12/02/2016 - Dispositivos termoeléctricos para aprovechar el calor residual en procesos industriales

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La ingeniera industrial Patricia Aranguren Garacochea (Pamplona, 1988) ha demostrado experimentalmente con éxito que se puede aprovechar el calor residual de los humos procedentes de la combustión de una caldera y de un horno industrial para generar electricidad. En concreto, obtuvo energía equivalente a la que consumen anualmente 40 hogares. Esta investigación, con la que se ha doctorado en la Universidad Pública de Navarra (UPNA), contribuye al “aumento de la eficiencia energética de los procesos industriales y a la reducción de la emisión de gases contaminantes al ambiente, por lo que aporta su granito de arena a la sostenibilidad del sistema energético”, resume la autora.

Ante el reto de satisfacer la demanda energética respetando el medio ambiente, “es muy importante tanto utilizar más racionalmente los combustibles fósiles como buscar fuentes de energía alternativas”, según Patricia Aranguren, que se fijó en la termoelectricidad. La generación termoeléctrica es una tecnología que tiene la capacidad de producir energía eléctrica a partir de fuentes de calor residual, por lo que supone una oportunidad de recuperación energética tanto en grandes sistemas industriales, como en edificios de viviendas. Solo entre un 35 y un 40% de la energía destinada a los diferentes procesos es empleada para su fin y el resto se emite al ambiente en forma de calor residual.

“La capacidad que tiene la termoelectricidad para convertir el calor residual en electricidad sitúa a esta tecnología dentro del uso inteligente de la energía, debido al mejor aprovechamiento de los combustibles fósiles”, apunta Aranguren.

La termoelectricidad se ha aplicado con éxito en diversos sectores, como, por ejemplo, el automovilístico o incluso en áreas tan exigentes como la tecnología espacial (por ejemplo, el vehículo de exploración Curiosity de la NASA enviado al planeta Marte).

Simulaciones y experimentos

Durante su tesis, Aranguren realizó simulaciones computacionales y experimentó en escenarios reales. “En ambos casos, se han obtenido valores muy prometedores para la generación eléctrica a través del aprovechamiento de los gases residuales”, indica.

En concreto, desarrolló un modelo computacional que simula la generación termoeléctrica, prediciendo el comportamiento de generadores para optimizarlos. Además, este modelo computacional se enriqueció con las variables obtenidas experimentalmente, mediante los ensayos realizados a varios dispositivos de intercambio de calor.

Con este bagaje previo, Aranguren estudió experimentalmente un generador de electricidad, diseñado y construido por los miembros del grupo de investigación al que pertenece: Ingeniería Térmica y de Fluidos, cuyo responsable es David Astrain Ulibarrena, profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica, Energética y de Materiales y director de la tesis. “El generador se colocó en la salida de humos de una caldera empleada para calentar agua. Está compuesto por 48 módulos termoeléctricos, dos sistemas de intercambio de calor y otros dispositivos. La generación eléctrica neta óptima conseguida asciende a una potencia de 100 W/m2”, explica la nueva doctora, cuya tesis ha sido calificada con Sobresaliente “cum laude”.

Posteriormente, para optimizar los sistemas de intercambio de calor, escogió un horno azulejero. “Se obtuvo una energía eléctrica neta máxima de 136,77 MWh/año, equivalente a la energía que consumen anualmente 40 hogares, al emplear, en el exterior de la chimenea del horno, termosifones que carecen de partes móviles y, por lo tanto, forman sistemas muy robustos y silenciosos”, describe Aranguren, que utilizó dispositivos termoeléctricos basados en el efecto Seebeck, que presentan la ventaja de no utilizar partes móviles, por lo que tienen un mínimo mantenimiento y una larga vida. Además, son aptos para el aprovechamiento de calores residuales de baja temperatura (inferior a 250º C), que conforman el 70% de los que se desechan.

Patricia Aranguren Garacochea (Fuente: UPNA)

Breve currículum

Patricia Aranguren Garacochea estudió en la Universidad Pública de Navarra Ingeniería Industrial y el Máster en Ingeniería Mecánica Aplicada y Computacional. Tras lograr una beca predoctoral, lleva trabajando desde 2012 en el Grupo de Investigación de Ingeniería Térmica y de Fluidos de la UPNA.

Fruto de sus investigaciones, Patricia Aranguren Garacochea ha sido premiada en dos ocasiones por la International Thermoelectric Society (ITS): en 2015, obtuvo ex aequo el segundo premio ITS Graduate Student Award, en la categoría de jóvenes investigadores cuyo trabajo y trayectoria en el campo de la termoelectricidad supongan una originalidad e impacto relevantes; y en 2014, durante la 33th International Conference on Thermoelectrics, celebrada en Nashville (EEUU), el premio al mejor póster (ITS Outstanding Poster Award).

Patricia Aranguren, que es coautora de siete artículos de investigación y ha presentado quince ponencias en congresos nacionales e internacionales, realizó también una estancia de investigación en el Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology de Dresde (Alemania). 

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