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PROYECTO FIN DE CARRERA
ANLISIS DE LA VIABILIDAD TCNICA-ECONMICA DE UN CICLO
COMBINADO CON MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA
ALTERNATIVO Y CICLO DE RANKINE ORGNICO
AUTOR: Alejandro Mendoza Larive
MADRID, junio 2006
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)
INGENIERO INDUSTRIAL
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ANLISIS DE LA VIABILIDAD TCNICA-ECONMICA DE UN
CICLO COMBINADO CON MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA
ALTERNATIVO Y CICLO DE RANKINE ORGNICO. Autor: Mendoza Larive,
Alejandro
Director: Linares Hurtado, Jos Ignacio; Moratilla Soria, Beatriz
Yolanda
Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia Comillas
RESUMEN DEL PROYECTO En este proyecto se evala, tanto tcnica
como econmicamente, la integracin de
un motor alternativo de gas en un ciclo combinado. El
relativamente bajo nivel
trmico de los humos de escape (400 C a 500 C) y del agua de
refrigeracin (90
C a 110 C) hacen del empleo de fluidos orgnicos una buena opcin.
Los fluidos
orgnicos presentan como ventajas poder emplear equipos compactos
debido a que
tienen un salto entlpico por unidad de volumen alto y no es
necesario
sobrecalentar, puesto que el estado del fluido tras la expansin
en la turbina no es
de vapor hmedo. Por otra parte, con la adecuada seleccin del
fluido no se requiere
la presencia del desgasificador, al poder condensar a presiones
superiores al
ambiente.
En el proyecto se evalan diferentes escenarios en funcin de la
potencia del motor,
el acercamiento en la caldera del amoniaco y las temperaturas de
los fluidos que
aprovechan los humos procedentes de la combustin.
El motor de gas se ha parametrizado a partir de una bases de
datos de 67 motores de
10 fabricantes distintos, cuyas potencias oscilan entre 100 kW y
5500kW. As, se
han modelado las prestaciones energticas de dichos motores en
funcin de la
potencia elctrica entregada por ellos. En el caso de los ciclos
de Rankine orgnico
se ha recurrido a un modelado fsico.
El aprovechamiento de los calores residuales se lleva a cabo en
los humos de escape
mediante un ciclo en cascada ciclohexano-amoniaco. El
aprovechamiento del calor
de refrigeracin del bloque se realiza mediante un ciclo
regenerativo con FC87
(C5F12).
Los resultados tcnicos revelan un incremento de la potencia
elctrica entre el 27 %
para el motor de 100 kWe y el 18% para el de 5000 kWe. Estos
incrementos
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suponen un rendimiento del ciclo combinado de 40% para el motor
de 100 kWe y
de 50 % para el de 5000 kWe.
De la parte econmica cabe destacar la reduccin de los periodos
de retorno al
incluir el ciclo de Rankine orgnico as como un aumento tanto del
VAN como de
la TIR, tal como se muestra en la Figura 1. Esto significa que
el repowering de un
motor aislado mediante este sistema de aprovechamiento de
calores de baja
temperatura permite incrementar la rentabilidad, facilitando la
viabilidad econmica
de unidades ms pequeas (un motor aislado de 1500 kW presenta un
perodo de
retorno de 21 aos, mientras que con el acoplamiento al sistema
orgnico el perodo
de la inversin conjunta se reduce a 14 aos, incrementndose el
VAN en ms de 1
M).
Fig. 1.- VAN y PR del motor aislado y ciclo combinado.
En cuanto a los costes anuales equivalente totales de produccin
(incluida la
inversin), son casi un 10% ms bajos en el ciclo combinado que en
el motor
aislado (para un motor de 5 MWe). El coste de generacin en el
ciclo combinado es
de 65 /MWh, correspondiendo un 69% al combustible, un 19% a la
inversin y
12% a la operacin y mantenimiento (motor de 5 MWe). Estos costes
se sitan por
debajo del precio de venta de electricidad anual equivalente (77
/MWh) para
motores de ms de 1000 kWe, mientras que en el caso del motor
aislado se
requeran tamaos de ms de 2500 kWe.
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La figura 2 muestra las emisiones de CO2 del motor aislado
frente al ciclo
combinado propuesto. El incremento logrado en el rendimiento
hace que las
emisiones especficas se reduzcan entre 79 g/kWhe y 69 g/kWhe lo
que en trminos
relativos es de entre 16 % y el 15 %. El valor obtenido en las
emisiones del ciclo
combinado propuesto es similar al que logran los ciclos
combinados convencionales
Brayton-Rankine.
Fig. 2.- Emisiones de 2CO .
Si se compara el empleo del motor en cogeneracin con el del
ciclo combinado se
encuentra un mejor aprovechamiento en el sistema de cogeneracin.
As, aunque el
rendimiento elctrico artificial es similar en ambas
configuraciones para motores de
100 kWe, en motores de 5 MWe supera el 58% en cogeneracin,
alcanzando slo el
50% en ciclo combinado. Si se compara el ndice de ahorro de
energa primaria
siempre resulta ms eficiente la cogeneracin que el ciclo
combinado, siendo el
ahorro del 38% en el primero y del 30% en el segundo para un
motor de 5 MWe.
Como conclusin, se ha probado que la constitucin de un ciclo
combinado motor
de gas-Rankine orgnico es tcnica y econmicamente posible,
mejorando la
rentabilidad de la produccin elctrica del motor de gas, aunque
no siendo tan
eficiente como el empleo del motor en cogeneracin. Dado que la
inversin
adicional en el ciclo de Rankine orgnico no es excesiva puede
pensarse en un
sistema hbrido, que alterna entre la produccin elctrica
intensificada (ciclo
combinado) o la produccin de calor y electricidad, en funcin de
la demanda.
C.combinado
Motor
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TECHNICAL - ECONOMIC FEASIBILITY ANALYSIS OF A
COMBINED CYCLE WITH INTERNAL COMBUSTION ENGINE
AND ORGANIC RANKINE CYCLE Author: Mendoza Larive, Alejandro
Director: Linares Hurtado, Jos Ignacio; Moratilla Soria, Beatriz
Yolanda
Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia Comillas de
Madrid
SUMMARY PROJECT
In this project it is assessed, technological and economically,
the integration of a
natural gas internal combustion engine in a combined cycle. Due
to the relatively
low thermal level of the flue gases at the exhaust pipe (400 C
to 500 C) and of the
cooling water (90 C 100 C), the employment of organic fluids is
a good option.
The organic fluids allow the use of compact equipments due to
the fact that they
have high enthalpy jump per unit of volume and superheating is
not necessary
because the condition of the fluid downstream the expansion in
the turbine is not of
humid steam. On the other hand, with the suitable selection of
the fluid its
condensation pressure is above the environmental pressure.
In the project different scenes are evaluated depending on the
power of the engine,
the pinch point of the boiler of ammonia and the temperatures of
the fluids that
absorb the heat from the combustion gases.
The gas engine characteristics there are obtained from a
databases of 67 engines of
10 different manufacturers, whose powers range are between 100
kW and 5500kW.
This way, they have been modelled depending on the electrical
power delivered by
them.
The organic Rankine cycle has been modelled physically. The
utilization of waste
heats from the exhaust pipe has been modelled with a cascade
cycle of cyclohexane
and ammonia and utilization of the refrigeration heat employ
FC87 (C5F12).
The technical results reveal an increase of the electrical power
between 27 % for the
engine of 100 kWe and 18 % for of 5000 kWe. These increases
suppose a
performance of the combined cycle of 40 % for the engine of 100
kWe and of 50 %
for the engine of 5000 kWe. In the economic part it is necessary
to distinguish the
reduction of return periods if the organic Rankine cycle is
included, and also an
-
increase of the VAN (Net Present Value) and TIR (Internal Rate
of Return), as it
appears in Figure 1. This means that the re-powering of an
engine isolated using an
organic Rankine cycle allows to increase the profitability,
facilitating the economic
viability of the smallest units (an engine isolated of 1500 kW
presents a return
period of 21 years, whereas with the combined cycle the period
of the investment
reduces to 14 years, increasing its VAN in more than 1 M ).
Fig. 1.- VAN y RP of the isolated engine and combined cycle.
In reference to the overall levelized costs of production
(included the investment),
they are almost 10 % lower in the combined cycle than in the
isolated engine (for an
engine of 5 MWe). The cost of generation in the combined cycle
is 65 /MWh,
corresponding 69 % to the fuel, 19 % to the investment and 12 %
to the operation
and maintenance (engine of 5 MWe). These costs are placed below
the lelvelized
price of electricity (77 /MWh) for engines of more than 1000
kWe, whereas in
case of the isolated engine sizes were needed of more than 2500
kWe.
Figure 2 shows the CO2 emission of the engine isolated in
contrast to the combined cycle. The increase achieved in the
performance reduces the specific emission to
79 g/kWhe and 69 g/kWhe what in relative terms is between 16 %
and 15 %. The
value obtained in the emission of the combined cycle is similar
to the conventional
Brayton-Rankine cycles.
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Fig. 2.- 2CO emissions.
If the employment of the engine in cogeneration is compared with
the combined
cycle, the cogeneration system achieve better results. This way,
although the
electrical artificial efficiency is similar in both
configurations for engines of 100
kWe, in engines of 5 MWe it overcomes 58 % in cogeneration,
reaching only 50 %
in combined cycle. If there is compared the saved primary energy
index, it always
turns out to be a more efficient the cogeneration than the
combined cycle, being the
saving of 38 % in the first one and of 30 % in the second one
for an engine of 5
MWe. As conclusion, there has been proved that the constitution
of a combined
cycle of gas-Rankine organic cycle is technical and economically
feasible,
improving the profitability of the electrical production of the
gas engine, although
not being so efficient as the employment of the engine in
cogeneration. Due to
additional investment in Rankine cycle isnt so high its possible
to think in a
hybrid system, which alternates between intensified electricity
production
(combined cycle) and the combined heat and power, depending on
demand.
C.combinado
Motor
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NDICE
Captulo 1 Introduccin
...................................................................
1
1.1 Motivacin del
proyecto...........................................................................2
1.2
Objetivos...................................................................................................3
1.3 Marco general: generacin
elctrica.........................................................4
1.3.1 Generacin elctrica
distribuida.................................................7
1.3.2 Inconvenientes del sistema
centralizado....................................9
1.3.3 Aplicaciones de la generacin elctrica
distribuida...................9
1.3.4 Ventajas de la generacin elctrica
distribuida........................11
1.4 Ciclo
combinado.....................................................................................13
1.4.1 Parmetros caractersticos con un nivel de
presin..................14
1.4.2 Motores de combustin interna alternativos
(MCIA)..............19
1.4.3 Motores de gas natural como ciclo de
alta...............................21
1.4.4 Ciclo de
Rankine......................................................................23
1.4.5 Ciclo de
Carnot.........................................................................29
1.4.6 Acoplamiento motor-ciclo
ORC..............................................31
1.5 Metodologa de
trabajo...........................................................................31
Captulo 2 Revisin de las tecnologas
disponibles........................33
2.1 Ciclo de alta
(MCIA)..............................................................................33
2.1.1 Comparacin con otras tecnologas de generacin
distribuida.................................................................................34
-
2.1.2 Integracin con otros sistemas de
energa................................36
2.1.3 Los MCIA y el
medioambiente................................................40
2.1.4 Motor
diesel..............................................................................41
2.1.5 Motor de
gas.............................................................................42
2.2 Ciclo de alta (turbina de
gas)..................................................................43
2.3 Ciclo de baja
temperatura.......................................................................46
2.3.1 Ciclo de
Rakine........................................................................47
2.3.1.1 Modelo
A...................................................................48
2.3.1.2 Modelo
B...................................................................49
2.3.2 Ciclo
ORC................................................................................51
2.3.2.1 Modelo inicial: ciclo con un solo
fluido....................57
2.3.2.2 Modelo final: ciclo en
cascada..................................59
Captulo 3 Descripcin del modelo
desarrollado...........................65
3.1 Esquema en
planta..................................................................................65
3.2 Modelo
tcnico........................................................................................66
3.2.1 Modelo del
motor.....................................................................66
3.2.2 Modelo de aprovechamiento del calor de los
humos...............73
3.2.2.1 Ciclo
ciclohexano......................................................73
3.2.2.2 Ciclo
amoniaco..........................................................74
3.2.3 Modelo matemtico de aprovechamiento del calor de los
humos.......................................................................................75
3.2.3.1
Datos..........................................................................75
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3.2.3.2
Variables....................................................................76
3.2.4 Modelo de aprovechamiento del calor del agua de
refrigeracin.............................................................................78
3.2.5 Modelo matemtico de aprovechamiento del calor del
agua de
refrigeracin................................................................79
3.2.5.1
Datos..........................................................................79
3.2.5.2
Variables....................................................................80
3.3 Ecuaciones del modelo
matemtico........................................................80
3.4 Verificacin de la viabilidad
tcnica.......................................................87
3.5 Modelo
econmico..................................................................................88
3.5.1 Inversin
inicial........................................................................89
3.5.2 Costes de mantenimiento y
operacin......................................97
3.5.3 Anlisis de
rentabilidad............................................................98
3.6 Modelo
medioambiental.........................................................................99
Captulo 4 Anlisis de
resultados..................................................103
4.1 Resultados tcnicos del
modelo............................................................103
4.1.1
Rendimientos..........................................................................104
4.1.2 Potencias
generadas................................................................105
4.2 Resultados
econmicos.........................................................................106
4.3 Resultados
medioambientales...............................................................118
4.4 Comparacin de un ciclo combinado y un ciclo de
cogeneracin........119
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Captulo 5 Anlisis de
sensibilidad................................................125
5.1 Anlisis de sensibilidad de parmetros
tcnicos...................................125
5.2 Anlisis de sensibilidad de parmetros
econmicos.............................131
Captulo 6
Conclusiones.................................................................147
6.1 Conclusiones sobre resultados
tcnicos................................................147
6.2 Comparacin con un ciclo de
cogeneracin..........................................149
6.3 Aspectos
medioambientales..................................................................150
6.4 Aspectos
econmicos............................................................................151
Captulo 7
Bibliografa...................................................................153
Captulo 8
Anexos...........................................................................155
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Captulo 1 Introduccin
Pg. 1 de 191
INTRODUCCIN
Los ciclos combinados han sido desarrollados para aprovechar los
calores
residuales de los ciclos clsicos de produccin de energa,
consiguiendo as
maximizar el rendimiento obtenido para el combustible empleado.
Estos ciclos
combinados aprovechan normalmente calores residuales de un ciclo
de alta
temperatura para calentar el fluido de otro ciclo de baja
temperatura antes de pasar
por la turbina. De esta manera se consigue aumentar
considerablemente el
rendimiento que se tena con el primer ciclo aislado, ya que, en
el segundo, se est
utilizando un calor gratuito.
Sin embargo, no se utilizan ciclos combinados en todos los
ciclos de
produccin de energa, ya que se necesita un incremento sustancial
del rendimiento
inicial para que sea realmente rentable emplear esos humos para
generar ms
electricidad. As, habr que analizar para cada caso si la mejora
obtenida compensa
la inversin extra inicial y los mayores gastos de operacin.
La temperatura de estos gases de escape ser muy determinante
para las
posibilidades de integracin de un ciclo termodinmico. Cuanto
mayor sea sta,
mayor ser la temperatura a la que se pueda calentar el fluido
del ciclo de baja
presin que se dirige hacia la turbina, por lo que se podr
obtener ms trabajo en
ella, aumentando as en mayor medida el rendimiento del ciclo
principal. Por ello,
por cuestiones de rentabilidad, slo se suelen aprovechar para
produccin de
energa los calores residuales de alta o muy alta
temperatura.
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Captulo 1 Introduccin
Pg. 2 de 191
1.1 Motivacin del proyecto
El ciclo de Rankine orgnico (ORC), que emplea un fluido
diferente del
agua, resulta muy apropiado para el aprovechamiento de calores
residuales de
media y baja temperatura debido a que al utilizar un fluido con
una curva de
saturacin distinta de la del agua es capaz de adaptarse mejor a
las prestaciones del
foco caliente que el ciclo con vapor convencional.
El proyecto pretende evaluar la viabilidad de usar un ciclo ORC
como ciclo
de baja para un motor alternativo de gas natural, analizando la
adecuacin de
diferentes fluidos, determinando el tamao adecuado de ambos
equipos, la
configuracin adecuada del ciclo, la posibilidad de evitar
emplear desgasificador,
etc.
Adems el proyecto incluye un anlisis para estudiar la
viabilidad
econmica del proyecto, para lo que se consideran tanto las
inversiones necesarias
en los elementos empleados para su construccin (turbinas,
motores,
compresores,) como la rentabilidad obtenida durante la vida til
de la planta.
Otro aspecto a considerar es el impacto ambiental que en este
caso serian los
gases emitidos por el motor procedente de la combustin de gas
natural. Los
contaminantes atmosfricos (NOx, etc) se mantienen como en el
caso del motor,
aunque su peso relativo a la potencia elctrica generada se
reduce; en cuanto al
CO2, se han estimado sus emisiones, antes y despus de acoplar el
ciclo ORC.
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Captulo 1 Introduccin
Pg. 3 de 191
1.2 Objetivos del proyecto
Los objetivos del proyecto son:
1. Analizar los fluidos de trabajo adecuados, seleccionando los
ms
indicados para la aplicacin. En este anlisis se tendrn en cuenta
el
posible empleo de ciclos en cascada para aprovechar al mximo
las
caractersticas de los fluidos orgnicos.
2. Obtener un modelo de las prestaciones del motor alternativo.
Para
ello se recurrir a un anlisis estadstico de diversos motores
reales,
obteniendo as sus prestaciones nominales en funcin de la
potencia
del motor.
3. Obtencin de las prestaciones del ciclo combinado,
analizando
diferentes configuraciones del mismo, de modo que sea
posible
seleccionar el escenario ms eficiente segn las circunstancias
de
cada caso (potencia total de la planta, tamao del motor,...).
Esto
constituir un anlisis de viabilidad tcnica.
4. Realizacin de un anlisis de viabilidad econmica para ponderar
los
criterios tcnicos con los econmicos.
5. Realizacin de un anlisis de viabilidad a nivel energtico
y
medioambiental, calculando el ahorro en energa primaria y la
reduccin en emisiones de 2CO frente a una tecnologa
convencional
de produccin elctrica.
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Captulo 1 Introduccin
Pg. 4 de 191
1.3 Marco general: generacin elctrica
Las primeras unidades de generacin elctrica instaladas a nivel
mundial
seguan una estrategia considerada hoy como generacin
distribuida, es decir, se
construan centrales en el mismo rea de consumo. A medida que la
industria se
desarrollaba y creca, la mayora de las instalaciones
industriales construyeron
centrales para cubrir sus propias necesidades y las de los
clientes situados en las
proximidades, lo cual constituye otro precedente de la generacin
elctrica
distribuida.
Posteriormente como parte del crecimiento demogrfico y de la
demanda
elctrica, se evolucion hacia el sistema centralizado donde la
central elctrica se
encontraba en el centro geomtrico del consumo y los consumidores
crecan a su
alrededor. Sin embargo el rpido desarrollo tecnolgico llev a
construir grandes
centrales elctricas ms eficientes situadas en lugares distantes
de las zonas de
consumo, pero cerca del suministro de combustible y agua.
Segn la fuente de energa primaria se pueden considerar tres
tipos
principales de generacin clsica: hidrulica, nuclear y
combustible fsil.
La energa hidrulica se prev que tenga una expansin escasa en
Europa y
Estados Unidos donde se ha llegado casi al lmite de la
explotacin; el agotamiento
de emplazamientos posibles y la negativa social a la nueva
construccin de
embalses y derivacin de caudales de ros, a pesar de su bajo
coste de generacin y
emisiones contaminantes a la atmsfera, no hace pensar en
importantes incrementos
de la capacidad hidrulica.
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Captulo 1 Introduccin
Pg. 5 de 191
La energa nuclear, pese a los bajos costes variables y emisiones
de gases de
efecto invernadero que su empleo supone, no posee buenas
perspectivas de
convertirse en una alternativa a corto plazo, debido
principalmente al rechazo
social. Uno de los campos donde se necesita desarrollo e
inversin es en buscar
soluciones en la eliminacin, transformacin o almacenamiento
seguro de los
residuos nucleares.
En lo referente a los combustibles fsiles se prev que sigan
siendo la
principal fuente de energa utilizada para la produccin de
electricidad, donde se ha
observado una reduccin de la importancia del carbn frente al
auge del gas natural.
Este cambio es debido a la menor emisin especfica de 2CO por kWh
producido y
a las ventajas referente a costes de inversin, eficiencia
energtica, flexibilidad de
operacin y aceptacin social en la seleccin del
emplazamiento.
De forma general una central de ciclo combinado requiere una
inversin de
entre 500 a 600 /kW [GOME06] y puede alcanzar rendimientos
cercanos al 59% a
pleno rendimiento mientras que una central de carbn, con
depuracin de gases y
calderas supercrticas, tienen un rendimiento del orden del 45%
con costes de
inversin de 1000 /kW. Estas diferencias no implican el abandono
de las
tecnologas basadas en el carbn, dado su seguridad de
abastecimiento, sobretodo si
se desarrollan tecnologas econmicamente viables de captura y
confinamiento de
2CO .
Esta orientacin de la generacin se ha dado en los pases
desarrollados al
menos desde la Segunda Guerra Mundial tendiendo haca economas de
escala a
travs de grandes centrales cada vez ms alejadas de los centros
de consumo
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Captulo 1 Introduccin
Pg. 6 de 191
obligando al desarrollo de lneas de transporte de mayor
capacidad y largas
interconectadas y mutuamente apoyadas. No solamente se tenda
hacia una
generacin centralizada sino tambin a la transferencia del
control del sistema
elctrico del entorno de los clientes o pequeas empresas hacia
grandes organismos
de gestin centralizada.
Sin embargo el hecho de una tendencia a un sistema centralizado
no supuso
la desaparicin de la generacin distribuida cuya forma ms
habitual fue el
generador diesel o bateras cuyos objetivos eran cubrir las
necesidades que el
sistema centralizado no poda cubrir: fiabilidad (hospitales) o
calidad en el
suministro (bancos).
Por el contrario en la dcada de 1970, factores energticos como
la crisis del
petrleo, ecolgicos como el cambio climtico y una alta tasa de
demanda elctrica
a nivel mundial, plantearon la necesidad de alternativas
tecnolgicas para asegurar
el suministro, la calidad de la energa elctrica y el ahorro y
uso eficiente de los
recursos naturales. A estos factores se aaden la dificultad de
encontrar
emplazamientos para las grandes centrales, su elevada inversin
de capital y la
complejidad de construccin que junto con el desarrollo
tecnolgico y reduccin del
coste de nuevas opciones modulares hacen de la generacin
distribuida una
alternativa.
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Captulo 1 Introduccin
Pg. 7 de 191
1.3.1 Generacin elctrica distribuida
Son varias las definiciones que existen sobre la generacin
distribuida pero
posiblemente la ms clara y general es la dada por el Electric
Power Research
Institute:
La generacin distribuida es la utilizacin, de forma integrada
o
individual, de pequeos generadores por parte de las compaas
elctricas, clientes
o terceros, en aplicaciones que benefician al sistema elctrico,
a usuarios elctricos
especficos o a ambos.
Tericamente casi cualquier tecnologa sera vlida para dicha
generacin
(turbinas elicas, hidrulicas y de gas, motores de combustin
interna, placas de
energa solar trmica de alto rendimiento y fotovoltaicas, pilas
de combustible) pero
en la prctica, slo aquellas de alta eficiencia son viables
econmicamente.
La generacin distribuida supone un cambio en la generacin de
energa
elctrica centralizada. Aunque se pudiera considerar un concepto
nuevo, lo cierto es
que su origen se remonta a los inicios de la generacin elctrica
puesto que la
industria elctrica se fundament en la generacin en el lugar de
consumo.
En los ltimos aos del siglo XX se ha producido un cambio
estructural de
las condiciones y fundamentos en los que se basaba la generacin
elctrica
tradicional de los pases industrializados. Los factores que han
influido en estos
cambios han sido la liberalizacin de los mercados elctricos y la
preocupacin
medioambiental existente en las sociedades desarrolladas debido
al cambio
climtico.
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Captulo 1 Introduccin
Pg. 8 de 191
La liberalizacin y el progresivo abandono de los sistemas
regulatorios
tradicionales, han hecho plantearse sistemas con costes de
inversin inferiores lo
que permite incrementar la competitividad entre empresas. El
segundo factor de
cambio queda plasmado en cumbres como la de Ro de Janeiro
(1992), el protocolo
de Kyoto (1997) y posteriores acuerdos. Este factor es el que
explica el inters
despertado sobre la generacin elctrica mediante fuentes
renovables.
A nivel de la Unin Europea se estn llevando a cabo iniciativas
polticas de
proteccin del medio ambiente, desarrollo sostenible y ahorro
energtico. Estas
iniciativas quedan plasmadas en directivas de fomento de energas
renovables,
apoyo a la cogeneracin y aquellas que afectan a grandes
instalaciones de
combustin, limitando las emisiones de gases y partculas.
En trminos generales, al implementar la GD lo que se busca es
aumentar la
calidad de energa, es decir, contar de forma ininterrumpida con
la energa elctrica,
con sus adecuados parmetros elctricos que la definen acordes a
las necesidades,
esto es voltaje, corriente y frecuencia, entre otros.
La mayora de las redes de transmisin y distribucin de energa
elctrica
alcanzan una fiabilidad del 99.9% equivalentes a 8.7 hora al ao
fuera de servicio.
Sin embargo, la alta tecnologa en procesos de produccin y
empresas de servicio
demandan una mayor fiabilidad equivalentes a tiempos fuera de
servicio al ao de
entre 32 y 0.03 segundos.
La generacin distribuida supone un reto tecnolgico que gira
entorno a la
disminucin de las prdidas durante el transporte por lo que al
localizarse cerca del
punto de consumo permite minimizarlas; esto lleva consigo una
disminucin de
consumo de energa primaria as como de emisiones
contaminantes.
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Captulo 1 Introduccin
Pg. 9 de 191
1.3.2 Inconvenientes del sistema centralizado
Dificultad de emplazamiento y construccin de grandes centrales
al mismo ritmo que la demanda.
Dificultad de construccin e interconexin de grandes lneas de
transporte y distribucin que permitan mantener la fiabilidad
del
suministro y aprovechar la desregulacin de sistemas elctricos
del
entorno para el intercambio competitivo de electricidad.
Dificultad para compatibilizar la desregulacin del mercado
elctrico propio con la proteccin del cliente.
Dificultad para compatibilizar la desregulacin del mercado
elctrico propio con el nivel de inversin en investigacin,
desarrollo e
innovacin que podra aportar a medio plazo la tecnologa
necesaria
para solucionar el conflicto.
Dificultad para proporcionar la calidad de suministro exigida
por la economa digital.
1.3.3 Aplicaciones de la generacin elctrica distribuida
Carga base: generacin de energa elctrica de forma continua
operando en paralelo con la red de distribucin; puede tomar o
vender parte de la energa, y usa la red para respaldo y
mantenimiento.
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Captulo 1 Introduccin
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Carga en punta: suministro de energa elctrica en perodos punta,
con lo que disminuye la demanda mxima del consumidor, ya que el
coste de la energa en este perodo es el ms alto.
Generacin aislada: generacin de energa elctrica de
autoabastecimiento, debido a que no es viable a partir de la
red
elctrica (sistema aislado o falta de capacidad del
suministrador).
Soporte a la red de distribucin: de forma eventual o bien
peridicamente, la empresa elctrica requiere reforzar su red
elctrica instalando pequeas plantas, incluida la subestacin
de
potencia, debido a altas demandas en diversas pocas del ao, o
por
fallos en la red.
Almacenamiento de energa: se toma en consideracin esta
alternativa cuando es viable el coste de la tecnologa a emplear,
las
interrupciones son frecuentes o se cuenta con fuentes de
energa
renovables.
Aplicaciones donde se pueda conseguir un rendimiento econmico
superior.
Aplicaciones donde la calidad del suministro sea un punto
crtico. Aplicaciones donde la generacin, transporte o distribucin
de una
compaa elctrica tradicional en una determinada zona no
permite
un suministro adecuado a las necesidades de sus clientes.
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Captulo 1 Introduccin
Pg. 11 de 191
1.3.4 Ventajas de la generacin elctrica distribuida
Los beneficios repercuten en el cliente elctrico, el generador y
en el
mercado y su entorno.
Cliente elctrico Facilidad de adaptacin a las condiciones del
lugar donde se
encuentra el cliente debido a sus pequeos tamaos.
Incremento en la fiabilidad del suministro de energa crtico
en algunos sectores industriales.
Aumento en la calidad de la energa especialmente til en
aplicaciones industriales cuya instrumentacin y control
electrnico es muy sensible.
Uso eficiente de la energa reduciendo las prdidas de
transporte y distribucin as como aprovechando calores
residuales (cogeneracin).
Disminucin de emisiones contaminantes puesto que
contempla la utilizacin de energas renovables.
Reduccin de los costes de generacin debido al
aprovechamiento de los calores residuales.
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Captulo 1 Introduccin
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Generador
Reduccin del riesgo de la inversin debido al tamao,
flexibilidad de emplazamiento y rpida instalacin debido al
sistema modular empleado.
Reduce la inversin en el aumento de la capacidad del
sistema de transporte y distribucin, localizando nueva
generacin ms cerca de los usuarios.
Apertura de mercados en zonas remotas donde no es rentable
el transporte y la distribucin.
Libera la capacidad del sistema de transporte.
Evita inversiones innecesarias igualando los aumentos de
capacidad al crecimiento de la demanda.
Proporciona mayor control de energa reactiva.
Mayor regulacin de la tensin.
Mercado y entorno
Reduccin de emisiones debido a una mayor eficiencia y
aprovechamiento de los recursos.
Mantiene la competitividad en el mercado puesto que es
capaz de responder a la demanda en continuo crecimiento.
Aumento del nmero de puestos de trabajos.
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Captulo 1 Introduccin
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Mejora la fiabilidad y productividad de la energa
suministrada.
Mejora la planificacin energtica puesto que se dispone de
ms posibilidades.
1.4 Ciclo combinado
El ciclo combinado gas-vapor es la conjuncin de dos ciclos
termodinmicos (Rankine y Brayton) que se caracteriza por su alto
rendimiento
energtico y elevada densidad de potencia. La caldera de
recuperacin y la turbina
de vapor se pueden optimizar con el fin de recuperar la mayor
energa posible de los
gases de escape de la turbina de gas.
Para reducir las prdidas de energa en el acoplamiento de los
ciclos de
Rankine y Brayton, el vapor de la caldera de recuperacin se
puede generar en uno,
dos o tres niveles de presin, y con o sin recalentamiento
intermedio que implicara
un diseo mas complejo y por tanto encarecimiento de la
instalacin pero el
rendimiento y la potencia en el eje aumentaran.
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Captulo 1 Introduccin
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1.4.1 Parmetros caractersticos con un nivel de presin
Es el ciclo combinado ms sencillo donde en la prctica los
parmetros de
optimizacin del ciclo son la presin, temperatura y el caudal de
vapor producido
en la caldera de recuperacin puesto que las turbinas de gas y
vapor estn
estandarizadas (con potencias y temperaturas de gases
definidas). Estos grados de
libertad han de ser seleccionados de tal forma que el coste
final obtenido del kWh
sea el menor posible.
Presin de vapor: con el objetivo de optimizar la potencia y
rendimiento de
la turbina de vapor, se parte de la mxima temperatura posible
para el vapor
y de la presin con la que se obtendra el mximo trabajo en la
turbina,
teniendo en cuenta las limitaciones impuestas por la presin en
el
condensador y el contenido mximo admisible de humedad en el
ltimo
escaln de la turbina de vapor debido a la erosin de los
labes.
La potencia en el eje de la turbina depende del gasto msico y
el
salto entlpico disponible en la turbina de vapor como se indica
en la
siguiente ecuacin:
)kgkJ(h)
skg(m)kW(P =
La presin de vapor se selecciona de tal forma que el valor de
la
ecuacin anterior sea el mximo posible pero siendo compatible con
los
parmetros econmicos impuestos a la instalacin:
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Captulo 1 Introduccin
Pg. 15 de 191
Una presin de vapor elevada supondra una generacin menor de
vapor al aumentar la temperatura de saturacin a medida que lo
hace
la presin, lo que implica una recuperacin de calor inferior de
los
gases de escape del ciclo de gas y un menor rendimiento de
la
caldera de recuperacin de calor.
Sin embargo, pese a que presiones de vapor pequeas provocaran
una mayor produccin de vapor, una mayor recuperacin de calor de
los gases de escape y consecuentemente un aumento del
rendimiento
de la caldera al ser la densidad menor se originan mayores
prdidas
internas en los equipos, encareciendo as los sistemas
principales
(caldera, tuberas, turbina, vlvulas, condensador, etc.) y de
toda la
instalacin en general.
Desde el punto de vista termodinmico y con el objetivo de
optimizar el salto entlpico, la presin ptima para una
temperatura
determinada es aquella que, siendo lo ms alta posible y
compatible
con la mxima recuperacin de calor, no d lugar al final de la
etapa
de expansin un contenido de humedad superior al mximo
admisible por el ltimo escaln.
La presin obtenida de forma terica siempre ser algo menor puesto
que el
salto real en la turbina no es isentrpico.
Temperatura de vapor: el valor mximo de la temperatura de vapor
se fija
de tal forma que sea igual o menor que la temperatura de los
gases menos
25C teniendo en cuenta que el salto entlpico de la turbina
mejora con la
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Captulo 1 Introduccin
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temperatura. No obstante la seleccin de la temperatura de vapor
de la
turbina se realiza equilibrando la mejora del salto entlpico, la
disminucin
del caudal de vapor que se produce aumentando la temperatura del
vapor y
el coste mayor de los materiales a utilizar en el
sobrecalentador y tuberas de
vapor a turbina.
El incremento de la temperatura eleva ligeramente la potencia de
la
turbina puesto que prevalece la mejora del salto entlpico frente
al descenso
en la produccin de vapor al disminuir la energa de los gases
disponibles
para la vaporizacin. Tambin, la mayor temperatura del vapor
contribuye a
aumentar el ttulo del vapor en los labes de los ltimos
escalones,
permitiendo aumentar el vaco en el condensador e incrementar an
ms la
potencia.
Pinch point: es la diferencia entre la temperatura del vapor a
la salida del
evaporador y la temperatura de los gases en esa zona. Cuanto
menor sea el
valor del pinch point, mayor cantidad de vapor generado, mayor
es la
superficie total de intercambio de calor requerida del
evaporador y
sobrecalentador y por tanto se incrementa el coste de la
caldera.
Approach temperatura: es la diferencia entre la temperatura de
salida en el
caldern y la del fluido a la salida del economizador. Esta
diferencia es
necesaria para evitar la evaporacin en los tubos del
economizador en la
puesta en marcha, elevacin de la carga y operacin a carga
parcial.
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Captulo 1 Introduccin
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Un valor pequeo de este parmetro supone un mayor
aprovechamiento del calor pero tambin un incremento de la
superficie de
intercambio en el economizador y puede que la necesidad de
emplear
materiales aleados en su ltima etapa para resistir
sobrecalentamientos
eventuales en el caso de que se produzcan vaporizaciones. Es
crtico el valor
a carga parcial porque si es pequeo se pueden producir
vaporizaciones que
impidan el paso del fluido en las calderas horizontales de
circulacin
natural.
Una vez fijadas la presin y temperatura los valores de pinch
point y
approach determinan la produccin de vapor. Sin embargo para una
misma
suma de ambos parmetros se obtienen superficies de caldera
diferentes por
lo que el ptimo de cada parmetro debe escogerse segn la condicin
de
operacin.
Cada de presin en el evaporador: en funcin de la cada de
presin
variar la produccin de vapor; cuanto mayores sean las prdidas
menor ser
dicha produccin. El motivo por el cual se produce esta
disminucin de
vapor es porque para mantener el vapor a la entrada de la
turbina, la presin
y la temperatura de saturacin deben ser mayores por lo que no se
podran
aprovechar la energa de los gases con temperaturas inferiores a
saturacin
durante la evaporacin. La eficiencia del evaporador as como las
prdidas
de carga depende en gran medida de la geometra y dimetro de los
tubos
pero siempre hay que buscar un equilibrio entre coste y
eficiencia.
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Captulo 1 Introduccin
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Cada de presin en el economizador: tiene una influencia directa
en el
consumo de las bombas del agua de alimentacin, por lo que la
geometra y
dimetro de sus tubos se escogen en funcin de su eficiencia y
coste.
Temperatura del agua de alimentacin: el rendimiento de la
caldera de
recuperacin se incrementa cuanto menor es la temperatura del
agua a la
entrada del economizador puesto que es la forma de reducir la
temperatura
de los gases de salida hacia la chimenea. Por esta razn no
existen
calentadores de agua en ciclos gas-vapor, y el agua de
alimentacin slo es
calentada en el desgasificador o a travs del sistema de vaco
del
condensador. Esta baja temperatura del agua de alimentacin es
una
caracterstica de diferenciacin de las centrales de ciclo
combinado con
respecto a las centrales de caldera convencional, consiguiendo
estas ltimas
mayores eficiencias al calentar el agua de alimentacin
mediante
extracciones mltiples de la turbina.
El calentamiento del agua en el desgasificador se da en
condiciones
normales de operacin mediante una extraccin de vapor de la
turbina y en
los arranque se realiza con vapor procedente del caldern. El
objetivo del
calentamiento del agua de reposicin al ciclo en el condensador
es reducir la
solubilidad de los gases no condensables ( COONCO ,,, 222 ) en
el agua y
eliminarlos mediante el sistema de vaco en el condensador; de
esta forma se
reducen los aportes de productos qumicos al ciclo ( 42 HN ) as
como el
consumo de vapor en los venteos del desgasificador. En este
calentamiento
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Captulo 1 Introduccin
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el calor puede proceder del agua caliente de la purga continua
del caldern y
del aporte de vapor auxiliar.
Mediante calentamiento del agua de reposicin, aportndola al
condensador
buscando una gran superficie de contacto entre el agua de
aportacin y la
atmsfera de vaco del condensador, se pueden obtener niveles de
2O
inferiores a 7 ppb, lo que permite reducir el aporte de
hidracina e incluso
evitara la necesidad del desgasificador y la bomba de
condensado.
Otra solucin posible es recircular agua caliente desde la salida
del
economizador para calentar el agua del desgasificador evitando
la extraccin
de vapor de la turbina y por lo tanto incrementando su
potencia.
En ciclos donde las paradas y arranques son frecuentes se disea
para evitar
corrosiones internas mediante aireacin completa en el aporte de
agua a la
caldera, optimizando el condensador, la inyeccin de hidracina.
La
temperatura en los tubos ms fros del economizador debe
mantenerse por
encima del punto de roco de los humos para evitar condensaciones
cidas
que provocaran corrosiones, lo cual se logra calentando el agua
de
alimentacin (inyectando vapor en el desgasificador).
1.4.2 Motores de combustin interna alternativos (MCIA)
El origen de los motores trmicos se remonta a 1860 cuando naci,
gracias a
Lenoir, el primer motor industrial que funciona con explosiones,
pero sin
compresin previa. Posteriormente, el motor de "compresin previa
y ciclo de
cuatro tiempos", definido por Beau de Rochas (1862) y realizado
por Otto en 1878,
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Captulo 1 Introduccin
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provee a la industria de un motor de media potencia, cuyo precio
y complicacin no
son comparables al conjunto generador-mquina de vapor.
En 1893, Rudolph Diesel enuncia el principio del motor de
"combustin
interna y alta compresin previa", sin encendido, el cual deba
ser alimentado
directamente por un combustible pesado, no fluido y
relativamente econmico.
Con el tiempo y el estudio detallado de los motores, se lleg a
la conclusin
de que los motores ms potentes deben disponer necesariamente de
varios cilindros.
Es por ello que comienzan a desarrollarse numerosos tipos de
motores, cambiando
principalmente el tipo de combustible (y por ende su principio
de funcionamiento),
as como la disposicin de los cilindros, con el fin de lograr un
mximo de potencia.
La mayor demanda social de energa se centra fundamentalmente en
energa
mecnica y elctrica que se puede obtener utilizando energa
trmica, hidrulica,
solar y elica. La ms utilizada es la energa trmica obtenida de
los combustibles
de naturaleza orgnica. Los equipos energticos que ms aceptacin
han tenido, en
sus diferentes concepciones, son los motores trmicos que basan
la produccin de
energa mecnica en una diferencia de temperatura.
Los MCIA son motores trmicos en los que los gases resultantes de
un
proceso de combustin empujan un mbolo, en el interior de un
cilindro,
intercambiando energa con ellos que hace girar el cigeal donde
se obtiene un
movimiento de rotacin.
La caracterstica fundamental de los MCIA es su combustin
intermitente
que implica una mayor dificultad para lograr la combustin
completa con mnima
emisin de contaminantes; esta desventaja lleva consigo una
ventaja que es una
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Captulo 1 Introduccin
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menor temperatura media de los elementos mecnicos en contacto
con los gases
procedentes de la combustin.
1.4.3 Motores de gas natural como ciclo de alta
El gas natural comenz a considerarse hace unos 50 aos puesto
que
antiguamente era ms fcil producirlo a partir de otros gases y
carbn (gas
manufacturado) que extraerlo de la tierra lo que caus su
desinters. Actualmente,
las nuevas tecnologas han logrado que el 18% de la energa
mundial consumida
provenga del gas.
Est compuesto de diversos gases y su mezcla vara segn el
yacimiento; un
porcentaje superior al 92% de su composicin son tomos de carbono
e hidrgeno
(metano, propano, etano, butano).
En los ltimos aos ha aumentado el inters por combustibles
gaseosos
empleados en MCIA los cuales reemplazan a motores convencionales
por
cuestiones medioambientales y disponibilidad del recurso
natural.
Ventajas del gas natural frente a gasleo y gasolina:
El precio por unidad de energa calorfica es menor en el gas
natural.
Los costes de mantenimiento en motores diesel son mayores que en
los de gas natural para una potencia dada.
El gas natural puede ser empleado en los motores de explosin
(Otto) pero
se producira una reduccin de potencia de salida que para
evitarla seran necesarias
ciertas modificaciones que incrementan su rendimiento por encima
del original.
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Captulo 1 Introduccin
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En el caso de los motores diesel no se procede de la misma forma
pese a que
los motores de gas se basan en los de motores
convencionales.
De forma general los combustibles gaseosos poseen un nmero de
octano
superior que el de la gasolina, lo que posibilita que los
motores de explosin
trabajen con relaciones de compresin de hasta 12 y 13,
aumentando as su
rendimiento. Por el contrario este elevado nmero de octano
impide que los motores
diesel realicen adecuadamente el encendido por compresin cuando
son
alimentados con gas, ya que el gas natural funciona mejor con
motores de
encendido provocado mediante una buja y con menores potencias
que las de los
diesel.
En los motores diesel de gas el sistema de ignicin no siempre es
por
compresin de aire y posterior inyeccin de aire. Segn el tipo de
ignicin los
motores diesel se clasifican en:
Encendido por chispa: se comprime una mezcla de gas y aire y el
encendido se provoca se lleva a cabo mediante una buja.
Inyeccin piloto de gasoil: se comprime una mezcla de combustible
y aire en exceso lo que hace disminuir la tendencia a la detonacin
y
permite trabajar con mayor relacin de compresin. Hacia el final
de
la compresin se introduce en el cilindro una pequea cantidad
de
combustible con elevado nmero de cetano, lo que determina que
se
inicie la combustin y se propague por toda la cmara. De esta
forma
se consigue mejor rendimiento que el caso anterior pero se
aade
complejidad y coste al motor.
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Captulo 1 Introduccin
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Inyeccin de gas a alta presin: consiste en comprimir nicamente
aire en el cilindro e inyectar el gas comprimido al final del
proceso
de compresin en el motor. En definitiva, el principio de
funcionamiento de este motor se corresponde al del diesel
convencional. Este sistema proporciona mejor rendimiento que
en
los dos casos anteriores, aunque a cambio de consumir potencia
en el
compresor de gas.
1.4.4 Ciclo de Rankine
Es un ciclo de potencia (generacin de energa) que, en su versin
ms
simple, se compone de cuatro procesos, como se ver en la Figura
I.1. En primer
lugar, una bomba aspira condensado a baja presin y temperatura
(tpicamente a
presin inferior a la atmosfrica): estado (3), y comprime el agua
hasta la presin de
la caldera (4). Este condensado (4) se encuentra ahora a menos
temperatura de la de
saturacin, para ser inyectado en la caldera. En sta primero se
calienta alcanzando
la saturacin y luego se inicia la ebullicin del lquido. En (1)
se extrae el vapor de
la caldera (en condiciones cercanas a saturacin) y luego se
conduce el vapor a la
turbina. All se expande, produciendo trabajo hasta la presin
asociada a la
temperatura de condensacin (2). El vapor que descarga la mquina
entra al
condensador donde se convierte en agua al entrar en contacto con
las paredes de
tubos que estn refrigerados en su interior (tpicamente por
agua). El condensado se
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Captulo 1 Introduccin
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lleva al fondo del condensador, donde se extrae (3) prcticamente
como lquido
saturado. All la bomba comprime el condensado y se repite el
ciclo.
Fig. I.1.- Esquema del ciclo de de vapor de Rankine.
Fig. I.2.- Diagrama P-V del ciclo de vapor Rankine.
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Captulo 1 Introduccin
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En diagrama P-V (Figura I.2), el ciclo se describe como sigue
(los puntos
termodinmicos estn indicados mediante un nmero): en (1) la
caldera entrega
vapor saturado, el cual es transportado a la turbina. All el
vapor se expande entre la
presin de la caldera y la presin del condensador, produciendo el
trabajo (W). La
turbina descarga el vapor en el estado (2). ste, es vapor hmedo,
que es admitido
en el condensador. All se condensa a presin y temperatura
constante, evolucin
(2)-(3), y del condensador se extrae lquido saturado, en el
estado (3). Luego la
bomba aumenta la presin de condensado de Pcond a Pcal (evolucin
(3)-(4)) y
reinyecta el condensado en la caldera.
Por lo tanto la mquina opera entre la presin Pcald y Pcond, las
cuales
tienen asociadas la temperatura de ebullicin del vapor en la
caldera y la
temperatura de condensacin del agua en el condensador,
respectivamente.
Fig. I.3.- Diagrama T-S del ciclo de vapor Rankine.
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Captulo 1 Introduccin
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El diagrama T-S el ciclo Rankine (Figura I.3) se describe de la
siguiente
forma: el vapor est inicialmente como vapor saturado (1); luego
el vapor se
expande en la turbina, generando trabajo (evolucin (1)-(2)).
Esta evolucin se
puede suponer adiabtica. Si adems se supone libre de
irreversibilidades, se
asimilar a una isentrpica. En caso contrario la entropa
aumentara debido a las
irreversibilidades. A la salida de la turbina de vapor tendr
ttulo (X) inferior a 1.
El vapor que descarga la turbina es admitido en el condensador,
donde
condensa totalmente a temperatura y presin constantes (evolucin
(2)-(3)),
saliendo en el estado (3) como lquido saturado. Ahora el
condensado es
comprimido por la bomba (evolucin (3)-(4)), aumentando su presin
hasta Pcald.
Si bien la presin aumenta de forma significativa, la temperatura
casi permanece
constante. Idealmente esta compresin tambin es adiabtica e
isentrpica, aunque
realmente la entropa tambin aumenta. En el estado (4) el fluido
se encuentra como
comprimido. ste se inyecta en la caldera, con un importante
aumento de la
temperatura y entropa, hasta alcanzar la saturacin y es all
donde comienza la
ebullicin. Todo el proceso (4)-(1) ocurre dentro de la caldera.
El punto 4
representara el punto donde alcanza la condicin de lquido
saturado.
Sin embargo, el ciclo de Rankine real no es exactamente igual al
mostrado
puesto que se producen irreversilidades:
En la turbina y en la bomba los procesos no son isentrpicos
(aunque sean adiabticos)
En la caldera existen irreversibilidades internas (prdida de
presin) y externas (diferencia de temperatura con foco
caliente)
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Captulo 1 Introduccin
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En el condensador se producen tambin prdidas de presin (aunque
menos importantes) y diferencia de temperatura con el
refrigerante.
Adems, el agua del refrigerante no suele usarse
posteriormente,
pues aunque lleva una potencia considerable sta es de baja
temperatura, siendo por tanto su contenido energtico escaso.
Fig. I.4.- Irreversibilidades en turbina y bomba.
Observando los diagramas se deduce que aumentando la presin de
la caldera se
aumentar el rendimiento, pero tamben tendr sus
inconvenientes:
Baja el ttulo del vapor de salida a turbina, que debe ser mayor
que X=0.85 para evitar problemas de corrosin en la turbina.
Aumenta el espesor de los tubos, aumentando tambin el precio y
empeorando la seguridad y transmisin de calor.
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Captulo 1 Introduccin
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Por ello, la opcin ms habitual para mejorar el ciclo es realizar
un
sobrecalentamiento del vapor en la misma caldera, con los
siguientes efectos:
Aumenta la temperatura media del vapor en la caldera
(temperatura media de aceptacin de calor), aumentando
consecuentemente el
rendimiento.
Evita ttulos bajos en la salida de la turbina.
Sin embargo, tambin existe un lmite de sobrecalentamiento,
provocado por
la resistencia trmica del material (oxidacin de los tubos de la
caldera).
Tambin conviene reducir la presin de condensacin, pues se
reducira as
la temperatura media de rechazo de calor, aumentando por tanto
el rendimiento. Los
valores tpicos de temperaturas de condensacin oscilan entre los
30C y los 45C.
Sin embargo, para obtener esas bajas temperaturas de condensacin
es necesario
reducir la presin del condensador hasta valores muy por debajo
de la presin
ambiente, por lo que sera necesario incluir un desgasificador en
el ciclo para evitar
los problemas asociados a la disolucin del oxgeno que
inevitablemente entre en el
condensador desde el ambiente. Por otro lado, la mnima presin
alcanzable est
condicionada por la temperatura del foco fro.
El proceso explicado es un ciclo bsico (con recalentamiento). En
la prctica
se usan variantes ms complejas que ofrecen mejores rendimientos,
como son:
Ciclos regenerativos (regeneradores abiertos, calentadores
cerrados o calentadores mltiples).
Empleo de presiones supercrticas.
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Captulo 1 Introduccin
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1.4.5 Ciclo de Carnot
La eficiencia trmica de un ciclo de potencia alcanza su nivel
mximo si
todo el calor que se obtiene de fuentes de energa ocurre a la
mxima temperatura
posible; es decir, un ciclo alcanzar su mximo rendimiento cuando
sus
temperaturas medias de admisin y cesin de calor coincidan con
las temperaturas
de los focos caliente y fro, respectivamente, que alimentan el
ciclo. La eficiencia
trmica de un ciclo reversible que opera en estas condiciones se
denomina
eficiencia de Carnot, y viene dada por la siguiente ecuacin.
c
fCarnot T
T= 1
Siendo:
fT : temperatura del foco fro
cT : temperatura del foco caliente
Un ciclo de Carnot, por tanto, es un ciclo reversible (ausente
de
irreversibilidades tanto externas como internas) que opera segn
las condiciones
descritas. Este ciclo estar compuesto por dos procesos isotermos
reversibles y dos
procesos adiabticos reversibles (isentrpicos).
Si se compara un ciclo de Rankine reversible con un ciclo de
Carnot que lo
inscriba ste ltimo tendra como temperatura inferior (de fuente
fra) la
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Captulo 1 Introduccin
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temperatura del condensador del ciclo de Rankine y como superior
(de fuente
caliente) la de la caldera. As, el ciclo de Carnot asociado
estara representado, en el
diagrama T-S, por el rectngulo de tamao mnimo que contenga al
ciclo de
Rankine.
Fig. I.5.- Comparativa ciclo de Rankine y Carnot
equivalente.
La diferencia de rea entre la representacin de ambos ciclos
representa la
prdida con respecto al potencial que nos ofrecen los focos. En
este caso la
principal irreversibilidad termodinmica ocurre por la inyeccin
de agua por debajo
de la temperatura de saturacin a la caldera. Aun as, el ciclo de
Rankine se
aproxima mucho al ciclo de Carnot, por lo que es un ciclo muy
conveniente desde
el punto de vista termodinmico.
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Captulo 1 Introduccin
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1.4.6 Acoplamiento motor-ciclo ORC
Se trata de un ciclo combinado donde el ciclo de alta es un
motor de
combustin interna alternativo cuyas caractersticas ya han sido
explicadas y el
ciclo de baja se trata de un ciclo de Rankine orgnico.
1.5 Metodologa de trabajo
Se pretende analizar un ciclo combinado que emplee como ciclo
superior un
motor de combustin interna de gas natural y como ciclo de baja
uno de Rankine
orgnico (ORC). Los fluidos empleados en este tipo de ciclos
suelen presentar
problemas de descomposicin a altas temperaturas, por lo que no
se deben exponer
a mucho ms de 400C. La potencia del motor de gas considerado
cubrir su gama
de trabajo habitual (0,1 a 5 MWe). Las temperaturas del escape
varan entre los
400C y 475C, con lo que se cumple el condicionante de los ORC.
Por otra parte,
los motores ms interesantes desde el punto de vista econmico son
lo de mayor
potencia, donde las temperaturas de escape son las menores del
rango.
En una primera fase se llevar a cabo una revisin de la
documentacin
disponible, con objeto de seleccionar fluidos adecuados,
configuraciones de ciclos y
parmetros de funcionamiento.
Seguidamente se proceder a modelar el ciclo de alta, lo que se
har
mediante ajuste de curvas dadas por fabricantes.
En una tercera fase se proceder a modelar el ciclo ORC,
seleccionando para
ello varios fluidos y analizando diversas configuraciones, entre
ellas la conexin de
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Captulo 1 Introduccin
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dos ciclos en cascada (ciclo binario) y el empleo de una ciclo
especfico para
recuperar el agua de refrigeracin.
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Captulo 2 Revisin de las nuevas tecnologas disponibles
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REVISIN DE LAS TECNOLOGAS
DISPONIBLES
En esta seccin se realizar una revisin de las tecnologas
disponibles tanto
para el ciclo de alta (motor diesel, motor de gas o turbina de
gas) como el de baja.
Como ciclo de alta se ha optado por un motor de combustin
interna alternativo de
gas natural ya que en este proyecto se estn analizando sus
posibilidades de
integracin para el ciclo combinado, y se han extrapolado las
prestaciones
energticas de dicho motor, en funcin de la potencia, a partir de
datos reales de
fabricantes. Por lo tanto es en el ciclo de baja temperatura
(ciclo de Rankine
orgnico) donde se presentan las opciones a analizar.
2.1 Ciclo de alta (MCIA)
La base de datos utilizada en este proyecto para modelar las
prestaciones
energticas del ciclo de alta temperatura est compuesta por un
MCIA cuyo fluido
de trabajo es gas natural en un rango de potencias desde 100kW
hasta 5740kW.
Conforme aumenta la potencia del motor mejor es su
funcionamiento, pues
se vuelve ms adiabtico; de esta forma el rendimiento elctrico
oscilar entre el
27.7% y el 43.9%, observndose un aumento conforme se incrementa
la potencia
del motor. Sin embargo el porcentaje de calor recuperable de los
gases de escape no
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Captulo 2 Revisin de las nuevas tecnologas disponibles
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depender de la potencia del motor, oscilando entre el 41.11% y
el 91.81% de dicha
potencia, aunque con una tendencia media alrededor del 57%. El
porcentaje
(tambin respecto a la potencia elctrica) de calor evacuado del
circuito de
refrigeracin de las camisas disminuir al amentar la potencia,
situndose entre el
18% y el 23.31% para el rango estudiado.
2.1.1 Comparacin con otras tecnologas de generacin
distribuida
La utilizacin de MCIA para la produccin de electricidad o
cogeneracin
no es algo nuevo, resultando especialmente idneos en sistemas de
dimensiones
pequeas o medias (15kW 30MW) y siempre que se requiera un motor
que
trabaje con rendimiento elevado. Los motores de ciclo Otto se
emplearn para
abastecer las demandas pequeas, mientras que los de ciclo diesel
para las de
dimensin media.
Los MCIA se caracterizan por su gran versatilidad, pues
convenientemente
diseados pueden emplear una amplia gama de combustibles lquidos
y gaseosos en
aplicaciones muy diversas. Al mismo tiempo se adaptan con gran
flexibilidad a
diferentes condiciones de operacin, pues su rendimiento no se ve
muy afectado por
el grado de carga al que est sometido el motor; adems de
resultar muy idneos
para proporcionar calor adicional a varias temperaturas: desde
los gases de escape a
400C - 600C, hasta otras fuentes de menor temperatura como el
agua de
refrigeracin, aceite de lubricacin y aire del interrefrigerador
del sobrealimentador.
Otra ventaja no despreciable de los MCIA es que pueden ser
empleados
fcilmente de forma modular. Es decir, se montan varios motores
de pequeo
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tamao en un sistema nico, lo que permite mantener siempre un
buen rendimiento
global independiente de la potencia demandada al sistema
(desactivando ciertas
unidades y manteniendo el resto a plena carga).
Los MCIA son las mquinas que mejor se adaptan para trabajar con
buen
rendimiento a cargas parciales (un valor tpico del rendimiento
al 50% de la carga
nominal es de aproximadamente el 90% del valor del rendimiento a
plena carga,
mientras que una turbina slo alcanzara el 75% del valor a plena
carga). Los
motores alternativos soportan bien los arranques y las paradas
continuas, lo que en
una turbina de gas se traduce en un acortamiento muy sensible de
su vida til. Por
otra parte, son muy adecuados para aplicaciones en las que,
adems de electricidad,
se requiere calor (cogeneracin) a diferentes niveles de
temperatura medios o bajos.
Finalmente, referir que las prestaciones de los motores
alternativos, especialmente
si estn sobrealimentados, no se ven afectadas notablemente por
las condiciones
ambientales (presin, temperatura y humedad relativa).
En definitiva, los MCIA tienen su aplicacin ms clara siempre que
se
produzcan variaciones de carga importantes, e incluso se
requieran paradas
peridicas del sistema (por la noche, fin de semana, horas valle,
etc.). Tambin son
muy adecuados cuando parte de la energa se demanda en forma de
calor a
temperaturas medias y bajas.
Aunque el coste de capital de los motores alternativos es el ms
bajo de
todas las tecnologas existentes, no ocurre lo mismo con los
costes de explotacin y
mantenimiento que son bastante elevados, dada la mayor
complejidad de estas
mquinas. Un inconveniente de los MCIA es que presentan elevado
peso y volumen
por unidad de potencia producida frente a otros tipos de motores
trmicos, si bien
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no es el caso cuando se comparan con otras tecnologas
existentes. Asimismo, son
motores contaminantes tanto en emisiones gaseosas como en
acsticas.
2.1.2 Integracin con otros sistemas de energa
Se entiende por sistemas energticos integrados aquellos en los
que a partir
de una sola fuente de energa primaria se produce simultneamente
energa de
elevada calidad (mecnica y/o elctrica) y energa de menor calidad
pero tambin
til para procesos de calentamiento, enfriamiento y
deshumidificacin. Esto
constituye lo que se suele denominar sistemas de cogeneracin:
produccin
simultnea de trabajo y energa trmica til, empleando equipos
convencionales
pero integrados funcionalmente para mejorar el rendimiento de
conversin de la
energa primaria utilizada y reducir el coste y emisiones
correspondientes a la
produccin en equipos independientes. Por tanto, la integracin de
sistemas supone
una utilizacin ms racional de la energa ya que posibilita el
ptimo
aprovechamiento de la energa contenida en los combustibles, para
lo que se
explotan las corrientes trmicas que habitualmente se desechan,
pero teniendo
presente que no es fcil aprovechar los fluidos a baja
temperatura.
Es habitual que los sistemas integrados se diseen para que la
energa
trmica la consuma el propio sistema, pues suele ser inviable la
venta de este tipo
de energa a un agente externo. Por ello, es habitual encontrar
sistemas de
cogeneracin en aquellas industrias que consumen simultneamente
electricidad y
grandes cantidades de energa trmica: industria qumica,
siderrgica, papelera y
agroalimentaria. El sector no residencial es otro campo donde
habitualmente se
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requiere una carga trmica y una carga elctrica casi constante:
grandes superficies,
cines, hoteles, hospitales, campus universitarios, edificios de
oficinas, etc.
Obviamente, los sistemas integrados estn compuestos de varios
subsistemas
que se disean para trabajar de forma conjunta. Por tanto,
existen muchas
posibilidades para seleccionar y enlazar los diferentes
subsistemas. Esto pone de
manifiesto que la eleccin de un sistema de cogeneracin puede no
resultar una
tarea fcil. En ltimo trmino, la decisin de invertir en
cogeneracin se basar en
que exista seguridad de que el balance econmico a lo largo de la
vida til de la
instalacin resulta favorable frente al de la electricidad
comprada a la red. En
definitiva, la principal fuente de ahorro de costes estriba en
la diferencia entre el
coste de produccin de la electricidad cogenerada y el precio de
mercado de la
electricidad.
Los criterios bsicos para seleccionar adecuadamente un sistema
trmico
bien integrado son los siguientes:
Determinar las necesidades elctricas y trmicas: distribucin en
el tiempo y cantidad.
Evaluar los niveles de temperatura requeridos para las
necesidades trmicas. Plantear un sistema de cogeneracin adecuado en
funcin de la
disponibilidad y coste de combustibles y de los valores
estimados de las
necesidades elctricas y trmicas.
Decidir la configuracin final del sistema una vez establecida la
poltica de suministro elctrico: autoconsumo, compra y venta.
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El componente ms importante de un sistema de cogeneracin es el
motor:
turbina de gas, turbina de vapor, MCIA, etc. La aplicacin de
motores alternativos
de combustin interna alternativo se adapta bien a los sistemas
trmicos integrados,
ya que, como se ha referido, son mquinas verstiles y que
trabajan con elevado
rendimiento, al mismo tiempo que el calor de desecho del ciclo
termodinmico se
presente en varias fuentes y a diferentes niveles de
temperatura, lo que en ocasiones
resulta muy atractivo. Las fuentes y niveles de calor en un
motor alternativo son:
gases de escape (400C 600C), el agua de refrigeracin (80C 120C),
el aceite
de lubricacin-refrigeracin (70C 80C) y el calor disipado en el
interrefrigerador
del turbocompresor (140C).
Los gases de escape constituyen la fuente de energa de mayor
temperatura
en MCIA. La temperatura de estos gases depende del tipo de
motor
(sobrealimentado, de mezcla pobre, de gas, diesel, etc.) y de
las condiciones de
operacin. En general, puede encontrarse un rango de temperaturas
que oscila entre
aproximadamente 400C hasta cerca de 700C. El aprovechamiento del
calor de los
gases de escape puede realizarse en un recuperador produciendo
vapor o agua
caliente. En la salida del recuperador la temperatura de los
gases de escape se
establece en funcin de la temperatura del fluido a calentar,
situndose
normalmente unos 50C por encima de la temperatura de salida de
este ltimo. Si el
combustible no esta exento de azufre o de otros compuestos que
pueden producir
cidos, resulta imprescindible que la temperatura de los gases de
escape a la salida
del recuperador de calor est por encima del punto de roco,
siendo 175C un valor
habitual de diseo.
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El agua de refrigeracin de los cilindros es otra fuente de calor
en MCIA.
Aunque el circuito de refrigeracin en motores puede estar
presurizado, el agua de
refrigeracin no sobrepasa los 120C por motivos derivados de
limitaciones
mecnicas. La diferencia de temperatura del agua entre la salida
y entrada al motor
no debe sobrepasar 8 C como mximo.
El aceite, adems de la funcin de lubricante, siempre cumple una
funcin
refrigerante (especficamente encomendada, o por absorber el
calor de
componentes). El rango de temperatura del aceite oscila entre
70C y 105C. El aire
de sobrealimentacin es otra fuente de calor. El compresor del
sobrealimentador
aumenta la presin del aire y tambin la temperatura (hasta unos
140C como
mximo), pero las tensiones trmicas en el motor imponen lmites a
ese aumento de
temperatura, por lo que se suele refrigerar el aire despus del
turbocompresor.
En los MCIA slo los gases de escape poseen un nivel de
temperatura
suficientemente elevado para producir vapor o actuar como fuente
de calor en ciclo
frigorficos de absorcin. Por ello, en el sector no residencial
(hospitales, hoteles,
etc.) es habitual aprovechar el escape para producir agua
caliente sobrecalentada o
vapor (tiles en lavanderas, cocinas, etc.), emplear el aceite y
el aire de
sobrealimentacin para obtener agua caliente sanitaria a 40C y
usar el agua de
refrigeracin del motor para generar agua de calefaccin a
90C.
Los MCIA ofrecen amplias posibilidades para la cogeneracin
debido a la
gran cantidad de calores residuales de media y baja temperatura
que desprenden.
Sin embargo, para la formacin de un ciclo combinado rentable se
necesitan calores
residuales de alta temperatura, lo que pone en tela de juicio la
capacidad de un
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MCIA para ser integrado en un ciclo combinado viable tcnica y
econmicamente.
Demostrar esta viabilidad es precisamente el objetivo nuclear de
este Proyecto.
2.1.3 Los MCIA y el medioambiente
A travs de los gases de escape de los MCIA se emiten a la
atmsfera los
productos de la combustin, algunos de los cuales son
considerados sustancias
contaminantes como xidos de nitrgeno (NOx); hidrocarburos no
quemados (HC),
monxido de carbono (CO), dixido de azufre (SO2) y partculas.
Los xidos de nitrgeno (especialmente el xido ntrico: NO) se
forman por
reaccin del nitrgeno y oxgeno del aire a las elevadas
temperaturas que se
alcanzan en el motor. Las emisiones de NOx son comparables en
motores de ciclo
Otto y de ciclo diesel.
Los hidrocarburos sin quemar tienen su origen en una
combustin
deficiente, incluso cuando existe exceso de aire (fallos de
encendido y existencia de
localizaciones de combustin incompleta). La emisin de HC es
significativamente
mayor en motores de ciclo Otto. El monxido de carbono se origina
por combustin
incompleta, igual que los hidrocarburos, pero tambin por
fenmenos de
disociacin del CO2 a elevada temperatura. Tambin en este caso es
mayor la
emisin de CO en motores de ciclo Otto que en los de ciclo
diesel. El dixido de
azufre procede exclusivamente del azufre contenido en el
combustible, por lo que
su emisin es prcticamente nula con ciertos combustibles como el
gas natural o el
biodiesel. Las partculas se puede definir como los elementos en
suspensin
contenidos en los gases de escape, tanto en fase lquida como
slida, y su formacin
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es caracterstica de los motores diesel alimentados con gasleo y
en condiciones
prximas a plena carga.
La legislacin sobre emisiones contaminantes en los gases de
escape de
motores alternativos de combustin interna es cada vez ms
restrictiva, lo que ha
determinado el desarrollo de varios sistemas para reducirlas:
convertidores
catalticos, recirculacin de los gases de escape (vlvula EGR),
sistemas de
combustin de mezcla pobre,...
2.1.4 Motor diesel
Es un motor trmico de combustin interna en el cual el encendido
se logra
por la temperatura elevada producto de la compresin del aire en
el interior del
cilindro.
El modo de funcionamiento es mediante la ignicin de la mezcla
aire-gas sin
chispa. La temperatura que inicia la combustin procede de la
elevacin de la
presin que se produce al final de la fase de compresin. El
combustible se inyecta
en la parte superior de la cmara de compresin a gran presin, de
forma que se
atomiza y se mezcla con el aire a alta temperatura y presin.
Como resultado, la
mezcla se quema muy rpidamente. Esta combustin ocasiona que el
gas contenido
en la cmara se expanda, impulsando el pistn hacia abajo. La
biela transmite este
movimiento al cigeal, al que hace girar, transformando el
movimiento lineal del
pistn en un movimiento de rotacin.
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Para que se produzca la combustin es necesario emplear
combustibles ms
pesados que los empleados en el motor de gasolina. La Tabla II.1
resume las
principales caractersticas de los motores diesel estacionarios
[VILL00].
Tabla II.1.- Caractersticas de los motores diesel segn la
velocidad de giro.
Rpido Semi-rpido Lento Rgimen (rpm) 1000 a 3000 400 a 1000 <
400 Dimetro (mm) 200 a 300 400 a 600 1000 Potencia/cilindro (kW)
200 600 a 1000 2500 a 3000
Potencia total (MW) 4 18 30 Coste/kW Bajo medio alto Vida media
(horas) 20000 50000 60000 N mximo de cilindros < 20 20 12
2.1.5 Motor de gas
Es un motor de combustin interna alternativo de gas natural cuyo
modo de
funcionamiento ha sido explicado con anterioridad en el apartado
1.4.3.
Las caractersticas de los motores de gas segn su potencia vienen
indicadas
en la Tabla II.2 actualizada a 2003 [NREL03].
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Tabla II.2.- Caractersticas de los motores diesel se la potencia
elctrica entregada.
Potencia (kW) 100 300 1000 3000 5000 Tipo de combustin Rica
Pobre Pobre Pobre Pobre Eficiencia elctrica (%) 33 34 38 39 41
Rgimen de giro (rpm) 1800 1800 1200 900 720 Coste total de
instalacin ($/kW) 1350 1130 925 920 870 Costes de operacin y
mantenimiento ($/kWh) 0,018 0,012 0,009 0,0085 0,008
Presin requerida del combustible (Psig) < 3 18 3-43 43 65
2.2 Ciclo de alta (turbina de gas)
Es uno de los avances tecnolgicos del siglo XX que provocado
cambios en
la forma en se consume la energa haciendo la vida mas
confortable y conveniente.
La aparicin de la turbina de gas tuvo lugar como un avance
pionero a comienzos
del siglo XX la cual fue utilizada para la generacin elctrica a
finales de los aos
1930, revolucion el mundo de la aviacin en los aos 1940 y
actualmente es la
opcin econmica medioambiental preferentemente elegida en las
nuevas plantas de
generacin (integrada en ciclo combinado).
Una turbina de gas simple est compuesta de tres secciones
principales: un
compresor, un quemador y una turbina de potencia. El
funcionamiento de la turbina
se basa en el principio del ciclo Brayton, donde aire comprimido
es mezclado con
combustible y quemado bajo condiciones de presin constante. El
gas caliente
producido por la combustin se le permite expandirse en la
turbina y hacerla girar
para dar trabajo. En una turbina de gas con una eficiencia del
33%,
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aproximadamente dos tercios del trabajo producido se usa
comprimiendo el aire. El
otro tercio se invierte en generar electricidad.
Una variacin del sistema de turbina simple (Brayton) es el de
aadir un
regenerador que aprovecha la energa de los gases calientes de
escape para
precalentar el aire que entra a la cmara de combustin. Este
ciclo normalmente es
utilizado en turbinas que trabajan con bajas presiones.
Fig. II.1.- Esquema bsico de una turbina de gas.
Las turbinas de gas con altas presiones de trabajo pueden
utilizar un
interrenfrigerador para enfriar el aire entre las etapas de
compresin (Figura II.2) o
bien un segundo quemador (Figura II.1) permitiendo quemar ms
combustible y
generar ms potencia. El factor limitante para la cantidad de
combustible utilizado
es la temperatura de los gases calientes creados por la
combustin, debido a que
existen restricciones a las temperaturas que pueden soportar los
labes de la turbina
y otras partes de la misma.
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Fig. II.2.- Esquema de una turbina de gas con
interrefrigeracin.
Las turbinas de gas cubren un amplio abanico de potencias, desde
500 kW
hasta 250 MW y debido a las buenas propiedades termodinmicas de
los gases de
escape pueden ser empleadas en ciclos combinados o en o en
procesos industriales
donde se necesite calor como es el caso de la cogeneracin. Desde
comienzos de los
aos 1980 se ha producido un gran desarrollo de este tipo de
turbinas lo que les
hace ser una opcin a tener en cuenta en cogeneracin y ciclos
combinados. No solo
por su eficiencia son convenientes sino tambin por la baja
emisin de gases de
efecto invernadero en comparacin con otras tecnologas.
Las caractersticas segn su potencia vienen expresadas en la
Tabla II.3
actualizada a 2003 [NREL03]:
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Tabla II.3.-Parmetros econmicos y tcnicos de las turbinas de
gas.
Potencia (kW) 1000 5000 10000 25000 40000Eficiencia elctrica (%)
24,3 30,1 32,2 38 41 Coste de instalacin ($/kW) (Slo generacin
elctrica)
1910 1024 928 800 702
Operacin y mantenimiento ($/kWh)
0,0096 0,0059 0,0055 0,0049 0,0042
Relacin de compresin 6,5 10,9 17,1 17,1 29,6
2.3 Ciclo de baja de temperatura
Tradicionalmente se han venido usando ciclos de Rankine para
completar
ciclos combinados. En este punto, adems del mencionado ciclo, se
describirn el