universidad tecnológica de querétaro

Universidad Tecnològica
de Querètaro
Firmado digitalmente por Universidad Tecnològica
de Querètaro
Nombre de reconocimiento (DN): cn=Universidad
Tecnològica de Querètaro, o=UTEQ, ou=UTEQ,
[email protected], c=MX
Fecha: 2014.09.10 09:36:56 -05'00'
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE
QUERÉTARO
Nombre del proyecto:
"APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA TÉRMICA EMITIDA POR
UNA TURBINA DE GAS PARA EL PROCESO DE SECADO”
Empresa:
Nutryplus, SAPI de C.V.
Memoria que como parte de los requisitos para obtener el título de:
TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN ENERGÍAS
RENOVABLES ÁREA ENERGÍA SOLAR
Presenta:
SANDOVAL GARCÍA JUAN PABLO
Asesor de la UTEQ
M. en A. Isela Prado Rebolledo
Asesor de la Organización
Ing. Raúl Daniel Martínez Villagrán
Santiago de Querétaro, Qro. Septiembre del 2014
Resumen
El trabajo que se realizó durante la estadía profesional, se basó en el análisis y
elección de un sistema de energía renovable para el aprovechamiento energético
en la empresa Nutryplus SAPI de CV. Dado que el giro de la empresa es
alimentaria, es necesario el calor para producir diversos productos. Se realizaron
investigaciones sobre las ventajas y desventajas de los diferentes sistemas
generadores de energía renovable, se hicieron cotizaciones y se analizaron las
diferentes propuestas, tomando en cuenta los beneficios que estas traerían a la
empresa como: rentabilidad, análisis de costos, impacto ambiental, retorno de la
inversión, etc. Una vez terminado el análisis, se eligió la cogeneración como el
sistema a instalar, y se procedió a realizar el contacto con la empresa proveedora
de las microturbinas. La idea principal a manera de propuesta de este proyecto
fue contar con una fuente productora de energía eléctrica independiente a la red
de distribución de CFE (Comisión Federal de Electricidad), como lo son las
microturbinas y aprovechar el calor desprendido redireccionándolo hacia los
equipos de secado que operan bajo el consumo de gas natural.
2
Description
Nutryplus is located in Queretaro Mexico. This company sales and distributes
products used in bakeries, the facillities in this place are clean and very
comfortable, all the people are friendly and their performance is good. The
products are delivered just in time because of the knowledge and expertise in the
manufacturing sector of the engineer Raul Martinez. Because of this I think that
he is a very interesting person, besides I think he is funny, responsable and the
most educated person in the company.
JUAN PABLO SANDOVAL GARCIA
3
Agradecimientos
“Los logros se realizan a base de esfuerzos, los esfuerzos a base de un motor”.
Yo realicé el esfuerzo a lo largo de este tiempo y el motor de todo esto; es Mi
familia.
Hoy se culmina otra parte de mi formación académica, que día a día se va
haciendo más corta. El comienzo de mi edad productiva ha llegado, he logrado
comprender que la vida se llena de momentos increíbles al lado de las personas
que amas, que a pesar de que tus metas sean grandes, tus seres queridos
siempre están ahí, para apoyarte incondicionalmente, que aunque la presión
siempre sea excesiva, ellos te escucharán con gran paciencia. Todo esto es
porque te aman y quieren lo mejor para ti.
Este gran logro en mi vida, se debe a aquellas personas que creyeron y me
depositaron gran parte de su confianza.
Para ustedes, va dedicado mi esfuerzo, mi tiempo y mi trabajo, es con lo poco
que puedo pagarles, porque por ustedes estoy y para ustedes me debo.
Gracias.
4
Índice
Resumen…………………………………………………………………………….. 2
Description……………………………………………………………………………3
Agradecimientos……………………………………………………………………..4
Índice………………………………………………………………………………….5
I.
I. INTRODUCCIÓN...………………………………………………………………..6
II.
II. ANTECEDENTES………………………………………………………………...7
III.
III. JUSTIFICACIÓN…………………………………………………………………9
IV.
IV. OBJETIVOS…………………………………………………………………….11
V.
V. ALCANCE………………………………………………………………………..12
VI.
VI. ANÁLISIS DE RIESGOS………………………………………………………13
VII.
VII. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA……………………………………………..14
VIII.
VIII. PLAN DE ACTIVIDADES…………………………………………………….31
IX.
IX. RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS………………………………….32
X.
X. DESARROLLO DEL PROYECTO…………………………………………….34
XI.
XI. RESULTADOS OBTENIDOS…………………………………………………45
XII.
XII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES………………………………49
XIII.
ANEXOS
XIV.
BIBLIOGRAFÍA
5
I.
Introducción
Nutryplus SAPI de CV., es una empresa dedicada a la producción y
comercialización de ingredientes y aditivos para la industria de los alimentos.
Al indagar sobre la situación energética de la planta se pudo apreciar el alto índice
en el pago de energía eléctrica, lo que conlleva a tener un alta en el desglose de
costos a nivel producción. Por tal motivo, se planteó de manera formal un objetivo
a cumplir, el cual es: “Generar energía eléctrica a través de una turbina de
gas, reutilizando el aire caliente que disipan estos equipos para ser
aprovechado en los procesos productivos de la empresa”, haciendo así de
este un proyecto de cogeneración.
La importancia de la utilización de este sistema en la planta, es que proveerá de
energía eléctrica de alta calidad a las instalaciones, reducirá el gasto en la factura
energética ante CFE, los procesos de producción serán más eficientes, se
apegará más a la política de calidad “siendo sustentables y respetuosos con el
medio ambiente”.
6
II.
Antecedentes
Desde 1982 la empresa Nutryplus fabrica, comercializa y distribuye ingredientes
para la Industria Alimentaria en general, aunque su énfasis principal está en la
panificación. Su principal mercado se encuentra en la industria grande y mediana,
distribuidores de productos químicos y distribuidores de materias primas para
panificación y tortillería.
La política de calidad de Nutryplus SAPI de C.V. dice:
“En Nutryplus trabajamos comprometidos con sistemas de calidad y
seguridad alimentaria, respetando el medio ambiente, buscando siempre la
mejora continua, a fin de cumplir con los requisitos de nuestros clientes e
incrementar
nuestra
competitividad,
participación
de
mercado
y
rentabilidad” (Manual de calidad, Nutryplus 25 de abr de 2014).
Basados en la política de calidad de la empresa se puede apreciar el compromiso
con el medio ambiente por lo que busca implementar sistemas de cogeneración
eco eficiente, de esta manera existirá un equilibrio entre la demanda de energía
eléctrica de la planta y el aprovechamiento de la energía calorífica producida por
el combustible primario, encontrando así un proceso totalmente sustentable.
7
Pensando también a un futuro abastecer con energía fotovoltaica al sector
administrativo de la empresa, y de esta manera cubrir una parte de las
necesidades eléctricas de estas instalaciones.
8
III.
Justificación
En la empresa Nutryplus, SAPI de C.V. el consumo de gas natural es básico y
fundamental para algunos de los procesos de producción.
Es bien sabido que el gas natural es una importante fuente de energía no
renovable que en comparación con los demás combustibles fósiles disponibles
es el más limpio en cuestión de emisiones a la atmósfera, ya que en su
composición natural incluye diversos hidrocarburos gaseosos como: metano,
etano, propano, butano, pentano y pequeñas proporciones de gases inertes
como dióxido de carbono y nitrógeno.
Entre las aplicaciones de este hidrocarburo se encuentran:

Generación de energía eléctrica.

Ámbito industrial (generación de vapor, secado, fundición de metales,
etc.).

Sector residencial (cocina, calefacción).

Transporte (automóviles).
9
La planta contará con una turbina de gas la cual producirá un porcentaje de la
energía eléctrica utilizada para abastecer los equipos de maquinaria, e
instrumentación. Sin embargo al encender esta turbina existe un alto
desprendimiento de energía calorífica que para disiparla se requiere de aire frio,
el cual se calienta a altas temperaturas. Este aire caliente será aprovechado por
los equipos de secado mediante un sistema de trasporte por medio de ductos,
con la idea de que se disminuya el consumo de gas natural destinado para el
calentamiento de aire, lo que se vería reflejado en un ahorro de combustible y por
consecuencia la reducción de la factura energética.
10
IV.
Objetivos
IV.I. Objetivo general
Generar energía eléctrica a través de una turbina de gas, reutilizando el aire
caliente que disipan estos equipos para ser aprovechado en los procesos
productivos de la empresa.
IV.II. Objetivos específicos

Reducir la factura energética del consumo de gas natural en los equipos
de secado.

Utilizar una fracción de esta energía para el precalentamiento de agua en
una caldera.
11
V.
Alcance
Al examinar detalladamente el costo del sistema de energía fotovoltaica y
conocer los precios para la implementación, se apreció que ésta tecnología sigue
siendo muy cara, en comparación con el sistema de cogeneración. Por ello se
propone implementar un sistema de energías renovables, que se adapte a las
necesidades eléctricas de la empresa Nutryplus SAPI DE C.V.
12
VI.
Análisis de Riesgos
Se identifica que los riesgos que se podrían tener para el desarrollo del proyecto,
son del tipo externos:
1.
La inestabilidad en el costo del gas natural: El alta en el combustible a
utilizar en la turbina puede ser una barrera importante para el desarrollo del
proyecto, ya que si esto sucediera sería más costoso hacer funcionar el equipo
en comparación con las ganancias que este proveería.
2.
La inestabilidad en el costo de la energía eléctrica: En dado caso que el
costo por Kw descienda, la tasa de retorno de inversión para este proyecto se
ampliaría.
3.
Cambios en de política de la empresa proveedora: Si la empresa con la
que se planea hacer el contrato cambiara sus políticas, podría existir la
posibilidad de que los precios, así como los tiempos de entrega de equipo
asciendan.
13
VII.
Fundamentación Teórica
VII.I. La situación energética en México
Durante la mayor parte de la historia humana, el sistema energético dependió de
los flujos naturales de energía y de la fuerza animal y humana para proveer los
servicios requeridos en la forma de calor, luz y trabajo. La única forma de
transformación conocida era de la energía química a la energía calorífica y
luminosa, mediante la quema de leña o de velas. Fue a partir de la Revolución
Industrial cuando el sistema energético mundial pasó por dos transiciones
altamente significativas; la primera de ellas fue iniciada por una innovación
tecnológica radical: la máquina de vapor alimentada por carbón. Con ella se
realizó la primera conversión de recursos energéticos fósiles en trabajo, lo que
implicó la posibilidad de separar geográficamente y en gran escala el origen de
las fuentes energéticas respecto a su lugar de consumo final. El carbón podía ser
transportado y almacenado en donde se le requiriera, dotando de recursos
energéticos a casi cualquier región, lo que antes sólo era posible si existían
abundantes recursos hidráulicos en el sitio (Nakicenovic, Grübler y Mc Donald,
1998).
Analizando la demanda energética de nuestro país, nos podemos dar cuenta de
que aún no es competente para cubrir las necesidades de energía, tal como se
ve en el siguiente fragmento citado de la prospectiva del sector eléctrico: El
crecimiento promedio anual estimado para el PIB es de 3.7%, y el crecimiento
14
esperado para el consumo de energía eléctrica durante el mismo período es del
4.6%. Esta diferencia tiene su mayor efecto durante los primeros 10 años de la
estimación, aproximándose ambas proyecciones hacia un consumo de alrededor
de 485 TWh en el último año del período.
En consecuencia, la expansión de capacidad necesaria para atender la demanda
difiere marginalmente entre un ejercicio y otro, pero se observa un mayor impacto
si el análisis se divide en dos períodos, el primero para los seis años a transcurrir
entre 2013 y 2018 y el segundo para el período 2019 en adelante. En el caso del
ejercicio de planeación 2013-2027, las adiciones de nueva capacidad (incluyendo
proyectos de rehabilitación y modernización de centrales existentes) para el
período 2013-2018 ascienden a 16,059 MW, mientras que para el período 20192027 la estimación de los requerimientos de capacidad se ubicó en 30,855 MW,
dando un total de 46,914 MW durante el horizonte de 15 años completo, es decir,
2013-2027. Ahora bien, en el ejercicio de planeación 2014-2028, se estima que
para el período 2013-2018 el requerimiento de nueva capacidad será
aproximadamente 13% inferior a lo esperado anteriormente, mientras que para
el período 2019-2028 dicho requerimiento podría ser 33% superior. Una de las
razones por las cuales se presenta una magnitud mayor en esta última diferencia
se debe a que en la composición del nuevo programa de expansión que
actualmente se encuentran en desarrollo, se incluye una mayor participación de
fuentes renovables respecto a lo que se estimó en la planeación anterior
(SENER, 2013-2027).
15
La manera más apropiada de abastecer al país con energía, es utilizando las
nuevas tecnologías de energía renovable; ya que como lo indica la SENER
(Secretaría de Energía), el ~80% de la generación eléctrica en México proviene
de combustibles fósiles, como se puede apreciar en la siguiente figura:
FUENTE: (SENER, 2012).
Figura No. 1
“Porcentajes de la generación de energía en México”
Por esta causa la volatilidad del precio del petróleo y del gas natural ha sido muy
alta en los últimos años y existe gran incertidumbre sobre la evolución futura de
los precios (SENER, 2012).
VII.II. Energías renovables, un futuro prometedor.
El desarrollo de generación eléctrica renovable es clave en la Estrategia Nacional
de energía, de esta manera se promueven 3 aspectos fundamentales en el
desarrollo del país:
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1. Seguridad energética
2. Eficiencia económica y productiva
3. Sostenibilidad ambiental
Partiendo de estos tres aspectos se derivan 9 puntos en los cuales se puede
apreciar las ventajas de la utilización de energías renovables:

Restituir reservas, revertir la declinación de la producción de crudo y
mantener la producción de gas natural.

Diversificar las fuentes de energía, incrementando la participación de
tecnologías limpias.

Incrementar los niveles de eficiencia en el consumo de energía.

Reducir el impacto ambiental del sector energético.

Operar de forma eficiente confiable y segura la infraestructura energética.

Ejecutar oportunamente las inversiones necesarias en capacidad de
procesamiento para reducir el costo de suministros energéticos.

Fortalecer la red de transporte, almacenamiento y distribución de gas y
petrolíferos.

Proveer de energéticos de calidad y a precios competitivos a los centros de
población marginados del país.

Promover el desarrollo tecnológico y de capital humano para el sector de
energía (SENER, 2012).
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VII.II.I. Cogeneración; una solución energética
Conociendo ya la situación energética por la que está pasando nuestro país, nos
introduciremos a conocer en específico una fuente de energía renovable apta para
aprovechamiento energético en el sector industrial que es la cogeneración.
Cogenerar es una palabra compuesta del prefijo co- y del verbo Generar, generar
se define, en el Diccionario de uso Español de Dña. María Moliner como “producir
una cosa” y el prefijo de co viene del latín CUM preposición que rige ablativo por lo
que, en una interpretación técnica, la palabra COGENERAR significa producir más
de una cosa como mínimo dos (Mario Villares Martín, 2003).
La cogeneración es una solución energética para producir todas las energías
finales que todo centro consumidor precisa: electricidad, calor y frio. Por ello, es
una solución compleja que no siempre es bien comprendida ni por los usuarios, ni
por las autoridades energéticas.
A diferencia de las tecnologías renovables, la cogeneración no sólo aporta
producción de energía sino también seguridad de suministro, ofreciendo garantía
de potencia gestionable de ser requerido por el operador del sistema.
18
Por su alta eficiencia, el uso de la cogeneración es una oportunidad única de
mejorar la intensidad energética de alguna economía. La cogeneración es una
producción simultánea de energía eléctrica y calor útil cerca de los puntos de
consumo. Es por tanto un sistema que aprovecha la energía del combustible
primario de un modo sustancialmente más eficiente que las tecnologías de
producción separadas, como son las centrales de producción eléctrica del régimen
ordinario o las calderas para producción de calor (Fenercom, 2010).
Ante todo es necesario saber o conocer las necesidades energéticas del sector
donde se implementará una planta de cogeneración. Así pues, es importante
saber la relación calor/electricidad o calor/energía mecánica que ha de ser
suministrada para su consumo tanto en el proceso productivo, en caso de una
fábrica, como las necesidades energéticas del sector terciario.
Una vez conocida la relación calor/electricidad, que es la más usual se debe
saber en qué estado entálpico se debe suministrar la energía térmica. Para
procesos productivos donde éste estado entálpico sea elevado se deberá de
contar con una fuente de energía térmica capaz de hacer llegar al medio
transportador este nivel de energía interna (Mario Villares Martín, 2003).
19
VII.II.II. La cogeneración y sus diferentes sistemas
Existe una gran variedad de sistemas de cogeneración, los cuales se describirán
a continuación:
1.
Sistemas directos:

Motor alternativo

Turbina de gas
2.
Sistemas indirectos:

Turbinas de vapor
3.
Sistemas combinados
Sistemas directos: El combustible se introduce en una máquina de cogeneración:
motor alternativo o turbina de gas. Estas máquinas generan energía mecánica
que se transmite a un alternador que produce electricidad y los efluentes calientes
se emplean para usos térmicos como generación de agua caliente, vapor, aire
caliente, etc. Estos sistemas llevan el nombre de cogeneración en cabeza.
Sistemas indirectos: Constituido básicamente por las turbinas de vapor. El núcleo
originario es el hogar donde se genera el calor. Este pasa a una caldera donde
20
se produce vapor de agua a alta presión, el cual es expandido en una turbina de
vapor que lleva acoplada en el eje un alternador eléctrico. Estos sistemas reciben
el nombre de cogeneración en cola, puesto que la máquina generadora de
energía eléctrica, a veces interesa simplemente energía mecánica. Esta última
variante es la más atractiva desde la óptica de recuperación energética a partir
de combustibles residuales renovables.
Sistemas combinados: También denominados ciclos combinados, el más usual
es la combinación de turbinas de gas y turbinas de vapor. En los últimos años
han experimentado un gran desarrollo debido a las altas eficacias que consiguen.
Estas plantas, combinan los ciclos termodinámicos de las turbinas de gas y las
turbinas de vapor, teniendo una eficacia superior a cada uno de los sistemas por
separado, en esencia el ciclo combinado estriba en una turbina de gas que
genera electricidad. Los gases calientes efluentes producen vapor en una caldera
de recuperación que a su vez envía a una turbina de vapor que produce más
electricidad.
VII.II.III Cogeneración con motores alternativos
La cogeneración con motores alternativos, utiliza una máquina robusta que
admite paradas y puestas en marcha bruscas, así como regímenes de carga
variable, mantiene los parámetros de consumo especifico del combustible dentro
21
de un rango aceptable, siempre que se trabaje por encima del 50% de su potencia
nominal.
En cuanto al aprovechamiento térmico, el caudal de gases calientes representa
un 20-25% de la energía total y sale a una temperatura oscilada de entre 350 a
550°C.
En una instalación de cogeneración con motor alternativo se consume un
combustible (gas natural, gasóleo, biogás, etc.) que al quemarse produce trabajo
mecánico. Simultáneamente durante el proceso de combustión se desprende una
gran cantidad de energía calorífica que es disipada a la atmósfera. Equipando al
motor con los dispositivos adecuados de intercambio, este puede trabajar como
un sistema de cogeneración y permitir aprovechar este calor que se desprende a
través de los circuitos de refrigeración, los gases de escape y de la radiación de
propio motor. Este calor puede utilizarse en diferentes procesos: secado,
calentamiento de agua, calefacción, etc.
Tipos de motores alternativos.
Según el tipo de ciclo termodinámico que se siga, se pueden distinguir los
motores de ciclo Otto y Diésel. La diferencia básica
entre las tecnologías
asociadas a estos dos ciclos está en que los primeros necesitan un elemento que
inicie la combustión (bujía), mientras que en los segundos la ignición del
22
combustible se produce como consecuencia de la compresión de la mezcla airecombustible.
Respecto al rendimiento eléctrico de estos dos ciclos hay que destacar que
depende directamente de la relación de compresión, en los ciclos diésel se
consiguen relaciones de compresión más elevadas (12-13) frente a una relación
de 9 en el caso de los motores de ciclo Otto.
Usos del calor recuperado: El sistema genera doble fuente de calor con niveles
térmicos diferentes y, por tanto se puede pensar en una recuperación también a
dos niveles: vapor hasta 15 bares con el calor de los gases y agua caliente a 8590°C.
Entre las numerosas variantes de recuperación de calor en sistemas de
cogeneración con motores alternativos, las más usuales son las siguientes:

Refrigeración clásica. El agua entra al motor a 70°C a través del circuito
de recuperación y sale a unos 85-90°C. Posteriormente se puede elevar el nivel
térmico hasta 100°C mediante el calor de los gases de escape.

Producción de agua sobrecalentada. Introduciendo presión en el circuito
de refrigeración es posible obtener agua sobrecalentada.
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
Producción de vapor a baja presión. Con el sistema de refrigeración por
ebullición es posible producir, introduciendo el agua en el motor en el punto de
vaporización, vapor saturado a 0.5-1 bar relativo.

Recuperación directa de los gases de escape. El flujo de los gases puede
ser aprovechado directamente en determinados procesos (secado, producción
de CO2, etc.)

Generación de aire caliente. Todos los calores residuales pueden ser
aprovechados mediante dispositivos de intercambio adecuados para la
generación de aire caliente.
La capacidad de usar el calor generado en un sistema de cogeneración determina
la eficiencia y rendimiento global del sistema.
En los motores Otto, el calor puede ser recuperado de los sistemas de
lubricación, de la refrigeración de las camisas de los cilindros y de los gases de
escape.
En los motores diésel, la recuperación de calor es algo más compleja debido a
que existen cuatro fuentes de calor: los gases de escape, el aire de alimentación,
el aceite de lubricación, y el circuito de refrigeración de los cilindros.
24
Los motores de gas tienen muchas aplicaciones en el campo de la cogeneración,
especialmente cuando el consumo de energía térmica es en forma de agua
caliente o vapor de baja presión (Xavier Elías Castells, 2012).
VII.II.IV. Cogeneración con turbinas de gas
La turbina de gas; es una máquina rotativa de combustión interna accionada por
la expansión de los gases de la combustión.
Existen dos tipos básicos de turbinas de gas, de combustión interna o también
llamadas de ciclo abierto, y de combustión externa.
En las turbinas de combustión externa el fluido de trabajo, que puede ser aire o
un gas inerte (helio o argón) describe un proceso cerrado y cíclico, recibiendo y
dando calor mediante intercambiadores de calor. El foco caliente; son los gases
calientes de la combustión en una cámara de combustión, y el foco frio; es el
agua de refrigeración que cede al medio ambiente la calor absorbida del fluido
de trabajo. La principal ventaja de este tipo de turbinas es que los productos de
la combustión no circulan por su interior, evitan problemas de corrosión y
desgaste, el mayor inconveniente en este tipo de turbinas es que necesitan una
instalación muy superior en la instalación y el control, por lo mismo sólo son
utilizadas en caso de grandes potencias.
En las turbinas de ciclo abierto, se trata de una máquina rotativa accionada por
la expansión de los gases calientes y a presión, obtenidos a partir de la ignición
25
de la mezcla de un combustible (normalmente gas) y aire comburente en una
cámara de combustión. Por ello, se llaman de combustión interna. Tanto el
combustible como el aire se han de introducir a presión y así la misma turbina
arrastra el compresor de aire.
Los principales elementos que componen a una turbina de gas son el compresor,
la cámara de combustión y la misma turbina o turbinas.
Al conjunto formado por el compresor y la turbina de alta presión se le llama
“Generador de gas” y está destinado a conseguir la alimentación de la máquina,
mientras que al resto se le denomina “Turbina de potencia” y da lugar a la
potencia útil.
El principio de operación de una turbina de gas es el siguiente: El aire se aspira
de la atmósfera, se comprime en el compresor y se introduce en la cámara de
combustión, donde se mezcla con el combustible y se produce la ignición. Los
gases calientes obtenidos en la combustión se hacen circular por las turbinas, y
al expandirse, permiten accionar además al propio compresor un alternador o
alguna otra máquina. Las turbinas de gas operan con un exceso de aire muy
elevado para evitar que la temperatura de los gases de combustión sea
demasiado alta y pueda afectar a la turbina.
La mayor parte de la energía calorífica producida por la combustión, permanece
en los gases de combustión, una vez que han accionado la turbina se resulta
26
posible utilizarlos en algún proceso; ya que la temperatura de estos es de 400650°C.
Aplicaciones de las turbinas de gas en cogeneración: La aplicación de las
turbinas de gas en la cogeneración está limitada a complejos industriales o
comerciales con consumos energéticos importantes que permitan utilizar
máquinas como mínimo de 500 kW de potencia eléctrica, ya que de momento las
gamas
inferiores
no
ofrecen
unas
prestaciones
técnico-económicas
suficientemente interesantes.
Las aplicaciones más típicas de las turbinas de gas en cogeneración son:

Ciclo simple con caldera de recuperación, principalmente para la
producción de vapor.

Utilización de los gases: Procesos de secado, atomización y hornos de
baja temperatura.

Ciclo combinado: Aplicación conjunta de turbina de gas y turbina de vapor.
Se trata de tecnologías contrastadas, sobre todo por lo que hace referencia a los
ciclos simples y combinados, con soluciones menos estandarizadas cuando se
trata de la utilización directa de los gases de combustión (Xavier Elías Castells,
2012).
27
El diseño de recuperación de calor es fundamental; ya que la economía del
proyecto está directamente ligado al mismo, dado que el peso de la recuperación
de calor en la rentabilidad es mayor que en la rentabilidad con motores
alternativos (Fenercom, 2010).
VII.II.V. Cogeneración con turbinas de vapor
En la cogeneración con turbinas de vapor, se utilizan los ciclos similares a los de
centrales térmicas convencionales, con la diferencia de que la turbina de vapor
es normalmente del tipo contrapresión en vez del de condensación. El vapor a la
salida de la turbina es utilizado en el proceso industrial. La energía mecánica es
generada por la expansión del vapor a alta presión procedente de una caldera
convencional.
La energía mecánica es empleada para mover un generador eléctrico o un
compresor. Aunque la energía eléctrica generada por este sistema es inferior por
unidad de combustible al ciclo equivalente con turbina de gas, su rendimiento
global es mayor alcanzando valores del 85-90%.
Cuando en el proceso industrial se requieren varios niveles de presión se pueden
utilizar las turbinas con extracciones. Son turbinas multietapa y están disponibles
desde potencias de 1 MW.
Una ventaja que presentan estos ciclos es la posibilidad de emplear cualquier
tipo de combustible: solido, líquido o gaseoso. Esta característica hace que este
28
tipo de ciclo se emplee frecuentemente en industrias donde existen combustibles
residuales o calores residuales (Mario Villares Martín, 2003).
Dependiendo de la presión de salida del vapor de la turbina, se clasifican en
turbinas de contrapresión donde esta presión está encima de la presión
atmosférica y las turbinas a condensación, en las cuales está por debajo de la
atmosférica y no han de estar provistas de un condensador.
La aplicación típica de cogeneración es con una turbina de vapor a contra
presión, siendo el vapor de escape de la turbina el que se envía al proceso
(Fenercom, 2010).
Otra posibilidad a contemplar, desde el punto de vista de control, se da prioridad
a la demanda calorífica. Consiste en la utilización de calderas de recuperación
cuyo vapor se utilizará usualmente en el uso demandado, y cuyos excesos de
producción se enviarán a una turbina de vapor que a su vez producirá energía
eléctrica.
Las necesidades de tal perspectiva se presentan especialmente debido a las
enormes inercias que presenta un sistema térmico, tal como el de producción de
vapor. Cuando en la planta objeto de instalación de sistemas de cogeneración se
presentan demandas caloríficas en forma de vapor con variaciones muy
29
acusadas, puede resultar muy efectiva esta opción, por cuanto a las solicitudes
de vapor pueden ser atendidas de inmediato por medio de la reducción de
potencia de la turbina de vapor (Mario Villares Martín, 2003).
VII.II.VI. Cogeneración con ciclo combinado
Se refiere a la aplicación conjunta de una turbina de gas y una turbina de vapor,
en este sistema los gases de escape provenientes de la turbina de gas atraviesan
la caldera de recuperación, donde se produce vapor de alta presión. Este vapor
se expande en una turbina de vapor produciendo energía eléctrica adicional. El
escape de la turbina será vapor de baja presión que puede aprovecharse como
tal o ser condensado para la generación de agua caliente o precalentada.
VII.III. Proceso de secado
El proceso de secado proviene de los gases de combustión procedentes de
turbinas de gas a causa de los efluentes caloríficos que se necesitan, ya que se
dispone de un único flujo calorífico formado por gases a alta temperatura que
hace posible utilizarlos en un proceso de secado (Mario Villares Martín, 2003).
30
VIII. Plan de Actividades
Las actividades realizadas para el desarrollo del proyecto, se muestran en el
anexo A.
31
IX.
Recursos Materiales y Humanos
IX.I. Recursos Materiales

Firme nivelado que soporte 2,776 Kg y un volumen de 3.66 x 1.70 x 2.49
metros por unidad

3 Microturbina C65

Montacargas

Ductos de aluminio o lámina galvanizada (definir por proveedor)

Válvulas de alta presión (tipo mariposa)

Codos a 90°

Niples

Coples

Derivaciones tipo “T”

Máquinas de soldar (Argón y eléctrica)

Cortadora

Cable THW

Herramienta (desarmadores, llaves, pinzas, multímetro, etc.).
32
IX.II. Recursos Humanos

Supervisor de proyecto

Técnicos para la instalación de la microturbina

Soldadores para la instalación de paileria y soporteria hacia los equipos
de secado

Técnicos en la instalación eléctrica de la microturbina

Licenciado encargado de trámites y gestoría con CFE

Ayudantes de soldador

Ayudantes eléctricos

Operador de montacargas

Albañil para la construcción de plancha.
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X.
Desarrollo del Proyecto
El proyecto se dividió en tres etapas:

Reconocimiento del proceso productivo en Nutryplus

Elección del sistema de Energía renovable

Instalación de equipo y puesta en marcha
a) Reconocimiento del proceso productivo en Nutryplus
Se hizo el recorrido por todas las áreas de la empresa. Así se pudo conocer el
proceso productivo que se lleva a cabo y las necesidades energéticas para la
implementación de un sistema de energía renovable.
En el anexo B, se puede observar el layout de Nutryplus.
Una vez que se detectó la necesidad de obtener una fuente de energía eléctrica
de alta calidad y amigable con el medio ambiente, para cubrir un porcentaje de
la demanda eléctrica requerida por la planta, se optó por analizar los diferentes
sistemas de energías renovables (energía fotovoltaica y cogeneración).
Para dar seguimiento al proyecto y verificar la demanda energética requerida por
la empresa, fue necesario conocer los costos por kW (véase gráfica 1) y la
34
potencia de consumo eléctrico, mediante la recopilación (histórico) de la
facturación de la empresa por la CFE (Comisión Federal de Electricidad).
$181.00
$2.50
$180.00
$2.00
$179.00
$178.00
$1.50
$177.00
$176.00
$1.00
$175.00
$174.00
$0.50
$173.00
$172.00
$0.00
CARGO POR KW DE
DEMANDA
FACTURABLE
CARGO POR KWHORA DE ENERGÍA
DE PUNTA
CARGO POR KWHORA DE ENERGÍA
INTERMEDIA
CARGO POR KW HORA DE ENERGÍA
DE BASE
Grafica 1. “Costo del consumo de energía eléctrica en la empresa Nutryplus”.
La potencia requerida según el resultado del análisis de las facturas de consumo
fue de aproximadamente 456 kW/mes.
Entre los equipos y aparatos utilizados están:

Computadoras.

Cargador de montacargas

Máquinas de soldar

Esmeril
35

Grúa

Cortadora

Cocedoras

Básculas

Bombas para ácido y sosa
De los cuales, los que tienen mayor consumo son:

Secador SRAY 1

Secador Spray 2

Secador de vacío

Mezcladora 1

Mezcladora 2

Mezcladora 3

Mezcladora 43399

Mezcladora 5

Marmitas

Compresor de aire
b) Elección del sistema de energía renovable
En la investigación para la aplicación del sistema renovable más apto para la
empresa, como primera opción se contactó a compañías dedicadas a la venta e
36
instalación de equipos productores de energía fotovoltaica (paneles solares); ya
que por la ubicación geográfica de la empresa, el índice de radiación en la zona
es aceptable para la generación de energía solar. Sin embargo, una vez que
fueron recibidas las cotizaciones del sistema, se apreció que hoy en día los
precios de estos componentes siguen siendo elevados y
el retorno de la
inversión (TIR) es arriba de 5 años. Por tal motivo, se descartó la inversión en
energía fotovoltaica.
La siguiente propuesta a analizar fue la cogeneración por medio de una turbina
generadora de energía eléctrica, ya que de esta manera se podría beneficiar la
parte energética de la empresa con energía de alta calidad.
Al analizar qué tipo de turbina se utilizaría; se identificó que existen dos tipos de
turbina; gas y vapor. Se comenzó a indagar acerca de la turbina de vapor. Es
sabido que el funcionamiento de ésta es por medio de la expansión del vapor a
altas presiones procedentes de una caldera convencional, estos equipos son
sencillos, que llegan a tener las siguientes posibles fallas:

Altos niveles de vibraciones: desalineación entre turbina y caja de
engranajes, mal estado del acoplamiento, desequilibrio del rotor, tensión de
tubería de vapor.

Desplazamiento del rotor: mal estado de los cojinetes.
37

Fallos de instrumentación: alto nivel de vibración, temperaturas muy
elevadas, indicación errónea de la velocidad de la turbina.

Fugas de vapor.

Fractura en los sellos de la tubería (Fenercom, 2010).
Todas estas averías se producen al no tener el cuidado necesario.
Entre las funciones básicas del mantenimiento preventivo a una turbina de vapor
se encuentra:

Verificar que las vibraciones en el equipo no excedan en el límite permitido.

Inspeccionar la calidad del aceite lubricador de los componentes.

Llevar un control adecuado de la calidad del vapor utilizado con la finalidad
de evitar casos de corrosión.

Revisar líneas de transporte de vapor, así como las válvulas para evitar
fugas y pérdidas en el rendimiento de la turbina.

Inspeccionar los tableros de control para evitar posibles fallas (Fenercom,
2010).
En dado caso de encontrar alguna anomalía en los componentes del sistema
debe de realizarse una valoración para poder llevar a cabo las acciones
pertinentes a la corrección del problema.
38
La turbina de gas, es una máquina rotativa de combustión interna accionada por
la expansión de los gases de la combustión. Estas turbinas se dividen en
combustión externa y combustión interna, la diferencia entre estos dos sistemas,
está en que en la combustión externa el fluido de trabajo (aire o algún gas inerte)
no tiene ningún contacto con los productos de combustión, de esta manera se
evitan problemas de desgaste en el equipo.
Mientras que en la combustión interna la máquina rotativa es accionada por la
ignición de la mezcla de un combustible (gas) con aire comburente en una
cámara de combustión; por lo tanto el combustible como el aire se ha de introducir
a presión y así la misma turbina arrastra el compresor de aire.
En los dos tipos de turbinas de gas, se pueden suscitar los mismos problemas o
averías; ya que cuentan con los mismos componentes, las principales fallas en
las turbinas de gas son las siguientes:

Entrada de aire: corrosión, incendio de filtros, rotura de filtros, bloqueo de
filtros.

Compresor: suciedad, congelamiento de agua, daños provocados por la
entrada de un objeto extraño, fracturas en los álabes, deformaciones en el eje.

Cámara de combustión: temperatura excesiva, pulsación de flama,
apagado de la flama, fallos en los sensores de detección de llama.

Turbina de expansión: rotura de alabes, perdida de material cerámico
(Fenercom, 2010).
39
Entre el tipo de mantenimiento a realizar a las turbinas de gas se encuentra:

Verificar que las vibraciones no sean excesivas.

Inspeccionar el desgaste de las piezas.

Revisar el turbocompresor.

Revisión y limpieza de la cámara de combustión.

Limpieza de los componentes internos.

Revisión de la calidad del aceite lubricante.

Limpieza en los filtros de entrada de aire.

Revisión de tensión en los tableros de control (Fenercom, 2010).
Una vez que, se conoció la parte técnica de cada turbina, fue momento de ir a
recorrer el proceso productivo de Nutryplus, para elegir en qué parte o sector de
la empresa se podría aprovechar la cogeneración.
En la planta, se cuenta con una caldera a base de gas natural que provee de
agua caliente a los diferentes sectores, en donde está instalada alguna tarja,
sanitario e incluso las regaderas para uso general. Se propuso instalar una
turbina de vapor en este equipo, a fin de que cada vez que se realizara una purga
para la liberación de la presión de vapor este se direccionara hasta la ubicación
de la turbina. El principal inconveniente fue que la purga de la caldera no se
realiza continuamente como para cubrir la necesidad energética en la planta; por
40
tal motivo la compra del equipo así como sus materiales e instalación no fue
rentable para el objetivo del proyecto.
Como la turbina de vapor no fue conveniente para el desarrollo del proyecto, se
inició con la propuesta de la adaptación de una turbina de gas en la planta,
obteniendo resultados favorables para la instalación:

Se cuenta con una toma de gas natural que es utilizada para cubrir la
demanda de este combustible en los equipos que operan diariamente dentro de
la empresa, esto facilitaría para proveer de combustible al sistema y en
comparación con la turbina de vapor el funcionamiento de la turbina de gas sería
continuo, cumpliendo con el abastecimiento de energía eléctrica de calidad a la
empresa.

Los equipos de secado necesitan aire caliente para la solidificación de la
materia prima que entra en estado acuoso. En caso de ser instalada la turbina de
gas se aprovecharía la energía térmica que esta desprende en forma de aire
caliente para ser direccionada hacia los equipos de secado, alcanzando así la
reducción del consumo energético de gas natural en dichos equipos.

El uso de gas natural como combustible de la turbina, es ideal para cumplir
con la política de calidad de la empresa; ya que este es uno de los recursos
energéticos naturales no renovables que por su composición natural es el
hidrocarburo que en comparación con los demás tiene un porcentaje más bajo
41
de emisiones a la atmósfera, de la misma manera el precio en este combustible
lo hace accesible como un insumo, véase la siguiente gráfica
COSTO POR MOLECULA EN REGION CENTRO
83.22
90
80
70
62.17
57.63
67.62
62.33
60.66
68.27
52.89
60
50
69.02
64.2
60
74.29
71.22
59.83
60.14
64.90
40
30
20
10
0
FUENTE: (PEMEX, 2014).
Grafica 2. “Histórico del costo por molécula de gas natural en zona centro del país”.
Por las estadísticas y las situaciones actuales de la empresa, se decidió que el
sistema más viable a implementar era la cogeneración con una turbina de gas.
c)
Instalación de equipo y puesta en marcha
Una vez que se tuvo definido el sistema renovable a instalar, se procedió a
averiguar qué empresas se dedicaban a la venta e instalación de microturbinas
a base de gas. Encontrando así a DTC ECOENERGIA CAPSTONE, a quien se
le contactó para la cotización e instalación de las turbinas.
42
DTC envió el catálogo con especificaciones técnicas de cada una de las turbinas
que ellos ofrecen, de la misma manera se le otorgó la información requerida para
que pudieran hacer los cálculos pertinentes de la demanda de consumo de
energía de Nutryplus. Finalmente, ofertaron una cotización y propuesta de
instalación de las turbinas requeridas. En el anexo C, se pueden apreciar las
turbinas.
Se hizo el plano isométrico en AutoCAD con la distribución de los ductos, desde
el lugar destinado para la turbina hasta la entrada del aire de los tres equipos de
secado. Con base en este plano, se realizó el listado de materiales a utilizar para
la instalación (codos, uniones, tramos de ductos en metros, etc.).
En el anexo D véase el plano isométrico, que fue enviado a DTC para apoyar el
desarrollo de la propuesta.
Se tuvo que buscar una adaptación para la entrada del aire a dos equipos de
secado tipo SPRAY; ya que en estos, la entrada de aire a temperatura ambiente
se encuentra en una pequeña recámara que está a nivel del techo de la nave
industrial, donde está instalado el quemador (como se puede observar en la figura
2). Lo que provocaría la obstrucción del paso de personal de mantenimiento una
vez que estén instalados los ductos del aire caliente hacia el quemador; por tal
motivo se tuvo que proponer una modificación en el diagrama para la entrada de
aire proveniente de la turbina en los equipos de secado tipo SPRAY, diseñando
43
una pequeña entrada de aire a un costado del quemador para que la temperatura
de la recámara se controle y éste siga siendo un acceso viable al personal (Véase
figura 3).
Fig. 2 “Ubicación de la entrada de aire a temperatura ambiente de los secadores tipo SPRAY”
Fig. 3 “Propuesta para la entrada de aire hacia la parrilla del secador”
44
XI.
Resultados Obtenidos
Las cotizaciones de DTC fueron recibidas y evaluadas por el Ing. Raúl Daniel
Martínez Villagrán, gerente de producción de la empresa. Las microturbinas
propuestas, fueron de dos tipos:
Microturbina C200
Se necesitaría una microturbina.
Opera con gas natural, gas amargo, HD-5 propano y biogás (relleno sanitario,
biodigestor), combustibles líquidos como diésel, biodiesel y keroseno
Dimensiones: 1.7 x 3.7 x 2.5 metros.
Microturbinas C65
Se necesitarían tres microturbinas.
Opera con gas natural, gas amargo, HD-5 propano y biogás (relleno sanitario,
biodigestor), combustibles líquidos como diésel, biodiesel y keroseno
Dimensiones: 0.76 x 2.0 x 2.1 metros.
Las diferencias que existen entre estos dos equipos son los mostrados en la tabla
No. 1, como; costos de instalación, capacidad de producción eléctrica, consumo
de combustible, retorno de inversión, etc.
45
Tabla No. 1
“Parámetros de las propuestas emitidas por DTC”
FUENTE: (DTC, 2014).
Microturbinas para Nutryplus
Rubros
Equipos
C65
C200
145
154
1.7788
1.6401
6.69
6.69
0.0820
0.0715
26%
36%
Energía térmica disponible
(MMBTU/Hora)
1.0549
0.8412
Energía térmica utilizada
(MMBTU/Hora)
0.9600
0.6960
Ahorro eléctrico-térmico
48%
50%
Flujo de Aire Caliente ( Kg/seg)
1.47
1.30
Ahorro Anual por energía térmica
(USD)
59,359
43,035
Ahorro Anual Total (USD)
96,639
96,777
Costo de Instalación (USD/Kw)
2,336
2,297
352,723
338,855
2.55
2.65
Energía eléctrica promedio anual
entregada (KW/hora)
Flujo de gas Natural promedio anual
requerido (MMBTU/hora)
Precio del gas Natural promedio anual
(USD/MMBTU)
Precio de kWh promedio Anual con
Microturbina (USD/KW)
Ahorro eléctrico
Inversión (USD)
ROI
46
Debido a que los niveles de generación de calor, retorno de inversión y consumo
de combustible son más rentables con el sistema de microturbinas C35, ésta fue
la propuesta elegida.
Los beneficios que se verán reflejados para la compañía serán:

La inversión en el proyecto de las microturbinas C65, tendrá un ahorro del
6.9% en comparación con el costo en la instalación de la turbina C200.

El ahorro en la factura de gas natural y energía eléctrica, disminuirá hasta
un 46% anualmente.

El retorno de la inversión del proyecto con las 3 microturbinas C65 será en
2.51 años.

El porcentaje en la factura de energía eléctrica que el proyecto cubrirá
anualmente será del 80%.

El consumo de gas natural requerido por los equipos será de
$1,449,668.00/año.

El aprovechamiento de la energía térmica que será suministrada a los
equipos de secado tendrá un valor de $808,574/año.

El costo en la producción de energía eléctrica con la microturbina será de
$1.23 pesos.
47

No existirán tiempos muertos en la generación de energía eléctrica, ya que
cuando exista la necesidad de realizar mantenimiento a alguno de estos equipos,
los restantes podrán seguir operando sin ningún problema.
Cabe mencionar que el proceso de compra está pendiente por la autorización del
gerente general.
48
XII.
Conclusiones y Recomendaciones
XII.I. Conclusiones
Hoy en día la industria, el comercio e incluso el hogar siguen dependientes de
los combustibles fósiles para hacer las actividades cotidianas. Sin embargo, el
ser humano aún no está consciente del daño ambiental y social que se está
generando al hacer uso de ese tipo de combustibles.
Una solución ideal para esta problemática, es depender de las energías
alternativas. En el caso de la cogeneración, es una tecnología muy favorable en
la industria; ya que en toda empresa se requiere del calor, el cual puede ser
utilizando para tener procesos productivos más eficientes y así lograr una
sustentabilidad económico-medioambiental al aprovechar el recurso no
renovable.
Actualmente la mentalidad de muchas personas, es que este tipo de sistema es
un conflicto medioambiental por los gases de escape y el consumo del
combustible con el cual operan las turbinas. Sin embargo, la falta de
conocimientos hace que estén en un error; ya que enfocándonos a la
49
cogeneración, este sistema es el más viable para comenzar a concientizar a la
sociedad acerca del buen uso y consumo de la energía alterna.
Al haber elegido la propuesta de tres microturbinas C65, se pudo cumplir con el
alcance del proyecto que fue “proponer un sistema de energías renovables que
se adapte a las necesidades eléctricas de la empresa”. Siendo así, un proyecto
con ganancias ambientales, sociales y monetarias.
50
XII.II. Recomendaciones
Las recomendaciones sobresalientes de este trabajo, son muy generales en
torno al monitoreo de algún sistema de cogeneración y la utilización de fuentes
de energías alternativas:

Cuidar el mantenimiento de la turbina; ya que cualquier fallo o descenso
en la generación de energía eléctrica podría llevar a un alza en la factura del
consumo por Comisión Federal de Electricidad.

Monitorear los costos del combustible primario (Gas natural) y compararlos
con el costo en la generación de energía eléctrica; con esto darse cuenta si existe
algún cambio en los rubros requeridos del retorno de inversión.

Considerar informarse acerca de los avances en las nuevas tecnologías
en sistemas de cogeneración; debido a que esto puede ser una mejora en el
sistema ya instalado y de esta manera tener un mayor aprovechamiento de
energía.

Analizar procesos que puedan ser adaptables a implementar algún tipo
de sistema renovable; porque de esta manera se puede comenzar a practicar la
sustentabilidad y así alcanzar un equilibrio medio ambiental.
51
XIII. Anexos
Anexo A
Plan de actividades
52
Actividades
SEMANAS
1
Investigación
Cotización
Elección de
empresa
Firmas de
contrato
Revisión de
obra en
campo
Obra civil
Instalación
eléctrica
Instalación
térmica
Arribo de
Microturbina
Trámites ante
la CRE/CFE
Instalación y
protecciones
ante CFE
Prueba de
microturbina y
programación
Puesta en
marcha
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Anexo B
Layout de la empresa Nutryplus
Anexo C
Catálogo de turbinas
Anexo D
Plano isométrico de distribución
de ductos hacia los equipos de secado
XIV. Bibliografía

Clifford, F. Erik W. (2008) Administración de proyectos. Estados Unidos:
Mc Graw Hill.

Fenercom. (2010) Guía de la cogeneración. Madrid: La suma de todos
Madrid.

Lista de precios al público. Recuperado el 15 de agosto de 2014,
http://www.gas.pemex.com.mx/PGPB/Productos+y+servicios/Gas+natural/Preci
os/

Manual de calidad 2014. Nutryplus SAPI de C.V.

Mario V. (2003) Cogeneración. Madrid: Fundación Confemetal.

Misión.
Recuperado
el
27
de
junio
de
2014,
http://www.nutryplus.com/es/nosotros.htm

Nebojša N. Arnulf G. Alan M. (1998) Global Energy Perspectives.
Cambridge: University of Cambridge.

SENER. (2013) Estrategia Nacional de Energía. ENE 2013-2027. 1 (1). P.
2-5

SENER. (Noviembre 2012) INICIATIVA PARA EL DESARROLLO DE LAS
ENERGÍAS RENOVABLES EN MÉXICO. Cogeneración eficiente. 1 (1). P. 2-15

Xavier C. (2012) LA RECUPERACIÓN DE LA ENERGÍA: cogeneración,
intercambiadores y regeneradores de calor. Madrid: Díaz de Santos.