Lección 6 Estudios de viabilidad de cogeneración Mariano Alarcón García Bloque temático II Eficiencia energética Master en Ingeniería Química Curso 2007/08.

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1 Lección 6 Estudios de viabilidad de cogeneración Mariano Alarcón García Bloque temático II Eficiencia energética Master en Ingeniería Química Curso 2007/08 Energías Renovables en Ingeniería Química

2 Estudios de viabilidad de cogeneración2 Lección 6. Estudios de viabilidad de cogeneración 6.1 Cogeneración. Introducción 6.2 Tecnologías de cogeneración Instalaciones de cogeneración

3 Estudios de viabilidad de cogeneración3 Bibliografía J.M. Sala Lizarraga, Cogeneración. Aspectos termodinámicos, tecnológicos y económicos.- Bilbao: Servicio Editorial Universidad del País Vasco, 1994. Bermúdez, Vicente et al., Tecnología Energética. Servicio de Publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia, Valencia, 2000. Directiva 2004/8/CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 11 de febrero de 2004 relativa al fomento de la cogeneración sobre la base de la demanda de calor útil en el mercado interior de la energía y por la que se modifica la Directiva 92/42/CEE. Bruselas: Diario Oficial de la Unión Europea, 21.2.2004, pp. L 52/50-L 52/60. Real Decreto 616/2007, de 11 de mayo, sobre fomento de la cogeneración. Madrid, BOE núm. 114 de 12 mayo 2007. Real Decreto 661/2007, de 25 de mayo, por el que se regula la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial. Madrid, BOE núm. 126 de 26 mayo 2007. A. Zabala: Implantación de las tecnologías más rentables para la cogeneración de energía. Energía, nov-dic 00, pp. 49-56, 2000. Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE). Boletín IDAE: Eficiencia Energética y Energías Renovables nº 8. Madrid, 2007. J. Hernández Grau, Manual para Estudios de Viabilidad de Cogeneración, Proyecto Fin de Carrera (sin publicar), ETSII de Cartagena, 1993. Ager Hortal, M. et al., El ahorro energético. Estudios de viabilidad económica. Ed. Díaz de Santos, Madrid, 2005.

4 Estudios de viabilidad de cogeneración4 6.1 Cogeneración. Introducción Definición Cogeneración es la generación simultánea en un mismo generador de energía eléctrica (o mecánica) y energía térmica útil. En su esquema más frecuente se recupera un flujo secundario o residual de un motor térmico para aplicaciones térmicas (generación de vapor o agua caliente, etc.). La opción de la cogeneración debe estudiarse en toda planta con consumos térmicos y eléctricos importantes. La industria, y en particular la química y otras afines, como la petroquímica, papelera, metalúrgica, etc., fue pionera en la aplicación de esta tecnología. La trigeneración es una variedad de la cogeneración consistente en la producción simultánea directa de energía mecánica-eléctrica, térmica a alta temperatura (calor) y térmica a bajas temperaturas (frío) por un mismo dispositivo de generación

5 Estudios de viabilidad de cogeneración5 6.1 Cogeneración. Introducción Fundamento de la cogeneración Un equipo de cogeneración provee a una instalación de toda o parte de la energía eléctrica y térmica que requiere: Si requiere energía adicional térmica: equipo convencional eléctrica: red eléctrica pública Los excedentes de energía eléctrica se vierten (y se venden) a la red pública. Los excedentes térmicos se disipan al medio ambiente Puede producir ahorros de energía primaria entre el 30 y 40 % respecto a un sistema convencional de aprovisionamiento de energía eléctrica y térmica

6 Estudios de viabilidad de cogeneración6 6.1 Cogeneración. Introducción Tipos básicos de cogeneración a) Ciclo de cabeza o toppingb) Ciclo de cola o bottoming

7 Estudios de viabilidad de cogeneración7 6.1 Cogeneración. Introducción Parámetros de eficiencia El coeficiente más utilizado para definir la eficiencia es el Factor de utilización del combustible (FUC) o rendimiento global de la planta de cogeneración La normativa española define el rendimiento eléctrico equivalente, en el que se considera la energía térmica cogenerada, V, minimizando el consumo de energía de combustión, Q, Relación o ratio calor/electricidad (RCE):  E = potencia energía eléctrica generada en bornes del alternador (o mecánica en el eje)  Q = consumo de energía primaria, referido al PCI del combustible  V = calor recuperado o cogenerado

8 Estudios de viabilidad de cogeneración8 6.2 Tecnologías de cogeneración Propulsores utilizados Se puede distinguir entre dos grandes grupos de propulsores utilizados en los ciclos de cabeza: los basados en motores térmicos los basados en dispositivos electroquímicos o termoeléctricos En la actualidad prácticamente todos los grupos de cogeneración industrialmente operativos pertenecen al primer grupo, basados en: turbina de vapor turbina de gas ciclo combinado turbina de gas-turbina de vapor motor de combustión interna alternativo (MCIA), en sus versiones de motor de encendido provocado (MEP) o de ciclo Otto motor de encendido por compresión (MEC) o diésel En el segundo grupo, todavía hoy en fase prácticamente experimental aunque con excelentes perspectivas en algún caso se encuentran: pila o célula de combustible, el más desarrollado células solares fotovoltaicas, no desarrollado de forma comercial

9 Estudios de viabilidad de cogeneración9 6.2 Tecnologías de cogeneración Combustibles Todos los combustibles pueden ser utilizados en plantas de cogeneración, si bien hay una ligazón entre el gas natural y el auge de la cogeneración. El combustible condiciona la selección del propulsor del grupo de cogeneración: Combustibles sólidos  motores de combustión externa (turbina de vapor) Motores basados en turbina de gas (incluye ciclo combinado) y MEP  combustibles exentos de impurezas: gas natural, GLP, gasóleos… MEC  gasóleos, fuelóleos y gaseosos (ciclos mixtos) Pila de combustible  combustibles con alto contenido en H (aunque es una tecnología aún en desarrollo) El empleo de energías renovables en cogeneración se puede realizar por utilización de todo tipo de biocombustibles: Biomasa sólida sin tratar  turbina de vapor Biomasa sólida gasificada  turbina de gas, MEP, turbina de vapor Biocarburantes  MCIA, turbina de gas, turbina de vapor Biogás (incluye gas de vertedero)  MEP, turbina de gas, turbina de vapor Hidrógeno (obtenido a partir de fuentes renovables)  pila de combustible, MEP, turbina de gas, turbina de vapor

10 Estudios de viabilidad de cogeneración10 6.2.1 Cogeneración con turbina de vapor La turbina de vapor es un motor térmico basado en el ciclo termodinámico de Rankine Dentro de este grupo se distingue tres tipos principales: contrapresión (p cond > p atm ) condensación (p cond < p atm ) extracción-condensación Los ciclos de contrapresión y condensación son muy parecidos; el de condensación se utiliza para temperaturas relativamente bajas (p.e. calefacción de distrito). El ciclo de extracción-condensación es el más versátil, al permitir una regulación de la generación de calor muy amplia sin merma en el rendimiento del grupo.

11 Estudios de viabilidad de cogeneración11 6.2.1 Cogeneración con turbina de vapor Diagrama de Sankey Diagrama de Sankey: representa los distintos flujos entrantes y salientes de energía. Da una idea de qué flujos son utilizables en cogeneración y en qué cuantía. Identifica las pérdidas energéticas Diagrama de Sankey de un grupo de cogeneración de turbina de vapor a contrapresión; de la energía química total del combustible se obtiene : 15% de energía mecánica-eléctrica 72 % de calor útil Los grupos de turbina de vapor son adecuados para alta demanda térmica y baja demanda eléctrica

12 Estudios de viabilidad de cogeneración12 6.2.1 Cogeneración con turbina de vapor Ciclo de cola Consiste en recuperar un flujo térmico residual para generar energía eléctrica o mecánica mediante un ciclo de vapor (también puede ser de gas, un expansor, etc.) Se requiere flujos de alta entalpía: temperaturas superiores a 300 ºC.

13 Estudios de viabilidad de cogeneración13 6.2.2 Cogeneración con turbina de gas Esquema general Un sistema de cogeneración con turbina de gas en el caso más general consta básicamente de un motor turbina de gas una caldera de recuperación, en la que se genera un fluido térmico, aprovechando la energía contenida en los gases de escape. una cámara de postcombustión (en su caso).

14 Estudios de viabilidad de cogeneración14 6.2.2 Cogeneración con turbina de gas Balance energético Diagrama de Sankey de instalación típica de cogeneración de turbinas de gas de ciclo simple con post-combustión. Sin tener en cuenta la postcombustión Potencia eléctrica: 27% Calor cogenerado (alta temperatura): 53%

15 Estudios de viabilidad de cogeneración15 6.2.3 Cogeneración con ciclo combinado Esquema general Un ciclo combinado turbina de gas-turbina de vapor consiste en esencia en una turbina de gas, donde se produce una combustión de cabeza o topping, y una turbina de vapor alimentada por vapor generado en una caldera de recuperación de los gases de exhaustación de la turbina de gas.

16 Estudios de viabilidad de cogeneración16 6.2.3 Cogeneración con ciclo combinado Características La energía mecánica-eléctrica se obtiene en sendos generadores acoplados a las turbomáquinas de las turbinas de gas y vapor La energía térmica útil o calor de cogeneración se obtiene del ciclo de vapor, pudiendo éste ser de contrapresión, condensación o extracción-condensación Parámetros: Alto FUC y REE Baja relación calor-electricidad Plantas de gran potencia

17 Estudios de viabilidad de cogeneración17 6.2.4 Cogeneración con Motor de Combustión Interna Alternativo. Esquema Energía Eléctrica Gases de Escape: 200 o C a 250 o C Recuperador de Calor Eficiencia Térmica Total - Aprox. 70% VAPOR = 0,5 t/MWh Eficiencia de conversión a Energía Eléctrica del 34 al 40% Generador Fluido a Calentar Combustible Motor Combustión Interna Alternativo Vapor Baja Presión= 10 a 15 kg./cm 2 Agua Caliente de 80 o C a 100 o C

18 Estudios de viabilidad de cogeneración18 6.2.4 Cogeneración con Motor de Combustión Interna Alternativo Diagrama de Sankey El diagrama energético de un MCIA muestra tres flujos utilizables Trabajo útil (35%) Calor obtenido en la caldera de recuperación a partir de la entalpía de los gases de escape – alta temperatura (27%) Calor aprovechado del sistema de refrigeración del motor – baja temperatura (18%) FUC = 80%

19 Estudios de viabilidad de cogeneración19 Pilas de combustible Dispositivo electroquímico que transforma directamente y de forma continuada la energía química almacenada por un combustible en energía eléctrica. Principio de funcionamiento inverso a la electrólisis Constituida por un conjunto de celdas apiladas. El combustible ideal es el hidrógeno, generado, a partir de hidrocarburos (HC) o por electrolisis. No produce prácticamente emisiones nocivas, (NOx, SOx,...). El nivel de ruido también es muy bajo. En la actualidad son muy caras y voluminosas. Ya existen en el mercado pilas de baja potencia, aptas incluso para usos domésticos.

20 Estudios de viabilidad de cogeneración20 Pilas de combustible Características del proceso La pila de combustible tiene tres características relevantes como convertidor energético : Proceso altamente eficaz al convertir portadores de energía química (hidrógeno, metano, gas natural…) directamente en energía eléctrica, sin combustión. El rendimiento eléctrico se sitúa en la actualidad entre el 30 y 40%, que se espera pueda aumentar a corto plazo; combinada con otras tecnologías la pila de combustible puede sobrepasar el 60%. La reacción es exotérmica, produciendo un flujo térmico utilizable, que equivale al 30- 40% de H f y permite rendimientos globales de cogeneración de hasta el 80%. Puede incluirse en el sistema postcombustión convencional.

21 Estudios de viabilidad de cogeneración21 6.3 Estudios de viabilidad de cogeneración Fases del proyecto La implantación de una cogeneración requiere una serie de actuaciones y estudios previos técnico-económicos cuyo resultado final debe ser la toma de decisión de si se acomete o no la actuación y con qué tipo de tecnología.

22 Estudios de viabilidad de cogeneración22 El estudio de factibilidad o estudio previo de viabilidad es un estudio preliminar, basado en las “grandes cifras” de consumos energéticos de la industria, que va a servir para indicar el posible interés de abordar un estudio más detallado, y en qué sentido o bajo qué premisas. La demanda conjunta de calor y electricidad sea lo suficientemente importante y continua. Límite mínimo de horas de demanda energética entre 3.500 y 4.000 horas/año  dos turnos de 8 horas diarios durante cinco días a la semana. Necesidades de potencia eléctrica > 500 kVA, si bien esta cifra últimamente es a la baja. Relación entre el calor y electricidad demandada sin variaciones bruscas. Necesidades de combustible sean superiores a una media de 500 termias/h. Las necesidades de calor inferiores a 500 ºC. En algunos casos donde se requiera calor a más de 500ºC pueden tener aplicación los sistemas de cogeneración basados en el aprovechamiento de calores residuales (ciclos de cola) Disponibilidad de gas natural. Cumplir el Rendimiento Eléctrico Equivalente para la tecnología más apropiada 6.3 Estudios de viabilidad de cogeneración Estudios de factibilidad

23 Estudios de viabilidad de cogeneración23 6.3 Estudios de viabilidad de cogeneración Rendimiento Eléctrico Equivalente REE exigido para grupos de cogeneración (R.D. 436/2004) Combustible y propulsorREE (%) Combustibles líquidos en centrales con calderas49 Combustibles líquidos en motores térmicos56 Combustibles sólidos49 Gas natural y GLP en motores térmicos55 Gas natural y GLP en turbinas de gas59 Otras tecnologías y/o combustibles59

24 Estudios de viabilidad de cogeneración24 6.3 Estudios de viabilidad de cogeneración Estudios de viabilidad: esquema general Es un análisis en profundidad del sistema energético de la planta (demandas, aprovisionamiento, estado de las instalaciones, etc.), para, una vez optimizado éste, discernir el proyecto de cogeneración idóneo y la viabilidad económica del mismo.

25 Estudios de viabilidad de cogeneración25 6.3 Estudios de viabilidad de cogeneración Estudios de viabilidad: puntos relevantes Los puntos más relevantes del estudio de viabilidad son: determinar de la forma más exacta posible en el tiempo las demandas de energía térmica y eléctrica de la instalación a abastecer. En la mayoría de los casos, en instalaciones existentes, deberá medirse en días tipo convenientemente elegidos los consumos en la planta. establecer el punto de diseño del grupo de cogeneración (par de valores potencia eléctrica/potencia térmica) y el REE de la planta una vez se hubiera implantado éste. Para ello se parte de los datos anteriores, sin embargo, en general, no se satisfacen simultáneamente ambas demandas, por lo que muchos puntos de diseño son posibles. Además, es frecuente que el sistema de cogeneración conviva con otros sistemas de aprovisionamiento energético convencional, por lo que es preciso establecer los niveles de demanda térmica y eléctrica que se quiere satisfacer con el grupo de cogeneración. El punto de diseño elegido debe proporcionar un REE que, al menos, cumpla con los requisitos legales. elegir el tipo de propulsor, y en menor medida el combustible, adecuado. Existen diversas configuraciones posibles de cogeneración para un mismo punto de diseño, y en general, habrá que realizar simulaciones con diversas opciones hasta encontrar la adecuada. realizar un estudio económico y análisis de sensibilidad riguroso, en el que se contemplen todos los factores que intervienen en la operación del grupo de cogeneración y la instalación en la que se ubica.

26 Estudios de viabilidad de cogeneración26 6.3 Estudios de viabilidad de cogeneración Comparativa de propulsores

27 Estudios de viabilidad de cogeneración27 6.3 Estudios de viabilidad de cogeneración Comparativa de propulsores (2)