Modelamiento termodinámico y electroquímico de un sistema de generación combinada con celdas de combustible del tipo SOFC y turbina a gas

Abstract

A mediados del año 2001, un grupo de profesores y alumnos de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional de Ingeniería se propusieron presentar un proyecto al Ministerio de Energía y Minas, el cual llevó por título “Proyecto de Utilización de Recursos destinados a la Promoción y Desarrollo del Gas Natural en el Perú”. Este trabajo tuvo como objetivo buscar promover la adaptación y/o desarrollo de nuevas tecnologías para el uso del gas natural. En el transcurso de la investigación bibliografica del proyecto, una tecnología relativamente nueva de generación de electricidad llamó la atención, las celdas de combustible (fuel cells) ofrecían una forma de transformación de energía más limpia, altas eficiencias y una versatilidad en su utilización. Sin embargo, las informaciones eran bastante limitadas y surgieron preguntas como las siguientes: ¿Cuál es su principio de funcionamiento?, ¿qué tipo de combustible utiliza?, ¿qué cantidad de combustible se necesita para producir una determinada cantidad de potencia?, ¿Cuáles son sus parámetros más importantes?, ¿qué voltaje produce?, etc. Esta tesis comienza teniendo como objetivo resolver las interrogantes que fueron planteadas anteriormente, pero al final se opta por hacer un modelamiento termodinámico y electroquímico de la celda de combustible. El presente trabajo consta de 7 capítulos distintos, pero complementarios. Se escogió tal formato para separar la parte del fundamento teórico, técnica y de discusiones. En el capítulo 1 se aborda la introducción de este trabajo. En esta sección se denota la problemática del cuidado del medio ambiente, se justifica el motivo de este trabajo, son definidos los objetivos y alcances, y es mostrada la metodología general usada para la investigación. El capítulo 2 trata sobre la tecnología de las celdas de combustible (FC). En este parte se da a conocer el principio de funcionamiento, su evolución tecnológica, sus tipos y características. Esta sección es muy útil porque permitirá conocer las diferentes celdas de combustible que existen y la utilización que se da de acuerdo a su característica En el capítulo 3 se presenta la termodinámica y electroquímica de las celdas de combustible. En primer lugar se dan fundamentos termodinámicos relacionados con la producción de trabajo en sistemas con reacciones químicas y los procesos electroquímicos. Como una parte complementaria se muestra la operación ideal y real de las celdas de combustible, dando particular importancia a las pérdidas de energía que suceden en el proceso de transformación. El capítulo 4 muestra una revisión bibliográfica de los componentes que serán útiles para el modelamiento del sistema de generación combinada de energía eléctrica. En primer lugar se da el fundamento termodinámico de la Turbina a Gas, haciendo énfasis en el ciclo ideal y el ciclo real; en segundo lugar se trata a los intercambiadores de calor, tipos y los intercambiadores de calor compactos. En el capítulo 5 se encuentra la esencia de este trabajo. El sistema de generación combinada con celda de combustible tipo SOFC y turbina a gas es presentado en esta sección. Se muestra detalladamente el modelamiento termodinámico y electroquímico de la celda de combustible tipo SOFC; además el modelamiento energético de la turbina a gas y el intercambiador de calor son mostrados. El capítulo 6 muestra el procesamiento computacional y los resultados del modelamiento. En esta sección son mostradas a manera de bloques la metodología computacional utilizada para el procesamiento numérico del modelamiento. Se hace un análisis del sistema combinado bajo influencias de diferentes parámetros, para esto se hace variar la temperatura de operación de la celda de combustible, la relación de compresión y la densidad de corriente de la celda. En el capítulo 7 se discute los aspectos económicos para este tipo de tecnología. A pesar de las celdas de combustible presentan una ventaja del punto de vista de la economía de la energía, actualmente no siempre un proyecto de este tipo es económicamente viable. En esta sección se hace un análisis de sensibilidad de los costos de la energía eléctrica producida con el sistema en estudio. Finalmente quiero expresar mi gratitud a todos los profesores que laboran en la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional de Ingeniería; definitivamente los conocimientos adquiridos durante mi formación profesional me han ayudado a ver las cosas de forma más amplia, marcando así un aspecto importante en mi vida. Por otro lado, quiero nombrar a las personas que de alguna manera me ayudaron y me incentivaron a realizar este trabajo: a mi asesor Prof. Walter Galarza Soto, a mis amigos organizadores del VIII CONEIMERA –de forma especial a Héctor Loja-, a mis compañeros Jersey Cruzado y Juan Pablo Trelles Salvador, a mis colegas del código 97-2 y a la promoción 2001.