Catalán Ros, Leyre
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Catalán Ros
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Leyre
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Ingeniería
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ISC. Institute of Smart Cities
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Publication Open Access New opportunities for electricity generation in shallow hot dry rock fields: a study of thermoelectric generators with different heat exchangers(Elsevier, 2019) Catalán Ros, Leyre; Aranguren Garacochea, Patricia; Araiz Vega, Miguel; Pérez Artieda, Miren Gurutze; Astrain Ulibarrena, David; Institute of Smart Cities - ISCDespite being one of the largest renewable sources, geothermal energy is not widely utilized for electricity generation. In order to leverage shallow hot dry rock (HDR) fields, the present paper proposes an alternative to enhanced geothermal systems (EGS): thermoelectric generators. Based on the conditions of Timanfaya National Park, a prototype has been built to experimentally analyze the feasibility of the proposed solution. The prototype is composed by a two phase closed thermosyphon (TPCT) as hot side heat exchanger, two thermoelectric modules, and it considers different cold side heat exchangers: fin dissipators assisted by a fan and loop thermosyphons, both with various geometries. Experiments have demonstrated that loop thermosyphons represent the best alternative due to their low thermal resistance and, especially, due to their lack of auxiliary consumption, leading to a maximum net power generation of 3.29 W per module with a temperature difference of 180 °C (200 °C in the hot side and 20 °C as ambient temperature), 54% more than with fin dissipators. Hence, there exists a new opportunity for electricity generation in shallow hot dry rock fields: thermoelectric generators with biphasic thermosyphons as heat exchangers, a patented and robust solution.Publication Open Access Computational study of geothermal thermoelectric generators with phase change heat exchangers(Elsevier, 2020) Catalán Ros, Leyre; Araiz Vega, Miguel; Aranguren Garacochea, Patricia; Astrain Ulibarrena, David; Ingeniaritza; Institute of Smart Cities - ISC; IngenieríaThe use of thermoelectric generators with phase change heat exchangers has demonstrated to be an interesting and environmentally friendly alternative to enhanced geothermal systems (EGS) in shallow hot dry rock fields (HDR), since rock fracture is avoided. The present paper studies the possibilities of the former proposal in a real location: Timanfaya National Park (Canary Islands, Spain), one of the greatest shallow HDR fields in the world, with 5000 m2 of characterized geothermal anomalies presenting temperatures up to 500 °C at only 2 m deep. For this purpose, a computational model based on the thermal-electrical analogy has been developed and validated thanks to a real prototype, leading to a relative error of less than 8%. Based on this model, two prototypes have been designed and studied for two different areas within the park, varying the size of the heat exchangers and the number of thermoelectric modules installed. As a result, the potential of the solution is demonstrated, leading to an annual electricity generation of 681.53 MWh thanks to the scalability of thermoelectric generators. This generation is obtained without moving parts nor auxiliary consumption, thus increasing the robustness of the device and removing maintenance requirements.Publication Open Access Design and experimental development of thermoelectric generators for shallow geothermal anomalies of volcanic origin(2020) Catalán Ros, Leyre; Astrain Ulibarrena, David; Aranguren Garacochea, Patricia; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio IngeniaritzarenEn el contexto energético actual, caracterizado por un incesante aumento en el consumo de energía y una gran dependencia de los combustibles fósiles, resulta imprescindible apostar por sistemas eficientes y basados en energías renovables que contribuyan a un mejor aprovechamiento de los recursos y sean respetuosos con el medio ambiente. En este sentido, la energía geotérmica destaca entre otras fuentes renovables por su carácter permanente, al no depender de las condiciones meteorológicas. Sin embargo, su contribución al sistema energético mundial es mínimo, sobre todo en generación de electricidad. Como alternativa a los ciclos que tradicionalmente se emplean para la generación eléctrica geotérmica, esta tesis doctoral propone la utilización de generadores termoeléctricos debido a sus numerosas ventajas tales como fiabilidad, durabilidad y escalabilidad. Concretamente, la tesis se centra en anomalías geotérmicas superficiales de origen volcánico para dos aplicaciones distintas: la generación eléctrica de media escala en yacimientos de roca caliente seca y el abastecimiento autónomo de estaciones de vigilancia volcánica. Dada la importancia de los intercambiadores de calor en la eficiencia total del sistema, en ambas aplicaciones se ha realizado un profundo estudio para determinar qué tipo de intercambiadores de calor son los más adecuados. En ambos casos, se ha demostrado experimentalmente que los intercambiadores de calor más propicios son aquellos basados en el cambio de fase, ya que aparte de presentar bajas esistencias térmicas, no tienen partes móviles ni requieren de equipos auxiliares, minimizando así el mantenimiento. Asimismo, también ha resultado de gran importancia el desarrollo de un modelo computacional rápido y fiable que tenga en cuenta los intercambiadores de calor, la fuente de calor y el sumidero, sin despreciar ningún efecto termoeléctrico, y considerando los contactos térmicos y eléctricos y la influencia de la temperatura en las propiedades. Este modelo, programado en base al método de las diferencias finitas, se ha convertido en una verdadera herramienta de diseño y optimización para las dos aplicaciones objeto de estudio en esta tesis doctoral, gracias a su error relativo menor al 8%. Los resultados derivados de esta tesis doctoral demuestran que la termoelectricidad puede solucionar las problemáticas de generación eléctrica en los yacimientos de roca caliente seca y en las estaciones de monitorización volcánica, dos aplicaciones inéditas de generación termoeléctrica que pueden hacer que esta tecnología se convierta por fin en una realidad en el ámbito civil.