Cogeneración / ciclos combinados Biogás – Material de

Cogeneración / ciclos combinados
Biogás – Material de preparación
Cogeneración (C.H.P.)
Selección, Instalación y Operación
Introducción.
Cogeneración (CHP) implica la generación de electricidad “in situ” y utilizar el calor, que
es un coproducto del proceso de generación.
CHP puede ofrecer un procedimiento
económico
para
suministrar
calor
y
electricidad que es menos agresivo para el
medioambiente
que
los
métodos
convencionales.
Arquitectos e instaladores deben considerar
siempre la opción de CHP como un medio
alternativo de suministrar energía.
Donde sea permisible, los consumos
individuales de calor y potencia deben ser
agregados a través de las redes de calor para formar demandas de energía más grandes:
p.ej. calefacción de comunidades. Si esto no fuese posible, entonces considerar el
suministro de CHP a los edificios individuales.
Cuando se reemplace o diseñe alguna planta importante, siempre debe hacerse una
evaluación primaria para identificar si resultase interesante instalar CHP. Si ello
apareciese como viable, entonces se procedería a realizar el estudio detallado.
Pueden reducirse los costes energéticos totales.
La electricidad generada por métodos tradicionales es de relativo alto coste, a causa de la
baja eficiencia de las centrales y las pérdidas en distribución. Cogeneración local, por lo
general alcanza ahorros en costes eléctricos que compensan de sobra el mayor consumo
de combustible y los gastos de operación y mantenimiento.
Mejora medioambiental.
Cada kWh de electricidad suministrado por el promedio de las centrales con combustibles
fósiles lanza a la atmósfera alrededor de 500 g. de CO2. Las calderas que utilizan gas
natural, generan sobre 250 g. por kWh de calor liberado. CHP tiene una menor intensidad
conjunta (calor y electricidad) de carbono que la generación por separado, en centrales y
calderas, por lo que consiguen una reducción superior al 30% en las emisiones de CO2;
así, colaboran en la reducción del riesgo de calentamiento global. También disminuye la
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producción de SO2, principal responsable de la lluvia ácida y ayuda a conservar los finitos
recursos mundiales de energía.
En la figura siguiente, se muestra con claridad los beneficios medioambientales.
Emisiones usando generación tradicional
Emisiones de CHP local
63 kg
106 kg
67 kg
39
kg
270
kWh
200
kWh
470 kWh
Aumento en la seguridad del suministro eléctrico.
Las plantas de cogeneración pueden ser configuradas para continuar suministrando
corriente en caso de fallo en la red general y, a la inversa, es posible tomar del exterior en
caso de parada de la unidad CHP.
¿Qué es KWK (CHP, cogeneración)?
La cogeneración fuerza-calor es la generación simultánea de energía térmica y eléctrica
en un proceso. De esa manera se puede utilizar el combustible en forma óptima. Las
instalaciones KWK transforman entre el 70% y el 90% de la energía del material
combustible en corriente eléctrica y calor útil. Esto es de gran ventaja, comparado con las
plantas de energía convencionales, que tienen una eficiencia energética del 35-50%. Las
instalaciones KWK pueden ser impulsadas con muchos y diferentes materiales
combustibles, en especial se ha extendido mucho la aplicación de gas natural y biogas. La
disponibilidad de las instalaciones KWK es frecuentemente buena y se calcula en más del
90%. La eficiencia total es esencialmente mayor que en una central energética
convencional, con lo que se reduce notoriamente el empleo del material combustible para
cubrir las necesidades de corriente y calefaccionamiento.
De esa manera se pueden reducir claramente los costos de energía del emplazamiento.
Si bien el consumo del material combustible por parte de la instalación de acoplamiento
fuerza-calor (KWK, CHP), sin embargo desciende respecto a la cadena de producción
total, y con ello también el CO2 emitido. Como regla general, se cumple: la instalación
KWK (o CHP) debe tener aproximadamente 5.000 horas de horas de servicio por año, o
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aproximadamente 14-16 horas de servicio/por día, para resultar rentable. Eso depende en
gran parte de las condiciones locales y de la tarifa energética. Ahí donde existe una
necesidad de calefaccionamiento durante todo el año, por ejemplo calefaccionamiento y
agua caliente en hoteles, hospitales o piscinas cubiertas, se pueden alcanzar períodos de
amortización más cortos, por ejemplo de 2-3 años,.
El ahorro en los costos resulta básicamente del valor de la energía eléctrica y calórica
producida, que es superior a los costos de producción por mantenimiento, material
combustible y amortización fiscal. En determinados casos la corriente en kWh puede ser
hasta 4 veces más cara que el calor kWh. Para obtener el máximo rendimiento por capital,
las horas de funcionamiento (y las horas de plena carga) deben ser tan extensas como
sea posible.
Tecnologías
El ancho de banda de las tecnologías disponible es bastante amplio. La elección de un
sistema de KWK (CHP) se realiza en base a algunos criterios que se refieren a la tarea y
a la exigencia de calor. La tabla muestra algunas posibilidades de aplicación: „++“
significa, que la técnica para esta aplicación es muy adecuada; „+“ significa, que es
menos apropiada.
Tecnología de
cogeneración(K
WK, CHP)
Materiales combustibles (no
completo)
¿Se
necesita
agua
caliente?
¿Se
necesita
vapor?
¿Se
necesita
aire
caliente?
Gas natural, biogas
++
++
++
Gas natural, biogas
Gasóleo de calefacción EL, aceite
vegetal
++
+
+
++
+
+
Madera, geotermia
++
++
++
+
+
+
Reforma a Hidrógeno o gas natural
++
+
+
Turbina de gas
Motor a gas
Motor a diesel
Turbina a vapor
o motor a vapor Gas natural, biogas
Turbina ORC
Pila de
combustible
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Motores de combustión
La mayoría de las aplicaciones KWK (CHP) están compuestas por módulos con motores
a gas como máquinas de trabajo. Esta máquina de trabajo propulsa el generador,
generalmente en forma asincrónica. Se extrae el calor
residual (de escape) del gas de escape (residual) y del
enfriador del motor. Frecuentemente se operan varios
módulos paralelos.
El rendimiento eléctrico de los módulos va desde 5
kWel hasta 4000 kWel.
Son operados con gas natural y tienen una relación
entre calor y corriente de aprox. 3:2. Las máquinas de cada cliente específico se
construyen para aplicaciones mayores y con frecuencia tienen una eficiencia eléctrica
mayor, por ej. 40%, con relación al valor calórico del material combustible, y una relación
entre calor y corriente de aprox. 1:1. Se pueden reducir muchos motores a una carga
parcial del 50%, en tanto se mantiene aprovechable la eficiencia.
Turbina de gas
En el caso de las grandes
instalaciones KWK (CHP) se ha
estado empleando frecuentemente en
los últimos años como máquina de
propulsión la turbina de gas. La
aplicación en las instalaciones
industriales es típica, donde se utiliza
la alta temperatura del gas residual,
con un rendimiento superior a 1 MWel
con gas natural como material
combustible. A pesar de que la
eficiencia de la carga parcial no es
elevada, se las emplea también en las
redes de abastecimiento de hospitales y universidades.
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Desde fines de los años 90 también
hay
microturbinas
de
gas
disponibles. Se las desarrolló a partir
de
turboalimentadores
de
la
construcción de vehículos y están
disponibles entre 30 kWel hasta el
entorno de los 250 kWel. Las
microturbinas necesitan menos lugar
que los motores convencionales y los
gastos de mantenimiento son más
bajos. Además las emisiones de
gases residuales son inferiores. La
eficiencia eléctrica es específicamente
inferior que en el empleo de motores
de combustión.
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Turbinas a vapor/turbinas a motor
Las turbinas a vapor son empleadas desde hace varios
años como propulsión principal para las grandes
instalaciones energía-calor. Típicamente trabajan con
generadores muy grandes; pero también se usan unidades
más pequeñas con aprox. 500 kWel pero parcialmente. La
eficiencia total es normalmente muy elevada, alcanza hasta
el 85 %. Las turbinas a vapor pueden ser operadas con
materiales combustibles sólidos, líquidos o gaseosos (fósiles
o renovables). La relación usual fuerza-calor está en 1:6.
Los motores a vapor se encuentran en el área de menor
rendimiento de
100-800 KW. Muestran grados de eficiencia similares a las
turbinas a vapor.
Ciclo de Rankime orgánico (ORC).
El Ciclo Orgánico de Rankine (ORC) obedece a los mismos principios termodinámicos
que la turbina de vapor convencional, la diferencia se halla en el fluido de trabajo, que en
este caso es un compuesto orgánico de apropiadas combinaciones presión/temperatura
para evaporación y condensación. Esto permite explotar con cierta eficiencia fuentes de
calor de muy escasa temperatura, <100 ºC, para generar electricidad en un amplio rango
de potencias (desde pocos kilowatios hasta más de 3 MWe)
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Las aplicaciones típicas son:
a. Plantas geotérmicas de baja entalpía, hasta 3 MW unitarios.
b. Cogeneración (CHP) en plantas movidas con biomasa, en el rango de 400 a 1500
kW eléctricos.
c. Aplicaciones de recuperación de calor, en el rango de 400 a 1500 kWe.
d. Aplicaciones solares.
Principio de trabajo en la planta, utilizando biomasa, ORC, situada en Lienz.
Pilas de combustible
Un nuevo desarrollo para la cogeneración fuerza-calor son las pilas de combustible. Sin
embargo, debe adelantarse que las pilas de combustible no están aún disponibles en el
mercado. Las pilas de combustible transforman la energía química del hidrógneo y del
oxígeno directamente en corriente y calor, sin trabajo mécanico de combustión interna
como en turbinas y motores. Son similares a las baterías, pero el material combustible y
el oxígeno son externos. De esa manera se las puede accionar, siempre y cuando haya
material suplementario disponible. En la mayoría de las aplicaciones se usa directamente
el oxígeno del aire, de forma tal que sólo debe contenerse el material combustible
disponible. Lo ideal para las pilas de combustible es el uso del hidrógeno, también se
pueden emplear otros materiales combustibles hidrogenados (por ej. gas natural o nafta),
si se los transformó previamente en gas hidrogenado, empleando para ello un reformador.
La eficiencia total de las instalaciones alcanza el 85-90%, con lo que la relación fuerzacalor está en aprox. 5:3. Dado que las pilas de combustible son muy silenciosas y no
producen contaminación del aire, su uso es muy apropiado en las cercanías de un usuario
del calor, y de esa forma hacer un uso eficiente del calor residual.
Cogeneración - hechos importantes
•
Producción de electricidad con recuperación de calor.
•
Normalmente eficiencias de hasta 70-80%.
•
En general, es económico si funciona más de 5.000 horas/año.
•
Se requiere un estudio de factibilidad, basado en curvas de demanda reales.
•
CHP debería ser siempre la primera caldera.
•
Los datos económicos mejoran si se utiliza como generación standby.
•
Dimensionar con base a la demanda de calor normalmente da los mejores economics.
•
Sobredimensionamiento de CHP puede dar lugar a excesivo calor no útil que no es económico.
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Aplicaciones comunes de CHP.
Edificios con probado historial como adecuados para la instalación de esquemas de
cogeneración se listan en la siguiente tabla.
Aplicación
Piscinas
Centros de ocio
Hospitales
Centros residenciales
Hoteles
Calefaccionamiento
comunitario
Campus Universitario
Oficinas de Policia
Lugares MOD=MOD
sites
Razón
Demanda continua para calendar el agua de la piscina y electricidad para las
bombas. Alta demanda de ACS.
Operan desde por la mañana hasta por la tarde-noche. Alta demanda de ACS.
Funcionan 24 horas al día. Necesitan temperatura ambiente alta para los
pacientes. Alta demanda de ACS.
Ocupación continua con necesidad de temperatura ambiente alta para las
personas mayores. Alta demanda de ACS.
Largas horas de funcionamiento, se requiere mantener el confort de los clientes.
A veces incluyen lugares de ocio. Alta demanda de ACS.
Calor disponible instantáneamente, principalmente donde hay personas mayores
y niños. Mejora del estado del edificio por estándares de calor mayores.
Zonas de oficinas/clases necesitan calor durante el día y para las actividades de
tarde for evening activities. Las áreas residenciales requiren calefaccionamiento
de mañana y en la noche.
24 horas de funcionamiento y ocupación. Requerimiento de capacidad de
generación standby para instalaciones de operación crítica.
Las áreas de descanso necesitan ACS las 24 horas del día. Los centros de
formación, seminarios, etc. requieren calefaccionamiento durante el día.
Estudio de viabilidad
Los arquitectos, planificadores y usuarios de edificios deberían considerar siempre los
KWK como alternativa para el suministro de energía en las aplicaciones adecuadas.
Debería considerarse la posibilidad
de instalar un cogenerador (KWK,
Aclarar en el planeamiento preliminar
CHP) en caso de querer cambiar una
instalación de calefacción. Si se
► Abastecimiento de material combustible
considerara
conveniente
la
► Espacio necesario
instalación del cogenerador (KWK,
CHP), se deberá realizar un estudio
► Protección contra el ruido
completo de factibilidad. En este
► Protección contra la vibración
caso deberá llamarse a expertos en
► Ventilación
cogeneradores (KWK, CHP) para
realizar una evaluación competente y
► Retroceso del gas residual y emisiones
detallada de la factibilidad. Previo a
► Conexión eléctrica y regulación
la puesta en funcionamiento del
► Conexión de calefacción y regulación
cogenerador,
deberán
tomarse
medidas simples tendientes al ahorro de energía. La necesidad de calor y corriente del
objeto debe ser cuidadosamente registrada para evitar un dimensionamiento erróneo.
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La clave de cada evaluación de factibilidad es la aclaración de los requisitos básicos para
la implantación del cogenerador. El suministro de material combustible es un punto
importante, que debe ser considerado al comienzo. Si no dispusiera de suministro de gas
o éste fuera muy débil, esto podría hacer que los costos de conexión resultaran no
rentables. Lo mismo es válido para el caso de la distribución interna de corriente.
La instalación cogeneradora (KWK, CHP) necesita un espacio con ventilación suficiente.
Deben tenerse en consideración el ruido y las vibraciones y se los debe tener bajo control,
para lo que se deberán tomar las medidas apropiadas. Lo mismo es aplicable a la
conducción del gas residual, que debe cumplir con las normas sobre emisión y ruido. La
integración en el sistema de calefaccionamiento y de regulación debe asegurar que el
cogenerador sea conectado como productor de cargas, lo que con frecuencia se hace
mal. La integración en el sistema hidráulico y de regulación existente debe ser planeado y
realizado cuidadosamente.
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