COGENERACIÓN - · PDF fileMotores basados en turbina de gas (incluye ciclo combinado)...

COGENERACIN

6.1 Cogeneracin. IntroduccinDefinicin
Cogeneracin es la generacin simultnea en un mismo generadorde energa elctrica (o mecnica) y energa trmica til.
En su esquema ms frecuente se recupera un flujo secundario oresidual de un motor trmico para aplicaciones trmicas(generacin de vapor o agua caliente, etc.).
La opcin de la cogeneracin debe estudiarse en toda planta conconsumos trmicos y elctricos importantes. La industria, y enparticular la qumica y otras afines, como la petroqumica,papelera, metalrgica, etc., fue pionera en la aplicacin de estatecnologa.
La trigeneracin es una variedad de la cogeneracin consistente enla produccin simultnea directa de energa mecnica-elctrica,trmica a alta temperatura (calor) y trmica a bajas temperaturas(fro) por un mismo dispositivo de generacin
Estudios de viabilidad de cogeneracin 2

Cogeneracin. IntroduccinFundamento de la cogeneracin Un equipo de cogeneracin provee
a una instalacin de toda o partede la energa elctrica y trmicaque requiere: Si requiere energa adicional
trmica: equipo convencional
elctrica: red elctrica pblica
Los excedentes de energaelctrica se vierten (y se venden)a la red pblica .
Los excedentes trmicos sedisipan al medio ambiente
Puede producir ahorros de energaprimaria entre el 30 y 40 %respecto a un sistemaconvencional deaprovisionamiento de energaelctrica y trmica
a
E. elctrica=35 u
ph
centraltrmica
+ red elct.e = 34%
calderac = 92%
grupocogeneracin
e = 35%c = 40%
Prdidas=68 u
E. trmica=42 u
Prdidas=3,7 u
Prdidas=23 u
E. trmica=42 u
E. elctrica=35 u
Combustible=148,7 u
Combustible=45,7 u
Combustible=100 u
Combustible=103 u
48,7 (%) = 32,7 %
. . 148,7
Ahorro combAhorro
Total sist conv
sistema convencional
cogeneracin

Cogeneracin. IntroduccinTipos bsicos de cogeneracin
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Energa de alta calidad(qumica)
Motor trmico uotro dispositivo de
transformacinenergtica
Energamecnica
Energaelctrica
Sumidero trmico
Energa trmica til
Proceso
Motor trmico Energamecnica
Energaelctrica
Sumidero trmico
Efluente a temperaturarelativamente alta
Energa de alta calidad(qumica)
a) Ciclo de cabeza o topping b) Ciclo de cola o bottoming

Cogeneracin. IntroduccinTipos bsicos de cogeneracin
5
El ciclo superior, de cabeza o topping cycle, tiene por
objetivo principal producir electricidad y como objetivo
secundario aprovechar parte de los calores residuales de la
mquina trmica como energa til en procesos trmicos
secundarios. El ciclo inferior, de cola o bottoming cycle,
tiene por objetivo principal producir calor de proceso, y
como objetivo secundario aprovechar los calores residuales
en una mquina trmica para producir electricidad.

Cogeneracin. IntroduccinParmetros de eficiencia
6

Tecnologas de cogeneracinPropulsores utilizados Se puede distinguir entre dos grandes grupos de propulsores utilizados en los
ciclos de cabeza:
los basados en motores trmicos
los basados en dispositivos electroqumicos o termoelctricos
En la actualidad prcticamente todos los grupos de cogeneracinindustrialmente operativos pertenecen al primer grupo, basados en:
turbina de vapor
turbina de gas
ciclo combinado turbina de gas-turbina de vapor
motor de combustin interna alternativo (MCIA), en sus versiones de
motor de encendido provocado (MEP) o de ciclo Otto
motor de encendido por compresin (MEC) o disel
En el segundo grupo, todava hoy en fase prcticamente experimental aunque conexcelentes perspectivas en algn caso se encuentran:
pila o clula de combustible, el ms desarrollado
clulas solares fotovoltaicas, no desarrollado de forma comercial 7

Tecnologas de cogeneracinCombustibles Todos los combustibles pueden ser utilizados en plantas de cogeneracin, si bien hay
una ligazn entre el gas natural y el auge de la cogeneracin.
El combustible condiciona la seleccin del propulsor del grupo de cogeneracin:
Combustibles slidos motores de combustin externa (turbina de vapor)
Motores basados en turbina de gas (incluye ciclo combinado) y MEPcombustibles exentos de impurezas: gas natural, GLP, gasleos
MEC gasleos, fuelleos y gaseosos (ciclos mixtos)
Pila de combustible combustibles con alto contenido en H (aunque es unatecnologa an en desarrollo)
El empleo de energas renovables en cogeneracin se puede realizar por utilizacinde todo tipo de biocombustibles:
Biomasa slida sin tratar turbina de vapor
Biomasa slida gasificada turbina de gas, MEP, turbina de vapor
Biocarburantes MCIA, turbina de gas, turbina de vapor
Biogs (incluye gas de vertedero) MEP, turbina de gas, turbina de vapor
Hidrgeno (obtenido a partir de fuentes renovables) pila de combustible,MEP, turbina de gas, turbina de vapor
8

Cogeneracin con turbina devaporLa turbina de vapor es un motor trmico basado
en el ciclo termodinmico de Rankine
9
Generador devapor
mv
mf
Condensador
G
1
Turbinaa
6
12
2
4
3
Bombaa

Cogeneracin con turbina devaporCiclo de cola
Consiste en recuperar un flujotrmico residual para generarenerga elctrica o mecnicamediante un ciclo de vapor(tambin puede ser de gas, unexpansor, etc.)
Se requiere flujos de altaentalpa: temperaturassuperiores a 300 C.
10

Cogeneracin con turbina de gasEsquema general
Un sistema de cogeneracin con turbina de gas en el caso ms generalconsta bsicamente de
un motor turbina de gas
una caldera de recuperacin, en la que se genera un fluido trmico,aprovechando la energa contenida en los gases de escape.
una cmara de postcombustin (en su caso).
Cmara dePostcombutin.mf2mf1
Cmara deCombustinPrincipal.
ma
Caldera deRecuperacin
GTb
62 543
1
C Ta
mw1w2w
Turbinas de altay baja
Compresor

Turbina de gas
12

Cogeneracin con turbina de gasBalance energtico
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Cogeneracin con ciclocombinadoEsquema general
Un ciclo combinado turbina degas-turbina de vapor consiste enesencia en una turbina de gas,donde se produce una combustinde cabeza o topping, y unaturbina de vapor alimentada porvapor generado en una caldera derecuperacin de los gases deexhaustacin de la turbina de gas.
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Postcombutin.
mf Cmara deCombustin
maCaldera de
Recuperacin
G
5g
2a
4g
3g
1a
C TGas
mw
2v 3v
Generador devapor
mv
mf
G
1v
TVapor
2v
4v
Proceso
mg
Motorturbina devapor
Motorturbinade gas
mg

Generacin con ciclo combinado
15

Cogeneracin con ciclocombinadoCaractersticas
La energa mecnica-elctrica se obtiene en sendosgeneradores acoplados a las turbomquinas de las turbinasde gas y vapor
La energa trmica til o calor de cogeneracin se obtienedel ciclo de vapor, pudiendo ste ser de
contrapresin,
condensacin o
extraccin-condensacin
Parmetros:
Alto FUC y REE
Baja relacin calor-electricidad
Plantas de gran potencia
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-Turbina con extraccin de vapor: Se realiza en etapas de altapresin, enviando parte del vapor de vuelta a la caldera parasobrecalentarlo y reenviarlo a etapas intermedias. En algunas ocasionesel vapor tambin puede ser extrado de alguna etapa para derivarlo aotros procesos industriales.
-Turbina de contrapresin: La presin del vapor a la salida de laturbina es superior a la atmosfrica, suele estar conectado a uncondensador inicial que condensa al vapor, obtenindose agua calienteo sobrecalentada, que permite su aprovechamiento trmico posterior.
-Turbinas de condensacin: El vapor sale a una presin inferior ala atmosfrica, en este diseo existe un mayor aprovechamientoenergtico que a contrapresin, se obtiene agua de refrigeracin de sucondensacin. Este diseo se utilizan en turbinas de gran potencia quebuscan un alto rendimiento.

Balance energtico centralescon ciclo combinado

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Cogeneracin con Motor de Combustin InternaAlternativo. Esquema
Energa Elctrica
Gases de Escape:200oC a 250oC
Recuperadorde Calor
Eficiencia Trmica Total - Aprox. 70%
VAPOR = 0,5 t/MWh
Eficiencia de conversin a EnergaElctrica del 34 al 40%
Generador
Fluido a Calentar
Combustible
Motor CombustinInterna Alternativo
Vapor Baja Presin= 10 a 15 kg./cm2
Agua Caliente de 80oC a 100oC

Balance energtico cogeneracincon motor de gas

Cogeneracin con Motor de CombustinInterna Alternativo
Balance energtico
Trabajo til (35%)
Calor obtenido en la caldera derecuperacin a partir de laentalpa de los gases de escape alta temperatura (27%)
Calor aprovechado del sistemade refrigeracin del motor baja temperatura (18%)
FUC = 80%
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Pilas de combustible
Dispositivo electroqumico que transformadirectamente y de forma continuada la energaqumica almacenada por un combustible en energaelctrica.
Principio de funcionamiento inverso a la electrlisis
Constituida por un conjunto de

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