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CAPÍTULO 3: METODOLOGÍA

Para el diseño de una planta de cogeneración, primero se debe comenzar por las

necesidades de la industria, por la energía que se requiere para el proceso. Para a

partir de ahí establecer el tamaño y tipo de turbina o motor a utilizar, para que al

final se tenga una o varias instalaciones.

La metodología que hay que seguir para elaborar un diseño de una planta de

cogeneración, se presentan a continuación:

1) Definir los requerimientos eléctricos y térmicos.

2) Determinar la relación P/H (Power / Heat)

3) Elaborar un diseño conceptual

4) Ingeniería básica

5) Licitación del Proyecto

6) Firma de contrato

7) Construcción y pruebas de funcionamiento

3.1. DEFINIR LOS REQUERIMIENTOS ELÉCTRICOS Y TÉRMICOS.

Como ya se mencionó anteriormente cada fábrica tiene modelos de demanda

energética distinta, los dos principales son energía eléctrica y energía térmica.

Donde la energía térmica podemos subdividirla en: Vapor, aire comprimido, aire

caliente, agua caliente, refrigeración.

La energía eléctrica es habitualmente indispensable en todas las industrias. La

energía térmica varía dependiendo el tipo de proceso que se requiera.

Dependiendo el rol de la industria, es el tipo y la cantidad de energía que

requerirá.

Por ejemplo, una industria mexicana, por razones específicas ha decidido apostar

por su planta de cogeneración para autoabastecimiento, requiere energía eléctrica

y energía térmica en forma de vapor caliente (para utilizarlo en proceso de

producción).

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Para la estimación del requerimiento térmico en la industria, debe hacerse un

análisis donde se den a conocer las toneladas por hora (ton/h), que fueron

necesarias en los años anteriores de funcionamiento. Este análisis normalmente

se hace tomando datos mensuales. Incluso si la industria tiene poco tiempo de

operación, puede analizarse desde el inicio de su funcionamiento hasta la fecha

actual.

Para la estimación de energía eléctrica es similar, se hace un análisis de los

consumos por mes de los años anteriores, así como la demanda que presenta la

industria. Los datos para estimar el consumo eléctrico son tomados de los recibos

eléctricos que se reciben en la industria, y la demanda con las especificaciones de

los equipos.

Se realizó un estudio de los requerimientos de vapor en esta industria mexicana,

los cuales podemos verlos en la siguiente tabla.

Tabla 1. Consumo de vapor en la industria

Total Total Total Total Total Total Total Total Total Total Total Promedio

ton/h ton/h ton/h ton/h ton/h ton/h ton/h ton/h ton/h ton/h ton/h ton/h

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 10 años

Enero 0 172 182 167 177 176 163 177 170 164 172 172

Febrero 11 169 181 174 181 172 174 179 158 176 177 175

Marzo 0 174 184 179 175 175 164 171 168 133 168 169

Abril 95 170 180 181 171 171 168 166 165 168 171 181

Mayo 135 168 170 177 170 170 167 163 16 160 173 167

Junio 158 172 162 176 165 172 174 167 171 132 165 181

Julio 159 168 168 171 175 167 168 154 163 163 168 182

Agosto 38 173 168 172 178 169 177 166 156 167 177 174

Septiembre 146 177 176 171 174 153 174 170 158 163 174 184

Octubre 177 176 169 173 174 160 165 171 165 163 169 186

Noviembre 176 175 169 173 177 166 167 168 173 169

171

Diciembre 171 182 179 176 152 168 170 168 172 173

171

MAX PROMEDIO MIN

184 163 132

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El análisis comenzó a partir del mes de enero de 2005, hasta octubre de 2015,

estos datos fueron proporcionados por la misma industria interesada en la planta

de cogeneración. Los datos faltantes en la tabla aún no se contaban con ellos.

Tendencia del consumo eléctrico

Gráfico 1. Consumo total por año de la industria

La estimación para el consumo total eléctrico de la planta, se realizó tomando en

cuenta el lapso de 2012 – 2014. Donde se observa que el consumo ha aumentado

año con año, en el año 2012 un consumo de 800 GWh, en 2013 con 970 GWh y

en el año 2014 el consumo fue de 1100 GWh.

3.1. DETERMINAR LA RELACIÓN P/H

La relación Power - Heat, nos ayuda a tener una mejor idea de qué tipo de

máquina de generación conviene implementar en la planta.

Si bien, una vez se tenga la cantidad de energía eléctrica y térmica que requiere la

planta, es el tipo de esquema (motor o turbina, principalmente) que se manejará.

Turbina de gas en ciclo simple para secado o con caldera

Motor de gas en ciclo simple para secado o con caldera

0

200

400

600

800

1000

1200

0 200 400 600 800 1000 1200

2014 1100

1013 970

2012 800

GW

h

Consumo total por año (GWh)

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Caldera con turbina de vapor

Ciclo combinado de turbina de gas

Ciclo combinado de motores

En el ejemplo que se mencionó anteriormente, tenemos que se requiere más

electricidad que vapor, por lo tanto habrá que analizarse los esquemas anteriores

y determinar así, cuáles serán los componentes principales adecuados.

3.1.1. Definir equipos principales y equipos auxiliares

Las plantas de cogeneración tienen una serie de equipos principales y otros

auxiliares. El tipo de arreglo que se utilizara en la planta, su rendimiento y demás

características para la planta, es definido por los equipos principales. Significa que

si se instalan equipos principales no adecuados a las necesidades, es casi

imposible reparar el daño.

Los equipos principales se explicaron anteriormente, sin embargo aquí se vuelven

a enumerar.

1. Fuente de energía primaria:

2. Elemento de conversión

3. Sistema para el aprovechamiento de la energía mecánica

4. Sistema para el aprovechamiento del calor:

5. Sistema de tratamiento de agua

6. Sistema de control

7. Sistema eléctrico

Algunos de los equipos auxiliares pueden ser: bombas para impulsar el agua a la

caldera, compresor de gas para la turbina, alternadores, etc. Son necesarios para

asegurar las necesidades de los equipos principales. “Prime mover” o motor

primario, es la máquina térmica básica necesaria para el arranque del proceso.

3.1.1.1. Características de sitio:

Además de la relación P/H, para la selección de los elementos primarios en una

planta de cogeneración influyen otros factores tales como:

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Mecánica de suelos (es requerida para hacer una estimación más precisa

los costos que tendrá el área civil).

Topografía y drenaje

Accesos

Geología

Coeficientes sísmicos: para la estructura en general

Proximidad a bancos de préstamos (obtención de material combustible)

Meteorología (son las condiciones climatológicas del sitio).

o Gamma de temperaturas durante el año (para lograr tener un

estimado de la temperatura máxima, promedio y mínima).

o Latitud

o Longitud

o Humedad relativa

o Elevación del sitio

Los siguientes datos pueden ser tomados del servicio meteorológico nacional

(SMN).

Haciendo énfasis en la elevación del sitio:

Es de suma importancia, tener en cuenta las condiciones atmosféricas de la zona

a la hora de querer hacer el diseño conceptual de una planta de cogeneración.

La presión atmosférica se define como; “la fuerza por unidad de superficie, que el

aire ejerce sobre la superficie terrestre”.

No es lo mismo colocar una turbina y/o motor en la ciudad de México con una

altura aproximada de 2.000 metros, que en la ciudad de Mazatlán que se

encuentra casi al nivel del mar, o en la ciudad de Monterrey con una altura

próxima de 500 metros sobre el nivel del mar.

La presión atmosférica tiene una influencia importante en la eficiencia de una

turbina o un motor, este término es llamado comúnmente “derrateo por altura”.

Derrateo por altura: Las turbinas y motores trabajan con presiones absolutas, en

la medida que nos alejamos del mar, se va produciendo una disminución de

presión atmosférica, existe una cantidad inferior de moléculas, lo que implica que

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el aire sea menos denso, y con ellos una disminución de la rigidez dieléctrica. En

otras palabras, entre mayor altura exista sobre el nivel del mar, existirá menor

presión por lo tanto tenemos una disminución en la producción de energía

eléctrica por parte de las turbinas y motores (mayormente por las turbinas).

La forma como cambia la disminución de la presión atmosférica en función de la

altitud es aproximadamente exponencial, según la expresión:

Dónde:

= presión atmosférica

= 760 mmHg

z = altitud en metros

a = constante

En condiciones normales de presión y temperatura, la rigidez dieléctrica del aire es

igual a 3kV/mm. Cuando el sitio de propuesta para la instalación es mayor a 1.000

metros sobre el nivel del mar, la menor rigidez puede causar que la instalación no

genere el nivel de voltaje que estaba en las especificaciones de la máquina, a

nivel del mar.

Ejemplo: Un ejemplo habitual donde se puede detectar esta variación, es en la

ebullición de los líquidos, a distinta altura. Si tomamos cierta cantidad de agua y la

hervimos en la ciudad de Mazatlán por ejemplo, esto demora un tiempo

determinado; pero si la misma cantidad se hierve en una ciudad que está a 2.000

metros de altura, como la ciudad de México el tiempo será menor.

3.2. ELABORAR UN DISEÑO CONCEPTUAL

En el diseño conceptual se identifican los requerimientos del sistema y objetivos,

se seleccionan los elementos primarios que cumplan con los requerimientos

energéticos, pero de forma genérica es decir, no hay marcas. Actualmente, con los

programas informáticos y hojas de cálculo es respectivamente sencillo

determinarlos para varios tipos y tamaños de plantas de cogeneración y también

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claro la rentabilidad y con ello decidir. Uno de los mejores programas para

elaborar un diseño conceptual hoy día es el software “GT pro” de la compañía

Thermoflow. Basado en entradas de tipo termodinámicas, técnicas, geométricas y

económicas este programa realiza el balance térmico de la planta, calcula los

flujos másicos, hace los diseños preliminares de las instalaciones de la planta y

muestra un análisis financiero de la realización del proyecto.

En este apartado se pretende proponer un esquema donde se definan conceptos

como el tipo de máquina que se utilizará, tipo de combustible (incluyendo posibles

cambios), con sus respectivos equipos auxiliares.

Además, el diseño conceptual incluye la descripción de la localización,

condiciones y características del sitio (como temperatura, humedad, altura, entre

otras…), tipo y enlaces de subestación eléctrica, suministro y si se requiere un

sistema de tratamiento de agua. Forma y bases de diseño en general de la planta,

periodo de retorno “pay back”.

3.2.1. Selección del tipo y tamaño de la planta de cogeneración:

Hay cuatro tipos de factores que influyen en la decisión: Factores técnicos,

factores económicos, precios de la energía, limitaciones medioambientales.

1) Factores técnicos:

Diferencias técnicas entre motores y turbinas.

Existen una infinidad de diferencias entre turbinas y motores, sin embargo solo se

abordarán las que están relacionadas con las instalaciones de cogeneración.

Estas diferencias podemos clasificar en:

Características físicas de la máquina:

Turbinas de gas:

El ciclo termodinámico que maneja este tipo de máquina es el ciclo Brayton [7].

Sigue un ciclo abierto, ya que el fluido que pasa a través de ella es renovado

constantemente.

La turbina se basa en tres elementos principales:

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Compresor

Cámara de Combustión

Turbina - alternador

La turbina de gas es un motor térmico rotativo de combustión interna [8], la cual a

partir de la energía aportada por un combustible, genera por una parte energía

mecánica y por otra una importante cantidad de calor en forma de gases calientes,

con alto porcentaje de oxígeno.

Al inicio del ciclo la turbina toma aire del ambiente y lo comprime, este aire

comprimido pasa hacia una cámara de combustión donde es mezclado con el

combustible (normalmente gas natural), provocando una ignición. Los gases que

son generados por la combustión, fluyen a través de la turbina cuando llegan al

generador se produce una expansión en los gases, la misma expansión provoca

un movimiento en un eje que acciona el alternador.

Ilustración 1. Ciclo de una turbina de gas.

Los gases de escape que son producidos a altas temperaturas en las turbinas, son

aptos para poder ser utilizados para el calentamiento de algún fluido (mediante un

intercambiador de calor por donde circula generalmente agua), produciendo vapor

para su utilización en sitio o la producción de energía eléctrica adicional con la

ayuda de una turbina de vapor.

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Las turbinas más comunes suelen tener tamaños de 500 kW a 250 MW, [3]. Sus

combustibles son líquidos o gaseosos (gas natural, biogás, etc.)

Turbina de Vapor:

El tipo de ciclo que utilizan es el ciclo Rankine. La turbina de vapor es un motor

térmico cíclico rotativo, de combustión externa, el cual es accionado por vapor

para producir energía mecánica.

La turbina de vapor se basa en tres elementos principales:

Bomba

Caldera

Turbina – alternador

Condensador

Su funcionamiento radica en vapor que entra a alta presión y temperatura, se

expansiona dentro de la turbina, transformando una parte de ese calor en energía

mecánica, a la salida de la turbina ese vapor ha perdido presión y temperatura. El

eje que es accionado por el vapor suele estar conectado directamente a un

generador, transformando la energía mecánica en electricidad, esto es igual que

en una turbina de gas.

Ilustración 2. Ciclo de funcionamiento de una turbina de vapor.

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Los tamaños de las turbinas de vapor, generalmente radican entre 100 kW a 250

MW. Su combustible es el vapor.

Tanto las turbinas de gas como las de vapor, precisan de un equipo reductor para

adaptarlas a los alternadores acoplados a la frecuencia de la red eléctrica.

Motores de combustión interna (reciprocantes):

Dentro de un cilindro o también llamado pistón, se produce una reacción

explosiva, esta es debido a la reacción de la mezcla oxigeno-combustible en el

interior de un cilindro. Provoca un movimiento lineal del pistón, que un mecanismo

biela-manivela convierte en rotación del cigüeñal. [7]

Los motores ofrecen dos fuentes de calor. Por un lado se producen gases de

escape entre 350 y 400ºC para generar vapor o aprovecharlo en otros procesos

como, secado, calentamiento de agentes de proceso, etc.).

Por otro lado, el 30% de la energía consumida está a disposición en forma del

agua de la refrigeración del motor con temperaturas entre 90ºC y 100ºC

directamente aprovechable. Se le considera como un motor de ciclo abierto, ya

que el fluido se renueva en cada ciclo.

El tipo de ciclo termodinámico que utilizan los motores reciprocantes, son el ciclo

Otto y el ciclo Diesel. La transformación consta de dos periodos: la ignición del

combustible y la expansión de los gases de la combustión. [7]

El ciclo Otto se basa en el movimiento alternativo (de subida y bajada) del pistón

en el interior del cilindro. El ciclo es abierto, pues la mezcla combustible gas-aire

se renueva en cada tiempo o fase de admisión. El ciclo completo consta de 4

tiempos, dos de subida del pistón y dos de bajada. [7]

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Figura 1. Ciclo Otto de un motor de combustión interna

2) Factores económicos

Las características de maquina a utilizar es el futuro de la planta, pues influyen en

el costo de la misma máquina y el costo de los equipos auxiliares. Además de que

determinan las necesidades de espacio y ubicación, así como las normas que

estarán involucradas para la protección contra accidentes, y el retorno de

inversión.

3) Precios de la energía

En cuanto a los precios de la energía, se podría decir que los costos se rigen por

las normas políticas, que son implementadas por organismos públicos, además

que se ven influidos por la situación nacional e internacional.

4) Limitaciones medioambientales

Es más que claro que las maquinas a utilizar en el diseño de una planta de

cogeneración, generan un impacto ambiental, y este es un factor técnico que se

debe considerar. Sin embargo empresas dedicadas a desarrollar este tipo de

máquinas (turbinas y motores), están en constante investigación para desarrollar

tecnologías más eficientes.

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El términos generales el gas natural en turbinas de gas, produce menor

contaminación que este mismo combustible en otras máquinas. Incluso si lo

comparamos utilizando otro tipo de máquina para cogeneración, con otro

combustible, el gas natural seguirá siendo más limpio. Igualmente desde la

década de los 90, el gas natural ha ido posicionándose con mayor fuerza como el

combustible de elección en las nuevas plantas de energía.

3.2.2. Combustibles utilizables

El tipo de combustible utilizable marca una diferencia sustancial para cada

accionamiento. Las turbinas de gas se han desarrollado para combustibles ligeros,

son ideales para gas natural y pueden utilizar combustibles más pesados, pero

casi siempre destilados, combustóleo normalmente.

Las turbinas de gas pueden utilizar:

Hidrógeno

Gas natural

Gas natural licuado

Gas de refinería

Gas de horno de coque

Gas LP

Los motores, por el contrario, pueden quemar cualquier tipo de combustible líquido

o gas y el más utilizado normalmente es el diésel, por su precio, también pueden

utilizar combustóleo. En resumen, los motores admiten combustibles líquidos de la

peor calidad. [7] Parece que el combustible favorito es el gas natural, siempre que

exista este gas en las proximidades. El combustible que puede hacerle

competencia es el diésel con motores de combustión interna. Sin embargo, tiene

la desventaja de ser más contaminante y tener más necesidades de

mantenimiento.

3.2.3. Necesidades de mantenimiento de las maquinas

Cada máquina es completamente distinta, las turbinas de gas tienen costo de

mantenimiento sin embargo necesitan un equipo especializado para llevarlo a

cabo, a diferencia de los motores que su costo de mantenimiento es bajo y puede

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ser realizado por personal menos capacitado, ya que son máquinas más

conocidas. Los motores utilizan combustibles más pesados es por eso que tienen

mayores necesidades de mantenimiento.

3.2.4. Cogeneración eficiente

De acuerdo con la CONUEE (Comisión nacional para el Uso Eficiente de la

Energía), la cogeneración eficiente se define como la generación de energía

eléctrica conforme a lo establecido en la Fracción II del Artículo 36 de la LSPEE

(Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica), siempre que el proceso tenga una

eficiencia superior a la mínima establecida por la CRE [9]. Debido a lo anterior, la

CRE tiene la atribución de establecer los criterios mínimos de eficiencia.

3.2.4.1. Eficiencias

La eficiencia de las plantas con motores reciprocantes no suele superar el 92%,

mientras que las plantas con turbinas suelen garantizar más del 95%.

3.3. INGENIERÍA BÁSICA

Hacer una ingeniería básica donde se establezcan las bases de licitación (RFP) y

requerimientos técnicos a considerar. RFP es un documento que contiene todas

las bases y premisas para que los proveedores pre-seleccionados (Certtus,

General Electric, Siemens AG, y demás…) realicen sus propuestas técnicas y

económicas para el desarrollo del proyecto de acuerdo a la previa ingeniería

conceptual.

Además, se pueden incluir normas o estándares internacionales que se desean

cumplir, en esto se incluyen todas las disciplinas involucradas en la construcción

de la central (civil, eléctrica, mecánica, control y comunicación, seguridad, etc.).

Marcan las necesidades de espacio y las precauciones en el diseño para

protección contra accidentes.

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3.4. LICITACIÓN DEL PROYECTO

Recibir ofertas de empresas interesadas en desarrollar el proyecto. En este paso

se evalúan las ofertas considerando, el costo, propuesta técnica, garantías, costos

de servicio de mantenimiento, eficiencias, tiempo de ejecución, entre otros.

3.5. FIRMA DE CONTRATO

Una vez seleccionado el proveedor se firman contratos, se establecen tiempos de

ejecución.

3.6. CONSTRUCCIÓN Y PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO

Finalizada la construcción se hacen pruebas de funcionamiento en sitio, con la

finalidad de comprobar las garantías que ofreció el proveedor.

Lo anterior son los pasos que hay que seguir a la hora de elaborar el diseño

de una planta de cogeneración.