas décadas, así como el crecimiento de sectores, como: el industrial, social y económico, ha representado retos o problemáticas que confronta la humanidad causando el calentamiento global, la contaminación ambiental, la mala gestión de residuos sólidos, la generación y uso de energía eléctrica la escasez de agua potable y de abastecimientos de petróleo. Actualmente, estos son temas controversiales que la sociedad debe hacerle frente, los cuales no solo impactan el éxito y sostenibilidad económica de cualquier nación, sino que también, generan impactos al ambiente. Muchos científicos han realizado investigaciones con la finalidad de generar posibles alternativas para satisfacer las demandas de consumo eléctrico, ya que este recurso es indispensable para el desarrollo y estabilidad del éxito económico de las naciones, siendo estas más amigables con el medio ambiente. Los problemas energéticos y ambientales son de carácter mundial y Panamá no escapa de estos. El uso de energías renovables como la energía eólica, la energía fotovoltaica y la energía geotérmica, son alternativas para hacerle frente a estos retos. A estas, se suma la conversión de energía térmica oceánica (OTEC) como una de las tecnologías y alternativas de energía limpia y sostenible. Esta tecnología utiliza el diferencial de temperatura entre el agua cálida de superficie del mar y el agua fría de la profundidad del mar para generar energía eléctrica a través del Ciclo de Rankine Orgánico. Se estima que las reservas globales de energía térmica oceánica son aproximadamente 5 GW (Garduño Ruiz et al., 2017) El aprovechamiento de la energía térmica oceánica mediante la implementación de OTEC, parece ser prometedora. Sin embargo, confronta varios retos, entre los que se encuentran la baja eficiencia térmica y alto costo de inversión. Dado que la diferencia de temperatura de OTEC es tan baja como 20"%C, el sistema es relativamente sensible a las variaciones de las temperaturas de evaporación y condensación (A. Vega, 2007; Díez, 2003; IRENA, 2014). Sin embargo, por las debilidades que muestra la tecnología OTEC, los investigadores han realizado diversas búsquedas respecto a los fluidos de trabajo adecuados, las configuraciones del ciclo además del estudio de los ciclos operativos OTEC como los ciclos abiertos, ciclos cerrados, ciclo hibrido, ciclo Rankine, ciclo ORC, ciclo de Kalina y Uehara, además de estudiar sistemas como, GEOTEC, donde emplean energía térmica solar para calentar el agua superficial del mar, por medio de paneles térmicos solares, para mejorar el rendimiento del sistema OTEC, también se han desarrollado estudios respecto a la energía geotérmica en conjunto con OTEC, para evaluar un recalentamiento en el sistema de este modo mejorar la eficiencia. (Mofor, Goldsmith, & Jones, 2014; Yang & Yeh, 2014). En esta investigación se abordó la temática conversión de energía térmica oceánica (OTEC) para el aprovechamiento del potencial térmico oceánico, con el objetivo de brindar una alternativa para la generación de energía eléctrica, de manera continua. Primeramente, se evaluó la evolución de esta tecnología e identificaremos sus habilidades y fortalezas. Además, se enunciaron las variables oceánicas y sus magnitudes mínimas recomendadas para la implementación sostenible de esta tecnología. Posteriormente, se identificó en términos globales, las regiones con mayor potencial térmico. En esta sección de la investigación se citaron las naciones con mayor potencial térmico en sus territorios oceánicos, incluyendo los proyectos más relevantes hasta la actualidad, refiriendo la respectiva ubicación geográfica de cada uno de estos, Sus estatus, la potencia de instalación para cada caso, los objetivos de estas y se enunciaron los ciclos operacionales y consorcios de instalación. Luego, se utilizó la herramienta ODV, (Ocean Data View) con el objetivo de evaluar el escenario oceánico de Panamá. En esta etapa de la investigación, se evaluaron seis sitios, considerando que no fuesen regiones restringidas ambientalmente, con la finalidad de cuantificar sus correspondientes variables oceánicas para la posible implementación sostenible la tecnología OTEC. Cabe destacar, que para seleccionar el sitio más adecuado para la implementación de la tecnología OTEC, se utilizó el método de Análisis jerárquico (AHP) y de criterios múltiples para la toma de decisiones (MCD), con el objetivo de abordar los criterios o factores tanto cualitativos como cuantitativos involucrados en esta temática, y lograr justificar la selección del sitio más apropiado para la operacionalidad sostenible de OTEC. Luego, se realizó un análisis del ciclo ORC-OTEC. En esta fase se consideraron cuatro fluidos de trabajo, donde se evaluó el comportamiento termodinámico de la configuración correspondiente a la planta OTEC bajo las mismas consideraciones operacionales. Las condiciones operacionales del diseño de la turbina seleccionada son: presión de entrada 0.905 MPa, presión de salida 0.585 MPa, calidad próxima a la unidad y potencia de producción de 100 kW. De este modo se logró evaluar el flujo másico mínimo de cada fluido para alcanzar estas condiciones operacionales. Además, se estimó la potencia de cada bomba y la potencia neta del sistema. Finalmente, se identificó el fluido de trabajo más apropiado para la operacionalidad del sistema ORC-OTEC. Posteriormente, se realizaron las simulaciones del ciclo ORC-OTEC, considerando las variables propias del sitio seleccionado, se evaluó el comportamiento anual de este, donde se determinó la eficiencia del ciclo con respecto a las temperaturas de aguas cálidas y así evaluar su operacionalidad anual.
The rapid population growth recorded in recent decades, as well as the growth of sectors, such as: industrial, social and economic, has represented challenges or problems that humanity faces causing global warming, environmental pollution, poor management of solid waste, the generation and use of electricity, the scarcity of drinking water and oil supplies. Currently, these are controversial issues that society must face, which not only impact the success and economic sustainability of any nation, but also generate impacts to the environment. Many scientists have carried out research in order to generate possible alternatives to meet the demands of electricity consumption, since this resource is essential for the development and stability of the economic success of nations, being these more friendly with the environment. Energy and environmental problems are global in nature and Panama does not escape from them. The use of renewable energies such as wind energy, photovoltaic energy and geothermal energy are alternatives to face these challenges. Added to these is ocean thermal energy conversion (OTEC) as one of the clean and sustainable energy technologies and alternatives. This technology uses the temperature differential between warm sea surface water and cold Deep sea water to generate electrical energy through the Organic Rankine Cycle. Global ocean thermal energy reserves are estimated to be approximately 5 GW (Garduño Ruiz et al., 2017). Harnessing ocean thermal energy through the implementation of OTEC appears to be promising. However, it faces several challenges, among which are low thermal efficiency and high investment cost. Since the OTEC temperatura difference is as low as 20" C, the system is relatively sensitive to variations in evaporation and condensation temperatures (A.Vega, 2007; Díez, 2003; IRENA, 2014). However, due to the weaknesses that OTEC technology shows, researchers have carried out various searches regarding the appropriate working fluids, cycle configurations, as well as the study of OTEC operating cycles such as open cycles, closed cycles, hybrid cycle, cycle Rankine, ORC cycle, Kalina and Uehara cycle, in addition to studying systems such as; GEOTEC, where they use solar termal energy to heat the surface water of the sea, by means of solar thermal panels, to improve the performance of the OTEC system, studies have also been developed regarding geothermal energy in conjunction with OTEC, to evaluate overheating in the system and thus improve efficiency. (Mofor, Goldsmith, & Jones, 2014; Yang & Yeh, 2014). This research addressed the topic of oceanic thermal energy conversion (OTEC) for the use of oceanic thermal potential, with the aim of providing an alternative for the generation of electrical energy, on a continuous basis. First, the evolution of this technology was evaluated and we will identify its strengths and weaknesses. In addition, the oceanic Variables and their recommended minimum magnitudes for the sustainable implementation of technology were enunciated. Subsequently, the regions wit highest thermal potential were identified in global terms. In this section of the research, the nations with the greatest termal potential in their oceanic territories were cited, including the most relevant projects to date, referring to the respective geographical location of each of these, their status, the installation power for each case, the objectives of these and the operational cycles and installation consortia were enunciated. Then, the ODV tool (Ocean Data View) was used in order to evaluate the oceanic scenario of Panama. In this stage of the investigation, six sites were evaluated, each of these considering that they were not environmentally restricted regions, in order to quantify their corresponding oceanic variables for the possible sustainable implementation of OTEC technology. lt should be noted that in order to select the most suitable site for the implementation of the OTEC technology, the Hierarchical Analysis (AHP) and multiple criteria for decision-making (MCD) method were used, with the aim of addressing the criteria or factors both qualitative and quantitative involved in this issue, and manage to justify the selection of the most appropriate site for the sustainable operation of OTEC. Then, an ORC-OTEC cycle analysis was performed. In this phase, four working fluids were considered, where the thermodynamic behavior of the configuration corresponding to the OTEC plant was evaluated under the same operational considerations. The operational conditions of the selected turbine design are: inlet pressure 0.905 MPa, outlet pressure 0.585 MPa, with a quality close to unity and a production power of 100 kW. In this way, it was possible to evaluate the minimum mass Flow of each fluid to reach these operational conditions. In addition, the operational power corresponding to each pump in the system was estimated, followed by the net power of the installation and the respective power consumed. Finally, the most appropriate fluid for the operation of the ORC-OTEC system vas dentified. Subsequently the simulations of the ORC-OTEC cycle were carried out, considering the variables of the selected site, ts annual behavior was evaluated, where the efficiency of the cycle was determined With respect to warm water temperatures and thus its annual operationality was evaluated.
Capítulo I. Introducción al proyecto. -- Capítulo II. Energías oceánicas. -- Capítulo III. Potencial térmico oceánico. -- Capítulo IV. Análisis jerárquico multivariable para la selección de SITO OTEC. -- Capítulo V. Simulación del ciclo ORC-OTEC. -- Bibliografía. -- Conclusiones generales. -- Anexos.
Tesis (
Incluye bibliografía por capítulos, anexos, hojas 124-128.
MACIM
Guillermo López Tenorio.
Keywords: Recursos energéticos marinos; Energía maremotriz; Ingeniería mecánica; Tesis y disertaciones académicas; Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica