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COGENERACIÓN Aprovechamiento simultáneo de la energía eléctrica y térmica, principalmente para usuarios industriales y del sector terciario. Esquema de cogeneración. ELECTRICIDAD ELECTRICIDAD USUARIO...

COGENERACIÓN Aprovechamiento simultáneo de la energía eléctrica y térmica, principalmente para usuarios industriales y del sector terciario. Esquema de cogeneración. ELECTRICIDAD ELECTRICIDAD USUARIO ELECTRICIDAD COMBUSTIBLE COGENERACIÓN COMBUSTIBLE CALOR Figura 1. Esquema de cogeneración Comparativa del sistema tradicional y de cogeneración Figura 2. Comparativa del sistema tradicional y el de cogeneración. Oficina Técnica Página 1 Dependiendo del tipo de motor se pueden alcanzar rendimientos globales de aprovechamiento de electricidad y calor entre el 70 % y 90 %. Reduce pérdidas del 68 % al 15 %. Consumo de combustible de 153 a 100. Rendimientos de la transformación del 55 % al 85 %. VENTAJAS: Ahorro energético. Ahorro económico (diferencial del precio energía eléctrica, frente a combustibles fósiles). Menor contaminación. Mayor independencia y seguridad en el suministro eléctrico. Reduce la carga de las líneas de transporte. Acerca los puntos de generación. Para la administración, diversificación del suministro energético. PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LOS SISTEMAS DE COGENERACIÓN: Figura 3. Parámetros fundamentales de los sistemas de cogeneración. 𝑊𝑊 RENDIMIENTO ELÉCTRICO ɳe = 𝐹𝐹 𝑄𝑄𝑄𝑄 RENDIMIENTO TÉRMICO ɳt = 𝐹𝐹 𝑊𝑊+𝑄𝑄𝑄𝑄 𝑃𝑃 RENDIMIENTO GLOBAL ɳG = =1− = ɳ𝑒𝑒 + ɳ𝑡𝑡. 𝐹𝐹 𝐹𝐹 𝑇𝑇𝑇𝑇 𝐵𝐵𝐵𝐵+𝐵𝐵𝐵𝐵 𝑊𝑊+𝑄𝑄𝑄𝑄 (1− ) RENDIMIENTO EXERGÉTICO ɳB = = 𝑇𝑇 (evalúa la eficiencia del proceso 𝐵𝐵𝐵𝐵 𝐹𝐹 energético) Oficina Técnica Página 2  𝑄𝑄𝑄𝑄 ɳ𝑡𝑡 RELACIÓN CALOR ELECTRICIDAD (RCE) = = (relaciona calor y electricidad demandada, criterio 𝑊𝑊 ɳ𝑒𝑒 fundamental para elegir el motor más adecuado a cada aplicación). Ahorro porcentual de energía primaria (APEP) 𝐹𝐹 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐ó𝑛𝑛−𝐹𝐹 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 (2.895−𝐶𝐶𝐶𝐶) CE = APEP = 100 %. 𝑊𝑊 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 2.895 Rendimiento eléctrico equivalente para evaluar la eficacia energética de las centrales de cogeneración. 𝑊𝑊 ɳ𝑒𝑒 R Ee = 𝑄𝑄𝑄𝑄 = ɳ𝑡𝑡 𝐹𝐹− 1− 0.9 0.9 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE COGENERACIÓN Según la secuencia de generación y consumo. DE CABECERA ELECTRICIDAD Los más utilizados. Un USUARIO combustible convencional ELECTRICIDAD aporta la energía a un sistema COMBUSTIBLE COGENERACIÓN de cogeneración para obtener CALOR calor útil y electricidad Figura 4. Cogeneración de cabecera. Figura 5. Cogeneración de cola. Oficina Técnica Página 3 Según la conexión del alternador: Figura 6. Cogeneración de aislado. INTEGRADOS o INTERCONECTADOS Están conectados en paralelo a la red ELECTRICIDAD eléctrica pública. La frecuencia de cogeneración viene USUARIO impuesta por la propia red eléctrica. La regulación del sistema de ELECTRICIDAD COMBUSTIBLE COGENERACIÓN cogeneración es más sencilla. CALOR En la práctica casi todos los sistemas de cogeneración están integrados. Figura 7. Cogeneración interconectados. SEGÚN EL MOTOR TÉRMICO UTILIZADO: Turbina de vapor. Turbina de gas. Ciclo combinado. Motor de combustión interna alternativo. TURBINA DE VAPOR. Según la operación de la turbina: Turbina a contrapresión. Turbina de condensación con extracción. Oficina Técnica Página 4 Turbina de vapor a contrapresión. El vapor producido en la caldera se expansiona en una turbina hasta la presión de vapor de trabajo del usuario. El vapor de escape de la turbina es el calor útil del sistema de cogeneración. ɳe = 10 – 20% / ɳG = 80 – 90% / RCE = 4 a 12. USUARIO CALDERA COMBUSTIBLE T. VAPOR ALT VAPOR AGUA Figura 8. Turbina de vapor a contrapresión. Es el motor térmico más empleado. Utilizado para grandes usuarios que necesitan vapor a media y alta presión. RCE entre 4 – 12. Coste elevado. Precio por potencia instalada menor que los motores alternativos y de ciclo combinado. Instalación complicada dado que necesita: Planta de tratamiento de combustible. Planta de tratamiento de agua. Tratamiento de los humos de la caldera. Desaireadores. Necesita un mantenimiento muy exhaustivo, en referencia a la electricidad producida, muy aproximado a los del ciclo combinado y mucho más elevado que para las instalaciones de motores. Idóneo, para marcha continua y elevada carga. Alto grado de fiabilidad en el suministro. El calor residual se aprovecha. Trabaja a presiones entre 40 y 120 bares y temperaturas de entre 400ºC y 450ºC. Oficina Técnica Página 5 Turbina de vapor de condensación con extracción. USUARIO CALDERA COMBUSTIBLE T. VAPOR ALT VAPOR AGUA CONDENSADOS Figura 9. Turbina de vapor de condensación con extracción. El vapor se expande en la turbina a P ≤ P. atmosférica, mediante un condensador (el límite de tamaño del condensador está en 0.1 bares). Se aumenta el salto entálpico de la turbina y su potencia. El calor que se cede en el condensador no se puede aprovechar. Esta instalación es más complicada que las turbinas de contrapresión. Se puede obtener vapor a cualquier nivel de presión y temperatura. ɳe = 20 – 30% / ɳG = 50 – 70% / RCE = se puede regular mediante la extracción de vapor. TURBINA DE GAS. COMBUSTIBLE HUMOS C. de RECUPERACIÓN USUARIO AGUA VAPOR COMPRE. T. GAS ALT POSTCOMBUSTIÓN HUMOS COMBUSTIBLE Figura 10. Turbina de gas. Oficina Técnica Página 6 El calor útil de la turbina de gas son los gases de escape que salen a alta temperatura. Se emplean para procesos de calentamiento o secado, en calderas de recuperación para generar vapor a media o baja presión. Para aumentar la energía de los gases de escape se suele hacer una segunda postcombustión. El número de arranques es limitado. La puesta en marcha es rápida. Se emplea en procesos continuos. Las instalaciones son estándar y muy compactas. Los costes de instalación por potencia instalada y de mantenimiento, son los más reducidos. Tienen problema de ruidos y de contaminantes (NOx). Las turbinas de gas más utilizadas en cogeneración son las Industriales y Aeroderivadas. Turbinas de gas aeroderivadas: Son de propulsión aérea reconvertidas, son más compactas. Tienen buenos rendimientos, los álabes son cerámicos o refrigerados, permitiendo temperaturas de hasta 1500ºC. Su potencia media es de unos 50 MW. Respecto de las industriales, tienen más problemas de ruidos y de mantenimiento. Su vida útil es menor y los arranques más rápidos. Turbina de gas industrial: Son de diseños más conservadores y tienen mejoras en el ciclo (regeneración, compresión escalonada). Permiten rendimientos similares a las aeroderivadas pero con menores temperaturas de ciclo. La inversión inicial es más cara pero el mantenimiento es menor. Su potencia es de unos 250 MW y pueden utilizar combustible de peor calidad (fuel-oil). TURBINA DE CICLO COMBINADO. Es una turbina de gas y un ciclo de turbina de vapor en cola. El objetivo es aumentar la energía eléctrica generada a partir de la energía del combustible. El ciclo de vapor puede ser contrapresión o condensado. El calor útil es debido al escape de la turbina de contrapresión, de la extracción de la turbina de condensación o directamente de los gases de la turbina de gas. Se suelen colocar varias turbinas de gas para una sola turbina de vapor. La instalación es muy flexible, puede trabajar a cargas parciales con buenos rendimientos. Son instalaciones para grandes potencias eléctricas. Su concepción es modular. Oficina Técnica Página 7 Las instalaciones son caras pero para potencias grandes su reducción es considerable. Las calderas de recuperación trabajan con vapor a media o alta presión. Sus dimensiones son muy grandes (unas cinco veces más grandes que el resto de instalaciones). Los mecanismos de transmisión de calor son solo de convección. Las calderas son acuotubulares de tres haces, con economizadores (con una corrosión ácida muy elevada) y sobrecalentadores. ELECTRICIDAD HUMOS COMBUSTIBLE USUARIO T. VAPOR ALT VAPOR COMPRE. T. GAS ALT POSTCOMBUSTIÓN AIRE HUMOS COMBUSTIBLE Figura 11. Turbina de ciclo combinado. MOTOR ALTERNATIVO DE COMBUSTIÓN INTERNA. VAPOR / AGUA USUARIO HUMOS a 400ºC COMBUSTIBLE ALT ELECTRICIDAD 110ºC Figura 12. Motor alternativo de combustión interna. La energía del combustible parte se transforma en energía mecánica (cigüeñal del motor y alternador). El resto de energía es del sistema de refrigeración del motor y de los gases de combustión. La recuperación del calor es más complicada, trabaja a temperaturas relativamente bajas y en circuitos diferentes: Oficina Técnica Página 8 El sistema de refrigeración de las camisas del motor a 100ºC. El sistema de refrigeración del aceite a 110ºC. La refrigeración del aire de sobrealimentación del motor a 150ºC. Los gases de escape del motor a 400ºC, se suele emplear para hornos, secaderos, producción de vapor a baja presión y agua sobrecalentada. Permite combustibles de baja calidad (líquidos o gaseosos). El arranque es fácil y sin límites. Es el único sistema que puede tener parada diaria. Tiene buen rendimiento en cargas parciales (motor diésel). El precio del mantenimiento es elevado, debido a las vibraciones. Los motores más empleados son los de propulsión marina de gran cilindrada y sobrealimentados Motor diésel con ɳe = 40 – 50%, los más comunes son de 20 Mw/Unidad de cuatro cilindros y de 50 Mw/Unidad, de dos cilindros). Motor a gas. Motor dual, es un intermedio entre los dos, son motores marinos diésel con modificaciones para gasificarlos, el encendido de la mezcla se hace con aire – gas y luego se inyecta un chorro de gasoil, obteniendo rendimientos muy buenos. Bibliografía: Tecnología Energética – Vicente Bermúdez – Universidad Politécnica de Valencia Oficina Técnica Página 9