Aplicación del ciclo orgánico de Rankine para la recuperación de energía en buques

Abstract

[Resumen] En el contexto de las actuales exigencias regulatorias de la Organización Marítima Internacional (OMI) orientadas a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, la recuperación de calor residual se presenta como una alternativa de interés para mejorar la eficiencia energética de los sistemas de propulsión marinos. El presente trabajo de fin de grado tiene como objetivo el estudio y análisis técnico de un sistema de recuperación de energía basado en un Ciclo Orgánico de Rankine (ORC) integrado en un buque gasero (LNG Carrier) equipado con motores duales Wärtsilä, analizado en condiciones estacionarias de funcionamiento al 100 % de carga. Como fluido de trabajo (FT) se ha seleccionado el R1233zd(E), una hidrofluoroolefina (HFO) de cuarta generación con un potencial de calentamiento global (GWP100) próximo a 1 y potencial de agotamiento de la capa de ozono nulo (ODP=0), cumpliendo con las restricciones ambientales actualmente aplicables a nuevas instalaciones. El modelo termodinámico desarrollado incorpora un regenerador destinado a mejorar el aprovechamiento interno de calor del ciclo y un precalentador alimentado mediante la recuperación térmica del aire de barrido (scavenge air). Esta configuración permite elevar la temperatura del fluido antes de su entrada en la caldera de recuperación de gases de escape. La caldera de recuperación (WHRS) se ha configurado en tres etapas diferenciadas — economizador, vaporizador y sobrecalentador— con el objetivo de mejorar la adaptación térmica entre el foco caliente y el fluido de trabajo, favoreciendo la transferencia de calor y reduciendo las irreversibilidades térmicas del sistema. El desarrollo del trabajo incluye un análisis basado en la primera y segunda ley de la termodinámica. Se realiza un balance energético para determinar la potencia neta generada por el sistema ORC y un análisis exergético para localizar y cuantificar las irreversibilidades presentes en los distintos componentes del ciclo. Asimismo, se lleva a cabo el dimensionamiento térmico del intercambiador de calor asociado al aire de barrido, y la evaluación de su comportamiento térmico. Finalmente, se evalúa el impacto del sistema sobre el comportamiento energético del buque. Los resultados obtenidos permiten cuantificar la mejora del consumo específico de combustible (SFOC) y la reducción del Índice de Eficiencia Energética para Buques Existentes (EEXI), analizando la viabilidad técnica del sistema ORC como medida de mejora energética en aplicaciones marinas.

[Resumo] No contexto das actuais esixencias regulatorias da Organización Marítima Internacional (OMI) orientadas á redución das emisións de gases de efecto invernadoiro, a recuperación de calor residual preséntase como unha alternativa de interese para mellorar a eficiencia enerxética dos sistemas de propulsión mariños. O presente traballo de fin de grao ten como obxectivo o estudo e análise técnica dun sistema de recuperación de enerxía baseado nun Ciclo Orgánico de Rankine (ORC) integrado nun buque gaseiro (LNG Carrier) equipado con motores duais Wärtsilä, analizado en condicións estacionarias de funcionamento ao 100 % de carga. Como fluído de traballo seleccionouse o R1233zd(E), unha hidrofluoroolefina (HFO) de cuarta xeración cun potencial de quecemento global (GWP100) próximo a 1 e potencial de esgotamento da capa de ozono nulo (ODP=0), cumprindo coas restricións ambientais actualmente aplicables ás novas instalacións. O modelo termodinámico desenvolvido incorpora un rexenerador destinado a mellorar o aproveitamento interno de calor do ciclo e un prequentador alimentado mediante a recuperación térmica do aire de barrido (scavenge air). Esta configuración permite elevar a temperatura do fluído antes da súa entrada na caldeira de recuperación dos gases de escape. A caldeira de recuperación (WHRS) configurouse en tres etapas diferenciadas — economizador, vaporizador e sobrequecedor— co obxectivo de mellorar a adaptación térmica entre o foco quente e o fluído de traballo, favorecendo a transferencia de calor e reducindo as irreversibilidades térmicas do sistema. O desenvolvemento do traballo inclúe unha análise baseada na primeira e segunda lei da termodinámica. Realízase un balance enerxético para determinar a potencia neta xerada polo sistema ORC e unha análise exergética para localizar e cuantificar as irreversibilidades presentes nos distintos compoñentes do ciclo. Así mesmo, lévase a cabo o dimensionamento térmico do intercambiador de calor asociado ao aire de barrido, e a avaliación do seu comportamento térmico. Finalmente, avalíase o impacto do sistema sobre o comportamento enerxético do buque. Os resultados obtidos permiten cuantificar a mellora do consumo específico de combustible (SFOC) e a redución do Índice de Eficiencia Enerxética para Buques Existentes (EEX), analizando a viabilidade técnica do sistema ORC como medida de mellora enerxética en aplicacións mariñas.

[Abstract] Within the framework of the current regulatory requirements established by the International Maritime Organization (IMO) for the reduction of greenhouse gas emissions, waste heat recovery is considered a promising solution for improving the energy efficiency of marine propulsion systems. The main objective of this bachelor’s thesis is the technical study and analysis of an Organic Rankine Cycle (ORC) waste heat recovery system integrated into an LNG carrier equipped with Wärtsilä dual-fuel engines, analyzed under steady-state operating conditions at 100% engine load. The selected working fluid is R1233zd(E), a fourth-generation hydrofluoroolefin (HFO) with a global warming potential (GWP100) close to 1 and zero ozone depletion potential (ODP=0) complying with the environmental restrictions currently applicable to new installations. The proposed thermodynamic model incorporates a regenerator intended to improve the internal heat recovery of the cycle and a preheater supplied by the thermal recovery of the scavenge air. This configuration increases the working fluid temperature before entering the exhaust gas waste heat recovery boiler. The waste heat recovery system (WHRS) has been configured in three differentiated sections —economizer, evaporator, and superheater— in order to improve the thermal matching between the heat source and the working fluid, enhancing heat transfer and reducing thermal irreversibilities within the system. The work includes an analysis based on the first and second laws of thermodynamics. An energy balance is carried out to determine the net power generated by the ORC system, together with an exergy analysis aimed at locating and quantifying the irreversibilities present in the different components of the cycle. Additionally, the thermal sizing of the scavenge air heat exchanger is performed, and the evaluation of its thermal behavior. Finally, the impact of the system on the vessel’s energy performance is evaluated. The obtained results allow the quantification of the improvement in specific fuel oil consumption (SFOC) and the reduction of the Energy Efficiency Existing Ship Index (EEXI), assessing the technical feasibility of the ORC system as an energy efficiency improvement measure for marine applications.