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.

Análisis de los mercados de gas mayoristas en Europa: Francia, Reino Unido, Bélgica y Holanda

Este proyecto consiste en una previa investigación descriptiva del mercado mayorista de gas en España. Para ello, se ha estudiado en profundidad el funcionamiento de los componentes que constituyen este sistema y las herramientas necesarias utilizadas para el sostenimiento del mismo. Se ha analizado las capacidades, peajes, etc. para poder extrapolar estos conocimientos al resto de los mercados europeos examinados. Una vez explorado el mercado español, se ha analizado el mercado belga, francés, inglés y holandés. En estos mercados se ha hecho un estudio de las bases necesarias que un comercializador necesita para poder introducirse en estos nuevos mercados. Por último, al tratarse de un proyecto de investigación, se ha realizado un estudio del coste económico que un estudio como este podría conllevar. 3 ABSTRACT This project is a descriptive pre-research study of the wholesale gas market in Spain. For that purpose, the system's structure, functioning and the strategies required for its sustainability have been studied extensively. Capacities, tolls, etc. have been analysed so that results can be then extrapolated to the other markets examined. Once the spanish market was explored; belgian, french, english and dutch markets were analysed. In these markets, the basis required for a potential marketer entering these markets, have been evaluated. At last, as a research study, it includes an economic cost analysis that a study like this would imply

Sistema de instrumentação e controle para células a combustível

Este trabajo presenta un estudio sobre el funcionamiento y aplicaciones de las células de combustible de membrana tipo PEM, o de intercambio de protones, alimentadas con hidrógeno puro y oxigeno obtenido de aire comprimido. Una vez evaluado el proceso de dichas células y las variables que intervienen en el mismo, como presión, humedad y temperatura, se presenta una variedad de métodos para la instrumentación de tales variables así como métodos y sistemas para la estabilidad y control de las mismas, en torno a los valores óptimos para una mayor eficacia en el proceso. Tomando como variable principal a controlar la temperatura del proceso, y exponiendo los valores concretos en torno a 80 grados centígrados entre los que debe situarse, es realizado un modelo del proceso de calentamiento y evolución de la temperatura en función de la potencia del calentador resistivo en el dominio de la frecuencia compleja, y a su vez implementado un sistema de medición mediante sensores termopar de tipo K de respuesta casi lineal. La señal medida por los sensores es amplificada de manera diferencial mediante amplificadores de instrumentación INA2126, y es desarrollado un algoritmo de corrección de error de unión fría (error producido por la inclusión de nuevos metales del conector en el efecto termopar). Son incluidos los datos de test referentes al sistema de medición de temperatura , incluyendo las desviaciones o error respecto a los valores ideales de medida. Para la adquisición de datos y implementación de algoritmos de control, es utilizado un PC con el software Labview de National Instruments, que permite una programación intuitiva, versátil y visual, y poder realizar interfaces de usuario gráficas simples. La conexión entre el hardware de instrumentación y control de la célula y el PC se realiza mediante un interface de adquisición de datos USB NI 6800 que cuenta con un amplio número de salidas y entradas analógicas. Una vez digitalizadas las muestras de la señal medida, y corregido el error de unión fría anteriormente apuntado, es implementado en dicho software un controlador de tipo PID ( proporcional-integral-derivativo) , que se presenta como uno de los métodos más adecuados por su simplicidad de programación y su eficacia para el control de este tipo de variables. Para la evaluación del comportamiento del sistema son expuestas simulaciones mediante el software Matlab y Simulink determinando por tanto las mejores estrategias para desarrollar el control PID, así como los posibles resultados del proceso. En cuanto al sistema de calentamiento de los fluidos, es empleado un elemento resistor calentador, cuya potencia es controlada mediante un circuito electrónico compuesto por un detector de cruce por cero de la onda AC de alimentación y un sistema formado por un elemento TRIAC y su circuito de accionamiento. De manera análoga se expone el sistema de instrumentación para la presión de los gases en el circuito, variable que oscila en valores próximos a 3 atmosferas, para ello es empleado un sensor de presión con salida en corriente mediante bucle 4-20 mA, y un convertidor simple corriente a tensión para la entrada al sistema de adquisición de datos. Consecuentemente se presenta el esquema y componentes necesarios para la canalización, calentamiento y humidificación de los gases empleados en el proceso así como la situación de los sensores y actuadores. Por último el trabajo expone la relación de algoritmos desarrollados y un apéndice con información relativa al software Labview. ABTRACT This document presents a study about the operation and applications of PEM fuel cells (Proton exchange membrane fuel cells), fed with pure hydrogen and oxygen obtained from compressed air. Having evaluated the process of these cells and the variables involved on it, such as pressure, humidity and temperature, there is a variety of methods for implementing their control and to set up them around optimal values for greater efficiency in the process. Taking as primary process variable the temperature, and exposing its correct values around 80 degrees centigrade, between which must be placed, is carried out a model of the heating process and the temperature evolution related with the resistive heater power on the complex frequency domain, and is implemented a measuring system with thermocouple sensor type K performing a almost linear response. The differential signal measured by the sensor is amplified through INA2126 instrumentation amplifiers, and is developed a cold junction error correction algorithm (error produced by the inclusion of additional metals of connectors on the thermocouple effect). Data from the test concerning the temperature measurement system are included , including deviations or error regarding the ideal values of measurement. For data acquisition and implementation of control algorithms, is used a PC with LabVIEW software from National Instruments, which makes programming intuitive, versatile, visual, and useful to perform simple user interfaces. The connection between the instrumentation and control hardware of the cell and the PC interface is via a USB data acquisition NI 6800 that has a large number of analog inputs and outputs. Once stored the samples of the measured signal, and correct the error noted above junction, is implemented a software controller PID (proportional-integral-derivative), which is presented as one of the best methods for their programming simplicity and effectiveness for the control of such variables. To evaluate the performance of the system are presented simulations using Matlab and Simulink software thereby determining the best strategies to develop PID control, and possible outcomes of the process. As fluid heating system, is employed a heater resistor element whose power is controlled by an electronic circuit comprising a zero crossing detector of the AC power wave and a system consisting of a Triac and its drive circuit. As made with temperature variable it is developed an instrumentation system for gas pressure in the circuit, variable ranging in values around 3 atmospheres, it is employed a pressure sensor with a current output via 4-20 mA loop, and a single current to voltage converter to adequate the input to the data acquisition system. Consequently is developed the scheme and components needed for circulation, heating and humidification of the gases used in the process as well as the location of sensors and actuators. Finally the document presents the list of algorithms and an appendix with information about Labview software.

Optimización del coste de aprovisionamiento de gas en el mercado mayorista español para una comercializadora

Los precios de compra de gas natural en el mercado mayorista español son los más altos de toda Europa. Este escenario provoca que haya que buscar alternativas para minimizar los costes de aprovisionamiento para una comercializadora de gas. En este proyecto se analizan distintas oportunidades de compra de gas en los mercados europeos y su importación al sistema gasista español para el suministro final a clientes, con el fin de optimizar los costes del gas natural para una comercializadora. En la búsqueda de nuevas oportunidades se incluye también un análisis del impacto económico en el mercado, de la producción de “shale gas” en España a medio - largo plazo. ABSTRACT The gas prices in the Spanish gas market are the highest in Europe. This scenario leads the Spanish gas trading companies to look for alternatives to minimize gas supply costs. In this project it is analyzed different opportunities of gas supply in the European markets and the gas import to the Spanish gas system, in order to optimize the costs of the natural gas for a gas trading company. Along with this, it is also studied, the economic impact of the “shale gas” production in Spain in a medium - long term on the Spanish gas market

Sistema de autenticación accesible para el hogar digital

El Hogar Digital Accesible (HDA) de la ETSIST nace con el propósito de acercar las nuevas Tecnologías de la Información a las personas que precisan de necesidades concretas de accesibilidad y usabilidad, dotándoles de herramientas que les permitan aumentar su calidad de vida, confort, seguridad y autonomía. El entorno del HDA consta de elementos de control para puertas, persianas, iluminación, agua o gas, sensores de temperatura, incendios, gas, sistemas de climatización, sistemas de entretenimiento y sistemas de seguridad tales como detectores de presencia y alarmas. Todo ello apoyado sobre una arquitectura de red que proporciona una pasarela residencial y un acceso a banda ancha. El objetivo principal de este PFG ha sido el desarrollo de un sistema de autenticación para el Hogar Digital Accesible de bajo coste. La idea de integrar un sistema de autenticación en el HDA, surge de la necesidad de proteger de accesos no deseados determinados servicios disponibles dentro de un ámbito privado. Algunos de estos servicios pueden ser tales como el acceso a la lectura de los mensajes disponibles en el contestador automático, el uso de equipos multimedia, la desconexión de alarmas de seguridad o simplemente la configuración de ambientes según el usuario que esté autenticado (intensidad de luz, temperatura de la sala, etc.). En el desarrollo han primado los principios de accesibilidad, usabilidad y seguridad necesarios para la creación de un entorno no invasivo, que permitiera acreditar la identidad del usuario frente al sistema HDA. Se ha planteado como posible solución, un sistema basado en el reconocimiento de un trazo realizado por el usuario. Este trazo se usará como clave de cara a validar a los usuarios. El usuario deberá repetir el trazado que registró en el sistema para autenticarse. Durante la ejecución del presente PFG, se justificará la elección de este mecanismo de autenticación frente a otras alternativas disponibles en el mercado. Para probar la aplicación, se ha podido contar con dos periféricos de distintas gamas, el uDraw creado para la PS3 que se compone de una tableta digitalizadora y un lápiz que permite recoger los trazos realizados por el usuario de forma inalámbrica y la tableta digitalizadora Bamboo de Wacom. La herramienta desarrollada permite a su vez, la posibilidad de ser usada por otro tipo de dispositivos como es el caso del reloj con acelerómetro de 3 ejes de Texas Instruments Chronos eZ430 capaz de trasladar los movimientos del usuario al puntero de un ratón. El PFG se encuentra dividido en tres grandes bloques de flujo de trabajo. El primero se centra en el análisis del sistema y las tecnologías que lo componen, incluyendo los distintos algoritmos disponibles para realizar la autenticación basada en reconocimiento de patrones aplicados a imágenes que mejor se adaptan a las necesidades del usuario. En el segundo bloque se recoge una versión de prueba basada en el análisis y el diseño UML realizado previamente, sobre la que se efectuaron pruebas de concepto y se comprobó la viabilidad del proyecto. El último bloque incluye la verificación y validación del sistema mediante pruebas que certifican que se han alcanzado los niveles de calidad necesarios para la consecución de los objetivos planteados, generando finalmente la documentación necesaria. Como resultado del trabajo realizado, se ha obtenido un sistema que plantea una arquitectura fácilmente ampliable lograda a través del uso de técnicas como la introspección, que permiten separar la lógica de la capa de negocio del código que la implementa, pudiendo de forma simple e intuitiva sustituir código mediante ficheros de configuración, lo que hace que el sistema sea flexible y escalable. Tras la realización del PFG, se puede concluir que el producto final obtenido ha respondido de forma satisfactoria alcanzando los niveles de calidad requeridos, siendo capaz de proporcionar un sistema de autenticación alternativo a los convencionales, manteniendo unas cotas de seguridad elevadas y haciendo de la accesibilidad y el precio sus características más reseñables. ABSTRACT. Accessible Digital Home (HDA) of the ETSIST was created with the aim of bringing the latest information and communications technologies closer to the people who has special needs of accessibility and usability increasing their quality of life, comfort, security and autonomy. The HDA environment has different control elements for doors, blinds, lighting, water or gas, temperature sensors, fire protection systems, gas flashover, air conditioning systems, entertainments systems and security systems such as intruders detectors and alarms. Everything supported by an architecture net which provides a broadband residential services gateway. The main goal of this PFG was the development of a low-cost authentication system for the Accessible Digital Home. The idea of integrating an authentication system on the HDA, stems from the need to safeguard certain private key network resources from unauthorized access. Some of said resources are the access to the answering machine messages, the use of multimedia devices, the alarms deactivation or the parameter settings for each environment as programmed by the authenticated user (light intensity, room temperature, etc.). During the development priority was given to concepts like accessibility, usability and security. All of them necessary to create a non invasive environment that allows the users to certify their identity. A system based on stroke pattern recognition, was considered as a possible solution. This stroke is used as a key to validate users. The user must repeat the stroke that was saved on the system to validate access. The selection of this authentication mechanism among the others available options will be justified during this PFG. Two peripherals with different ranges were used to test the application. One of them was uDraw design for the PS3. It is wireless and is formed by a pen and a drawing tablet that allow us to register the different strokes drawn by the user. The other one was the Wacom Bamboo tablet, that supports the same functionality but with better accuracy. The developed tool allows another kind of peripherals like the 3-axes accelerometer digital wristwatch Texas Instruments Chronos eZ430 capable of transfering user movements to the mouse cursor. The PFG is divided by three big blocks that represent different workflows. The first block is focused on the system analysis and the technologies related to it, including algorithms for image pattern recognition that fits the user's needs. The second block describes how the beta version was developed based on the UML analysis and design previously done. It was tested and the viability of the project was verified. The last block contains the system verification and validation. These processes certify that the requirements have been fulfilled as well as the quality levels needed to reach the planned goals. Finally all the documentation has been produced. As a result of the work, an expandable system has been created, due to the introspection that provides the opportunity to separate the business logic from the code that implements it. With this technique, the code could be replaced throughout configuration files which makes the system flexible and highly scalable. Once the PFG has finished, it must therefore be concluded that the final product has been a success and high levels of quality have been achieved. This authentication tool gives us a low-cost alternative to the conventional ones. The new authentication system remains security levels reasonably high giving particular emphasis to the accessibility and the price.

Análisis del sector y mercado gasista nacional e internacional. : el Hub ibérico y su adaptación al sistema español

Actualmente existe un gran interés orientado hacia el mercado del gas natural. Son muchas las razones por las que este combustible se posiciona como uno de los más importantes dentro del panorama energético mundial. Además de que salvaría el hueco dejado por el carbón y el petróleo, supone una alternativa mucho más limpia que se podría desarrollar aún más tanto a nivel doméstico, industrial como en el mundo de los transportes. La industria del gas natural está cambiando rápidamente fundamentalmente por la aparición del gas no convencional y sus técnicas de extracción. Por lo que se está produciendo un cambio en la economía de la producción de gas así como en la dinámica y los movimientos del GNL a lo largo de todo el planeta. El propósito de este estudio es enfocar el estado del sector y mercado del gas natural en todo el mundo y de esta forma subrayar las principales regiones que marcan la tendencia general de los precios de todo el planeta. Además, este trabajo reflejará los pronósticos esperados para los próximos años así como un resumen de las tendencias que se han seguido hasta el momento. Particularmente, se centrará la atención en el movimiento hacia los sistemas basados en forma de hub que comenzaron en EE.UU. y que llegaron a Reino Unido y al continente Europeo a principios del S.XX. Esta tendencia es la que se pretende implantar en España con el fin de conseguir una mayor competitividad, flexibilidad y liquidez en los precios y en el sistema gasista. De esta forma, poco a poco se irá construyendo la estructura hacia un Mercado Único Europeo que es el objetivo final que plantean los organismos de los estados miembros. Sin embargo, para la puesta en marcha de este nuevo modelo es necesario realizar una serie de cambios en el sistema como la modificación de la Ley de Hidrocarburos, la designación de un Operador de Mercado, elaboración de una serie de reglas para regular el mercado así como fomentar la liquidez del mercado. Cuando tenga lugar el cambio regulatorio, la liquidez del sistema español incrementará y se dará la oportunidad de crear nuevas formas para balancear las carteras de gas y establecer nuevas estrategias para gestionar el riesgo. No obstante, antes de que se hagan efectivos los cambios en la legislación, se implantaría uno de los modelos planteados en el “Gas Target Model”, el denominado “Modelo de Asignación de Capacidad Implícita”. La introducción de este modelo sería un primer paso para la integración de un mercado de gas sin la necesidad de afrontar un cambio legislativo, lo que serviría de VIII impulso para alcanzar el “Modelo de Área de Mercado” que sería el mejor para el sistema gasista español y se conectaría ampliamente con el resto de mercados europeos. Las conclusiones del estudio en relación a la formación del nuevo modelo en forma de hub plantean la necesidad de aprovechar al máximo la nueva situación y conseguir implantar el hub lo antes posible para poder dotar al sistema de mayor competencia y liquidez. Además, el sistema español debe aprovechar su gran capacidad y moderna infraestructura para convertir al país en la entrada de gas del suroeste de Europa ampliando así la seguridad de suministro de los países miembros. Otra conclusión que se puede extraer del informe es la necesidad de ampliar el índice de penetración del gas en España e incentivar el consumo frente a otros combustibles fósiles como el carbón y el petróleo. Esto situaría al gas natural como la principal energía de respaldo con respecto a las renovables y permitiría disminuir los precios del kilovatio hora del gas natural. El estudio y análisis de la dinámica que se viene dando en la industria del gas en el mundo es fundamental para poder anticiparse y planear las mejores estrategias frente a los cambios que poco a poco irán modificando el sector y el mercado gasista. ABSTRACT There is a great deal of focus on the natural gas market at the moment. Whether you view natural gas as bridging the gap between coal/oil and an altogether cleaner solution yet to be determined, or as a destination fuel which will be used not only for heating and gas fired generation but also as transportation fuel, there is no doubt that natural gas will have an increasingly important role to play in the global energy landscape. The natural gas industry is changing rapidly, as shale gas exploration changes the economics of gas production and LNG connects regions across the globe. The purpose of this study is to outline the present state of the global gas industry highlighting the differing models around the world. This study will pay particular attention to the move towards hub based pricing that has taken hold first in the US and over the past decade across the UK and Continental Europe. In the coming years the Spanish model will move towards hub based pricing. As gas market regulatory change takes hold, liquidity in the Spanish gas market will increase, bringing with it new ways to balance gas portfolios and placing an increasing focus on managing price risk. This study will in turn establish the links between the changes that have taken place in other markets as a way to better understanding how the Spanish market will evolve in the coming years.

Sistema de descarga para metaneros de hasta 145000 m3 con gasinera para buques a propulsión de GNL

La demanda social actual por combustibles más respetuosos con el medio ambiente ha impuesto unas estrictas normas de emisiones de gases infecto invernadero que afectan a todos los medios de transporte, incluido el marítimo. Se han establecido unas zonas libres de emisiones (ECA) en aguas de todo el mundo. Esto ha impulsado al Gas Natural Licuado (GNL) como el combustible del futuro para buques para cumplir con las emisiones fijadas por la Convención Internacional de Prevención de la Contaminación de Barcos (MARPOL). El presente trabajo propone la instalación de una gasinera para buques en la futura planta de regasificación de Granadilla (Santa Cruz de Tenerife). El trabajo ha comprendido el diseño y dimensionamiento de las tuberías de la terminal de recepción de la planta de regasificación, así como las tuberías para la gasinera.

Sistema de descarga para metaneros de hasta 145000 m3 con gasinera para buques a propulsión de GNL

Current social demand for more environmentally-friendly fuels environment has imposed stringent emissions standards infectious greenhouse affecting all means of transport, including maritime. A few free zones emissions (ECA) in waters around the world have been established. This has driven to the Liquefied Natural Gas (LNG) as the fuel of the future for ships to comply with emissions laid down by the Convention International Prevention of the Pollution from Ships (MARPOL). The present work proposes the installation of a LNG station for ships in the future regasification plant of Granadilla (Santa Cruz de Tenerife). The work has understood the design and sizing of the receiving of the regasification plant terminal pipelines, as well as pipes for the LNG station. La demanda social actual por combustibles más respetuosos con el medio ambiente ha impuesto unas estrictas normas de emisiones de gases infecto invernadero que afectan a todos los medios de transporte, incluido el marítimo. Se han establecido unas zonas libres de emisiones (ECA) en aguas de todo el mundo. Esto ha impulsado al Gas Natural Licuado (GNL) como el combustible del futuro para buques para cumplir con las emisiones fijadas por la Convención Internacional de Prevención de la Contaminación de Barcos (MARPOL). El presente trabajo propone la instalación de una gasinera para buques en la futura planta de regasificación de Granadilla (Santa Cruz de Tenerife). El trabajo ha comprendido el diseño y dimensionamiento de las tuberías de la terminal de recepción de la planta de regasificación, así como las tuberías para la gasinera.