Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales. Módulo 7 Generación Eléctrica

Transcripción

1 Curso de Formación Especializada en Biogás para Profesionales Módulo 7 Generación Eléctrica

2 Antecedentes El principio general de funcionamiento corresponde a la transformación de energía mecánica producida por una turbina o motor a combustión, en energía eléctrica, por medio de un generador, el cual fuerza las cargas eléctricas a través de un cableado y hacia los recursos que demanden energía. Para el caso particular de la generación eléctrica mediante biogás, la energía mecánica es producida mediante una turbina o un motor de combustión a gas.

3 Equipos de Generación Eléctrica Están compuestos por 8 partes internas: Motor o turbina Alternador Sistema de alimentación de combustible Regulador de voltaje Enfriamiento Escape Lubricación Batería

4 Generación con Turbina y Microturbinas Una turbina de gas es un motor térmico rotativo de combustión interna, donde a partir de la energía aportada por un combustible se produce energía mecánica y se genera una importante cantidad de calor en forma de gases calientes y con un alto porcentaje de oxígeno. Esquema de funcionamiento:

5 Las microturbinas de gas son máquinas de combustión basadas en el mismo principio que las turbinas convencionales con potencias en el rango de 20 kw a 500 kw. Las principales diferencias radican en que a la salida del generador se obtiene corriente eléctrica de alta frecuencia, haciendo necesaria la incorporación de un rectificador AC/DC y de un inversor que permita obtener una corriente alterna trifásica adecuada. Tabla de comparación: Turbinas Microturbinas Combustible Biogás 100% 100% Tamaño 100 (KW) a 500 (KW) (MW) Eficiencia 25 a 40 (%) 20 a 30 (%) Emisiones CO 2 (kg/mwh) Emisiones NO x (kg/mwh) Presencia H 2 S (ppm)

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7 Motores de Combustión Existen dos tipos: Encendido por Chispa Encendido por compresión Eficiencia no excede 30 45% Los ciclos ideales para modelar este tipo Tabla: Ciclo Otto Ciclo Diesel Combustible Ciclo Otto Combustible Ciclo Diésel Turbinas 100% Biogás 60% Biogás 40% Diésel Tamaño 100 (KW)-3 (MW) Eficiencia 35 a 45 (%) Emisiones CO 2 (kg/mwh) Emisiones NO x (kg/mwh) 5-20 Presencia H 2 S (ppm) <150

8 Ciclo Otto: Motor de encendido por chispa. 1. Entrada del gas combustible al carburador. 2. Pre-compresión y enfriamiento. 3. La mezcla fluye a través de la válvula de retención la cuál regula el paso del combustible a la cámara de aspiración. 4. Entrada al ciclo de Otto: Admisión, compresión, combustión y escape (4 tiempos).

9 Motores Ciclo Diesel: Motor dual, combinación de diésel con biogás. El principio de funcionamiento se basa en la inyección combinada de ambos combustibles en una misma cámara de combustión que, durante el proceso de compresión, produce la auto-ignición del diesel y posterior (casi inmediata) combustión del biogás.

10 Cogeneración La cogeneración es la generación simultánea de energía eléctrica y térmica a partir de un único proceso de consumo de energético primario. Los altos niveles de eficiencia de esta tecnología se deben a la utilización de la energía térmica residual como un co-producto de la generación de potencia.

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12 Principales Accesorios Equipos de Cogeneración Intercambiador de Calor: Dispositivo diseñada para transferir calor entre dos medios. Por lo general, se utilizan de 3 tipos: Doble Tubo Tubo y Carcaza Placas

13 Enfriador de Emergencia (Aero Ventiladores): Equipos de enfriamiento suplementario a los intercambiadores de calor. Se utilizan en caso de emergencia. Además, son utilizados en algunos casos como apoyo al intercooler.

14 Acondicionamiento del Biogás para Generación El biogás procedente del proceso de digestión anaeróbica corresponde a una mezcla de compuesto, los cuales afectan tanto en su capacidad calorífica para la generación, como en la salud de las personas y el medio ambiente. Los compuestos combustibles del biogás corresponden al metano (CH 4 ) y al hidrógeno (H 2 ), los cuales se encuentran en proporciones de 45-80% y 0-2% Resto de los componentes, son perjudiciales: Salud, Medio Ambiente y Capacidad Calorífica: Vapor de Agua Sulfuro de Hidrogeno Siloxanos Hidrocarburo Halogenados Contempla 3 etapas: Limpieza Acondicionamiento Enriquecimiento

15 Tratamiento Primarios: Las tecnologías de tratamiento primario representan la primera etapa en la reducción de la cantidad de contaminantes del biogás y normalmente usan operaciones de procesos físicos simples. Los principales contaminantes removidos son agua (contaminada), llamada condensado, y partículas. Tratamiento Secundario: Los tratamientos secundarios son diseñados para aumentar el nivel de pureza del gas alcanzado en el tratamiento primario. Estos contemplan procesos de tratamiento tanto físicos, como químicos: Absorción física: Los métodos de absorción fisicoquímicos se utilizan normalmente en la purificación de biogás, ya que son efectivos incluso a bajas tasas de flujo Absorción química: La absorción química implica la formación de enlaces químicos reversibles entre el soluto y el solvente. La regeneración del solvente, por lo tanto, comprende la ruptura de esos enlaces y correspondientemente una entrada relativamente alta de energía.

16 Eliminación de CO 2 Un método fácil y económico utiliza agua presurizada como absorbente. El biogás crudo es comprimido y alimentado desde el fondo a una columna de lecho empacada y el agua presurizada es rociada desde la cima de la columna. El proceso de absorción es un proceso contra-corriente. De esta forma se disuelven el CO 2 y el H 2 S en agua y son colectados en el fondo de la torre. El agua puede ser recirculada a la primera torre de limpieza.

17 Eliminación de H 2 S Proceso seco de oxidación, convierte el de una corriente de gas en azufre y oxido de azufre. Proceso utilizado en bajas cantidades de azufre en el gas. Algunos métodos son: Introducción de aire/hidrogeno Adsorción usando oxido de hierro GAS RAP (Nombre Comercial) Procesos de oxidación en fase líquida Proceso Físico Proceso Químico

18 Siloxanos Los compuestos de silicio pueden aparecer como compuestos inorgánicos procedentes de materia mineral introducida en la corriente de gases como silicatos o sílice en partículas sólidas y como compuestos orgánicos de silicio, de los cuales los más habituales son los siloxanos. Son difíciles de detectar por ser inodoros y no ser peligrosos para el medio ambiente. Los compuestos de silicio provienen del tratamiento de productos de base sílice

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20 Existen diferentes técnicas de pretratamiento en función del contenido en contaminantes: Filtración y Condensación Refrigeración y Desecación Absorción Otros: Filtros moleculares, lechos polimétricos, gel de sílice y carbón activado. Los parámetros de operación de las unidades de filtración de carbón activado recomendadas se detallan a continuación: Parámetro Velocidad Tiempo de retención Recambio carbón activado Valor 0,1 0,2 m/s 3 segundos 6 meses

21 Generador Eléctrico y su Regulación Un generador eléctrico corresponde a todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrica entre dos de sus puntos transformando la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos, y sus movimiento relativo genera una fuerza electromotriz (F.E.M.). Los generadores eléctricos incluyen generalmente un suministro de combustible, un regulador de velocidad, un regulador de tensión, sistemas de refrigeración y de escape y el sistema de lubricación.

22 Factor de Potencia Este valor corresponde al valor (porcentual) de aprovechamiento de la energía generada. Por ejemplo, si el Factor de Potencia es 0,95 (valor mínimo exigido por la prestadora para potencias superiores a 100 kw) indica que, del total de la energía abastecida por la distribuidora, solo el 95 % es utilizada por el cliente, mientras que el 5 % restante es energía que se desaprovecha. Problemas asociados al factor de potencia: En caso que el Factor de potencia sea inferior a 0,95, implica que los artefactos tienen elevados consumos de energía reactiva respecto a la energía activa, produciéndose una circulación excesiva de corriente eléctrica en sus instalaciones y en las redes de la empresa distribuidora.

23 Problemas y Soluciones del Grupo Electrógeno Consideraciones antes del trabajo: piense en las posibles causas del problema e investigue si se ha producido el mismo problema con anterioridad. Compruebe las piezas que pueden estar causando el problema en el orden más eficiente. Por lo general, los equipos electrógenos son equipos nobles, es decir, si se hace el mantenimiento apropiado, los equipos no presentan fallas. La mayoría de los problemas que se presentan es por anomalías externas del equipo, dentro de las principales tenemos las siguientes: Calidad del biogás Presión e suministro inestable Cargas de consumo inestable y muy por debajo de la capacidad nominal del equipo

24 Problemas y Soluciones del Grupo Electrógeno El motor de partida no arranca o arranca lentamente, dando como resultado un fallo de arranque.

25 Problemas y Soluciones del Grupo Electrógeno Disminución de la potencia.

26 Problemas y Soluciones del Grupo Electrógeno El humo de escape es negro o de color carbón

27 Problemas y Soluciones del Grupo Electrógeno Sobrecalentamiento

28 Problemas y Soluciones del Grupo Electrógeno El generador no exista El generador no exista hasta la tensión nominal

29 Problemas y Soluciones del Grupo Electrógeno En vacío, el generador excita hasta la tensión nominal, pero colapsa con carga. Oscilaciones en las tensiones del generador

30 Permisos para la Conexión a la Red de Plantas de Biogás Generalidades: En función del tamaño de la planta de generación, son las normas que aplican a cada caso y son reguladas por el Marco regulatorio para las Energías Renovables No Convencionales (ERNC). Leyes: Ley de ERNC (Ley ) Ley Corta I (Ley ) Ley Corta II (Key ) Ley de Generación Distribuida (Ley ) Reglamentos: Decreto Supremo N 244 PMG PMGD

31 Normativa Técnica: Norma Técnica de Conexión y Operación (NTCO) de PMGD en Media Tensión (MT) Julio 2016 Permisos y trámites ante la empresa eléctrica: Tramitación de Permisos Técnicos: Intercambio de información Generador Distribuidor Revisión de información por parte del distribuidor Conformidad/Inscripción ante SEC Contratos/conexión Consideraciones Pequeños Generadores: PMGD INS: Pequeño Medio de Generación de Impacto No Significativo

32 Figuras de conexión para un PMGD INS (<500 [kw]), contemplando los requerimientos de la Norma Técnica: Representa la venta directa a la red de distribución, en cualquier formato comercial: Representa el esquema de conexión de un PMGD INS con autoconsumo:

33 Fotografía de sistema de conexión a la red de un PMGD:

34 Proceso de Conexión Ley de Generación Distribuida Para rangos de generación inferiores a 100 [Kw], se recomienda acogerse a la ley La ley , Ley de Net Billing, que indica que los usuarios finales de la electricidad tienen el derecho de instalar equipos de generación de energía de hasta 100 [kw], e inyectar a la red sus excedentes. Esquema de procesos de conexión a la red para proyectos según Ley

35 Proceso de Conexión PMGD La empresa interesada deberá enviar a la Dirección de Planificación y Desarrollo (DPD) del Centro de Despacho Económico de Carga (CDEC) la información de sus proyectos en estudio y desarrollo de acuerdo a lo indicado en el Decreto Supremo Nº291, cuando estos requieran ser ingresados al SEA. Permisos y Trámites ante SEC Se debe inscribir el proyecto, la instalación eléctrica y la instalación de combustible. Se debe hacer por un instalador autorizador, y depende del tipo de instalación, el formulario a presentar: Formulario TE1: Declaración de Instalación Eléctrica Interior. Formulario TE4: Declaración de Comunicación de Puesta en Servicio de Generadoras Residenciales

36 Hernán Quiroz Marchant