Simulación CFD de una central de chimenea solar para abastecer parciamente la demanda de energía eléctrica en una empresa cementera

Abstract

La producción de electricidad mediante fuentes no renovables contribuye significativamente a la emisión de gases de efecto invernadero. En 2022, Perú registró emisiones de 55 144 megatoneladas de CO2, ocupando el puesto 129 de 184 países. Es crucial implementar sistemas de generación de energía sostenible, como las centrales de chimenea solar, que aprovechan la energía solar para producir electricidad y reducir emisiones contaminantes. Por esto, la presente investigación simuló mediante Dinámica de Fluidos Computacional una central de chimenea solar para abastecer parcialmente la demanda energética de una empresa cementera. Se evaluaron las condiciones meteorológicas del norte del Perú con el software RETScreen, seleccionando el distrito de 26 de Octubre (5°11'59"S 80°35'59"O) por su alta irradiación. Estableciéndose como objetivo cubrir el 5% de la demanda energética de la cementera en Piura (8 MW). La metodología incluyó el diseño conceptual basado en criterios de eficiencia y durabilidad, utilizando los métodos de Palh y Beitz, Ulrich y Eppinger y la selección de materiales con el software Granta EduPack. La central diseñada tuvo 200 m de altura y 200 m de radio para el colector. Las simulaciones en ANSYS Fluent utilizaron el modelo de turbulencia k-epsilon y de radiación de Discretas Ordenadas (DO). Los resultados mostraron una velocidad de aire máxima de 10,2 m/s, una potencia máxima 8,7 Pa y una temperatura de 302 K en mayor proporción, teniendo una generación de 547,845 kW. El análisis económico reveló una TIR del 20,92% y una relación Beneficio-Costo de S/3,37, demostrando la viabilidad del proyecto.

The production of electricity from non-renewable sources contributes significantly to greenhouse gas emissions. In 2022, Peru recorded emissions of 55,144 megatons of CO2, ranking 129 out of 184 countries. It is crucial to implement sustainable energy generation systems, such as solar chimney plants, which take advantage of solar energy to produce electricity and reduce polluting emissions. For this reason, this research simulated a solar chimney plant using Computational Fluid Dynamics to partially supply the energy demand of a cement company. The meteorological conditions of northern Peru were evaluated with the RETScreen software, selecting the district of 26 de October (5°11'59"S 80°35'59"W) due to its high irradiation. The objective was to cover 5% of the energy demand of the cement plant in Piura (8 MW). The methodology included conceptual design based on efficiency and durability criteria, using the Palh and Beitz, Ulrich and Eppinger methods and the selection of materials with Granta EduPack software. The designed plant had a height of 200 m and a radius of 200 m for the collector. The simulations in ANSYS Fluent used the k-epsilon turbulence model and the Discrete Ordered (DO) radiation model. The results showed a maximum air speed of 10.2 m/s, a maximum power of 8.7 Pa and a temperature of 302 K in greater proportion, having a generation of 547,845 kW. The economic analysis revealed an IRR of 20,92% and a BenefitCost ratio of S/2,37, demonstrating the viability of the project.