Diseño y análisis de viabilidad de un sistema de desalación mediante compresión mecánica de vapor accionado por energía eólica

El presente estudio se enmarca en el proyecto GreenMVC en el que colabora el CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas). Este proyecto tiene como objetivo el análisis y optimización de la tecnología de desalación de compresión mecánica de vapor (MVC), para ser alimentado mediante fuentes de energía renovables. El empleo de fuentes de energía renovables para la alimentación de procesos de desalación es una opción prometedora especialmente en áreas remotas y regiones áridas donde las fuentes de energía convencionales son excesivamente caras o no están disponibles. En este proyecto se analiza la viabilidad tanto técnica como económica de un sistema de desalación de agua mediante compresión mecánica de vapor (MVC) activado por energía eólica, como una alternativa para el abastecimiento de agua limpia respetuosa con el medioambiente. Una de las principales dificultades del accionamiento de la desaladora MVC mediante energía eólica, y en lo que principalmente se centra este proyecto, es la caracterización de su funcionamiento ante las variaciones de potencia subministrada debido a la naturaleza variable del recurso eólico. Generalmente, estos sistemas de desalación están conectados a la red, trabajando constantemente en su punto de funcionamiento nominal. Para poder obtener la relación entre la potencia suministrada y el caudal obtenido para una desaladora, previamente, se ha realizado un modelo termodinámico de la desaladora y, a partir de éste, se han analizado los principios de funcionamiento de este proceso de desalación. Modelando también la energía eólica, finalmente se crea un modelo único del conjunto conformado por la desaladora MVC y el aerogenerador capaz de caracterizar el funcionamiento a régimen variable y predecir la producción, de modo que se pueda determinar la viabilidad técnica del proyecto. Otro de los objetivos principales, era analizar la viabilidad económica. Para ello, también empleando el modelo realizado, se ha estudiado el coste de la desalación MVC yde la generación de energía eléctrica mediante energía eólica. Consiguiendo, finalmente,estimar el coste de desalación en función de el diseño de la desaladora empleada, el tamaño del aerogenerador, y del recurso eólico del emplazamiento.

Modelo no estacionario para determinar la estructura atómica en un plasma de fusión por confinamiento inercial

Durante los últimos años la física atómica ha vuelto a cobrar un papel fundamental en los planes de investigación, entre los que destacan aquellos dedicados al estudio teórico y experimental de la fusión nuclear. Concretamente, en el concepto de fusión por confinamiento inercial se pueden distinguir cuatro grandes áreas donde es básico el conocimiento de las propiedades atómicas de la materia. Estas son: 1. Modelado de la interacción entre haces de partículas o láser con la cápsula combustible 2. Simulación de blancos de irradiación indirecta mediante conversión a rayos X 3. Diagnosis de experimentos 4. Láseres de rayos X La modelación de los plasmas en fusión depende principalmente de la densidad electrónica. En fusión por confinamiento magnético (tokamaks), los plasmas tienen densidades bajas, por lo que, en general, es suficiente considerar un modelo corona, en el que la mayoría de los iones se encuentran en su estado fundamental o con un número pequeño de estados excitados, estableciéndose sus poblaciones mediante un balance entre la ionización colisional/recombinación radiativa y excitación/decaimiento espontáneo. Sin embargo, los plasmas característicos de la fusión por confinamiento inercial tienen densidades más altas, aunque, normalmente, no lo suficientes como para poder establecer condiciones de equilibrio local termodinámico (balance entre procesos colisionales). Estas densidades, que se podrían clasificar como intermedias, se caracterizan por la aparición de un mayor número de estados excitados por ión y por la importancia tanto de los procesos colisionales como radiativos. Además de lo expuesto anteriormente, en ciertos regímenes de plasma, las variables termodinámicas locales, fundamentalmente presión (densidad) y temperatura, varían fuertemente con el tiempo, de manera que cuando los tiempos característicos de esta variación son menores que los propios de relajación de los procesos atómicos, el sistema no puede tratarse en estado estacionario, siendo necesario resolver las ecuaciones de balance con dependencia temporal. Estas ecuaciones de tasa o de balance contienen una serie de términos que representan los distintos procesos mediante una serie de coeficientes cuyas expresiones dependen de las condiciones del plasma, por lo que el problema es fuertemente no lineal. Por otra parte, hay que añadir que si el medio es ópticamente grueso a la radiación, en las ecuaciones de tasa aparecen términos radiativos que incluyen el campo de radiación, por lo que es necesario resolver la ecuación de transferencia en cada línea o bien, utilizar otras aproximaciones, que sin resolver dicha ecuación, permitan tener en cuenta el campo de radiación en la línea. Por todo ello, el objetivo de esta Tesis se centra en el desarrollo de un modelo original para el cálculo de la distribución de los estados de ionización en un plasma de fusión por confinamiento inercial en condiciones de no-equilibrio termodinámico local, caracterizado por: 1. Resolución de las ecuaciones de balance en estado estacionario y con dependencia temporal, considerando a las distintas especies iónicas tanto en su estado fundamental como en posibles estados excitados. 2. Elección de especies iónicas y número de estados excitados en función de las condiciones de densidad y temperatura del plasma. En el caso de una evolución temporal el número de estados excitados y su distribución se adecúan en cada caso a las condiciones del plasma. 3. Tratamiento de medios ópticamente finos y gruesos, utilizándose para estos últimos una evaluación aproximada del campo de radiación en la línea. 4. Capacidad de acoplamiento a un modelo hidrodinámico a través de la temperatura electrónica, densidad y campo de radiación. Entre todas estas características, se debe hacer constar que las principales aportaciones originales se refieren, en primer lugar, a la forma original de resolver las ecuaciones de tasa con dependencia temporal, ya que se tiene en cuenta la evolución de todos los estados: fundamentales y excitados, frente a la hipótesis habitual de resolver las ecuaciones temporales sólo de los estados fundamentales, y suponer los excitados en estado estacionario, es decir, que siguen el comportamiento de su correspondiente fundamental. En segundo lugar, la elección del número de estados excitados por cada funda- X mental, que se realiza mediante un cálculo inicial donde se considera todos los iones del plasma en estado fundamental, para en función de las densidades de población obtenidas, elegir los estados fundamentales y sus correspondientes excitados que se deben considerar. Y por último, señalar que en el tratamiento de medios ópticamente gruesos se ha conseguido obtener una evaluación de la radiación absorbida por el plasma, independientemente de la geometría del mismo, sin necesidad de resolver la ecuación de transferencia en la línea, y sin acudir a otros métodos, que sin resolver dicha ecuación, necesitan la definición de una geometría para el plasma, por ejemplo, factores de escape. El modelo ha sido comparado y contrastado tanto con resultados teóricos como experimentales, observando unos resultados muy aceptables, de lo cual se deduce que el modelo es capaz de suministrar la evaluación de los parámetros atómicos en este tipo de plasmas. A partir de esta Tesis, el modelo se puede potenciar, a través de varias líneas de investigación que se han identificado: 1. Tratamiento de medios ópticamente gruesos con resolución de la ecuación de transferencia en las líneas. 2. Evaluación detallada de las secciones eficaces de los distintos procesos que tienen lugar en plasmas, y que aparecen en las ecuaciones de balance a través de los coeficientes de tasa.

Desarrollo de un modelo para la caracterización termoeconómica de ciclos combinados de turbinas de gas y de vapor en condiciones de carga variable

En la actualidad, el interés por las plantas de potencia de ciclo combinado de gas y vapor ha experimentado un notable aumento debido a su alto rendimiento, bajo coste de generación y rápida construcción. El objetivo fundamental de la tesis es profundizar en el conocimiento de esta tecnología, insuficientemente conocida hasta el momento debido al gran número de grados de libertad que existen en el diseño de este tipo de instalaciones. El estudio se realizó en varias fases. La primera consistió en analizar y estudiar las distintas tecnologías que se pueden emplear en este tipo de centrales, algunas muy recientes o en fase de investigación, como las turbinas de gas de geometría variable, las turbinas de gas refrigeradas con agua o vapor del ciclo de vapor o las calderas de paso único que trabajan con agua en condiciones supercríticas. Posteriormente se elaboraron los modelos matemáticos que permiten la simulación termodinámica de cada uno de los componentes que integran las plantas, tanto en el punto de diseño como a cargas parciales. Al mismo tiempo, se desarrolló una metodología novedosa que permite resolver el sistema de ecuaciones que resulta de la simulación de cualquier configuración posible de ciclo combinado. De esa forma se puede conocer el comportamiento de cualquier planta en cualquier punto de funcionamiento. Por último se desarrolló un modelo de atribución de costes para este tipo de centrales. Con dicho modelo, los estudios se pueden realizar no sólo desde un punto de vista termodinámico sino también termoeconómico, con lo que se pueden encontrar soluciones de compromiso entre rendimiento y coste, asignar costes de producción, determinar curvas de oferta, beneficios económicos de la planta y delimitar el rango de potencias donde la planta es rentable. El programa informático, desarrollado en paralelo con los modelos de simulación, se ha empleado para obtener resultados de forma intensiva. El estudio de los resultados permite profundizar ampliamente en el conocimiento de la tecnología y, así, desarrollar una metodología de diseño de este tipo de plantas bajo un criterio termoeconómico. ABSTRACT The growing energy demand and the need of shrinking costs have led to the design of high efficiency and quick installation power plants. The success of combined cycle gas turbine power plants lies on their high efficiency, low cost and short construction lead time. The main objective of the work is to study in detail this technology, which is not thoroughly known owing to the great number of degrees of freedom that exist in the design of this kind of power plants. The study is divided into three parts. Firstly, the different technologies and components that could be used in any configuration of a combined cycle gas turbine power plant are studied. Some of them could be of recent technology, such as the variable inlet guide vane compressors, the H-technology for gas turbine cooling or the once-through heat recovery steam generators, used with water at supercritical conditions. Secondly, a mathematical model has been developed to simulate at full and part load the components of the power plant. At the same time, a new methodology is proposed in order to solve the equation system resulting for any possible power plant configuration. Therefore, any combined cycle gas turbine could be simulated at any part load condition. Finally a themoeconomic model is proposed. This model allows studying the power plant not only from a thermodynamic point of view but also from a thermoeconomic one. Likewise, it allows determining the generating costs or the cash flow, thus achieving a trade off between efficiency and cost. Likewise, the model calculates the part load range where the power plant is profitable. Once the thermodynamic and thermoeconomic models are developed, they are intensively used in order to gain knowledge in the combined cycle gas turbine technology and, in this way, to propose a methodology aimed at the design of this kind of power plants from a thermoeconomic point of view.

Determinación de la higroscopicidad y comportamiento termodinámico de la madera juvenil y madura a través de sus isotermas de sorción

La respuesta higroscópica de la madera varía a lo largo de la dirección radial del árbol. El aumento de corta de ejemplares jóvenes y el uso de troncos de pequeños diámetros en la industria de los productos forestales, hacen preciso estudiar el comportamiento higroscópico tanto de la madera juvenil como de la madura. Su determinación proporciona información para comprender los mecanismos de sorción. Asimismo, la obtención de las propiedades termodinámicas de ambos tipos de madera facilita la modelización de procesos industriales como el secado o el encolado. En el presente trabajo, se ha comparado el comportamiento higroscópico y las propiedades termodinámicas de la madera juvenil y madura de Abies pinsapo Boissier, Abies alba Mill., Pinus canariensis C. Sm. ex DC., Pinus nigra Arnold, Pinus uncinata Mill. ex Mirb. y Pinus pinea L. Para este propósito se han utilizado las isotermas de sorción obtenidas mediante el método tradicional de sales saturadas descrito por COST Action E8 a 15, 35 y 50ºC en Abies pinsapo, Abies alba, Pinus nigra, Pinus uncinata y Pinus pinea, y a 35 y 50ºC en Pinus canariensis. Igualmente, se ha empleado el equipo dynamic vapor sorption (DVS) en la obtención de las isotermas de Pinus pinea a 35 y 50ºC. El ajuste de las curvas se ha realizado mediante el modelo Guggenheim, Anderson y de Boer-Dent (GAB), cumpliendo todas las muestras los criterios de aceptación establecidos. En el estudio de las isotermas se ha calculado el coeficiente y área de histéresis entre el proceso de adsorción y desorción para cada una de las muestras. Con el fin de comprender el comportamiento higroscópico experimentado por cada madera se ha determinado la composición química, espectros de infrarrojos (FTIR) y difractogramas de rayos X de cada una. Los parámetros termodinámicos - calor isostérico neto y total heat of wetting - se han obtenido a partir de las isotermas de sorción mediante el método de integración de la ecuación de Clausius-Clapeyron. Finalmente, se han comparado los datos obtenidos con el método tradicional de sales saturadas y con dynamic vapor sorption con el propósito de conocer la existencia de similitudes entre ambas metodologías. Los resultados mostraron que los puntos de equilibrio son, en la mayor parte de los casos, superiores en la madera madura frente a la juvenil, y por tanto las isotermas de la madera madura se encuentran siempre por encima de las de la juvenil, debido principalmente a la composición química. Respecto a las propiedades termodinámicas, se ha determinado que la energía involucrada en los procesos de sorción es superior en la madera madura que en la madera juvenil, siendo mayor en el proceso de desorción frente al de adsorción. En la comparación de las metodologías de sales saturadas y dynamic vapor sorption no se han detectado casi diferencias significativas en el proceso de adsorción, mientras que sí se han obtenido en el de desorción. ABSTRACT The hygroscopic response of wood varies throughout the radial direction of the tree. The longer cut of young trees and the use of small-diameter trunks in the forest product industry make it necessary to study the hygroscopic behaviour of both juvenile and mature wood. Determining this behaviour in both types of wood provides information for understanding the sorption mechanisms. Similarly, obtaining the thermodynamic properties of juvenile and mature wood facilitates modelling of industrial processes such as drying and bonding. In this study a comparison was made of the hygroscopic behaviour and thermodynamic properties of juvenile and mature wood of Abies pinsapo Boissier, Abies alba Mill., Pinus canariensis C. Sm. ex DC., Pinus nigra Arnold, Pinus uncinata Mill. ex Mirb. and Pinus pinea L. This was done by obtaining the sorption isotherms using the traditional saturated salt method described by COST Action E8 at 15, 35 and 50ºC in Abies pinsapo, Abies alba, Pinus nigra, Pinus uncinata and Pinus pinea, and at 35 and 50ºC in Pinus canariensis. In addition, dynamic vapour sorption (DVS) was used to obtain the isotherms of Pinus pinea at 35 and 50ºC. The curves were fitted using the Guggenheim, Anderson and de Boer- Dent (GAB) model and all samples met the established acceptance criteria. In the study of the isotherms, the hysteresis coefficient and area of the hysteresis loop between adsorption and desorption were calculated for each sample. To understand the hygroscopic behaviour of juvenile and mature wood, the chemical composition, infrared spectra (FTIR) and X-ray diffractograms of each type of wood were determined. The thermodynamic parameters - net isosteric heat and total heat of wetting - were obtained from the sorption isotherms by applying the integration method of the Clausius-Clapeyron equation. The data obtained using the traditional saturated salt method and with dynamic vapour sorption were compared to determine the similarities between the two methods. The results showed that the equilibrium points are greater in the mature wood than in the juvenile wood in most cases, and therefore the mature wood isotherms are always above the juvenile wood isotherms, mainly because of the chemical composition. As regards the thermodynamic properties, it was determined that the energy involved in the sorption processes is greater in the mature wood than in the juvenile wood, and is greater in the desorption process than in the adsorption process. On comparing the saturated salt and dynamic vapour sorption methods, almost no significant differences were detected in the adsorption process, but significant differences were obtained in the desorption process.