Tesis doctorales DING - INGS Doktoretza tesiak

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

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Development of an advanced thermoelectric heat pump system including high efficiency heat exchangers based on phasechange to enhance the power-to-heat energy conversion
(2024) Erro Iturralde, Irantzu; Astrain Ulibarrena, David; Aranguren Garacochea, Patricia; Ingeniería; Ingeniaritza
The solution to address the climate emergency lies in promoting the integration of renewable energies into the energy mix, alongside with enhancing energy efficiency. However, taking into account the natural intermittency of renewable sources the use of energy storage systems becomes imperative. Among the different energy storage systems, thermal energy storage presents a promising option. These thermal energy storage systems efficiently store excess renewable energy in the form of heat, enabling its conversion back into electricity or its direct application for heating. In order to promote the usage of thermal energy storage systems, it is imperative to develop efficient power-to-heat energy conversion systems. This offers a chance for the development of thermoelectric technology working as heat pumps for heating purposes, providing the advantage of avoiding the use of refrigerants and being a modular technology. According to certain studies, two-stage thermoelectric heat pumps demonstrate superior performance for high-temperature differences compared to one-stage configuration, allowing their use for high-temperature requirements. Nevertheless, there is a scarcity of research conducted on two-stage thermoelectric heat pumps for heating applications. Therefore, the present Ph.D. dissertation aims to design and develop an optimised thermoelectric heat pump system for heating high-temperatures to enhance the performance of the power-to-heat energy conversion process for thermal energy storage. Firstly, two prototypes of two-stage thermoelectric heat pumps utilising different intermediate heat exchangers: monophasic and phase-change and with the aim of heating an airflow were developed and compared. The novel phase-change heat exchanger achieves a notable reduction in thermal resistance, resulting in an increase of more than 16% in the heat flux supplied to the airflow and a reduction of more than 6% in the consumed power of the system. Experimental COP values ranging between 3.25 and 1.26 have been obtained by the novel two-stage phase-change heat pump, improving the COP values between a 30 % and a 67 % in comparison with the two-stage monophasic heat pump. Additionally, this initial study presents a novel approach for calculating heat flux to airflow. Subsequently, a study on sensibility was carried out to assess the performance of various configurations of thermoelectric heat pumps. The experimental campaign highlighted the requirement of two-stage configurations to attain high temperatures and heat fluxes, while the one-stage thermoelectric heat pump exhibited superior performance in low-temperature operations. Following the experimental results, an assessment was carried out on the application of an optimised thermoelectric heat pump system for the charging process of a thermal energy storage. In order to achieve an accurate tool able to simulate the behaviour of two-stage thermoelectric heat pumps, a computational model was developed. The computational model relies on the thermal-electrical analogy and the finite difference method. The accuracy of the developed tool is certified through the validation conducted using experimental results and showing a discrepancy of less than ± 10 % for the COP values, ± 8 % for the generated heat and airflow temperature lift, and less than ± 6% for the consumed power. Finally, an optimised thermoelectric heat pump system was constructed to be installed into a real thermal energy storage system to assess its impact. A series of experiments were performed, wherein the airflow rate, voltage supply to the thermoelectric heat pump system, and storage temperature were varied. It has been demonstrated that an increased airflow rate enhances the efficiency of the thermoelectric heat pump. When utilising an airflow rate of 23 m³/h and setting the storage temperature to 120 °C, the installation of this novel thermoelectric system demonstrates a 30% improvement in the power-to-heat process compared to a conventional process in which electrical resistances are used. In addition, the utilisation of this thermal energy storage system in a decentralised combined heat and power system yields efficiencies of 112.6 %, ensuring the generation of 1.126 kW of useful heating and electrical power from every surplus electrical kW produced by renewable energies.
Open Access
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.
Open Access
Improvements on the effiency of an autonomous commercial refrigeration system that uses low GWP fluids by the development of a thermoelectric subcooling system
(2022) Casi Satrústegui, Álvaro; Astrain Ulibarrena, David; Araiz Vega, Miguel; Ingeniería; Ingeniaritza
La producción de frío de manera artificial es considerada una de las contribuciones más relevantes de la historia, jugando un papel clave en el desarrollo de la sociedad humana, gracias a su contribución en la conservación de productos perecederos y como herramienta para conseguir confort térmico tanto en edificios como vehículos. Debido a su importancia, el sector de la refrigeración cuenta con un gran volumen y se encuentra ampliamente extendido tanto en el ámbito industrial como doméstico. Como consecuencia de su gran volumen, el sector viene ligado de un considerable impacto sobre el medioambiente debido al consumo eléctrico de las instalaciones y a los refrigerantes utilizados. Además, la demanda de refrigeración se espera que siga creciendo durante las próximas décadas y las estimaciones más recientes predicen que llegará a duplicarse para el año 2050. Estos hechos, junto con la actual problemática medioambiental, ponen de manifiesto la importancia de disminuir el impacto medioambiental del sector de la refrigeración. El impacto medioambiental de los equipos frigoríficos se debe a la emisión de gases de efecto invernadero a la atmósfera los cuales contribuyen al calentamiento global del planeta. Estas emisiones se deben por un lado al consumo eléctrico del sistema de refrigeración y por otro lado a la fuga de refrigerantes con alto potencial de calentamiento atmosférico de las instalaciones. Con el objetivo de reducir las emisiones de los equipos frigoríficos existen dos principales vías de acción: el uso de refrigerantes naturales con bajo poder de calentamiento atmosférico, como el dióxido de carbono, y el desarrollo de equipos más eficientes para disminuir el consumo eléctrico de los sistemas de refrigeración. Esta tesis doctoral combina ambas líneas de acción centrándose en el desarrollo de un sistema de subenfriamiento termoeléctrico para la mejora de la eficiencia de un ciclo de refrigeración por compresión de vapor que utiliza dióxido de carbono en estado transcrítico como refrigerante. Esta combinación de tecnologías se presenta como una solución novedosa y prometedora para la reducción de las emisiones de los equipos frigoríficos y es posible gracias a la robustez, escalabilidad,controlabilidad y versatilidad que ofrecen los sistemas termoeléctricos. Para ello, en primer lugar se ha desarrollado un modelo computacional capaz de simular el comportamiento de un ciclo de compresión de vapor de dióxido de carbono en estado transcrítico junto con un sistema de subenfriamiento termoeléctrico. El modelo computacional desarrollado ha sido validado de manera experimental y los resultados muestran que es capaz de predecir el comportamiento real del sistema con desviaciones dentro del +/-7% de error. Una vez desarrollado y validado el modelo computacional, este ha sido utilizado para el estudio y diseño del sistema de subenfriamiento termoeléctrico con el objetivo de optimizar el funcionamiento del sistema global de refrigeración. En el estudio se ha realizado una caracterización térmica de los intercambiadores de calor utilizados en el subenfriador termoeléctrico y mediante la utilización del modelo computacional se ha cuantificado el impacto de los interacambiadores de calor en el sistema global de refrigeración. Los resultados obtenidos muestran que mediante la utilización de intercambiadores optimizados, el aumento en potencia frigorífica con el sistema de subenfriamiento termoeléctrico se incrementa desde un 21.4% a un 26.3%. Asimismo, la mejora obtenida en el coeciente de operación pasa de un 11.96% a un 14.75%. Los resultados obtenidos demuestran el gran impacto que los intercambiadores de calor del subenfriador termoeléctrico tienen en el funcionamiento global del sistema de refrigeración. Gracias a la información obtenida mediante el modelo computacional, se ha sido diseñado, construido e incorporado un sistema de subenfriamiento termoeléctrico en una instalación experimental de compresión de vapor que utiliza dióxido de carbono en estado transcrítico como refrigerante. La planta experimental ha sido ensayada bajo diferentes condiciones climáticas y de operación para comprobar de manera experimental el efecto del subenfriador termoeléctrico en el funcionamiento global del sistema. Además, los resultados obtenidos mediante la incorporación del subenfriador termoeléctrico han sido comparados con la utilización de un intercambiador recalentador subenfriador, una tecnología comúnmente utilizada para mejorar la eficiencia de ciclos de refrigeración por compresión de vapor. Los resultados obtenidos muestran como las mejoras obtenidas mediante el subenfriador termoeléctrico superan las obtenidas mediante el intercambiador recalentador subenfriador tanto en coeficiente de operación como en potencia frigorífica. La inclusión del sistema de subenfriamiento termoeléctrico resulta en un aumento de potencia frigorífica de hasta un 20.8% y una mejora del coeficiente de operación del sistema de hasta el 16.2%. Por último, debido a la versatilidad y controlabilidad del subenfriador termoeléctrico, esta tecnología se ha combinado junto con el intercambiador recalentador subenfriador, con el objetivo de comprobar el funcionamiento del ciclo de compresión de vapor trabajando con ambas tecnologías simultáneamente. La incorporación de un subenfriador termoeléctrico junto con el intercambiador recalentador subenfriador resulta en un aumento de la potencia frigorífica de un 22.5% y en un incremento del coeficiente de operación del 22.4%. Estos resultados muestran que mediante la combinación de estas dos tecnologías se obtienen mejoras superiores a las obtenidas a través de cada una de ellas de manera independiente. Los resultados de esta tesis demuestran que la utilización de un sistema de subenfriamiento termoeléctrico es una solución tecnológicamente viable para la mejora de la eficiencia de sistemas de refrigeración por compresión de vapor con dióxido de carbono en estado transcrítico, disminuyendo así, las emisión de gases de efecto invernadero de los sistemas de refrigeración y contribuyendo a la producción de frio de manera sostenible y respetuosa con el medio ambiente.
Open Access
Modelización y desarrollo experimental de un sistema de generación termoeléctrica basado en efecto Seebeck. Aplicación a gases de escape en calderas de combustión
(2018) Araiz Vega, Miguel; Astrain Ulibarrena, David; Martínez Echeverri, Álvaro; Ingeniería; Ingeniaritza
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.
Open Access
Thermoelectric heating and air conditioning with double flux ventilation in passive houses
(2022) Díaz de Garayo, Sergio; Astrain Ulibarrena, David; Martínez Echeverri, Álvaro; Ingeniería; Ingeniaritza; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa; Gobierno de Navarra / Nafarroako Gobernua
Esta tesis propone el uso de bombas de calor basadas en termoelectricidad, cuyas ventajas competitivas se basan fundamentalmente en la ausencia de partes móviles y de refrigerantes. Concretamente, esta tesis se centra en el diseño y construcción de un dispositivo de bomba de calor air-aire integrado con la ventilación de doble flujo en viviendas con una superficie inferior a 100 m2 y una envolvente de alta eficiencia energética tipo ‘Passive House’, donde la reducida carga de calefacción (<10 W/m2) permite climatizar el espacio con el caudal de aire de ventilación, aprovechando el calor residual del aire renovado. Los resultados demuestran que la termolectricidad puede resultar una alternativa real a la construcción de bombas de calor para la climatización de viviendas ‘Passive House’, dada la gran cantidad de ventajas (sistema silencioso, robusto, diseño ligero y fácilmente instalable en techos falsos, fácil regulación, integrabilidad con instalaciones fotovoltaicas y potencial de ahorro en los costes de fabricación), comparado con su menor eficiencia, fácilmente compensable con el incremento de la producción fotovoltaica integrada en el edificio.

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