Cogeneración / ciclos combinados. Biogás Material de preparación. Cogeneración (C.H.P.) Selección, Instalación y Operación

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1 Cogeneración / ciclos combinados 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 1

2 Cogeneración / ciclos combinados 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 horas de horas de servicio por año, o 2

3 aproximadamente 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) Turbina de gas Motor a gas 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 Motor a diesel vegetal Turbina a vapor o motor a vapor Gas natural, biogas Turbina ORC Madera, geotermia Pila de combustible Reforma a Hidrógeno o gas natural

4 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 kw el hasta 4000 kw el. 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 MW el 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. 4

5 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 kw el hasta el entorno de los 250 kw el. 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. 5

6 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 kw el 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 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) 6

7 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 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. 7

8 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 Aclarar en el planeamiento preliminar Abastecimiento de material combustible Espacio necesario Protección contra el ruido Protección contra la vibración Ventilación Retroceso del gas residual y emisiones Conexión eléctrica y regulación de instalar un cogenerador (KWK, CHP) en caso de querer cambiar una instalación de calefacción. Si se considerara conveniente la instalación del cogenerador (KWK, CHP), se deberá realizar un estudio completo de factibilidad. En este caso deberá llamarse a expertos en cogeneradores (KWK, CHP) para realizar una evaluación competente y detallada de la factibilidad. Previo a la puesta en funcionamiento del cogenerador, deberán tomarse Conexión de calefacción y regulación medidas simples tendientes al ahorro de energía. La necesidad de calor y corriente del objeto debe ser cuidadosamente registrada para evitar un dimensionamiento erróneo. 8

9 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. 9