María Magdalena Santos Rodríguez, alumna de la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM), ganó el premio a la mejor tesis de maestría, en el 26avo. Certamen Nacional de Tesis 2015-2017, en la categoría de eficiencia energética, convocado por el Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), organismo público descentralizado de la Administración Federal.

El trabajo de investigación de la egresada de la Maestría en Ingeniería de Procesos de la Unidad Azcapotzalco pretende optimizar la recuperación de energía a partir de fuentes de baja temperatura en condiciones de incertidumbre en un ciclo Rankine –el cual es termodinámico y utilizado en la industria para convertir energía en electricidad– y analizar la eficiencia de los equipos.

La investigadora estudió el impacto sobre la calidad del diseño de incertidumbres presentes, porque este tipo de análisis es de gran importancia y utilidad, ya que permite obtener diseños que operen en condiciones más reales.

El estudio, asesorado por los doctores Miguel Ángel Gutiérrez Limón, del Departamento de Energía de la citada sede académica; Antonio Flores Tlacuahuac, de la Escuela de Tecnología y Ciencias del Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, y Víctor Zavala Tejeda, del College of Engineering de la University of Wisconsin-Madison, contribuye al desarrollo de un sector energético más eficiente y sustentable, porque el calor o la energía desechados por la industria al ambiente podrían recuperarse para ser empleados como electricidad.

En la investigación Recuperación óptima de energía de fuentes de baja temperatura bajo condiciones de incertidumbre, la maestra Santos Rodríguez analizó el problema de diseño de fluidos orgánicos multicomponentes capaz de recuperar calor a un rango establecido de temperaturas y eficiencias de equipos, definido en escenarios para el estudio de incertidumbres en parámetros específicos para obtener un diseño flexible.

De acuerdo con los resultados, cuando se considera la incertidumbre, las eficiencias del ciclo disminuyen, debido a que el modelo de optimización debe encontrar una solución para todo el rango del parámetro incierto y, por lo tanto, restringe el logro.

Los parámetros inciertos que más afectan la eficiencia del ciclo son la temperatura de la fuente de calor y la eficiencia de la turbina, ya que en esos indicadores se puede observar una mayor variabilidad.

Las temperaturas de las fuentes de calor y la eficiencia de equipos tienen un fuerte efecto sobre la naturaleza de la mezcla de múltiples componentes a utilizar y se descubrió que las formulaciones de optimización estocástica pueden identificar mezclas que resisten la variabilidad y los escenarios extremos, mientras se mantiene próximo al óptimo desempeño.

Con la investigación quedó demostrado que el diseño de mezclas orgánicas para un ciclo Rankine orgánico mejora la eficiencia del sistema y maximiza la energía a recuperar, además con el estudio y el análisis de optimización estocástica para el modelo de optimización de energía del ciclo, en el cual se consideraron las incertidumbres, se pudo obtener un diseño flexible.

Es decir, un modelo que sea factible para todo rango de parámetro establecido como incierto y mediante las medidas de riesgo se examinaron dichas incertidumbres, por lo tanto se pudo obtener un diseño de un fluido que opere en condiciones de procesamiento más reales.

La egresada de la UAM dijo que la eficiencia de recuperación de energía se puede aumentar utilizando fluidos de trabajo que ofrecen puntos de ebullición de baja temperatura (fluidos orgánicos). Esta característica conduce a equipos mucho más compactos que los empleados en el ciclo con agua y resulta un sistema más sencillo y económico en términos de los costos de capital y de mantenimiento.

El Ciclo Rankine Orgánico podría aumentar la recuperación de energía a partir de fuentes de baja temperatura; además en la mayoría de las situaciones prácticas existe por lo general incertidumbre en variables que influyen sobre la calidad del diseño del ciclo, por lo que es de suma importancia analizar y cuantificar su efecto. La optimización estocástica es utilizada para encontrar una decisión óptima en problemas que involucran datos inciertos.

La industria química ha experimentado cambios significativos durante los últimos 25 años debido al aumento del costo de la energía, las regulaciones ambientales que son cada vez más estrictas y la competencia global en el precio del producto y calidad.

La optimización –el uso de métodos específicos para determinar la más rentable y eficiente solución a un problema o diseño para un proceso– es una de las herramientas de ingeniería más importantes para abordar esas problemáticas, por lo que existe interés en desarrollar fuentes de energía alternativa, sustentadas en las generadas por calor y en la maximización de otras como la solar, eólica, biomasa o geotérmica.

El calor residual, utilizado para la producción de electricidad, se puede obtener a partir de equipos y procesos industriales debido a que muchas aplicaciones en la producción manufacturera lo rechazan a temperatura baja.

En las plantas de gran escala, ese calor es abundante y con frecuencia no puede ser reintegrado en su totalidad y se envía a la atmósfera generando contaminantes como dióxido de carbono (CO2), óxido de nitrógeno (NOx), óxido de azufre (SOx) e hidrocarburos (HC).

La recuperación de calor residual disminuye este tipo de contaminación y puede producir electricidad para su consumo en el lugar o ser alimentado a la red, por lo que el Ciclo Rankine lo puede convertir mediante una turbina de gas o de otras fuentes en energía eléctrica útil, en especial para las corrientes de tratamiento por encima de 200 °C o incluso 370° C.

Sin embargo, la conversión de energía en potencia tiene una eficiencia térmica económicamente baja cuando la temperatura de la corriente cae por debajo de los valores antes mencionados usando agua como fluido de trabajo y el ciclo no permite la recuperación eficiente de calor residual.

La ingeniera química agradeció a la UAM por formar egresados con las capacidades y habilidades para un mejor desempeño profesional, con la motivación para hacer investigación en un clima de libertad y respeto, y contribuir en la solución de las problemáticas nacionales.

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