Herramientas de eficiencia energética en equipos de generación térmica

Transcripción

1 JORNADA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA INDUSTRIA Y EN EL SECTOR SERVICIOS CENTRO DE TECNOLOGÍAS LIMPIAS DE LA COMUNITAT VALENCIANA (CTL) Herramientas de eficiencia energética en equipos de generación térmica Junio 2009 Castillo Departamento de Física Aplicada Universidad Politécnica de Valencia (UPV)

2 Guía de la ponencia 1.- Factores de ahorro y eficiencia en calderas y hornos industriales 2.- Uso de energías renovables Solar térmica Biomasa 3.- Cogeneración 3.1- Cogeneración de potencia 3.2- Microcogeneración

3 1.- Factores de ahorro y eficiencia en calderas y hornos industriales

4 Dada la gran heterogeneidad en la tipología de los equipos, sobre todo en el caso de hornos (de llama), se abordan aquí cuestiones comunes concernientes a la eficiencia y ahorro energético en equipos de generación térmica. Utilizar aislantes adecuados (en equipos y tubería) y mantenerlos en buen estado. Pérdidas de calor en las paredes imposibles de eliminar completamente debido a las altas temperaturas. Con buenos aislamientos, se pueden reducir al 2-5 %

5 * Utilizar la temperatura adecuada para cada proceso. * Garantizar buena estanqueidad del horno, para evitar entradas de aire incontroladas. * Evitar al máximo el número de arranques y paradas de los equipos porque disminuye el rendimiento de los mismos. - Siempre que sea posible debe pasarse del trabajo discontinuo al continuo. - Dos quemadores (calderas) diferentes: permiten controlar la potencia en escalones. - Debe trabajarse siempre que sea posible a plena capacidad de carga (nominal) del equipo. η Íns = tan táneo Calor Calor absorbido por fluido aportado a la caldera (PCI * unidades de *100 comb) η Estacional = ηins tan táneo Tiempo de disposición Consumo real quemador 1+ ( 1) + ( Tiempo de funcionamiento quemador Consumo nominal quemador 1) *100 En arranques y puesta a régimen hay grandes pérdidas en los humos Cuando hay disposición de servicio hay pérdidas en la envolvente

6 * Optimizar la combustión mediante análisis automático de gases y temperaturas de humos y control automático de los parámetros de la misma. El aire teórico necesario para una combustión completa no es suficiente en la práctica. Para conseguir una combustión completa de forma óptima, debe suministrarse más aire que el teóricamente necesario al generador de calor. La relación entre la cantidad de aire y el teóricamente necesario se llama exceso de aire λ (lambda). Lo que se pretende alcanzar es la máxima eficiencia con el menor exceso de aire posible. Esto se consigue cuando las proporciones de inquemados y las pérdidas por chimenea son mínimas.

7 Exceso de aire λ Se determina a partir de la concentración de CO, CO2 y O2 en los gases de combustión. Existe un diagrama específico para cada combustible y un valor específico de CO2 max. CO2 máx para distintos combustibles: - Gasoil EL 15,4% vol. - Gas natural 11,8% vol. - Carbón 18,5% vol. Instalar los necesarios medidores de combustible, termómetros, manómetros para establecer un control diario de los parámetros de operación.

8 Control del tiro en las chimeneas Un tiro excesivo provoca una elevada velocidad y los gases salen muy calientes Si es pequeño ocasiona dificultades en la combustión Las chimeneas: Han de estar térmicamente aisladas, para que los gases no se enfríen y se pierda tiro, evitando condensaciones y T de contacto elevadas. Han de ser estancas para evitar que entren en presión. La sección de la chimenea debe ser constante en todo el recorrido, siendo las superficies interiores lisas El calor residual que se evacua con los humos, del 5 al 15% representa las pérdidas más importantes; aunque también son importantes las de las envolventes.

9 * Uso cuando sea posible de Calderas de Condensación Poder calorífico superior (PCS) = Calor de combustión (PCI) + calor de vaporización del H2O (calor latente). Las calderas de condensación utilizan el calor de evaporación además del calor de combustión por medio de un segundo intercambiador de calor. El vapor de agua de los gases de combustión condensa, liberando un calor adicional (calor latente). Las temperaturas del gas de combustión en las calderas de condensación son menores que los valores habituales para las calderas convencionales. La temperatura por debajo de la cual condensa la humedad del gas de combustión se denomina temperatura de condensación o punto de rocío.

10 Sección de una caldera de condensación

11 Tipos de calderas por T de retorno Estandar: No soportan condensación, Tª ret > 70ºC Baja Tª: Soportan Tª agua retorno de 35 o 40ºC Condensación: La soportan de manera permanente Dado que en la combustión de gasoil se produce dióxido de azufre (SO2), que se convierte en parte en ácido sulfúrico en el condensado, la tecnología de condensación se utiliza principalmente para gas. En las calderas de condensación, debido al condensado que se forma, el sistema de escape no ha de ser sensible a la humedad y debe ser resistente a los ácidos.

12 Usar los gases de combustión antes de abandonar el horno, en economizadores o cambiadores para precalentar el aire que va a ser usado en los quemadores. Disponer de cambiadores en la superior de la zona de convección un serpentín usando los gases de combustión para calentar: - Otros fluidos (No el principal del proceso) - El aire de combustión Instalar calderas de recuperación del calor para precalentar: - La carga (agua, aceite térmico, ) - El aire de combustión En general: Utilizar combustibles precalentados, y si es posible, aire precalentado.

13 * Programar mantenimiento preventivo para control de los factores de funcionamiento y alargar la vida útil de las instalaciones térmicas.

14 2.- Uso de energías renovables Solar térmica

15 Instalaciones Energía solar térmica Energía Solar térmica Herramientas de eficiencia energética en equipos de generación térmica Aplicaciones de baja temperatura (hasta 100 ºC) Hasta 40 ºC (colectores planos de bajo coste) *Calentamiento de agua de piscinas Entre ºC (colectores planos de alto rendimiento o de vacío) * ACS * Calefacción a baja temperatura (suelo radiante) * Agua procesos industriales (caldeo) Entre ºC (colectores de vacío o captadores de concentración) * Calefacción (radiación-convección) * Agua procesos industriales de media temperatura * Refrigeración solar Media temperatura ( ºC) Colectores de concentración * Refrigeración solar * Procesos industriales de alta temperatura Alta Temperatura ( 400 ºC < T). Colectores especiales y Centrales termosolares

16 Captador plano (Baja T)

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20 Captador solar de tubos de vacío

21 Energía Solar Térmica en el Sector Hotelero Herramientas de eficiencia energética en equipos de generación térmica

22 Captador solar de concentración (Cilindro parabólico) (Media T)

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24 Esquema de instalación solar térmica para ACS de gran capacidad

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27 2.- Uso de energías renovables Biomasa

28 Biomasa. Material de naturaleza orgánica de tipo: Leñoso Herbáceo subproductos agroindustriales y que es susceptible de utilizarse como combustible con fines de obtención de energía. También debe incluirse al biogás obtenido a partir de fracciones orgánicas contenidas en muy diversos sustratos entre los que cabe destacar: residuos sólidos urbanos, aguas residuales y estiércoles. El interés general de todos los usos de la biomasa es la posible sustitución de combustibles fósiles (carbón, gas oil, gas natural) por alguno de los combustibles de biomasa. En el caso del gasoil de calefacción, los ahorros en combustible son del orden del 45% en uso doméstico y del 70% en aplicaciones industriales. Las instalaciones de biomasa tienen un sobrecoste de instalación que se recupera en un plazo medio de 2-3 años.

29 Biomasas: Astillas de leñosa y cáscara de almendra

30 Formatos mas frecuentes de biomasa: Pelles Astillas Briquetas

31 En origen, el precio (E/Kg) del combustible son aprox los siguientes: Hueso de Aceituna Desde 0,08 hasta 0,11 depende del grado de humedad del propio hueso. Cáscara de almendra Desde 0,06 hasta 0,09 Astillas de restos de poda Desde 0,03 hasta 0,05 Pellets desde 0,14 hasta 0,16

32 Usos de la biomasa Biomasa Térmica (calor) De pequeña potencia en - Servicios - Industria De gran potencia Industria District Heating and Cooling Cogeneración de pequeña potencia y microcogeneración. Con Biogas Con Syngas * La generación directa mediante caldera de vapor es menos eficiente que las que utilizan una etapa previa de gasificación.

33 District Heating and Cooling

34 Biomasa en la Industria Puede abarcar todos los usos térmicos comunes: Preparación y suministro de agua caliente sanitaria (ACS) o de proceso, aceite térmico y vapor). Secaderos y hornos industriales. La biomasa tiene aplicación en la mayor parte de los sectores productivos. A destacar el sector alimentario. Las calderas de calidad son policombustibles. Los combustibles más empleados son la astilla de madera, la cáscara de almendra y el hueso de aceituna. Esto permite más opciones de compra en función de la disponibilidad y precio de los mimos en cada caso.

35 Caldera de biomasa de gran potencia

36 Biomasa en el sector Servicios Encuentra su principal aplicación en: Preparación y suministro de agua caliente sanitaria (ACS), Calefacción de locales y calentamiento de agua de piscinas. También pueden implementarse aplicaciones de aire acondicionado. Como potenciales usuarios cabe destacar: Establecimientos hosteleros (hoteles, residencias, hostales y residencias de turismo rural), Centros sanitarios y residencias de la tercera edad, instalaciones lúdico deportivas (polideportivos, piscinas climatizadas de uso público, balnearios, gimnasios) deportivas Para potencias pequeñas se utiliza el pellet de madera con calderas en la gama doméstica y para las grandes potencias se utilizan calderas policombustibles al igual que las aplicaciones industriales.

37 Caldera de biomasa policombustible de 500 Kw

38 Sección de caldera de biomasa policombustible de 500 Kw

39 Caldera dotada de quemador de biomasa de 600 Kw.

40 Silo de biomasa. Alimentación mediante sinfín y ballestas.

41 Silo de biomasa. Alimentación mediante sinfín y ballestas.

42 Silo de biomasa. Alimentación mediante sinfín y ballestas.

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44 Producción Eléctrica en Régimen Especial mediante cogeneración Las instalaciones de cogeneración producen de forma simultánea calor y energía eléctrica. Si un determinado proceso industrial o instalación en el sector servicios es capaz de aprovechar la energía térmica generada, la producción eléctrica puede inyectarse a la red y obtener por ello un beneficio económico, todo ello en las condiciones que recoge el RD 661/2007 En estas instalaciones se utilizan turbinas en el caso de grandes potencias con combustibles de biomasa de muy diversa naturaleza y biogas en microturbinas y motores de combustión interna en el caso de pequeña potencia. Como aplicaciones consolidadas en cuanto a su rentabilidad cabe citar: Hoteles, residencias de ancianos, hospitales, industrias con necesidades térmicas regulares. EDAR, plantas de RSU, grandes explotaciones ganaderas.

45 3.- Cogeneración 3.1- Cogeneración de potencia

46 COGENERACIÓN Producción simultánea de: * Electricidad (o energía mecánica) * Calor útil. La energía eléctrica producida puede ser para autoconsumo o venderse de acuerdo al REAL DECRETO 661/2007, por el que se regula la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial.

47 Generación Convencional Cogeneración

48 Cogeneración con turbina de gas Estos sistemas producen energía eléctrica mediante un grupo turbogenerador de gas, de modo que los gases de escape (alrededor de los 500 C) pueden ser empleados para generar vapor o agua caliente. Los gases de escape tienen un alto porcentaje de oxígeno, que permite utilizarlos como comburente en un quemador adicional incorporado en una caldera de recuperación de calor y por tanto un incremento de producción de energía térmica. Ventajas de la cogeneración con turbina de gas: La energía producida, es superior a la que se produce en un motor. Son equipos muy seguros, con pocas averías y bajo mantenimiento, con una larga experiencia acumulada en el sector industrial y aeronáutico. Fácil recuperación del calor por la elevada temperatura de los efluentes gaseosos. Los equipos son compactos y requieren una disponibilidad de espacio pequeña. El calor (gases directos o con aire caliente pueden utilizarse en ciclos de secado o en producción de frío industrial (máquinas de absorción de amoniaco) o de climatización máquinas de absorción de BrLi o de adsorción).

49 Ciclo simple. Turbina de gas

50 Cogeneración con motor alternativo de gas Estos sistemas utilizan motores alternativos de combustión interna, generalmente de ciclo OTTO de gas natural. El nivel de temperatura que es posible recuperar del calor residual de los motores los hace particularmente indicados para su aplicación en sistemas de climatización de locales en el sector servicios. Se recuperan: Agua para calefacción: procedente del circuito de refrigeración del motor donde el agua puede alcanzar los C. Vapor: generado directamente por el aprovechamiento de los gases de escape (Aprox. 175 ºC) del motor. Agua sobrecalentada o vapor a baja presión, si se combinan los anteriores. Los motores de cogeneración con gas cubren una gama de potencias unitarias entre 75 y 7,500 kw y tienen unas claras ventajas económicas de instalación y explotación frente a las turbinas en potencias de hasta 3,000 kw. No requieren suministro de gas a alta presión. Pueden funcionar con suministro de gas natural a baja presión: de 500 mm. c.a., si son motores de aspiración natural; de 1.5 bares relativos si son sobrealimentados. Previstas para un funcionamiento continuado a su potencia nominal durante 8,000 horas al año.

51 Ciclo simple. Motor alternativo Gas Gas : Natural, Biogas o Gas de Sintesis (Syngas) Gas oil prohibitivo

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54 Ciclo combinado. Turbina de gas + turbina de vapor

55 Ciclo simple Con turbina de vapor a contrapresión

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57 3.- Cogeneración 3.2- Microcogeneración

58 Microcogeneración a gas con motor alternativo.

59 Microcogeneración Consideramos micro-cogeneración las centrales que producen electricidad y calor con potencias eléctricas entre 30 y 300 kw.

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61 Los módulos de cogeneración con potencias eléctricas comprendidas entre kwe y potencias térmicas entre kwt que utilizan los motores de combustión interna (alternativos).

62 Microcogeneración a gas micro turbinas

63 Cogeneración con microturbinas El modo de funcionamiento de la microturbina no difiere mucho del de una turbina convencional. Quizá la más notable diferencia es en la transformación de energía mecánica a eléctrica. En este caso no existe una transmisión mecánica (reductor) que haga funcionar el alternador a 50 Hz sino que funciona a 1600 Hz y la conversión es por electrónica de potencia (AC DC AC). El rango de funcionamiento de la turbina es entre y rpm. En todo este rango, la frecuencia se mantiene a la salida a 50 Hz gracias a unos tiristores. Es como si la turbina estuviera permanentemente sincronizada con la red. Las microturbinas dan todo el calor residual en forma de gases de escape por lo que el aprovechamiento es más simple que en motores donde tenemos parte del calor en agua y parte en gases. Los gases a más de 300 ºC permiten también soluciones de frío por absorción.

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67 Instalaciones Energía solar térmica GRACIAS POR SU ATENCION FRANCISCO GALVANY CASTILLO ETSICCP - UPV D. Física Aplicada fgalvany@fis.upv.es

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