Tesis doctorales DING - INGS Doktoretza tesiak

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http://hdl.handle.net/2454/29499

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Browsing Tesis doctorales DING - INGS Doktoretza tesiak by Author "Alegría Cía, Patricia"

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    Generadores termoeléctricos sin partes móviles para yacimientos geotérmicos superficiales de roca caliente seca: diseño, desarrollo experimental, instalación en campo y evaluación del potencial en la isla de Lanzarote
    (2022) Alegría Cía, Patricia; Astrain Ulibarrena, David; Catalán Ros, Leyre; Ingeniería; Ingeniaritza
    En el actual contexto climático y energético, es importante desarrollar tecnologías que permitan utilizar las fuentes de energía renovables que actualmente no se pueden aprovechar. La contribución de las renovables a la producción eléctrica mundial ha aumentado un 8% en la última década, pero la energía geotérmica, la única fuente renovable que no depende de la climatología y que además es totalmente estable y continua, contribuyo en el año 2021 con menos de un 3 %. Existen territorios en los que impulsar la utilización de esta fuente renovable cobra especial importancia, por su disponibilidad y por la enorme dependencia de los combustibles fósiles, como ocurre en las Islas Canarias, especialmente en Lanzarote, donde existe un gran campo de Roca Caliente Seca. En esta tesis se plantea la utilización de generadores termoeléctricos para transformar el calor de las anomalías geotérmicas superficiales de la isla de Lanzarote directamente en electricidad, ya que el empleo de centrales geotérmicas convencionales no sería posible debido a que requerirían de perforaciones en la roca y grandes instalaciones que perjudicarían al medio ambiente. Pero todos los generadores termoeléctricos existentes en la literatura emplean partes móviles para hacer circular fluidos calorportadores, lo que conlleva consumos auxiliares y necesidad de mantenimiento, perdiendo la ventaja intrínseca de la termoelectricidad. Además, apenas existen estudios experimentales y todavía menos en campo. Para llevar esta propuesta a la realidad, en esta tesis se ha conseguido desarrollar e instalar en campo dos generadores termoeléctricos para geotermia que funcionan sin partes móviles gracias al cambio de fase en sus intercambiadores de calor. Son generadores robustos, que no necesitan mantenimiento ni consumos auxiliares, además de ocasionar un mínimo impacto ambiental ya que se reduce el impacto visual, no producen ruidos, y el uso de agua como fluido de trabajo los hace totalmente inocuos. El primero de ellos, para zonas con anomalías de media temperatura, cuenta con dos prototipos compuestos cada uno por un termosifón de cobre en el lado caliente, y 10 y 6 módulos termoeléctricos respectivamente, con sus correspondientes intercambiadores en el lado frio formados por un disipador de aletas con cuatro heat pipes con aletas en su zona de condensación. En primer lugar se diseñó y se caracterizó en el laboratorio para posteriormente instalarlo en un sondeo del que salen gases a unos 170 °C del Parque Nacional de Timanfaya, constituyendo el primer generador termoeléctrico para geotermia sin partes móviles instalado y testado en campo, donde lleva en funcionamiento ininterrumpido desde agosto de 2020, y ha conseguido una potencia pico de salida de 39,99 W (2,49 W por modulo), y una energía generada anual por unidad de superficie ocupada de 180,16 kWh/m2. Tras demostrar la viabilidad de esta tecnología para transformar el calor geotérmico superficial de Lanzarote en electricidad, se planteó un reto mayor, el de desarrollar un generador adaptado para zonas de alta temperatura. Dicho dispositivo termoeléctrico cuenta con un único termosifón de acero y ocho módulos termoeléctricos con unos intercambiadores de calor similares a los del caso de media temperatura. Se realizaron ensayos en el laboratorio a varias temperaturas del foco de calor con entre 4 y 8 módulos termoeléctricos, determinando experimentalmente que al instalar más módulos disminuye la eficiencia por modulo, pero para el numero de módulos instalado la potencia total aumenta, por lo que la instalación en campo se realizó con 8 módulos. Tras los buenos resultados en el laboratorio, se pudo transportar hasta dicho parque e instalarlo de manera satisfactoria en un sondeo con gases saliendo a 465 °C. Dicho generador presenta una potencia pico de 4,5 W por modulo, un 80% mayor que el de media temperatura, y una potencia de salida media por módulo de 4,12 W, lo que supone una energía generada al ano de 382,59 kWh/m2, demostrando el gran potencial que tienen en Lanzarote los generadores termoeléctricos desarrollados. Con los dos generadores instalados en campo, se desarrolló un modelo computacional basado en el método de las diferencias finitas y en la analogía térmica-eléctrica, que se consiguió ajustar mediante los datos experimentales en campo y que presenta una elevada fiabilidad. Este modelo es capaz de simular las potencias de salida de los generadores termoeléctricos con errores relativos inferiores al +- 10%, y de reproducir las temperaturas en las caras de los módulos termoeléctricos, así como la energía generada a lo largo del ano con un error menor del 1,6% en el prototipo de media temperatura y del 0,5% en el de alta. Finalmente, empleando este modelo computacional, se realizó un calculo estimado del potencial de generación eléctrica con los datos disponibles de superficie de anomalías geotérmicas en el Parque Nacional de Timanfaya, donde se podrían llegar a generar entre 3,61 GWh y 11,35 GWh al ano, con un LCOE medio de 4,8 cente/kWh. Además, esto se puede extrapolar al resto de la isla, ya que se han detectado más anomalías fuera de dicha zona y que, de ser calculadas con exactitud, se podrían aprovechar mediante una instalación a mayor escala de generadores termoeléctricos como los desarrollados en esta tesis doctoral.