Gestión Energética en la Industria Ingeniero Químico Lección 2 Fuentes de energía convencionales Mariano Alarcón PARTE I. FUENTES DE ENERGÍA

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales2 Lección 2. Fuentes de energía convencionales 2.1 Combustibles fósiles sólidos: el carbón 2.2 Combustibles fósiles líquidos: hidrocarburos derivados del petróleo 2.3 Combustibles gaseosos Tipos de combustibles gaseosos Intercambiabilidad de combustibles gaseosos 2.4 Energía eléctrica 2.5 Criterios para la elección del aprovisionamiento energético de la industria

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales3 Bibliografía n Manuales Técnicos y de Instrucción para conservación de energía, 1. Combustibles y su combustión.-- Madrid: Ministerio de Industria y Energía. Centro de Estudios de la Energía, n Muñoz Cobo, J.L. et al., Tecnología Energética.- Valencia: Servicio de Publicaciones de la UPV, n Andrés y Rodríguez-Pomatta, J.A. de y García, M., Calor y Frío Industrial, (2 Tomos). Ed. U.N.E.D., Madrid,

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales4 Biomasa Naturales Turbas Fósiles Lignitos SóIidos Hullas Antracita Coques Artificiales Densificados, briquetas Carbón vegetal n Los combustibles sólidos son, en general, materiales heterogéneos compuestos por una gran variedad de sustancias. n El carbón es el nombre genérico del combustible fósil por excelencia; es un mineral u no es una sustancia pura ni tiene una composición uniforme, por tanto no se le podrá dar una fórmula química definida. u se encuentra acompañado por otros minerales estériles, u su composición depende en gran medida de la procedencia del yacimiento. 2.1 Combustibles sólidos: tipos y propiedades más relevantes Naturaleza y tipos

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales Composición En general en la composición de un carbón se distingue entre n análisis inmediato (macroscópico) n análisis elemental (composición másica de los elementos químicos) Análisis inmediato Se emplea para caracterizar los carbones en aplicaciones industriales. Se incluyen los porcentajes en peso de: n Humedad: puede ser superficial, ocluida en los poros, o combinada químicamente. Las dos primeras se desprenden al calentar la muestra en estufa, dejando la muestra seca. n Estériles o cenizas: derivadas de las impurezas minerales n Materias volátiles: gases obtenidos en la pirólisis del carbón. Contienen sustancias combustibles, y tienen gran importancia en las características de la combustión del carbón n Carbono fijo: el que resulta de la pirólisis, descontadas las cenizas

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales Composición (2) Análisis elemental n En general se refiere a base seca; hay que conocer con precisión la referencia del análisis. n Por lo general, la composición se expresa en fracciones másicas (c, h, s, n, o, w y a : 0/1 en C, H, S, N, O, agua y cenizas, resp.)  n Elementos combustibles: C, H, S n Elementos no combustibles: N, O, agua, cenizas y escoria n A veces el contenido en agua no se da en forma explícita, w, sino que se da H y O total.

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales Composición (3) n Carbono total: De la sustancia orgánica y carbonatos minerales. Es la suma del carbono fijo (sin combinar) y del contenido en las materias volátiles. El primero es el que no destila cuando se calienta un carbón. n Hidrógeno: En forma de compuestos orgánicos, humedad y agua de constitución de los silicatos de la materia mineral. n Azufre: Los carbones contienen S en cantidades apreciables, que aumentan a menor calidad. Su presencia produce sus inconvenientes : u forma óxidos corrosivos u en porcentajes elevados puede formar escorias u sus emisiones provocan lluvias ácidas. n Nitrógeno: Se encuentra en pequeñas cantidades, procedente de combinaciones orgánicas. Es un estéril y produce NOx n Oxígeno: Rebaja la potencia calorífica del combustible, aunque contribuye a las necesidades del aire de combustión. Análisis elemental Muestra seca Carbón puro Carbono83,4685,86 Hidrógeno4,734,87 Nitrógeno1,551,6 Azufre0,580,59 Ceniza2,80- Oxigeno6,887,08 Total100,0 Tabla 1. Análisis elemental de un carbón

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales Poder calorífico n Se determina experimentalmente en la bomba calorimétrica n Existen una serie de fórmulas semiempíricas para determinar el poder calorífico, a las que se atribuye un error < 1,5 %, y que están basadas en el análisis elemental del combustible, referido a base seca (sin agua). La más conocida es la de Dulong: PCS = c (h - o/8) s kJ/kg PCI = PCS – 2501,4 (9h+w) kJ/kg

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales Características generales de los carbones Carbon o % Hidrógen o % Oxígeno y Nitrógeno % Volátiles % P.C.S. (kcal/kg) Edad (106 años) Madera Turba a 10 Lignito fibroso Lignito común Lignito bituminoso Hulla seca llama larga75-804,5-5,512, a a 250 Hulla grasa llama larga (gas) Hulla grasa ,55, Hulla grasa llama corta (cok) ,5-5,55, Hulla magra antracitosa ,53-5,58-18 Antracita

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales El coque. Características generales El coque del carbón o del petróleo son residuos carbonosos que resultan de la pirólisis (acción del calor en ausencia del oxígeno) de ambos combustibles. Se usan también en procesos químicos como reductores.

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales11 Gasolinas y naftas Gasóleo Derivados del petróleo Queroseno Combustibles líquidos Fuelóleo Residuales Biocombustibles n Los combustibles líquidos más extendidos derivan del petróleo crudo, que raramente se usa como combustible. n Los combustibles residuales y biocombustibles se estudian en lecciones posteriores. 2.2 Combustibles líquidos: tipos y propiedades más relevantes Clasificación

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales12 n Los combustibles líquidos más extendidos se extraen normalmente del petróleo crudo, o simplemente crudo, mediante procesos de destilación y craqueo en unidades atmosféricas, presurizadas o catalíticas. n El petróleo crudo o crudo es un combustible fósil procedente de la acción de microorganismos durante millones de años sobre materia orgánica ocluida en estratos geológicos a elevadas presiones y temperaturas. n El crudo es una mezcla heterogénea de hidrocarburos de distinta longitud de cadena (de volátiles a cadenas de más de 50 C) y diversos tipos (parafinas, olefinas, aromáticos, etc.) n La composición del crudo, y por tanto las fracciones de derivados que se pueden obtener, depende en gran medida del yacimiento Hidrocarburos derivados del petróleo El petróleo crudo

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales Composición n Los hidrocarburos derivados del petróleo son mezclas de hidrocarburos de distintos tipos y números de carbonos. n La composición se da habitualmente en fracciones de masa (composición elemental), debiendo conocerse la referencia (base seca, húmeda, etc.). Aparecen prácticamente los mismos elementos que en el carbón, aunque con mayor porcentaje de C y H y menor de S. n El agua, en forma de minúsculas gotas, y otros tipos de impurezas, se encuentran en suspensión en todos los combustibles líquidos y particularmente en los residuales. n En ciertos casos se establecen “combustibles de sustitución”, representativos del comportamiento de la mezcla: octano (C8H18) para la gasolina; dodecano (C12H26) para el gasóleo, etc.

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales Poder calorífico n Como en el caso de combustibles sólidos, se determina experimentalmente en la bomba calorimétrica n También existen fórmulas semiempíricas aproximadas partiendo del análisis elemental u otras propiedades del combustible determinar el poder calorífico: PCS = c ,5(h– o/8) ,5 s (kJ/kg comb.) PCI = PCS –(2.501,4 w h) (kJ/kg comb.) n Otras expresiones para el poder calorífico inferior: PCI = – c/h–29.302s (kJ/kg) n Otras expresiones dan el PC en función de la densidad del combustible, d, a 15ºC: PCS = – d2 (kJ/kg) PCI = – c/h– s (kJ/kg) n Expresiones aproximadas de la densidad son d = 0’25 + 0’0913 c/h (kg/dm3) 100 h = 25 –15 d (kg/m3)

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales Viscosidad de combustibles líquidos La viscosidad es una característica muy relevante en los combustibles líquidos, en particular por lo que se refiere a su manipulación condiciones de utilización en instalaciones de combustión. Esta propiedad es muy dependiente de la temperatura

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales16 Características de los combustibles líquidos industriales COMBUSTIBLEGasóleoFuelóleo n. 1Fuelóleo n. 2 Colorazulnegro Viscosidad5,5 cSt a 37,8ºC7-14ºE a 50ºC50ºE máx a 50ºC Azufre0,9% máx.2,5% máx.3,6% máx. Punto de inflamación65ºC mín.70ºC mín. Agua y sedimento0,1% máx. vol.1% máx. vol.1,75% máx. vol. Agua0,035% máx. vol.0,75% máx. vol.1,5 % máx. vol. PCS (kcal/kg) PCS (kJ/kg)43.115, , PCI (kcal/kg) PCI (kJ/kg) ,

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales17 Gas Natural Gases licuados petróleo Propano (G. L. P.) Butano Gaseosos Gases artificiales Gas pobre, de agua, de horno alto, etc. y manufacturados Residuales Hidrógeno Biogás y gas de vertedero n Son, en general, mezclas de hidrocarburos gaseosos y/o sustancias reductoras, como CO y H 2. n Se obtienen de los pozos de gas natural o se producen en ciertos procesos químicos y/o biológicos. 2.3 Combustibles gaseosos: tipos y propiedades más relevantes Tipos Clasificación

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales Gas natural n Se encuentra en yacimientos similares a los del petróleo, al que acompaña frecuentemente. n Su componente principal es el metano (>90%), y en mucha menor proporción se encuentran etano, propano y butano, además de otros compuestos. n Las proporciones de cada componente dependen mucho de la procedencia del gas.

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales Gases licuados del petróleo (G.L.P.) n Los gases licuados se obtienen en las operaciones de refino del petróleo. Se distribuyen en forma líquida en botellas o camiones-cisterna. Recientemente, se está desarrollando en España una red de GLP canalizado. El propano, debido a su mayor presión, se emplea principalmente en la industria y el butano para usos domésticos.

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales Gases manufacturados y de procesos industriales Los gases combustibles artificiales manufacturados engloban combustibles procedentes de distintos procesos de gasificación de combustibles sólidos: carbón, coque, biomasa, etc. De igual forma, ciertos procesos industriales y mineros (siderurgia, minería del carbón, refino del petróleo, etc.) producen gases igualmente combustibles, que pueden ser aprovechados normalmente en la misma planta o instalaciones cercanas. Todos ellos se caracterizan por ser mezclas de gases con diverso contenido en H 2, CO, hidrocarburos de cadena corta, fundamentalmente, CH 4 e inertes; su participación en la mezcla depende de la materia prima y del proceso. Su potencia calorífica es relativamente pequeña. A pesar de la difusión del gas natural, siguen teniendo interés para la gasificación de combustibles sólidos fósiles o de biomasa y en aplicaciones específicas.

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales21 Gases manufacturados y de procesos industriales. Tabla Gas deH2COCH4CnHmCO2N2O2densidad (kg/m3N) Dens. relativa PCS (kJ/kg) Alumbrado8,4723,7340,6810,177,469,490.50, Coquerío9,7619,1542,67,668,0312,520,280,560, Aire o de gasógeno 11,330,551,94-857,600,781, Agua o azul6,61672,130,8-1,37,910,7110, Agua carburado 4,2852,089,9211,8512,409,470,7760, Ciudad7,6532,1626,956,913,4812,860,650, Acerería0,154,51-25,0320,361, Horno Alto0,2121,39-28,9849,421,

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales Gases licuados del petróleo diluidos: aire propanado y aire butanado Son mezclas de GLP con aire en distintas proporciones, de forma que no resulten tóxicas ni detonantes (también aire metanado gas natural ). Se desarrollaron para evitar los peligros de recondensación del butano, al disminuir la presión de vapor del gas. Las propiedades de las mezclas son las correspondientes a su composición

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales Gases residuales del refino del petróleo Después de separar el butano y propano quedan unos gases que no pueden transformarse económicamente en gasolinas u otros productos. Su composición varía ampliamente según el crudo y proceso de refino seguido.

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales El hidrógeno El hidrógeno posee excelentes características como combustible elevadísimo PCS respecto a la unidad de masa ausencia de emisiones contaminantes También muestra grandes inconvenientes como bajo contenido energético a bajas y medias presiones carácter explosivo, que hace muy problemático su almacenamiento y manipulación no existe en la naturaleza en estado libre en proporciones importantes alto precio. Existen distintos procedimientos para su obtención: electrólisis del agua: es el más desarrollado; descompone el agua en hidrógeno y oxígeno, mediante la aplicación de una corriente eléctrica. La eficiencia del proceso de electrólisis es del orden del 70%. fotolisis: unos electrodos semiconductores absorben la luz solar y descomponer directamente el agua mediante una reacción química Está considerado como uno de los vectores energéticos del futuro inmediato, siendo obtenido a partir de fuentes renovables de las que actuaría como almacén.

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales El hidrógeno (2) El hidrógeno como combustible presenta una serie de propiedades: arde más fácilmente que los hidrocarburos, porque es más ligero y entra más fácilmente en la combustión; tiene baja energía de activación e incurre en más colisiones moleculares que las moléculas pesadas de otros combustibles mezcla bien con gasolina, gasóleo y otros combustibles, mejorando su combustión por el aumento de la velocidad de descomposición de las cadenas largas de hidrocarburos, que son fragmentadas en cadenas más cortas Por lo que se refiere a la utilización del H 2 en los MCIA, el número de cetano del H 2 es 0, por lo que su utilización en MEC es muy problemática el hidrógeno se puede combinar con gasolina, etanol o gas natural para conseguir importantes ventajas en el aprovechamiento energético de estos combustibles y disminuir su impacto ambiental se produce una mejora en la eficiencia debido a la mejora en el proceso de combustión; ciertos ensayos con mezclas gasolina-hidrógeno [Díaz] la cifran entre un 5 y 10% las emisiones disminuyen drásticamente, un 5% de hidrógeno en la mezcla de gasolina y aire de un motor de combustión interna reduce las emisiones de óxido de nitrógeno entre un 30% y un 40%.

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales Propiedades de los combustibles gaseosos. Composición Las propiedades, reacciones de combustión, etc. de los combustibles gaseosos se determinan en función del número de gases que entren en la composición y/o reacción. En primera aproximación pueden considerarse como gases perfectos. El error que se introduce en los cálculos al considerar a los gases como perfectos es de un 1 % para el etano, un 2 % para el propano y un 4 % para el butano normal. El consumo mínimo de oxígeno se obtiene sumando los consumos de oxígeno para cada gas. Las concentraciones y cantidades de cada componente de los humos se obtienen igualmente por suma de cada tipo de componente en los humos de cada gas. La composición se da habitualmente en fracciones molares o volumétricas.

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales Poder calorífico de los combustibles gaseosos Se suele expresar en kJ/Nm 3 o kcal/Nm 3 y está relacionado directamente con la composición y el PC de cada componente. En función de las fracciones molares, x i, de distintos gases, en general, se puede escribir PCS =  PCS i x i El PCI de un gas se obtiene restando la entalpía de condensación al PCS. Si se llama n H al número de átomos de hidrógeno PCI =  PCI i x i = PCS – (n H /2)  18  2501,4/22,4 (kJ/kg)

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales28 Propiedades de diversos gases combustibles GasMasa molec. (kg/kmol) Vol. esp. (kg/Nm3) PCS (kJ/Nm3) PCS (kJ/kg) PCI (kJ/Nm3) PCI (kJ/kg) Hidrógeno211, Metano161, Etano300, Propano440, Butano580, CO280,

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales lntercambiabilidad de combustibles gaseosos Los principales problemas que pueden plantearse en un quemador son: Combustión incompleta: aportación adecuada de aire primario Retorno de la llama Desprendimiento de la llama La estabilidad depende del contenido en H 2 de la mezcla aire-gas, al ser la velocidad de la llama muy dependiente de aquél. Dos gases son intercambiables cuando para un quemador determinado mantienen las mismas características de combustión con las mismas condiciones de suministro, presión y temperatura. Para determinar la intercambiabilidad de los gases, se establecen unas relaciones entre el gasto calorífico y el potencial de combustión. Las principales son índice de Wobbe (W) índice de Delbourg (C)

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales lntercambiabilidad de combustibles gaseosos (2) Índice de Wobbe y familias de combustibles gaseosos Atendiendo al concepto de intercambiabilidad de combustibles, los gases se clasifican en tres familias (W en kJ/m 3 N) 1. Primera familia: < W < Pertenecen a esta familia los gases manufacturados, y el aire propanado y butanado de alta dilución. 2.Segunda familia: < W < Pertenecen a esta familia el gas natural, y el aire propanado y butanado de baja dilución. 3. Tercera familia: < W < Pertenecen a esta familia los gases licuados del petróleo Índice de Wobbe (W) :, siendo densidad relativa resp. al aire

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales31 El índice de Delbourg (C) viene determinado por la expresión: a, U y V son parámetros para cada gas combustible y los corchetes composición centesimal de cada componente. Este parámetro está relacionado principalmente con las características de la llama formada (estabilidad, temperatura, forma, etc.). Sus valores se encuentran tabulados para los gases más frecuentes lntercambiabilidad de combustibles gaseosos (3) Índice de Delbourg y Diagrama de intercambiabilidad de un quemador El diagrama de intercambiabilidad establece para un quemador determinado la región de pares de valores ( C, W) de los gases a quemar que entran dentro del rango de funcionamiento normal del quemador.

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales Electricidad n Es el vector energético clásico para la obtención de energía mecánica (motores eléctricos) e iluminación, con múltiples aplicaciones. También se emplea en hornos eléctricos y procesos electroquímicos. n Sus grandes ventajas son su versatilidad y la facilidad y pequeño coste de transporte, incluso para elevadas potencias. Su gran inconveniente es el coste, incluidas las infraestructuras necesarias para el suministro. n La energía eléctrica está disponible … u en amplias redes de distribución en forma de corriente alterna a una frecuencia de 50 Hz (Europa ) u en suministros de F baja tensión (<1 kV) F media tensión (1< V <36 kV) F alta tensión (>36 kV) n Es una forma de energía relativamente segura, siempre y cuando u la instalación esté bien diseñada y dimensionada u se realice un adecuado mantenimiento y revisiones

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales Electricidad (2) n La ley 54/1997 distingue entre las actividades de u Transporte (alta tensión: Red Eléctrica Española) u Distribución (red de media tensión: distribuidoras regionales) u Comercialización (gestión y provisión de energía para consumos por usuarios)

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales Electricidad (3) n La autogeneración/cogeneración está cada vez más extendida en la industria u Autogeneración: la industria posee un generador eléctrico, accionado por un motor, con el que se abastece de esta energía. u Cogeneración: generación simultánea de energía mecánica/eléctrica y térmica. F además de producir energía eléctrica, se aprovechan los flujos térmicos secundarios o residuales para su aplicación a procesos. F forma de generación energética de muy elevada eficiencia F se puede verter (“vender”) los excedentes de energía eléctrica a la red, a un precio muy interesante (Régimen especial) u Un aspecto a tener en cuenta es la calidad del suministro eléctrico, que es función del número de cortes o microcortes, variación de la tensión y/o frecuencia de suministro, fuera de los rangos autorizados, etc. n Otro aspecto relevante es la selección de la tarifa  siempre es ventajoso el suministro a mayor tensión, aunque también implica una instalación eléctrica interior más costosa (transformadores, seguridades, mantenimiento, etc.)

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales Criterios para la selección del aprovisionamiento energético n Abastecimiento o aprovisionamiento energético de una instalación: conjunto de vectores de energía de que se dispone para satisfacer las necesidades de la planta. n Casi siempre es posible distinguir entre las necesidades de energía térmica (calor para aplicación de temperatura a un determinado proceso) y eléctrica (accionamiento de maquinaria, iluminación, procesos electroquímicos, etc.). n La elección de un combustible para un proceso está condicionada por : u de índole interna: F Tipo de generador a emplear F Peculiaridades propias del proceso o producto a obtener u de ámbito externo F Disponibilidad. F Condicionantes del suministro. F Precio y tendencias del precio. F Peligrosidad de almacenamiento y manipulación. F Potencial contaminante.

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales36 Red de gasoductos de la Región de Murcia Disponibilidad. Región de Murcia Combustibles sólidos: carbón escasa; coque mejor biomasa asequible Combustibles fósiles líquidos: camiones cisterna Combustibles gaseosos: Gas natural: gasoductos y plantas satélites GLP: botellas y a granel por camiones cisterna Electricidad: redes eléctricas de hasta 400 kV

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales37 Redes europeas de gasoductos

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales38 Coste y tendencia. Peligrosidad de almacenamiento y manipulación Fuelóleo y gasóleo Su empleo no presenta riesgo de explosiones, pues posee una baja inflamabilidad especialmente a bajas temperaturas. Propano Si la instalación es la adecuada el riesgo de incendios y posibles explosiones es mínimo. Gas natural (canalizado) Si el material empleado en la instalación está homologado el riesgo de fugas y posibles explosiones es mínimo. Los precios de los combustibles líquidos están sometidos a una alta volatilidad, con una tendencia clara al alza en los últimos años (en 2007 se han superado los 80$/barril de Brent) El resto de precios de la energía están ligados a éste; los que menos los del carbón Peligrosidad de almacenamiento y manipulación

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales39 Potencial contaminante Fuelóleo-. Producen SO 2, que se pueden reducir utilizando fuelóleo BIA (< 1% S). -. Problemas de regulación de los quemadores  humos negros. -. Suciedad de manejo. Gasóleo-. Producen SO 2, aunque en mucha menor cantidad que los fuelóleos. -. Suciedad de manejo, aunque en menor grado que el gasóleo. Propano-. Mínima proporción de SO 2 -. No produce residuos sólidos. Es un combustible bastante limpio. Gas natural-. Carece de azufre y su contenido en inertes es nulo. -. No produce residuos sólidos (carbonilla) durante la combustión. -. Es la energía primaria menos contaminante en todas sus etapas: extracción, transporte, distribución y combustión. Fuelóleo > Gasóleo > Propano > Gas natural

Lec 2. Fuentes de energía de convencionales40 Ejemplo Sea un gas de gasógeno de composición n H 2 : 14% n N 2 : 50,9% n CO 2 : 4,5% n CO: 27% n O 2 : 0,6% n CH 4 : 3% Determinar 1.PCS y PCI del combustible 2.Indice de Wobbe 3.Masa de CO 2 generado en la combustión