Proyecto Fin de Carrera Ingeniero...
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1 Proyecto Fin de Carrera Ingeniero Industrial ESTUDIO DEL ESTADO DEL ARTE DE LA TECNOLOGIA DE GENERADORES MAGNETOHIDRODINAMICOS (MHD) Y PROPUESTA DE UNA INSTALACION MHD-SOLAR Autor: Daniel Baldó Sánchez-Toril Tutor: Manuel Antonio Silva Pérez
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Proyecto Fin de Carrera
Ingeniero Industrial
ESTUDIO DEL ESTADO DEL ARTE DE
LA TECNOLOGIA DE GENERADORES
MAGNETOHIDRODINAMICOS (MHD)
Y PROPUESTA DE UNA INSTALACION
MHD-SOLAR
Autor: Daniel Baldó Sánchez-Toril
Tutor: Manuel Antonio Silva Pérez
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Índice de contenidos
Índice de contenidos ........................................................................................................ 5
Agradecimientos .............................................................................................................. 7
Prólogo .............................................................................................................................. 9
Objetivos y alcance del proyecto .................................................................................. 11
Capítulo 1: Introducción a la energía solar ............................................................... 13
Capítulo 2: Sistemas termosolares de receptor central .............................................. 17
Concentrador: Campo de heliostatos ........................................................................... 17
Receptor ....................................................................................................................... 19
Máquina térmica: Ciclo de Rankine ............................................................................ 20
Otros elementos ........................................................................................................... 23
Factores atenuantes de la eficiencia de la planta ......................................................... 24
Capítulo 3: Fundamentos físicos de MHD .................................................................. 27
Fundamentos de electromagnetismo ............................................................................ 28
Fundamentos de mecánica de fluidos .......................................................................... 29
Fundamentos de electrotecnia ...................................................................................... 30
Fundamentos de magnetohidrodinámica ..................................................................... 31
Capítulo 4: Tipología de generadores MHD ............................................................... 33
Generador Faraday ....................................................................................................... 33
Generador Hall ............................................................................................................. 35
Generador de disco ...................................................................................................... 36
Capítulo 5: Estudio del Estado del Arte de generadores MHD ................................ 37
Intuyendo una idea ....................................................................................................... 37
Ciclo abierto MHD ...................................................................................................... 39
El comienzo de la cooperación internacional........................................................... 43
Unión Soviética ........................................................................................................ 43
Australia ................................................................................................................... 53
India.......................................................................................................................... 53
República Popular de China ..................................................................................... 54
Ciclo cerrado MHD ...................................................................................................... 56
Países Bajos .............................................................................................................. 57
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Japón ........................................................................................................................ 58
Japón (Ciclo abierto) ............................................................................................ 58
Japón (Ciclo cerrado) ........................................................................................... 60
Ciclo LM-MHD ........................................................................................................... 66
Estados Unidos (Ciclo LM-MHD) ........................................................................... 67
Israel ......................................................................................................................... 79
Últimos años ................................................................................................................ 88
Estados Unidos (Ciclo abierto) ................................................................................ 88
Otros países .............................................................................................................. 92
MHD hasta hoy ....................................................................................................... 93
Capítulo 6: Instalación de cogeneración LM-MHD solar .......................................... 95
Antecedentes ................................................................................................................ 95
Análisis conceptual de la instalación de cogeneración LM-MHD solar ...................... 98
Subsistema: Mixer .................................................................................................... 99
Subsistema: Separador ............................................................................................. 99
Subsistema: Generador LM-MHD ......................................................................... 100
Subsistema: Riser y Downcomer .......................................................................... 100
Esquema Etgar-5 .................................................................................................... 101
Subsistema: Aplicación industrial de secado de fosfatos ....................................... 104
Resolución analítica de la Instalación Secundaria ..................................................... 105
Resolución aproximada de la Instalación Primaria .................................................... 107
Capítulo 7: Conclusiones ............................................................................................ 111
Ventajas ...................................................................................................................... 111
Inconvenientes ........................................................................................................... 112
Capítulo 8: Valoraciones personales de la tecnología LM-MHD ............................ 113
Fuentes bibliográficas ................................................................................................. 117
Fuentes de figuras ........................................................................................................ 123
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Este proyecto de investigación está dedicado
a mi familia y en especial a mi madre, Angelines,
por su incondicional apoyo durante su desarrollo
Agradecimientos
Decidí buscar tema para mi Proyecto Fin de Carrera al arrancar el inicio académico de
la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Sevilla en Septiembre de 2013. Yo, que
por aquel entonces llevaba ya bastante tiempo interesado en el mundo de las Energías
Renovables, tenía la inamovible idea de querer realizar un proyecto sobre una Central
Termosolar de Alta Temperatura, más concretamente, sobre una planta de Receptor
Central y Campo de Heliostatos.
En vista de ello, procedí a contactar con un profesor universitario que me constaba que
era el encargado de una parte de la asignatura Energía Solar impartida en mi facultad:
Manuel Antonio Silva Pérez, del departamento de Termodinámica y Energías
Renovables.
Casualidades del destino hicieron que, el día en que acudí al despacho del profesor Silva
para barajar la idea de iniciar un proyecto bajo su tutela, él casualmente acabara de venir
de un congreso en Alemania sobre CSP Systems (Concentrated Solar Power). Este
hecho fue clave en el nacimiento de este proyecto ya que en base a aquella conferencia
y a una idea que le mostraron al profesor Silva en el pasado, hicieron que acabara por
ofrecerme la posibilidad de comenzar un proyecto de investigación alternativo, sobre
una extraña tecnología llamada Magnetohidrodinámica.
“(…) se trata de otro tipo de ciclo… ciclo MHD (…)”, a día de hoy todavía recuerdo
aquellas palabras con nitidez. He de admitir que a priori me sentí un tanto abrumado
ante la titánica tarea que se me estaba presentando, sin embargo, tras una posterior
reflexión, no dudé en aceptar la propuesta que el profesor Silva me había desvelado.
Desde aquel día —a la vez que finalizaba mis estudios de Ingeniería Industrial y
trabajaba en el sector aeroespacial— llevé a cabo una ardua labor de investigación
estudiando artículos, handbooks y proceedings de antiguas conferencias que encontraba
en todas las bases de datos que iba rastreando. Poco a poco el proyecto iba tomando
forma, a la vez que iban saliendo nuevos conceptos que, a menudo, me obligaban a
reestructurar lo ya asentado. Confío en que alguien —o quizás yo mismo, quién sabe—
decida en el futuro continuar con la investigación que inicio en el presente proyecto.
Ha sido un camino difícil aunque satisfactorio, ya que he descubierto una fuerte pasión
en mí, relacionada con el mundo de la investigación de la energía solar. Además, he
contado con el apoyo de mis padres y mis amigos más allegados, así como del profesor
Silva. Mi más sincera gratitud a todos ellos.
Daniel Baldó Sánchez-Toril
10 de Septiembre de 2015.
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Prólogo
Es de sobra conocido por todos, el próximo agotamiento de los recursos energéticos de
origen fósil en nuestro planeta Tierra. Numerosas estimaciones e investigaciones
apuntan que este agotamiento de petróleo, carbón y gas natural tendrá lugar dentro de
unos 60 años. No obstante, no todos los investigadores están de acuerdo con esa fecha,
ya que afirman que dicho agotamiento tendrá lugar dentro de 70 u 80 años.
Naturalmente esto puede ser posible, y tendría cabida en un hipotético debate del que
cada uno tomaría posición según sus propios intereses personales. Sin embargo hay una
verdad incuestionable, aquella que nos dice que los recursos energéticos de origen fósil
están condenados a desaparecer de nuestro planeta ya sea dentro de 80, 90, 100, o
incluso 150 años.
Y en este punto es donde entran a escena las llamadas energías renovables, cuyo
característica fundamental es la de extraer energía de la naturaleza de una forma
prácticamente ilimitada.
Dentro de este saco de tecnologías renovables se encuentran, la energía solar (en todas
sus vertientes, como más adelante analizaremos), eólica, geotérmica, marina e
hidroeléctrica. Pudiéndose hacer de esta sucesión una simpática metáfora, de la que se
podría decir que las citadas tecnologías están impulsadas por los 4 elementos, —fuego,
aire, tierra y agua— de los que en la antigua Grecia se creía que eran aquellos que
constituían la realidad.
Sin embargo, en los tiempos que corren, este tipo de tecnologías todavía no resultan
competitivas en ausencia de apoyos al desarrollo, aunque las evidencias
técnoeconómicas apuntan a que lo serán en el medio plazo. Este hecho añadido al
progresivo agotamiento de los recursos de origen fósil, hacen que nuestro futuro
energético sea favorablemente renovable.
De un modo u otro pues, hemos de adquirir conciencia tecnológica con vistas a largo
plazo, aprovechando y mejorando las tecnologías renovables hoy disponibles, e
investigando otras nuevas. Pienso que no se trata de una imposición caprichosa de un
sector de la sociedad cada vez más numeroso, sino un deber para futuras generaciones,
de cara a la propia sostenibilidad de nuestro planeta Tierra.
Daniel Baldó Sánchez-Toril
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Objetivos y alcance del proyecto
El proyecto que arranca sobre estas líneas tiene como objeto llevar a cabo la tarea de
revisar las investigaciones que tuvieron lugar en la segunda mitad del siglo XX sobre
generación de energía a partir del fenómeno físico conocido como
Magnetohidrodinámica (MHD). Además, se procederá a llevar a cabo la integración
conceptual de un generador MHD en una instalación de cogeneración con aporte solar.
Es por ello, por lo que el proyecto se dividirá en tres grandes bloques:
BLOQUE PRIMERO: PRINCIPIOS FÍSICOS (Capítulos 1, 2, 3 y 4)
En la primera parte de este bloque se introducirán los conceptos básicos de
energía solar así como un pequeño análisis sobre la generación de energía solar a
partir de los sistemas termosolares de receptor central. La segunda parte se
centrará en el análisis de las disciplinas básicas que integran la física
magnetohidrodinámica y su aplicación en generadores MHD teóricos.
BLOQUE SEGUNDO: ESTUDIO DEL ESTADO DEL ARTE DE
GENERADORES MHD (Capítulo 5)
Este segundo bloque comprende una profunda revisión histórica de la tecnología
MHD que pretende servir de base actualizada para posibles propuestas que
retomen esta tecnología.
BLOQUE TERCERO: INSTALACIÓN MHD-SOLAR (Capítulo 6)
El último bloque tratará de integrar un generador MHD en una instalación de
cogeneración magnetohidrodinámica con aporte solar, para obtener una serie de
indicadores que pudieran arrojar una potencial competitividad tecnológica y
comercial.
Quizá, algunos lectores echen en falta un cuarto bloque que describa un análisis
tecnoeconómico que refuerce la futura comercialización de la tecnología MHD con
aporte solar. Sin embargo, dado el estado actual de las tecnologías de generación MHD
y, en menor medida, termosolar, los datos disponibles en lo que se refiere a costes de
una hipotética instalación no permiten la realización de dicho análisis con un grado
aceptable de incertidumbre.
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Capítulo 1. Introducción a la Energía Solar
En el presente proyecto, se pretende mostrar un tipo de tecnología de generación
energética basada en la física Magnetohidrodinámica (MHD). Al accionar esta
tecnología utilizando la radiación solar, obtendríamos un Generador
Magnetohidrodinámico Solar, pudiéndose clasificar como una nueva tecnología de
energía solar.
Pero antes de entrar de lleno en materia, es preciso realizar una presentación sobre las
diferentes tecnologías disponibles de energía solar en la actualidad. Se comienza viendo
una clasificación general de los diferentes modos de aprovechamiento de la energía
solar, en función de la tecnología actual (Figura 1.1).
Figura 1.1
Podemos apreciar en el mapa conceptual que, a través de la tecnología termosolar, se
puede obtener calor para agua caliente sanitaria de uso doméstico (termosolar de baja
temperatura), y electricidad/procesos industriales (termosolar de alta temperatura). Y
seguidamente, en amarillo, tenemos la energía solar fotovoltaica, la cual se caracteriza
por hacer una conversión directa de la energía solar en electricidad a través de células
fotovoltaicas.
Como base del hilo conductor de este proyecto, es preciso realizar un repaso de la
tecnología termosolar de alta temperatura, también llamada como Sistemas
Termosolares de Concentración. Estos sistemas se caracterizan por la concentración de
la radiación solar directa para evitar las grandes pérdidas por transmisión de calor que
tendrían lugar si no se concentrase. De esta forma se obtienen las elevadas temperaturas
que se requieren para accionar los ciclos termodinámicos con buenos rendimientos.
Genéricamente, los sistemas termosolares de concentración se pueden representar según
el siguiente diagrama (Figura 1.2).
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Figura 1.2
A su vez, dentro de estos sistemas, podemos distinguir cuatro tipologías tecnológicas
diferentes. De izquierda a derecha y de arriba abajo, tenemos: Sistema de Receptor
Central, Colectores Cilindro-Parabólicos, Discos Parabólicos con Motor Stirling y
Colectores Lineales Fresnel (Figura 1.3).
Figura 1.3
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En primer lugar se tiene el Sistema de Receptor Central cuyo objetivo es la
concentración de los rayos solares en un receptor puntual situado en lo alto de una torre,
para la obtención de elevadas temperaturas que serán usadas para generar vapor, entre
otros usos. Dicho vapor es expansionado en una turbina para mover un alternador que a
su vez, produce electricidad. Por último, el fluido a la salida de la turbina (vapor
saturado o sobrecalentado) se condensa primero y se bombea después, para volver a
iniciar el ciclo termodinámico sucesivamente
El mismo concepto termodinámico es aplicado en los Colectores Cilindro-Parabólicos
con la diferencia, respecto al arquetipo anterior, de que el receptor es lineal y no
puntual.
La tecnología de discos parabólicos con motor Stirling funciona concentrando los rayos
procedentes del sol en el foco de un disco con forma de paraboloide de revolución. En
este punto se sitúa un motor Stirling que —a través de la expansión y contracción de un
fluido de trabajo— transforma directamente y de manera autónoma, el calor recolectado
en electricidad.
Por último, se tienen los Colectores Lineales Fresnel cuyo principio de funcionamiento
se basa en la óptica de Fresnel, lo cual permite ahorrar hasta un 30% de superficie de
campo solar a través del uso de largas filas de espejos planos que, aproximándose a una
superficie cilindro-parabólica, reflejan la radiación solar en un receptor lineal. El ciclo
termodinámico es similar a los Sistemas de Receptor Central y Colectores Cilindro-
Parabólicos.
Lógicamente al provenir la energía del sol, este tipo de tecnologías ve restringida su
generación eléctrica a las horas solares. Sin embargo, se puede seguir generando
electricidad durante las horas nocturnas, mediante el almacenamiento de energía térmica
en depósitos de sales fundidas. Dichas sales, al ser un excelente fluido caloportador,
guardan una parte del calor producido durante el día para devolverlo al ciclo durante la
noche, consiguiendo así extender la generación eléctrica.
Hemos repasado, de manera superficial, las diferentes vías tecnológicas que se disponen
en la actualidad para extraer la energía que nos brinda diariamente el Sol. En el próximo
capítulo analizaremos más a fondo los sistemas termosolares de receptor central ya que
dichos sistemas serán los que asistan, de manera teórica, la planta de cogeneración
MHD con aporte solar.
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Capítulo 2. Sistemas termosolares de receptor
central
Los sistemas termosolares de receptor central (SRC) concentran la radiación solar —
incidente sobre un campo de espejos móviles o heliostatos— en un receptor,
generalmente instalado en una torre, donde se obtienen las elevadas temperaturas
requeridas.
Conceptualmente, podemos separar este tipo de tecnología en tres partes diferenciadas
según su funcionamiento básico: concentrador (campo de heliostatos), receptor (torre
central) y máquina térmica (ciclo termodinámico).
Concentrador: Campo de heliostatos
Como se comentó antes, el principal motivo por el cual se debe de concentrar la
radiación solar directa es para evitar las elevadas pérdidas térmicas por transmisión de
calor que ocurrirían si no se concentrase.
Como se ha comentado previamente, en los SRC el elemento característico utilizado
para concentrar la radiación solar directa es el heliostato. De forma rigurosa se podría
definir como un instrumento que refleja los rayos del Sol, siempre en dirección fija, por
medio de un espejo que, regido por un mecanismo, sigue el movimiento aparente del
Sol. Sus dimensiones oscilan desde 1 metro cuadrado hasta 150, y constituyen en torno
al 50% de los costes totales de una central termosolar de receptor central.
En la imagen de la página siguiente (Figura 2.1) podremos ver que un heliostato está
compuesto por:
Una superficie reflectante (o espejo).
Una estructura soporte (generalmente formada por cerchas metálicas).
Un pedestal de cimentación.
Un servomecanismo.
Un sistema de control.
La superficie reflectante está formada normalmente por espejos de vidrio aunque
también se han empleado superficies reflectantes de películas poliméricas de alta
reflectancia. El mayor inconveniente para la introducción de esta última tecnología es su
menor durabilidad.
Además, cada helióstato convencional está formado por múltiples módulos de espejos,
llamados facetas, las cuales presentan una ligera curvatura esférica.
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Figura 2.1
Según diversos factores a la hora de tener en cuenta en el diseño, la distribución del
campo de heliostatos puede ser de dos formas: distribución central u orientada al
norte/sur (Figura 2.2).
Figura 2.2
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Receptor
Se trata del elemento de una planta termosolar en el que se produce la transformación
de radiación directa solar en energía térmica, normalmente en forma de un incremento
entálpico en un fluido de trabajo. Conceptualmente, interesa que dicho elemento posea
elevada absortancia a bajas longitudes de onda para retener la máxima radiación
posible. Mientras que en longitudes de onda larga, es conveniente que tenga la mínima
emitancia factible, para minimizar las pérdidas por transmisión de calor con el medio
que le rodea.
En los sistemas de receptor central, el receptor está compuesto de una torre, un cuerpo
absorbedor y de otros elementos auxiliares tales como un calderín o sistemas de
recirculación. En lo alto de esta estructura vertical se encuentra el cuerpo absorbedor
cuya función principal es la de transferir la energía térmica concentrada a un fluido de
trabajo. Enumero a continuación las diferentes tipologías de cuerpos absorbedores que
se pueden encontrar en la actualidad:
Externo: Se trata de un banco de tubos metálico desnudo sobre el que incide la
radiación solar directa procedente del campo de heliostatos. Se trata del diseño
más básico posible cuya principal desventaja es que tiene elevadas pérdidas
térmicas a través de dos de los tres mecanismos de trasferencia de calor:
radiación con el ambiente y convección con el aire.
De cavidad: Se trata de una versión mejorada del anterior en el que el banco de
tubos está dentro de una cavidad que lo aísla parcialmente del exterior.
Naturalmente en este caso las pérdidas térmicas por radiación y convección
disminuyen, aunque tanto en este caso como en el anterior la temperatura
máxima se da en la pared superficial exterior, lo cual sigue contribuyendo a que
existan mayores pérdidas térmicas.
Volumétrico: Se trata de una mejora del caso anterior en el que nuestro banco de
tubos cubierto se sustituye por un cuerpo volumétrico poroso compuesto por una
matriz metálica o cerámica. Sobre dicha matriz, cuyos poros deben estar
orientados hacia los rayos solares, incide la radiación solar y además, penetra el
aire que refrigera las superficies exteriores, con lo que así, aumenta el flujo calor
hacia el interior la matriz. Es por lo que en este caso, la temperatura máxima se
localiza en la pared interior del absorbedor, hecho que minimiza
considerablemente las pérdidas térmicas de éste.
Partículas sólidas: Se trata de un tipo de absorbedor que usa partículas sólidas
como fluido mismo para absorber la radiación solar. De esta forma se evitan
problemas de picos de temperatura y se esperan mejoras en la eficiencia de la
absorción. Lamentablemente a pesar del hecho de que hay estudios que avalan
su implementación tecnológica, éstos están basados en experiencias a pequeña
escala.
Veamos una imagen aclaratoria de cada tipo de receptor (Figura 2.3).
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Figura 2.3
Una vez transformada la radiación solar directa en energía térmica, ésta es transferida al
fluido de trabajo, que será el encargado de accionar el ciclo termodinámico de la
tecnología termosolar en cuestión. Dicho fluido, que no puede ser cualquiera, deberá
reunir una serie de características deseables tales como buenas propiedades térmicas
(elevada capacidad calorífica y conductividad), buenas propiedades mecánicas
(densidad y viscosidad), poca peligrosidad (poca corrosividad, explosividad, toxicidad e
inflamabilidad) y bajo coste económico.
Típicamente en los sistemas de receptor central se puede usar aire, agua o sales fundidas
como fluido de trabajo. Recientemente, diversas fuentes de investigación están
sugiriendo el uso de metales fundidos o CO2, debido a sus excelentes propiedades
térmicas y mecánicas. Volveremos más adelante a esto último ya que uno de estos
fluidos podrá ser candidato para ser utilizado en el generador objeto de este proyecto.
Máquina térmica: Ciclo Rankine
Termodinámicamente se conoce como máquina térmica a aquel sistema capaz de
transformar calor (o energía térmica) en trabajo (o energía eléctrica). Gráficamente, el
esquema teórico de una máquina térmica sería (Figura 2.4).
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Pudiéndose apreciar en la imagen que la
máquina térmica —situada entre un foco
caliente y un foco frío— produce un
trabajo (W) derivado de la fluencia
natural de calor (Q) desde el foco
térmico más caliente hacia el más frío,
verificándose de este modo el Segundo
Principio de la Termodinámica.
Además, es conocido el hecho de que
todos ciclos de conversión de calor en
trabajo están limitados por el
rendimiento de la Máquina de Carnot,
cuya expresión matemática viene dada
por:
Figura 2.4
Donde Tf y Tc es la temperatura del foco frío y caliente respectivamente. Pudiéndose
representar este ciclo termodinámico ideal en el siguiente diagrama temperatura-
entropía (T-S) (Figura 2.5).
Figura 2.5
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Siendo las líneas D-C y A-B, el foco frío y caliente respectivamente. Notar además que,
aunque dicho ciclo no es tecnológicamente implementable, sirve de referencia para
estudiar el límite teórico o termodinámico en el estudio de los ciclos de los sistemas
reales. En otras palabras, la máquina de Carnot es aquella máquina térmica ideal cuyo
rendimiento sirve de límite máximo de mejora, en el análisis termodinámico de una
máquina térmica real.
En el terreno de los ciclos reales de máquinas térmicas, uno de los más importantes es el
ciclo que caracteriza a los sistemas termosolares de receptor central en su estado actual
de desarrollo: el ciclo Rankine. Veamos una descripción básica e ideal del mismo
(Figura 2.6).
Figura 2.6
En el diagrama T-S anterior se pueden diferenciar una serie de puntos característicos
dentro del ciclo, sean: 1 (líquido saturado), 1’ (líquido subenfriado), 2 (líquido
saturado), 3 (vapor saturado), 3’ (vapor sobrecalentado) y 4 (vapor saturado). Y a su
vez, entre dichos puntos existen las siguientes transformaciones termodinámicas:
1-1’: Compresión isentrópica a través de una bomba.
1’-2: Aumento entálpico por aportación de calor desde el foco caliente.
2-3: Aumento entálpico (cambio de fase) por aportación de calor desde el foco
caliente.
3-3’: Aumento entálpico (sobrecalentamiento) por aportación de calor desde el
foco caliente.
3’-4: Expansión isentrópica a través de una turbina que genera trabajo útil.
4-1: Condensación a través de un condensador por aportación de calor hacia el
foco frío.
Y así, se repetiría el ciclo sucesivamente. De donde la construcción elemental del ciclo
ideal quedaría del siguiente modo (Figura 2.7).
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Figura 2.7
Finalmente, por aplicación directa de la máquina de Carnot (ciclo ideal) sobre el ciclo
Rankine (ciclo real), se tiene que el rendimiento interno de un ciclo Rankine real se
puede aproximar por el llamado rendimiento equivalente de Carnot:
Siendo la , la temperatura de cesión de calor correspondiente a la línea que une los
puntos 4 con 1, de los diagramas anteriores. Y , la temperatura media de aportación
de calor ya que —al ser el ciclo Rankine un ciclo real— el proceso de adición de calor
al sistema no se realiza a temperatura constante (líneas que unen 2 a 3’).
Por lo tanto el rendimiento de un ciclo real será siempre menor que el rendimiento del
ciclo de Carnot, lo cual verifica también, el segundo principio de la Termodinámica. Es
por esto por lo que las pérdidas del ciclo ideal con respecto al ideal, se engloban en:
Pérdidas energéticas —debidas a la transmisión de calor hacia el entorno—
Pérdidas exergéticas —debidas a la irreversibilidad interna de los componentes
físicos de la instalación (maquinaria no ideal)—
Otros Elementos
Además de los elementos anteriormente presentados, en una central termosolar de
receptor central existen otros, no menos importantes, como son:
El sistema de control: Fundamental para gobernar los arranques y paradas
diarios, así como la regulación automática de cualquier variable de la planta.
Debe de estar integrado en el diseño global de una planta termosolar.
El sistema de almacenamiento térmico: Importante sistema que guarda una parte
del calor aportado durante el día, para extender la generación eléctrica a horas
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donde no haya radiación solar directa (ya sea en horas nocturnas o intervalos
nubosos).
El sistema auxiliar: Se trata de una agrupación de elementos que ayudan a los
principales componentes de la planta para que realicen sus funciones
correctamente. Algunos de estos componentes son:
o Equipos de refrigeración.
o Suministro auxiliar de potencia.
o Suministro y almacenamiento de agua.
o Sistema de aire comprimido.
o Instalaciones de protección contra incendios.
Factores atenuantes de la eficiencia de la planta
Una vez presentados los elementos esenciales que construyen una planta de receptor
central solo queda mostrar una serie de factores que merman el rendimiento global de
este tipo de tecnología termosolar.
Pérdidas por factor coseno: Se trata de un factor atenuante que cuantifica las
pérdidas causadas por la inclinación del eje óptico del heliostato en relación a la
trayectoria de los rayos solares. Estas pérdidas son proporcionales al coseno del
ángulo formado por la dirección de incidencia de la radiación, con la normal de
la superficie reflexiva en el centro del heliostato (Figura 2.8). Este tipo de
pérdidas son las mayores que se producen en este tipo de tecnología, siendo su
valor promedio el 20% de la potencia reflejada por el campo de heliostatos,
aunque en líneas generales depende fuertemente de su configuración.
Figura 2.8
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Pérdidas por sombras: Este tipo de pérdidas engloban a las sombras proyectadas
en los heliostatos por la torre, otros heliostatos o cualquier tipo de elemento. No
suelen superar el 1% de la radiación directa reflejada.
Pérdidas por bloqueos: Este tipo de pérdidas —también del 1% sobre el total
reflejado— ocurren cuando uno o varios heliostatos vecinos interceptan los
rayos solares reflejados por otros heliostatos, impidiendo que lleguen al
receptor.
Pérdidas por reflectividad: Están relacionadas con la no reflexión total de la
radiación solar directa incidente sobre el heliostato. Esto es debido a que una
parte de ésta es absorbida por el heliostato, ya que o bien pueda tener partículas
en su superficie, o esté construido con un material de una determinada
reflectividad.
Pérdidas por atenuación atmosférica: Lógicamente, al ser el aire un medio
participativo, existen pérdidas por absorción y dispersión en el camino efectuado
por el rayo reflejado hasta el receptor central. Dichas pérdidas son directamente
proporcionales a la distancia entre heliostato-absorbedor y a la cantidad y
características de las partículas que contenga la atmósfera en ese momento.
Pérdidas por spillage: También conocidas como pérdidas por desbordamiento de
flujo, este tipo de pérdidas están originadas por la necesidad de redistribuir el
flujo de radiación incidente en el receptor para disminuir los picos de radiación
en el mismo. Una vez redistribuida la radiación en el receptor, se originan una
serie de desbordamientos del flujo circundantes a la zona receptora poniéndose
de manifiesto así, un flujo radiante no aprovechado —del orden del 5% de la
radiación reflejada por el campo solar, pudiéndose incrementar por la acción de
otros factores—.
Pérdidas por transmisión de calor en el receptor: Es bien conocido por la física
que los tres mecanismos de transmisión de calor que existen en la naturaleza son
conducción, convección y radiación. Por lo tanto, a través de ellos aparecerán
una serie de pérdidas térmicas en el receptor. Veámoslas.
o Pérdidas por conducción: Se originan desde el cuerpo absorbedor hasta los
elementos estructurales que lo soportan, siendo proporcionales a la
diferencia de temperatura de ambos.
o Pérdidas por convección: Se originan desde el cuerpo absorbedor hasta el
aire que lo rodea, siendo proporcionales a la diferencia de temperatura de
ambos.
o Pérdidas por radiación
Pérdidas por emisión: Pérdidas ocasionadas por la emisión de
radiación del cuerpo absorbedor debido a la cantidad de energía
térmica que posee. Dependen de la temperatura y de la
emisividad del cuerpo absorbedor.
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Pérdidas ópticas (por reflexión): Dependen de la absortancia del
cuerpo absorbedor. De este modo, la fracción no absorbida por
éste será reflejada al exterior.
Hasta aquí el repaso de los sistemas termosolares de receptor central, objeto
imprescindible para comprender la singular fusión de tecnologías características de la
instalación MHD-solar en la parte final del presente proyecto. En el próximo capítulo se
procederá a presentar la física MHD a través del análisis de todas las disciplinas que la
integran.
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Capítulo 3. Fundamentos físicos de MHD
Se define a la magnetohidrodinámica o MHD como la rama multidisciplinar de la física
que se encarga de estudiar la dinámica de fluidos conductores de electricidad en
presencia de campos electromagnéticos. La génesis de la palabra reside en magneto- (o
campo magnético), -hidro- (o líquido) y -dinámica (o movimiento).
El principio de la magnetohidrodinámica es la inducción de corriente eléctrica que los
campos magnéticos ejercen sobre un fluido conductor en movimiento a cambio de la
aparición de una fuerza que actúa en dirección contraria dicho movimiento. Veamos el
siguiente dibujo para aclarar la comprensión de este efecto (Figura 3.1).
Figura 3.1
La explicación de este fenómeno reside en la Ley de Faraday-Lenz. Sin embargo, para
poder comprender su aplicación en fluidos conductores de la electricidad es
imprescindible realizar antes varios incisos de física multidisciplinar.
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Fundamentos de electromagnetismo
Se conoce como fuerza magnética a una parte de la fuerza electromagnética total o
fuerza de Lorentz. Su expresión matemática es:
Siendo para el primer y segundo productos, la parte eléctrica y magnética de la fuerza
respectivamente. Con q y , la cantidad y velocidad de las cargas en circulación; y , los campos eléctricos y magnéticos respectivamente.
Centrando nuestra inspección en la parte
magnética se tiene:
Siendo q, la cantidad de carga eléctrica en
circulación; , el vector que indica el sentido de
dicha circulación y , el vector que indica el
sentido del campo magnético. Todos ellos
ortogonales entre sí (Figura 3.2).
Figura 3.2
Una vez analizada la fuerza magnética, estamos en disposición de recordar la aplicación
de la Ley de Faraday-Lenz para conductores sólidos en movimiento (por ejemplo, una
espira ideal), en presencia de un campo magnético constante.
Sea una espira ideal que, moviéndose a cierta velocidad, penetra en una región del
espacio dominada por un campo magnético constante. Entonces sobre dicha espira, se
inducirá, una determinada cantidad de corriente eléctrica —también conocida como
fuerza electromotriz
inducida—
proporcional a la
velocidad del
conductor. Dicha fuerza
electromotriz inducida
es el fruto del aumento
(o disminución) del
flujo magnético sobre
el conducto, hecho
conocido como Ley de
Faraday (Figura 3.3).
Figura 3.3
29
Esto en apariencia podría violar el Primer Principio de la Termodinámica o Principio de
Conservación de la Energía, ya que de esta forma podríamos hacer circular un
conductor para obtener corriente eléctrica proporcional a la velocidad del mismo, y
además dispondríamos de la energía cinética de dicho conductor para otros usos. Esta
aparente contradicción se salva a través de la Ley de Lenz cuyo enunciado complementa
el efecto descrito por la Ley de Faraday. Según la Ley de Lenz, las tensiones o voltajes
inducidos sobre un conductor y los campos eléctricos asociados son de un sentido tal
que se oponen a la variación del flujo magnético que las induce. En otras palabras,
cuando en nuestra espira anterior se induce corriente eléctrica, ésta presenta una
circulación tal que se opone al aumento (o disminución) de flujo magnético, lo que
ocasiona la aparición de una fuerza magnética cuyo sentido es contrario al movimiento
del conductor, que lo intenta frenar, restándole la misma cantidad de energía cinética,
que es inducida en forma de electricidad. De esta forma se salvaguarda el Principio de
Conservación de la Energía.
Al enunciado conjunto de las anteriores leyes, se las conoce como Ley de Faraday-Lenz
la cual, matemáticamente puede expresarse como:
Pudiéndose obtener su versión diferencial a través del teorema de Stokes:
Siendo ésta última una de las cuatro ecuaciones de Maxwell que unifican el
electromagnetismo.
Hemos visto hasta ahora cómo se podría generar corriente eléctrica a partir del
movimiento de un conductor sólido en presencia de un campo magnético constante,
pero ¿qué ocurre cuando nuestro conductor es un fluido en vez de un sólido? Será
preciso ahora saltar de disciplina para explicar, al menos de forma básica, los principios
de la mecánica de fluidos.
Fundamentos de mecánica de fluidos
Sea un fluido genérico que se mueve libremente por un espacio tridimensional, entonces
tomando un volumen de control en una región diferencial del mismo para aplicar los
Principios de Conservación de la Mecánica y de la Materia, se obtienen las siguientes
ecuaciones integrales:
30
Ecuaciones llamadas de Continuidad Másica y de Navier-Stokes (o de Cantidad de
Movimiento) respectivamente.
Y a través de ciertas consideraciones matemáticas, principalmente aquella en la que los
esfuerzos tangenciales guardan una relación lineal con el gradiente de velocidad (Ley de
Viscosidad de Newton), se obtiene la formulación diferencial de dichas ecuaciones:
.
Ya que es más útil para la resolución de los problemas que se plantean en la mecánica
de fluidos y en ingeniería en general.
Fundamentos de electrotecnia
La Ley de Ohm establece que la intensidad de corriente que circula entre dos puntos de
un circuito eléctrico es proporcional a la tensión eléctrica entre dichos puntos. Dicha
proporción viene dada por la conductividad eléctrica, la cual es inversa de la resistencia
eléctrica. Por lo tanto, la intensidad de corriente que circula por un circuito es
directamente proporcional a la tensión aplicada e inversamente a la resistencia del
mismo. Matemáticamente podemos modelar este comportamiento a través de la
siguiente expresión:
Donde, I es la corriente que pasa a través del objeto en amperios, es la tensión entre
las bornas del objeto; es la conductividad del medio y es la resistencia.
Específicamente, la Ley de Ohm dice que en esta relación es constante,
independientemente de la corriente.
Esta expresión es ampliamente usada en el mundo eléctrico para la resolución de
circuitos, sin embargo, sería conveniente obtener una expresión más global, que modele
este comportamiento no solo en un circuito, sino en cualquier material conductor de la
electricidad.
De este modo, una expresión equivalente de la Ley de Ohm expresada de forma
diferencial para un flujo en movimiento de portadores de carga en un conductor
eléctrico, quedaría:
31
Siendo, J la densidad de corriente eléctrica (relacionada con la intensidad I) y E el
campo eléctrico (relacionado con la tensión) (Figura 3.4).
Figura 3.4
Además, si a esto le añadimos el efecto un campo magnético, la Ley de Ohm quedaría:
Siendo, u la velocidad de los portadores de carga y B la densidad de campo magnético
incidente. Expresión conocida como Ley de Ohm Generalizada.
La Ley de Ohm debe entenderse como un resultado fenomenológico que explica el
comportamiento de muchos materiales en relación con el transporte de carga al ser
sometidos a un campo. En otras palabras, no tiene un carácter universal como el de las
ecuaciones de Maxwell en el vacío. Una ley de este tipo se denomina relación
constitutiva. A los materiales que verifican esta ley, y para los que por tanto se puede
definir una conductividad, se les denomina medios óhmicos.
Quedan vistos hasta ahora, los fundamentos físicos necesarios para comprender en su
totalidad la magnetohidrodinámica. Veamos ahora cómo dichos fundamentos
interdisciplinares se combinan entre sí, para estar en disposición de modelar nuestro
generador de energía magnetohidrodinámico.
Fundamentos de magnetohidrodinámica
Sea un fluido newtoniano (de viscosidad constante en el tiempo), conductor de la
electricidad que fluye a cierta velocidad a través del seno de un campo magnético.
Entonces, sobre un volumen diferencial de dicho fluido se deberán cumplir
simultáneamente el siguiente paquete de ecuaciones diferenciales en derivadas
parciales:
a) Las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo
b) La ecuación de Continuidad Másica y de Navier-Stokes de la mecánica de
fluidos
c) La Ley de Ohm Generalizada de la electrotecnia
32
Las cuales, respectivamente, constituyen el siguiente sistema de ecuaciones
diferenciales en derivadas parciales:
________________________________________
.
________________________________________
Notar que la fuerza magnetohidrodinámica se ha incluido en la ecuación de
Navier-Stokes y que en la Ley de Ampere se ha despreciado la corriente de
desplazamiento
pues se trata una buena aproximación de los fenómenos no relativistas del
comportamiento de un líquido inercial. A menudo son requeridas simplificaciones
adicionales para poder resolver este sistema de ecuaciones. Por ejemplo, en problemas
cuasi-estacionarios los términos diferenciales dependientes del tiempo pueden
despreciarse.
El sistema de ecuaciones anterior es bastante completo ya que no solo modela los
comportamientos asociados al electromagnetismo o la mecánica de fluidos, sino que
además, describe fenómenos magnetohidrodinámicos no vistos en ninguna otra
disciplina de la física.
Pero antes de plantear el modelado de la central de cogeneración MHD con aporte solar,
parece lógico conocer las diferentes tipologías de generadores MHD que pudieran
construirse, cometido reservado para el próximo capítulo.
33
Capítulo 4. Tipología de generadores MHD
Un generador magnetohidrodinámico genérico es un dispositivo que es capaz de generar
energía eléctrica a través de la interacción de un fluido eléctricamente conductor —
usualmente metal fundido o gas ionizado— en un campo magnético. Además, al no
poseer partes móviles, se mejora la eficiencia de conversión (% de extracción entálpica
o electricidad generada / input térmico) y aparece la posibilidad de trabajar con
temperaturas mayores que en las máquinas térmicas convencionales (turbinas).
Sea el siguiente generador magnetohidrodinámico genérico (Figura 4.1).
Figura 4.1
Como se explicó previamente, el principio de generación de energía es elegantemente
simple. Sea un determinado fluido eléctricamente conductor que es calentado por medio
de un foco caliente aumentando así su energía térmica. Dicha energía térmica —al igual
que ocurre en otros sistemas de conversión de potencia— se transforma en energía
cinética, acelerándose de esta forma el fluido de trabajo. Con lo que posteriormente
dicho fluido acelerado penetraría en el canal del generador magnetohidrodinamico
transformando una buena parte de la energía cinética en electricidad, a través de la Ley
de Faraday-Lenz.
Veamos ahora, en primera aproximación, cada una de las tres tipologías tecnológicas de
generadores magnetohidrodinámicos existentes: Generador Faraday, Generador Hall y
Generador de Disco.
Generador Faraday
El generador Faraday está compuesto de un canal de sección rectangular creciente
fabricado de un material no conductor de la electricidad (Figura 4.2). Cuando —en
presencia de un campo magnético perpendicular— el fluido eléctricamente conductor
34
fluye en su interior, una determinada cantidad de carga es inducida en su interior, que
puede ser transformada en energía eléctrica a través de unos electrodos (sombreados en
la imagen) conectados perpendicularmente al campo magnético.
El principal problema de este tipo de generadores es que las tensiones, y por lo tanto, las
corrientes inducidas en los electrodos, no son muy elevadas. Esto es causado por el ya
citado Efecto Hall. Veamos a continuación en qué consiste.
Figura 4.2
Según este efecto, cuando por un material conductor eléctricamente conductor —en
presencia de un campo magnético— circula una cierta corriente eléctrica, se comprueba
que aparece una cierta reorganización dipolar entre los portadores de carga de dicho
material (Figura 4.3). Organización dipolar denominada Campo Eléctrico Hall.
Figura 4.3
35
Este efecto añadido a nuestro generador magnetohidrodinámico incurriría en lo
siguiente (Figura 4.4).
Figura 4.4
Como podemos ver en la imagen, el Campo Eléctrico Hall, desliza la corriente eléctrica
inducida de tal forma que no toda ella es aprovechable, siendo la corriente eléctrica neta
inducida menor que la corriente eléctrica bruta generada.
Y este efecto, aplicado en la configuración de un generador de Faraday ocasiona que
éste, sea bastante ineficiente. El siguiente generador que vamos a ver, intentará superar
este problema para obtener mayores valores de extracciones entálpicas.
Generador Hall
Este tipo de generador —construido también con materiales no conductores— presenta
un mayor % de extracción entálpica que el anterior en relación a las pérdidas causadas
por el efecto Hall ya que en este caso, se colocan una gran cantidad de pequeños
electrodos a cada lado del conducto, donde el primer y último electrodo son los
encargados de alimentar la carga (Figura 4.5).
Figura 4.5
Como se ha comentado, las pérdidas en este tipo de generador son menores que en el
generador de Faraday ya que es capaz de generar una mayor cantidad de corriente
eléctrica. Sin embargo, este diseño presenta problemas causados por el hecho conocido
36
de que, a medida que el flujo de trabajo avanza por el conducto, se frena. Y este
fenómeno combinado con que para generar corriente se necesita una velocidad mínima
de flujo de trabajo, resulta en provocar un desalineamiento en las corrientes de Faraday
con los electrodos que están destinados a atraparlas, volviendo así, la eficiencia del
generador muy dependiente con la carga.
Generador de disco
El tercer y más eficiente generador MHD es el de disco. Este generador —también
construido con materiales no conductores— mantiene los mayores ratios obtenidos en
eficiencia y densidad energética hasta la fecha. Este generador se caracteriza por el
hecho de que el fluido fluye en una especie de conducto radial (Figura 4.6). De esta
forma las corrientes inducidas fluyen en dirección radial entre las coronas concéntricas
del conducto circular.
Figura 4.6
Como se ha comentado, este tipo de generador es el más eficiente hasta la fecha por las
siguientes razones:
A causa de que el flujo es tratado en el interior de un disco, el campo magnético
presenta un mayor contacto con el fluido por lo que su efecto sobre éste es
naturalmente mayor.
Por presentar una elevada densidad energética, esto es, la potencia generada en
relación con el reducido tamaño del generador. Y además como consecuencia
directa de esto, el electroimán requerido será de menor tamaño.
Una vez mostradas las diferentes tipologías de generadores MHD, parece lógico
conocer ahora cómo dichos generadores podrían implantarse en plantas de potencia
reales para la generación de energía eléctrica a gran escala. Es por ello, por lo que en el
próximo capítulo se aborda uno de los pilares centrales del presente proyecto: una
profunda revisión de las más relevantes plantas de potencia MHD que se han estado
construyendo en el mundo desde el nacimiento de la Magnetohidrodinámica, en 1832.
37
Capítulo 5. Estudio del Estado del Arte de
generadores MHD
Intuyendo una idea
Fue el 13 de Enero de 1832 —curiosamente el mismo día,
156 años antes del nacimiento del autor del presente
proyecto—, cuando el físico Michael Faraday (Figura 5.1)
reconoció la posibilidad de utilizar un fluido conductor en
lugar de un sólido conductor para generar energía eléctrica.
Para demostrar esto —y con el permiso del Rey de
Inglaterra— realizó un sencillo experimento desde el puente
de Waterloo (Figura 5.2). Sumergió dos electrodos en el río
Támesis de Londres, conectados por un galvanómetro, para
que de esta forma el agua del río en movimiento —además de
ser eléctricamente conductora— produzca una corriente
eléctrica inducida debido a la acción transversal del campo
magnético terrestre. El experimento arrojó buenos resultados
y quedo inmortalizado en el diario manuscrito de Michael Faraday: Being the Various
Philosophical Notes of Experimental Investigations', 1820 -1862. Vol.l,f 311 - 315,
dated January 13, 1832:
JANY. 13, 1832
311. Experimented again at the river between 11 and 1
o'clk at Waterloo bridge. Tide running down fast, i.e.
from West to East. Used plates of platina about 10 inches
square (one was the other) instead of copper plates:
copper wires were soldered to them as before and the
plates were clean and brush(ed) and ignited before being
taken from home-quite metallic.
312. The horizontal wire was now stretched from the
second pier to the seventh and extended over the five
middle arches; its length was about 700 feet long and there were two arches at each
end between the platina plates and the banks of the river. The platina plates being
connected as before were lowered, and kept under water by iron weight attached to
them at a distance by string.
313. When contact was made there was plenty of electricity like last night. When
connected as in the figure the marked pole of needle went east and was held there. Two
or three making and breakings of contact swung it round. On making contact therefore
current of electricity was in wire as marked, and therefore from north to south through
the water, but as latter moved from west to east I expected the opposite current.
314. Then went along the wires to see they did not touch the iron gas pipes anywhere. In
contact with the Granite only all the way. Took off the iron weights and let the platina
float on the surface of the stream. Still the effect was as great as before and the
direction the same.
315. Took up the plate and wire at the south end of the line. It was the square soldered
plate. The other plate at the north end was the irregular jagged new plate. Brought the
38
former or square plate to the same pier as the other and put them both in the water near
together. On making contact there was a deflection, weaker than the former, but yet
marked pole of needle went east as before.
Después de varios experimentos más, Faraday presentó sus resultados durante una
conferencia en la Royal Society de Londres denominada Experimental Research in
Electricity. Sus palabras acerca su descubrimiento fueron:
(…)When the general facts described in the former paper were discovered, and the laws
of magnetoelectric induction relative to direction was ascertained, it was not difficult to
perceive that the earth would produce the same effect as a magnet, and to an extent that
would, perhaps, render it available in the construction of new electrical machines (…).
Unos años más tarde, 1855-1864, el físico británico James
Clerk Maxwell (Figura 5.3) logró unificar en una serie de
elegantes expresiones —las famosas Ecuaciones de
Maxwell— todos los resultados de la experimentación
electromagnética que habían tenido lugar hasta la fecha y que
lograban predecir el comportamiento de los campos
electromagnéticos de forma rigurosa y general. Aunque esta
serie de ecuaciones generales no modelaban el fenómeno
MHD en concreto, formaban la base teórica para el estudio de
los futuros generadores magnetohidrodinámicos y de la
electrotecnia en general. De ahí que en 1931, en aniversario de
los 100 años del nacimiento de Maxwell, el físico Max Planck escribiera sobre él:
It was his task to build and complete the classical theory and in so doing achieved
greatness unequalled. His name stands magnificently over the portal of classical
physics, and we can say this of him: By birth James Clerk Maxwell belongs to
Edinburgh, by his personality, he belongs to Cambridge, by his work he belongs to the
whole world.
Quince años después, en 1879, el físico Edwin Herbert Hall descubrió, a la edad de 24
años, un efecto electromagnético que tendría una gran influencia en el desarrollo de los
futuros generadores MHD que estaban por llegar: El efecto Hall, ya descrito en el
capítulo anterior.
En 1920, el físico Meghnad Saha enunció su pionera Teoría de la Ionización Térmica y
su exitosa aplicación para explicar los espectros de las estrellas, sentó las bases
matemáticas de la astrofísica. Además, teniendo en cuenta que uno de los posibles
fluidos de trabajo de los generadores MHD puede ser gas ionizado, Saha contribuyó así
al desarrollo de los primeros generadores MHD de ciclo abierto con gas ionizado que
estaban próximos a crearse.
A partir de este punto —siguiendo un hilo conductor cronológico y geográfico— se
presentarán las 3 tipologías tecnológicas de ciclos MHD: ciclo abierto, ciclo cerrado y
ciclo LM-MHD.
39
Ciclo abierto MHD
Tuvieron que pasar más de 100 años desde aquella experiencia de Michael Faraday en
el puente de Waterloo para que, en 1938-1944, el ingeniero húngaro Bèla Karlovitz del
Westinghouse Research Laboratory de Pittsburgh, Pensilvania (Figura 5.4), continuara
con los experimentos de generadores MHD.
Figura 5.4
Desafortunadamente estos ensayos no produjeron los niveles de generación de energía
esperados debido a la baja conductividad del fluido de trabajo utilizado (en este caso un
gas) y al escaso conocimiento de la física de plasma en la época. Casi 50 años más tarde
Karlovitz describiría su pensamiento sobre la ionización térmica de la época:
“In our early studies with Dr Denes Halasz (Budapest 1933), we considered the use of
low ionization potential additives, like potassium, for generation of thermal ionization
in combustion gases. However, according to the results of our calculations based on
Saha’s equation, this did not appear practical at the low end temperature of the thermal
cycle. To overcome the difficulty, we proposed non-equilibrium ionization of the gas
stream with electron beams. It was realized only years later in our experimental work,
that nonequilibrium ionization is not applicable to combustion products. Also, uniform
distribution of electron beam ionization over the cross section of the gas stream could
not be achieved. Therefore, during the latter part of our experimental work, we used
potassium salts to increase the uniform ionization of the gas stream.”
Sin embargo, el trabajo del equipo de Karlovitz y Halasz, así como su primera patente
sobre un generador MHD (Figura 5.5) —“Process for the conversion of energy and
apparatus for carrying out the process”, United States Patent No. 2,210,918 of August
13, 1940— fueron clave para lanzar las posteriores investigaciones a finales de 1950.
Este hecho fue un importante evento en la historia del desarrollo de la tecnología MHD.
40
Figura 5.5
41
En Abril de 1960, y tras varios años de ensayos de corta duración, el Dr. Richard J.
Rosa, bajo la tutela del fundador del AVCO Everett Research Laboratory de
Massachusetts —el Dr. Arthur Kantrowitz— fue el pionero en usar plasma dopado con
carbonato potásico como fluido de trabajo. De esta forma se elevaba la conductividad
eléctrica del gas, con lo que el generador produjo un total de unos 10 kW durante 10
segundos, estableciendo así la viabilidad del principio tecnológico MHD. Un esquema
del generador y de los resultados de este histórico experimento se muestran a
continuación (Figuras 5.6 y 5.7).
Figura 5.6
Figura 5.7
42
Ahora bien, se puede observar que el generador MHD anterior presenta ciertas
similitudes con un ciclo abierto de Turbina de Gas. Recordemos que un ciclo de Turbina
de Gas constaba de:
Compresor de aire —en ocasiones precalentado—
Cámara de combustión —alimentada con combustible fósil—
Turbina —cuyos gases de combustión se expulsan al ambiente—
Sin embargo, lo novedoso de la tecnología MHD es la posibilidad de sustituir la turbina
del ciclo clásico por un electroimán MHD, que es capaz de generar energía eléctrica en
ausencia de partes móviles, consiguiendo así, menores costes de fabricación y/o
operación y un funcionamiento más fiable.
Con lo que, el primer generador MHD de ciclo abierto patentado, y sucesivos en los
años venideros constaban, en términos generales, de:
Compresor de aire precalentado o aire enriquecido de oxígeno
Inyector de elementos dopantes (seeding) —para elevar la conductividad
eléctrica del plasma gaseoso—
Cámara de combustión —que, alimentada con combustible fósil, se encargaba
de acelerar la mezcla de gases de combustión ionizados, alcanzándose
temperaturas de entre 2000 y 3000 K—
Electroimán MHD —cuyos gases de combustión se expulsan al ambiente—
Intercambiador de calor —para ceder calor para otro uso industrial o accionar un
ciclo de cola de vapor (ciclo combinado MHD…) —
Para facilitar la comprensión de lo anterior, se adjunta a continuación un esquema
genérico de lo que sería una planta de ciclo abierto MHD con un ciclo de cola de vapor
(Figura 5.8):
Figura 5.8
43
El comienzo de la cooperación internacional
Con el objetivo de promover un foro internacional para revisar los resultados y avances
de la novedosa tecnología MHD, el Dr. B.C. Lindley y sus asociados del International
Research and Development Company (Reino Unido) organizaron la Primera
Conferencia Internacional de Generación de Energía Eléctrica MHD, en 1962, en
Newcastle upon Tyne. A partir de entonces se creó el grupo independiente ILG-MHD
(International Liaison Group on MHD), que decidió organizar una serie de conferencias
internacionales cada cuatro años que —contando con el apoyo de multitud países y la
UNESCO, entre otros patrocinadores— tenían el objeto de realizar revisiones en las
diferentes líneas de investigación de MHD que estaban teniendo lugar en el panorama
internacional.
Unión Soviética
En 1963, bajo el liderazgo del académico Alexander Efimovich Sheindlin, el Institute of
High Temperatures (IVTAN) de la Academia de Ciencias de la antigua Unión
Soviética, construyó la primera planta piloto experimental del mundo —la U-02— en
Moscú. Se considera a Alexander Sheindlin como el padre del desarrollo moderno
MHD y fue condecorado por el presidente del Grupo Liaison con la primera Medalla
Faraday, durante la Octava Conferencia Internacional de Generación de Energía
Eléctrica MHD que tendría lugar el 16 de Septiembre de 1983 en Moscú (Figura 5.9).
Figura 5.9
La planta piloto U-02, de ciclo abierto, fue inaugurada en Abril de 1965 y obtuvo una
generación de energía de 0.2 kW. A partir de entonces numerosas investigaciones
fueron llevadas a cabo en dicha planta, las cuales tuvieron un valor incalculable en el
desarrollo de la tecnología MHD de la época. En 1967, continuos ensayos y mejoras en
la planta elevaron la generación de la U-02 hasta 75 kW.
44
En consecuencia a la creación de la primera planta piloto experimental mundial U-02,
varios países, incluyendo EE.UU., Israel, China, Japón e India, crearon sus propias
plantas experimentales con fines de investigación. En la Unión Soviética se proyectaron
y construyeron otras nuevas plantas experimentales como parte del programa soviético
de I+D de MHD. La planta K-1, en el departamento Modeling of Energy Problems de la
Academia de Ciencias de Ucrania. Y las plantas M-10 y la M-25, del Krzhizhanovsky
Power Research Institute and Estonian Energy Trust (Riga, Estonia).
Por lo tanto la construcción de la pionera planta U-02 es otro de los puntos de inflexión
clave en el desarrollo de la tecnología MHD.
Durante la Cuarta Conferencia Internacional de Generación de Energía Eléctrica MHD
en Varsovia en Julio de 1968, el representante de la Unión Soviética, el académico
Alexander Sheindlin, anunció que su país se disponía a construir la primera planta
piloto industrial MHD. Dicha planta, que estaba basada en la exitosa U-02, también era
de ciclo abierto, y estaba alimentada con gas natural. En 1975, el Institute of High
Temperatures inauguró en Moscú la citada planta denominada U-25 (Figura 5.10) cuya
potencia ascendía a 75 MW (25 MW de MHD y 50 MW de ciclo de vapor).
Figura 5.10
En la imagen de la página siguiente puede verse un listado con los parámetros
principales de operación de la central U-25. (Figura 5.11).
Notar además, que la planta arrojaba un buen rendimiento global, del 33%, en la
operación conjunta de los ciclos MHD abierto y de turbina de vapor.
45
Figura 5.11
46
Cuyo esquema general de la planta era (Figura 5.12).
Figura 5.12
47
A continuación se muestran dos fotografías de exterior de la planta piloto U-25
(Figuras 5.13 y 5.14).
Figura 5.13
Figura 5.14
48
En las dos siguientes fotografías se pueden ver reflejadas la instalación del imán
superconductor en el canal de bypass MHD y el tablero de control de la planta U-25
(Figuras 5.15 y 5.16).
Figura 5.15
49
Figura 5.16
A finales de los 70, se anunció que la planta soviética U-25 había llegado a operar 100
horas de forma continua suministrando 3 MW de promedio procedente del ciclo MHD a
la red eléctrica de Moscú. En años posteriores, llegó a generar un pico energético de 25
MW durante ensayos de corta duración.
Nuevas fotografías de la época reflejan que estaban transcurriendo los años dorados de
la tecnología MHD (Figuras 5.17, 5.18, 5.19, 5.20, 5.21 y 5.21).
Figura 5.17
50
Figura 5.18
51
Figuras 5.19 y 5.20
Figura 5.21
Destacar también que en ese
mismo periodo, se proyectó una
modificación por bypass de la U-
25, denominada U-25B, como
parte del Programa Cooperativo
de Generación de Energía MHD
entre la Unión Soviética y los
Estados Unidos —Institute of
High Temperatures y el Argonne
National Laboratory,
respectivamente— (Figura 5.22).
Figura 5.22
52
A principios de 1980, los exitosos resultados obtenidos durante la vida operativa de la
planta U-25 —además de activar nuevos programas MHD en el panorama
internacional— hicieron posible por parte del gobierno soviético, el diseño de un
proyecto de mayor envergadura para finales de los 80: la primera central comercial
MHD, la U-500 o Ryazan Central Power, situada cerca de Moscú. Esta planta de 582
MW totales y 1100 MW de input térmico, constaba de un ciclo de TV de 312 MW y un
ciclo abierto MHD de 270 MW. Sin embargo, solo llegó a generar energía el ciclo
correspondiente a la TV en 1988. El ciclo MHD de nunca llegó a completarse debido a
las siguientes razones:
La aparición de cambios radicales en las políticas de inversión del país hicieron
que se paralizaran y cancelaran todos los proyectos de investigación, con vistas a
largo plazo y que tuvieran un alto riesgo tecnoeconómico.
La ineludible complejidad en la construcción de un generador MHD con imanes
superconductores de 5 Teslas —que eran característicos de la U-500— y la falta
de preparación en la industria de la época para llevar a cabo un proyecto de tales
magnitudes.
Estas razones hicieron que el proyecto del generador MHD de la ambiciosa central
comercial U-500 fuera suspendido en 1989. Y con ello, el cierre de la U-25 en 1990.
Desgraciadamente, este fue otro de los puntos de inflexión —esta vez negativo— en el
desarrollo de la tecnología MHD, pues la cancelación del proyecto U-500 supuso un
duro revés en el desarrollo de dicha tecnología ya que a partir de entonces, numerosos
países redujeron sus actividades en el panorama de la investigación MHD.
De una manera global se puede asumir que la Unión Soviética —a través del Institute of
High Temperatures del académico Alexander Sheindlin (Figura 5.23)— estuvo en la
vanguardia de la experimentación e implantación de plantas piloto de generación de
energía MHD. Sin embargo, los profundos cambios políticos y económicos en el país a
principios de los 90 afectaron de forma clave a las actividades del Instituto. Técnicos,
especialistas y gente cualificada comenzaron a abandonar el Instituto, incluso algunos
científicos e ingenieros brillantes se marcharon del país. De este modo cada vez era más
difícil mantener el clima de experimentación a gran escala y poco a poco el Instituto
comenzó una etapa de profunda decadencia pero sin llegar a desaparecer del todo.
Sin embargo, el actualmente reestructurado y renombrado instituto, como Joint Institute
of High Temperatures of the Russian Academy of Sciences (JIHT RAS), logró
recuperarse en parte de estas dificultades y mantuvo la posición hasta nuestros días
como uno de los institutos más grandes dentro de las divisiones de la Academia de
Ciencias de Rusia.
Figura 5.23
53
Australia
Las primeras investigaciones sobre MHD en Australia fueron llevadas a cabo por el
School of Electrical Engineering de la Universidad de Sydney, a partir de 1961. En
1976, debido a la gran abundancia de minas de carbón, las investigaciones fueron
reorientadas hacia ensayos de combustión de plasma de 2 MW de potencia.
En 1979, y basada en investigaciones anteriores, se proyectó en el White Bay Power
Station of the Electricity Commision of New South Wales la primera planta
experimental MHD de ciclo abierto australiana: la White Bay MHD Facility (Figura
5.24), de 4 MW de input térmico. Dicha planta tendría la posibilidad de funcionar con
dos tipos de generadores MHD: uno lineal y otro de disco.
Figura 5.24
Después de su inauguración, a principios de los 80, se realizaron experimentos con el
canal lineal MHD y posteriormente se trataron de reconducir dichos ensayos hacia los
generadores de disco, ya que éstos últimos parecían más prometedores. A partir de
1985, el autor de este proyecto no ha conseguido encontrar más documentación
referente a la White Bay MHD Facility.
India
En 1985 —y en cooperación con la antigua Unión Soviética— una planta piloto
experimental de ciclo abierto MHD de 5 MW de input térmico fue inaugurada en el
Bharat Heavy Electricals Limited de Tiruchirappalli (India) (Figura 5.25). Sin embargo,
a pesar del éxito de dicha planta —lo cual arrojaba luz hacia una futura planta
comercial— aún no se había alcanzado un nivel satisfactorio en estos sistemas
energéticos, ya que todavía se trataba de una tecnología muy joven, que requería
enormes inversiones de capital inicial. En vista de esto, los grandes inversores del país
se mostraban vacilantes a la hora de realizar grandes inversiones sin todavía demasiados
54
datos experimentales que las respaldaran. Por lo que a finales de los 80, en la India, el
desarrollo MHD quedó aparentemente congelado.
Figura 5.25
República Popular de China
La República Popular de China proporcionó su primer reporte sobre MHD en la
Séptima Conferencia Internacional de Generación de Energía Eléctrica MHD celebrada
en Massachusetts (EE.UU.) en 1980. En dicho reporte, aparecían líneas de investigación
sobre propiedades de gases de combustión, desarrollo y operación de generadores
MHD, precalentadores de alta temperatura, inversores e imanes superconductores, entre
otras. En esa época, el programa nacional chino de MHD se estaba llevando a cabo por
los centros de investigación: el Institute of Electrical Engineering de la Academia Sinica
de Beijing, el Shanghai Power Equipment Research Institute y el Nanjing Institute of
Technology.
El trabajo del Institute of Electrical
Engineering comenzó a principios de
1960. Durante los primeros 20 años el
combustible usado en su planta
experimental de ciclo abierto —la MHD
Facility of Beijing (Figura 5.26)— fue
fuel-oil. Hasta que en 1982 se reconstruyó
dicha planta para que fuera alimentada por
carbón, a causa de la abundancia de dicho
recurso en la región china.
Figura 5.26
55
El Shanghai Power Equipment Research Institute se encargó de construir en 1979 una
planta piloto de vapor combinada con ciclo abierto MHD, llamada SM-4 (Figuras 5.27 y
5.28). Dicha planta logró —durante un ensayo de 100 horas continuas— una generación
eléctrica MHD de 14.9 kW y 500 kW por parte del ciclo de vapor.
Figura 5.27
Figura 5.28
En 1974, el Nanjing Institute of Technology construyó una instalación experimental de
ciclo abierto alimentada con fuel —la JS-1—, la cual consiguió una generación de 1.35
kW durante 136 horas continuas. Poco después en la misma planta, se logró aumentar
dicha generación a 18 kW en 200 horas de operación. En 1980, se procedió a construir
una segunda generación del mismo tipo de planta que la JS-1 —la JS-2—, pero
alimentada con carbón. Más adelante, y basándose en ensayos previos, el instituto
realizó estudios conceptuales y evaluación teórica sobre la construcción de una posible
planta de 10 MW.
56
Ciclo cerrado MHD
Una serie de nuevas ideas sobre la posibilidad de implantar un ciclo MHD, en el que se
recirculara el fluido de trabajo, hicieron que se abrieran nuevas líneas de investigación
en Europa occidental. Fue en 1963, en Jülich (Alemania), donde se desarrolló una de las
primeras instalaciones experimentales de ciclo cerrado MHD. Y, a consecuencia de
esto, durante la década siguiente varios países de Europa occidental y la NASA Lewis
Research Center (Cleveland, EE.UU.) lanzaron investigaciones experimentales en este
campo.
En la Quinta Conferencia Internacional de Generación de Energía Eléctrica MHD
celebrada en Múnich, en Abril de 1971 se formularon una serie de conclusiones —fruto
de varios años de investigación previa— que arrojaban luz sobre una nueva variante de
generadores MHD: Los generadores de ciclo cerrado.
El fluido de trabajo de esta variante tecnológica es un gas noble, lo cual le otorga un
funcionamiento análogo al ciclo cerrado de una Turbina de Vapor. Recordemos que un
ciclo de Turbina de Vapor constaba de:
Generador de Energía Térmica —caldera alimentada con combustible fósil—
Turbina —que genera electricidad a través de la expansión del vapor—
Condensador —que cede el calor residual a un foco frío—
Bomba —que recircula el agua de vuelta al generador completando así, el ciclo
cerrado—
Al igual que sucedía con el ciclo
abierto, lo exótico de la tecnología
MHD es la posibilidad de sustituir
la turbina del ciclo cerrado por un
electroimán MHD, que es capaz
de generar energía eléctrica en
ausencia de partes móviles,
consiguiendo así, un mayor
rendimiento global de la planta.
Con lo que, en términos generales,
la estructura teórica de un
generador MHD de ciclo cerrado
sería la siguiente (Figura 5.29).
Figura 5.29
Generador de Energía Térmica —caldera alimentada con combustible fósil—
Electroimán MHD —genera electricidad en ausencia de partes móviles—
Intercambiador de calor —para ceder calor para otro uso industrial o accionar un
ciclo de cola de vapor (ciclo combinado MHD)—
Compresor —para recircular el gas noble hacia el generador de energía
térmica—
57
Un extracto de las conclusiones citadas en aquella Conferencia Internacional de
Generación de Energía Eléctrica MHD de 1971, se muestra a continuación.
Closed-cycle plasma MHD, using seeded noble gases as the acting medium, can work in
a two-temperature regime. The electron temperature can be elevated over the gas
temperature. In this way the minimum required gas temperature can be approximately
700 K lower in a closed-cycle MHD power plant than for an open-cycle MHD plant.
Overall conversion efficiencies were calculated for a high-temperature gas-cooled
reactor combined with closed-cycle MHD power conversion. From the calculated cycle
efficiencies 44-54 % it was concluded that closed-cycle MHD in combination with a
high-temperature gas-cooled reactor should be further investigated. Large scale, 5-25
MW thermal closed-cycle MHD loops should be built.
La diferencia de 700 K —entre
ciclo abierto y ciclo cerrado— en
la temperatura mínima requerida
del fluido de trabajo garantizaba,
a priori, un nuevo horizonte de
investigación de plantas MHD de
ciclo cerrado de combustibles
fósiles. En dichas plantas
además, el calor restante del gas
noble podría accionar un ciclo
clásico de vapor para producir
energía extra (Figura 5.30). Figura 5.30
En la Sexta Conferencia Internacional de Generación de Energía Eléctrica MHD,
celebrada en Washington, en 1975, se reportaron extracciones de entalpía del 24% en
generadores MHD de ciclo cerrado en ensayos de pulsos. Con lo que se llegó a la
conclusión de que era el momento de proyectar la primera planta experimental MHD de
ciclo cerrado.
Países Bajos
En 1980, y tras 4 años de diseño
planificación y construcción, la
Eindhoven University of Technology
(EUT) inauguró la primera planta
experimental de ciclo cerrado MHD
del mundo, llamada Eindhoven
Blow-Down Facility (EBDF), de 5
MW térmicos de input. Una
fotografía y un esquema de la planta
se muestran a continuación (Figuras
5.31 y 5.32).
Figura 5.31
58
Figura 5.32
En otoño de 1981, la EBDF consiguió una generación pico de 362 kW durante 10
segundos (correspondientes a una extracción de entalpía del 7.2%). Sin embargo en
años sucesivos (1982-1984), la generación eléctrica osciló tanto que no pudo ser
cuantificada, por lo que en 1985 se procedió a modificar varios componentes del
generador de disco MHD, consiguiéndose así obtener una extracción entálpica de hasta
el 12.9% (735 kW sobre 6 MW térmicos de input). A partir de entonces continuaron los
experimentos en la planta, pero no se logró batir el record de pico energético generado,
con lo que en 1987, se clausuraron los ensayos de la EBDF.
Japón
En Japón, las investigaciones en generación de energía MHD se han llevado a cabo en
dos direcciones —ciclo abierto y ciclo cerrado— durante más de 20 años.
Japón (Ciclo abierto)
La primera de ellas —de ciclo abierto— comenzó en 1966 con el apoyo de la Agency of
Industrial Science and Technology (AIST) y el Ministerio de Industria y Comercio
Internacional (MITI). Dentro de dicha agencia, fue el Electrotechnical Laboratory el que
lideró el proyecto de MHD en el marco del llamado Moonlight Proyect. Dicha primera
línea de investigación MHD se dividía en varias fases:
Primera Fase: Iniciada en 1966. Se encargaba de la investigación y desarrollo de
componentes y su integración en 6 instalaciones experimentales de ciclo abierto:
ETL Mark I – ETL Mark VI.
59
Segunda Fase: Iniciada en 1976. Se encargaba de acumular datos de diseño de la
fase anterior para la construcción de la primera planta piloto japonesa
experimental de ciclo abierto —la ETL Mark VII— en la segunda mitad de esta
fase. Dicha planta (Figura 5.33), fue construida en el distrito de Takasago y
logró obtener una generación de 100 kW en un total de 430 horas de
funcionamiento.
Figura 5.33
A continuación se muestra un cuadro que resume los parámetros más
importantes de las plantas del programa ETL-Mark (Figura 5.34).
Figura 5.34
60
Tercera Fase: En teoría a partir de 1984. Esta fase se encargaría de utilizar toda
la información de las fases anteriores en el proyecto de una planta industrial de
ciclo abierto de 10 MW (Engineering Test Plant), con el objetivo a largo plazo
de construir una futura planta comercial MHD. Sin embargo, debido a
restricciones financieras en el programa, fue imposible que esta fase comenzara
después de la anterior, y no llegó a iniciarse nunca.
Japón (Ciclo cerrado)
La segunda línea de investigación japonesa de MHD apareció a principios de los años
70, a través de un nuevo programa de investigación MHD de ciclo cerrado llevado a
cabo por el Tokyo Institute of Technology. Los comienzos del programa experimental
consistían en una serie de ensayos a pequeña escala en la instalación Shock-Tube
Driven Facility, cuyo objetivo era el de sentar las bases de la incipiente tecnología.
Una década después de los primeros experimentos y en base a éstos, se construyó en
1981 la planta experimental de ciclo cerrado: la FUJI-1 (Figura 5.35).
Figura 5.35
Cuyo esquema de instalación es (Figura 5.36).
61
Figura 5.36
A partir de entonces y hasta finales de la década de los 90, se prosiguieron en paralelo
los experimentos en la Shock-Tube Driven Facility y en la FUJI-1. Este hecho nos
indica —según se verá más adelante— que Japón sería de los pocos países que
continuó con las investigaciones en MHD hasta la actualidad.
Esta serie de ensayos demostraron la posibilidad de obtener altas extracciones de
entalpía a través de una nueva configuración de canal MHD: los generadores de disco
(Figuras 5.37 y 5.38), mostrados en el capítulo anterior. Utilizando diversos tamaños del
generador de disco de la planta FUJI-1, se lograron una serie de extracciones entálpicas,
siendo la mayor la obtenida a través del Disk-F4, cuyo valor fue de 15.6% —506 kW
sobre 3.24 MW—, en 1997.
Figuras 5.37 y 5.38
A partir de entonces apareció un nuevo objetivo en las investigaciones del Tokyo
Institute of Technology: el de intentar lograr también altas eficiencias isentrópicas. Para
ello se realizaron dos ensayos a finales de la década de los 90 en la Shock-Tube Driven
Facility:
62
Ensayo usando Argón dopado con Cesio
o Extracción entálpica lograda: 25.0%
o Eficiencia isentrópica lograda: 54.3%
Ensayo usando Helio dopado con Cesio
o Extracción entálpica lograda: 30.8% (Récord Mundial MHD)
o Eficiencia entálpica lograda: 63%
Nótese que la diferencia entre ambos parámetros es (Figura 5.39).
Figura 5.39
Por lo que dichos prometedores ensayos, usando el generador DISK-IS1, ofrecían
nuevas perspectivas de futuro y recibieron un caluroso apoyo por la comunidad
científica japonesa.
De una manera general, se puede resumir en la siguiente imagen los logros las
instalaciones CC-MHD de Japón hasta el año 2000 (Figura 5.40) (los % pueden variar
ligeramente según la referencia de la room temperature de ambas instalaciones
japonesas).
Figura 5.40
63
En todos los ensayos, sin embargo, los tiempos de generación energética eran cortos,
del orden de 1 o 2 minutos de generación continua. Ello requirió por parte del Tokyo
Institute of Technology, y con la colaboración del Ministerio de Educación, Cultura,
Deportes, Ciencia y Tecnología de Japón, de la construcción de una nueva instalación a
partir de Abril de 2003.
Dicha nueva instalación, la Closed Loop Experimental Facility (CLEF) (Figura 5.41),
debía de estar preparada para los ensayos de larga duración CC-MHD avalados por los
prometedores ensayos de la Shock-Tube Driven Facility y la FUJI-1.
Figura 5.41
A continuación se muestra una comparación de resultados de simulación y
experimentales de la CLEF y la FUJI-1, respectivamente (Figura 5.42).
Figura 5.42
64
Cuya simulación numérica arroja los siguientes balances de materia y energía en la
nueva instalación (Figura 5.43).
Figura 5.43
Esquema de la instalación CLEF extraído del reciente artículo [38].
Desde entonces, el programa de investigación y desarrollo del Tokyo Institute of
Technology puede resumirse en la siguiente transparencia extraída de una reciente
conferencia realizada por Yoshihiro Okuno en 2009, [40] (Figura 5.44).
65
Figura 5.44
Los ensayos posteriores —hasta la actualidad— se hicieron con el objeto de profundizar
en el análisis del comportamiento de los flujos supersónicos y subsónicos en el
generador MHD, en el marco de los métodos de simulación numérica cuasi-uni-
dimensional, para alcanzar mayores tiempos de operación. Numerosos artículos
recientes pueden ser encontrados sobre estos estudios, en bases de datos mundiales [41],
[42].
66
Ciclo LM-MHD
Hasta el momento, en el presente proyecto se han analizado éstas dos tipologías
tecnológicas de ciclos MHD:
Sistemas Magnetohidrodinámicos de Ciclo Abierto
o Fluido de Trabajo: Gases combustión dopados
o Rango de Temperaturas requerido: 2000-3000 K
o Combustible: Fósil
Sistemas Magnetohidrodinámicos de Ciclo Cerrado
o Fluido de Trabajo: Gas noble
o Rango de Temperaturas requerido: 1700-2000 K
o Combustible: Fósil
Sin embargo, el principal problema de las plantas MHD —abiertas o cerradas— basadas
en plasma gaseoso viene dado por las elevadas temperaturas de operación
requeridas para obtener un razonable valor de conductividad eléctrica de los
fluidos de trabajo. Con lo que a continuación se va a introducir una tercera tipología
tecnológica de ciclo MHD que evitará la necesidad de generación de tan altísimas
temperaturas de trabajo. Este importante factor implica: la eliminación de los
problemas inherentes al dopado de gases de los anteriores ciclos, la disminución en
el gasto de combustibles fósiles, la disminución de densidad de campo magnético en
el canal MHD y además, abre la puerta al aporte térmico a través de energía solar.
Es por ello, por lo que a través del empleo de un determinado metal líquido, Liquid
Metal (LM), que necesita menores temperaturas de operación (menor input térmico), es
posible obtener mayores % de extracciones entálpicas que en los ciclos anteriormente
presentados. Sin embargo, el metal líquido no puede participar de forma única en un
ciclo termodinámico. Ello es causa de que un ciclo termodinámico de potencia requiere
de una sustancia de trabajo que pueda contraerse y expandirse con la temperatura, como
por ejemplo, vapor de agua. Con lo que en el siguiente ciclo que vamos a desarrollar, el
metal líquido —fluido electrodinámico— se mezclará con un fluido vaporizable —
fluido termodinámico—, formando así una mezcla bifásica con la capacidad de moverse
por los circuitos.
Los principios de operación de un canal de expansión LM-MHD —Liquid Metal
Magnetohydrodynamics— son similares a los de un canal MHD, usados con plasmas y
gases dopados para aumentar la conductividad eléctrica. Aparece una generación
energética a través de la circulación del fluido electrodinámico por el interior del canal,
a cambio de una disminución de energía cinética, cumpliéndose así el Primer Principio
de la Termodinámica.
67
Estados Unidos (Ciclo LM-MHD)
Las primeras investigaciones para el desarrollo de los sistemas de conversión LM-MHD
comenzaron a finales de la década de los años 50 para posibles aplicaciones espaciales
con reactores nueclares como fuente térmica. Fue en 1962, cuando D.G. Elliott del Jet
Propulsion Laboratory (NASA) usó Litio como metal líquido y Cesio como fluido
vaporizable en el primer concepto de sistema LM-MHD, cuyo funcionamiento estaba
basado en el ciclo Rankine (Figura 5.45).
Figura 5.45
En este pionero sistema, denominado Inertial LM-MHD Rankine Cycle, existen dos
lazos: un primer lazo de fluido vaporizable —fluido termodinámico— y un lazo con un
fluido metal fundido —fluido electrodinámico—. En el nozzle se mezclarían ambos
fluidos para que la mezcla adquiriera aceleración a través de la expansión del fluido
vaporizable. Justo después, se procedería a separar la mezcla para que únicamente el
fluido electrodinámico circulara a través del canal MHD, con la consiguiente generación
de electricidad. Después de ello, sendos fluidos de trabajo retornarían en el ciclo global.
Históricamente D.G. Elliot [50] propuso este ciclo con un generador DC.
Simultáneamente en el tiempo Jackson y Edward Pierson del Argonne National
Laboratoy se encontraban investigando la inducción de un metal líquido sin ninguna
aplicación como objetivo. Y poco tiempo pasó hasta que el grupo se encontrara y
formaran equipo para continuar con las investigaciones de este tipo de generadores.
Aunque desafortunadamente el generador de inducción LM-MHD no llegó a funcionar
68
tan bien como se esperaba a priori debido una serie de pérdidas asociadas al bombeo y
aceleración del metal líquido:
Pérdidas en el nozzle: altas caídas de presión y mezclado no ideal con la
consecuente mala transferencia de calor entre las dos fases, afectando a la
expansión isoterma en el canal MHD.
Pérdidas en el separador: por el vapor que se mueve más rápido que el líquido
con la consecuente separación no ideal del Cesio y el Litio.
Pérdidas en el generador MHD: por la gran dificultad de guiado y control del
metal líquido (Litio) en el canal MHD debido al agotamiento de energía cinética
de éste, al ya no estar mezclado con el fluido vaporizable.
Siendo éste último punto reducible de cara al aumento de eficiencia (% de extracción
entálpica o energía eléctrica / input térmico) en este pionero ciclo.
Sin embargo, a finales de los 60, reducciones en la financiación del programa espacial
del Jet Propulsion Laboratory de la NASA hicieron que se continuaran las
investigaciones orientadas a sistemas LM-MHD con aplicaciones navales y de
generación energética en grandes plantas eléctricas, en el Argonne National Laboratory.
Fue entonces cuando a comienzos de los años 70, Michael Petrick y Lee K.Y. del
Argonne National Laboratory propusieron una nueva conversión del ciclo (Figura 5.46)
que, siendo compatible con el actual aporte de calor del ciclo (reactor nuclear),
mejoraría la eficiencia del ciclo LM-MHD.
Figura 5.46
69
La idea básica de esta conversión, Two-Phase LM-MHD Ericsson Cycle, fue la de
utilizar el hecho de que una mezcla bifásica se comportaría como un fluido compresible
con lo que, es termodinámicamente viable su uso como fluido de trabajo en la
expansión a través del generador MHD, del mismo modo que un gas se expande en una
turbina con la consecuente extracción de trabajo eléctrico. De este modo el fluido
vaporizable (en este caso un gas noble no condensable) no se separaría antes de la
expansión MHD, sino que se expandiría como mezcla, junto con el metal líquido,
aumentando así la energía cinética a convertir en energía eléctrica.
Después de ello, se procedería a su separación y la posterior recirculación de ambos
fluidos por circuitos diferentes. Notar que el fluido termodinámico o gas noble, esta vez,
se trataría como en una especie de ciclo Brayton —aunque termodinámicamente el ciclo
se acerque hacia el Ericsson, debido a la cuasi-isoterma expansión del gas— es decir,
regenerando el gas, con un gran impacto positivo en la eficiencia del ciclo, y
comprimiéndolo en un compresor para volver a comenzar el ciclo.
Años más tarde, según informes de testeos del Argonne National Laboratory, y a través
del uso de la pareja Na-K y , se obtuvieron % de extracciones entálpicas mayores
del 50% en ensayos con temperaturas de hasta 1500 K en un pequeño generador
de 20 kW (Figura 5.47).
Figura 5.47
Es por ello, por lo que estos ensayos muestran información evidente y prometedora
de que generadores mayores pudieran obtener % de extracción entálpica
similares, o incluso mayores. Para más información acerca de estos ensayos, acudir a
los artículos científicos [48], [50] y [55], entre otros.
Y la misma idea pero aplicada a un ciclo Rankine quedaría (Figura 5.48).
70
Figura 5.48
Cuyo funcionamiento es similar al anterior, pero con los correspondientes ajustes
tecnológicos para tratar el vapor de agua como fluido termodinámico en vez de un gas
noble.
Sin embargo, los aportes de calor que se usaban entonces eran a través de combustión
fósil y de High-Temperature Gas-Cooled Nuclear Reactors (HTGCNR). No se tiene
constancia experimental de que se usaran recursos solares como aporte térmico, aunque,
conceptualmente se propusieron por primera vez en 1978 para su uso en misiones
espaciales, e incluso una patente de este concepto fue creada por la NASA con renovado
interés: Solar-Driven LM-MHD Generator [48].
71
El Solar-Driven LM-MHD Generator se componía de los siguientes subsistemas (Figura
5.49):
a) Gran Colector solar.
b) Horno calentado por la energía solar.
c) Mixer para mezclar el gas y el metal líquido.
d) Generador MHD que incluye electroimán, inversores y conexionado eléctrico.
e) Separador del gas y metal líquido.
f) Bomba MHD para el metal líquido y compresor hidráulico para el gas.
g) Intercambiador (spacial radiator) para refrigerar el gas.
Figura 5.49
Cuyo funcionamiento se explica a continuación. La irradiancia solar procedente del sol
(1) es recogida por la gran superficie del colector parabólico (2) y reflejada en el espejo
focal frontal (3), con lo que la radiación reflejada penetra a través de la ventana
transparente (4) del horno solar (5).
Dicha ventana transparente está constantemente refrigerada y limpiada debido al flujo
radial del gas de trabajo (usualmente Helio o Argón). Además, las moléculas de éste gas
de trabajo absorben parte de la radiación concentrada mientras fluyen por el interior del
volumen cónico del horno solar (5), dónde tiene lugar un calentamiento y compresión
de dicho gas. La pared del horno está construida por anillos de un material refractario
capaces de soportar temperaturas mayores de 1000 K. El metal líquido inyectado a
través de los nozzles (7) es también calentado por el horno solar. El metal líquido y el
gas conducido son mezclados en el mixer (8) donde la energía solar es direccionada
hacia un área mínima. Con lo que, el fluido bifásico resultante alcanza su máxima
temperatura.
72
El fluido bifásico, mezclado a la entrada en el mixer, fluye a través del canal MHD (9)
del generador. Éste está rodeado por un electroimán (10) (no mostrado) y por el
conexionado eléctrico (11) (no mostrado). El canal MHD actúa como una turbina y un
generador eléctrico en un solo equipo ya que el gas noble es el que conduce al metal
líquido a través del seno del campo magnético generándose así energía eléctrica. Debido
a la alta capacidad calorífica del metal líquido la expansión ocurre de forma casi
isoterma con lo que aguas abajo del canal MHD aparece una energía térmica extra. El
metal líquido actúa como una gran fuente de calor para el gas, y la energía térmica es
continuamente transferida desde el líquido hasta el gas por lo que el mayor cambio
entálpico producido en el generador, depende del metal líquido. Aguas abajo del
generador, el gas es separado de la mezcla bifásica en el separador/difusor (12) y, el
calor residual es recuperado en un intercambiador de calor regenerativo (13). Después
de ello, el gas es retornado al horno solar (5) por medio del radiador (14) y el compresor
(15), así como el metal líquido es recirculado hacia el mixer por medio de la bomba
MHD (16).
Los subsistemas (17), (18), (19), (20), (21) y (22) son circuitos térmicamente aislados
para el correcto retorno de los fluidos de trabajo como se acaba de mostrar. El objeto
(23) es una válvula adjunta al depósito de reserva de gas noble (24) que es usado en el
arranque inicial del sistema global.
Un ciclo alternativo puede ser considerado en el sentido de un ciclo Rankine de un
generador LM-MHD con dos metales líquidos de diferentes puntos de ebullición: Two-
Phase LM-MHD Wet Vapor Cycle. El metal líquido 1 (de menor punto de ebullición)
sería vaporizado en el horno solar y usado además como fluido termodinámico que es
condensado en el radiador previo bombeo hacia el horno solar. El metal líquido 2 (de
mayor punto de ebullición) se mantendría en fase líquida como genuino metal líquido
en su paso por el canal MHD.
Los sistemas descritos arriba pueden ser fácilmente adaptados para aplicaciones de
generación energética en la Tierra. En el caso de sistemas termosolares de
concentración lineal, los colectores solares podrían instalarse con sistemas de
seguimiento para la obtención de mayores temperaturas. Y alternativamente, en caso de
concentración puntual, la construcción de una torre solar y un campo de heliostatos
podría utilizarse para la obtención de elevadas temperaturas en el horno solar.
Para profundizar más sobre los conceptos tecnológicos de LM-MHD hasta este punto de
la historia, quiero remarcar un artículo que destaca de entre todos los que he leído:
[50] Petrick M., Branover H., Liquid Metal MHD Power Generation – Its
Evolution and Status, Argonne National Laboratory and Ben-Gurion University
of the Neglev, Beer Sheva, 1985.
Siguiendo con las aplicaciones terrestres de este concepto, a principios de la década de
los 80, habiéndose cancelado el programa de I+D del Argonne National Laboratory
(fruto de continuas reducciones de financiación a finales de los 70), pero con el
creciente apoyo de Israel, se continuaron con las investigaciones de los generadores
LM-MHD, llegándose a dos diseños optimizados.
73
A) Two-Phase Gravitational LM-MHD Rankine Cycle
Sistema caracterizado por la ausencia de mixer y desgasificador por lo que, en todo
el circuito fluye como fluido de trabajo una mezcla bifásica de metal líquido y fluido
vaporizable. Análogamente, se dice que es gravitacional debido a que son las
velocidades inerciales del fluido y de caída libre gravitatoria, las que generan el
trabajo eléctrico en el canal MHD (Figura 5.50).
Figura 5.50
El funcionamiento es muy curioso: la mezcla metal líquido y fluido vaporizable se
calientan para ser llevadas a una cierta presión y temperatura. Es entonces cuando
dicha mezcla bifásica fluye hacia un nivel gravitatorio superior, donde vuelve a
circular aguas abajo a través de un canal MHD descendente, pudiéndose generar así
el trabajo eléctrico buscado.
Notar la patente similitud del ciclo Rankine a través de la aparición de un
condensador para aprovechar el calor residual del ciclo para un uso secundario —
calentamiento industrial o doméstico—, y la aparición de una Bomba
Magnetohidrodinámica (EM Pump) accionada eléctricamente por el principio
inverso de generación de potencia (usamos electricidad para acelerar un fluido
eléctricamente conductor). Evidentemente será condición necesaria para el buen
funcionamiento del ciclo que se genere más electricidad en el canal MHD de la que
se requiera para mover el metal líquido en la bomba MHD.
B) Two-Phase Gravitational LM-MHD OMACON Rankine Cycle
Esta es la última evolución conceptual de generadores LM-MHD, bautizada como
Optimized Magnetohydrodynamic Conversión Systems (OMACON Systems), por
Michael Petrick y Herman Branover, del Argonne National Laboratory (Illionois) y
de la Universidad de Ben-Gurion en Negev (Israel), respectivamente.
74
Dicho sistema utiliza la idea de la circulación natural para eliminar la necesidad de
otros subsistemas con sus consecuentes pérdidas y problemas técnicos. Ello se
consigue a través de diferencias de presión y/o densidad (causadas por el
calentamiento y desgasificación de los fluidos) con lo que el sistema se
autoequilibra con las pérdidas por fricción y aceleración de los conductos.
Dicho ciclo gravitacional posee de nuevo dos fluidos de trabajo: un fluido
termodinámico —vapor de sustancia— y un fluido electrodinámico —metal
fundido— y consta de varios subsistemas: un mezclador o mixer, un separador o
desgasificador, una zona de calentamiento térmico y un canal MHD (Figura 5.51).
Figura 5.51
En primer lugar el fluido de trabajo principal (metal líquido) se calienta para ser
llevado a unas ciertas condiciones de presión y temperatura. A continuación es
mezclado en mixer con un fluido vaporizable, logrando así una mezcla bifásica de
menor densidad. Es entonces cuando dicha mezcla bifásica fluye —fruto del
aumento de entalpía y disminución de la densidad— hacia un nivel gravitatorio
superior, donde se encuentra un desgasificador que extrae la sustancia vaporizable
de la mezcla bifásica. Acto seguido el metal fundido vuelve a circular hacia un
nivel gravitatorio inferior a través de un canal MHD descendente, intercambiando
inercia y altura manométrica (energía potencial) del metal fundido, en energía
eléctrica.
El diagrama T-S de este ciclo indica un trabajo neto mayor que en el diagrama T-S
de un clásico ciclo Rankine. Veamos la justificación gráfica.
75
Sea un ciclo Rankine real (Figura 5.52), cuya expansión térmica en turbina se
realiza de forma irreversible, descontando las pérdidas internas de origen mecánico,
características de las turbinas como turbomáquinas térmicas.
Figura 5.52
A continuación, previa inspección del ciclo Single-Phase and Two-Phase
Gravitational Liquid Metal Magnetohydrodynamics Power Plant (imagen anterior),
sea el siguiente diagrama T-S (Figura 5.53) que describe, con línea roja el
comportamiento del fluido termodinámico (sustancia vaporizable) y en línea azul el
comportamiento del fluido electrodinámico (metal fundido).
Figura 5.53
76
Ciclo rojo (sustancia vaporizable): Se trata de un pseudo-ciclo Rankine sin
expansión en turbina. En vez de ésta, disponemos de un salto entápico que se
usa para elevar la corriente de metal fundido hacia un nivel gravitatorio
superior, confiriéndole así, una cierta energía potencial.
Ciclo azul (metal fundido): Se trata de un ciclo básico, parecido al de Carnot,
en el que:
o Primer Tramo (1-2): La mayor parte de la energía térmica se
transmite al metal fundido, a través del intercambiador 2,
aumentando su temperatura y entropía.
o Segundo Tramo (2-3): El salto entálpico, procedente del ciclo
termodinámico, transmite directamente dicha energía para elevar la
corriente de metal fundido hacia un nivel gravitatorio superior.
o Tercer Tramo (3-4): Expansión MHD isoterma. En ella se extrae
tanta energía eléctrica como energía mecánica (cinética y potencial)
pierde la corriente de metal fundido en el tramo descendente a través
de su paso por el canal MHD.
o Cuarto Tramo (4-1): Recirculación regenerativa. Consecuencia
directa de la expansión isoterma, el calor regenerado, junto con el
nuevo de aporte solar, se utilizaría para volver a calentar la mezcla
bifásica en su camino hacia el nivel gravitatorio superior o bien para
su uso en un ciclo de vapor de cola o de cogeneración —producción
simultánea de electricidad y calor—.
Los dos diagramas pueden agruparse en un diagrama T-S bifásico total, mostrado a
continuación (Figura 5.54).
Figura 5.54
77
En el último diagrama se puede apreciar el ciclo completo con sendas líneas, roja y
azul, fusionadas en una. En líneas generales se puede comentar que se parece al
clásico ciclo Rankine con la diferencia de que dónde tendrían lugar el
sobrecalentamiento y expansión en turbina de vapor, aparece una expansión
isoterma y una recirculación regenerativa de calor interna, respectivamente.
Evidentemente, para que el ciclo sea térmicamente estable, hay una evacuación de
calor Heat Out, donde en el ciclo Rankine estaría el condensador.
Con lo que, finalmente, tras comparar los trabajos netos de sendos ciclos —Rankine
y LM-MHD— se llega a la conclusión de que el extraído en el ciclo MHD es
mayor.
Además, teniendo en cuenta toda la teoría sobre Termodinámica y Máquinas
Térmicas expuesta en el Capítulo 2, a la vista del diagrama T-S anterior y sabiendo
que, en este nuevo ciclo el fluido termodinámico y electrodinámico se mezclan
completamente, pueden sacarse las siguientes conclusiones:
El contacto directo característico de la mezcla de los dos fluidos de trabajo
origina una excelente transferencia de calor, lo cual causa una elevación de la
temperatura media de aportación de calor, cuya consecuencia es un aumento
del rendimiento del ciclo (según la expresión del rendimiento equivalente de
Carnot que ya se vio anteriormente).
Aumenta el trabajo específico del ciclo (energía eléctrica generada) debido a
la expansión MHD isoterma que puede apreciarse en el diagrama T-S. Dicha
expansión isoterma puede considerarse como el hecho de ser un proceso con
un número infinito de recalentamientos intermedios. Sin embargo el
rendimiento equivalente de Carnot decrece debido al aumento de la
temperatura de cesión de calor.
Como consecuencia directa a la expansión MHD isoterma, el ciclo LM-MHD
ofrece una excelente regeneración continua ya que todo el calor que sale de la
expansión electrodinámica MHD sirve para precalentar el vapor de inyección
en el mezclador bifásico. Esto es un acercamiento notable al ciclo de Carnot
ya que recordemos que en una turbina de vapor la regeneración continua no
era posible debido a los bajos tiempos de residencia de las turbomáquinas.
Por ello se recurría a regeneraciones discretas a modo de extracciones o
sangrados de turbina. Esta regeneración continua ofrece aumentos del
rendimiento térmico de hasta el 33% (dependiendo de la diferencia de presión
del ciclo), imposibles de alcanzar en un ciclo Rankine de Turbina de Vapor.
El elevado rendimiento térmico que se alcanza con los generadores LM-MHD
surge como una alternativa especialmente atractiva para aplicaciones de
cogeneración ya que estos sistemas pueden ofrecer mayores ratios de
generación electricidad-calor que las plantas convencionales de cogeneración.
Además de lo anterior, este último sistema es el más eficiente de los analizados
debido a su sencillez estructural: el hecho de que exista circulación natural de las
fases hace innecesarios los subsistemas de bombeo y canales secundarios. Sin
78
embargo, una limitación del concepto OMACON es el gran espacio físico (grandes
alturas) requerido para alcanzar unas prácticas diferencias de presión en el lazo.
Aunque, por otro lado, esto podría atajarse a través del uso de un metal líquido
pesado (plomo) para maximizar las diferencias de presión, así como con la división
del diseño anterior en múltiples lazos o etapas, tal y como se tuvo en cuenta en las
investigaciones realizadas por Israel en su programa de plantas experimentales
Etgar.
79
Israel
Habiendo surgido las primeras ideas sobre LM-MHD a finales de la década de los 50 en
Estados Unidos, y tras una excitante década de experimentación en los años 60 y 70,
tuvo lugar una reducción de dichas investigaciones debido a un decremento general en
la financiación norteamericana aplicada a investigación energética. Es por ello por lo
que a partir de 1978, el peso de las investigaciones de LM-MHD fue soportado por
Israel, basándose en los datos norteamericanos acumulados durante aquellas dos últimas
décadas.
Israel, un país —de escasos recursos energéticos fósiles que generaba toda su potencia
eléctrica a través de carbón y petróleo importados, — ha destacado siempre por su
amplio historial de investigaciones en energías alternativas. Fue a través de la aparición
de un programa desarrollado por el Centro de estudios MHD de la Universidad de Ben-
Gurion en Negev (Israel) e inicialmente patrocinado por el Ministerio de Energía e
Infraestructura de Israel: el programa de plantas Etgar (Reto, en hebreo). A partir de
1980, Trade and Solmecs Corporation, una compañía privada de los Países Bajos se
sumó en su apoyo al proyecto, junto con otras muchas instituciones del sector, tales
como Argonne National Laboratory de EE.UU., Westinghouse R&D Center de
Pittsburgh, (Pennsylvania), Nottingham University de Inglaterra, el Institute de
Mecanique de Grenoble (Francia) y el Institute of High Temperatures de la Academia
de Ciencias de la antigua Unión Soviética, entre otros.
Fue a finales de 1983 cuando en el campus de la Universidad de Ben-Gurion tomaron
forma los diseños conceptuales de plantas piloto —Etgar-1 y Etgar-2— basados en los
datos acumulados durante dos décadas por el Argonne National Laboratory. Véanse a
continuación los resultados computacionales de dichas plantas piloto con sus
correspondientes esquemas (Figuras 5.55, 5.56, 5.57 y 5.58).
Figura 5.55
80
Nótese que en la tabla anterior aparece como unidad energética kw, siendo la correcta
formulación como kW.
Figura 5.56
81
Figura 5.57
Nótese que en la tabla anterior aparece como unidad energética kw, siendo la correcta
formulación como kW
82
Figura 5.58
83
Después del éxito en los diseños conceptuales de las Etgar-1 y Etgar-2, se decidió ir un
paso adelante. Con lo que en 1984 se construyó una instalación experimental con
tecnología LM-MHD, denominada ER4, cuya potencia máxima total era de 0.45 kW
sobre 7 kW de input térmico. Sus parámetros más destacados eran (Figura 5.59):
Planta ER4
Fluido Electrodinámico (LM) Mercurio
Fluido Termodinámico Vapor de Agua
Temperatura Máxima del ciclo 431.3 K
Temperatura Mínima del ciclo 338.6 K
Presión de Mezcla 5.34 bar
Input Térmico 7.0 kW
Gasto del Fluido Electrodinám. 65.77 kg/s
Gasto del Fluido Termodín. 0.0026 kg/s
Fracción de Vacío media en el Riser 0.3
Altura Efectiva del sistema 5.0 m
Diámetro del Riser 0.078 m
Diámetro del Downcomer 0.078 m
Ancho del Canal MHD 0.02 m
Campo Magnético 0.80 T
Figura 5.59
Y fue entonces, cuando basándose en los datos experimentales de la ER-4, se construyó
en 1985 la primera planta LM-MHD del mundo —la Etgar-3— que fue inaugurada por
el Centro de estudios MHD de la Universidad de Ben-Gurion de Israel, en 1985 (Figura
5.60).
Dicha planta trabajaba con una aleación de plomo-bismuto e, inyectando vapor de
mezcla a 170ºC, entregaba unos 8 kW de electricidad a la red nacional de Israel
acumulando más de 3000 horas de funcionamiento.
84
Figura 5.60
85
Cuyo esquema es (Figura 5.61):
Figura 5.61
86
Cuyos parámetros de funcionamiento eran (Figura 5.62):
Planta Etgar-3
Fluido Electrodinámico (LM) Plomo-Bismuto
Fluido Termodinámico Vapor de Agua
Temperatura Máxima del ciclo 423 K
Temperatura Mínima del ciclo 338 K
Presión de Mezcla 4.9 bar
Input Térmico 97.5 kW
Gasto del Fluido Electrodinám. 435.2 kg/s
Gasto del Fluido Termodín. 0.0303 kg/s
Fracción de Vacío media en el Riser 0.4
Altura Efectiva del sistema 7.5 m
Diámetro del Riser 0.203 m
Diámetro del Downcomer 0.203 m
Ancho del Canal MHD 0.06 m
Campo Magnético 0.73 T
Figura 5.62
El buen funcionamiento de la pionera planta LM-MHD Etgar-3 lanzó al Centro de
estudios MHD de la Universidad de Ben-Gurion a proyectar una nueva generación de
plantas de cogeneración LM MHD: La Etgar-5 escalonada en varias etapas (Figura
5.63) —cuya puesta en servicio estaba programada para 1991— y la Etgar-6 y la Etgar-
7 —cuyas construcciones estaban previstas para 1993 en EE.UU. y 1996 en Israel,
respectivamente—.
87
Figura 5.63
Sin embargo en Mayo de 1991, en la First Energy Conference Israel - former USSR que
tuvo lugar en la Universidad de Ben-Gurion de Negev, —donde se revisaron temas
relativos a los sistemas eléctricos de potencia, los usos del carbón y petróleo, la energía
solar y nuclear, las turbinas de gas, los sistemas MHD y superconductores— a pesar del
clima optimista acerca de los sistemas OMACON, se anunció que había retrasos en el
programa de plantas Etgar, y que aún no se había fijado un emplazamiento para la
construcción de la proyectada Etgar-5, cuando en ese mismo año 1991, debería haberse
puesto en servicio.
El autor de este proyecto no ha sido capaz de encontrar documentación veraz sobre qué
sucedió exactamente con el programa de plantas israelíes Etgar a partir de esa
conferencia de 1991. Probablemente a partir de entonces, y al igual que ocurrió en la
antigua Unión Soviética, redirecciones en las inversiones económicas así como cambios
de los marcos políticos nacionales e internacionales, hicieron que los proyectos de las
plantas Etgar-5, 6 y 7, cayeran poco a poco en el olvido.
Por último y no menos importante, mencionar que en 1995 los investigadores
Satyamurthy P., Thiyagarajan T.K., Venkatramani N., del Laser and Plasma
Technology Division, Thermal Plasma Section and Bhabha Atomic Research Centre,
realizaron un modelo conceptual numérico de una instalación LM-MHD OMACON, de
4 etapas, probablemente basado en la Etgar-6, en el que obtuvieron unos resultados
potencialmente prometedores. Fruto de dicha simulación numérica se obtuvieron, entre
otros, ratios de extracción entálpica de hasta el 20.1% [62].
88
Últimos Años
Estados Unidos (Ciclo abierto)
Las investigaciones iniciales de EE.UU. en MHD fueron llevadas a cabo en un principio
por universidades y compañías privadas. Como ya se comentó al principio de esta
revisión histórica, fue Bèla Hungarian Karlovitz del Westinghouse Research Laboratory
de Pittsburgh, Pensilvania el pionero en la experimentación con un genuino generador
MHD de ciclo abierto en 1938-1944. Después de esto, no pasó mucho tiempo para que
agencias gubernamentales tales como Department of Defense, Department Interior´s
Office of Coal Research, National Sciencie Foundation, Atomic Energy Comission,
National Aeronautics and Space Administration (NASA), se interesaran en dicha
tecnología debido a sus posibles aplicaciones militares y aeroespaciales.
La crisis de la energía de comienzos de los 70 centró, más si cabe, la atención en el
potencial de la tecnología MHD aplicado a plantas de generación de energía eléctrica
alimentadas por carbón. Por ello,
la predecesora de la U.S.
Department Of Energy (DOE),
la Energy Research and
Development Administration
(ERDA) comenzó rápidamente a
apoyar investigaciones de I+D
sobre MHD. Y después de la
creación del U.S. DOE en 1977
(Figura 5.64), MHD se convirtió
instantáneamente en uno de sus
principales programas de
investigación y desarrollo
tecnológico.
Figura 5.64
Aparte de las investigaciones sobre ciclos LM-MHD vistas en el apartado anterior, el
programa norteamericano de I+D de MHD estaba centrado en el desarrollo de dos
plantas experimentales de ciclo abierto: Component Development and Integration
Facility (CDIF) y Coal-Fired Flow Facility (CFFF).
La CDIF, situada en Butte (Montana) fue diseñada para ensayar los ciclos de cabeza
MHD y los subsistemas de hasta 50 MW. En toda su vida de operación, llegó a generar
un máximo de 4 MW de potencia. A continuación, en la siguiente imagen panorámica
de la CDIF se puede apreciar en la parte inferior, las oficinas de administración, en la
parte derecha, el complejo experimental, y en la parte izquierda, el edificio de
tratamiento de carbón (Figura 5.65).
89
Figura 5.65
A continuación se muestra el banco de pruebas de la planta (Figura 5.66), en el que se
ve: combustor, canal MHD, imán refrigerado y conexiones eléctricas. El flujo gaseoso
circula de derecha a izquierda, descargando en la sección larga tubular de la izquierda.
El tamaño total del sistema puede apreciarse en relación al operario de la parte derecha
de la imagen.
Figura 5.66
90
La CFFF, que estaba localizada en el University of Tennessee Space Institute, cerca de
Tullahoma (Tennessee) se centró en los ensayos de ciclo de cola MHD y subsistemas de
hasta 28 MW. En la siguiente imagen (Figura 5.67) se muestra la CFFF en la que, el
carbón y los dopados son introducidos en el pulverizador desde los tanques de
almacenamiento de la parte izquierda. Después de la pulverización conjunta, la mezcla
se quema hasta que, es en la parte alta donde los inquemados son separados para
recircularlos hacia los tanques de la parte inferior. Dichos tanques están presurizados a
su vez y sirven como alimentación del combustor MHD.
Figura 5.67
91
Además, el programa de I+D de MHD estaba dividido en tres fases:
Primera fase: Iniciada en 1978, se encargaba del diseño y construcción de las
plantas CDIF y CFFF.
Segunda fase: Iniciada en 1981, se encargaba de la ampliación y
experimentación preliminar de componentes de las plantas recién construidas.
Tercera fase: Iniciada en 1984, se encargaba del establecimiento de una base de
datos de ingeniería a través de un programa proof-of-concept (POC), que
evaluaba el desarrollo y la vida útil de las plantas CDIF y CFFF.
Paralelamente al desarrollo del programa MHD, a principios de la década de los 80 —
mientras se desarrollaba el proyecto de la planta comercial U-500 de la antigua Unión
Soviética— se estaba analizando la viabilidad de proyectar plantas intermedias MHD,
antes de acometer el proyecto de una gigantesca planta comercial de más de 500 MW.
Este comportamiento en apariencia cauto del gobierno americano es consecuencia
directa de lo siguiente.
Aunque en aquella época, la demanda energética americana estaba aumentando, el
crecimiento de la capacidad instalada era mucho menor que el predicho una década
antes, principalmente a causa del mayor control de regulaciones ambientales. Por esta
razón la industria energética de los Estados Unidos estaba posponiendo la construcción
de grandes plantas de potencia. Por ello, a pesar de que en aquella época la tecnología
MHD había alcanzado eficiencias razonables como para construir plantas de ciclo
abierto de 25-30 MW, dicho desarrollo no era suficiente como para lanzarse a proyectos
de plantas MHD comerciales de gran escala.
Sobre este escenario energético, apareció en 1982 el concepto de retrofit o actualización
de plantas. Dicho concepto consistía en aprovechar las plantas de vapor de la época ya
construidas, para implementarles un ciclo abierto MHD de cabeza, cuyo calor residual
serviría para accionar el ciclo de vapor ya instalado. De esta forma se abordaban dos
frentes de golpe: el de continuar con el desarrollo de la tecnología MHD y el de utilizar
de una forma más eficiente las plantas de vapor existentes de combustibles fósiles. Se
calculó que el programa de retrofit de plantas MHD-vapor podría incrementar el
rendimiento global de las plantas existentes del 33% al 38% a la vez que de esta forma
se introduciría la tecnología MHD en el mercado minimizando costes y riesgos.
A principios de los 80, debido a altísimos costes de la Fase I, la financiación del
programa de I+D se encontraba decreciendo cada vez más. Por lo tanto, en 1985, para
seguir promoviendo el desarrollo MHD, se creó la MHD Development Corporation
(MDC), como un consorcio de empresas privadas, públicas y universidades, cuyo
principal objetivo era el de ―iniciar, promover, y coordinar esfuerzos para la
comercialización del MHD, incluyendo el desarrollo de demostraciones comerciales de
plantas de potencia con ciclos de cabeza MHD e incluyendo otras aplicaciones
prácticas de MHD, y coordinando la participación de la industria privada y pública en
estas tareas”. A partir de entonces, el programa I+D de MHD comenzó a financiarse
con participación privada, comenzando por un 10%, en 1986.
A finales de 1987, en un intento de comercializar la tecnología MHD, se asignaron a la
Westinghouse Electrical Corporation y la MHD Development Corporation, los
proyectos de dos diseños conceptuales de retrofit de plantas: la Scholtz (Florida) y la
92
Corette (Montana). La Scholtz, de 50 MW de vapor originales, consistiría una vez
actualizada, en un ciclo abierto MHD de cabeza de 24 MW y un ciclo de vapor de cola
de 50 MW. Y la Corette de 150 MW de vapor, que una vez actualizada, consistiría en
un ciclo abierto de cabeza MHD de 28 MW, un ciclo de vapor de cola de 78 MW y un
ciclo de vapor paralelo de 107 MW. Teóricamente el retrofit de ambas plantas acarrearía
incrementos del rendimiento global del 31% y 33%, respectivamente.
Finalmente en 1993 se presentó la propuesta de retrofit de la Corette ante el U.S.
Department Of Energy en respuesta al programa Clean Coal Technology que había
lanzado el gobierno norteamericano. Bajo dicho programa, el 50% de los fondos estaban
garantizados por el gobierno de los Estados Unidos y el otro 50% debía de estar
cubierto por el ofertante. Toda la comunidad científica y tecnológica del MHD del
mundo confiaba en que se aceptara dicha propuesta, ya que supondría el allanamiento
del camino de cara a futuras plantas MHD comerciales mundiales. Sin embargo, la
propuesta no fue aceptada debido a los altos costes de diseño, construcción y operación
de los sistemas MHD.
Hay que comentar que según documentación del U.S. Department Of Energy, los costes
totales del programa MHD —desde su nacimiento en 1977 hasta su clausura en 1993—
ascienden a 1020 millones de dólares (calculado con dólares del año 1999). La
financiación por parte de la industria privada fue de unos 61 millones de dólares y
comenzó en 1986, comenzando por un 10% e incrementándose hasta un 35% en el final
del programa proof-of-concept, en 1993. Además, casi la mitad de esos 1020 millones
de dólares se gastaron durante los primeros 4 años del desarrollo del programa de I+D
de MHD (1978-1981), correspondientes a la primera fase —diseño, construcción y
experimentación de las plantas CDIF y CFFF—. A través de las fases siguientes,
mientras que los resultados del programa proof-of-concept cosechaban un modesto
éxito, los estudios de evaluación comenzaban a indicar que los costes de diseño,
construcción y operación de una planta comercial MHD serían mucho mayores que los
correspondientes a las clásicas plantas de carbón. Este hecho económico fue el que
sembró dudas sobre si las plantas MHD de ciclo abierto alimentadas con combustibles
fósiles podrían realmente competir con las plantas clásicas. Con lo que finalmente en
1993, el U.S. Department Of Energy canceló definitivamente el programa
norteamericano I+D de MHD.
Esto supuso el más serio revés al desarrollo de plantas comerciales MHD y a raíz de
esto, la decadencia de la tecnología magnetohidrodinámica se extendió al resto del
mundo.
Otros países
Destacar también el apoyo que, en menor medida pero no menos importante, prestaron
otros países al desarrollo de la tecnología magnetohidrodinámica. Estos países son:
Austria, Brasil, Francia, la antigua Checoslovaquia, la antigua República Popular
de Hungría, Italia, Finlandia, la antigua República Popular de Polonia, la antigua
República Popular de Rumanía, Reino Unido y la antigua Yugoslavia.
93
MHD hasta hoy
Está claro que el desarrollo de la tecnología MHD ha pasado a través de muchos
altibajos. Aunque técnicamente la historia avala avances importantes en este campo, es
un hecho que a mediados de los 80 las restricciones en la financiación de numerosos
países desaceleraron las actividades MHD hasta nuestros días. El 26 de Junio de 1985
—cuando la financiación del programa MHD americano estaba reduciéndose
sustancialmente— el presidente del MHD Development Corporation, Mr Joseph A.
McElwain inauguró la 23º SEAM Conference con su discurso de apertura:
Magnetohydrodynamics At The Crossroads:
Can the technology of Magnetohydrodynamics (MHD) continue to stride forward? The
obvious answer is “Yes”. Will MHD be allowed to go forward? The answer is not
obvious. This dilemma is what has put MHD at the crossroads of advancing to
commercialization or reverting back to a scientific toy. Decisions are being made that
could terminate the United States MHD programme. If we want MHD to proceed, we
must influence these decisions and give MHD the direction it needs to fulfill its
potential. In MHD, many technical advances have been made, many successful
experiments completed and the apparent show stoppers solved. All this in a timely
manner and within a budget significantly less than many other less ambitious energy
research and development programmes. Obtaining an element of energy independence
through a clean, efficient process to burn coal to make electricity can offer the country
an unmeasurable benefit it needs. With these truly outstanding successes and potential
benefits of such proportion as burning coal 50 per cent more efficiently than the current
coal-fired electric plants, why is the U.S. MHD programme on the verge of being
cancelled or as a minimum being put so far back on the stove that it could not even
make steam?
The space age has been with us for decades. It has received hundreds of billions of
dollars of funding throughout the world. In the United States alone, the entire space
program, since 1959, has received almost $192 billion of funding. The NASA space
program alone has cost $104 billion. The benefits from the space programs are
multitudinous but are not as directly applicable or identifiable as helping to solve the
energy needs of our nation and, thus, promoting its economy and helping its people.
Without cheap, clean, reliable sources of energy, economies cannot grow and prosper.
With this potentiality, why hasn’t MHD gotten a larger portion of the R & D budgets?
Why such a disparity between research and development for space versus energy-in
particular for MHD, that technology with the potential to be the most efficient clean
way to directly bum coal to make electricity? May I suggest that the needs for both
programs can be justified. However, there is one big glaring difference between space
and MHD, and this is “glamour”. Yes, “glamour”.
Where is the excitement, the charm, the fascination with MHD? The scientist, the
experimenter, the research and development managers, the potential users, all feel it.
Why can’t the people and government feel it? There can be excitement in burning coal
50 per cent more efficiently, there is charm in doing it cleanly, there should be
fascination in watching science bring this process to reality with new skills and tools.
Why isn’t the glamour of MHD recognized? Maybe it starts with not being able to
94
pronounce or spell “magnetohydrodynamics”. However, the fact is that we in MHD
have not transferred our excitement or our knowledge to the public and the government.
This job remains for us to do.
Desde aquel discurso de 1985 hasta nuestros días, la tecnología MHD no pudo remontar
debido a los cada vez mayores recortes económicos por parte de los gobiernos
mundiales, hasta que a principios de la década de los 90 dicha tecnología se sumió en
una profunda decadencia.
Aunque por otro lado, cabe señalar que desde aquel primer congreso en Newcastle upon
Tyne, el grupo ILG-MHD ha celebrado un total de 18 Conferencias Internacionales de
Conversión de Energía MHD (la última tuvo lugar en Honolulu, Hawai, en 2011) en
colaboración con, y bajo el patrocinio de, sociedades técnicas, la industria e
instituciones de toda la comunidad tecnológica mundial.
Destacar también que Alexander Efimovich Sheindlin
(Figura 5.68) —el que fuera fundador del Institute for
High Temperatures de la Academia de Ciencias de la
antigua Unión Soviética en 1961 y pionero en la
construcción de plantas MHD— fue condecorado en 2004
con el Global Energy Prize a la edad de 88 años, por sus
investigaciones de toda una vida sobre las propiedades
termofísicas de sustancias sometidas a altas temperaturas
para aplicaciones energéticas.
Figura 5.68
Se ha visto con este repaso histórico que la tecnología MHD no es una utopía, pues se
trata de un hecho técnico avalado por la historia reciente. Sin embargo, cambios en los
marcos políticos globales y redirecciones financieras ensombrecieron de manera
repentina un desarrollo tecnológico que, durante más de 50 años, llenó de excitación
científica congresos y grupos de investigación que buscaban con entusiasmo la que ellos
llamaban, Miracle Energy.
Sin embargo los tiempos han cambiado, y a comienzos del siglo XXI nuevas políticas
de restricciones en emisiones ambientales entraron al escenario energético, catapultando
a un primer plano las emergentes energías renovables, siendo uno de los más
importantes los sistemas termosolares de concentración. En estos sistemas, se sustituyen
los clásicos generadores térmicos alimentados por combustibles fósiles por otros
generadores, cuyo combustible es el Sol. Entonces, ¿qué sucedería si se sustituye el
clásico generador de ciclo LM-MHD —alimentado por un caro y contaminante
combustible fósil— por otro generador, cuyo combustible resulta libre de emisiones
contaminantes y que además, es gratuito?
95
Capítulo 6. Instalación de cogeneración LM-
MHD solar
Antecedentes
¿Por qué una planta de cogeneración LM-MHD con aporte solar? Con el objeto
reconectar con el hilo conductor del capítulo anterior, se adjunta una necesaria
clasificación de la totalidad de tecnologías MHD, así como de un cuadro resumen con
los parámetros más destacados de las plantas analizadas a lo largo de este estudio
(Figura 6.1).
Sistemas magnetohidrodinámicos de ciclo abierto (OC-MHD)
o Fluido de trabajo: gases combustión dopados
o Rango de temperaturas requerido: 2000-3000 K
o Combustible: fósil
Sistemas magnetohidrodinámicos de ciclo cerrado (CC-MHD)
o Fluido de trabajo: gas noble
o Rango de temperaturas requerido: 1700-2000 K
o Combustible: fósil
Sistemas LM-MHD
o Fluido de trabajo: metal líquido + fluido vaporizable
o Rango de temperaturas requerido: 450-1000 K
o Combustible: fósil o solar
o Subtipos:
1) Inertial LM-MHD Rankine Cycle
2) Two-Phase LM-MHD Ericsson Cycle
3) Solar-Driven LM-MHD Generator
4) Two-Phase Gravitational LM-MHD Rankine Cycle
5) Two-Phase Gravitational LM-MHD OMACON Rankine Cycle
96
Figura 6.1
97
Después de todo lo anterior, se desprenden las siguientes consecuencias:
De una manera global se puede asegurar que todas las tecnologías MHD son
sistemas excelentes para aplicaciones conjuntas con ciclos de gas/vapor o en
sistemas de cogeneración debido a la alta tasa de producción de calor que
presentan, fruto de la expansión isoterma que sufre el fluido
electrodinámico en el canal MHD. Véanse que las mayores plantas construidas
en el mundo —U-25, CDIF y Etgar-3— utilizaban el calor residual en un ciclo
de vapor de cola o como cogeneración.
Los sistemas con tecnología LM-MHD requieren menores temperaturas de
operación que los sistemas OC-MHD y CC-MHD debido a la no-necesidad de
dopado a altas temperaturas de los fluidos característicos de OC-MHD y CC-
MHD, para aumentar su conductividad eléctrica.
Como consecuencia directa de lo anterior, ante la disminución del input térmico
y, a igualdad de rendimientos de los generadores MHD, aparece un inmediato
aumento de extracción entálpica en los sistemas LM-MHD. Esto puede
comprobarse atendiendo al cuadro resumen anterior (Figura 6.1).
Además, la posibilidad de que un ciclo LM-MHD funcione en un rango de
temperaturas de entre 450 y 1000 K abre la puerta al desarrollo de sistemas
termosolares de concentración con tecnología LM-MHD, piedra angular en el
presente proyecto.
Con lo que parece moderadamente prometedor, según los datos técnicos e históricos
vistos, la continuación de la investigación de generadores magnetohidrodinámicos con
metal líquido (LM-MHD) accionados con tecnología solar.
Como se ha comentado, esta fusión tecnológica resulta especialmente atractiva a la hora
de integrarse como cabecera en un ciclo de vapor o en sistemas de cogeneración ya que
al presentar una expansión isoterma —fruto de las singulares características de la física
MHD—, es capaz de ofrecer buenos rendimientos energéticos, en su producción
simultánea de calor y trabajo.
Y además de todas las ventajas anteriores, esta hibridación de la ingeniería puede
presumir de poderse clasificar dentro del amplio abanico de energías renovables pues es
100% respetuosa con el medio ambiente. Esto es así, ya que problemas del tipo,
calentamiento global, lluvia ácida o smog fotoquímico —que están directamente
relacionados con el uso de combustibles fósiles— son inexistentes en este tipo de
plantas de potencia solares.
El estudio analítico de la totalidad del ciclo pasa inevitablemente por el análisis de cada
subsistema que lo integra: concentrador solar e intercambiadores, mixer, upcomer,
desgasificador, downcomer, generador MHD, bomba y condensador, etc. Con lo que se
puede afirmar que el rendimiento global de la instalación LM-MHD solar será una
función de las respectivas eficiencias de los diferentes subsistemas que lo integran.
98
Subsistemas identificados en la planta de cogeneración LM-MHD, Etgar-5,
proyectada en Israel a comienzos de los 90, pero que no se llevó finalmente a cabo por
motivos que el autor no ha logrado averiguar. Es justamente esa planta, la elegida
para enmarcar el diseño conceptual del presente proyecto, debido a que se
encuentra a caballo entre la construida en los años 80, Etgar-3, y la planta de
cogeneración comercial a gran escala, Etgar-7. De este modo el presente proyecto
retoma ahora, el hilo conductor de la tecnología LM-MHD pausado a finales de la
década de los 80.
Análisis conceptual de la instalación de cogeneración LM-MHD solar
Idealmente partiremos de un repaso conceptual de los elementos más importantes de un
sistema LM-MHD Two-Phase Gravitational LM-MHD OMACON Rankine Cycle
(Figura 6.2).
Figura 6.2
99
Subsistema: Mixer
En el mezclador tiene lugar la mezcla bifásica del fluido termodinámico y fluido
electrodinámico para que, de esta forma, sea posible elevar el fluido electrodinámico
hasta un nivel gravitatorio superior.
Parámetros importantes:
Presión de mezcla (de alta): Es aquella presión de partida que se alcanza al
mezclar los fluidos termodinámico y electrodinámico. Es el motor principal de
ascenso de dicha mezcla hacia el nivel gravitatorio superior.
Fracción de vacío (Void Fraction): se define como la cantidad de volumen de
gas que ocupa el volumen total de mezcla bifásica. Éste parámetro está
íntimamente relacionado con el ratio de deslizamiento o Slip Ratio.
Deslizamiento (Slip Ratio): En una mezcla bifásica, se define Slip Ratio como el
cociente entre la velocidad de la fase gaseosa y la velocidad de la fase líquida.
Por lo tanto, ante un mezclado homogéneo de dos sustancias, se asume que el
ratio de deslizamiento sería la unidad, es decir, que no se presentarían
velocidades relativas entre ambas fases. En los ensayos arrojados por el Argonne
National Laboratory durante la década de los 70, se comprobó que el slip ratio
decrece con el aumento de la temperatura de la mezcla bifásica.
Aplicando ambos conceptos a las mezclas bifásicas en generadores OMACON LM-
MHD, se desprende el hecho de que bajos valores de Void Fraction indicarán una peor
homogeneidad de la mezcla bifásica, lo que ocasionará valores elevados del Slip Ratio.
Notar de la importancia de esta situación ya que bajos valores de Void Fraction o
altos valores de Slip Ratio ocasionarán una gran desalineación de ambas fases, lo
que empeorará drásticamente el guiado del fluido electrodinámico hasta el nivel
gravitatorio superior, ralentizando el ciclo LM-MHD, y con ello, el rendimiento
global. Es por ello, por lo que se buscarán mezclados que tiendan a la situación ideal, de
ahí, la extrema importancia del mixer.
Subsistema: Separador
Se trata del clásico desgasificador que es capaz de separar una mezcla bifásica por
evaporación flash. Ello se consigue según las presiones de evaporación de las sustancias
que forman la mezcla bifásica. Además, tiene la poderosa función de crear diferencias
de presión globales, que son las que hacen subir a la mezcla bifásica por el riser. Esta es
la ventaja de los sistemas OMACON, a que gracias al principio de circulación libre
causa directa de lo anterior, es posible construir plantas LM-MHD sin excesivos
sistemas de control y bombeo.
Parámetros importantes:
Presión de separación (de baja): Es aquella presión a la que está sometido el
desgasificador (evaporación flash), con lo que, junto con la presión de mezcla
100
(de alta), una gran caída de presión es creada. Este es el motor principal de
ascenso de dicha mezcla hacia el nivel gravitatorio superior.
Subsistema: Generador LM-MHD
Se trata del clásico canal descendente LM-MHD ya visto varias veces en el presente
proyecto. En dicho canal, donde circula el metal líquido, es donde tiene lugar la
conversión directa de energía cinética en energía eléctrica sin la necesidad de elementos
rotativos móviles.
Parámetros importantes:
Intensidad de campo magnético: Se trata del campo magnético creado por el
electroimán. Su potencia (en Teslas) es directamente proporcional a la cantidad
de energía eléctrica generada en el generador MHD. En los sistemas OMACON
la intensidad de campo magnético requerida es muy moderada, usualmente con
valores comprendidos entre 0.4 y 0.8 Teslas. Que pueden ser generados a través
de un electroimán convencional cuyo consumo eléctrico es una pequeña fracción
del output eléctrico total.
Velocidad de circulación del LM: Se trata de la velocidad total (inercial y de
caída libre) del metal líquido en su paso descendente por el canal MHD.
También se trata de un parámetro que es directamente proporcional a la cantidad
de energía eléctrica generada en el generador MHD.
Para más información a bajo nivel del funcionamiento del canal MHD, acudir a los
capítulos 3 y 4 del presente documento.
Subsistema: Riser y Downcomer
Se trata de las tuberías o conductos que llevan y traen el fluido desde el nivel inferior al
superior y viceversa, respectivamente. En este sentido, se trata de elementos pasivos
pero necesarios para el funcionamiento de un sistema LM-MHD OMACON.
Parámetros importantes:
Altura efectiva: Se trata de la altura H necesaria para obtener el desarrollo
máximo de la planta, junto con la temperatura máxima y la presión de vapor del
fluido termodinámico. Según [50], la altura efectiva puede definirse como:
Con V como el volumen total de la etapa, la densidad del fluido electrodinámico
como y como la fracción de vacío en el riser, creada por la inyección de
fluido termodinámico (vapor) en el seno del fluido electrodinámico (metal
líquido). Nótese que en dicha expresión se han despreciado las pérdidas por
fricción y por aceleración.
101
Escalonamientos o etapas: Se trata del fraccionamiento de la gran columna de
altura en varias columnas concatenadas, con el objeto de evitar la aparición de
grandes alturas. El número de escalonamientos del sistema o etapas viene dado
por la consideración del análisis de optimización, teniendo en cuenta las
variables de optmización tales como la altura equivalente total, la producción
eléctrica deseada y el coste del almacenamiento de toda la cantidad de metal
líquido en cada etapa.
Caída de presión efectiva: De lo anterior emana que la caída de presión
disponible para extraer energía del generador MHD sería idealmente:
Cuya cantidad de energía extraída por el generador MHD, obedece la expresión:
Esquema Etgar-5
Visto este repaso, ya menos conceptual, estamos en disposición a aplicar estos
conceptos al análisis de la planta Etgar-5.
La Etgar-5, al ser la que fuera la primera planta semicomercial LM-MHD, presentaba
una configuración tecnológica más avanzada que su predecesora, la Etgar-3. Dicha
configuración se basaba en las stages o escalonamientos para que, de este modo, no
hiciera falta una altura equivalente de muchos metros de altura.
Ello aplicado al diseño conceptual de la Etgar-5, quedaría (Figura 6.3).
Figura 6.3
102
A partir de todo lo anterior, los objetivos técnicos más importantes que pueden ser
conseguidos son:
1. Mantener una altura razonable para cada etapa, a la vez que se mantienen
grandes diferencias de presión para maximizar la eficiencia.
2. Controlar y optimizar la Fracción de Vacío en cada lazo para alcanzar valores
máximos en cada stage. De esta forma se controla la mezcla en el momento que
las burbujas están a punto de aparecer con lo que, se minimizan los valores del
Slip Ratio.
3. Proporcionar una construcción modular para aislar eléctricamente cada lazo, lo
que ocasiona que se generen altos valores de tensión eléctrica, incrementando la
eficiencia y disminuyendo el coste del inversor.
4. El fluido termodinámico se vaporiza en cada lazo donde los niveles de presión
son automáticamente controlados por el flujo continuo en el anillo. Los procesos
de arranque y de apagado de la planta están altamente simplificados.
Particularizando todo esto en una instalación real de cogeneración MHD, se muestra en
la página siguiente un plano del diseño conceptual de la planta Etgar-5 (Figura 6.4)
extraído del artículo [56].
103
Figura 6.4
104
Cuya geometría del canal LM-MHD corresponde a (Figura 6.5).
Figura 6.5
Y cuyos fluidos de trabajo son [56]:
Fluido Electrodinámico: Plomo fundido.
Fluido Termodinámico: Vapor de agua.
De aquí en adelante me referiré al esquema de la Figura 6.4 como Instalación
Secundaria. Ya que al final del capítulo se mostrará la integración del receptor central
y campo de heliostatos (o Instalación Primaria), en el anterior esquema de la
instalación de cogeneración LM-MHD.
Subsistema: Aplicación industrial de secado de fosfatos
Notar brevemente de la importancia del procesado de fosfatos en la industria química.
Se trata de una serie de tratamientos en serie que sirven para separar las impurezas y
elemento extraños de una roca bruta de fosfato, con el objetivo de usar dicha materia
prima en la industria de los fertilizantes. Los tratamientos en serie consisten en:
1. Bonificado y granulado de la roca
2. Secado en un reactor de lecho fluido
3. Transformación a ácido fosfórico
Siendo la etapa de secado, la aplicación industrial a satisfacer por la instalación de
cogeneración LM-MHD solar. Notar de la importancia de esta etapa debido a que es ahí
donde se secan los materiales característicamente porosos, como en nuestro caso, el
fosfato. En el reactor de lecho fluido, el secado se controla mediante la inyección de
gases calientes (en un rango de temperaturas en torno a los 120ºC) que se sitúan sobre el
lecho fluido de fosfato.
Los granulados húmedos de fosfato (obtenidos mediante una granulación de alto corte)
son secados en lecho fluido por la acción combinada de la difusión de la humedad desde
el interior de los gránulos y el arrastre de la humedad por convección forzada de aire.
En esta operación unitaria, el granulado deberá ser uniformemente fluidificado por aire
caliente y deshumidificado para que se produzca una eficiente transferencia de masa y
energía.
Es por ello por lo que existen estos tres parámetros críticos del aire de ingreso que
afectan la eficiencia del proceso y la calidad del producto.
Temperatura
Humedad
Caudal
105
A mayor temperatura y mayor caudal del aire de ingreso, se tiene como consecuencia la
reducción del tiempo de secado. Sin embargo cada parámetro deberá ser
cuidadosamente definido para cada tipo de granulado.
Para el correcto funcionamiento de la instalación de secado, aparte del aporte de energía
térmica a inyectar en el lecho fluido en forma de gases, es necesario también un aporte
de energía eléctrica que accione los elementos que conforman la instalación de secado.
Tales como ventiladores y ciclones, sensores de temperatura, presión caudal, etc.
Energía eléctrica que será directamente suministrada por el trabajo generado en el canal
LM-MHD, perteneciente a la Instalación Secundaria calculada a continuación.
Resolución analítica de la Instalación Secundaria
Partiendo del plano de la figura 6.4 se tienen los siguientes desarrollos aplicados para
una planta de cogeneración OMACON LM-MHD.
Cálculo de potencias térmicas
(
)
(
)
(
)
(
)
De donde la potencia térmica total que debe venir por aporte solar se calcula como:
Cálculo del trabajo eléctrico de las bombas hidráulicas
Aproximando las potencias eléctricas de las bombas a través de la fórmula:
106
Particularizando para la primera bomba de la instalación:
(
)
Donde el gasto se ha calculado restando de otros dos, por balance de materia en los
conductos.
Particularizando para la segunda bomba de la instalación:
(
)
Donde el gasto es el que proviene directamente del TREATED WATER RESERVOIR.
Y la tercera bomba PMPV_3 (en el plano pone PMPV_2, pero sería 3. Se trata de la
bomba situada cerca del Boiler) cuyo trabajo de accionamiento se calcularía como la
suma de elevar sendas corrientes de agua a 1.53 y 28 bar respectivamente, a 28.72 bar.
De donde:
Corriente a P = 1.53 bar
(
)
Corriente a P = 28 bar
(
)
De donde el trabajo total de la tercera bomba es:
De donde el trabajo total consumido por las bombas es:
Cálculo del trabajo neto de la planta
Asumiendo una eficiencia de conversión MHD (% de extracción entálpica) del 7.66 %
según el artículo del que procede el plano de la instalación Etgar-5 [56].
Se tiene:
107
Descontando la energía consumida para accionar las bombas, queda:
Cálculo de la potencia térmica útil de la planta
Por diferencia de entalpías en la entrada y salida de la aplicación industrial del mismo
plano del artículo [56], se tiene:
(
)
De esta forma independiente de la red eléctrica local y con aporte 100% solar, sería
posible accionar una instalación de secado de fosfatos (phosphate drying process) cuyo
output es un fosfato libre de impurezas listo para su uso en la industria química. Uno de
los principales problemas a atajar a partir de este punto sería el hecho de que sería
necesaria la inclusión de hibridación para mantener la temperatura del plomo en fase
líquida durante las horas nocturnas.
Cálculo del rendimiento energético de la Instalación Secundaria
De donde el rendimiento energético que mide el total de energía, en forma de calor o
trabajo aprovechados desde el punto de vista de la Instalación Secundaria, queda:
Resolución aproximada de la Instalación Primaria
Se ha visto que la temperatura del metal líquido y del vapor de inyección son unos
parámetros muy importantes en un ciclo de conversión de energía LM-MHD. Éstas se
obtienen a través de la conversión de radiación solar directa —en el concentrador de la
central termosolar, el campo de heliostatos— en energía térmica portante sobre nuestros
dos fluidos de trabajo. Para describir el funcionamiento interno de la instalación solar,
véase a continuación el siguiente esquema de la Instalación Primaria (Figura 6.6).
108
Figura 6.6
Notar que los valores de la figura 6.6 precedidos por un ―=‖ están extraídos
directamente del plano de la figura 6.4 (Instalación Secundaria), mientras que los
precedidos por un ―≈‖ están aproximados conceptualmente. Los valores de las flechas
rojas están obtenidos en los cálculos energéticos del apartado anterior.
A través de la inspección del plano de la figura 6.6 puede apreciarse el ciclo de vida de
la energía térmica de la planta. En primer lugar la radiación solar directa incidiría sobre
el campo de heliostatos que, a su vez, reflejaría la radiación hacia el receptor central —
de tipo volumétrico— de la instalación. A continuación, sobre dicho receptor central, se
alcanzarían temperaturas del orden de los 1000 K, donde un circuito de aire (debido a su
buen funcionamiento a altas temperaturas, de hasta 1400 K) sería el encargado de
transportar la energía térmica hacia dos intercambiadores:
―Boiler‖
Se trata del propio Boiler de la Instalación Secundaria (Figura 6.4), cuya
caracterización está completamente definida a través de su fluido de trabajo
(vapor de agua) y sus temperaturas de entrada/salida.
―Recuperator‖
Se trata de un recuperador cuyo objetivo es el de utilizar la entalpía de salida de
la corriente de aire del Boiler para mantener la temperatura del plomo fundido
(de unos 752 K) en cada una de las 3 etapas de la Instalación Secundaria.
109
Para ello dicha enltapía es cedida hacia un lazo intermedio cuyo fluido de
trabajo —también plomo fundido— es el encargado de transferir, a través de 3
intercambiadores en serie, la energía térmica suficiente para mantener las
temperaturas de operación de cada etapa en la Instalación Secundaria.
A continuación se muestra un esquema que describe, a través de un diagrama de
bloques, los flujos de potencia necesarios para el funcionamiento de la instalación
completa (Figura 6.7).
Figura 6.7
Cuyos valores de rendimiento ―PD‖ (punto de diseño), ―RV‖ (receptor volumétrico),
―B‖ (boiler) y ―R‖ (recuperador) se han aproximado convenientemente.
Para la obtención aproximada de la potencia requerida del campo solar se ha procedido
como sigue:
110
Asumiendo una irradiancia normal directa de unos 900 W/m2, se tiene un área de
captación de:
Aplicando un factor de múltiplo solar de 3, queda:
Y asumiendo que la superficie de un heliostato es de 150 m2, el número de heliostatos
necesario sería de:
Si quisiéramos aumentar la profundidad del presente análisis, habría que modelar desde
el nivel físico más bajo, los valores del plano de la planta Etgar-5, (Figura 6.4). En este
sentido, a día de hoy, se tiene ventaja con respecto a hace más de 30 años ya que es
posible, y más económico, modelar computacionalmente una planta que obedezca a las
leyes de la física magnetohidrodinámica de forma numérica.
Sin embargo, recorrer ese camino nos obligaría a enfrentarnos con problemas tales
como el modelado de una mezcla bifásica con cambios de temperatura y presión o el
sistema de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales MHD que incluye
simultáneamente:
Las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo
La ecuación de Continuidad Másica de la mecánica de fluidos
La ecuación de Navier-Stokes de la mecánica de fluidos
La Ley de Ohm Generalizada de la electrotecnia
Aún queda mucho camino por recorrer tanto matemática como tecnológicamente, sin
embargo, el autor del presente texto se muestra optimista ante ello, pues la Historia de la
Ciencia y la Técnica nos muestra que este tipo de quimeras han sido siempre una
cuestión de tiempo para el Ser Humano.
111
Capítulo 7. Conclusiones
Concluyendo el presente proyecto de investigación sobre el desarrollo histórico de la
tecnología LM-MHD, se citan a continuación una serie de puntos que deberán tenerse
en cuenta para la consideración de dicha tecnología con aporte solar.
Ventajas
De una manera general se puede asegurar que todas las tecnologías MHD son
sistemas excelentes para aplicaciones conjuntas con ciclos de gas/vapor o en
sistemas de cogeneración debido a la alta tasa de producción de calor que
presentan, fruto de la expansión isoterma que sufre el fluido electrodinámico en
el canal MHD. Véanse que las mayores plantas construidas en el mundo —U-
25, CDIF y Etgar-3— utilizaban el calor residual en un ciclo de vapor de cola o
como cogeneración.
A diferencia de las turbinas y los generadores convencionales, los sistemas
MHD no presentan partes mecánicas rotatorias por lo que la eficiencia de
conversión de energía cinética en eléctrica es mayor.
Derivado de lo anterior, al no presentar cuerpos rotatorios, los sistemas MHD en
general no presentan problemas lubricación o uso de cojinetes.
A diferencia de los sistemas MHD de ciclo abierto y ciclo cerrado, en los ciclos
LM-MHD no son necesarias las elevadas temperaturas, del orden de los 2000 K,
que eran requeridas para ionizar los gases de trabajo. Ello implica un menor
aporte energético para accionar los ciclos y un menor sufrimiento de los
materiales, a efectos termo-mecánicos.
Como consecuencia directa de lo anterior, ante la disminución del input térmico
y, a igualdad de rendimientos de los generadores MHD, aparece un inmediato
aumento de la extracción entálpica en los sistemas LM-MHD.
Además, la posibilidad de que un ciclo LM-MHD funcione en un rango de
temperaturas de entre 450 y 1000 K abre la puerta al desarrollo de sistemas
termosolares de concentración con tecnología LM-MHD así como con cualquier
otro sistema de generación de energía térmica convencional.
Se espera que las ventajas de un sistema LM-MHD solar sean cada vez más
evidentes debido al auge de las tecnologías de concentración termosolar. Las
cuales hacen que sea un sistema medioambientalmente amigable debido a que
no presenta emisiones de CO2, fruto de la combustión fósil en un generador de
energía térmica/cámara de combustión.
Presenta simplicidad en el diseño y control, fruto de la libre circulación
característica de los sistemas LM-MHD OMACON.
112
Se trata de un sistema muy atractivo para su uso en generación de energía
eléctrica en aplicaciones espaciales donde son requeridos largos ciclos de vida
en los sistemas técnicos.
Inconvenientes
Se trata de una tecnología cuyo estado del arte todavía es inmaduro por lo que
todavía existe un amplio margen de mejora. Es más, las prometedoras
extracciones entálpicas a pequeña escala derivados del gran número de ensayos
de los años 70 y 80 (ver comentarios del capítulo siguiente) arrojan solidez a las
futuras investigaciones que pudieran tener lugar, escalando dichos ensayos.
Todos los generadores MHD convierten la energía cinética en corriente
eléctrica, caracterizada por altos valores de intensidad y bajos valores de tensión.
Justo al contrario ocurre en las líneas eléctricas, cuyas altas tensiones y bajos
niveles de corriente, minimizan las pérdidas por efecto Joule. Es por ello por lo
que para reducir dichas pérdidas a la salida de un generador MHD, habrá que
poner un trafo que invierta tales variables eléctricas.
Durante la época de investigación y desarrollo de los sistemas LM-MHD, no se
llegaron a encontrar las soluciones asociadas a los problemas ocasionados por la
no homogeneidad de las mezclas bifásicas. Ello implicaría que todavía serían
patentes las grandes pérdidas por slip ratio en el riser, afectando así a las no
uniformidades en la generación eléctrica en los sistemas OMACON LM-MHD.
A efectos mecánicos, hay que tener en cuenta la aparición de problemas
asociados al confinamiento del metal líquido y a los problemas de corrosión y
erosión en los circuitos.
113
Capítulo 8. Valoraciones personales de la
tecnología LM-MHD
MHD o Magnetohidrodinámica. Una extraña palabra que encierra una singular fusión
interdisciplinar de las ramas más importantes de la Física. Desde su nacimiento hasta su
decadencia, MHD nunca ha dejado indiferente a nadie, razón por la cual ha sido objeto
de más de 50 años de investigaciones por parte de los gobiernos más importantes del
planeta.
Razones geopolíticas y financieras fueron la causa del cierre de los programas de I+D a
principios de los años 90, sin embargo, los tiempos han cambiado. A pesar de la fuerte
crisis económica que lleva azotando el mundo desde principios del nuevo siglo, se
avecina otra crisis: una crisis energética.
No sabemos cuándo ni en qué país comenzará, pero lo que sí sabemos es que va a
llegar. Se avecina un nuevo escenario mundial en el que, el agotamiento de los recursos
fósiles y el cambio climático, son los protagonistas principales. Y cuando este escenario
llegue, ya será demasiado tarde para reaccionar. Es por ello por lo que las
investigaciones en Energías Renovables cobran máxima importancia. Y dentro de éstas,
se encajaría este proyecto. Proyecto que merece al menos una reconsideración por parte
de investigadores y científicos de cara a la resurrección de la extinta tecnología MHD.
Pero, ¿merecería la pena dicha reconsideración?
A la vista está, que los resultados obtenidos por los distintos programas de I+D de los
diferentes países a lo largo del siglo XX no inviten a pensar que esta tecnología sea una
panacea, ni siquiera que pueda ser viable en un futuro más o menos lejano. Aunque por
otro lado, hay que tener bien presente que dichas extracciones entálpicas son los
resultados de investigaciones y ensayos de hace más de 50 años. Probablemente, en la
actualidad pudieran alcanzarse % mayores y para afirmar tal declaración, me baso en la
moderada experiencia adquirida desde el comienzo del proyecto. Es por ello, por lo que
pienso que el futuro de MHD puede ir encaminado hacia dos claras líneas de
investigación:
1) Ciclo LM-MHD OMACON con aplicaciones de cogeneración
Continuando con la línea del programa de plantas Etgar y partiendo del diseño
conceptual de la planta Etgar-5, nuevas investigaciones orientadas hacia ensayos
numéricos computacionales probablemente arrojen resultados con mayores
extracciones entálpicas en aplicaciones de cogeneración. Y, para demostrar que
no se trata de una utópica ilusión, adjunto a continuación un interesante artículo
de 1995, donde se muestra un diseño conceptual de una instalación OMACON
de 4 etapas, de 10 MW de input térmico, accionados a partir de calor residual
procedente de un ciclo de potencia nuclear:
114
[62] Satyamurthy P., Thiyagarajan T.K., Venkatramani N., A
conceptual scheme for electrical power generation from nuclear waste
heat using liquid metal magnetohydrodynamic energy converter, Laser
and Plasma Technology Division, Thermal Plasma Section and Bhabha
Atomic Research Centre, 1995),
En él, se muestra un rango de conversión MHD de la instalación que va
desde un bajo 4.9% (para una temperatura de alta de 450 K) hasta un
prometedor 20.1% (para una temperatura de alta de 570 K).
Para más detalles acerca del modelo, acudir al citado artículo del que pienso que
sería, junto con este proyecto, un buen punto de partida de cara a continuar las
investigaciones en la línea de los ciclos LM-MHD OMACON.
2) Two-Phase LM-MHD Ericsson Cycle
Ciclo orientado exclusivamente a generación de potencia para aplicaciones
terrestres y espaciales con aporte fósil y/o solar. Cito directamente de la pág. 63
del presente proyecto:
“Años más tarde, según informes de testeos del Argonne National Laboratory, y
a través del uso de la pareja Na-K y , se obtuvieron % de extracciones
entálpicas mayores del 50% en ensayos con temperaturas de hasta 1500 K en
un pequeño generador de 20 kW”.
Cuyas fuentes, entre otras, son:
[48] Lee J.H., Hohl F., Solar-Driven Liquid Metal
Magnetohydrodynamic Generator, National Aeronautics and Space
Administration, 1981.
[50] Petrick M., Branover H., Liquid Metal MHD Power Generation –
Its Evolution and Status, Argonne National Laboratory and Ben-Gurion
University of the Neglev, Beer Sheva, 1985.
[55] Branover H., Liquid-Metal MHD, Ben-Gurion University of the
Neglev, Beer Sheva, Israel, 1988.
Datos, extremadamente prometedores y en los que me hubiera encantado
sumergirme. Sin embargo, al descubrir dicho documento justo en la recta final
de la elaboración del proyecto, no pude profundizar todo lo que hubiera deseado,
dado que después de 2 años de investigación a tiempo parcial (por la finalización
de mis estudios en el primero y por trabajar en el sector aeroespacial en el
segundo), el tiempo me era limitado por circunstancias personales. Confío en
que alguien tenga la curiosidad y el atrevimiento de investigar en esta
prometedora dirección apoyándose en la labor de investigación presentada en el
proyecto que cierro sobre estas líneas.
Por mi parte, dejo el testigo a quién tenga el valor de recogerlo. El valor de pensar en el
futuro y en las futuras generaciones que están por llegar.
115
116
117
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Fuentes de figuras
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Figura 2.2: Producción propia (imagen de terceros modificada).
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http://laplace.us.es/wiki/images/3/38/Ejemplo_de_maquina_termica.gif
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https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/82/Carnot-cycle-T-
S-diagram.svg/524px-Carnot-cycle-T-S-diagram.svg.png
Figura 2.6: Producción propia (imagen de terceros modificada).
Figura 2.7: Producción propia (imagen de terceros modificada).
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Figura 3.1: Producción propia (imagen de terceros modificada)
Figura 3.2: Google imágenes
Figura 3.3: Producción propia (imagen de terceros modificada)
Figura 3.4:
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/thumb/5/54/Ohms_law_vectors.svg/1
280px-Ohms_law_vectors.svg.png
Figura 4.1: [24]
Figura 4.2: Producción propia (imagen de terceros modificada)
Figura 4.3: Producción propia (imagen de terceros modificada)
Figura 4.4: Producción propia (imagen de terceros modificada)
Figura 4.5: Producción propia (imagen de terceros modificada)
Figura 4.6: Producción propia (imagen de terceros modificada)
Figura 5.1:
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/5b/Faraday-
Millikan-Gale-1913.jpg/190px-Faraday-Millikan-Gale-1913.jpg
Figura 5.2: http://www.phy6.org/earthmag/Figures/waterloo.gif
Figura 5.3: http://www.converter.cz/fyzici/images/maxwell.jpg
Figura 5.4:
http://engineeringhistory.tumblr.com/post/73613159389/the-westinghouse-
atom-smasher-at-the-site-of-the
Figura 5.5: [20]
Figura 5.6: [20]
Figura 5.7: [20]
Figura 5.8: [26]
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Figura 5.12: [25]
Figura 5.13: [14]
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Figura 5.24: [17]
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Figura 5.31: [15]
Figura 5.32: [35]
Figura 5.33: [17]
Figura 5.34: [17]
Figura 5.35: [40]
Figura 5.36: [37]
Figura 5.37: [40]
Figura 5.38: [40]
Figura 5.39: [40]
Figura 5.40: [36]
Figura 5.41: [38]
Figura 5.42: [38]
Figura 5.43: [38]
Figura 5.44: [40]
Figura 5.45: [50]
Figura 5.46: [48]
Figura 5.47: [50]
Figura 5.48: [50]
Figura 5.49: [48]
Figura 5.50: [61]
Figura 5.51: [62]
Figura 5.52:
http://www.statemaster.com/wikimir/images/upload.wikimedia.org/wikipedia/en
/thumb/d/d4/Ts-rankine.png/600px-Ts-rankine.png
Figura 5.53: Producción propia.
Figura 5.54: [50]
Figura 5.55: [46]
Figura 5.56: [46]
Figura 5.57: [46]
Figura 5.58: [46]
Figura 5.59: [54]
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Figura 5.60: [60]
Figura 5.61: [54]
Figura 5.62: [54]
Figura 5.63: [63]
Figura 5.64: http://www.caer.uky.edu/images/history/ribbon.jpg
Figura 5.65: [18]
Figura 5.66: [18]
Figura 5.67: [18]
Figura 5.68: http://jiht.ru/en/about/supervisor/sheindlin.php
Figura 6.1: Producción propia.
Figura 6.2: [62]
Figura 6.3: [63]
Figura 6.4: [56]
Figura 6.5: [56]
Figura 6.6: Producción propia.
Figura 6.7: Producción propia.
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