CARRERA PROFESIONAL DE
ELECTRICIDAD
Tema:
ELECTRICIDAD
Tema:
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LA NANOTECNOLOGIA
En el campo de la Electricidad
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Autor: Pasaca Apaza, Máximo
Autor: Pasaca Apaza, Máximo
Ciclo : II semestre
Año : 2006
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DEDICATORIA:
Este trabajo se lo dedico a mi madre, que en el momento de publicar esta monografía, se encuentra delicada de salud.
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AVISO IMPORTANTE
Este trabajo esta protegido, por todas las leyes de derecho de autor, se prohibe su copia total o parcial, bajo pena de aviso al profesor de curso.
NO A LA PIRATERIA!
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LA NANOTECNOLOGÍA
INTRODUCCION
El campo de la nanotecnología se enmarca dentro de las ciencias y la ingeniería. Las estructuras con las que se lidia en este campo miden, en al menos una de las tres dimensiones, menos de 100 nanómetros, es decir, la milmillonésima parte de un metro. La prueba viviente de cuán importantes son las nanoestructuras está en los sistemas orgánicos, complejos ensamblajes de componentes en la escala "nano": macromoléculas, complejos proteínicos, orgánulos, sistemas cuasi inorgánicos (como las cáscaras o los huesos), etc. Las maravillosas funciones que los sistemas orgánicos son capaces de realizar (la lógica, la memoria, la moción, la síntesis química, la conversión de energía o, incluso, la conciencia del yo) son consecuencia directa de la complejidad estructural en la nanoescala.
Los millones de transistores que conforman los chips que hacen funcionar nuestros ordenadores y móviles son, obviamente, nanoestructuras. Como se puede ver, el campo de la nanotecnología es amplísimo. Abarca desde la biología molecular hasta la electrónica, hasta el infinito. La investigación y desarrollo sobre nanoestructuras existe desde hace décadas. Los productos comerciales basados en nanoestructuras han estado disponibles para el público desde hace décadas; sin embargo, el interés por este campo últimamente ha crecido de manera exponencial, tanto por parte de los círculos científicos como por parte de los organismos gubernamentales y la comunidad de inversores.
Este renovado interés por la ciencia y la ingeniería en la nanoescala se debe a la conjunción de varios factores: las mejoras en los nanoproductos y las nanoherramientas (microscopía); el descubrimiento de que las nanoestructuras sintéticas se caracterizan por propiedades inusitadas; la expectación ante la revolución comercial y social que se avecina, parecida a la provocada en su momento por la industria de los semiconductores; el resultado de la investigación en nanotecnología; y, por último, un mayor apoyo gubernamental de la ciencia y la ingeniería en la nanoescala.
La Historia nos enseña que los frutos de la investigación son impredecibles. No obstante, la Historia también nos ha enseñado que ciertas áreas de investigación dejan ver su potencial desde el primer momento. Un ejemplo: la biología molecular nacía hace treinta años y hoy los esfuerzos en investigación están dando sus frutos en forma de mejora de los cuidados sanitarios y un mayor entendimiento de las enfermedades genéticas, por mencionar sólo dos impactos.
Otro ejemplo: en los albores de las tecnologías de la información, estaba claro que invertir en investigación científica relacionada con este campo daría buenos frutos. Sin embargo, ningún pionero en tecnologías de la información se anticipó a la World Wide Web. En los comienzos de la fibra óptica, nadie pudo anticipar la extensa red de comunicaciones ópticas que existe hoy. En 1947 se inventó el transistor y todo el mundo coincidió en la importancia de fomentar la investigación en el campo de los semiconductores, pero nadie habría podido imaginar, ni remotamente, los miles de millones de transistores existentes en los ordenadores baratos que los niños utilizan en la escuela normalmente.
Por tanto, con el libro de Historia en la mano, todo indica que la investigación en nanotecnología, siempre y cuando se apoye y realice de forma inteligente, dará unos frutos que justificarán de sobra el entusiasmo de hoy.
PRESENTE Y CONTEXTO DE LA NANOTECNOLOGÍA
Algunos ya hablan de una nueva revolución industrial, mientras que otros apenas han oído hablar de nanotecnología. Esta nueva ciencia, si es que se puede calificar de esta forma, es una gran desconocida. De hecho, hace décadas que estamos utilizando algunos nanomateriales y la mayoría de nosotros no somos conscientes de ello.
La presente monografía tiene como objetivo sentar las bases para poder entender qué es la nanotecnología, cuándo podemos calificar un avance de nanotecnológico y en qué contexto nos movemos actualmente.
Para ello se van a abordar en primer lugar la definición y los antecedentes históricos, además de mostrar la realidad actual de las cuatro principales áreas de aplicación en las que se está investigando: materiales, electrónica, medicina y energía. A continuación se presenta el papel de los poderes públicos en esta nueva aventura tecnológica.
3.1. Definición y antecedentes
Las nanociencias y las nanotecnologías son nuevas áreas de investigación y desarrollo cuyo objetivo es el control tanto del comportamiento como de la estructura fundamental de la materia a escala atómica y molecular.
Estas disciplinas abren las puertas a la comprensión de nuevos fenómenos y al descubrimiento de nuevas propiedades susceptibles de ser aplicadas a escala macroscópica y microscópica. Las aplicaciones de las nanotecnologías son cada vez más visibles y su impacto empieza a sentirse y pronto abarcará muchos aspectos de la vida cotidiana.
Definición de Nanotecnología
Definir la nanotecnología no es una tarea fácil. Se pueden encontrar muchas definiciones parecidas, aunque con diferentes matices, sobre todo a la hora de poner en práctica la ciencia de lo pequeño. Por eso, vamos a ir paso a paso. El prefijo nano proviene del griego y significa ‘enano’, y en ciencia y tecnología quiere decir 10-9 (0,000000001). Un nanómetro (nm) es una milmillonésima parte de un metro, es decir, decenas de miles de veces más pequeño que el diámetro de un cabello humano.
El campo de la nanotecnología se enmarca dentro de las ciencias y la ingeniería. Las estructuras con las que se lidia en este campo miden, en al menos una de las tres dimensiones, menos de 100 nanómetros, es decir, la milmillonésima parte de un metro. La prueba viviente de cuán importantes son las nanoestructuras está en los sistemas orgánicos, complejos ensamblajes de componentes en la escala "nano": macromoléculas, complejos proteínicos, orgánulos, sistemas cuasi inorgánicos (como las cáscaras o los huesos), etc. Las maravillosas funciones que los sistemas orgánicos son capaces de realizar (la lógica, la memoria, la moción, la síntesis química, la conversión de energía o, incluso, la conciencia del yo) son consecuencia directa de la complejidad estructural en la nanoescala.
Los millones de transistores que conforman los chips que hacen funcionar nuestros ordenadores y móviles son, obviamente, nanoestructuras. Como se puede ver, el campo de la nanotecnología es amplísimo. Abarca desde la biología molecular hasta la electrónica, hasta el infinito. La investigación y desarrollo sobre nanoestructuras existe desde hace décadas. Los productos comerciales basados en nanoestructuras han estado disponibles para el público desde hace décadas; sin embargo, el interés por este campo últimamente ha crecido de manera exponencial, tanto por parte de los círculos científicos como por parte de los organismos gubernamentales y la comunidad de inversores.
Este renovado interés por la ciencia y la ingeniería en la nanoescala se debe a la conjunción de varios factores: las mejoras en los nanoproductos y las nanoherramientas (microscopía); el descubrimiento de que las nanoestructuras sintéticas se caracterizan por propiedades inusitadas; la expectación ante la revolución comercial y social que se avecina, parecida a la provocada en su momento por la industria de los semiconductores; el resultado de la investigación en nanotecnología; y, por último, un mayor apoyo gubernamental de la ciencia y la ingeniería en la nanoescala.
La Historia nos enseña que los frutos de la investigación son impredecibles. No obstante, la Historia también nos ha enseñado que ciertas áreas de investigación dejan ver su potencial desde el primer momento. Un ejemplo: la biología molecular nacía hace treinta años y hoy los esfuerzos en investigación están dando sus frutos en forma de mejora de los cuidados sanitarios y un mayor entendimiento de las enfermedades genéticas, por mencionar sólo dos impactos.
Otro ejemplo: en los albores de las tecnologías de la información, estaba claro que invertir en investigación científica relacionada con este campo daría buenos frutos. Sin embargo, ningún pionero en tecnologías de la información se anticipó a la World Wide Web. En los comienzos de la fibra óptica, nadie pudo anticipar la extensa red de comunicaciones ópticas que existe hoy. En 1947 se inventó el transistor y todo el mundo coincidió en la importancia de fomentar la investigación en el campo de los semiconductores, pero nadie habría podido imaginar, ni remotamente, los miles de millones de transistores existentes en los ordenadores baratos que los niños utilizan en la escuela normalmente.
Por tanto, con el libro de Historia en la mano, todo indica que la investigación en nanotecnología, siempre y cuando se apoye y realice de forma inteligente, dará unos frutos que justificarán de sobra el entusiasmo de hoy.
PRESENTE Y CONTEXTO DE LA NANOTECNOLOGÍA
Algunos ya hablan de una nueva revolución industrial, mientras que otros apenas han oído hablar de nanotecnología. Esta nueva ciencia, si es que se puede calificar de esta forma, es una gran desconocida. De hecho, hace décadas que estamos utilizando algunos nanomateriales y la mayoría de nosotros no somos conscientes de ello.
La presente monografía tiene como objetivo sentar las bases para poder entender qué es la nanotecnología, cuándo podemos calificar un avance de nanotecnológico y en qué contexto nos movemos actualmente.
Para ello se van a abordar en primer lugar la definición y los antecedentes históricos, además de mostrar la realidad actual de las cuatro principales áreas de aplicación en las que se está investigando: materiales, electrónica, medicina y energía. A continuación se presenta el papel de los poderes públicos en esta nueva aventura tecnológica.
3.1. Definición y antecedentes
Las nanociencias y las nanotecnologías son nuevas áreas de investigación y desarrollo cuyo objetivo es el control tanto del comportamiento como de la estructura fundamental de la materia a escala atómica y molecular.
Estas disciplinas abren las puertas a la comprensión de nuevos fenómenos y al descubrimiento de nuevas propiedades susceptibles de ser aplicadas a escala macroscópica y microscópica. Las aplicaciones de las nanotecnologías son cada vez más visibles y su impacto empieza a sentirse y pronto abarcará muchos aspectos de la vida cotidiana.
Definición de Nanotecnología
Definir la nanotecnología no es una tarea fácil. Se pueden encontrar muchas definiciones parecidas, aunque con diferentes matices, sobre todo a la hora de poner en práctica la ciencia de lo pequeño. Por eso, vamos a ir paso a paso. El prefijo nano proviene del griego y significa ‘enano’, y en ciencia y tecnología quiere decir 10-9 (0,000000001). Un nanómetro (nm) es una milmillonésima parte de un metro, es decir, decenas de miles de veces más pequeño que el diámetro de un cabello humano.
En la imagen se ve un nanometro
En primer lugar, se puede definir la nanociencia como el estudio del comportamiento y la manipulación de materiales a escala atómica o molecular para entender y explotar sus propiedades, que son significativamente distintas de aquellas propiedades a mayor escala.
En la comunicación de la Comisión Europea titulada Hacia una estrategia europea para las nanotecnologías se recoge la siguiente definición:
"La nanotecnología es una ciencia multidisciplinar que se refiere a las actividades científicas y tecnológicas llevadas a cabo a escala atómica y molecular, así como a los principios científicos y a las nuevas propiedades que pueden ser comprendidos y controlados cuando se interviene a dicha escala".
Vamos a dividir esta definición en tres aspectos diferentes que merecen una mención especial:
"La nanotecnología es una ciencia multidisciplinar que se refiere a las actividades científicas y tecnológicas..."
A menudo se hace alusión a la nanotecnología como una ciencia "horizontal". La nanotecnología es verdaderamente multidisciplinar. Colaboran especialistas en materiales con ingenieros mecánicos y electrónicos, pero también con investigadores médicos, biólogos, físicos y químicos. Un nexo común une a toda la investigación nanoescalar: la necesidad de compartir saberes sobre métodos y técnicas, combinándolos con saberes sobre las interacciones atómicas y moleculares en este nuevo territorio de la ciencia.
"... actividades [...] llevadas a cabo a escala atómica y molecular..."
El término nanotecnología describe el conjunto de tecnologías que se enfocan hacia la producción y aplicación de distintos sistemas en una escala que va desde el nivel atómico o molecular hasta alrededor de 100 nanómetros.
Como ejemplo ilustrativo, el punto de esta "i" puede contener hasta un millón de nanopartículas.
"... así como a los principios científicos y a las nuevas propiedades que pueden ser comprendidos y controlados cuando se interviene a dicha escala".
La diferencia entre los materiales a nanoescala en comparación con esos mismos materiales a escala macroscópica es que la superficie de los primeros en relación con su masa es relativamente mayor, lo que permite que sean químicamente más reactivos y, por tanto, que haya cambios en sus propiedades básicas.
Más aún, por debajo de pocos nanómetros, las leyes clásicas de la física dejan paso a la física cuántica, que regula con diferentes leyes los comportamientos ópticos, eléctricos y magnéticos.
Corrientes de investigación en nanotecnología
Si relacionamos la definición realizada de nanotecnología y los aspectos que la componen con las investigaciones que se están llevando a cabo, podemos hablar de tres corrientes distintas de investigación que pueden circunscribirse al campo de la nanotecnología:
Ø Nanotecnología por tamaño: se persigue la construcción de estructuras y dispositivos cada vez más pequeños, llegando a escalas nanométricas.
Ø Nanotecnología por operación: se investiga sobre nuevas características de los materiales mediante su manipulación a escala atómica o molecular.
Ø Nanotecnología por método de fabricación: se refiere al bottom-up assembly o molecular self-assembly, es decir, la unión o conjugación de átomos y moléculas para crear una estructura nueva y más compleja.
El inicio de las investigaciones fue la nanotecnología por tamaño, es decir, la miniaturización de los productos. En este ámbito se está llegando actualmente a unos límites físicos en los que se hace necesaria la investigación en las nuevas características de los materiales por su manipulación a escala atómica o molecular (nanotecnología por operación).
Estas dos corrientes, por tanto, han ido de la mano durante estos años, aunque parece que la primera va a dejar espacio para un mayor desarrollo de la segunda en un futuro próximo.
La tercera corriente de investigación (por método de fabricación), según los expertos, genera algo más de incertidumbre, ya que aún no se ve próximo el despegue de esta tecnología. La posibilidad de crear estructuras nuevas podría ser una gran revolución, pero parece que habrá que esperar algunos años más para verla.
Un poco de historia
El término nanotecnología fue acuñado por Norio Taniguchi1, de la Universidad de Tokio, en 1974, con el objetivo de distinguir entre la ingeniería llevada a cabo a escala micro (10-6) y la llevada a cabo a escala nano (10-9), una diferencia nada desdeñable.
Gracias a Eric Drexler, del MIT (Massachusetts Institute of Technology), este término se popularizó a raíz de su libro Engines of Creation, publicado en 1986.
Sin embargo, los orígenes de la nanotecnología se remontan a diciembre de 1959, cuando Richard Feynman, premio Nobel de Física, se dirigió a la American Physical Society con una conferencia titulada “Hay mucho sitio por debajo”2. En aquella disertación, Feynman destacó los beneficios que supondría para la sociedad la capacidad de atrapar y situar átomos y moléculas en posiciones determinadas, y fabricar artefactos con una precisión de unos pocos átomos.
Sin embargo, cuanto más pequeña era la escala utilizada en las investigaciones, más complicado era ver qué estaba ocurriendo. En 1981 se produjo un gran avance en la carrera por “lo enano”, cuando las investigaciones llevadas a cabo por IBM lograron crear un instrumento llamado “microscopio de barrido de efecto túnel” (STM)3, que permitía captar una imagen de la estructura atómica de la materia.
Los investigadores de IBM volvieron a ser los responsables de otro gran avance: el microscopio de fuerza atómica, que permite examinar y ver átomos individualmente.
Simultáneamente, un grupo de investigadores de la Universidad de Rice llamó la atención por el descubrimiento de una molécula de carbono que tenía forma de balón de fútbol (fullerene o buckyball).
Esta estructura, de un nanómetro de diámetro, es capaz de conducir la electricidad y el calor, además de ser más dura que el acero y, a la vez, más ligera que el plástico.
En los años noventa, la historia sigue avanzando gracias al descubrimiento accidental de los nanotubos de carbono, consistentes en estructuras similares a las buckyballs, pero alargadas. Éstas muestran propiedades similares a las anteriores en cuanto a su extremada dureza, en combinación con un peso muy ligero.
Una curiosidad
Feynman ofreció dos premios de 1.000 dólares: uno para la primera persona capaz de crear un motor con forma cúbica de 0,4 mm en cada dirección; el otro sería para quien fueracapaz de reducir la página de un libro unas 25.000 veces su tamaño (esto es, 100 nanómetros de largo).
El primero de los premios fue reclamado en menos de un año tras su discurso. El segundo premio ha necesitado 26 años para ser reclamado.
En los últimos años, el ritmo constante de las investigaciones en nanotecnología ha sufrido una gran aceleración gracias a algunos descubrimientos como los corrales cuánticos, los puntos cuánticos o los transistores de un solo electrón.
El entusiasmo por la nanotecnología parece contagioso. En 1999, el presidente Bill Clinton anunció una Iniciativa Nacional para la Nanotecnología con el objetivo de acelerar el ritmo de investigación, desarrollo y comercialización de las aplicaciones en este campo. La iniciativa tuvo repercusión en otros países y, en 2001, la Unión Europea aprobó un presupuesto de 1.300 millones de euros para investigación en nanotecnología en su Sexto Programa Marco. Japón, Taiwán, Singapur y China han empezado a desarrollar medidas similares para acelerar el desarrollo de esta nueva ciencia.
¿La nanotecnología ya está aquí?
Tan sólo como un pequeño avance del resto del documento hay que decir que la nanotecnología es ya una realidad y que actualmente se está usando en algunos productos que ya están comercializados:
Ø Gafas de sol que usan tejidos de polímeros ultrafinos con propiedades protectoras y anti-reflejantes.
Ø Raquetas de tenis que incrementan su flexibilidad y su resistencia gracias a nanotubos de carbono.
Ø Cera para esquíes de alto rendimiento que incrementa la velocidad de deslizamiento.
Ø Catalizadores para algunos coches que ayudan a cuidar el medio ambiente.
Sin embargo, la segunda gran revolución industrial está por venir y, según los sectores en los que se ponga la vista, los plazos pueden variar por razones tecnológicas (nanoenergía) o por razones legales (nanomedicina).
NANO-TURBINAS AVANZADAS
prototipo de nanoturbinas
Vista general de la Bryton test facility
Consola de control y foto térmica a plena potencia.
Cámara de Combustión en foto espectro visible
Diseño, construcción y testeo de turboruedas nTA
Hemos diseñado y construido un banco de ensayo de turboruedas, donde se ensayaron los primeros prototipos de ruedas centrífugas. Utilizando el método innovativo de impresión 3D, se logró completar el diseño mecánico (desde el dibujo Autocad) hasta obtener matrices de colada en menos de 6 horas. Experimentamos, como era de esperarse, varios problemas metalúrgicos en el proceso de fabricación de las piezas. Si bien son estos todos solucionables en el largo plazo, constituían entonces una amenaza en nuestro proyecto. Este proceso ha demostrado ser apto para el diseño y cosntrucción de las piezas estacionarias de la nTA, pero por razones de tiempo y esfuerzos se decidió buscar otras alternativas para las ruedas delcompresor y la turbina. Por este motivo, decidimos cambiar el enfoque inmediato, concentrándonos en nuestras fortalezas como diseñadores. Analizamos el universo de turbomáquinas de pequeña potencia disponibles; habiendo descartando las nanoturbinas de aeromodelismo (por ser turbojets), nos volcamos hacia los turbocompresores de la industria de automóviles. Las motivaciones fueron varias:
Ø Son las turbomáquinas fabricadas en mayor escala del mundo, lo que asegura obtener costos mínimos y máxima disponibilidad y poseen velocidades de giro similares a las buscadas.
Ø Son fabricados bajo las normas de calidad más exigentes y actualmente se construyen en las mismas aleaciones (base níquel) que requieren nuestra nTA.
Un ejemplo sencillo sirve para ilustrar lo anterior: el precio de un turbo Fiat Palio completo en un distribuidor nacional es de $1,000; son fabricados por Garret (y otros) para el Mercosur en su fábrica de Brasil en escalas de más de 20,000 por año. La pregunta que surge de esta elección es ¿pueden utilizarse estas ruedas de turbocompresor en un turbogenerador?, o mas bien como diseñadores: ¿podemos construir algún turbogenerador a partir de estas ruedas?.
El universo de todos los turbocompresores para autos y camiones es muy amplio y se pueden obtener sus curvas de desempeño. Estudiando éstas entre otros factores, elegimos las que lleva el Fiat Palio, y las hemos probado en el banco de ensayo montado con muy buenos resultados al presente. El éxito inicial obtenido nos permite hoy salvar este punto delicado de nuestro proyecto. Usando el printer 3D se ha facilitado el proceso de diseño mecánico, obteniéndose en pocas horas las matrices para colada en aleaciones de aluminio, material con el que se conforma el 95% del cuerpo de la nTA.
En la foto se observa la matriz de impresión de la voluta de gases de escape y el positivo de la misma.
7.- La Propuesta para el Futuro
Se propone aquí avanzar en el desarrollo de la tecnología de nTA para la generación de energía eléctrica, llevando este proyecto a un nuevo nivel, como sería la fabricación completa del primer prototipo. La nTA tiene su base en otras tecnologías modernas:
Ø Utilización de sistemas de control digital y de electrónica de potencia comerciales, propios de tecnologías de computadoras, para abaratar costos y sumar confiabilidad en estos sistemas.
Ø Utilización de ruedas de turbocompresores de la industria del automóvil, para abaratar costos y lograr alta confiabilidad y accesibilidad de insumos críticos.
Ø Utilización de imanes de última generación para desarrollar un generador específico para este uso (de altas revoluciones) muy compacto y acoplado sobre el mismo eje de la turbina Estas soluciones junto con la eliminación de varios sistemas sistemas auxiliares de las turbinas convencionales mediante el diseño innovativo adoptado permitirán resolver el paradigma actual de las turbomáquinas que impide su scaling down: a menores potencias el conjunto turboeje posee mayor densidad de energía y menor costo específico, pero la penalización introducida por los sistemas auxiliares dan vuelta esta ecuación.
Esta propuesta tiene una alta probabilidad de éxito considerando:
Ø La maduración tecnológica alcanzada, fruto del trabajo en los últimos 3 años en este Laboratorio (DAEE) del centro Atómico Bariloche.
Ø El respaldo de la Comisión Nacional de Energía Atómica, y del Instituto Balseiro, del cual todos los autores de esta propuesta son docentes-investigadores, sumando el aporte de alumnos de grado y posgrado de la carrera de Ingeniería Nuclear 22,23
Ø Las facilidades experimentales desarrolladas y disponibles, junto con
Ø Las tecnologías y capacidades disponibles en el ámbito de C&T del Mercosur.
Ø El cronograma se cumpliría en el plazo de un año según el siguiente diagrama de Gantt:
8.- EMPRESAS A LAS QUE SE ENTIENDE PODRÁ ESTAR DESTINADO EL PROYECTO
Esta nueva tecnología tiene muchas chances de alcanzar a ser competitiva frente a las actuales alternativas para satisfacer el mercado potencial de generación distribuida. La suma de su alta portabilidad y flexibilidad de combustible, bajo costo de operación y de mantenimiento, bajo nivel de contaminación y posibilidad de alcanzar altísimas eficiencias con cogeneración térmica, permite reconocer en ésta a una tecnología con todos los requerimientos para crear su propio mercado (mercado de pequeños cogeneradores hogareños), siendo por tal una tecnología disruptiva.
Como toda tecnología innovativa en estado embrionario, es deseable que el producto pueda evolucionar dentro de algún nicho de mercado, hasta poder alcanzar el estado de madurez requerido para ser lanzado al gran mercado masivo propuesto.
Se reconocen como primeros nichos de mercado a los siguientes:
1. Pequeños generadores portátiles de uso continuo: Empresas Transportadoras de Gas e Hidrocarburos, principalmente utilizados para protección catódica. El objetivo aquí es fabricar generadores cuya vida útil sea de al menos un año: de esta forma se podría utilizar los mantenimientos anuales programados para recambiar la unidad completa (su costo de capital y de operación muy inferior a las opciones actuales lo tornarían viable). Este mercado es hoy prácticamente cautivo de los termogeneradores, con precios del orden de 100,000 U$D/KW instalados y muy bajas eficiencias (5%). Sin embargo, a pesar de los altísimos costes de estos equipos, este mercado cautivo suma un millón de dolares anuales en nuevos equipos, contando solamente el mercado local (Argentina).
2. Pequeños generadores portátiles de uso esporádico: Empresas de Radio Telefonía, alimentando a estaciones transmisoras remotas. Algunos de los productos que actualmente satisfacen este mercado coinciden con el anterior mercado, y en otros (teléfonos S.O.S. de autopistas, por ejemplo) se utilizan actualmente sistemas fotovoltaicos en general. En estos casos, al elevado coste de los paneles (5,000 U$D/kW) se debe sumar el importante incremento (hasta 100%) que ve el sistema de generación completo, debido a la necesidad de utilizar bancos de baterías para disponer de la carga en cualquier momento.
Luego de madurar en uno de estos nichos, esta tecnología podría alcanzar la madurez necesaria para ser disruptiva dento del mercado hogareño, satisfaciendo un esquema de generación distribuída de electricidad y calor a partir del gas natural. Este mercado podríaprimero llenarse en zonas rurales y countries, actuales clientes de generadores convencionales, y luego evolucionar hacia el gran mercado hogareño, en cuyo caso revolucionaría el sistema de distribución eléctrica tal cual hoy lo conocemos.
9.- CONCLUSIONES
Esta nueva tecnología de existir, tiene muchas chances de ser competitiva en el mercado de generación distribuida de pequeñas potencias. La suma de su alta portabilidad y flexibilidad de combustible, bajo costo de operación y de mantenimiento, bajo nivel de contaminación y posibilidad de alcanzar altísimas eficiencias con cogeneración térmica, permite reconocer en ésta a una tecnología con todos los requerimientos para crear su propio mercado, siendo por tal una tecnología disruptiva.
10.- BIBLIOGRAFIA
http://www.ballard.com/
http://www.plugpower.com/
http://www.conuar.com/
http://www.hexis.com/eprise/SulzerHexis/Sites/Fuelcell/HXS1000/HXS1000.html
http://www.powergeneration.siemens.com/
http://www.capstoneturbine.com/
http://www.egarret.com/
http://www.turbodriven.com/
http://www.hostel.co.uk/
El término nanotecnología fue acuñado por Norio Taniguchi1, de la Universidad de Tokio, en 1974, con el objetivo de distinguir entre la ingeniería llevada a cabo a escala micro (10-6) y la llevada a cabo a escala nano (10-9), una diferencia nada desdeñable.
Gracias a Eric Drexler, del MIT (Massachusetts Institute of Technology), este término se popularizó a raíz de su libro Engines of Creation, publicado en 1986.
Sin embargo, los orígenes de la nanotecnología se remontan a diciembre de 1959, cuando Richard Feynman, premio Nobel de Física, se dirigió a la American Physical Society con una conferencia titulada “Hay mucho sitio por debajo”2. En aquella disertación, Feynman destacó los beneficios que supondría para la sociedad la capacidad de atrapar y situar átomos y moléculas en posiciones determinadas, y fabricar artefactos con una precisión de unos pocos átomos.
Sin embargo, cuanto más pequeña era la escala utilizada en las investigaciones, más complicado era ver qué estaba ocurriendo. En 1981 se produjo un gran avance en la carrera por “lo enano”, cuando las investigaciones llevadas a cabo por IBM lograron crear un instrumento llamado “microscopio de barrido de efecto túnel” (STM)3, que permitía captar una imagen de la estructura atómica de la materia.
Los investigadores de IBM volvieron a ser los responsables de otro gran avance: el microscopio de fuerza atómica, que permite examinar y ver átomos individualmente.
Simultáneamente, un grupo de investigadores de la Universidad de Rice llamó la atención por el descubrimiento de una molécula de carbono que tenía forma de balón de fútbol (fullerene o buckyball).
Esta estructura, de un nanómetro de diámetro, es capaz de conducir la electricidad y el calor, además de ser más dura que el acero y, a la vez, más ligera que el plástico.
En los años noventa, la historia sigue avanzando gracias al descubrimiento accidental de los nanotubos de carbono, consistentes en estructuras similares a las buckyballs, pero alargadas. Éstas muestran propiedades similares a las anteriores en cuanto a su extremada dureza, en combinación con un peso muy ligero.
Una curiosidad
Feynman ofreció dos premios de 1.000 dólares: uno para la primera persona capaz de crear un motor con forma cúbica de 0,4 mm en cada dirección; el otro sería para quien fueracapaz de reducir la página de un libro unas 25.000 veces su tamaño (esto es, 100 nanómetros de largo).
El primero de los premios fue reclamado en menos de un año tras su discurso. El segundo premio ha necesitado 26 años para ser reclamado.
En los últimos años, el ritmo constante de las investigaciones en nanotecnología ha sufrido una gran aceleración gracias a algunos descubrimientos como los corrales cuánticos, los puntos cuánticos o los transistores de un solo electrón.
El entusiasmo por la nanotecnología parece contagioso. En 1999, el presidente Bill Clinton anunció una Iniciativa Nacional para la Nanotecnología con el objetivo de acelerar el ritmo de investigación, desarrollo y comercialización de las aplicaciones en este campo. La iniciativa tuvo repercusión en otros países y, en 2001, la Unión Europea aprobó un presupuesto de 1.300 millones de euros para investigación en nanotecnología en su Sexto Programa Marco. Japón, Taiwán, Singapur y China han empezado a desarrollar medidas similares para acelerar el desarrollo de esta nueva ciencia.
¿La nanotecnología ya está aquí?
Tan sólo como un pequeño avance del resto del documento hay que decir que la nanotecnología es ya una realidad y que actualmente se está usando en algunos productos que ya están comercializados:
Ø Gafas de sol que usan tejidos de polímeros ultrafinos con propiedades protectoras y anti-reflejantes.
Ø Raquetas de tenis que incrementan su flexibilidad y su resistencia gracias a nanotubos de carbono.
Ø Cera para esquíes de alto rendimiento que incrementa la velocidad de deslizamiento.
Ø Catalizadores para algunos coches que ayudan a cuidar el medio ambiente.
Sin embargo, la segunda gran revolución industrial está por venir y, según los sectores en los que se ponga la vista, los plazos pueden variar por razones tecnológicas (nanoenergía) o por razones legales (nanomedicina).
LA NANOTECNOLOGIA EN EL CAMPO DE LA ELECTRICIDAD
La Nanotecnología es de aplicación en diferentes campos, entre los que van a destacar los materiales, la electrónica, la electricidad, la biomedicina y la energía. Materiales con una dureza y resistencia mucho mayor, ordenadores mucho más veloces y de mayor capacidad, investigaciones y diagnósticos médicos más eficaces con una capacidad de respuesta más rápida para tratar nuevas enfermedades o energía abundante a bajo coste y respetuosa con el medio ambiente son algunos ejemplos de cómo la nanotecnología podrá revolucionar el potencial de muchos de los campos tal como los percibimos hoy día.
Sin embargo, la nanotecnología ya está aquí; existen materiales a nanoescala que son utilizados en productos de consumo: cosméticos mucho más eficaces y protectores, raquetas de tenis más flexibles y resistentes o gafas que no se rayan son algunas de las aplicaciones que podemos encontrar ya en el mercado. Los investigadores opinan que es cuestión de tiempo que los productos con nanotecnología se vayan incorporando a nuestras actividades. De hecho, estiman que las ventas actuales de productos que incorporan nanotecnología aumentarán del 0,1% del total de los productos manufacturados al 15% para el año 2014.
El desarrollo de nuevos productos y procesos, así como la penetración en nuevos mercados, exige grandes inversiones que van a resultar claves en el desarrollo con éxito de la nanotecnología. Hasta ahora las iniciativas públicas han sido las que han permitido que la nanotecnología empiece a despegar, pero hoy día el sector privado empieza a tomar el relevo cobrando un protagonismo creciente. No obstante, dependiendo de la región en la que nos encontremos podremos observar diferencias notables, ya que, si bien las empresas norteamericanas y asiáticas superan la inversión pública de sus gobiernos, en Europa todavía habrá que esperar para ver al sector privado liderar la
inversión en nanotecnología.
La nanotecnología en el campo de la electricidad pudo lograr avances muy espectaculares en estos ultimos tiempos y para muestra de ello presentamos un producto de innovación, como es las nanoturbinas avanzadas (ηTA) para generación eléctrica de pequeñas potencias
Sin embargo, la nanotecnología ya está aquí; existen materiales a nanoescala que son utilizados en productos de consumo: cosméticos mucho más eficaces y protectores, raquetas de tenis más flexibles y resistentes o gafas que no se rayan son algunas de las aplicaciones que podemos encontrar ya en el mercado. Los investigadores opinan que es cuestión de tiempo que los productos con nanotecnología se vayan incorporando a nuestras actividades. De hecho, estiman que las ventas actuales de productos que incorporan nanotecnología aumentarán del 0,1% del total de los productos manufacturados al 15% para el año 2014.
El desarrollo de nuevos productos y procesos, así como la penetración en nuevos mercados, exige grandes inversiones que van a resultar claves en el desarrollo con éxito de la nanotecnología. Hasta ahora las iniciativas públicas han sido las que han permitido que la nanotecnología empiece a despegar, pero hoy día el sector privado empieza a tomar el relevo cobrando un protagonismo creciente. No obstante, dependiendo de la región en la que nos encontremos podremos observar diferencias notables, ya que, si bien las empresas norteamericanas y asiáticas superan la inversión pública de sus gobiernos, en Europa todavía habrá que esperar para ver al sector privado liderar la
inversión en nanotecnología.
La nanotecnología en el campo de la electricidad pudo lograr avances muy espectaculares en estos ultimos tiempos y para muestra de ello presentamos un producto de innovación, como es las nanoturbinas avanzadas (ηTA) para generación eléctrica de pequeñas potencias
NANO-TURBINAS AVANZADAS
(Construcción y testeo de los dos primeros prototipos de una nueva tecnología de generación eléctrica portátil)
INTRODUCCION
En el año 2001 un grupo de investigadores de Argentina y Uruguay que venía trabajando en desarrollos innovativos nucleares con turbomáquinas creó el concepto de nanoturbinas avanzadas (ηTA) para generación eléctrica de pequeñas potencias. Este proyecto embrionario obtuvo ese mismo año Mención Especial del Premio Repsol-YPF. Entusiasmados por el eco recibido se continuó trabajando, obteniendo así un subsidio del organismo internacional de energía atómica (IAEA) con el cual se montó un laboratorio de turbinas único en Argentina.
Se hicieron importantes avances durante estos tres años en el modelado, diseño y rutas de fabricación de piezas tecnológicamente sensibles de la ηTA, lo cual se logró sumando la cooperación de varios grupos de tecnología y capacidades fabriles nacionales. Algunos hitos alcanzados al presente son:
Ø Construcción de una facilidad experimental de caracterización según condiciones.
Ø ISO de turbinas de hasta 300 HP , donde se realizó la
Ø Certificación según condiciones ASME 27 de la micro turbina nacional GFL2000 4
Ø Fabricación y testeo exitoso de la primera cámara de combustión de ηTA,
Ø Diseño y construcción de un banco de pruebas de turbo ruedas, utilizado para
Ø Diseño, fabricación y testeo de turbo ruedas de ηTA y para el
Ø Testeo exitoso de turbo ruedas de turbocompresores comerciales.
Ø Diseño del generador eléctrico innovativo de la ηTA.
Llegamos al presente a un punto de maduración del proyecto importante. De obtener el apoyo de aquí solicitado, éste permitiría construir el primer prototipo de nanoturbina avanzada para generación eléctrica portátil a partir de turboruedas de la industria automovilística fabricadas en el MERCOSUR en gran escala, bajos costos y altísimas calidades, un producto de innovación tecnológica líder a nivel mundial, como expondremos a continuación.
1. PERSPECTIVAS PARA NUEVAS TECNOLOGÍAS DE GENERACIÓN DISTRIBUIDA
Hay una gran demanda de energía eléctrica distribuida en el rango de hasta 10 kilowats que se cubre naturalmente con sistemas portátiles. Más de 2000 millones de personas en el mundo no tienen acceso a la energía eléctrica.5 La generación de electricidad in situ puede ser una solución a corto plazo para mejorar la calidad de vida de los afectados por esa carencia; en la mayoría de los casos es una alternativa viable con respecto a la construcción de redes de distribución de energía eléctrica centralizada. Por este motivo en las áreas rurales se invierten más de 30 mil millones de dólares al año para la calefacción de hogares, baterías y sistemas precarios de iluminación, junto con generadores diesel.
Por otra parte, el desarrollo del mercado energético está condicionado por varias tendencias y factores. Uno de estos factores más importante, con impacto a largo plazo, son los crecientes costos externos relacionados con los factores ambientales.
Se considera que las tecnologías “limpias” están llamadas en un futuro a cumplir un rol fundamental, para asegurar el desarrollo sustentable en nuestro planeta.
Las tecnologías emergentes de generación in situ pueden jugar un rol clave dentro del mercado eléctrico distribuido. Las actualmente comerciales son las de microturbinas, celdas de combustible, generadores eólicos y paneles fotovoltaicos. Otras tecnologías en estado embrionario que posiblemente veamos en el futuro son las micromáquinas o MEM, celdas de combustible con conversión directa de metanol , etc.
Pero las nuevas tecnologías “limpias” son actualmente prohibitivas por su alto costo de inversión inicial (10-100 mil dólares por kilowat), no siendo competitivas por amplio margen 12, y se limitan a ocupar pequeños nichos de mercado: protección catódica y telefonía rural entre otros. Es común entonces que este mercado esté dominado por los motogeneradores de combustión interna, de precios más accesibles (100-500 U$D/kW).
Sin embargo, esta tecnología presenta dos serias limitaciones respecto de su uso “indoors”, originadas fundamentalmente en el tipo de combustible (hidrocarburos líquidos) utilizado: altos costos operativos y la emisión de gases tóxicos que limitan la expansión de este mercado. Otra típica limitación (hoy superada) se encontraba en los altos niveles de ruido generados por los motores de dos tiempos, típicos de estos equipos una década atrás. Hoy, el uso de motores de cuatro tiempos de bajo ruido junto con la integración de sistemas electrónicos (inverters) de potencia, en productos de costos intermedios (800 U$D/kW) demuestra el esfuerzo puesto en satisfacer esta demanda hogareña .
Como consecuencia de todo lo anterior, existe un enorme mercado potencial de consumo hogareño no satisfecho en la actualidad, que demanda algunos kilowats de energía eléctrica y calor (calefacción, agua caliente) a costos de inversión y operación razonables, que podría ser cubierto naturalmente con fuentes distribuidas de cogeneración. Este mercado ha sido identificado por los especialistas 8 hace varios años.
El gas natural puede ser el paso intermedio entre la actual infraestructura del mercado de energía y la futura energía renovable. Además, debe tenerse en cuenta que los nuevos descubrimientos de yacimientos de gas natural y su disponibilidad proyectada permiten considerar existencias en el mediano plazo 21. Desarrollando tecnologías compactas que utilicen gas natural a altas temperaturas (permitiendo aprovechar los gases calientes) se podrían obtener sistemas de cogeneración distribuida para el mercado hogareño con costos operativos razonables. Esta definición estratégica ha sido nuestro “puntapié inicial” para la elección de la tecnología de nTA, la de mayor potencial futuro a nuestro juicio.
2.- CONCEPTO DE NANOTURBINAS AVANZADAS
En los últimos 60 años la evolución histórica de las turbinas ha estado dirigida hacia motores cada vez mayores. Actualmente existen turbinas que exceden las 50 toneladas de empuje para propulsión de aviones y los 350 MW en generación eléctrica.
En la década del ´90, sin embargo, renace el interés por diseños en pequeña escala motivados por aplicaciones militares, tales como el turbopropulsor del tanque M1 Abrahms. Nuevas aleaciones más resistentes a temperatura e inovaciones en rodamientos ocurridas desde entonces nos permiten llegar al día de hoy con microturbinas comerciales de entre 20 y 200 kW para generación distribuida con eficiencias razonables (27 %). Dos aspectos técnicos de la microturbina Capstone antes presentada nos permitirán entender mejor nuestra línea de diseño; estos son su alta densidad de potencia mecánica y la naturaleza de su subsistema eléctrico/electrónico de potencia. La microturbina Capstone genera una potencia mecánica de 30 kW en un pequeño eje donde se montan la rueda del compresor y la de la turbina (derecha y centro en la foto) junto con el largo generador de imanes permanentes que se observa a la derecha. Todo el conjunto pesa menos de 10 Kg, y tiene unos 15 cm de diámetro. Para poder generar esta elevada potencia, este eje gira en plena carga a 90,000 rpm. Si lo comparamos contra las actuales turbinas de gas, de 350 MW de potencia, con ejes de más de 2 m de diámetro y que giran a unos 1,500 rpm, la cuales están en la frontera de la tecnología de materiales (con álabes de 1 metro de estructura monocristalina), entenderemos uno de los principales paradigmas de las turbomáquinas, que consiste en la relación inversa que se da entre su potencia y su relación de costo específico.
En el año 2001 un grupo de investigadores de Argentina y Uruguay que venía trabajando en desarrollos innovativos nucleares con turbomáquinas creó el concepto de nanoturbinas avanzadas (ηTA) para generación eléctrica de pequeñas potencias. Este proyecto embrionario obtuvo ese mismo año Mención Especial del Premio Repsol-YPF. Entusiasmados por el eco recibido se continuó trabajando, obteniendo así un subsidio del organismo internacional de energía atómica (IAEA) con el cual se montó un laboratorio de turbinas único en Argentina.
Se hicieron importantes avances durante estos tres años en el modelado, diseño y rutas de fabricación de piezas tecnológicamente sensibles de la ηTA, lo cual se logró sumando la cooperación de varios grupos de tecnología y capacidades fabriles nacionales. Algunos hitos alcanzados al presente son:
Ø Construcción de una facilidad experimental de caracterización según condiciones.
Ø ISO de turbinas de hasta 300 HP , donde se realizó la
Ø Certificación según condiciones ASME 27 de la micro turbina nacional GFL2000 4
Ø Fabricación y testeo exitoso de la primera cámara de combustión de ηTA,
Ø Diseño y construcción de un banco de pruebas de turbo ruedas, utilizado para
Ø Diseño, fabricación y testeo de turbo ruedas de ηTA y para el
Ø Testeo exitoso de turbo ruedas de turbocompresores comerciales.
Ø Diseño del generador eléctrico innovativo de la ηTA.
Llegamos al presente a un punto de maduración del proyecto importante. De obtener el apoyo de aquí solicitado, éste permitiría construir el primer prototipo de nanoturbina avanzada para generación eléctrica portátil a partir de turboruedas de la industria automovilística fabricadas en el MERCOSUR en gran escala, bajos costos y altísimas calidades, un producto de innovación tecnológica líder a nivel mundial, como expondremos a continuación.
1. PERSPECTIVAS PARA NUEVAS TECNOLOGÍAS DE GENERACIÓN DISTRIBUIDA
Hay una gran demanda de energía eléctrica distribuida en el rango de hasta 10 kilowats que se cubre naturalmente con sistemas portátiles. Más de 2000 millones de personas en el mundo no tienen acceso a la energía eléctrica.5 La generación de electricidad in situ puede ser una solución a corto plazo para mejorar la calidad de vida de los afectados por esa carencia; en la mayoría de los casos es una alternativa viable con respecto a la construcción de redes de distribución de energía eléctrica centralizada. Por este motivo en las áreas rurales se invierten más de 30 mil millones de dólares al año para la calefacción de hogares, baterías y sistemas precarios de iluminación, junto con generadores diesel.
Por otra parte, el desarrollo del mercado energético está condicionado por varias tendencias y factores. Uno de estos factores más importante, con impacto a largo plazo, son los crecientes costos externos relacionados con los factores ambientales.
Se considera que las tecnologías “limpias” están llamadas en un futuro a cumplir un rol fundamental, para asegurar el desarrollo sustentable en nuestro planeta.
Las tecnologías emergentes de generación in situ pueden jugar un rol clave dentro del mercado eléctrico distribuido. Las actualmente comerciales son las de microturbinas, celdas de combustible, generadores eólicos y paneles fotovoltaicos. Otras tecnologías en estado embrionario que posiblemente veamos en el futuro son las micromáquinas o MEM, celdas de combustible con conversión directa de metanol , etc.
Pero las nuevas tecnologías “limpias” son actualmente prohibitivas por su alto costo de inversión inicial (10-100 mil dólares por kilowat), no siendo competitivas por amplio margen 12, y se limitan a ocupar pequeños nichos de mercado: protección catódica y telefonía rural entre otros. Es común entonces que este mercado esté dominado por los motogeneradores de combustión interna, de precios más accesibles (100-500 U$D/kW).
Sin embargo, esta tecnología presenta dos serias limitaciones respecto de su uso “indoors”, originadas fundamentalmente en el tipo de combustible (hidrocarburos líquidos) utilizado: altos costos operativos y la emisión de gases tóxicos que limitan la expansión de este mercado. Otra típica limitación (hoy superada) se encontraba en los altos niveles de ruido generados por los motores de dos tiempos, típicos de estos equipos una década atrás. Hoy, el uso de motores de cuatro tiempos de bajo ruido junto con la integración de sistemas electrónicos (inverters) de potencia, en productos de costos intermedios (800 U$D/kW) demuestra el esfuerzo puesto en satisfacer esta demanda hogareña .
Como consecuencia de todo lo anterior, existe un enorme mercado potencial de consumo hogareño no satisfecho en la actualidad, que demanda algunos kilowats de energía eléctrica y calor (calefacción, agua caliente) a costos de inversión y operación razonables, que podría ser cubierto naturalmente con fuentes distribuidas de cogeneración. Este mercado ha sido identificado por los especialistas 8 hace varios años.
El gas natural puede ser el paso intermedio entre la actual infraestructura del mercado de energía y la futura energía renovable. Además, debe tenerse en cuenta que los nuevos descubrimientos de yacimientos de gas natural y su disponibilidad proyectada permiten considerar existencias en el mediano plazo 21. Desarrollando tecnologías compactas que utilicen gas natural a altas temperaturas (permitiendo aprovechar los gases calientes) se podrían obtener sistemas de cogeneración distribuida para el mercado hogareño con costos operativos razonables. Esta definición estratégica ha sido nuestro “puntapié inicial” para la elección de la tecnología de nTA, la de mayor potencial futuro a nuestro juicio.
2.- CONCEPTO DE NANOTURBINAS AVANZADAS
En los últimos 60 años la evolución histórica de las turbinas ha estado dirigida hacia motores cada vez mayores. Actualmente existen turbinas que exceden las 50 toneladas de empuje para propulsión de aviones y los 350 MW en generación eléctrica.
En la década del ´90, sin embargo, renace el interés por diseños en pequeña escala motivados por aplicaciones militares, tales como el turbopropulsor del tanque M1 Abrahms. Nuevas aleaciones más resistentes a temperatura e inovaciones en rodamientos ocurridas desde entonces nos permiten llegar al día de hoy con microturbinas comerciales de entre 20 y 200 kW para generación distribuida con eficiencias razonables (27 %). Dos aspectos técnicos de la microturbina Capstone antes presentada nos permitirán entender mejor nuestra línea de diseño; estos son su alta densidad de potencia mecánica y la naturaleza de su subsistema eléctrico/electrónico de potencia. La microturbina Capstone genera una potencia mecánica de 30 kW en un pequeño eje donde se montan la rueda del compresor y la de la turbina (derecha y centro en la foto) junto con el largo generador de imanes permanentes que se observa a la derecha. Todo el conjunto pesa menos de 10 Kg, y tiene unos 15 cm de diámetro. Para poder generar esta elevada potencia, este eje gira en plena carga a 90,000 rpm. Si lo comparamos contra las actuales turbinas de gas, de 350 MW de potencia, con ejes de más de 2 m de diámetro y que giran a unos 1,500 rpm, la cuales están en la frontera de la tecnología de materiales (con álabes de 1 metro de estructura monocristalina), entenderemos uno de los principales paradigmas de las turbomáquinas, que consiste en la relación inversa que se da entre su potencia y su relación de costo específico.
Una ley de escaleo que todo ingeniero conoce (podríamos llamarla la ley de gravedad de la economía de proyectos) dice que toda tecnología energética abarata costos específicos (por unidad de potencia) cuando aumenta la potencia y por ende el tamaño, de las unidades disponibles, estando la potencia y el costo específico en relación inversa. Así, toda tecnología innovadora llega a un estado de madurez en el cual mejora su competitividad económica por ahorros debido a la mayor escala conseguida. Esto es válido por ejemplo para las centrales térmicas de vapor, las centrales nucleares o los aerogeneradores.
Pero estrictamente considerando los turboejes, (el corazón de una turbina) estos violan esta “ley de la gravedad”: a mayor potencia, se obtiene mayor costo específico. El principio de funcionamiento de un turboeje a reacción (como lo son las turbinas de gas) establece que la velocidad en la punta de álabes debe ser cercana a la del sonido. Por consiguiente, a mayor potencia requerida y por ende mayor masa del turboeje, éste deberá girar a menores velocidades, obteniendo una menor potencia por kilogramo de eje. De aquí, un turboeje de mayor potencia tendrá un costo por unidad de peso mayor.
Además del peso, en la consideración del costo especifico entran factores tecnológicos que también son desfavorables para los grandes turboejes (fabricar un álabe de 1 metro de largo es proporcionalmente más caro que uno de 10 cm), volviendo una vez más a obtener una relación directa entre la potencia y el costo específico total del turboeje.
Aceptando el principio anterior para los turboejes, la pregunta que naturalmente surge es: ¿Esta relación inversa de escaleo del turboeje, se extiende también a toda la turbina? . La respuesta es que este escaleo se extendería a todo el conjunto dentro de un rango de potencias en el cual la incidencia en el costo del turboeje sea preponderante frente a los sistemas secundarios de la máquina (los cuales sí se escalean por la relación inversa, como toda tecnología convencional). Pero este rango de potencias (pequeñas) no existe de hecho, si consideramos las tecnologías convencionales de turbinas, aeroderivativas. Las turbinas actuales son máquinas muy complejas, y poseen muchos sistemas auxiliares que penalizan el costo de las máquinas de pequeño tamaño, volviendo costoso (y pesado) todo el sistema. Este hecho es la principal causa por la cual, por ejemplo, no existen aviones de hasta 4 plazas turbopropulsados, dado el elevado costo y peso que tendría su planta motriz.
Por otra parte, en la actualidad existe un nuevo concepto innovativo de turboeje de 230 Hp de gran sencillez creado por un inventor argentino, el Sr. Gustavo Labala, en las primeras etapas comerciales de desarrollo. El Sr. Labala ha colaborado íntimamente con la Comisión Nacional de Energía Atómica en proyectos tecnológicos que involucran turbo máquinas innovativas1. Tomando estos conceptos de turboeje, y adosándole un generador innovativo montado sobre el mismo eje es posible satisfacer el criterio anterior y crear un nuevo turbogenerador de pequeña potencia en el cual el costo de los sistemas auxiliares sea menor que el del turboeje, y el de éste, gracias a su elevada relación potencia/peso, se mantenga bajo, logrando un conjunto competitivo con los generadores portátiles actuales.
3.- TECNOLOGÍA PRESENTE DE NANOTURBINAS
Otro aspecto considerado para definir las potencias de la nanoturbina propuesta, fueron las actuales nanoturbinas de aeromodelismo. Estas nanoturbinas son de bajísimo costo y pequeño tamaño, pero de aplicación totalmente marginal, principalmente en el aeromodelismo por no ser aptas para generación de trabajo (son jets). Sin embargo, queremos notar que son las máquinas portátiles con mayor densidad de potencia, generando hasta 10 KW con un peso de 3 Kg, gracias a turboejes que giran a mas de 100,000 rpm.
Pero estrictamente considerando los turboejes, (el corazón de una turbina) estos violan esta “ley de la gravedad”: a mayor potencia, se obtiene mayor costo específico. El principio de funcionamiento de un turboeje a reacción (como lo son las turbinas de gas) establece que la velocidad en la punta de álabes debe ser cercana a la del sonido. Por consiguiente, a mayor potencia requerida y por ende mayor masa del turboeje, éste deberá girar a menores velocidades, obteniendo una menor potencia por kilogramo de eje. De aquí, un turboeje de mayor potencia tendrá un costo por unidad de peso mayor.
Además del peso, en la consideración del costo especifico entran factores tecnológicos que también son desfavorables para los grandes turboejes (fabricar un álabe de 1 metro de largo es proporcionalmente más caro que uno de 10 cm), volviendo una vez más a obtener una relación directa entre la potencia y el costo específico total del turboeje.
Aceptando el principio anterior para los turboejes, la pregunta que naturalmente surge es: ¿Esta relación inversa de escaleo del turboeje, se extiende también a toda la turbina? . La respuesta es que este escaleo se extendería a todo el conjunto dentro de un rango de potencias en el cual la incidencia en el costo del turboeje sea preponderante frente a los sistemas secundarios de la máquina (los cuales sí se escalean por la relación inversa, como toda tecnología convencional). Pero este rango de potencias (pequeñas) no existe de hecho, si consideramos las tecnologías convencionales de turbinas, aeroderivativas. Las turbinas actuales son máquinas muy complejas, y poseen muchos sistemas auxiliares que penalizan el costo de las máquinas de pequeño tamaño, volviendo costoso (y pesado) todo el sistema. Este hecho es la principal causa por la cual, por ejemplo, no existen aviones de hasta 4 plazas turbopropulsados, dado el elevado costo y peso que tendría su planta motriz.
Por otra parte, en la actualidad existe un nuevo concepto innovativo de turboeje de 230 Hp de gran sencillez creado por un inventor argentino, el Sr. Gustavo Labala, en las primeras etapas comerciales de desarrollo. El Sr. Labala ha colaborado íntimamente con la Comisión Nacional de Energía Atómica en proyectos tecnológicos que involucran turbo máquinas innovativas1. Tomando estos conceptos de turboeje, y adosándole un generador innovativo montado sobre el mismo eje es posible satisfacer el criterio anterior y crear un nuevo turbogenerador de pequeña potencia en el cual el costo de los sistemas auxiliares sea menor que el del turboeje, y el de éste, gracias a su elevada relación potencia/peso, se mantenga bajo, logrando un conjunto competitivo con los generadores portátiles actuales.
3.- TECNOLOGÍA PRESENTE DE NANOTURBINAS
Otro aspecto considerado para definir las potencias de la nanoturbina propuesta, fueron las actuales nanoturbinas de aeromodelismo. Estas nanoturbinas son de bajísimo costo y pequeño tamaño, pero de aplicación totalmente marginal, principalmente en el aeromodelismo por no ser aptas para generación de trabajo (son jets). Sin embargo, queremos notar que son las máquinas portátiles con mayor densidad de potencia, generando hasta 10 KW con un peso de 3 Kg, gracias a turboejes que giran a mas de 100,000 rpm.
prototipo de nanoturbinas
La definición de nanoturbinas es propia de este proyecto y surge para distinguirlas totalmente de las microturbinas como la Capstone, de tecnología muy diferente. Tampoco se las debe confundir con las de las máquinas, accionadores y motores que utilizan la tecnología de construcción de circuitos electrónicos, también llamadas nano-máquinas por muchos autores o MEM (micro electronical machines) .
4. Tecnología de Microturbina Avanzada Argentina
Hoy en día, esta tecnología está dando los primeros pasos en la inserción dentro del mercado nacional e internacional, estando en trámite su patente de invención 4. Basa su diseño en la drástica simplificación de los requerimientos de los sistemas auxiliares y en la operación simple de la máquina por el operador, características relevantes que permiten realizar un desescaleo de la potencia sin las pérdidas usuales de performance de la máquina por este hecho. Actualmente existen en funcionamiento ocho microturboejes de altas prestaciones de 230 Hp con aplicaciones aeronáuticas (GFL2000), homologadas para uso aeronáutico experimental. Por otra parte la CNEA, en particular este grupo, ha llevado a cabo un trabajo de certificación de desempeño bajo condiciones ASME 27 de la turbina GFL 2000.
Hoy en día, esta tecnología está dando los primeros pasos en la inserción dentro del mercado nacional e internacional, estando en trámite su patente de invención 4. Basa su diseño en la drástica simplificación de los requerimientos de los sistemas auxiliares y en la operación simple de la máquina por el operador, características relevantes que permiten realizar un desescaleo de la potencia sin las pérdidas usuales de performance de la máquina por este hecho. Actualmente existen en funcionamiento ocho microturboejes de altas prestaciones de 230 Hp con aplicaciones aeronáuticas (GFL2000), homologadas para uso aeronáutico experimental. Por otra parte la CNEA, en particular este grupo, ha llevado a cabo un trabajo de certificación de desempeño bajo condiciones ASME 27 de la turbina GFL 2000.
Turboeje GFL2000 en banco de ensayo e instalada en el avión Cessna 182
5. POTENCIALIDADES DE LA TECNOLOGÍA DE LA NANOTURBINA (NTA)
La primera cualidad de las nTA es su reducido tamaño y peso (menor que 5Kg), que permitirá que una sola persona la pueda levantar y transportar según la necesidad del usuario. En cierto modo podría decirse que en vez de ser transportables, como los generadores de motor alternativo, las nTAs serían portátiles.
Otra ventaja de las nTA (típica de las turbinas) es su versatilidad en la elección del combustible, incluyendo gas natural. Las nTA podrán incluir un módulo de cogeneración al igual que las microturbinas actuales, favorecidas por la elevada temperatura de los gases de escape (600 ºC). El hecho de tener una sola parte móvil y rotativa, muy compacta, permite reducir drásticamente la contaminación acústica. Estas ventajas sumadas a la contaminación y costo de operación bajos con gas natural, convirte a las nTA en la tecnología más promisoria para el mercado hogareño., compitiendo favorablemente con las celdas de combustibles antes vistas.
6. PROYECTO NANOTURBINAS AVANZADAS 2001-2004: LOGROS ALCANZADOS
Toda nuestra experiencia como investigadores-tecnólogos nos ha demostrado siempre que para conocer a fondo una tecnología resulta fundamental “hecharle mano”. Trabajos de ingeniería inversa y construcción de prototipos son parte de nuestro expertise en el ámbito nuclear, propios de la Comisión Nacional de Energía Atómica. Cuando iniciamoseste proyecto en el 2001, partimos de una visión estratégica de mercado sobre la cual creamos un nuevo concepto tomando elementos innovativos de la microturbina avanzada argentina. Si bien el trabajo de modelado “físico” fue y continúa siendo importante 22,23 era imprescindible poder experimentar, como se hizo, directamente con turbinas:
Bryton Test Facility – Desarrollo de una facilidad de testeo de microturbinas
Se desarrolló íntegramente una facilidad de testeo de microturbinas (hasta 300 Hp) única en nuestro país por su alto grado de instrumentación que permite determinar que cualquier punto de operación los parámetros fluidodinámicos y termomecánicos completos., utilizada luego para la caracterización completa de la GFL 2000. A continuación un resumen de las capacidades de nuestra facilidad, la cual alcanzó estándares similares a los exigidos por las normas ASME 24.
Parámetros de proceso y variables medidas
Para certificar los parámetros termodinámicos de una turbina operando en un ciclo Bryton, tales como su eficiencia, consumo específico de combustible (SFC), relación de presiones, caudal de aire aspirado e índice de gases de escape, es necesario medir la energía suministrada y la potencia en el eje producida por la turbomáquina. Esta última se determinausando un freno dinamométrico de corrientes parásitas, y midiendo el torque y las rpm, mientras que la energía suministrada se calcula del caudal volumétrico de combustible y su temperatura.
La primera cualidad de las nTA es su reducido tamaño y peso (menor que 5Kg), que permitirá que una sola persona la pueda levantar y transportar según la necesidad del usuario. En cierto modo podría decirse que en vez de ser transportables, como los generadores de motor alternativo, las nTAs serían portátiles.
Otra ventaja de las nTA (típica de las turbinas) es su versatilidad en la elección del combustible, incluyendo gas natural. Las nTA podrán incluir un módulo de cogeneración al igual que las microturbinas actuales, favorecidas por la elevada temperatura de los gases de escape (600 ºC). El hecho de tener una sola parte móvil y rotativa, muy compacta, permite reducir drásticamente la contaminación acústica. Estas ventajas sumadas a la contaminación y costo de operación bajos con gas natural, convirte a las nTA en la tecnología más promisoria para el mercado hogareño., compitiendo favorablemente con las celdas de combustibles antes vistas.
6. PROYECTO NANOTURBINAS AVANZADAS 2001-2004: LOGROS ALCANZADOS
Toda nuestra experiencia como investigadores-tecnólogos nos ha demostrado siempre que para conocer a fondo una tecnología resulta fundamental “hecharle mano”. Trabajos de ingeniería inversa y construcción de prototipos son parte de nuestro expertise en el ámbito nuclear, propios de la Comisión Nacional de Energía Atómica. Cuando iniciamoseste proyecto en el 2001, partimos de una visión estratégica de mercado sobre la cual creamos un nuevo concepto tomando elementos innovativos de la microturbina avanzada argentina. Si bien el trabajo de modelado “físico” fue y continúa siendo importante 22,23 era imprescindible poder experimentar, como se hizo, directamente con turbinas:
Bryton Test Facility – Desarrollo de una facilidad de testeo de microturbinas
Se desarrolló íntegramente una facilidad de testeo de microturbinas (hasta 300 Hp) única en nuestro país por su alto grado de instrumentación que permite determinar que cualquier punto de operación los parámetros fluidodinámicos y termomecánicos completos., utilizada luego para la caracterización completa de la GFL 2000. A continuación un resumen de las capacidades de nuestra facilidad, la cual alcanzó estándares similares a los exigidos por las normas ASME 24.
Parámetros de proceso y variables medidas
Para certificar los parámetros termodinámicos de una turbina operando en un ciclo Bryton, tales como su eficiencia, consumo específico de combustible (SFC), relación de presiones, caudal de aire aspirado e índice de gases de escape, es necesario medir la energía suministrada y la potencia en el eje producida por la turbomáquina. Esta última se determinausando un freno dinamométrico de corrientes parásitas, y midiendo el torque y las rpm, mientras que la energía suministrada se calcula del caudal volumétrico de combustible y su temperatura.
Junto a éstos, otros parámetros medidos son:
• Presión y Temperatura del aire en la descarga del compresor.
• Caudal, Temperatura y Composición (SO2, NOX, O2, CO) de gases de escape..
• Presión de la cámara de combustión.
Ø Presión y Temperatura en ingreso y salida del agua de refrigeración del circuito
Ø secundario.
Ø Presión y caudal del sistema de lubricación de aceite.
Descripción de la Test Facility
Esta formada por 6 subsistemas relevantes, mostrados en la vista general (figura 3) de la test facility construida en el Complejo Tecnológico Pilcaniyeu.
Ø El sistema de la turbina de gas: incluye el sistema de control de combustible, el de
Ø control de la turbina, de descarga de gases calientes y de suministro eléctrico (figura 1).
Ø Freno dinamométrico: sistemas de soporte y control (figura 2).
Ø Sistema de refrigeración del freno dinamométrico.
Ø Sistema de lubricación de aceite: para rodamientos del freno.
Ø Sistema de calibración de presiones absolutas y y diferenciales.
Ø Sistema de Suministro Combustible.
• Presión y Temperatura del aire en la descarga del compresor.
• Caudal, Temperatura y Composición (SO2, NOX, O2, CO) de gases de escape..
• Presión de la cámara de combustión.
Ø Presión y Temperatura en ingreso y salida del agua de refrigeración del circuito
Ø secundario.
Ø Presión y caudal del sistema de lubricación de aceite.
Descripción de la Test Facility
Esta formada por 6 subsistemas relevantes, mostrados en la vista general (figura 3) de la test facility construida en el Complejo Tecnológico Pilcaniyeu.
Ø El sistema de la turbina de gas: incluye el sistema de control de combustible, el de
Ø control de la turbina, de descarga de gases calientes y de suministro eléctrico (figura 1).
Ø Freno dinamométrico: sistemas de soporte y control (figura 2).
Ø Sistema de refrigeración del freno dinamométrico.
Ø Sistema de lubricación de aceite: para rodamientos del freno.
Ø Sistema de calibración de presiones absolutas y y diferenciales.
Ø Sistema de Suministro Combustible.
Sistema de Turbina de Gas
Freno dinamométrico
Vista general de la Bryton test facility
Caracterización de la microturbina GFL 2000
Utilizando la facilidad desarrollada, se caracterizó por primera vez la microturbina GFL 2000, incluyendo el desarrollo de un sistema de control y seguridad digital. Los resultados obtenidos fueron ampliamente positivos; la relativa alta eficiencia demostrada por la GFL 2000 permitió demostrar que se trata de un concepto superior al de los turboejes actuales de similares potencias.
La turbina fue testeada bajo condiciones nominales de diseño, aplicando el torque hasta alcanzar la máxima temperatura permitida por el fabricante (700 ºC) y bajo condiciones estacionarias.
Utilizando la facilidad desarrollada, se caracterizó por primera vez la microturbina GFL 2000, incluyendo el desarrollo de un sistema de control y seguridad digital. Los resultados obtenidos fueron ampliamente positivos; la relativa alta eficiencia demostrada por la GFL 2000 permitió demostrar que se trata de un concepto superior al de los turboejes actuales de similares potencias.
La turbina fue testeada bajo condiciones nominales de diseño, aplicando el torque hasta alcanzar la máxima temperatura permitida por el fabricante (700 ºC) y bajo condiciones estacionarias.
En las figuras se observa la consola de contol y foto térmica de la turbina en operación a plena potencia.
Consola de control y foto térmica a plena potencia. Las incertezas de medición alcanzadas para las principales variables que afectan la eficiencia de acuerdo a las definiciones ASME, son mostradas en la siguiente tabla. Por el grado de exactitud alcanzado, cumplen los entándares requeridos según normas ASME 24 y son apropiadas para validar herramientas de diseño de detalle.
Diseño, construcción y testeo de la cámara de combustión de Nta
Se diseñó y fabricó la primera cámara de combustión de nTA, junto con su banco de prueba, habiéndose completado con éxito su testeo. A la derecha (abajo) una foto térmica del escape de gases en el espectro infrarrrojo de la cámara de combustión a plena potencia.
La última versión de cámara de combustión fabricada y ensayada es idéntica a la requerida para el prototipo de nTA. Ésta cuenta con un diseño de primario y secundario que permite una operación limpia y estable dentro de un amplio rango de operación.
Para esta cámara se ha construído y ensayado con éxito un sistema electrónico de encendido a utilizarse en el prototipo de nTA.
Se diseñó y fabricó la primera cámara de combustión de nTA, junto con su banco de prueba, habiéndose completado con éxito su testeo. A la derecha (abajo) una foto térmica del escape de gases en el espectro infrarrrojo de la cámara de combustión a plena potencia.
La última versión de cámara de combustión fabricada y ensayada es idéntica a la requerida para el prototipo de nTA. Ésta cuenta con un diseño de primario y secundario que permite una operación limpia y estable dentro de un amplio rango de operación.
Para esta cámara se ha construído y ensayado con éxito un sistema electrónico de encendido a utilizarse en el prototipo de nTA.
Cámara de Combustión en foto espectro visible
Diseño, construcción y testeo de turboruedas nTA
Hemos diseñado y construido un banco de ensayo de turboruedas, donde se ensayaron los primeros prototipos de ruedas centrífugas. Utilizando el método innovativo de impresión 3D, se logró completar el diseño mecánico (desde el dibujo Autocad) hasta obtener matrices de colada en menos de 6 horas. Experimentamos, como era de esperarse, varios problemas metalúrgicos en el proceso de fabricación de las piezas. Si bien son estos todos solucionables en el largo plazo, constituían entonces una amenaza en nuestro proyecto. Este proceso ha demostrado ser apto para el diseño y cosntrucción de las piezas estacionarias de la nTA, pero por razones de tiempo y esfuerzos se decidió buscar otras alternativas para las ruedas delcompresor y la turbina. Por este motivo, decidimos cambiar el enfoque inmediato, concentrándonos en nuestras fortalezas como diseñadores. Analizamos el universo de turbomáquinas de pequeña potencia disponibles; habiendo descartando las nanoturbinas de aeromodelismo (por ser turbojets), nos volcamos hacia los turbocompresores de la industria de automóviles. Las motivaciones fueron varias:
Ø Son las turbomáquinas fabricadas en mayor escala del mundo, lo que asegura obtener costos mínimos y máxima disponibilidad y poseen velocidades de giro similares a las buscadas.
Ø Son fabricados bajo las normas de calidad más exigentes y actualmente se construyen en las mismas aleaciones (base níquel) que requieren nuestra nTA.
Un ejemplo sencillo sirve para ilustrar lo anterior: el precio de un turbo Fiat Palio completo en un distribuidor nacional es de $1,000; son fabricados por Garret (y otros) para el Mercosur en su fábrica de Brasil en escalas de más de 20,000 por año. La pregunta que surge de esta elección es ¿pueden utilizarse estas ruedas de turbocompresor en un turbogenerador?, o mas bien como diseñadores: ¿podemos construir algún turbogenerador a partir de estas ruedas?.
El universo de todos los turbocompresores para autos y camiones es muy amplio y se pueden obtener sus curvas de desempeño. Estudiando éstas entre otros factores, elegimos las que lleva el Fiat Palio, y las hemos probado en el banco de ensayo montado con muy buenos resultados al presente. El éxito inicial obtenido nos permite hoy salvar este punto delicado de nuestro proyecto. Usando el printer 3D se ha facilitado el proceso de diseño mecánico, obteniéndose en pocas horas las matrices para colada en aleaciones de aluminio, material con el que se conforma el 95% del cuerpo de la nTA.
En la foto se observa la matriz de impresión de la voluta de gases de escape y el positivo de la misma.
Negativo y positivo de la voluta de gases escape, obtenidas por impresión 3D y colada en aluminio se construyó un banco de pruebas para caracterización de turboruedas. Este sistema proporciona un flujo de aire bajo condiciones conocidas y estables por medio del soplador y pulmón que se aprecian en la foto izquierda. Se ensayaron ruedas de fabricación nacional, fabricadas con la ayuda de diversos laboratorios de CNEA, y también de un turbocompresor comercial utilizado por el Fiat Palio mostrada en la siguiente foto, con resultados muy alentadores.
Rueda de un turbocompresor comercial para Fiat Palio
Banco de pruebas de turboruedas
Desarrollo de un código de Diseño de Generadores de imán permanente
A través del entrenamiento en programas de simulación de generadores de imán permanente llevado a cabo por un miembro del staff en el MIT (Massachusset Institute Technology, USA) se logró desarrollar un código de cálculo con el cual se diseñó el generador de imán permanente a utilizar para convertir la energía mecánica entregada en el eje por el turbogrupo, en energía eléctrica. El concepto utilizado en la nTA se basa en un generador axial (no radial) al igual que el ensayado en el MIT, el cual permite disminuir fuertemente las solicitaciones mecánicas derivadas de fuerzas centrífugas.
Diseño de la Nanoturbina Completa
El trabajo de diseño fluidodinámico del conjunto turbomotor completo (compresor + cámara de combustión + turbina) fue plasmado mediante la elaboración de un código de diseño 1-D, habiendo sido el mismo validado contra los parámetros de funcionamiento de la microturbina GFL 2000 ensayada en nuestro banco de pruebas. Para dicho codigo se ha tomado especial cuidado en poder reproducir los parámetros fluidodinámicos y termomecánicos en forma consistente y errores acotados aptos para el diseño (Velocidades, Temperaturas, Presiones y consumo de combustible). Mediante esta herramienta de diseño fue realizada el completo diseño fluidodinámico y termodinámico del primer prototipo de la ηTA. Junto con el diseño mecánico (completo al grado de detalle) de la ηTA (ver foto). Sus partes están siendo fabricadas y ésta se encuentra en la primera fase de ensamble, lo cual constituiría el próximo paso de nuestro proyecto.
Actual diseño de la ηTA en etapa de construcción de sus partes y ensamble
A través del entrenamiento en programas de simulación de generadores de imán permanente llevado a cabo por un miembro del staff en el MIT (Massachusset Institute Technology, USA) se logró desarrollar un código de cálculo con el cual se diseñó el generador de imán permanente a utilizar para convertir la energía mecánica entregada en el eje por el turbogrupo, en energía eléctrica. El concepto utilizado en la nTA se basa en un generador axial (no radial) al igual que el ensayado en el MIT, el cual permite disminuir fuertemente las solicitaciones mecánicas derivadas de fuerzas centrífugas.
Diseño de la Nanoturbina Completa
El trabajo de diseño fluidodinámico del conjunto turbomotor completo (compresor + cámara de combustión + turbina) fue plasmado mediante la elaboración de un código de diseño 1-D, habiendo sido el mismo validado contra los parámetros de funcionamiento de la microturbina GFL 2000 ensayada en nuestro banco de pruebas. Para dicho codigo se ha tomado especial cuidado en poder reproducir los parámetros fluidodinámicos y termomecánicos en forma consistente y errores acotados aptos para el diseño (Velocidades, Temperaturas, Presiones y consumo de combustible). Mediante esta herramienta de diseño fue realizada el completo diseño fluidodinámico y termodinámico del primer prototipo de la ηTA. Junto con el diseño mecánico (completo al grado de detalle) de la ηTA (ver foto). Sus partes están siendo fabricadas y ésta se encuentra en la primera fase de ensamble, lo cual constituiría el próximo paso de nuestro proyecto.
Actual diseño de la ηTA en etapa de construcción de sus partes y ensamble
7.- La Propuesta para el Futuro
Se propone aquí avanzar en el desarrollo de la tecnología de nTA para la generación de energía eléctrica, llevando este proyecto a un nuevo nivel, como sería la fabricación completa del primer prototipo. La nTA tiene su base en otras tecnologías modernas:
Ø Utilización de sistemas de control digital y de electrónica de potencia comerciales, propios de tecnologías de computadoras, para abaratar costos y sumar confiabilidad en estos sistemas.
Ø Utilización de ruedas de turbocompresores de la industria del automóvil, para abaratar costos y lograr alta confiabilidad y accesibilidad de insumos críticos.
Ø Utilización de imanes de última generación para desarrollar un generador específico para este uso (de altas revoluciones) muy compacto y acoplado sobre el mismo eje de la turbina Estas soluciones junto con la eliminación de varios sistemas sistemas auxiliares de las turbinas convencionales mediante el diseño innovativo adoptado permitirán resolver el paradigma actual de las turbomáquinas que impide su scaling down: a menores potencias el conjunto turboeje posee mayor densidad de energía y menor costo específico, pero la penalización introducida por los sistemas auxiliares dan vuelta esta ecuación.
Esta propuesta tiene una alta probabilidad de éxito considerando:
Ø La maduración tecnológica alcanzada, fruto del trabajo en los últimos 3 años en este Laboratorio (DAEE) del centro Atómico Bariloche.
Ø El respaldo de la Comisión Nacional de Energía Atómica, y del Instituto Balseiro, del cual todos los autores de esta propuesta son docentes-investigadores, sumando el aporte de alumnos de grado y posgrado de la carrera de Ingeniería Nuclear 22,23
Ø Las facilidades experimentales desarrolladas y disponibles, junto con
Ø Las tecnologías y capacidades disponibles en el ámbito de C&T del Mercosur.
Ø El cronograma se cumpliría en el plazo de un año según el siguiente diagrama de Gantt:
8.- EMPRESAS A LAS QUE SE ENTIENDE PODRÁ ESTAR DESTINADO EL PROYECTO
Esta nueva tecnología tiene muchas chances de alcanzar a ser competitiva frente a las actuales alternativas para satisfacer el mercado potencial de generación distribuida. La suma de su alta portabilidad y flexibilidad de combustible, bajo costo de operación y de mantenimiento, bajo nivel de contaminación y posibilidad de alcanzar altísimas eficiencias con cogeneración térmica, permite reconocer en ésta a una tecnología con todos los requerimientos para crear su propio mercado (mercado de pequeños cogeneradores hogareños), siendo por tal una tecnología disruptiva.
Como toda tecnología innovativa en estado embrionario, es deseable que el producto pueda evolucionar dentro de algún nicho de mercado, hasta poder alcanzar el estado de madurez requerido para ser lanzado al gran mercado masivo propuesto.
Se reconocen como primeros nichos de mercado a los siguientes:
1. Pequeños generadores portátiles de uso continuo: Empresas Transportadoras de Gas e Hidrocarburos, principalmente utilizados para protección catódica. El objetivo aquí es fabricar generadores cuya vida útil sea de al menos un año: de esta forma se podría utilizar los mantenimientos anuales programados para recambiar la unidad completa (su costo de capital y de operación muy inferior a las opciones actuales lo tornarían viable). Este mercado es hoy prácticamente cautivo de los termogeneradores, con precios del orden de 100,000 U$D/KW instalados y muy bajas eficiencias (5%). Sin embargo, a pesar de los altísimos costes de estos equipos, este mercado cautivo suma un millón de dolares anuales en nuevos equipos, contando solamente el mercado local (Argentina).
2. Pequeños generadores portátiles de uso esporádico: Empresas de Radio Telefonía, alimentando a estaciones transmisoras remotas. Algunos de los productos que actualmente satisfacen este mercado coinciden con el anterior mercado, y en otros (teléfonos S.O.S. de autopistas, por ejemplo) se utilizan actualmente sistemas fotovoltaicos en general. En estos casos, al elevado coste de los paneles (5,000 U$D/kW) se debe sumar el importante incremento (hasta 100%) que ve el sistema de generación completo, debido a la necesidad de utilizar bancos de baterías para disponer de la carga en cualquier momento.
Luego de madurar en uno de estos nichos, esta tecnología podría alcanzar la madurez necesaria para ser disruptiva dento del mercado hogareño, satisfaciendo un esquema de generación distribuída de electricidad y calor a partir del gas natural. Este mercado podríaprimero llenarse en zonas rurales y countries, actuales clientes de generadores convencionales, y luego evolucionar hacia el gran mercado hogareño, en cuyo caso revolucionaría el sistema de distribución eléctrica tal cual hoy lo conocemos.
9.- CONCLUSIONES
Esta nueva tecnología de existir, tiene muchas chances de ser competitiva en el mercado de generación distribuida de pequeñas potencias. La suma de su alta portabilidad y flexibilidad de combustible, bajo costo de operación y de mantenimiento, bajo nivel de contaminación y posibilidad de alcanzar altísimas eficiencias con cogeneración térmica, permite reconocer en ésta a una tecnología con todos los requerimientos para crear su propio mercado, siendo por tal una tecnología disruptiva.
10.- BIBLIOGRAFIA
http://www.ballard.com/
http://www.plugpower.com/
http://www.conuar.com/
http://www.hexis.com/eprise/SulzerHexis/Sites/Fuelcell/HXS1000/HXS1000.html
http://www.powergeneration.siemens.com/
http://www.capstoneturbine.com/
http://www.egarret.com/
http://www.turbodriven.com/
http://www.hostel.co.uk/
FIN
