El ingeniero estellés, Miguel Araiz diseña un sistema para convertir en electricidad el calor residual de los gases industriales

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El ingeniero industrial Miguel Araiz, investigador del Instituto de Smart Cities (ISC) de la Universidad Pública de Navarra (UPNA), ha diseñado un generador termoeléctrico que aprovecha el calor residual de una chimenea industrial de treinta metros, que disipa gases a 250 °C de temperatura, para generar un total de 363 MWh de electricidad al año, equivalente al consumo eléctrico anual de 111 hogares españoles. El sistema produciría dicha energía con un coste de 14,6 céntimos de euro el kilovatio.


Un investigador español diseña un sistema para convertir en electricidad el calor residual de los gases industriales

El generador termoeléctrico ideado por el ingeniero industrial Miguel Araiz  (Estella-Lizarra, 1991) es fruto de la tesis doctoral que ha defendido en la UPNA bajo la dirección de los investigadores del ISC David Astrain Ulibarrena y Álvaro Martínez Echeverri. La investigación, que ha sido calificada con sobresaliente “cum laude”, ha obtenido financiación del Gobierno central para proyectos de I+D+i en el marco del Plan Estatal de Investigación Científica y Tecnológica y de Innovación.

“La situación energética actual —y todos los problemas medioambientales, políticos y económicos asociados a ella— hacen cada vez más necesaria una optimización de los sistemas de generación eléctrica y una incorporación de medidas de ahorro energético a los procesos “, afirma Miguel Araiz. “En este sentido, distintas investigaciones han puesto el foco en la recuperación del calor residual, una energía que se produce en distintos procesos y que no suele aprovecharse, sino que se libera al ambiente o se disipa”.

De esta forma, la tesis doctoral de Miguel Araiz ha estudiado el aprovechamiento de energía residual a través de generadores termoeléctricos, basados en el efecto Seebeck, unos dispositivos capaces de producir energía eléctrica a partir de una fuente de calor. “Para ello, basta con lograr una diferencia de temperaturas entre las caras de los módulos termoeléctricos, el elemento esencial de estos dispositivos. Cuanto mayor sea esta diferencia de temperaturas, mayor será la potencia eléctrica generada”, apunta el investigador.

Mayor eficiencia
Entre las ventajas de estos dispositivos, se encuentran “la ausencia de partes móviles, que reducen e, incluso, eliminan el mantenimiento; la posibilidad de aprovechar cualquier salto de temperaturas para producir electricidad; y la escalabilidad y la modularidad, lo que permite una mejor adaptación al foco de calor”, explica Araiz. 

 Sin embargo, la eficiencia de la conversión calor-electricidad de estos sistemas es baja, y una forma de aumentarla es a través de la optimización de los intercambiadores de calor que acompañan a los módulos en los generadores termoeléctricos.

Y eso es lo que ha hecho Araiz. “La misión de estos intercambiadores es la de acercar la temperatura de las caras de los módulos a la de los respectivos focos, aumentando, de esta manera, la diferencia de temperatura entre las caras de los módulos y consiguiendo un incremento de la producción eléctrica”.

En este sentido, Miguel Araiz planteó, en su trabajo, utilizar, como intercambiadores de calor, en el lado frío de los generadores termoeléctricos, termosifones con cambio de fase o bifásicos. “Son los encargados de disipar al ambiente el calor que no se transforma en los módulos termoeléctricos. Además, no necesitan de equipos auxiliares como ventiladores o bombas, de forma que se consigue una refrigeración pasiva y autónoma, a diferencia de los sistemas habituales, como disipadores de aletas o intercambiadores de agua”, indica.

En concreto, el investigador desarrolló un modelo computacional capaz de simular el comportamiento de estos termosifones bifásicos en prototipos de intercambiadores de calor. Con esta herramienta, diseñó y construyó un prototipo de generador termoeléctrico que incluía un termosifón bifásico en su lado frío. Este prototipo se instaló en el conducto de salida de una caldera de combustión situada en los laboratorios de la UPNA y, tras la experimentación bajo diferentes condiciones de trabajo, se llegó a generar un máximo de 240 vatios por metro cuadrado de chimenea.

Ensayo en una industria real

Dados los resultados obtenidos en los ensayos experimentales en los laboratorios, Miguel Araiz realizó, a continuación, un estudio computacional de implantación de esta tecnología en una industria real, donde poder recuperar el calor residual de un proceso industrial. Así, analizó el proceso productivo de una empresa donde existen varios focos de calor que no se estaban aprovechando.

“Tras la selección del punto que mejores características térmicas presentaba, se diseñó un generador termoeléctrico para ser colocado en la superficie exterior de una chimenea de treinta metros de altura en la que actualmente se disipan gases calientes a 250 °C de temperatura”, comenta. “El sistema propuesto incluye intercambiadores de calor a ambos lados de los módulos termoeléctricos. En concreto, cuenta con un termosifón bifásico, en la parte fría, y disipadores de aletas, en la parte caliente. De esta forma, el generador termoeléctrico desarrollado es completamente pasivo y toda la potencia eléctrica generada podría ser aprovechada por la empresa. Además, instalarlo costaría diez euros el vatio”.

 

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