Generadores de Ciclo Rankine Orgánico

WHG125 - Diseño Estructural Turbo Expansor Flujo de entrada radial de etapa simple 30,000 rpm Requisitos energéticos: 835 kW Temp. Mínima: 121°C Carácterísticas energéticas PE modulado en estado sólido programable según requisitos del cliente. Salida 380-480V línea-a-línea rms 3 fases 4 hilos 50/60 Hz Generador Alternador magnético de alta velocidad bipolar de tierras raras a 125 kW brutos Refrigerante – R245FA

Producción de Electricidad Turbina de agua (Hidro-turbina) El fluido operativo es agua Turbina de vapor Ciclo Rankine – Antes de pasar por la turbina, el agua se convierte en vapor El fluido operativo es agua (Vapor: agua en fase gaseosa) 3

Ciclo Rankine Vapor CALDERA (o Evaporador) CONDENSADOR Agua 4

Cómo funciona Condensador de evaporados Evaporador Bomba Generados 125 kW R245fa Fuente de calor 190ºC 835 kW Condensador de evaporados Evaporador Bomba 5

Cómo funciona – La bomba aumenta la presión Generador 125 kWe R245fa Líquido 29ºC 26 psig Fuente de calor 190ºC 835 kW Economizador Condensador de evaporados Evaporador Líquido 29ºC 230 psig Receptor Bomba El fluido operativo se encuentra en el receptor en estado líquido a presión y temperatura de condensación. Accede a la bomba donde se incrementa la presión del fluido hasta alcanzar la presión de evaporación. 6

Cómo funciona – Precalentamiento del fluido Generador 125 kWe R245fa Líquido 29ºC 26 psig Fuente de calor 190ºC 835 kW Economizador Condensador de evaporados Evaporador Líquido 48ºC 220 psig Líquido 29ºC 230 psig Receptor Bomba El fluido operativo pasa a través de un intercambiador de calor (Economizador) para aprovechar el calor del gas que sale del módulo de energía integrado IPM. Esto mejora la eficiencia del sistema. El fluido operativo es ahora un líquido calentado y a alta temperatura. 7

Cómo funciona - Evaporación Generador 125 kWe R245fa Vapor 116ºC 220 psig Líquido 29ºC 26 psig Fuente de calor 190ºC 835 kW Economizer Condensador de evaporados Evaporador Líquido 48ºC 220 psig Líquido 48ºC 220 psig Líquido 29ºC 230 psig Receptor Bomba El fluido operativo accede al Evaporador, donde se ve expuesto al calor residual, que evapora el fluido operativo hasta convertirse en vapor a alta presión. 8

Módulo de energía integrado IPM Cómo funciona– Producción de electricidad Generador 125 kWe R245fa Módulo de energía integrado IPM Vapor 116ºC 220 psig Vapor 63ºC 26 psig Líquido 29ºC 26 psig Fuente de calor 190ºC 835 kW Economizador Condensador de evaporados Evaporator Líquido 48ºC 220 psig Líquido 48ºC 220 psig Líquido 29ºC 230 psig Receptor Bomba El fluido operativo (ahora vapor) entra en la turbina del IPM. La presión del fluido desciende en la turbina hasta presión de condensación, haciendo girar durante este proceso la turbina (que está conectada al generador). La potencia de giro se debe a la diferencia de presión en turbina. 9

Cómo funciona - Economizador Generador 125 kWe R245fa Vapor 116ºC 220 psig Vapor 63ºC 26 psig Vapor 29ºC 26 psig Líquido 29ºC 26 psig Fuente de calor 190ºC 835 kW Economizador Condensador de evaporados Evaporador Líquido 48ºC 220 psig Líquido 48ºC 220 psig Líquido 29ºC 230 psig Receptor Bomba El fluido operativo aún conserva una enorme cantidad de calor, una parte del cual se transfiere al líquido bombeado al Economizador. Esto coopera en dos sentidos: 1) Este exceso de calor hubiera llegado al condensador y; 2) El evaporador requerirá menos calor, dado que el líquido ya habrá sido precalentado. 10

Cómo funciona - Condensación Generador 125 kWe R245fa Vapor 29ºC 26 psig Vapor 116ºC 220 psig Vapor 63ºC 26 psig Vapor 29ºC 26 psig Líquido 29ºC 26 psig Fuente de calor 190ºC 835 kWH (Atmósfera) Aire 24ºC Bola Húmeda Economizador Condensador de evaporados Evaporador Líquido 48ºC 220 psig Líquido 48ºC 220 psig Líquido 29ºC 230 psig Receptor Bomba El fluido operativo (vapor aún) fluye hacia el condensador donde se le extrae el calor, recuperando así su forma líquida por condensación. 11

Cómo funciona – A punto para repetir Generador 125 kWe R245fa Vapor 29ºC 26 psig Vapor 116ºC 220 psig Vapor 63ºC 26 psig Vapor 29ºC 26 psig Líquido 29ºC 26 psig Fuente de calor 190ºC 835 kW (Atmósfera) Aire 24ºC Bola Húmeda Economizador Condensador de evaporados Evaporador Líquido 48ºC 220 psig Líquido 48ºC 220 psig Líquido 29ºC 230 psig Receptor Bomba El fluido operativo ya líquido a baja presión regresa al receptor y se encuentra a punto para ser bombeado de nuevo a alta presión y volver a acceder al módulo de energía integrado IPM. 12

Generador de recuperación de calor residual WHG125 Convierte calor residual de baja temperatura (min 121°C) en 125kW de energía eléctrica bruta. Emplea Ciclo Rankine Orgánico, similar al ciclo de vapor, sustituyendo el agua por fluido orgánico (menor temperatura de vaporización) El calor residual es una enorme fuente de energía: más del 50% de pérdidas residuales en industria son calor y residuos de equipos asociados. (Calderas, conducciones de vapor, motores, hornos, fundiciones)

Ventajas del WHG125 Usando un turboexpansor y un generador de alta velocidad se obtiene mayor eficiencia en la conversión energética. El sistema se conecta sincronizadamente a la red energética sin necesidad de añadir otros equipos. La instalación estándar del generador WHG125 minimiza los casos de montajes “a la carta” típicamente asociados a las ORC’s (Organic Rankine Cycles)

Beneficios del WHG125 El equipo consume CERO combustible adicional, y produce CERO emisiones. El Producto y su tecnología justifican la inversión económica dado que permiten usar calor residual de baja temperatura. Se obtienen compensaciones económicas adicionales a través de: Incentivos referentes a energías renovables Ahorro de combustibles fósiles Aumenta sobretodo la eficiencia de generadores y procesos industriales

Sectores Vertederos Petróleo & Gas Red energética Gas Natural & GLP Calefacción Calderas de biomasa Antorchas de gas 16 Combustión de madera Residencial Escuelas 16

Gases residuales / Refrigerantes Calcinación oxidante Aplicaciones Gases residuales / Refrigerantes Calcinación oxidante Pilas electroquímicas Chimeneas de calderas Antorchas Hornos de cinta transportadora Incineradores comerciales Energía solar 17

+ Configuraciones del Evaporador Evaporador de Calor Residual Directo: Transferencia directa del calor, desde la fuente de calor al fluido operativo Indirecto – Se emplea un paso intermedio de transferencia térmica entre la fuente de calor y el fluido operativo (Ej. Aceite térmico, agua caliente, vapor) Intercambiador de calor de gases residuales + Intercambiador de calor de gases residuales Intercambiador de calor de placa cobresoldada 18

Opciones de Condensador Torre de refrigeración Condensador evaporados Aguas subterráneas Embalses o lagos Air Cooled Condenser Sistema de condensación en lago 19 19

Equipos para gas pre-embalados Disponibles en Greenvironment GmbH

Proyectos energéticos a partir de residuales Microturbina 400kWe Localización – Alemania Gas de vertedero, filtrado sulfurosos y siloxanos 400kWe – Comercializada como energía renovable para red Parte del calor se usa en la preparación del gas. El rendimiento mejora claramente con el uso de ORC. 21 21

Ejemplo Horas / Año funcionamiento 8,400 Salida de red eléctrica 107kWe Producción Anual 8,400 x 107 = 898,800 kWh Ganancia bruta 898,800 x $0.18 = $161,784 Coste mantenimiento 898,800 x $0.0075 = $6,741 Ganancia neta anual $155,043 Coste del Proyecto $298,000 Amortización simple < 2 años 22

Digestor Lakeland, Florida WHG125 con quemador montado en lo alto del container Antorcha de dos llamas Torre de refrigeración Usa agua reciclada y preparada – No potable Compresor de gas 16:1

Planta energética de Biogas – Greenvironment, Alemania – 3 projects Proyectos en marcha Planta energética de Biogas – Greenvironment, Alemania – 3 projects Fuente de calor: Residuales de microturbina Planta energética de Biogas – CE Residuales de alternador de motor Caldera Biomasa – NC Services, España Fuente de calor– Biomasa de madera Fundición de aluminio – APS, Israel Fuente de calor– Hornos

Fundición de aluminio – APS Israel

Biogas – Greenvironment Vista Isométrica

Quemador atmosférico de madera

Quemador atmosférico de madera

Resumen Los Ciclos Rankine Orgánicos (ORC) son tecnologías para mejora de la eficiencia energética Los sistemas ORC son aplicaciones altamente personalizadas. El WHG125 reduce la “customización” y ha sido diseñado para maximizar el uso eficiente de energía residual, ya sea en calor u otros combustibles. La elección de tecnologías combinadas en proyectos de tipo “De Residual A Energía”, usando Microturbinas y tecnología ORC, proporciona una opción competitiva a los motores alternadores, con más bajo nivel de emisiones si se compara a soluciones convencionales. Desde el punto de vista económico estos proyectos resultan muy interesantes gracias a las leyes sobre energías renovables y ahorro de combustibles fósiles, unido al relativo bajo coste de los biocarburantes

Tecnología de alternadores de alta velocidad Producción energética más eficiente Señal eléctrica de salida más limpia No requiere sistemas de engranajes para motores primarios de alta velocidad como turbinas Permite la sincronización precisa con la red sin precisar dispositivos adicionales Más de una década de experiencia en este sector de producción de energía 32 32

Alternador de alta velocidad Generador Convencional Alternadores de alta velocidad Voltaje y Frecuencia determinados por el tipo de generador en el momento de la producción 380 – 480 VAC, 50/ 60 Hz Seleccionable desde el panel de control Invertidor Rectificador 1500 ó 1800 RPM Motor Primario 20 ~ 120K RPM Motor Primario Generador Alternador - La velocidad del motor primario determina la frecuencia de la señal eléctrica de salida 1500 RPM = 50 Hz salida. 1800 RPM = 60 Hz salida. - La conexión con la red se realiza mediante costosos sistemas de sincronización - La velocidad del motor primario no determina la frecuencia ni el voltaje de la señal eléctrica de salida - La conexión con la red se realiza mediante muestreo del voltaje y frecuencia de la red, modificando el voltaje y frecuencia de salida del sistema inversor

Electricidad a partir de Calor Residual Importantes posibilidades globales de ahorro de energía y capital mediante la captura de recursos residuales En EE.UU., el calor y gases residuales bastan para producir el 51% de la actual capacidad de la red Calor residual Gas residual Las pérdidas de energía en forma de calor residual de la industria en EE.UU. alcanzan el 33%. Capacidad de generar 100GW en campo: 11% de la capacidad de red en EE.UU. Suficiente para suministrar energía a 10 millones de hogares Grandes remanentes de metano residual en vertederos, minas de carbón o plantas lecheras. Capacidad de generar 75GW* en campo: 9% de la capacidad de red en EE.UU. Suficiente para dar energía a 7.5 millones de hogares