1. DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN

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1 1. DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN En este apartado se explica la configuración y funcionamiento del sistema. La planta de cogeneración se encuentra aún en fase de estudio, y consta principalmente de un gasificador de biomasa del que se obtiene un gas combustible con bajo poder calorífico, y de un sistema de generación eléctrica con un motor alternativo. El análisis realizado en este proyecto pretende estudiar la posibilidad de inclusión de tres máquinas de absorción para aprovechar las diferentes corrientes térmicas que se derivan del proceso principal de gasificación y generación eléctrica. En la carpeta de diagramas está representado un diagrama de bloques descriptivo (diagrama 1) donde se muestran los límites escogidos para el estudio del sistema junto con las interacciones principales entre los componentes y de los componentes con el exterior a través de los límites del sistema. A continuación aparecen las principales características de operación de la instalación: - Horas de funcionamiento: 7800 h/año - Alimentación de biomasa: 700 kg/h (5040 t/año) - Potencia de entrada gasificador: kw - Rendimiento gasificador: 80% (a gas caliente) - Generación de cenizas: 20 kg/h - Generación eléctrica: 700 kwe - Potencia máxima absorción: 1726 kwt En los subapartados posteriores al diagrama descriptivo se explican las características técnicas y de funcionamiento de cada uno de los equipos que componen la instalación. 1.1 SISTEMA DE GASIFICACIÓN DE BIOMASA 1 Análisis Termoeconómico de una Planta de Cogeneración con Biomasa 11

2 1.1.1 Generalidades sobre la gasificación de biomasa Existen diferentes procesos o métodos de transformación de la biomasa en energía aprovechable. Los principales se muestran en el diagrama que aparece a continuación. BIOMASA VEGETAL O ANIMAL PROCESOS FÍSICOS PROCESOS BIOQUÍMICOS PROCESOS TERMOQUÍMICOS ACEITES VEGETALES DIGESTIÓN ANAEROBIA FERMENTACIÓN COMBUSTIÓN CALOR VAPOR GASIFICACIÓN GAS DE POBRE O DE SÍNTESIS PIRÓLISIS CARBÓN VEGETAL GAS POBRE GAS RICO A continuación se describen brevemente los diferentes procesos. 1) Toda la información de este apartado ha sido recopilada de las referencias [1] y [2] del capítulo 1. DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN 1. Procesos Físicos Análisis Termoeconómico de una Planta de Cogeneración con Biomasa 12

3 Actúan físicamente sobre la biomasa y están asociados a las fases primarias de transformación, dentro de lo que puede llamarse fase acondicionamiento, como triturado astillado, compactado e incluso secado. 2. Procesos Bioquímicos Son llevados a cabo por la acción directa de microorganismos o de sus enzimas, generalmente llamado fermentación. Son procesos relacionados con la producción de ácidos orgánicos, alcoholes, cetonas y polímeros. 3. Procesos Termoquímicos Están basados en la transformación química de la biomasa, al someterla a altas temperaturas (300 C C). Cuando se calienta la biomasa se produce un proceso de secado y evaporación de sus componentes volátiles, seguido de reacciones de craqueo o descomposición de sus moléculas, seguidas por reacciones en la que los productos resultantes de la primera fase reaccionan entre sí y con los componentes de la atmósfera en la que tenga lugar la reacción, de esta forma se consiguen los productos finales. Según el control de las condiciones del proceso se consiguen productos finales diferentes, lo que da lugar a los tres procesos principales de la conversión termoquímica de la biomasa: Combustión: Se produce en una atmósfera oxidante, de aire u oxígeno, obteniendo cuando es completa, dióxido de carbono, agua y sales minerales (cenizas), y obteniendo calor en forma de gases calientes. Pirolisis: Es el proceso en la descomposición térmica de la biomasa en ausencia total de oxígeno. En procesos lentos y temperaturas de 300 C a 500 C el producto obtenido es carbón vegetal, mientras que en procesos rápidos (del orden de tiempo de segundos) y temperaturas entre 800 C a 1200 C se obtienen mezclas de compuestos orgánicos de aspectos aceitosos y de bajo ph, denominados aceites de pirólisis. Gasificación: Es una combustión incompleta de la biomasa a una temperatura de entre 600 C a 1500 C en una atmósfera pobre de oxígeno, en la que la cantidad disponible de este compuesto está por debajo del punto mínimo necesario para que se Análisis Termoeconómico de una Planta de Cogeneración con Biomasa 13

4 produzca la reacción de combustión. En este caso se obtiene principalmente un gas combustible formado por monóxido y dióxido de carbono, hidrógeno y metano. Por su parte el aprovechamiento energético de este gas pobre puede hacerse quemándolo inmediatamente en una cámara de combustión, o introduciéndolo en una turbina de gas o un motor de combustión interna. La elección de la aplicación se realiza en función de la calidad del gas en cuanto a partículas y alquitranes como figura en la tabla siguiente: Partículas Alquitranes Motores < 50 mg/m3 < 50 mg/m3 Turbina de gas < 20 mg/m3 < 10 mg/m3 El tipo de reactores que normalmente se utilizan para estos procesos son variados, y su elección depende de varios factores como pueden ser la granulometría del residuo, la humedad de este, o la limpieza del gas requerida. Las principales ventajas e inconvenientes de la gasificación son: Ventajas de la Gasificación - El gas producido es más versátil, y se puede usar para los mismos propósitos del gas natural. - Puede quemarse para producir calor y vapor, y con una máquina de vapor se puede generar energía mecánica y eléctrica. - Puede alimentar motores de combustión interna para la producción de energía mecánica y eléctrica. - Puede emplearse en turbinas de gas para generar electricidad. - Produce combustibles relativamente libres de impurezas y causa menores problemas de contaminación al quemarse. Inconvenientes de la Gasificación - Con todo, la operación de gasificación es complicada. - En principio, un gasificador simple y pequeño puede ser construido en talleres de metalmecánicos convencionales, pero se requiere experiencia y un Análisis Termoeconómico de una Planta de Cogeneración con Biomasa 14

5 prolongado periodo de ajuste para llevar el sistema a sus condiciones óptimas de operación. - Los sistemas deben estar perfectamente sellados para evitar fugas de gas con características tóxicas debidas al CO. - Se deben tener especiales cuidados para no producir explosiones durante la operación de estos equipos Sistema de Alimentación de biomasa El sistema de alimentación de biomasa tiene como objetivo principal garantizar la entrada al gasificador por su zona superior. Está compuesto principalmente por: - Silo de almacenamiento diario de 50 m 3 que es alimentado desde una unidad externa de almacenamiento. - Sistema de transporte asado en tornillos sin-fin y elevador de cangilones que conduce la biomasa desde el silo diario hasta el gasificador. Las características generales de la biomasa de entrada al equipo son: - Tipo: Lignocelulósico - Poder Calorífico medio: 3900 kcal/kg - Humedad máxima de la biomasa: 15% - Granulometría media: mayor de 2 mm y menor de 20 mm Sistema de gasificación de la biomasa Análisis Termoeconómico de una Planta de Cogeneración con Biomasa 15

6 Aunque en el diagrama descriptivo de la instalación el sistema de gasificación aparece como un solo bloque, el proceso de gasificación realmente es mucho más complejo. En el diagrama que se muestra justo debajo se pueden observar los diferentes módulos que lo componen. G A D S O I W F N I D C R A A D F O T R CICLÓN GENERADOR DE VAPOR BATERÍA DE SCRUBBERS PRECALENTADOR DE AIRE MOTOR ACONDICIONAMIENTO DE GAS Figura 1.2 Sistema de gasificación ANTORCHA El tipo de gasificador utilizado presenta las siguientes características: - Alto ratio de transformación gas / biomasa. - Bajo contenido en partículas y alquitranes en la corriente de gas para requerir una posterior limpieza más sencilla. - Tipo modular. - Gasificador tipo Etapado: pirolisis oxidación reducción Análisis Termoeconómico de una Planta de Cogeneración con Biomasa 16

7 Como se ha comentado anteriormente, la biomasa debe cumplir una serie de condiciones en cuanto a sus características. Estas limitaciones están marcadas por el gasificador para permitir tener unos rendimientos adecuados. El objetivo para este gas de síntesis generado ó biogás, es poder realizar un aprovechamiento del mismo, de manera que permita generar una energía eléctrica y al mismo tiempo, con el objetivo de mejorar los rendimientos de la instalación intentar aprovechar las energías térmicas disponibles en la planta. Principio de funcionamiento El gasificador es de tipo etapado caracterizándose por la alimentación en la zona superior del gasificador y por la entrada de aire, como agente gasificante, en la zona intermedia del mismo, siendo la salida de cenizas por la parte inferior y de gas también por la parte inferior. Las etapas del proceso de gasificación se diferencian en: - Etapa de secado y pirólisis: El combustible sólido se introduce en la parte superior de la primera etapa del gasificador. Como resultado de la transferencia de calor procedente de zonas inferiores se produce un secado de la madera. En torno a temperaturas superiores a 250 ºC, la biomasa empieza a pirolizarse. En esta etapa la biomasa se descompone en moléculas de tamaño medio y carbono durante el calentamiento. - Etapa de combustión: En esta etapa surgen las reacciones que hacen que la temperatura se eleve hasta ºC, y hace que se oxiden los productos procedentes de la zona de pirólisis. - Etapa de reducción: Los gases calientes procedentes de la etapa anterior de oxidación junto con el carbón vegetal resultante de la zona de pirólisis se desplazan en sentido descendente hacia la zona de reducción. En esta zona el calor sensible de los gases y el carbón se transforma en energía química del gas resultante. Análisis Termoeconómico de una Planta de Cogeneración con Biomasa 17

8 El gas así obtenido, debido a la configuración del gasificador en conjunto, sufre tal proceso térmico que, por su bajo contenido en alquitranes, es apropiado para su uso en motores de combustión tras un proceso de limpieza y acondicionamiento. Arquitectura del gasificador La estructura del gasificador es de tal forma que: En su conjunto, la sección es de tipo circular. La alimentación de biomasa se realiza en la zona superior. En este punto hay que destacar que la entrada de carga al gasificador es un punto clave para asegurar el correcto funcionamiento del sistema. La entrada de aire para la conversión de la biomasa se realiza en varios puntos intermedios del gasificador. La salida del gas obtenido se realiza por la zona inferior del gasificador, y posteriormente reconducido a los sistemas de limpieza. La salida de las cenizas se realiza por la zona inferior del gasificador. Al igual que lo mencionado en la alimentación de biomasa, también es importante disponer de un sistema de extracción de cenizas que sea regular y continuo, de forma que asegure las condiciones de residencia de la biomasa dentro del gasificador. La construcción del gasificador se realiza con dos revestimientos: Interno: Material refractario para mantener la distribución de temperaturas adecuada en el reactor Exterior: Chapa de acero como estructura resistente del gasificador. Características estimadas del gas A través del proceso de gasificación se obtiene el denominado gas pobre, cuyos parámetros estimados, pendientes de ser confirmado por la realización de las pruebas, son: Caudal de alimentación de biomasa: 700 kg/h Ratio de conversión: 2,2 Nm 3 /kg biomasa Análisis Termoeconómico de una Planta de Cogeneración con Biomasa 18

9 Caudal producido: Nm 3 /h Composición estimada del gas: Componente Proporción (%) Nitrógeno Monóxido de carbono Dióxido de carbono 9-15 Hidrógeno Metano 2-3 Tabla 1.1 Composición estimada del gas Nivel de impurezas: Bajo contenido en partículas y alquitranes Poder calorífico del gas: kcal/m3 El hecho de que el gas producido contenga una baja concentración de partículas y alquitranes, hace de este proceso de gasificación muy interesante de cara a su uso en motores de combustión interna. Extracción de cenizas Este sistema está formado por un sistema de transporte conformado por un tornillo sin-fin que evacua las cenizas generadas en el fondo del gasificador. Las cenizas son transportadas a un contenedor para su posterior manipulación Sistema de Limpieza y Acondicionamiento del gas A. Descripción del sistema de limpieza y acondicionamiento El empleo del gas procedente de la gasificación de la biomasa en motores de combustión interna supone cumplir con unos requerimientos de limpieza y de temperatura en el gas mucho más específicos para el correcto funcionamiento de los mismos. Según la experimentación realizada en el funcionamiento de motores se puede estimar que las concentraciones de partículas y alquitranes se deben situar en: Concentración límite Análisis Termoeconómico de una Planta de Cogeneración con Biomasa 19

10 Partículas Alquitranes < 50 mg/nm3 < 50 mg/nm3 Tabla 1.2 Concentraciones límite de partículas y alquitranes Con objeto de obtener una mayor eficiencia energética en el sistema de gasificación se podría plantear el aprovechamiento de la energía térmica disponible en la corriente de gas, dado que se debe reducir la temperatura del gas a unos niveles inferiores a los de salida del gasificador de manera que se puedan realizar las distintas fases de limpieza y acondicionamiento del mismo. Por lo tanto se podría plantear un intercambiador gas/aire o gas/fluido térmico. Con este equipo se consiguen dos objetivos: - Optimización del rendimiento energético de la instalación. - Reducción de la temperatura del gas a niveles más aceptables para posteriores tratamientos de limpieza. El sistema de limpieza y acondicionamiento del gas está compuesto por tres módulos: una primera de limpieza semi-seca, una segunda de limpieza húmeda y una tercera de acondicionamiento. La unidad de limpieza semi-seca tiene como objetivo la eliminación de las partículas que lleve la corriente de gas. La unidad de limpieza húmeda tiene como objetivo realizar un mayor afine en la limpieza y eliminar los alquitranes. Su concepto está basado en una limpieza del gas mediante un scrubber o similares y una etapa posterior de afine de los contaminantes incluidos en la corriente de gas. En la etapa posterior a la fase de limpieza se realizará una etapa de acondicionamiento del gas, en la que se realizará la refrigeración y el acondicionamiento de la corriente. Se ajustará la temperatura del gas hasta niveles que sean aceptables al motor y se eliminará la humedad de la corriente de gas. Análisis Termoeconómico de una Planta de Cogeneración con Biomasa 20

11 Asimismo, para el correcto funcionamiento del sistema de limpieza es necesario el uso de equipos aerorrefrigerantes y de un sistema de extracción de condensados de la corriente del gas. B. Componentes 1. CICLÓN A la salida del gasificador se dispone de un primer sistema de limpieza consistente en un ciclón para la eliminación de las partículas más gruesas que arrastra la corriente de gas 2. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN Tras el primer proceso de limpieza, se procede a la refrigeración del gas hasta una temperatura adecuada que no afecte al resto de equipos. En principio, la refrigeración se realiza hasta los 150 ºC. De este sistema de refrigeración se obtiene una potencia térmica de 390 kwt que puede ser aplicada en diferentes usos térmicos que requiera el usuario de la instalación, que puede estar reflejada en dos posibles fluidos térmicos: - Vapor: 665 kg/h a 5 bar y 150 ºC (estimado) - Aceite térmico: kg/h desde 175 ºC hasta 300 ºC (estimado) 3. SISTEMA DE LIMPIEZA En esta fase denominada de limpieza se procede a la limpieza y refrigeración de la corriente de gas. Este sistema está formado por: - Primera fase de limpieza seca. Este sistema consiste principalmente en una unidad de lecho adsorbente y una unidad de filtraje que capture partículas del lecho. El sistema de lecho adsorbente captura las partículas más finas así como los alquitranes que arrastra la corriente de gas. Análisis Termoeconómico de una Planta de Cogeneración con Biomasa 21

12 - Segunda fase de limpieza húmeda. Este sistema consiste principalmente en un scrubber cuya función principal es refrigerar la corriente de gas hasta una temperatura aproximada de 50 ºC, y capturar las partículas que queden remanentes en la corriente de gas. - Tercera fase de acondicionamiento. Tras la etapa anterior de refrigeración, el gas sale saturado de humedad por lo que se implementa una fase de acondicionamiento consistente en la eliminación de la humedad, basado en un proceso de absorción y des-absorción. Asimismo, se ajusta la temperatura y presión del gas a las condiciones requeridas por el motor de combustión interna Unidad Combustora y Tratamiento de Efluentes A. Unidad Combustora La instalación de gasificación se complementa con una unidad combustora cuyas funciones son: Sobre todo, asegurar que, en determinadas fases, las emisiones a la atmósfera de la instalación sean medioambientalmente correctas. Regulación del caudal de gas según los requerimientos de la unidad de generación eléctrica. De esta manera se asegura que el sistema de gasificación trabaje a pleno rendimiento. La unidad combustora estaría formada por un equipo de combustión mixto de gas de síntesis con un aporte de gas natural, así como una soplante que acondicione la presión y la estabilidad de esta presión requerida a la entrada del combustor. El equipo de combustión dispondrá de una cámara de gas pobre para permitir quemar toda la corriente de gas de síntesis producido en el gasificador. El caudal de gas será de tal manera distribuido en el combustor de manera que se garantice su combustión completa. Durante la operación de gas pobre el quemador auxiliar estará en funcionamiento. Análisis Termoeconómico de una Planta de Cogeneración con Biomasa 22

13 B. Gestión de efluentes y subproductos Dentro del proceso descrito de la planta de gasificación existen diferentes tipos de subproductos y efluentes generados que habrá que tener en cuenta en el diseño de la misma. En principio y atendiendo a su naturaleza se pueden clasificar en: Subproductos - efluentes sólidos. Subproductos - efluentes líquidos Emisiones a la atmósfera. Cada uno de estos aspectos se desarrolla específicamente en los siguientes epígrafes. 1 Subproductos - Efluentes sólidos El principal subproducto sólido generado en el proceso serían las cenizas que se obtienen como subproducto final del proceso de gasificación y que serán extraídas bien del lecho del gasificador o bien de las partículas carbonosas filtradas en el sistema de limpieza. Principalmente esta fracción sólida estará compuesta de carbono fijo y cenizas. 2 Subproductos - Efluentes líquidos Los efluentes líquidos de la instalación de gasificación proceden de las etapas de limpieza y acondicionamiento así como la etapa de generación de energía eléctrica. A través del sistema de limpieza se producen aguas con componentes orgánicos en la fase húmeda de la limpieza del gas y se recogen condensados procedentes del proceso. Para una correcta función ecológica de la instalación de gasificación se desarrollará un sistema de tratamiento para estas emulsiones y los condensados, que se basará en realizar su tratamiento en el sistema combustor instalado en la instalación. El mismo tratamiento será aplicado para aquellos fangos que se generen en la instalación. Análisis Termoeconómico de una Planta de Cogeneración con Biomasa 23

14 3 Emisiones atmosféricas Las emisiones atmosféricas se generan como consecuencia del proceso de oxidación del gas generado en el proceso de gasificación. Estas reacciones se producen o bien en la unidad combustora o bien en el motor de combustión interna. Tanto en una u otra aplicación, los equipos desarrollados al efecto garantizan los limites de emisiones atmosféricas correspondientes. Análisis Termoeconómico de una Planta de Cogeneración con Biomasa 24

15 1.2 SISTEMA DE GENERACIÓN ELÉCTRICA CON MOTOR ALTERNATIVO El sistema motor-generador es una unidad conjunta formada por: - Conjunto motor-generador - Equipos auxiliares - Sistema de control y de potencia Generalidades de motores alternativos [3] Los motores alternativos, MCIA, son con diferencia los motores térmicos más utilizados para la transformación de energía química de un combustible en trabajo. En sus aplicaciones convencionales, el objetivo es producir el máximo trabajo con el rendimiento más alto posible. Los valores límite de potencia de los motores alternativos dependen del combustible utilizado. Para gas natural se obtienen valores entre 50 kw y 10 MW, entre 50 kw y 50 MW para diesel, y entre 2,5 MW y 50 MW para fuel-oil. La mayor ventaja del motor alternativo frente al resto de alternativas es su alto rendimiento eléctrico. Los adelantos obtenidos en los últimos años en la recuperación del calor residual que se genera en toda máquina térmica, ha permitido un uso cada vez más frecuente en aplicaciones de cogeneración. Las oportunidades en el mercado para aplicaciones de cogeneración son prácticamente ilimitadas. Hospitales, hoteles, edificios de oficina, centros comerciales e incluso instalaciones industriales ofrecen un excelente potencial para la aplicación de los motores alternativos en el ámbito de la cogeneración. Además de estas razones generales, existen ciertos factores concretos que favorecen el uso del motor alternativo en aplicaciones de este tipo: - La disponibilidad de motores de funcionamiento seguro y eficiente en una amplia gama de tamaños. - El perfeccionamiento de los reguladores de velocidad que aseguran la generación de electricidad a la frecuencia exacta. - La disponibilidad de combustibles de buena calidad y precio atractivo, como es el gas natural. Análisis Termoeconómico de una Planta de Cogeneración con Biomasa 25

16 - Un mayor conocimiento sobre cómo y donde utilizar este tipo de sistemas. Clasificación de los motores alternativos Los dos tipos principales de motores alternativos empleados en equipos de cogeneración son los motores Diesel y los motores Otto Los motores Otto son motores de encendido por chispa, es decir, es una descarga eléctrica entre dos electrodos la que provoca la ignición de la mezcla de aire y combustible. En aplicaciones de generación de potencia, el motor Otto puede ser un motor de gasolina o bien un motor diesel adaptado para tener un encendido por chispa. Los motores de gasolina pueden dar entre 20 kw y 1,5 MW, mientras que los motores diesel adaptados al encendido por chispa y funcionando con gas natural pueden dar entre 5 kw y 4 MW. Los motores Otto tienen velocidades de operación entre 750 y 3000 rpm y rendimiento eléctrico típico entre 25% y 35%. Estos motores pueden funcionar con diferentes combustibles como gasolina, gas natural y gas procedentes de procesos anaerobios y/o termoquímicos de residuos. Los motores Diesel son motores de encendido por compresión, es decir, el encendido de la mezcla se produce de forma espontánea cuando en algún punto de ella se alcanzan las condiciones adecuadas. Se pueden clasificar a su vez en dos tipos: motores de cuatro y de dos tiempos. El motor de dos tiempos se caracteriza porque la explosión tiene lugar una vez cada revolución. La velocidad característica de funcionamiento está por debajo de 200 rpm, su potencia está entre 1 MW y 50 MW, y el rendimiento eléctrico característico se encuentre entre 45% y 53%. En el motor de cuatro tiempos la explosión se produce una vez cada dos revoluciones. Este tipo de motor puede ser dividido también en otros dos tipos en función de la velocidad media de giro. Para motores con velocidades de giro entre 400 y 1000 rpm, las potencias obtenidas se encuentran entre 0,5 MW y 20 MW, y tienen rendimientos eléctricos entre 35% y 48%. Para motores de alta velocidad, aquellos que giran entre 1000 y 2000 rpm, se obtienen potencias de entre varios kw y 2 MW, con rendimientos eléctricos entre 35% y 40%. Los motores diesel pueden funcionar con una gran variedad de combustibles como gasoil, fueloil pesado o ligero, LPG, gas natural...en motores diesel convertidos a motores de gas, el combustible se enciende a partir de una pequeña cantidad de combustible piloto, generalmente gasoil. El combustible piloto es usado para garantizar la ignición dentro del cilindro. Análisis Termoeconómico de una Planta de Cogeneración con Biomasa 26

17 Principios Básicos de Funcionamiento Los motores alternativos son máquinas volumétricas, consistentes básicamente en un cilindro-émbolo en el que se introduce a través de unas válvulas o lumbreras el aire y el combustible. Una vez efectuada la combustión, los gases resultantes de la misma son expulsados al exterior a través de las válvulas de escape. Mediante las reacciones químicas de combustión se libera la energía química del combustible, y parte de esa energía es transformada en el efecto útil del motor, que en una aplicación convencional, es el trabajo que se transmite en el mecanismo biela-manivela. En el diagrama de la figura siguiente se puede ver el balance energético típico de un motor alternativo de combustión interna diesel accionado mediante combustible gas. RADIACIÓN COMBUSTIBLE 5% 100% MOTOR ALTERNATIVO ALTERNADOR 30-35% ACEITE AIRE HUMOS 5% <5% 20-25% AGUA 30-35% Figura 1.3 Flujos energéticos en un motor alternativo En un motor alternativo, aproximadamente el 30-35% de la energía que hay en el combustible es convertida en trabajo en el eje. La energía restante es eliminada en forma de calor o energía térmica de los gases de escape. La fuente más conveniente de calor es el agua de enfriamiento de las camisas, que es utilizable prácticamente en su totalidad. Análisis Termoeconómico de una Planta de Cogeneración con Biomasa 27

18 La segunda fuente de calor recuperable es la energía de los gases de escape, de la cual aproximadamente el 60% es económicamente recuperable. Hay una tercera fuente de calor recuperable, aunque ya de menor importancia, que es el calor del circuito de lubricación del motor. Como puede apreciarse, en un motor alternativo la relación de calor-electricidad, es decir, la relación entre el calor recuperable y la electricidad producida, ronda entre los valores 1,4 y 1,8. El mayor porcentaje del calor útil producido corresponde al circuito de refrigeración, un 35-40%, y en segundo lugar a los gases de escape, un 20-25%. La aportación de la recuperación del circuito de aceite es mucho menor, alrededor de un 5%. El calor recuperado puede utilizarse para diversos usos, tales como: calefacción industrial o de un edificio, secado, suministro de agua caliente para usos domésticos, en la refrigeración mediante frigoríficos de absorción e incluso, para la producción de vapor a baja presión Descripción técnica del motor alternativo [2] Motor a gas Guascor modelo FBLD 560 con regulación electrónica de velocidad para servicio continuo a r.p.m y de las siguientes características: Fabricante GUASCOR Modelo FBLD 560 Potencia mecánica (kw) 725 Potencia eléctrica instalada (kw) 700 Combustible Gas de síntesis Régimen (rpm) Ciclo Otto, 4 tiempos Nº de cilindros 16 Cilindrada (l) 56 Diámetro / carrera 160/175 Relación de compresión 9,3:1 Dimensiones aproximadas (a x l x h en m) 1368 x 3259 x 1738 Análisis Termoeconómico de una Planta de Cogeneración con Biomasa 28

19 Tabla 1.3 Características del motor alternativo Además incluye: o Sistema de arranque neumático o Sistema de alimentación de combustible o Sistema de lubricación o Sistema de aire de alimentación o Sistema de refrigeración o Sistema de evacuación de humos de escape o Equipo de montaje o Panel local de indicadores o Tuberías y conexiones entre puntos terminales En el funcionamiento de motor de combustión interna se dispone de varias fuentes térmicas disponibles para usos térmicos en la instalación que resultan en: - Humos de escape o Caudal: 4056 kg/h o Temperatura: 455 ºC o Potencia térmica hasta 120 ºC: 428 kwt - Agua de refrigeración primaria o Caudal: 70 m 3 /h (mínimo) o Temperatura: 90 ºC o Potencia térmica disponible: 620 kwt - Agua de refrigeración secundaria o Caudal: 30 m 3 /h (mínimo) o Temperatura: 55 ºC o Potencia térmica disponible: 175 kwt Análisis Termoeconómico de una Planta de Cogeneración con Biomasa 29

20 1.2.3 Descripción técnica del generador síncrono [2] Potencia eléctrica nominal (kva) Tensión de generación nominal (V) 660 Frecuencia (Hz) 50 Rendimiento con cos φ =1 (%) 96,2 Rendimiento con cos φ = 0,8 (%) 94,7 Protección Clase de aislamiento IP21 H Reactancia transitoria 0,248 Reactancia subtransitoria 0,147 Tabla 1.4 Características del generados síncrono El suministro incluye los siguientes elementos: - Acoplamiento elástico con carrete para unión de cárter volante - Bancada metálica - Suspensión elástica - Uniones flexibles en las diferentes conexiones del motor con el exterior - Sistema de gases de escape - Sistema de aceite - Sistema de combustible - Sistema de refrigeración - Pantalones de escape Sistema de control y potencia En el interior del cabinado van instalados: - Cuadro de Control y Maniobra - Cuadro de Potencia Análisis Termoeconómico de una Planta de Cogeneración con Biomasa 30

21 1.3 MÁQUINAS DE ABSORCIÓN La instalación dispone de tres máquinas de absorción, cada una de ellas con el objetivo de producir agua fría o caliente para climatización de viviendas a partir del aprovechamiento de diferentes corrientes térmicas: - Máquina de absorción con aprovechamiento de la energía contenida en el vapor proveniente del gasificador. - Máquina de absorción con aprovechamiento de los gases de escape del motor de cogeneración. - Máquina de absorción con aprovechamiento de la energía contenida en el agua de refrigeración de las camisas de los cilindros del motor Generalidades sobre el enfriamiento por absorción [4] El sistema de absorción se basa en la producción de frío mediante el aporte de calor, utilizando dos fluidos, uno refrigerante y otro secundario. El esquema del ciclo de absorción es muy similar al del ciclo por compresión mecánica, salvo en la forma de llevar el vapor de refrigerante de una baja presión a una más elevada. En el ciclo de absorción el compresor se sustituye por un circuito secundario en el que el líquido absorbente circula utilizando una bomba. El fluido de trabajo evaporado es absorbido por el fluido circulante y la presión se incrementa por medio de la bomba antes de entrar en el generador. Se le suministra una cantidad de calor Q GE en el generador para vaporizar a alta presión el fluido de trabajo requerido para alimentar el condensador. La energía mecánica requerida es pequeña en comparación con Q GE. En el siguiente diagrama se puede apreciar un sistema básico de absorción. GENERADOR SEPARADOR VAPOR ALTA PRESIÓN CONDENSADOR CALOR Q GE BOMBA DE SOLUCIÓN CALOR VÁVULA DE EXPANSIÓN ABSORBEDOR CALOR VAPOR BAJA PRESIÓN EVAPORADOR CALOR Análisis Termoeconómico de una Planta de Cogeneración con Biomasa 31

22 Figura 1.4 Esquema básico del ciclo de refrigeración mediante absorción Como se puede apreciar, la base del funcionamiento de los sistemas de absorción radica e el uso del calor para comprimir el fluido refrigerante. El refrigerante que sale del evaporador es introducido en el absorbedor, donde es mezclado con un fluido secundario (absorbente), para formar una solución líquida, dando lugar a una reacción exotérmica. El calor producido es evacuado para que el volumen de la mezcla sea lo más bajo posible, para que el trabajo de bombeo sea el menor posible. Esto se lo gra normalmente mediante un corriente de agua. En el generador se realiza una destilacin mediante el aporte externo de calor. Se busca separar la solucin concentrada en dos corriente, una de refrigerante y otra de absorbente. Esto es lo que ocurrira si el proceso de absorcin fuese ideal. En realidad, siempre circula algo de absorbente por el circuito de refrigeracin, e igualmente tambi n vuelve refrigerante hacia el absorbedor. La corriente obtenida de refrigerante a alta presin es conducida al condensador realizando el proceso bsico de refrigeracin. La corriente de absorbente que queda despus de la destilacin, mezcla pobre, es devuelta al absorbedor, donde se comienza de nuevo el ciclo Características de las máquinas utilizadas Son tres las mquinas utilizadas para el aprovechamiento de las corrientes t rmicas disponibles. En la tabla aparecen los parmetros caractersticos que determinan su funcionamiento. FUENTE TRMICA VAPOR 0,5 MPa AGUA 90 ºC HUMOS 450 ºC POTENCIA (kw) ACCIONAMIENT O 665 kg/h 70 m 3 /h 4056 kg/h CONSUMO ELECTRICO (kw) 5 2,5 2,5 CONSUMO MÁX DE AGUA (m 3 /h) Tabla 1.5 Características de las máquinas de absorción Análisis Termoeconómico de una Planta de Cogeneración con Biomasa 32

23 Análisis Termoeconómico de una Planta de Cogeneración con Biomasa 33