LA MICROCOGENERACIÓN CON BIOMASA Ana Sin Bagüés ([email protected]) GRUPO BERA (Biomasa, Evaluación, Recursos y Aprovechamiento) ÍNDICE • Energía de la biomasa • Aspectos generales de la cogeneración • Descripción de tecnologías aplicables – Estado actual – Barreras y oportunidades de desarrollo – Ejemplos • Marco legal • Laboratorio de trigeneración CIRCE Energía de la biomasa Energía de la biomasa • Energía renovable – Recurso inagotable – Diversificación energética • 6 O2 6 CO2 Escaso impacto ambiental – Balance neto de CO2 nulo – Contenido mínimo en azufre • Evita el abandono de tierras • Mejora masas forestales • Creación de empleo rural C6H12O6 6 H2O Nutrientes C6H12O6 + 6O2+ Æ 6CO2 + 6H2O+ Q + Cenizas ¿Qué es la cogeneración? • COGENERACIÓN (CHP): Producción conjunta, in situ proceso secuencial de electricidad (W) y calor (Q) Sin Cogeneración Combustible Combustible Planta eléctrica Caldera y en Cogeneración W Q Sistema de cogeneración Microcogeneración P<50kW Pequeña y mediana potencia P<2MW Combustible Ventajas e inconvenientes Los Estados priman las plantas de cogeneración Aplicaciones de la cogeneración • En general, cualquier centro consumidor de energía térmica y electricidad: – Sector industrial (PYMES) – Sector agrícola – ganadero (biogás procedente de residuos) – Sector residencial – terciario (viviendas, hospitales, edificios de uso deportivo, centros comerciales, oficinas…) • Aprovechamiento del calor – – – – Producción de vapor Aprovechamiento directo de gases (Secaderos, hornos, purines, …) Agua caliente (Calefacción + ACS) Producción de frío (Ciclos de refrigeración activados térmicamente) • Requisitos imprescindibles – Consumo de cantidades importantes de calor – Fiabilidad en el suministro de combustibles – Factor de utilización elevado • Diseño de sistemas Dimensionamiento W Venta de electricidad Venta de electricidad Caldera auxiliar Venta de calor Compra de electricidad Compra de electricidad Caldera auxiliar Venta de calor Punto de demanda Q - Cargas térmicas y eléctricas existentes: nivel y duración (variabilidad) - Tipo de combustible disponible - Selección de la tecnología más adecuada y potencia - Conexión con el sistema eléctrico y térmico existente - Evaluación preliminar y estudio de viabilidad Consideraciones económicas Factura eléctrica Combustible • • • Costes Sistema de cogeneración Inversión Energía térmica (Q) Electricidad (W) O&M – Costes de Inversión – Costes de O&M – Costes de Combustible Ingresos → Venta de electricidad – Precio de venta de la electricidad dependiendo del combustible biomásico utilizado (Residuo forestal, cultivo energético,…) – Complemento por eficiencia de la instalación – Ayudas a la financiación Ahorros – Factura eléctrica – Producción térmica Consideraciones económicas • Influencia del tamaño de planta sobre el coste Fuente: IDAE • Influencia del tamaño de planta sobre el rendimiento eléctrico Fuente: ENAMORA Parámetros característicos Sin Cogeneración Combustible Combustible • Caldera (RefH) We Sistema de cogeneración Q De carácter termodinámico: – – – – – • Planta eléctrica (RefE) Cogeneración Energía asociada al combustible: F Rendimiento eléctrico: ηe = We/F Rendimiento térmico: ηt = Q/F Rendimiento energético: η = (We+Q)/F Relación trabajo – calor: rW/Q = We/Q De carácter legislativo: – % Ahorro de energía primaria PES RD 616/2007 – Rendimiento eléctrico equivalente: REE RD 661/2007 Combustible (F) Tecnologías aplicables 50 Turbinas de vapor (Ciclo Rankine convencional) 40 Turbinas de vapor (Ciclo Rankine orgánico) hPCI 30 (%) 20 Motores Stirling Motores alternativos de combustión interna Turbinas de gas Pilas de combustible 10 Ciclo Combinado 20 30 40 10 Potencia nominal (MWe) • • • • • 50 Motor Alternativo de Combustión Interna (MACI) Microturbina de gas Ciclo Rankine orgánico (ORC) Motor Stirling Pila de combustible Tecnologías aplicables Tecnología de conversión Productos primarios Conversión secundaria Carbón Caldera y/o Ciclo de vegetal Pirólisis vapor/Stirling Pretratamiento* Líquido Calor MACI o Turbina de Gas pirolítico vapor/Stirling BIOMASA Gas combustible MACI o Turbina de Limpieza del Gas gas Aire/Vapor/ Oxígeno/H2 Combustión Aire/O2 Pila de combustible Gases calientes Calor Electricidad Caldera y/o Ciclo de Gasificación Electricidad Conversión terciaria M. Compresión M. Absorción o Gas combustible Productos finales 1 Caldera y/o Ciclo de vapor/Stirling Productos finales 2 Frío Frío Adsorción Calor Electricidad Calor M. Compresión Frío Electricidad Calor Electricidad M. Absorción o Frío Adsorción Calor Electricidad Calor M. Compresión M. Absorción o Frío Frío Adsorción M. Absorción Frío Tecnologías aplicables Aglomeración y sinterización BIOMASA % materia inorgánica • Cenizas Deposición Corrosión Consecuencias – Operación: mantenimiento, compleja limpieza y eliminación – Eficiencia: resistencia a los procesos de transferencia de calor – Emisiones: material particulado – Fiabilidad: corrosión reduce la vida útil Gasificación BIOMASA • Consecuencias – Operación – Eficiencia – Limpieza del gas Gases condensables Alquitranes • MACI Principio de funcionamiento: – Motor de encendido provocado (MEP): Ciclo Otto – Motor de encendido por compresión (MEC): Ciclo Diesel • • Combustión interna → Funcionamiento con combustibles líquidos/gaseosos → Gasificación o Pirólisis previa de la biomasa sólida Uso de MEP o MEC: • Dependiendo de las características del combustible obtenido • MACI Aplicación a generación eléctrica con biomasa: • • • Temperatura del calor residual: • • • • Gases de escape: 300-500ºC (agua o vapor 100-120ºC) Agua de refrigeración de la camisa: agua 85-90ºC Refrigeración del aceite lubricante: agua 80ºC Ventajas: • • • • • Rango de potencias: 5 kWe – 15 MWe Rendimientos: 25-45% Buen comportamiento a carga parcial Elevado rendimiento eléctrico Disponibilidad tecnológica Bajo coste de inversión y de operación Limitaciones: • • • • Problemática asociada a combustibles “sucios” y de bajo PC Limpieza en caliente de gases de síntesis Aprovechamiento térmico a diferentes niveles de temperatura Mantenimiento MACI • Ejemplo unidad comercial de cogeneración con biogás – Enertec Kranftwerke GmbH et-050BG-MA et-103BG-MA P (kWe) 50 103 W/Q 0,58 0,81 ηe (%) 30,5 38,3 η (%) 83 85,3 2,8x0,9x2,1 2,80x0,9x2,1 2270 2740 80 81 Dimensiones(m) Peso Ruido (dB a 1m) MACI • Ejemplo de unidad comercial con biomasa sólida + gasificador – Community Power Corporation BioMax 25 Combustible Astillas, pélets Motor MEP/MEC Potencia (kWe) 25 W/Q 0,28 η (%) 80 www.gocpc.com • MACI Suministradores de motores y unidades de cogeneración: – – – – – – – – – ABB GE-Jenbacher Grupo Guascor 2G IBÉRICA LIEBHERR MAN MTU Ibérica SEVA Energie AG … Microturbina de gas • Motor rotativo de combustión interna (Turbo-máquina térmica) que opera en un ciclo termodinámico teórico denominado ciclo Brayton • Combustión interna → Funcionamiento con combustibles líquidos/gaseosos → Gasificación o Pirólisis previa de la biomasa Microturbina de gas • Aplicación a generación eléctrica con biomasa: • • • Temperatura del calor residual: • • Gases de escape: 400-600ºC (agua, vapor 100-120ºC) Ventajas: • • • • • Rango de potencias: 25 – 250 kWe (1-10kWe en desarrollo) Rendimientos: 15-30% Elevada temperatura gases de escape → Posibilidad de integración con otras tecnologías en ciclos combinados Disponibilidad tecnológica Reducido tamaño y peso Pocas partes móviles Æ mantenimiento y ruido Limitaciones: • • • • Problemática asociada a combustibles “sucios” y de bajo PC Limpieza en caliente de gases de síntesis Personal cualificado Carga parcial • Microturbina de gas Ejemplo de unidad de cogeneración comercial: – Capstone CR30 MicroTurbine Modelo para operación con gas (gas natural, biogás de vertedero, de digestor) y con líquido (diesel, biodiesel, queroseno…) Potencia (kW) 30 ηe (%) 28 Dimensiones (m) • 0,76x1,50x1,90 Peso (kg) 405 Ruido (dB a 10m) 65 Suministradores: – Capstone – Compower – Micropower Europe – Turbec – … Ciclo de Rankine Orgánico (ORC) • Principio de funcionamiento: ciclo de vapor Rankine • Diferencias entre ciclo Rankine convencional y ORC: • Fluido de trabajo: agua vs fluido orgánico (R134a, R152a, R600…) • • • Menor Tª de evaporación y mayor calor latente Mayor densidad Condiciones del vapor en la admisión de la turbina • Menor T y P • ORC Aplicación a generación eléctrica con biomasa: • • • Temperatura de activación: • • • Rango de potencias: 3,5-200 kWe Rendimientos: 8-15% Fluidos bajo punto de ebullición: 80-120ºC Fluidos alto punto de ebullición: 250-300ºC Ventajas: • • • • Separación de sistema de combustión y generación de potencia (Caldera de biomasa + Ciclo Rankine) Buen comportamiento a carga parcial Bajo mantenimiento Bajas presiones y temperaturas de funcionamiento 9 9 • Fuentes de calor a baja temperatura: energía geotérmica, solar… Menor exigencia a los materiales, seguridad Limitaciones: • • Alto coste de inversión Bajo rendimiento eléctrico ORC • Ejemplo de unidad comercial: – Enef tech, Module Enefcogen Potencia (kWe) 30 W/Q 0,1 ηe (%) 8 Tª fuente de calor (ºC) 130 Tª fuente de refrigeración (ºC) 30 Dimensiones (m) 1,9x2,1x1 Peso (kg) 1300 • Suministradores: – – – – – – Electratherm Enef tech Infiniy Turbine LTi Turbolina … ORC • • Motor Stirling Motor alternativo de combustión externa que opera en un ciclo termodinámico teórico denominado ciclo Stirling Principio de funcionamiento del ciclo Stirling – Ciclo cerrado en el que un gas de trabajo es alternativamente comprimido en un cilindro frío y expandido en un cilindro caliente – Aporte de calor externo • Fluidos de trabajo: Nitrógeno, Hidrógeno y Helio (incluso Aire) • Motor Stirling Aplicación a generación eléctrica con biomasa: • • • Temperatura de activación (foco caliente): • • 400-1000ºC Ventajas: • • • • • Rango de potencias: 3 – 150 kWe Rendimientos: 17-30% Separación de sistema de combustión y generación de potencia (Quemador de biomasa + Stirling) Combustión continua: bajos niveles de emisiones y ruido y menor consumo de combustible Elevada eficiencia Buen funcionamiento a carga parcial Limitaciones: • • • Disponibilidad tecnológica escasa Complejidad mecánica y arranque lento Ensuciamiento en intercambiador • Motor Stirling Ejemplo de planta piloto: - Proyecto DTU+MAWERA+BIOS BIOENERGIESYSTEME, Austria - Caldera de biomasa - Motor Stirling SM3C 35 kWe www.stirling.dk Combustible Astillas Potencia (kWe) 31 Cilindros 4 Fluido de trabajo Helio W/Q 0,35 ηe (%) 20 Tª foco caliente (ºC) 750 Peso (kg) 1600 • Motor Stirling Ejemplo unidad comercial: – Stirling Biopower Combustible Biogás Potencia (kWe) 38 Cilindros 4 Fluido de trabajo Hidrógeno W/Q 0,6 ηe (%) 28 η (%) 75 Tª calor residual aire (ºC) 50 Peso (kg) Ruido (dB a 7m) 1600 64 • • • • Pila de combustible Principio de funcionamiento: Producción de electricidad a partir de una reacción electroquímica entre un combustible y O2 Combustible: cualquier sustancia susceptible de oxidación (habitualmente H2 y O2) Reformado: proceso de obtención del H2 del CH4 Tipos: función del electrolito – – – – – PEMFC AFC PAFC MCFC SOFC Alta temperatura de funcionamiento H2, CH4, CO, NH3 Æ combustibles Soporta mayores ppm de H2S y halógenos Solid Oxide Fuell Cell Cogeneración Biogás • Pila de combustible Aplicación a generación eléctrica con biomasa: • • • Temperatura de funcionamiento • • ≈1000ºC Ventajas: • • • • • Rango de potencias: 1 kWe – 10 MWe Rendimientos: 30-55% Alta eficiencia No partes móviles Æ Bajo mantenimiento y nivel de ruido Buen funcionamiento a carga parcial Bajas emisiones Limitaciones: • • • • Elevado coste de inversión Periodo de vida corto Lenta puesta en marcha Variaciones de carga • Pila de combustible Ejemplo de unidad de cogeneración (SOFC): – Wärtsilä WFC50, operación con biogás de vertedero + sistema de limpieza Potencia (kW) 50 ηe (%) 41,4% ηt (%) 32,7% η(%) 74% – Acumentrics CP-SOFC 10 Potencia (kW) 10 W/Q 2,5 Dimensiones (m) 1,70x0,91x1,80 Peso (kg) 545 Ruido (dB a 3m) 65 Pilas de combustible Comparación tecnologías Marco legal • Existe un alto potencial tecnológico no explotado en todos los sectores de actividad Necesidad de medidas legislativas y de promoción Estrategia de Ahorro y Eficiencia Energética en España 2004-2012 (E4) Plan de Acción 2005-2007 PAE4 Plan de Acción 2008-2012 PAE4+ – Desarrollo del potencial de cogeneración de alta eficiencia – Mejora de la eficiencia energética de la cogeneración Plan de Acción 2005-2007 • • • • Real Decreto Ley 7/2006 por el que se adoptan medidas urgentes en el sector energético Æ elimina la obligación de autoconsumo Real Decreto Ley 616/2007 sobre fomento de la cogeneración (transposición Directiva 2004/8/CE) Orden ITC/1522/2007 por la que se regula la garantía de origen Real Decreto 661/2007 por el que se regula la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial – Complemento por eficiencia – Incremento de tarifas – Actualización de precios Æ rentabilidades futuras RD 661/2007 • Opciones para la venta de energía eléctrica: – OPCIÓN 1: Tarifa Regulada – OPCIÓN 2: Mercado de energía eléctrica • Cálculo de precio de venta de electricidad – OPCIÓN 1: PFT = TR + CR + DH + Cef – Des – OPCIÓN 2: PFM = PMD + P + GP + CR + Cef – Des • Complementos: – – – – – Complemento por energía reactiva (CR) Garantía de potencia (GP) Complemento por eficiencia (Cef) Complemento por discriminación horaria (DH) Desvíos (Des) RD 661/2007 Código Técnico de la Edificación (CTE) • La contribución solar mínima en edificios de nueva construcción y en rehabilitación de edificios en los que exista una demanda de ACS y/o climatización de piscinas, podrá disminuirse justificadamente cuando se cubra ese aporte energético de ACS mediante: – Aprovechamiento de energías renovables – Procesos de cogeneración – Fuentes de energía residuales procedentes de la instalación de recuperadores de calor ajenos a la propia generación de calor del edificio Cogeneración con biomasa Plan de acción 2008-2012 • Desarrollo del potencial de cogeneración: – Estudios de viabilidad (2005-2007) – Fomento de nuevas instalaciones en actividades no industriales – Fomento de cogeneraciones de pequeña potencia (<150 kWe) • • • Resolución de 14 de mayo de 2008, de la Secretaría General de Energía, por la que se aprueba la Guía Técnica para la medida y determinación del calor útil, de la electricidad y del ahorro de energía primaria de cogeneración de alta eficiencia Resolución de 14 de julio de 2008, de la Dirección General de Política Energética y de Minas para la percepción del complemento por eficiencia Desarrollo RD en materia de acceso y conexión a la red de baja tensión (Directiva 2009/28/CE relativa al fomento del uso de energía procedente de fuentes renovables) Complejidad de la tramitación administrativa Dificultades en conexión a red WEBS • • • • • • Información Asociación Española de Cogeneración www.acogen.org COGEN España www.cogenspain.org REE www.ree.es Ministerio de Industria, Turismo y Comercio www.mityc.es IDAE www.idae.es CNE www.cne.es BIBLIOGRAFÍA 1. Energía de la Biomasa. Sebastián, F.; Rezeau, A.; García, D. Prensas Universitarias de 2. Biomasa: Producción eléctrica y cogeneración. IDAE. 2007 3. Development of small-scale and micro-scale biomass-fuelled CHP systems - A literature review. Dong, L.; Liu, H.; Riffat, S. 2008 4. Residential cogeneration systems:review of the current technology. Onovwiona, H.I.; Ugursal, V.I. 2004 5. Electricity from Biomass. BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH. 2009 Zaragoza. 2009. Trigeneración • TRIGENERACIÓN (CCHP): Producción conjunta, in situ y en proceso secuencial de electricidad (W) y energía térmica útil (Calor y Frío, Q y F) Sin Trigeneración Combustible Combustible • Trigeneración Planta eléctrica W Enfriadora (RefCOP) F Caldera (RefH) Q Sistema de cogeneración Combustible Sistemas de refrigeración: • • Tecnologías activadas eléctricamente (TAE): enfriamiento por compresión Tecnologías activadas térmicamente (TAT): • • enfriamiento por absorción enfriamiento por adsorción Trigeneración • Ventajas de las TAT 9 Activación con fuente de calor a baja temperatura: EERR, calor residual… 9 Eliminación del compresor Æ menor consumo eléctrico 9 Menos partes móviles Æ mantenimiento y ruido • Inconvenientes de las TAT 9 Alto coste de inversión 9 Disponibilidad tecnológica • Ventajas de la trigeneración 9 Aumento del factor de utilización Æ viabilidad económica 9 Distribución de carga más estable a lo largo del año • • Laboratorio de trigeneración CIRCE Plan Nacional de I+D+i, PSE “Desarrollo, demostración y evaluación de la producción de energía en España a partir de la biomasa de cultivos energéticos” Sistema de transformación primario: caldera de biomasa Bioselect 430, LASIÁN Tecnología del calor S.L. – Quemador tipo parrilla – Dos intercambiadores bañados en agua – Modificaciones para la operación con pélets de cultivos energéticos • Sistema de conversión secundario: ciclo Rankine orgánico desarrollado en colaboración con Infinity Turbine. – 10 kWe – Temperatura de activación: 80-120ºC • Sistema de conversión terciario: máquina de adsorción SorTech AG 08 – 8 kWf – Temperatura de activación: 55-72ºC Laboratorio de trigeneración CIRCE Circuito agua + anticongelante Calefacción ACS ORC Agua fría Caldera Gas Circuito agua sobrecalentada Máquina de adsorción Humos a chimenea Humos Bioselect 430 + primer cuerpo de caldera Segundo cuerpo de caldera Ciclón Conclusiones • Gran potencial de microcogeneración con biomasa en España • Gran variedad de tecnologías aplicables a la generación eléctrica con biomasa. • Limitaciones de las tecnologías en cuanto a tamaño de planta, tipo y disponibilidad del recurso biomásico y demandas energéticas a cubrir. • Barreras tecnológicas y económicas en tecnologías a pequeña escala que limitan la disponibilidad comercial. • Líneas de I+D a efectuar en los próximos años acerca de la generación eléctrica distribuida: • Poligeneración con biomasa a pequeña escala. • Limpieza de gases provenientes de la gasificación/pirólisis. • Automatización y control para optimizar en cada momento las instalaciones. • Desarrollo tecnológico ¡Gracias por vuestra atención! Ana Sin y el resto del Área de Biomasa (División de Recursos Naturales) de la Fundación CIRCE