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Un sistema podría generar electricidad a partir de gases calientes disipados a la atmósfera por una chimenea industrial

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El ingeniero industrial Miguel Araiz Vega (Estella, 1991), 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 de treinta metros

La chimenea está situada en una industria y disipa gases calientes a 250 °C de temperatura, para generar un total de 363 megavatios-hora de electricidad al año, equivalente al consumo eléctrico anual de 111 hogares españoles.

Esta instalación produciría dicha energía con un coste de 14,6 céntimos de euro el kilovatio.

Este desarrollo tecnológico es fruto de su tesis doctoral, defendida en la UPNA y dirigida por 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 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.

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”. “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 —describe Aráiz—. 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 Aráiz 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.

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”, señala.

Aráiz realizóun 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”.

Miguel Aráiz se tituló en Ingeniería Industrial en la UPNA y realizó su proyecto final de carrera en la Universidad de Ciencias Aplicadas Hochschule Osnabrück (Alemania). En 2015 se incorporó al grupo de investigación en Ingeniería Térmica y de Fluidos de la UPNA, cuyo coordinador es el ya citado David Astrain y donde comenzó a desarrollar su tesis gracias a una beca del Gobierno central.

Como investigador del citado grupo, ha colaborado en varios proyectos de investigación (de financiación tanto pública como privada), relacionados con la generación y refrigeración termoeléctrica, la simulación de sistemas térmicos y el diseño y la optimización de intercambiadores de calor. Fruto de este trabajo, Miguel Araiz es coautor de siete artículos publicados en revistas científicas de reconocimiento internacional, y ha participado con catorce contribuciones en congresos nacionales e internacionales. En 2018, en el Congreso Internacional de Termoelectricidad celebrado en Caen (Francia), fue galardonado con el premio al mejor póster.

Además, durante el desarrollo de su tesis doctoral, realizó una estancia de investigación de cuatro meses en la RMIT University de Melbourne (Australia), donde estudió diferentes sistemas de aprovechamiento de calor residual y, en 2017, fue beneficiario de la Beca Fuentes Dutor, concedida por la Fundación Fuentes Dutor y el Colegio Oficial de Ingenieros Industriales de Navarra y destinada al perfeccionamiento científico y tecnológico de jóvenes ingenieros industriales.

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