Modelización y desarrollo experimental de un sistema de generación termoeléctrica basado en efecto Seebeck. Aplicación a gases de escape en calderas de combustión

Abstract

La situación energética actual y todos los problemas medioambientales, políticos y económicos asociados a ella, hacen cada vez más necesaria una optimización de los sistemas de generación eléctrica y una incorporación de medidas de ahorro energético a los procesos, que contribuyen en gran parte a una reducción de la demanda de energía y a un mayor aprovechamiento de los recursos. En este sentido, son muchos los investigadores que han puesto el foco en la recuperación del llamado calor residual, una energía de desecho obtenida como subproducto no aprovechado de distintos procesos. Esta tesis doctoral estudia el aprovechamiento de energía residual a través de generadores termoeléctricos basados en el efecto Seebeck. Estos sistemas son capaces de producir energía eléctrica a partir de una fuente de calor y una de las formas de optimización es mediante el diseño adecuado de los intercambiadores de calor incluidos. Los intercambiadores tratan de acercar la temperatura de las caras de los módulos a la de los respectivos focos y tienen un efecto directo en la producción eléctrica. Se propone la utilización de un intercambiador de calor pasivo con sistema termosifón y cambio de fase como disipador de la parte fría de los sistemas termoeléctricos. Para llevar a cabo su optimización, se ha desarrollado un modelo computacional de simulación que predice el comportamiento de estos sistemas y permite evaluar la influencia de las características geométricas que lo definen. Este modelo es capaz de simular estos sistemas con desviaciones menores del ± 9%. Tras este desarrollo, se ha utilizado la herramienta computacional para el diseño de un termosifón bifásico que pueda ser acoplado en la parte fría de un prototipo de generador termoeléctrico instalado en el conducto de los gases de salida de una caldera de combustión. Los resultados experimentales han revelado que se puede llegar a generar 240W=m2 utilizando este sistema pasivo, lo que supone una mejora de casi un 83% frente a la utilización de un disipador de aletas convencional con un ventilador en las mismas condiciones de funcionamiento. Se ha realizado, también, un estudio de la implantación de generadores termoeléctricos en un proceso industrial real. Para ello, se ha desarrollado, previamente, un modelo computacional que tenga en cuenta, no solo el funcionamiento de los módulos termoeléctricos, sino que también considere el enfriamiento que sufre la corriente de gases al circular por el conducto del generador e integre los termosifones bifásicos como sistema de disipación del lado frío. Una vez realizada la optimización de estos sistemas, se ha demostrado la posibilidad de generar un total de 363MWh en un año de funcionamiento. También se ha elaborado un análisis que pretende probar la viabilidad económica de esta inversión alcanzándose un coste de instalación de 10€/W. Los resultados derivados de esta tesis demuestran que la termoelectricidad puede jugar un papel importante en el objetivo global de generación de electricidad de forma sostenible, que permita combatir con los efectos del cambio climático, debido a su capacidad de aprovechamiento energía residual.

The current energy situation and the environmental, political and economic issues associated to it, lead to a necessity of an optimisation in the power generation technologies and to an implementation of energy saving measures that could reduce the energy demand and could increase the exploitation of resources. With this in mind, there are many investigations focused on waste-heat recovery, byproduct energy obtained from a wide range of processes. This doctoral thesis tackles this by using thermoelectric generators, based on the Seebeck effect, that can harvest waste-heat and transform it into electric power. These devices can be enhanced by an optimisation of the heat exchangers used at both sides of the thermoelectric modules, which have a direct impact on the power generated. A passive heat exchanger based on thermosyphon effect and phase change is proposed as the heat sink for the cold part of a thermoelectric generator. A computational model has been developed to predict the behaviour and to optimise these kinds of systems. The model predicts the thermal resistance of the heat exchanger with a relative error below ±9%. After this development, a new biphasic thermosyphon has been designed and built to be installed at the cold side of a thermoelectric generator placed at the exhaust flue in a combustion chamber. By using this kind of passive dissipater, the experimental results show a maximum electric power generation of 240W=m2 of duct area occupied, achieving an increase of almost a 83% from the power produced by a thermoelectric generator that uses a conventional finned heat sink with a fan under the same working conditions. Moreover, a computational study about the implementation of thermoelectric generators to recover waste-heat from an industrial process in a real manufacturing plant has been carried out. A simulation tool has been developed considering not only the performance of the thermoelectric modules, but also the temperature drop of the flue gasses that occurs all along the duct where the generators are located, including biphasic thermosyphons at the cold side of the system as well. After an optimisation of the elements, the results show an electric energy generation potential of about 363MWh in one year. An economic analysis has also been made, reaching an installation cost of these generators of 10€/W. The results obtained from this thesis prove the vital role that thermoelectric generation can play fighting against climate change, by harnessing waste heat to produce electricity in a more sustainable way and helping to increase the efficiency of the processes.