10. SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE CALOR

Transcripción

1 10. SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE CALOR A pesar del coste inicial que supone incorporar a la planta de cogeneración un sistema de almacenamiento de calor (SAC), la variabilidad horaria de las demandas energéticas conducen a que la utilización de este tipo de sistema pueda resultar energética y económicamente interesante. Las ventajas que a priori produce la utilización de este tipo de equipo son las siguientes: en primer lugar, se reduce el consumo de combustible en la caldera en las horas punta de demanda energética; y en segundo lugar, se produce un aumento del REE de la instalación Características del SAC El SAC es un depósito lleno de un fluido caloportador, de forma cúbica en nuestro caso, cuyas paredes están hechas de material aislante. Además, el SAC posee dos serpentines cuyas funciones son las de introducir y extraer calor del mismo. El fluido caloportador escogido en nuestro caso es aceite térmico. Esto es debido a que dicho fluido puede alcanzar altas temperaturas, lo cual aumenta la capacidad de almacenamiento del SAC. A continuación, establecemos las propiedades del SAC: - ρ aceite = densidad del aceite térmico en función de la temperatura. ( )=, ( )+, Ecuación C p aceite = calor específico del aceite térmico en función de la temperatura. =, ( )+, Ecuación T lim inf alm SAC = temperatura límite inferior de almacenamiento del SAC, 130 ºC. - PP SAC = pinch point del SAC, 10 ºC. - T sal SAC = temperatura de los gases de escape a la salida del serpentín introductor de calor del SAC, 140 ºC. - T lim sup alm SAC = temperatura límite superior de almacenamiento del SAC, 370 ºC. - e SAC = espesor de las paredes del SAC, 0,3. - k SAC = conductividad térmica del material aislante de las paredes del SAC, 0, El calor máximo aprovechable que puede almacenar el SAC es función del volumen del mismo, y se obtiene a través de la siguiente ecuación: = = = ( ) 457 Ecuación

2 10.2. Descripción de la instalación con SAC Motores de combustión interna alternativos Esquema Calor procedente de los Gases de Escape de la Turbina AIRE ACONDICIONADO Chimenea Refrigerador por Compresión Eléctrica Compra de Electricidad Venta de Electricidad Combustible M Electricidad Producida Consumo de Electricidad Sistema de Almacenamiento de Calor Calor procedente del Agua y Aceite del Motor Circuito de Intercambio de Calor (Baja Tª) Caldera Combustible ACS VAPOR CALEFACCIÓN AIRE ACONDICIONADO Máquina de Absorción Circuito de Intercambio de Calor (Alta Tª) Funcionamiento Figura 55. Esquema de la planta con MCIA y SAC. La incorporación del SAC a la instalación produce dos diferencias respecto al funcionamiento de la misma sin la incorporación de dicho sistema: - En primer lugar, si tenemos un sobrante de calor procedente de los gases de escape del motor, aprovechamos dicho calor (que antes tirábamos por la chimenea) en calentar el aceite térmico del SAC, siempre que esto sea físicamente viable. - En segundo lugar, si el calor demandado es mayor que el calor producido por los MCIA, utilizamos el calor almacenado en el SAC para ayudar a satisfacer dicha demanda, siempre que esto sea físicamente viable. Si no fuese así, satisfacemos la demanda de calor con la ayuda de la caldera. En un principio podríamos emplear un segundo SAC para aprovechar mejor el calor procedente del agua y aceite del motor. Sin embargo, dado que la temperatura máxima del circuito de intercambio de calor de baja temperatura es 90ºC y que la temperatura de entrada al intercambiador productor de ACS debe ser igual a 60ºC, existe un escaso margen de temperaturas para que el almacenamiento y aprovechamiento de calor en un sistema de almacenamiento sea viable. 70

3 El significado de la condición empleada en los párrafos anteriores siempre que esto sea físicamente viable es que a la hora de introducir o extraer calor del SAC no se produzcan algunos de los tres hechos que describimos a continuación: - La temperatura de almacenamiento sea superior a la temperatura límite superior del aceite térmico del circuito de intercambio de calor (alta temperatura), T alm SAC > T lim sup alm SAC. - La temperatura de almacenamiento sea inferior a la temperatura límite inferior del aceite térmico del circuito de intercambio de calor (alta temperatura), T alm SAC < T lim inf alm SAC. - La temperatura de almacenamiento más el pinch point del SAC sea superior a la temperatura de los gases de escape (T alm SAC + PP SAC > T esc ). Para la aplicación del balance de energía térmica al sistema en cada hora (y mes), o lo que es lo mismo, para la determinación de Q ent SAC, Q sal SAC y Q caldera, es necesario el cálculo previo de la T alm SAC, donde: - Q ent SAC = calor introducido en el SAC. - Q sal SAC = calor extraído en el SAC. - T alm SAC = temperatura de almacenamiento del SAC. La obtención de la temperatura de almacenamiento del SAC en cada hora (y mes) se realiza de la forma siguiente: - En primer lugar, debemos suponer una temperatura de almacenamiento inicial (para el principio de la primera hora del día, hora 0) y un calor aprovechable almacenado en el SAC asociado a ella. En un principio vamos a adoptar la solución más conservadora, que es suponer la temperatura de almacenamiento inicial igual a la T lim inf alm SAC., donde: = = = Ecuación T alm SAC 0 = temperatura de almacenamiento inicial del SAC. - Q alm SAC 0 = calor inicial almacenado en el SAC. - En segundo lugar, calculamos el calor almacenado en el SAC para cada hora (y mes) aplicando el primer principio de la termodinámica en el SAC. ( )= ( ) + ( ) ( ) ( ), =,, Ecuación 40., donde: - Q alm SAC = calor almacenado en el SAC. - Q perdidas SAC = son las pérdidas de energía térmica que se producen a través de las paredes del SAC, cuyo valor viene determinado por la siguiente ecuación: ( )= [ ( ) ( )] Ecuación

4 , donde: - S SAC = superficie de las paredes del SAC. - T amb = temperatura ambiente, cuyos valores vienen definidos en el apartado 5 de este proyecto. - En tercer lugar, obtenemos la T alm SAC para cada hora (y mes) a través de la siguiente ecuación: ( ) = ( ) +, donde: V SAC = volumen del SAC. ( ) ( ) ( ) ( ), =,, Ecuación Por último, dado que en nuestro análisis hemos considerado un día tipo para cada mes, es decir, cada mes está compuesto por 28, 30 o 31 días iguales, el calor almacenado al inicio de cada uno de estos días deberá ser igual, o lo que es lo mismo, el calor almacenado al inicio del día (hora 0) deberá ser igual que al final (hora 24). Por lo tanto, debemos repetir todos los pasos anteriores [partiendo de una T alm SAC 0 igual a la T alm SAC (h = 24)] tantas veces como sea necesario, es decir, hasta que la diferencia entre la T alm SAC 0 y la T alm SAC (h = 24) sea mínima. Finalmente, el calor producido por los generadores de energía que no es aprovechado se obtiene a través de la siguiente ecuación, que se tiene que cumplir en todo momento: ( )= ( )+ ( )+ ( )+[ ( ) ( )] ( )+ ( )+ ( )+ ( ) ( ) Ecuación 43., donde las pérdidas de calor en los intercambiadores vienen dadas a través de la siguiente ecuación: ( )= ( )+ ( )+ ( )+ ( ) Ecuación 44. En cuanto a la ecuación correspondiente al balance de energía eléctrica, son también similares a las del apartado (ecuación 6). 72

5 Turbinas de gas Esquema Funcionamiento Figura 56. Esquema de la planta con TG y SAC. Para las turbinas de gas (TG) el calor producido es solamente a través de los gases de escape. Dado que para el sistema con MCIA el SAC sólo almacena y aprovecha el calor procedente de los gases de escape del motor, el funcionamiento del sistema con TG es análogo al explicado anteriormente en el apartado En cuanto a las ecuaciones correspondientes a los balances de energía eléctrica y térmica, son también similares a las de los apartados y (ecuaciones 6 y 42), con la única salvedad de que en la segunda de ellas desaparece el término correspondiente al calor procedente del agua y aceite del motor (Q agua y aceite ) Estimación del coste inicial asociado al SAC El coste del SAC es función de la máxima energía térmica que puede almacenar (ecuación 37). Su valor viene determinado por la siguiente correlación, obtenida del artículo Analysis of combustion turbine inlet air cooling systems applied to an operating cogeneration power plant (R. Chacartegui, F. Jiménez-Espadafor, D. Sánchez, T. Sánchez): =, =,, =,, = Ecuación