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Reconversión de termoeléctricas a hidrógeno y condensadores síncronosDescarbonización del sector energía en Chile | 28.09.21
AGENDA
28.09.21Página 2
1. Contexto: Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz
eléctrica
2. Análisis de dos opciones tecnológicas de reconversión de las
termoeléctricas y su integración al SEN
• Reconversión de termoeléctricas a carbón
• Reconversión de termoeléctricas a gas
• Comparación de costos de cada alternativa
• Conclusiones
Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
Comitente: Ministerio Federal de Medio Ambiente, Protección de la Naturaleza y Seguridad (Alemania)- BMU
Contraparte: Ministerio de Energía de Chile
Objetivo: Reducción de GEI mediante el uso de energías renovables y eficiencia energética
Descarbonización del
sector energía en Chile
2019 - 2022
Cogeneración para
Industria y Comercio
2015 – 2021
Global Carbon Market –
Chile
2017 - 2021
Programa 4e: Programa de Energías Renovables y Eficiencia Energética en Chile
Eficiencia energética en la
minería
2019-2022
28.09.21Página 3Contexto: Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
Contexto: Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
Energy Partnership Chile-
Alemania
2019-2022
28.09.21Página 4 Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
Contexto: Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
Estudios para la salida del carbón
28.09.21Página 5 Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
✓ “Descarbonización del sector energético de Chile”
✓ Retiro y/o reconversión de las unidades de carbón en Chile
✓ Tecnologías coherentes con una transición hacia una
matriz energética sostenible
✓ Estrategia de Hidrógeno Verde
✓ Requerimientos de flexibilidad del sistema eléctrico
✓ Reutilización de infraestructura
✓ Proveer información para los procesos de planificación
✓ Abordar desafíos para integrar nuevas tecnologías al SEN
Contexto: Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
Contexto estudio
Fuente: GIZ
Análisis de dos opciones tecnológicas de reconversión de las termoeléctricas y su integración al SEN
28.09.21Página 6 Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
1. Análisis de alternativas de reconversión de
las centrales a carbón y a gas.
2. Análisis de costos, aporte al SEN y aspectos
ambientales.
3. Análisis técnico-económico de reconversión
de las unidades del SEN
4. Conclusiones
Contenido del estudio
Objetivo del estudio
Analizar tecnologías con hidrógeno y condensadores
síncronos
https://www.4echile.cl/publicaciones/estudio-de-analisis-de-dos-opciones-tecnologicas-de-
reconversion-de-las-termoelectricas-y-su-integracion-al-sistema-electrico-nacional/
28.09.21Página 7 Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
Combustible verde en caldera
Alimentación de combustible
CalderaTurbina de vapor
GeneradorSubestación eléctrica
Instalación turbinas
Alimentación de combustible
Turbina de gasTurbina de vapor
GeneradorSubestación eléctrica
Condensador síncrono
Condensador síncronoSubestación eléctrica
Instalación motores
Alimentación de combustible
MotorGenerador
Subestación eléctrica
Instalación celdas de
combustible
Alimentación de combustible
Celda de combustibleSubestación eléctrica
Termoeléctrica a carbón
Alimentación de carbónCaldera
Turbina de vaporGenerador
Subestación eléctrica
Reconversión de termoeléctricas a carbón
28.09.21Página 8 Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
Reconversión de un generador a condensador síncrono de 140 MVA en Estados Unidos. Fuente: (EME, 2017).
Reconversión de termoeléctricas a carbón
Condensadores síncronos
28.09.21Página 9 Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
Nuevos equipos:
▪ Sistema de accionamiento
de arranque.
▪ Sistema de excitación
estática
▪ Engranajes de giro
▪ Regulador de voltaje
▪ Bombas de agua y aceite de
refrigeración y lubricación
▪ Eje secundario
▪ Sistema de elevación de
aceite de los cojinetes del
condensador
▪ Volante de inercia
Reconversión de termoeléctricas a carbón
Condensadores síncronos
28.09.21Página 10 Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
Fuente: elaboración propia a partir de Google Earth.
Unidad Potencia neta Año inicio op. Conexión al SEN
NTO1 130,4 1995 S/E Norgener 220 kV
NTO2 131,9 1997 S/E Norgener 220 kV
Etapas del proceso de reconversión
Costos alternativa Costos (MUSD)
Proceso de reconversión 1,8 - 2
Volante de inercia 1 – 1,5
1. Estudio de factibilidad técnica.
2. Trabajo mecánico en la turbina y el
generador.
3. Trabajo eléctrico en el generador y
sistemas auxiliares.
Análisis técnico-económico de la reconversión a condensadores síncronos
Reconversión de termoeléctricas a carbón
Reconversión de termoeléctricas a carbón
28.09.21Página 11 Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
Hidrógeno verde en caldera
▪ La evaluación del proceso de reconversión depende de la caldera a evaluar, el
tipo de quemadores y los requisitos de mezcla.
▪ Mayor experiencia con calderas de quemadores tangenciales (GE)
▪ Existe experiencia de reconversión en calderas de carbón pulverizado en la
industria química (30% H2).
▪ Se prevé un proceso de reconversión en etapas, con porcentajes de mezcla
de H2 incrementales por nivel.
▪ Es relevante considerar evaluar el suministro de H2.
28.09.21Página 12 Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
Amoniaco en caldera
▪ Alternativa transitoria para reducir emisiones
y de baja complejidad de implementación
(SCR).
▪ Principal promotor es Japón (1% de NH3 al
2030).
▪ Experiencias de 0,6-0,8% en calderas de
carbón pulverizado, y pruebas de 20%al año
2024-2025.
▪ Se prevé un proceso de reconversión en
etapas, con porcentajes de mezcla de NH3
incrementales por nivel.
Reconversión de termoeléctricas a carbón
Proyecto de cocombustión de carbón – NH3 de JERA en Japón. Fuente: (Proctor, 2021).
Reconversión de termoeléctricas a carbón
28.09.21Página 13 Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
Hidrógeno verde y amoniaco en caldera
Reconversión de termoeléctricas a carbón
28.09.21Página 14 Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
Hidrógeno verde en turbinas
▪ Experiencias con suministro de 30%
H2 como subproducto de industrias.
▪ Tecnologías con 100% H2 en un
plazo de 5 a 10 años.
▪ Transición depende de la cadena de
valor completa del hidrógeno.
▪ Dependencia inicial de red de gas.
Proyección de emisiones de CO2 y porcentaje de mezcla de H2 de la central Intermountain. Fuente: (LA DWP, 2020).
Reconversión de termoeléctricas a carbón
28.09.21Página 15 Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
Hidrógeno verde en turbinas
Repotenciación CC:
▪ Generadores de vapor
con recuperación de calor
(HRSG)
▪ Turbina de vapor
▪ Instalar turbina de gas
Reconversión de termoeléctricas a carbón
28.09.21Página 16 Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
Motores a hidrógeno
▪ Motores de combustión interna instalados pueden utilizar 25-60% H2 y los
nuevos hasta 100% H2, todavía no se hace a gran escala.
▪ Tecnología competirá con las turbinas a gas.
▪ Falta infraestructura global para producir, almacenar y distribuir hidrógeno a
escala.
Parque eólico, complejo de generación y motor de la central Hychico. Fuente: (INNIO, 2019).
Reconversión de termoeléctricas a carbón
28.09.21Página 17 Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
Motores a hidrógeno
Reconversión de termoeléctricas a carbón
28.09.21Página 18 Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
Celdas de combustible
▪ Necesidad de implementación a
gran escala.
▪ Tecnología madura, cuyo principal
desafío son los elevados costos de
inversión.
▪ Está disponible para utilizar 100%
H2.
▪ No se debe considerar la cercanía
a una red de abastecimiento de
gas.
Central de Hanwha Energy en Corea del Sur. Fuente: (Hanwha Energy, 2020).
Recovnersión de termoeléctricas a carbón
28.09.21Página 19 Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
Celdas de combustible
Componentes básicos:
▪ Stack de celdas de
combustible.
▪ Procesador de
combustible.
▪ Acondicionador de
poder.
▪ Compresor de aire.
▪ Humidificador.
28.09.21Página 20 Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
Se identifica a Mejillones como la ubicación ideal para llevar a cabo la evaluación de
reconversión de centrales termoeléctricas a carbón y a gas.
✓ Compromisos de cierre
✓ Cluster de H2
✓ Disponibilidad de espacio
✓ Acceso a red de gas natural
✓ Posibilidad de generar
electricidad renovable
✓ Línea de transmisión.
✓ Presencia de otros
consumidores posibles
Fuente: elaboración propia a partir de Google Earth.
Análisis técnico económico de reconversión
Reconversión de termoeléctricas a carbón
28.09.21Página 21 Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
Unidad Potencia neta Año inicio op. Conexión al SEN
CCR1 244,9 2016 S/E Cochrane 220 kV
CCR2 244,7 2016 S/E Cochrane 220 kV
EspacioÁrea
disponible
CC GE 600
MW
Motores Wärtsilä
100 MW
Doosan Fuel
Cell 50 MW
Superficie (ha) 15 1,56 0,95 0,55
▪ Alternativa de disminuir a un 30%
el espacio de la subestación
▪ Turbinas que pueden quemar 50%
actualmente
▪ La reutilización de infraestructura
implica un potencial de ahorro total
aproximado de 3%
Fuente: elaboración propia a partir de Google Earth.
Análisis técnico económico de reconversión a tecnologías con H2
Reconversión de termoeléctricas a carbón
28.09.21Página 22 Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
Co-combustión CH4/H2
Alimentación de CH4Alimentación de H2
Turbina de gasTurbina de vapor
GeneradorSubestación eléctrica
Combustión H2 puro
Alimentación de H2Turbina de gas
Turbina de vaporGenerador
Subestación eléctrica
Termoeléctrica a gas
Alimentación de gasTurbina de gas
Turbina de vaporGenerador
Subestación eléctrica
Reconversión de termoeléctricas a gas
Reconversión de termoeléctricas a gas
28.09.21Página 23 Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
▪ Evaluar la capacidad de la turbina de
gas para funcionar con un combustible
con alto contenido de H2, lo que
requiere un sistema de combustión que
pueda adaptarse.
▪ Los sistemas de combustión difusivos
pueden quemar hasta un 100% H2.
▪ Se requiere de un sistema de mezcla de
combustible.
▪ Contar con un suministro continuo de
H2.
Sistema de mezclado de H2/GN (5%/95%) en la central de Dow Plaquemine, EEUU. Fuente: (General Electric, 2021)
Hidrógeno verde en turbinas a gas
Reconversión de termoeléctricas a gas
28.09.21Página 24 Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
Fuente: adaptado de (General Electric, 2021).
Hidrógeno verde en turbinas a gas
28.09.21Página 25 Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
Unidad Potencia CA Potencia CC Año inicio op. Conexión al SEN
CTM3 156,3 240,9 2000 S/E Chacaya 220 kV
Fuente: elaboración propia a partir de Google Earth.
Análisis técnico-económico de la reconversión a combustión con H2
Escenarios de reconversión :• Mezclar un 5% de H2 (vol.) sin
requerir modificaciones de hardware.• Para analizar un porcentaje de mezcla
superior, se tendrá que realizar unestudio de ingeniería.
• Dado que la central ha operado másde 20 años podría evaluarse laalternativa de tener que instalar unanueva turbina.
Reconversión de termoeléctricas a gas
Comparación de costos de cada alternativa
28.09.21Página 26 Tecnologías habilitantes para la descarbonización de la matriz eléctrica
Centrales termoeléctricas a carbón Centrales a gas
Condensadores
síncronosCaldera Turbinas Motores
Celdas de
combustibleTurbinas
Proveedor:CAPEX: 1,8 – 2 MUSD
Experiencia:CAPEX: 2,7 – 7,3 MUSD
CAPEX: Sin información
20% de amoniaco
(Japón):O&M var: 120 USD/MWh
(20% más)
Ciclo simple (50 – 100
MW)CAPEX: 0,69 MUSD/MW
O&M: 0,023 MUSD/MW/año
O&M var: 5,15 MUSD/MWh
Ciclo combinado (100 –
500 MW)CAPEX: 1,03 MUSD/MW
O&M: 0,034 MUSD/MW/año
O&M var: 5,15 MUSD/MWh
50 – 100 MWCAPEX: 1,11 MUSD/MW
O&M: 0,011 MUSD/MW/año
O&M var: 6,32 MUSD/MWh
CAPEX: 5,15 MUSD/MW
O&M: 0,26 MUSD/MW/año
O&M var: 0 MUSD/MWh
5% H2 (Sistema de
mezclado):CAPEX: 2 MUSD
>5% H2 (hardware de
combustión):CAPEX: evaluar
▪ El hidrógeno verde se muestra como mejor opción por sobre el NH3, CH4 o CH3OH, por la eficiencia, las emisiones y las características de combustión.
▪ La alternativa de quemar H2 en caldera no está madura para generación, pero existen calderas en la industria química que operan con gas natural y 80% H2, y con carbón pulverizado que han operado con un 30% de H2.
▪ Las turbinas, motores y celdas de combustibles son tecnologías maduras que pueden utilizar hasta 100% H2, ya sea actualmente o en el futuro.
Conclusiones
28.09.21 Alternativas de retiro y/o reconversión de unidades a carbón Página 27
▪ Dado que el potencial de reutilización de la infraestructura original de las centrales del SEN es bajo, se debería evaluar la instalación de tecnologías con H2 en superficies disponibles.
▪ Las centrales a gas pueden mezclar un 5% (vol.) de H2 sin requerir modificaciones de hardware.
▪ Para la transición hacia un 100% H2 en las centrales se debe considerar la cadena de valor del H2.
▪ Es necesario contar con un adoptador temprano de estas tecnologías para permitir la experimentación.
Conclusiones
▪ En Chile, dada la volatilidad del costo de gas natural y las alzas posibles a futuro, puede existir la opción de emplear H2 verde en la medida que los costos de producción disminuyan.
▪ La alternativa de condensadores síncronos se considera como viable porque es una tecnología madura, económica y que reutiliza mayor parte de la infraestructura de la central.
▪ Los condensadores síncronos son la alternativa más económica para reconvertir, sin embargo, también se debe evaluar los ingresos por los servicios que prestará al SEN.
28.09.21 Alternativas de retiro y/o reconversión de unidades a carbón Página 28
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Nataly Montezuma
Asesora Técnica, Santiago
Contacto
28.09.21 Trabajo realizado en pronósticos de generación solar fotovoltaica y eólicaPágina 29