Optimización del funcionamiento de una planta de cogeneración para su inclusión en el mercado liberalizado de electricidad

Transcripción

1 Optmzacón del funconamento de una planta de cogeneracón para su nclusón en el mercado lberalzado de electrcdad J.Mª Maza Ortega 1, J. Jménez Calle 1, J.L. Martínez Ramos 1, Enrque Mora García 2 1 Departamento de Ingenería Eléctrca Unversdad de Sevlla Escuela Superor de Ingeneros, Camno de los Descubrmentos s/n, Sevlla (España) Tel.: , fax: , e-mal: jmmaza@us.es, justojmenezcalle@hotmal.com, jlmr@es.us.es 2 Lnasa Cogeneracón y Asocados, S.L. Polígono Industral San Jorge, C/ Mula, Km. 1,1, Las Torres de Cotllas, Murca (España) emora@lnasaenerga.com Abstracts. The am of ths paper s to llustrate the operaton of a real cogeneraton plant ncludng a complete descrpton of the thermal and electrcal demands. Once the plant s descrbed, the smulaton of a benchmark day s carred out takng nto account two Spansh regulatory scenaros: the Royal Decrees 2366/1994 and 436/2004. These smulatons show that s not convenent for the cogenerator to change to the new regulatory framework, Royal Decree 436/2004, tll the mandatory end of the old one, scheduled n Palabras clave. Gran consumdor, Cogeneracón, Contratacón de electrcdad, Auto-produccón. 1. Introduccón El presente artículo se basa en el estudo realzado en una planta de cogeneracón real, sendo el objetvo del msmo obtener conclusones acerca del funconamento de la msma bajo los dstntos supuestos de remuneracón en el mercado eléctrco español. La legslacón de la cogeneracón eléctrca en España se regía con el Real Decreto 2366/1994 [1]. Esta legslacón pretendía fomentar la creacón de productores de energía eléctrca ben basada en energías renovables o procesos de cogeneracón de alta efcenca energétca, de forma que se podían obtener benefcos económcos consderables s se cumplían las condcones mpuestas para pertenecer al régmen especal. Así, las nstalacones de cogeneracón deben tener como característca prncpal una alta efcenca energétca medda a través de un rendmento eléctrco equvalente (REE) cuyo valor mínmo es funcón del tpo de combustble utlzado. Dentro de este ámbto legal las nstalacones cogeneradoras tenen ngresos por dstntos conceptos: potenca facturada, energía cedda a la compañía, complementos por dscrmnacón horara, energía reactva e ncumplmento de potenca. Con la aparcón del Real Decreto 436/2004 [2], se pone fn a este marco regulatoro, establecéndose la nueva metodología de produccón de energía en el régmen especal. No obstante, para aquellos auto-productores acogdos al Real Decreto 2366/1994 se establece la posbldad de poder segur acogdo a esta reglamentacón hasta el año Dentro de este nuevo marco legal, las nstalacones cogeneradoras tenen un régmen económco ben dstnto, pues se paga exclusvamente por la energía puesta en la red y la potenca reactva, ncentvándose la partcpacón en el mercado mayorsta de la electrcdad a través de prmas. El objetvo que se pretende en este trabajo es establecer un modelo térmco-eléctrco de una planta de cogeneracón real. A partr del msmo se analza desde un punto de vsta técnco el funconamento de la planta para satsfacer las demandas de electrcdad y calor. Por últmo, se hace una evaluacón económca del funconamento de un día tpo dentro de los dos posbles marcos legales exstentes. 2. Descrpcón de la nstalacón La planta de cogeneracón se encarga de abastecer las demandas térmcas y eléctrcas de una fábrca de productos de lmpeza y abrllantamento. Dcha cogeneracón funcona constantemente desde las 8:00 a las 24:00 horas, permanecendo parada el resto del tempo (horas valle), en las que las demandas son satsfechas medante una sere de equpos convenconales. Un esquema del proceso ndustral descrto se muestra en la Fgura 1. La planta de cogeneracón está formada por

2 Fg.1. Esquema de la planta de cogeneracón. tres motores alternatvos de gas natural de 5MW cada uno (M1-M3), cuyos gases de escape, a más de 400º C, se aprovechan para el calentamento de acete térmco en tres calderas de recuperacón (ECO1-ECO3), cada una de ellas asocada a un motor dferente. El acete transporta la energía térmca aprovechada de los gases de escape hasta los dferentes equpos encargados de satsfacer las necesdades térmcas de la fábrca. Entre los requermentos térmcos exstentes se encuentran: Generacón de vapor destnado al calentamento de dferentes procesos. Cuando funcona la cogeneracón, un vaporzador se encarga de la generacón del vapor a partr del acete calentado en los economzadores. Cuando la cogeneracón no está en funconamento, dos calderas convenconales de gas natural llevan a cabo dcha tarea. Produccón de are calente para la atomzacón de detergente. Con la cogeneracón en marcha, el are calente se produce en un secadero tambén a partr del acete adaptado térmcamente en los economzadores. El are calente se produce en el msmo secadero cuando no funcona la cogeneracón, pero empleando un quemador de gas natural. Refrgeracón de los moldes de unas máqunas de nyeccón. Para ello es precso generar agua fría a una determnada temperatura. Cuando funcona la cogeneracón, una máquna frgorífca de absorcón produce el agua fría necesara para la refrgeracón de los moldes. En caso contraro ocho máqunas enfradoras convenconales se encargan de generar el frío ndustral necesaro. con el agua de refrgeracón de los grupos de cogeneracón (D1-D3) y la otra medante parte del vapor generado en el vaporzador. Cuando la cogeneracón no funcona, dos plantas de ósmoss nversa producen el agua destlada. La demanda térmca agregada de estos equpos para un día tpo de funconamento, obtendo a partr de las medas horaras de funconamento a lo largo de un año, se muestra en la Fgura 2. Fg. 2. Demanda térmca agregada de la planta ndustral. Durante la noche, la demanda térmca es más reducda, pues la refrgeracón de los moldes de las máqunas de nyeccón y la generacón de agua destlada para procesos son aportadas por equpos convenconales. Por otra parte, la demanda eléctrca agregada de la planta se muestra en la Fgura 3. Durante las horas valle, toda la energía eléctrca es aportada por la red, mentras que durante el día es la propa nstalacón de cogeneracón la que abastece a la nstalacón ndustral, nyectándose además el excedente generado a la red eléctrca. Como puede observarse, las demandas térmcas y eléctrcas cuando la cogeneracón está en funconamento son bastantes constantes. Agua destlada para procesos. La destlacón se lleva a cabo en cuatro destladoras, tres de ellas calentadas

3 Fg.3. Demanda eléctrca agregada de la planta ndustral. 3. Modelado del proceso Esta seccón presenta los modelos térmcos y eléctrcos de los sguentes componentes de la nstalacón: Motores de cogeneracón. La planta consta de tres motores de cogeneracón de 5 MW almentados con gas natural. Cada uno estos motores se sometó a ensayo para grados de carga comprenddos entre el 40% y el 100% de su potenca nomnal. A partr de estos ensayos se obtuveron las sguentes característcas de funconamento que se utlzan en el modelo matemátco de la planta: rendmento, consumo de combustble, potenca térmca en los gases de escape y necesdad de refrgeracón. Estas característcas se muestran en las fguras 4 a 7 respectvamente. Fg.7. Necesdad de refrgeracón de un grupo cogenerador. Economzadores. Estos equpos son los responsables de proporconar el calor al generador de vapor, el are calente para la atomzacón del detergente y la máquna de absorcón cuando funcona la cogeneracón. Dcho economzador se opera medante una válvula de tres vías que actúa sobre los gases de escape del grupo cogenerador, de forma que se mantenen los gases de salda de dcho economzador en torno a 230ºC, tal y como resulta de las meddas llevadas a cabo. Los economzadores se modelan a partr de sus correspondentes balances de masa y energía. Sstema de refrgeracón. Los motores de cogeneracón se refrgeran por agua medante ntercambos de calor producdos en las destladoras y en los aerorefrgeradores. El agua de salda de las camsas del motor está en torno a los 90ºC, tal y como se ha comprobado en las meddas realzadas. Al gual que en los economzadores se realzan los correspondentes balances de masa y energía para el modelado de estos equpos. 4. Regímenes económcos Fg.4. Rendmento eléctrco de un grupo cogenerador. Dado que la generacón de los grupos cogeneradores es mayor que el consumo de electrcdad de la planta, exste la posbldad de vender el excedente de energía dentro del régmen especal. En esta seccón se realza un resumen de los dstntos regímenes económcos prevstos en los Reales Decretos 2366/1994 y 436/2004, que regulan las actvdades de cogeneracón. A. Real Decreto 2366/1994 Fg.5. Consumo de combustble de un grupo cogenerador. Los ngresos por la venta de energía en este marco regulatoro corresponden a los térmnos de potenca, energía, dscrmnacón horara, potenca reactva e ncumplmento de potenca, según la sguente expresón: FT = ( PF T + E T ± DH ± ER) K AI p c e f (1) Fg.6. Potenca térmca en los gases de escape de un grupo cogenerador. FT: facturacón total ( ). PF: potenca facturada (kw). T p : térmno de potenca ( /kw/mes). T e : térmno de energía ( /kwh). E c : energía cedda a la compañía (kwh). DH: complemento dscrmnacón horara ( ).

4 ER: complemento energía reactva ( ). K f : constante dependente de los costes no evtados ncludos en las tarfas y la aportacón a la polítca energétca. AI: abono ncumplmento garantía de potenca ( ). Los térmnos correspondentes a la potenca facturada, dscrmnacón horara e ncumplmento de potenca dependen de la tarfa selecconada. Las característcas de la tarfa de venta de energía se muestran en la Tabla I. Al tener una dscrmnacón horara tpo 4, se tenen tres potencas garantzadas para cada ntervalo horaro. La potenca a facturar se calcula medante la expresón: PF = 0,5 Pgd + 0,3 Pgd + 0, 2 Pgd (2) Pgd p = P o ll d d 1 d o Pgd : potenca garantzada dsponble en el perodo (punta, llano o valle). P o : potenca garantzada en el perodo. d o : 0,3. Dsponbldad por debajo de la cual no se abona el térmno de potenca. d : dsponbldad de la planta en el perodo. Para determnar el ncumplmento de la garantía de potenca se ntegrará a lo largo del año y para cada perodo la energía entregada con una potenca gual o nferor a la potenca garantzada. En aquellas horas en las que la potenca sea superor a la garantzada se tomará dcha potenca para el cálculo de la energía entregada. Para que se consdere cumpldo el compromso de potenca se debe satsfacer la sguente expresón: o Ebpg + v (3) P o d H E pg (4) H: total de horas anuales en el período horaro correspondente (h). E bpg : eergía producda por debajo de la potenca garantzada (kwh). E pg : energía producda por encma de la potenca garantzada (kwh). En caso de no cumplrse la condcón anteror, habría que abonar la dferenca entre estas energías valorada en funcón del preco estpulado, que es dependente del período consderado. Los térmnos correspondentes a la dscrmnacón horara y la potenca reactva son análogos a los empleados en las tarfas generales. Por otra parte, los autoproductores tenen la posbldad de comprar energía a los dstrbudores, en aquellos momentos en los que la cogeneracón no esté funconando. Para ello, se deben acoger a una tarfa de compra de energía. La cogeneracón objeto de estudo tene la tarfa de compra de energía que se muestra en la Tabla I. El coste del sumnstro de energía eléctrca es smlar al de las tarfas generales, estructura bnomna más complementos, s ben la potenca facturada depende de unas potencas máxmas y contratadas que pueden ser elegdas lbremente por el usuaro fnal para cada uno de los períodos horaros. Sempre y cuando la potenca ndcada por el maxímetro no exceda de los valores máxmos en cada uno de los períodos, la potenca facturada se calcula medante la expresón: P = K( PM P ) PD (5) f c + PM: potenca funcón de las potencas máxmas que se pueden absorber en cada período. P c : potenca funcón de las potencas contratadas en cada período. K: PD: Potenca demandada en cada período calculada según el modo 2 de facturacón de potenca de las tarfas generales. En caso de que la potenca demandada en alguno de los períodos horaros sea superor a la potenca máxma, la potenca facturada se calculará según el modo 4 de las tarfas generales. TABLA I. Tarfas de compra y venta de energía a las que está acogdo el cogenerador. Venta de electrcdad Dscrmnacón horara 4 Punta (kw) Potenca garantzada Llano (kw) Valle (kw) 0 Punta 0.95 Llano 0.95 Dsponbldad Valle 0 Compra de electrcdad Tarfa 1.2 Dscrmnacón horara 4 Punta (kw) 0 Potenca contratada Potenca máxma B. Real Decreto 436/2004 Llano (kw) 0 Valle (kw) Punta (kw) Llano (kw) Valle (kw) El régmen económco mpuesto por este Real Decreto es completamente dferente al anterormente establecdo. En este caso, el cogenerador es remunerado en funcón de la energía que verta a la red eléctrca más un complemento por potenca reactva. Desaparecen, por tanto, la

5 retrbucón por potenca, garantía de potenca, y dscrmnacón horara. Por otra parte se establecen dos posbldades de venta de energía: Ceder la energía eléctrca a la compañía dstrbudora a un preco fjo, porcentaje de la tarfa meda de referenca establecda para cada año. Vender la energía en el mercado mayorsta de la electrcdad al preco que resulte del msmo a ben al preco pactado en un contrato blateral. En este caso, para favorecer la adhesón a esta forma de funconamento se añade al preco resultante una prma y un ncentvo, según la sguente expresón: P = ( P + P I ) (6) e md + P e : preco de la energía ( /kwh). P md : preco resultante del mercado daro de la electrcdad ( /kwh). P: prma que se establece en un 5% del preco de la tarfa meda o de referenca (7,3304 c /kwh en el 2005). I: ncentvo por partcpacón en el mercado, un 20% de la tarfa de referenca. El complemento por energía reactva tambén se ve sustancalmente modfcado, pues no se sgue el patrón de las tarfas generales. Las bonfcacones no se consguen sempre compensando el factor de potenca a la undad. Así, es posble obtener bonfcacones en los períodos valle consumendo potenca reactva. Dcho complemento se calcula medante la expresón: 6. Resultados obtendos A partr del modelo térmco-eléctrco que se ha realzado de la planta ndustral se han analzado dstntos casos que se muestran en la Tabla II. En todos los casos se tene un contrato de abastecmento de gas natural a través de una comercalzadora. Dcho contrato se basa en la tarfa 2.5 de sumnstro a 16 bares. La comercalzadora garantza un descuento mínmo del 15% sobre el térmno varable de energía consumdo anualmente. TABLA II. Condcones de cada uno de los casos analzados. Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4 R.D. 2366/ / / /2004 Gas contratado (MWht) Venta energía - - Tarfa Mercado Compra energía - - Tarfa Tarfa Generadores Carga 100% 100% 100% 100% Cclo a 24 8 a 24 Por otra parte, en el caso de venta de energía en el mercado mayorsta de la electrcdad bajo el Real Decreto 436/2004, se han consderado los precos fnales horaros medos de dcho mercado para los días laborables en el año 2004, recogdos en la Fgura 8. ER = perodo E B ( cos ϕ ) TR 100 (7) : ER: complemento por energía reactva ( ). E : energía eléctrca producda en el período (punta, llano o valle). B : Bonfcacón conseguda en el período, funcón del factor de potenca en dcho período. TR: tarfa meda o de referenca ( ). Por últmo, es nteresante recalcar que este Real Decreto ofrece la posbldad a aquellas nstalacones de potenca nferor a 50 MW que a la entrada en vgor del msmo estuveran acogdas al Real Decreto 2366/1994, de permanecer bajo dcho marco regulatoro hasta el año La sguente seccón trata de analzar s para la nstalacón que se está estudando es convenente desde un punto de vsta económco cambar al nuevo marco legal o, por el contraro, permanecer en el exstente hasta la fecha límte anterormente ctada. Fg.8. Precos fnales medos horaros del año La Tabla III muestra un resumen de los resultados obtendos. Se resumen los ngresos obtendos por venta de electrcdad y los gastos especfcados según dstntos conceptos: compra de combustble, compra de electrcdad, operacón y mantenmento, acete y otros. De estos resultados se pueden extraer las sguentes conclusones: El funconamento de la planta con los cogeneradores al 100% de su carga nomnal durante 16 horas al día no permte alcanzar el rendmento eléctrco equvalente (REE) mínmo mpuesto por los Reales Decretos 2366/1994 y 466/2004. Dcho rendmento responde a la expresón: E REE = V Q 0.9 (8)

6 E: energía eléctrca generada en bornas del alternador (kwh). Q: consumo de energía prmara con referenca al poder calorífco nferor (PCI) del combustble (kwh). V: calor útl demandado por la ndustra (kwh). Para este tpo de nstalacones, el REE debe ser superor a 0,55. Sn embargo, hay que tener en cuenta que (9) se tene que evaluar en un año de funconamento, en el que los grupos no están funconado todo el tempo a su potenca nomnal. Este rendmento es funcón del grado de carga de los cogeneradores según se muestra en la Fgura 8. Así, s todos los días del año los grupos operaran de gual forma, para cumplr con el requsto del REE, los motores deberían operarse con carga nferor al 80%. 7. Conclusones Este artículo presenta un estudo de una planta de cogeneracón real que opera en una ndustra de productos de lmpeza y abrllantado. El objetvo del msmo ha sdo obtener un modelo térmco-eléctrco del proceso ndustral para poder smular dstntas alternatvas de funconamento y extraer conclusones del funconamento de la planta desde un punto de vsta técnco y económco. En partcular se ha analzado el funconamento de la planta para los dos regímenes económcos regulados por los reales decretos 2366/1994 y 466/2004 en los que ésta puede operar. La conclusón fundamental del estudo es que no es rentable cambar al nuevo marco regulatoro hasta que sea oblgatoro en el año Este trabajo consttuye un prmer modelado de las nstalacones, a partr del cual se pueden plantear problemas de optmzacón para ajustar de forma adecuada la produccón de energía eléctrca para maxmzar el benefco sujeto a las restrccones mpuestas por los requstos legales. Agradecmentos Fg. 9. REE como funcón del grado de carga de los cogeneradores. S el marco legal en el que se desarrolla la actvdad de cogeneracón es el Real Decreto 2366/1994 y desde un punto de vsta económco, no es rentable operar las 24 horas del día, dado que el benefco obtendo es nferor. Esto se debe a que durante las horas valle los ngresos por venta de energía son más reducdos por la dscrmnacón horara, mentras que el coste asocado al consumo de combustble es smlar. No es adecuado pasar desde un punto de vsta económco al nuevo marco legal establecdo por el Real Decreto 466/2004, pues se reducen los ngresos notablemente. En cualquer caso sempre es más nteresante vender la energía eléctrca al mercado mayorsta debdo a la prma e ncentvo que se consguen. TABLA III. Resultados obtendos en la smulacón para un año de funconamento. Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4 REE 0,52 0,52 0,52 0,52 Autoconsumo ,75 16,75 Venta electrcdad (m ) Combustble (m ) Mantenmento (m ) Acete y otros (m ) Compra electrcdad (m ) Benefco (m ) Los autores desean expresar su agradecmento por la fnancacón recbda del Mnstero de Educacón y Cenca de España, a través de los proyectos DPI y DPI C Referencas [1] Real Decreto 2366/1994, de 9 de dcembre, sobre produccón de energía eléctrca por nstalacones hdráulcas, de cogeneracón y otras abastecdas por recursos o fuentes de energía renovables. [2] Real Decreto 436/2004, de 12 de marzo, por el que se establece la metodología para la actualzacón y sstematzacón del régmen jurídco y económco de la actvdad de produccón de energía eléctrca en régmen especal. BOE 075 de 27/03/2004.