Cogeneración - Raimon Argemi AESA - Presentaciones

A E, S. A. 1

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.Contenido

1 Introduccinalacogeneracin.Fundamentacin,tecnologayeconoma

2 Elestudiodeviabilidadcomoherramientadedecisin3 Ciclosdecogeneracin

CiclosimpleCiclocombinadoTrigeneracinAplicacionesaprocesosdesecadoPoligeneracin

4 Componentesdeunsistemadecogeneracin5 Conexinalareddelossistemasdecogeneracin6 Alternativasparaeldesarrollodeunproyectodecogeneracin7 Microcogeneracin

A E, S. A. 2

SISTEMAS DE COGENERACIN.

FUNDAMENTOS Y APLICACIONES

Raimon Argem Puigdomnech A E, S.A.

ASESORA ENERGTICA

A E, S. A. 3

Energas deseadas(fciles de usar)

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.1. Introduccin a la cogeneracin. Introduccin y definiciones.

No todas las formas energticas producen el efecto deseado.

Es necesario convertir las energas primarias en formas energticas tiles

Escasas

Energa Elctrica

Fcil de transportar

Fcil de convertir en otras formas de energa

No existe en la naturaleza en forma aprovechable

A E, S. A. 4


ENERGAS PRIMARIAS(presentes en la naturaleza)

ENERGAS SECUNDARIAS(disponibles en el mercado)

ENERGAS TERCIARIAS(directamente tiles)

[crudo, gas natural, carbn]

[combustible (fuelleo, gasleo, gas natural), electricidad AT]

[vapor, agua caliente, gases calientes, fro, aceite trmico, electricidad MT y BT]

Sector energtico

Sector industrial y terciario

A E, S. A. 5


1 ley de la termodinmica:

La cantidad total de energa de un sistema aislado permanece invariable con el tiempo.

La cantidad de energa antes y despus de una conversin ser siempre la misma.

2 ley de la termodinmica:

La entropa de un sistema aislado jams disminuye, y tiende a incrementarse con el tiempo.

Al convertir la energa es inevitable que parte de sta se degrade, y se disipe al ambiente en forma de contaminacin trmica.

A menudo, tambin: Emisin de contaminantes (NOx, CO, SO2, etc.). Gases de efecto invernadero (CO2). Emisin de partculas.

A E, S. A. 6

1973 - 1974.1980 - 1988.

1986.1990.1991.1997.2003.

1 crisis del petrleo.Guerra Irn-Iraq.2 crisis del petrleo.1 Guerra del Golfo.Disolucin URSS.Crisis asitica.2 Guerra del Golfo.


Inestabilidad poltica en pases productores de petrleo y gas natural. Inestabilidad en el suministro. Aumento del precio de los combustibles fsiles.

Se empez a buscar nuevos sistemas que asegurasen la economa y la preservacin de las reservas fsiles de petrleo y gas natural.

La cogeneracin aparece, adems, como un sistema excepcionalmente eficiente para la reduccin de las emisiones de gases de efecto invernadero

Hasta 1973, el precio del petrleo se haba mantenido en un muy bajo coste; la electricidad era lo suficientemente barata para que no fuese necesario ingeniar nuevos sistemas para economizar la energa.

A E, S. A. 7


La cogeneracin es un:

Sistema de produccin de electricidad a partir de combustibles basado en el aprovechamiento del calor (que inevitablemente se genera en este proceso termoelctrico) para atender una demanda trmica econmicamente justificable.

Este aprovechamiento del calor es la base de su mayor eficiencia respecto a las centrales de tipo convencional, que lo deben disipar al ambiente.

ESTA MAYOR EFICIENCIA RESPECTO A SISTEMAS CENTRALIZADOS DA SENTIDO A LA COGENERACIN

Desde un punto de vista de economa productiva, debe considerarse adicionalmente la seguridad de suministro que, complementariamente, aportan los sistemas de cogeneracin.

A E, S. A. 8


PROCESO CONVENCIONAL

ENERGA PRIMARIA

SECTOR ENERGTICO

ENERGA SECUNDARIA

SECTOR INDUSTRIAL

ENERGA TERCIRIA

Yacimientos GN, petrleo, etc.

Refineras, plantas de depuracin

GN, fuel-oil, etc. Calderas de vapor

Vapor

Central termoelctrica

(R=52%)

Transformacin Alta Tensin

(1% prdidas)

Prdidas por transporte y

transformacin BT(6%)

214 111

100(R=90%)

103

54 53

50Electricidad

A E, S. A. 9


PROCESO COGENERATIVO

SECTOR ENERGTICO

TECNOLOGAS COGENERACIN

Yacimientos GN, petrleo, etc.

Refineras, plantas de depuracin

GN, fuel-oil, etc. Instalacin Cogeneracin

(R=80%)

Vapor

Central termoelctrica

Electricidad Alta Tensin

Prdidas por transporte

(1%)

187 187

100

50Electricidad

ENERGA PRIMARIA

ENERGA SECUNDARIA

ENERGA TERCIRIA

Ahorro Energa Primaria:(214 187) / 214 = 12,6%

A E, S. A. 10


Produccin centralizada, transmisin y consumo

A E, S. A. 11


Produccin distribuida y consumo

A E, S. A. 12


La cogeneracin permite nuevos incrementos de eficiencia y potencial

Evolucin de los rendimientos de las distintas tecnologas

Los rendimientos obtenibles por las grandes centrales ya no son mejorables significativamente.

Las imposiciones medioambientales y el NIMBY alejan cada vez ms las centrales termoelctricas de los centros de consumo.

Las tecnologas de microgeneracinpermitirn ampliar el potencial de cogeneracin en el sector terciario.

A E, S. A. 13

Una planta de cogeneracin bien diseada contribuye al ahorro de energa primaria.

Este ahorro depender de los siguientes factores:

Dimensiones de la planta. Ajustes en el diseo de la planta para

la demanda de calor.

RENDIMIENTO TRMICO (RV)

y Es la relacin entre el calor til generado (V) y el consumo total del combustible de la planta:

RENDIMIENTO ELCTRICO (RE)

y Es la relacin entre la energa elctrica generada (E) y el consumo total de combustible del sistema (Q)y Se define con la siguiente frmula:

RE(%) 100E

Q= RV(%) 100VQ=

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.1. Introduccin a la cogeneracin. Parmetros caractersticos.

A E, S. A. 14

RENDIMIENTO GLOBAL (RG)

Proporciona una idea de la eficiencia de la planta como productora de electricidad y calor til.Se define como el cociente de la suma de energa elctrica generada (E) y calor til (V) entre la cantidad de combustible consumido (Q):

No es un parmetro til para comparar plantas de cogeneracin, ya que le da el mismo peso al calor til y a electricidad generados.

RG(%) 100E V

Q

+=

RENDIMIENTO ELCTRICO EQUIVALENTE (REE)

Permite comparar el rendimiento de una planta de cogeneracin con el rendimiento de una central ordinaria.

Se define con la siguiente frmula:

Este parmetro no considera las prdidas en las redes de transporte y distribucin.

REE 100

EV

QRef H

=


A E, S. A. 15

AHORRO DE ENERGA PRIMARIA (AEP)

EP es el consumo de energa primaria necesario para la produccin separada de calor y electricidad

Entonces, el Ahorro de Energa Primaria se define como:

AHORRO PORCENTUAL DE ENERGA PRIMARIA (PES)

PES se define como el cociente entre el ahorro de energa primaria absoluto (AEP) y el consumo de energa primaria necesario para separar las producciones de electricidad y calor:

EP

E V

Ref E Ref H= +

AEP

E VQ

Ref E Ref H= +

PES(%) 100 1 100

AEP QE VEP

Ref E Ref H

= = +

Donde Ref E es el rendimiento elctrico de la planta elctrica (incluyendo las prdidas por transporte y transformacin de voltaje). Depende del voltaje generado.Ref H es el rendimiento trmico de la produccin de calor.

Donde Q es el consumo de combustible de la planta de cogeneracin.


A E, S. A. 16

Eficiencia energtica:- Ahorro de energa primaria y aumento de reservas de combustibles fsiles.- Seguridad de suministro.- Garanta de potencia y control de la energa.- Produccin distribuida.

Eficiencia medioambiental:- Menos emisiones de gases de efecto invernadero.- Menor contaminacin trmica.

Eficiencia econmica:- Es la tecnologa ms econmica para suministrar electricidad a los usuarios.- Es la tecnologa ms econmica para ahorrar emisiones de CO2 en el sistema elctrico.

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.1. Introduccin a la cogeneracin. Conclusines

CONCLUSIONES

BENEFICIOS DE LA COGENERACIN:

A E, S. A. 17

el estudio de viabilidad

A E, S. A. 18

Anlisis de la demandaTiene por objeto definir los datos bsicos de partida a tener en cuenta para el diseo de la instalacin de cogeneracin. Este anlisis pretende determinar la demanda de calor til y la forma en que es utilizado. Se debe determinar

Tipologa de la demanda: vapor, agua caliente, aceite trmico, agua fra Caractersticas de la demanda: Temperatura de consumo, Presin de

consumo, temperatura de retorno, porcentaje de retorno de condensados Modelizacin de la demanda: perfil diario, semanal y mensual. Equipos de produccin de la demanda: Caldera de vapor y/o aceite trmico

y/o agua caliente (rendimiento), chiller elctrico (COP)..

Mediante la definicin de los apartados anteriores se pretende definir y modelizar lademanda para obtener el consumo cronolgico (hora a hora), mediante el cual establecemos la montona (curva cronolgica ordenada) mediante la que de disear y evaluaran las diferentes alternativas.

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.2. Estudio de Viabilidad

A E, S. A. 1919

Es muy difcil conocer este perfil, generalmente se usa uno perfil segn el tipo de industria (base de datos propia)

Se establece segn el horario de trabajo a lo largo de la semana

Se determina mediante las facturas de combustible/ electricidad

Facturas de combustible y electricidad

Equipos de Generacin

Rendimiento de los equipos

Caractersticas de la demanda

Imp: Temperatura, Presin.

Ret: Temperatura, % condensados

Consumo Energtico

en MWh/a

Caractersticas de la demanda

Calidad de la demanda (Temperatura)


A E, S. A. 20

Seleccin de AlternativasLas seleccin de alternativas tiene por objetivo determinar la tecnologa idnea para generar la demanda y la determinacin del rango de potencias a estudiar.

Seleccin de la Tecnologa en funcin de las caract. de la demanda

Calidad

Alta T: Gases de secado (400-500C) Media-alta T: Vapor de alta presin (P>20bara, 212C), aceite trmico (20 MWt, Demanda>25 t/h Media: Demanda entre 1 y 15 MWt, Demanda de 2 a 20 t/h Baja: Demanda

A E, S. A. 21

Tecnologas segn la calidad y cantidad de la demandaA continuacin se clasifican las diferentes tecnologas segn la calidad y cantidad de la demanda

Turbina de Gas

Ciclo simple Ciclo Combinado Trigeneracin (1) Secado Microtrigeneracin

Motor de Gas

Ciclo Simple (2) Trigeneracin (1) Secado Micro trigeneracin

Calidad

Alta/media/baja Alta/media/baja Media/baja Alta Medaia/baja

Alta/media/baja Media/baja Alta Media/baja

Cantidad

Alta/media Alta/media Alta/media Alta/media Baja

Media Media Media Baja

(1) Generacin de fro mediante maquinas de absorcin de BrLicalidad baja y Amoniaco calidad media

(2) El 50% de la capacidad de produccin de calor es siempre agua caliente (HT camisas)


A E, S. A. 22

Determinacin de la potencia trmica a estudiar

Parmetros de diseo de una planta de cogeneracin:

Cantidad de demanda de calor => Determina la potencia de la planta

Temperatura de dicha demanda => Determina la tecnologa a seleccionar

La potencia trmica se dimensiona en base a las necesidades trmicas anuales y su comportamiento anual hora a hora, o curva montona

A continuacin se plantea el dimensionamiento de las tres posibles potencias planteables (superior a la media, igual a la media y inferior a la media

Planta demasiado pequea Planta demasiado grande

Desaprovechamiento del potencial trmico,

Eficiencias bajas y con alto riesgo de obtener resultados negativos.

Menores ahorros energticos frente una alternativa de mayor tamao

Es sensible a las variaciones de los precios de mercado (combustible y electricidad)

Mayor coste unitario del proyecto (/KWe)

Una inversin mayor tiene asociado un mayor riesgo econmico

22

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

175

115

0122

5130

0137

5145

0152

5160

0167

5175

0182

51

horas

M

W

Montona de Calor (Sector Alimentacin)

Vdis>Vmed

Vdis=Vmed

Vdis

A E, S. A. 23

Estudio de las diferentes opciones de potencia.

1. Se empieza evaluando la potencia media Vdis = V/H

2. Se evalan plantas de menor potencia que la demanda media, con los contras planteados anteriormente y que se reflejaran en la evaluacin econmica

3. Se evalan plantas de mayor demanda hasta cubrir la demanda mxima, este caso puede ser beneficioso en algn caso tanto econmico como medioambientalmente (en valores absolutos y no en ndices especficos REE y PES). Esta solucin suele ser rentable a la practica con Ciclos combinados de 25MW que pueden competir contra generadores elctricos con un RE del 55%.

Todas las alternativas a estudiar debern cumplir con unas bases de diseo que se muestran a continuacin

Vcog

Sistemas auxiliares (postcombustin, calderas ..)

Vdis

Sistemas auxiliares (postcombustin, calderas

..)

Calor desechado/Calor Condensado para producir electricidad en Ciclos combinados

Calor desechado

Vdis

Vcog


A E, S. A. 24

Bases de diseo.Todas las alternativas a estudiar se disean segn las siguientes bases:

Rendimiento global de la instalacin RG = (E+V)/Q segn el Anexo II la Directiva 2004/8/CE. RG=80% si hay turbina de vapor de condensacin y RG=75% para el resto

En operacin, consecucin de un PES superior al 10% segn el Anexo III de la Directiva o, en Espaa, un REE > 55 59% segn la tecnologa (motores o turbinas), o un REE > 49,5 53% (micromotores o microturbinas).

En las plantas del sector terciario, destinadas a calefaccin y climatizacin, se considerar que siempre una parte de la electricidad generada cumple con los requisitos de eficiencia, y por lo tanto, tiene derecho prima al considerarse electricidad de cogeneracin. Se contabiliza la Electricidad de cogeneracin Ecog=CxV segn la Directiva 2004/8/ce y en Espaa la Eree segn el RD661.

La determinacin de la planta a instalar es, por lo tanto, un proceso con mltiples soluciones y debe plantearse como una seleccin entre diversas alternativas, tanto de tamao como de proceso.

24


A E, S. A. 25

Rendimientos de plantas consideradas de alta eficiencia

RE REE RG

Ciclo simple motores 40% 65% 75% C. Simple turbina gas 33% 69% 80% C. Simple turbina vapor 20% 51% 75% Ciclo combinado 40% 72% 80% C. Combinado gen.pura 55% 55% 55%

25


A E, S. A. 26

Estudio de las Diferentes alternativasUna vez modelizada la demanda y preseleccionado un rango de tecnologas y un rango de potencias, se evaluaran los siguientes aspectos de cada una de ellas.

Evaluacin energtica y medioambiental: calculo de las energas producidas, suministradas y consumidas durante un periodo anual y los ndices energticos REE, RG, PES, AEP. resultantes.

Evaluacin econmica del negocio (ingresos y gastos) segn el marco legal vigente RD661 y evaluacin de las inversiones. Resultados econmicos VAN, TIR, Pay-back

Evaluacin de la seguridad de suministro. Tan importante como los resultados econmicos y medioambientales es evaluar la cobertura y garanta el suministro energtico al usuario.

Calor. Prever fallo de equipos convencionales o fallo de cogeneracin. Electricidad. Prever fallo de red o fallo de cogeneracin.

26


A E, S. A. 2727

Evaluacin energticaPara evaluar el comportamiento anual de la planta se realiza una evaluacin hora a hora sobre la montona de consumo que define el comportamiento horario de la demanda.

Para disear la planta AESA utiliza programas como el TESYS (balance energtico instantneo):

27


A E, S. A. 2828

Para evaluar el comportamiento anual AESA utiliza programas como el RASYS


A E, S. A. 29

EconomaPara evaluar la economa del proyecto deben ser definidos:

Escenario energtico: Coste de las energas secundarias (Precio del combustible y precio de la electricidad) y coste de las energas terciarias (calor y fro) en funcin de las energas secundarias.

Costes adicionales: mantenimiento de los equipos generadores, personal de operacin, gestin energtica, mantenimiento general, seguros y varios.

Coste de la inversin. La determinacin de las inversiones debe ser un compromiso entre tiempo y margen de error, una inversin exacta se consigue despus de tener ofertas de suministradores y el proyecto desarrollado en su totalidad, por ello es muy importante tener referencias recientes de proyectos similares.

Mejoras medioambientalesClculo de Ahorro de Energa Primaria (AEP) y de ahorro en emisiones de CO2.


A E, S. A. 3030

caso prctico (I)


A E, S. A. 31

DATOS DEL PROCESO INDUSTRIAL

La papelera fabrica 125.000 t anuales de papel Programa de trabajo: continuo todo el ao menos agosto 8.500 h/a Consumo de vapor a 6 bar-a saturado y 14,5 bara saturada. Retorno de

condensados 80% a 80C Consumo de combustible anual 212.200 MWhpci/a. Consumo elctrico anual 59.000 MWh/a potencia promedio de 7,4 MWe,

potencia contratada 9,5 MWe

ES FACTIBLE INSTALAR UNA CENTRAL DE COGENERACIN?


A E, S. A. 32

Anlisis de la demanda

Consumo anual de 212.200 MWh/a Vapor de 14,5 bara:192.541 t/a promedio de 22,7 t/h Vapor de 6 bara: 82.275 t/a, promedio de 9,7 t/h Modelizacin de la demanda

segn perfil tipo de una papelera

Segn horario de trabajo

Segn facturas de gas

Montona

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

40,00

175

115

0122

5130

0137

5145

0152

5160

0167

5175

0182

51

horas

M

W


A E, S. A. 33

Seleccin de Alternativas

La calidad trmica de la demanda es media La cantidad de la demanda es alta (32 t/h 22,5 MWt en promedio) Por la calidad y la cantidad se evaluaran ciclos simples y ciclos

combinados con turbina de gas

Rango de Potencia

Ciclos simples de 12 a 20 MWe. Considerando una C=0,6 tpica de un Cs TG para determinar el rango.

Ciclos combinados de 20 a 50 MWe. Considerando una C=1 tpica de un CCo TG para determinar el rango. Las plantas de 25 a 50 MWepresentarn condensacin


A E, S. A. 34

Diseo de las alternativas

Siguiendo los criterios expuestos a continuacin se disean ejemplos de diseo.

RG superiores al 80% en Cco con condensacin y 75% para el resto REE superiores al 59% (caso turbinas de gas) y el PES superior al 10%

aunque la importancia de estos valores radica en el resultado anual.

Para cumplir con las bases de diseo se ha considerado: CCo

Caldera con 2 niveles de generacin de vapor (60 y 6 bara). TV de Contrapresin desde 60 bara a 15 bara.

Cs

Caldera con 2 niveles de generacin de vapor (60 y 6 bara). TV de Contrapresin desde 60 bara a 15 bara.


A E, S. A. 35

ALTERNATIVA 1 2 3 4 5 6 7 8Tipo de Ciclo Titan 130 en CS

32,4 t/hLA20 en CSS

32,4 t/hLM2500 PJ en

CS 32,4 t/hLA20 en CCo 2 calderines 32,4

t/h

LM2500 PJ en CCo 2 calderines

32,4 t/h

LM2500+ en CCo 2 calderines 32,4

t/h

RB211 en CCo 2 calderines 32,4

t/h

LM6000 en CCo 2 calderines 32,4

t/h

ESCRIPCIN DE LA ALTERNATIVAProduccin elctrica bruta (E) MWh/a 115.067 144.075 181.182 157.242 195.960 267.071 281.253 362.565Produccin elctrica neta MWh/a 111.615 139.753 175.746 153.311 191.061 260.394 274.222 353.501Consumo electricidad usuario MWh/a 0 0 0 0 0 0 0 0Electricidad a red MWh/a 111.615 139.753 175.746 153.311 191.061 260.394 274.222 353.501Electricidad de respaldo MWh/a 0 0 0 0 0 0 0 0

MWh/a 151.182 181.182 181.182 181.182 181.182 181.182 181.182 181.182Calor de calderas convencionales MWh/a 38.899 8.900 8.900 8.900 8.900 8.900 8.900 8.900Consumo combustible (Q) MWhPCI/a 333.758 425.296 487.253 425.296 487.221 611.989 640.192 802.245

MWhPCI/a 43.928 10.595 10.595 10.595 10.595 10.595 10.595 10.595Consumo agua desmineralizada m3/a 69.043 71.758 81.682 105.262 110.266 111.029 110.436 112.302

REE % 69,4 64,3 63,4 70,2 68,5 65,0 64,1 60,3RE % 34,5% 33,9% 37,2% 37,0% 40,2% 43,6% 43,9% 45,2%RG % 79,8% 76,5% 74,4% 79,6% 77,4% 73,2% 72,2% 67,8%AEP MWhpci/a 64.356 64.168 76.424 90.501 106.012 123.466 123.627 124.199Ahorro emisiones tCO2 13.004 12.966 15.443 18.287 21.422 24.948 24.981 25.096Ecog=c*v MWh/a 114.493 133.073 157.352 155.684 195.960 217.456 220.692 235.255%Ecog 100% 92% 87% 99% 100% 81% 78% 65%

% 15,2 12,1 12,5 16,5 16,8 15,6 15,0 12,1PES (REref

A E, S. A. 36

Evaluacin econmica

Escenario energtico: 75 $/bbl Precio de la CMP: 21,92 /MWhpcs Precio del combustible: 27,5 /MWhpci Precio del pool elctrico promedio anual: 57,0 /MWh Tarifa de vento segn actual RD661 (se ha considerado venta a tarifa) Coste de las energas terciarias (Vapor): 31,7 /MWh

Costes adicionales: mantenimiento de los equipos generadores: 6,0 /MWhe personal de operacin::2,25 /MWh gestin energtica:0,3 /Mwhe min 20k/a mantenimiento general: 1% precio invercin seguros y varios:1,5% sobre la inversin +1 /Mwhe

Las inversiones se han determinado mediante la estimacin de los diferentes subsistemas y en referencia a la experiencia de AESA, validando el precio de los equipos principales con ofertas recientes de otros proyectos.


A E, S. A. 37

ALTERNATIVA 1 2 3 4 5 6 7 8Tipo de Ciclo Titan 130 en CS

30 t/hLA20 en CSS 30

t/hLM2500 PJ en

CS 30 t/hLA20 en CCo 2

calderines 30 t/hLM2500 PJ en

CCo 2 calderines 30 t/h

LM2500+ en CCo 2 calderines 30

t/h

RB211 en CCo 2 calderines 30 t/h

LM6000 en CCo 2 calderines 30

t/h

ESCRIPCIN DE LA ALTERNATIVAInversin total prevista M 13,10 16,00 20,50 18,50 24,00 27,10 27,50 37,10

EVALUACIN ECONMICAINGRESOS M/a 15,56 17,50 20,27 19,06 22,04 26,21 27,11 32,29Precio mercado diario (76,44 /MWh) (76,44 /MWh) (76,44 /MWh) (76,44 /MWh) (76,44 /MWh) (72,48 /MWh) (72,48 /MWh) (72,48 /MWh)GASTOS M/a 12,86 14,97 17,31 14,90 17,15 21,55 22,52 28,19CASH-FLOW operacional M/a 2,70 2,53 2,96 4,17 4,88 4,66 4,59 4,09Coste de capital al 6% 10 aos M/a 1,78 2,17 2,79 2,51 3,26 3,68 3,74 5,04Cash-flow libre M/a 0,92 0,36 0,18 1,66 1,62 0,98 0,86 -0,95 CASH-FLOW M/a 2,70 2,53 2,96 4,17 4,88 4,66 4,59 4,09

aos 4,85 6,32 6,91 4,44 4,92 5,82 5,99 9,06

M/a 2,21 2,20 2,64 3,36 4,01 3,98 3,95 3,96TIR intrnseco a 10 aos despus de impuestos % 10,9 6,3 4,9 12,6 10,6 7,7 7,2 1,2VAN al 6% intrnseco a 10 aos despus de impuestos M 3,2 0,2 -1,0 6,2 5,5 2,2 1,5 -8,0

Cash-flow despus de impuestos

PERIODO RETORNO INVERSIN

Comparativa Econmica

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

10,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 50,00

Potencia MWe

P

a

y

b

a

c

k

(

a

o

s

)


0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 50,00

Potencia MWe

T

I

R

(

%

)


-1,50

-1,00

-0,50

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 50,00

Potencia MWe

C

a

s

h

f

l

o

w

l

i

b

r

e

(

M

)

C


A E, S. A. 38

Inversiones preliminares

Modalidad Llave en Mano

IMPORTES EN MILES DE EUROS

Descripcin Precio base ofertado Precio mnimo

Precio mximo Precio ms probable

- +Turbogenerador de gas 5% 5% 10300,0 9785,0 10815,0 10300,0Humidificador adibtico 5% 5% 0,0 0,0 0,0 0,0Motogeneradores gas / gasoil 5% 5% 0,0 0,0 0,0 0,0Generador de vapor 5% 5% 3800,0 3610,0 3990,0 3800,0Turbogenerador de vapor 5% 5% 1500,0 1425,0 1575,0 1500,0Mquina de absorcin d.e. 5% 5% 0,0 0,0 0,0 0,0Chillers convencionales 5% 5% 0,0 0,0 0,0 0,0Compresores de gas 5% 5% 600,0 570,0 630,0 600,0Generador de vapor convencional 5% 5% 0,0 0,0 0,0 0,0Electricidad alta tensin 5% 5% 700,0 665,0 735,0 700,0Teledisparo + Telecontrol 5% 5% 50,0 47,5 52,5 50,0Transformadores 5% 5% 505,4 480,2 530,7 505,4Electricidad baja tensin 10% 10% 290,0 261,0 319,0 290,0Sistema de gas combustible 10% 10% 160,0 144,0 176,0 160,0Sistema mecnico 10% 10% 635,0 571,5 698,5 635,0Quemadores 5% 5% 0,0 0,0 0,0 0,0Sistema Aire Comprimido 5% 5% 40,0 38,0 42,0 40,0Instrumentacin (incluye mon. gases) 5% 5% 220,0 209,0 231,0 220,0Tratamiento de agua + obra civil 5% 5% 50,0 47,5 52,5 50,0Conductos de gases 10% 10% 0,0 0,0 0,0 0,0Sistema de Control 10% 10% 110,0 99,0 121,0 110,0Sistema de Supervisin (SAD) 5% 5% 110,0 104,5 115,5 110,0Torre de refrigeracin 5% 5% 235,0 223,3 246,8 235,0Obra Civil 10% 10% 900,0 810,0 990,0 900,0Obra Civil subestacin elctrica 20% 20% 0,0 0,0 0,0 0,0Proteccin Contraincendios 5% 5% 45,0 42,8 47,3 45,0Ventilacin e insonorizacin 5% 5% 25,0 23,8 26,3 25,0Complementarios (pg, aa,mobiliario..) 10% 10% 20,0 18,0 22,0 20,0TOTAL INVERSIN FSICA 6% 6% 20295,4 19174,9 21416,0 20295,4Ingeniera (=12,5 + 2,5% IF) 607,4 607,4Direccin de obra 108,0 108,0Seguro montaje 25,4 25,4Costes avales 50,7 2,0%/a s/10% PV 50,7Legalizaciones 203,0 1,0% s/ IF 203,0Gastos Gestin Llave en Mano 405,9 2,0% s/ IF 405,9Imprevistos 608,9 3,0% s/ IF 569,0TOTAL COSTE PLANTA 22304,7 22264,8Beneficio industrial y contingencias 1784,4 8,0% s/ CP 1781,2Inversin en lnea externa 0,0 0,0Inversin externa (lnea elctrica) 0,0 0,0Precio Venta LLM 24089,0 24046,0

Coste especfico (/kW) 991 /kWe 990 /kWe

Criterios utilizadosprecio ms probable = (max+min+4*ofertado)/6Desviacin tipo () = (max-min)/6Desviacin tipo total = (2)

Grado precisin


A E, S. A. 39

Garanta de suministro

Garanta de suministro trmica: Todas las alternativas planteadas garantizan el suministro del 100% de la

energa trmica ya sea mediante la generacin de vapor por recuperacin con los gases de turbina o mediante los gases y la postcombustin. Los sistemas existentes se plantean como reserva para las indisponibilidades de la cogeneracin.

Garanta de suministro elctrica: Todas las alternativas planteadas garantizan el 100% del suministro

elctrico, en caso de tener que entrar en isla por fallo de la red elctrica, ya que todas las alternativas superan los 9,5 MWe contratados a compaa


A E, S. A. 40

PROPUESTA Tecnologa: Turbogenerador de gas en ciclo combinado Potencia elctrica de 20 a 25 MWe Inversin 20 a 25 M Resultados energticos

Ahorro de energa primaria. De 90 a 105 GWhpci/a REE entre el 68 y 70%, valor 10 puntos superior al exigido en el

actual RD661 PES aproximadamente del 16,5% muy superior al 10% del Anexo

III, para considerar la cogeneracin de alta eficiencia Resultados energticos

Pay back entre 3,5 y 4 aos TIR a 10 aos despus de impuestos aproximadamente un 15% VAN a 10 aos despus de impuestos unos 10 M Cash flow libre (cash flow costes de capital del 100% de la

inversin a 10 aos al 6% de inters) de 2,5 M


A E, S. A. 41


A E, S. A. 4242

caso prctico (II)


A E, S. A. 43

DATOS DEL PROCESO INDUSTRIAL

Industria qumica Programa de trabajo: 315 das al ao, continuo 24 horas da 7.500 h/a Consumo de vapor a 9 bar-a saturado, retorno de condensados 90% a

95C. Consumo de agua fra a 7C y agua caliente a 80C. Consumo de combustible anual 36.480 MWhpci/a. Consumo elctrico anual 20.200 MWh/a potencia promedio de 2,7 MWe,

potencia contratada 3,5 MWe. La factora cuenta con una trigeneracin de 1,6 MWe con motores de gas

ES FACTIBLE RENOVAR LAS INSTALACIONES DE COGENERACIN?


A E, S. A. 4444

Anlisis de la demanda

Consumo anual de vapor 34.900 MWh/a De lunes a viernes 125 t/da 5,2 t/h en promedio Fines de semana 75 t/da 3,1 t/h en promedio

Consumo de agua fra 7.030 MWh/a Periodos clidos de mayo a octubre 1,2 MW (puntas de 1,8 MW) Periodos fros de noviembre a abril 700 kW

Consumo de agua caliente 900 MWh/a, unos 100 kW en promedio


A E, S. A. 45

Seleccin de Alternativas

La calidad de la demanda es media La cantidad de la demanda media (6 t/h toneladas equivalentes 8,5

MWt en promedio) Por la calidad y la cantidad se evaluaran ciclos de trigeneracin con

turbina y motores de gas

Rango de Potencia

Trigeneracin de 6 MWe. Considerando una C=1 tpica de un MG para determinar el rango.

Trigeneracin de 4,5 MWe. Considerando una C=0,6 tpica de un TG para determinar el rango.


A E, S. A. 46

Diseo de las alternativas

Siguiendo los criterios expuestos a continuacin se disean ejemplos de diseo. RG superiores al 75%, eso significa un mximo aprobechamiento del

agua caliente de los motores REE superiores al 59% (caso turbinas de gas) y 55% (caso motores de

gas) y el PES superior al 10% aunque la importancia de estos valores radica en el resultado anual.

Para cumplir con las bases de diseo se ha considerado: Trigeneracin motores

Generacin de las demandas de calefaccin mediante agua caliente, generacin de las demandas de fro mediante mquina de absorcin de simple efecto con agua caliente.

Trigeneracin turbinas Generacin de fro mediante vapor (mquina de absorcin de doble

efecto)


A E, S. A. 47

ALTERNATIVAS ESTUDIADAS Situacin sin cogeneracin Planta actualMG 6,1

MWMG 6,4

MWTG 4,5

MW

Potencia elctrica instalada(1) (kW) - 1.600 6.088 6.470 4.479

Produccin elctrica bruta (2), E (MWh/a) - 6.521 42.343 45.000 32.168

Calor til para proceso, V (MWh/a) 24.221 4.623 19.743 18.854 22.241

Frio para proceso, F (MWh/a) 7.031 2.565 6.469 6.469 3.668

Consumo combustible, Q (MWhPCI/a) 18.592 99.432 102.965 85.179

REE (= E/[Q-V/0,9-F]) (%) - 61,5% 64,0% 63,7% 64,9%

RG (=[E+V+F]/Q) (%) 90,0 % 73,7% 68,9% 68,3% 68,2%

PES(3) (REref 25kV=49,6%, RVref=90%) (%) - 18,9% 16,0% 16,1% 11,1%

AEP(4) (Ahorro E. Primaria) (MWhPCI/a) - 3.510 15.899 16.588 9.472

Ahorro emisiones (t/a de CO2) (5) - 702 3.180 3.318 1.894

(1) Los clculos han sido efectuados con el programa TESYS, desarrollado por el Grupo AESA (2) En el estudio se tendr en cuenta que la disponibilidad de equipos generadores es de 92% para MG y 95% para TG. (3) Para el calculo del ahorro de energa primaria o PES (Primary Energy Savings) se considera un rendimiento elctrico de referencia de REref=

49,56% conectado a 25 kV, con un RVref=90%(4) Ahorro de energa primaria: AEP = (E/0,496 + (V+Vfrio)/0,9) Q. Calculada contabilizando el gas natural ahorrado en calderas convencionales

y el gas natural evitado en una planta de generacin elctrica de ciclo combinado(5) Los ahorros de emisiones de CO2 estn calculados en base al ratio de emisin de 0,2t/MWhpci.


A E, S. A. 48

Evaluacin econmica Precio del brent: 75 $/bbl, cambio EUR/USD = 1,2

Precio de gas natural 27,5 /MWhPCI Precio la CMP 21,92 /MWhPCS Electricidad a usuario 81,75 /MWh

Electricidad de exportacin Venta de excedentes segn RD661/04 operando en el mercado: - Precio estimado del pool elctrico medio anual: 57,0 /MWh- Planta con ms de 10 aos de antigedad: 64,61 /MWh- Planta con ms de 10 aos de antigedad: 77,84 /MWh

Exportacin total de electricidad

Valorizacin calor 31,7 /MWh

Mantenimiento especializado:- Motogenerador de gas: 8,0 /MWh- Turbina de gas: 6,0 /MWh

Resto de mantenimiento:1% sobre inversin

Personal de operacin: 90.000 /a (segn valor actual)

Otros gastos: gestin energtica, gastos generales, seguros, etc


A E, S. A. 49

(1) Las inversiones contemplan la sustitucin de una de las calderas convencionales existentes.

ALTERNATIVA Situacin Sin Cogeneracin

Situacin Actual 2 MG 1,6 MW

Alternativa 1 2MG 6 MW

Alternativa 2 2MG 6,4 MW

Alternativa 3 TG 4,6 MW

Descripcin Ciclo simple con generacin de

vapor, agua caliente y agua

fra

Ciclo simple con generacin de


fra



fra



fra

INGRESOS 911.627 3.522.033 3.735.399 2.747.954Complemento eficiencia /a 58.762 250.601 258.663 210.822Electricidad de exportacin /a 852.865 3.271.432 3.476.736 2.537.132GASTOS 3.726.086 5.221.932 5.381.126 4.754.723AHORRO EN COSTE ENERGTICO /a 2.843.447 4.637.713 1.114.560 1.168.732 807.690INVERSIN (PRELIMINAR) 4.089.000 4.737.000 4.352.000PERIODO RETORNO INVERSIN aos 3,67 4,05 5,39Cash-flow libre (despus costes financieros) /a 558.996 525.125 216.393TIR a 10 aos antes de impuestos % 24,1% 21,0% 13,2%TIR a 10 aos despus de impuestos % 16,7% 14,5% 9,0%

Precio exportacin /MWh 67,25 80,48 80,48 80,48

EVALUACIN ECONMICA


A E, S. A. 50

DescripcinAlternativa 1

CS MG 6,1 MW Alternativa 2

CS MG 6,4 MW Alternativa 3

CS TG 4,5 MW

Turbogenerador de gas 0,0 0,0 2.200,0Motogeneradores gas / gasoil 1.800,0 2.135,0 0,0Generador de vapor de recuperacin 350,0 400,0 300,0Turbogenerador de vapor 0,0 0,0 0,0Mquina de absorcin d.e. 0,0 0,0 230,0Mquina de absorcin s.e. 250,0 250,0 0,0Compresores de gas 0,0 0,0 0,0Electricidad alta tensin 150,0 170,0 140,0Teledisparo + Telecontrol 0,0 0,0 0,0Transformadores 85,0 95,0 70,0Electricidad baja tensin 70,0 70,0 40,0Sistema de gas combustible 65,0 65,0 55,0Sistema mecnico 150,0 160,0 130,0Instrumentacin (incluye mon. gases) 60,0 60,0 50,0Sistema de Control 50,0 50,0 50,0Sistema de Supervisin (SAD) 60,0 60,0 60,0Torre de refrigeracin 55,0 65,0 40,0Obra Civil 120,0 200,0 90,0Proteccin Contraincendios 5,0 5,0 5,0Ventilacin e insonorizacin 70,0 80,0 70,0Complementarios (pg, aa,mobiliario..) 0,0 0,0 0,0TOTAL INVERSIN FSICA 3.340,0 3.865,0 3.530,0Ingeniera 190,2 206,0 195,9Direccin de obra 45,0 72,0 72,0Seguro montaje 4,2 4,8 4,4Costes avales 8,4 9,7 8,8Legalizaciones 33,4 38,7 35,3Gastos Gestin Proyecto 66,8 77,3 70,6Imprevistos 96,0 113,0 113,0TOTAL COSTE PLANTA 3.783,9 4.386,4 4.030,0Beneficio industrial y contingencias 302,7 350,9 322,4Inversin en lnea externa 0,0 0,0 0,0Precio Proyecto LLM 4.086,6 4.737,3 4.352,4

Coste especfico sin recuperacimn de CO2(/kW) 671,3 732,2 971,7

Inversiones preliminares Modalidad Llave en Mano Falta coste

desmantelamiento de equipos que consideramos (en primera aproximacin) equivalente al ahorro de no realizar overhaul de motores (140.000 + 1 mes paro por motor)


A E, S. A. 51

Garanta de suministro

Garanta de suministro trmica: Se garantiza el suministro del 90% de la energa trmica en forma de

vapor y el 100% de la demanda de agua caliente y fra. Los sistemas existentes se usan para suministrar las puntas de demanda y se plantean como reserva para las indisponibilidades de la cogeneracin.

Garanta de suministro elctrica: Todas las alternativas planteadas garantizan el 100% del suministro

elctrico, en caso de tener que entrar en isla por fallo de la red elctrica, ya que todas las alternativas superan los 3,5 MWe contratados a compaa


A E, S. A. 52

PROPUESTA Tecnologa: Trigeneracin con turbina de gas Potencia elctrica 6 MWe Inversin 4 M Resultados energticos

Ahorro de energa primaria. De 16 GWhpci/a REE entre el 64%, 9 puntos superior al exigido en el actual

RD661 PES aproximadamente del 16% muy superior al 10% del Anexo

III, para considerar la cogeneracin de alta eficiencia Resultados energticos

Ahorro sobre costes energticos 1,11 M Pay back entre 3,7 aos TIR a 10 aos despus de impuestos aproximadamente un 17% Cash flow libre (cash flow costes de capital del 100% de la

inversin a 10 aos al 6% de inters) de 0,56 M


A E, S. A. 53


A E, S. A. 54

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Ciclo simple con turbina de gas.

CICLO SIMPLE CON TURBINA DE GAS

Normalmente para demandas de vapor > 10 Tm/h.

Se suelen usar turbinas de > 4 MW

30% < RE < 40%

RG 80% Usado sobretodo en:

Industria del papel Refineras Industria qumica Industria alimentaria

Presenta ventajas operacionales por la simplicidad de su ciclo.

A E, S. A. 55


A E, S. A. 56


Gas Turbine

Return of Condensates

M

25276 kW

Exhaust Gases

Deareator Tank

Electrical power: 7653 kW

Steam Demand: 12586 kWTemperature: 188 CPressure: 12 bar (a)Flow: 18, 25 t/h

143 C

Combustion Air

1, 07 t/h

19, 31 t/h

540 C 29, 52 kg/s

0, 13 t/h

0 kW

Heat Recovery Steam Generator

Steam to Process

105 C

Natural Gas

0, 97 t/h 12 bar (a)

188 C

2, 00 bar (a)

120 C

2, 00 bar (a)

120 C

0, 84 t/h

Total power: 7653 kW

Electrical efficiency: 30, 28 %

Flash Tank

Global efficiency: 80, 07 %Steam collector

Back condensates (%): 90, 00 %

12 bar (a) 188 C

15 C

2, 68 t/h

Post- firing

16, 43 t/h 3, 00 bar (a) 80, 00 C

1, 80 bar (a) 20, 28 t/h

105, 00 C

Make- up Water

A E, S. A. 57

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Ciclo simple con motor de CI de gas natural.

CICLO SIMPLE CON MOTOR DE CI DE GAS NATURAL

Normalmente para demandas de vapor < 10 Tm/h

Amplio margen de potencias.

36% < RE < 45%

RG 70% Se suele aprovechar el calor del agua del circuito de

refrigeracin (~ 80 C).

Usado sobretodo en plantas de pequea o mediana potencia:

Industria alimentaria Industria textil Industria qumica

Mayor rendimiento elctrico que en turbinas.

A E, S. A. 58


A E, S. A. 59


A E, S. A. 60

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.

CICLO SIMPLE CON TURBINA DE VAPOR

3. Ciclos de cogeneracin. Ciclo simple con turbina de vapor.

Hace mucho tiempo que se usan en cogeneracin.

Tiene bajo rendimiento elctrico, pero suele tener un rendimiento global elevado si se trabaja en contrapresin.

La relacin entre electricidad y calor producido es relativamente pequea, y depende tanto del tamao como de las condiciones del vapor vivo.

Fiabilidad elevada.

A E, S. A. 61

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Ciclo simple con turbina de vapor.

A E, S. A. 62

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Ciclo simple con turbina de vapor.

A E, S. A. 63


CICLO COMBINADO CON TURBINA DE VAPOR A CONTRAPRESIN

Mayor RE que ciclo simple.

Alta relacin E/V

Las potencias entre 7 MW y 400 MW.

Se pueden usar en gran diversidad de sectores.

3. Ciclos de cogeneracin. Ciclo combinado con turbina de vapor de contrapresin.

A E, S. A. 64

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Ciclo combinado con turbina de vapor de contrapresin.

A E, S. A. 65

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Ciclo combinado con turbina de vapor de contrapresin.

A E, S. A. 66


CICLO COMBINADO CON CONDENSACIN MARGINAL

3. Ciclos de cogeneracin. Ciclo combinado con condensacin marginal.

Parte del vapor a la salida de la turbina de contrapresin es enviado a una turbina de condensacin.

Se puede generar ms electricidad con el exceso de vapor que se genera para el proceso.

En momentos de gran demanda de vapor, se puede prescindir de la turbina de condensacin.

La potencia oscila entre 10 MW y 100 MW.

Se obtiene un mayor rendimiento elctrico y una mayor relacin E/V.

Adecuado para industrias con demanda de vapor variable.

A E, S. A. 67

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Ciclo combinado con condensacin marginal.

A E, S. A. 68


TRIGENERACIN

Adems de generar electricidad y vapor, se produce fro (agua a ~7 C), mediante una mquina de absorcin y una torre de refrigeracin.

3. Ciclos de cogeneracin. Trigeneracin.

A E, S. A. 69

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Trigeneracin.

A E, S. A. 70

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Trigeneracin con turbina de gas.

A E, S. A. 71

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Trigeneracin con motor alternativo.

A E, S. A. 72


APLICACIONES A PROCESOS DE SECADO

Consiste en el aprovechamiento directo de los gases calientes de escape de una turbina de gas para un proceso industrial (normalmente secado de algn producto).

Tambin se puede recalentar los gases con una aportacin adicional de combustible, si el proceso lo requiere, o enfriarlos con una aportacin extra de aire.

En los momentos en que no se necesite la totalidad de los gases de escape, stos son desviados a la atmsfera a travs de un by-pass.

3. Ciclos de cogeneracin. Aplicaciones a procesos de secado.

A E, S. A. 73

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Aplicaciones a procesos de secado.

A E, S. A. 74

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Aplicaciones a procesos de secado.

A E, S. A. 75


POLIGENERACIN

A menudo la demanda trmica no es de tipo nico, sino que est compuesta por diferentes demandas a diferentes niveles trmicos.

3. Ciclos de cogeneracin. Poligeneracin.

Se puede aprovechar mejor el calor producido mediante un sistema de recuperacin de diferentes niveles

trmicos

P.ej.:

Vapor AP+

Vapor BP+

Aceite trmico+

Agua caliente+

A E, S. A. 76

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.3. Ciclos de cogeneracin. Poligeneracin.

A E, S. A. 77

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.

TURBINA DE GAS

A E, S. A. 78


TURBINA DE GAS

A E, S. A. 79


Se desarrollaron a partir de las turbinas de aviacin.

Rango de potencias: 30 kW 350 MW

Para uso industrial: > 4 MW (excepto microturbinas)

Permiten recuperar el calor de manera fcil.

Son extremadamente fiables

Diagrama de una turbina de gas

RG 80%

A E, S. A. 80


Turbina de gas de 340 MW

A E, S. A. 81


Fases de funcionamiento

A E, S. A. 82


Compresin

Tericamente isoentrpica (en realidad politrpica)

Combustin:

Tericamente isobrica (prdidas de carga)

Expansin:

Tericamente isoentrpica

1 2

2 3

3 4

Ciclo termodinmico: ciclo de Brayton

A E, S. A. 83


A E, S. A. 84


A E, S. A. 85


COMPRESOR

4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de gas.

Esttor o difusor (labes fijos)

Rtor (labes mviles)

Parmetros caractersticos:

Relacin de compresin ( )

Caudal de aire que circula por l

Potencia absorbida

Tipos

Centrfugo

Axial

Axial multietapa

Psalida

Pentrada

A E, S. A. 86


A E, S. A. 87


A E, S. A. 88


Si no, se obtendran T demasiado elevadas para los materiales de la

turbina

Relacin combustible/aire

Relacin estequiomtrica

A E, S. A. 89


A E, S. A. 90


Transformacin:

Suelen estar formadas por 2 ms etapas.

Cada etapa est constituda por:

Energa gases de combustin

Energa mecnica

Energa cintica gases

(propulsin)+

Energa trmica gases

+Energa presin

aire

Accionamiento compresor

+Accionamiento

alternador

- labes fijos (distribuidor)

- labes mviles (rueda)

Conversin presin velocidadFuerza rotacin

TURBINA

+

A E, S. A. 91


Segn mecanismo de conversin energtica:Etapa de accin

Etapa de reaccin

Etapa de accin Etapa de reaccin

P cte. P cte.

A E, S. A. 92


A E, S. A. 93


A E, S. A. 94


Eficiencia Elctrica

La eficiencia elctrica de las turbinas de gas depende en gran medida de su tamao:


15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

0 10 20 30 40 50E (MW)

E

E

(

%

)

.

Turbinas de gasindustriales

Turbinas de gasaeroderivadas

A E, S. A. 95


EQUIPOS AUXILIARES TURBINA DE GAS

Sistema de combustible

Sistema de lubricacin

Sistema de encendido

Sistema de arranque

Sistema de venteo

Sistema de control

A E, S. A. 96

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Motor de combustin interna.

MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA

A E, S. A. 97



ESCOLLIR-NE UNA DE LES 2

A E, S. A. 98


Desarrollados por la industria naval.

Su potencia oscila entre 10 kW y 50 MW.

Para uso industrial: > 1 MW.

Pueden funcionar con gas natural, gasoil.

Requieren de un sistema de refrigeracin.

Son ms eficientes que las turbinas en la conversin

Calor a T ms difcil de aprovechar

Esquema de un motor alternativo

HT LT

ETRMICA EMECNICA(R = 40 - 50%)

A E, S. A. 99


Ciclo OTTO Ciclo Diesel

A E, S. A. 100


EQUIPOS AUXILIARES MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA

4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Motor de combustin interna.

Alternador elctrico sncrono trifsico

Bancada para emplazamiento del motor, alternador y auxiliares

Admisin de aire desde exterior

Circuito de agua de refrigeracin

Bombas de lubricante

Arranque elctrico

Silenciador gases escape

Sincronizador de tensiones con la red

A E, S. A. 101

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de vapor.

TURBINA DE VAPOR

A E, S. A. 102

Tiene bajo RE ( ~ 7% )

Alto RG a contrapresin ( ~ 89% )

Histricamente muy usado

En la actualidad ciclos combinados

Tipos

Segn mecanismo de conversin

Turbinas de accin

Turbinas de reaccin

Segn aplicacin

Contrapresin

Condensacin


Esquema de una turbina de vapor

A E, S. A. 103


A E, S. A. 104


A E, S. A. 105


EQUIPOS AUXILIARES TURBINA DE VAPOR

Reductor


Admisin de aire

Acoplamiento

Sellado de eje

Sistema de admisin de vapor


4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de vapor.

A E, S. A. 106

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Generador de vapor.

GENERADOR DE VAPOR

A E, S. A. 107


A E, S. A. 108


Recuperacin de calor de flujos msicos mediante intercambiadores:

FLUJO CALIENTE

(~ 500 C)

Gases a alta TN2 + O2 + CO2 + H2O

(+ NOx)

FLUJO FRO

Agua

Intercambio de calor

CALDERA DE RECUPERACIN[ HRSG (Heat Recovery Steam Generator) ]

A E, S. A. 109


a) Energa trmica a recuperar

Depende de:

b) Vapor a producir

Determinar la eleccin de la turbina o motor

Condicionantes de diseo:

- Superficies de intercambio

- T del agua de alimentacin

Para aportar las posibles diferencias entre la demanda de V y la energa que puede obtenerse de los gases:

Segunda caldera convencional

Quemador de postcombustinPermite adaptar la produccin a las oscilaciones de la demanda de vapor

A E, S. A. 110


Evaporador En l se produce la evaporacin del agua

Economizador Intercambiador agua-aire para precalentar el agua de entrada

Compuerta by-pass Cuando la demanda de vapor es muy baja, deriva a la atmsfera

parte de los gases de escape

Quemador de postcombustin Aporta energa, permite la modulacin de la produccin

Segn modelo constructivoGeneradores pirotubulares

Generadores Acuotubulares


A E, S. A. 111


Interior tubos gases combustin Exterior tubos agua Presin del vapor hasta 15 bar

Caudales hasta 15 Tm/h

Generadores pirotubulares

A E, S. A. 112


Interior tubos agua Exterior tubos gases combustin Presiones y caudales mayores

Normalmente flujo a contracorriente

Generadores acuotubulares

A E, S. A. 113

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Mquina de absorcin.

MQUINA DE ABSORCIN

A E, S. A. 114


Genera fro a partir de energa trmica generada por recuperacin.

Segn nivel trmico:

Basadas en LiBr hasta 6 C Absorbente: LiBr

Refrigerante: agua

Basadas en NH3 hasta -40 C Absorbente: Agua

Refrigerante: NH3

Segn grado de optimizacin

Simple efecto 0,5 < COP < 0,7 Doble efecto 1,1 < COP < 1,4

A E, S. A. 115


De simple efecto:

A E, S. A. 116


De simple efecto:

A E, S. A. 117


De doble efecto:

A E, S. A. 118


De doble efecto:

A E, S. A. 119

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.5. Conexin a la red de sistemas de cogeneracin.

A E, S. A. 120


A E, S. A. 121


A E, S. A. 122


A E, S. A. 123


A E, S. A. 124


A E, S. A. 125


A E, S. A. 126

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.7. Microcogeneracin. Introduccin.

Unidad de microcogeneracin: unidad de cogeneracin con potencia elctrica mxima inferior a 500 kWe

Aplicacin en climatizacin de edificios: pequeas industrias, hoteles, escuelas, hospitales, oficinas, centros deportivos, etc.

Minimiza los altos costes que supone la generacin autnoma si no hay recuperacin trmica.

Estas instalaciones estn basadas en microturbinasde gas y micromotores alternativos.

Microcogeneracin

A E, S. A. 127


Generacin distribuida

Con microcogeneracin generacion en cada punto de consumo

En edificios aislados, la generacin se ha hecho tradicionalmente con motores diesel.

Con microcogeneracin se pueden reducir las emisiones y se puede mejorar el rendimiento en la generacin de energa.

El calor generado se puede aprovechar para uso sanitario, calefaccin, agua fra para climatizacin, etc.

Con microcogeneracin el sistema elctrico ver descargadas sus lneas al no tener que transportar tanta potencia hasta los puntos de consumo.

Microcogeneracin produccin distribuidaahorro en prdidas por transporte y

transformacin

A E, S. A. 128


El reducido tamao de las instalaciones de microcogeneracin permite instalarlo en los puntos de consumo, favoreciendo as la produccin distribuida de energa:

A E, S. A. 129


Motores Turbinas Numerosas partes mviles.

Necesitan lubricantes.

Funcionan con engranajes.

Alto nivel de mantenimiento.

Puesta en marcha con motores auxiliares.

Sensibles al contenido de metano.

Puesta en marcha sin auxiliares.

Emisiones Ultra-bajas.

Mantenimiento sencillo.

Una nica parte mvil.

Lubricacin por aire.

Funcionamiento con gases pobres en metano.

Transmisin sin engranajes.

A E, S. A. 130

Larga historia en el campo aeronutico:

El modo de funcionamiento de la microturbina no difiere mucho del de una turbina convencional.

Diferencias transformacin de energa mecnica a elctrica.

Rango de funcionamiento entre 45000 y 96000 rpm.

A la salida se mantienen 400 V y 50 Hz.

La conexin y desconexin es inmediata.

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.7. Microcogeneracin. Microturbinas.

Microturbinas

generacin elctrica y aire comprimido en tierra para el arranque de las grandes turbinas de propulsin

no se usa transmisin mecnica (reductor) que haga funcionar el alternador a 50 Hz sino que funciona a

1600 Hz y la conversin es por electrnica de potencia (AC DC AC).

A E, S. A. 131

sta es la nica parte mvil de la microturbina:

Son solidarios el compresor, la etapa de potencia y el eje del alternador.

En los extremos los cojinetes son de aire para evitar el uso de aceites lubricantes.


A E, S. A. 132


Las microturbinas usan un proceso regenerativo para mejorar el RE.

Se obtiene un RE parecido a las turbinas de potencias 100 veces superiores.

7. Microcogeneracin. Microturbinas.

A E, S. A. 133


Las microturbinas usan un proceso regenerativo para mejorar el RE.

Se obtiene un RE parecido a las turbinas de potencias 100 veces superiores.

A E, S. A. 134


A E, S. A. 135


Generador de imn permanente Funciona de forma asncrona, hasta unas 96000 rpm a plena carga. No existe

una transmisin mecnica (reductor gearbox) entre la turbina y el generador.

Compresor

Recuperador de calor

Turbina Alta velocidad y bajo par.

Electrnica de potencia Este sistema se encarga de convertir la energa elctrica a 1600 Hz en una

salida estable a 380 V y 50 Hz. El hecho de funcionar con electrnica permite

que la sincronizacin con la red sea prcticamente instantnea gracias a los

tiristores.

7. Microcogeneracin. Microturbinas.

Componentes de las microturbinas

A E, S. A. 136


A E, S. A. 137

Solar Turbines Mercury 50

Kaw asaki GPB30D

Dresser-Rand KG2-3E

Capstone C200 Capstone C1000

Siemens SGT-100Ingersol Rand MT250

Elliott TA100R

Rolls Royce 501-KB5S

Kaw asaki GPB15D

OPRA Turbines OP16-3B (DLE)

Solar Turbines Saturn 20

Solar Turbines Centaur 40Solar Turbines Centaur 50

Kaw asaki GPB60DRolls Royce 501-KB7S

Dresser-Rand KG2-3C

General Electric GE5-1 (DLN)

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

0 1 2 3 4 5 6

Power Output (MW)

E

l

e

c

t

r

i

c

a

l

E

f

f

i

c

i

e

n

c

y

(

%

)

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.7. Microcogeneracin. Rendimiento elctrico.

RE de algunas microturbinas

A E, S. A. 138

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.7. Microcogeneracin. Ejemplos.

Algunos ejemplos de microcogeneracin:

A E, S. A. 139


A E, S. A. 140


A E, S. A. 141

Hospitals

Hotels Schools

Large Retailers

Oil & Gas

U.S. Govt

Landfills Waste Water Plants

Telecom

Digesters

Hybrid EV

Office Buildings

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.7. Microcogeneracin. Aplicaciones.

A E, S. A. 142

En el campo de la microgeneracin, las microturbinas son mquinas de ltima generacin con las caractersticas adecuadas para ofrecer la calidad y disponibilidad deseadas adems de una capacidad multicombustible.

Los tiempos de instalacin reducidos, la compactacin, poco peso, la ausencia de lquidos lubricantes y de refrigeracin, intervalos de mantenimiento elevados, alta disponibilidad, todo el calor fcilmente aprovechable en gases, etc. ventajas frente a motores.

Las emisiones gaseosas de una microturbina son ms bajas que las de motores de combustin interna.

Los lmites de emisiones en algunas ciudades en NOx hacen tambin de la microturbina la nica solucin posible.

La combinacin de microturbinas y mquinas de absorcin es posible gracias a que todo el calor disponible est a alta temperatura.

Sistemas de cogeneracin. Fundamentos y aplicaciones.7. Microcogeneracin. Conclusiones.

Conclusiones

A E, S. A. 143


TURBINA DE GAS

A E, S. A. 144


TURBINA DE GAS

A E, S. A. 145








RG 80%

A E, S. A. 146



A E, S. A. 147



A E, S. A. 148


Compresin


Combustin:


Expansin:


1 2

2 3

3 4


A E, S. A. 149


A E, S. A. 150


A E, S. A. 151


COMPRESOR



Rtor (labes mviles)




Potencia absorbida

Tipos

Centrfugo

Axial

Axial multietapa

Psalida

Pentrada

A E, S. A. 152


A E, S. A. 153


A E, S. A. 154



turbina



A E, S. A. 155


A E, S. A. 156


Transformacin:




Energa mecnica


(propulsin)+

Energa trmica gases

+Energa presin

aire


+Accionamiento

alternador




TURBINA

+

A E, S. A. 157



Etapa de reaccin


P cte. P cte.

A E, S. A. 158


A E, S. A. 159


A E, S. A. 160


Eficiencia Elctrica



15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

0 10 20 30 40 50E (MW)

E

E

(

%

)

.



A E, S. A. 161






Sistema de arranque

Sistema de venteo

Sistema de control

A E, S. A. 162



A E, S. A. 163




A E, S. A. 164










HT LT


A E, S. A. 165



A E, S. A. 166









Arranque elctrico



A E, S. A. 167


TURBINA DE VAPOR

A E, S. A. 168





Tipos


Turbinas de accin

Turbinas de reaccin

Segn aplicacin

Contrapresin

Condensacin



A E, S. A. 169


A E, S. A. 170


A E, S. A. 171



Reductor


Admisin de aire

Acoplamiento

Sellado de eje

Sistema de admisin de vapor


4. Componentes de un sistema de cogeneracin. Turbina de vapor.

A E, S. A. 172


GENERADOR DE VAPOR

A E, S. A. 173


A E, S. A. 174


Recuperacin de calor de flujos msicos mediante intercambiadores:

FLUJO CALIENTE

(~ 500 C)

Gases a alta TN2 + O2 + CO2 + H2O

(+ NOx)

FLUJO FRO

Agua

Intercambio de calor

CALDERA DE RECUPERACIN[ HRSG (Heat Recovery Steam Generator) ]

A E, S. A. 175


a) Energa trmica a recuperar

Depende de:

b) Vapor a producir

Determinar la eleccin de la turbina o motor

Condicionantes de diseo:

- Superficies de intercambio

- T del agua de alimentacin

Para aportar las posibles diferencias entre la demanda de V y la energa que puede obtenerse de los gases:

Segunda caldera convencional

Quemador de postcombustinPermite adaptar la produccin a las oscilaciones de la demanda de vapor

A E, S. A. 176


Evaporador En l se produce la evaporacin del agua

Economizador Intercambiador agua-aire para precalentar el agua de entrada

Compuerta by-pass Cuando la demanda de vapor es muy baja, deriva a la atmsfera

parte de los gases de escape

Quemador de postcombustin Aporta energa, permite la modulacin de la produccin

Segn modelo constructivoGeneradores pirotubulares

Generadores Acuotubulares


A E, S. A. 177


Interior tubos gases combustin Exterior tubos agua Presin del vapor hasta 15 bar

Caudales hasta 15 Tm/h

Generadores pirotubulares

A E, S. A. 178


Interior tubos agua Exterior tubos gases combustin Presiones y caudales mayores

Normalmente flujo a contracorriente

Generadores acuotubulares

A E, S. A. 179


MQUINA DE ABSORCIN

A E, S. A. 180


Genera fro a partir de energa trmica generada por recuperacin.

Segn nivel trmico:

Basadas en LiBr hasta 6 C Absorbente: LiBr

Refrigerante: agua

Basadas en NH3 hasta -40 C Absorbente: Agua

Refrigerante: NH3

Segn grado de optimizacin

Simple efecto 0,5 < COP < 0,7 Doble efecto 1,1 < COP < 1,4

A E, S. A. 181


De simple efecto:

A E, S. A. 182


De simple efecto:

A E, S. A. 183


De doble efecto:

A E, S. A. 184


De doble efecto:

A E, S. A. 185


TURBINA DE GAS

A E, S. A. 186


TURBINA DE GAS

A E, S. A. 187








RG 80%

A E, S. A. 188



A E, S. A. 189



A E, S. A. 190


Compresin


Combustin:


Expansin:


1 2

2 3

3 4


A E, S. A. 191


A E, S. A. 192


A E, S. A. 193


COMPRESOR



Rtor (labes mviles)




Potencia absorbida

Tipos

Centrfugo

Axial

Axial multietapa

Psalida

Pentrada

A E, S. A. 194


A E, S. A. 195


A E, S. A. 196



turbina



A E, S. A. 197


A E, S. A. 198


Transformacin:




Energa mecnica


(propulsin)+

Energa trmica gases

+Energa presin

aire


+Accionamiento

alternador




TURBINA

+

A E, S. A. 199



Etapa de reaccin


P cte. P cte.

A E, S. A. 200


A E, S. A. 201


A E, S. A. 202


Eficiencia Elctrica



15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

0 10 20 30 40 50E (MW)

E

E

(

%

)

.



A E, S. A. 203






Sistema de arranque

Sistema de venteo

Sistema de control

A E, S. A. 204



A E, S. A. 205




A E, S. A. 206










HT LT


A E, S. A. 207



A E, S. A. 208









Arranque elctrico



A E, S. A. 209


TURBINA DE VAPOR

A E, S. A. 210





Tipos


Turbinas de accin

Turbinas de reaccin

Segn aplicacin

Contrapresin

Condensacin



A E, S. A. 211


A E, S. A. 212


A E, S. A. 213



Reductor


Admisin de aire

Acoplamiento

Se

Cogeneración - Raimon Argemi AESA - Presentaciones

Documents

Transcript of Cogeneración - Raimon Argemi AESA - Presentaciones