COGENERACIÓN ELECTRICA

8/2/2019 COGENERACIÓN ELECTRICA

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COGENERACIÓN ELECTRICA



Aspectos generales :introducción a la cogeneración eléctrica

Definición: es la coproducción, en base a combustibles, de energíaeléctrica y térmica con aprovechamiento simultáneo de electricidady de calor.

Se fundamenta en el funcionamiento de un equipo motor queproporciona una energía mecánica que mueve unalternador/generador de corriente eléctrica y simultáneamente elcalor de este motor térmico es aprovechado.

Con ello, se obtienen rendimientos mucho más elevados, delorden del doble como mínimo, que el de la simple producción

eléctrica de origen térmico.



Aspectos generales :introducción a la cogeneración eléctrica

Por ejemplo, el rendimiento de una central térmica clásica deproducción eléctrica no pasa en general del 37% y el rendimientode esta misma producción eléctrica en cogeneración puededuplicarse al sumarse el rendimiento eléctrico y el térmico.



Termodinámica en la cogeneración: Ciclos Termodinámicos

Introducción:• El primer principio de la termodinámica niega la posibilidad de que se

verifique procesos en los que no se cumpla el principio de la conservaciónde la energía.<<El trabajo es el mismo en todos los procesos adiabáticos que

corresponden a los mismos estados de equilibrio inicial y final de un sistema.>>.Sin embargo no impone ninguna restricción acerca del sentido en que severifican estos procesos que es el objeto de del

• El segundo principio de la termodinámica tiene como objeto medircuantitativamente la tendencia de los sistemas a realizar un cambiodeterminado y en qué sentido se verifica, como consecuencia:

1. Clausius: Cualquier sistema aislado tiende a evolucionar hacia el estado demáxima entropía. ( no dice nada del rapidez con que se alcanza).2. Kelvin-PlancK: No es posible ninguna transformación termodinámica cuyo único

resultado sea la absorción de calor de un solo foco y la producción de un a cantidadequivalente de trabajo.




Ante la imposibilidad de obtenertrabajo de un ciclo monotermo

veamos lo que ocurre cuando elsistema intercambia calor condos focos de temperaturasdistintas.

1. Si Q1>0 y Q2>0.No es posible

por el enunciado Kelvin.

2. Q1<0 y Q2>0, IQ2I>IQ1I.No esposible por el enunciado Kelvin.

3. Q1<0 y Q2>0, IQ1I>IQ2I. Ladiferencia entre el calor

absorbido del foco caliente yel cedido al foco frio estransformado en trabajo.




• Ciclo de Carnot (gas ideal conprocesos reversibles)

1-2 Expansión Isotérmica a T1 y calorabsorbido Q1>0.

2-3Expansión adiabática de T1 a T2;Q=0

3-4Compresión isoterma a latemperatura T2; calor cedido,Q2<0.

4-1Compresión adiabática de T2 aT1;Q=0

ή= (Q1-Q2)/Q1=(T1-T2)/T1

Teorema de Carnot :Ninguna máquina operando entre dos temperaturasdeterminadas posee un rendimiento superior al de una máquina de Carnot quefuncione entre las mismas temperaturas




Máquina térmica: todo sistema que funcionando periódicamentesea susceptible a transformar calor en trabajo.

Este calor se produce en la mayoría de los casos de una reacciónquímica (combustión), siendo absorbido por un fluido o agentemotor encargado en poner en movimiento las piezas mecánicas queejercen las fuerzas sobre un medio exterior.

Si la reacción:• Está fuera de la máquina térmica (motores de combustiónexterna).

• Está en el mismo cilindro de trabajo ( motores decombustión interna).

y en cada uno de los casos el movimiento producido puede ser:• Alternativo (máquinas de vapor de émbolo y motores de

explosión).• Rotativo ( turbina de vapor y turbinas de gas).



Termodinámica en la cogeneración: Ciclos TermodinámicosTurbina de Vapor:El agua contenida en el generador recibe calor del hogar y se trasforma en vapor (vaporsaturado) a una temperatura que depende de la presión existente. Este vapor es dirigido hacia elémbolo de un cilindro o sobre los alabes de una turbina, realizando un trabajo externo conexpansión que origina una caída de temperatura y presión. El trabajo es empleado en forma de

energía eléctrica. El fluido, condensado en parte, pasa al condensador, donde se licua elvapor restante a la temperatura ambiente, cediendo calor de condensación al refrigerante, el cualse enfría pasando por el interior de una torre de refrigeración. El líquido condensado esintroducido de nuevo a la caldera por medio de una bomba, con lo que completa el ciclo.

Perdidas= Qr(humos)+Qr´(condensación)




Ciclo de Rankine:El Ciclo de Carnot es técnicamenteimposible ya que para realizar este ciclo en

una máquina térmica habría que detener lacondensación del vapor en D antes de quese hubiera licuado por completo y despuésmediante compresor, llevar adiabaticamentela mezcla hasta la licuefacción completahasta alcanzar la temperatura de la caldera.1-El agua de la caldera en A eleva sutemperatura hasta T1en B.2-Se transforma en vapor saturado y seco aT1 y P1 en C.3-El vapor se expande (cilindro-turbina)adiabaticamente y reversiblemente,produciendo trabajo hasta adquirir latemperatura del refrigerante ycondensándose en parte en D.

4-La mezcla de vapor y de líquido secondensa totalmente a temperatura T2Del refrigerante en E.5- El líquido es comprimido reversiblementey adiabáticamente hasta alcanzar de nuevola presión de la caldera, punto A.

Ciclo de Carnot

Ciclo de Rankine




La diferencia fundamental está en EA y AB. La compresión adiabática EA del líquidoeleva muy poco la temperatura y el proceso AB se realiza recibiendo calor del hogar.

ή = W/Q= (hc-hd)/(hc-ha).

El rendimiento de una máquina térmica se mejora notablemente utilizando vaporsobrecalentado( sin aumentar la presión se aumenta la temperatura del vapor)gracias a un recalentador.

ή= W/Q= (h4-h5)/(h4-h1).




El aumento de la superficie dentro del ciclo y la mayor temperatura media aque se absorbe calor mejoran el rendimiento, además está la ventaja de

que al ser vapor sobrecalentado éste permanece seco durante casi toda laexpansión abiabática, sobre el émbolo o los álabes de la turbina,disminuyendo considerablemente la corrosión.




Maquina de combustión interna:

El fluido activo es el mismo combustible junto con el aire necesario paraquemarlo, el cual fluye a través del sistema solamente una vez. Sistematotalmente irreversible (expulsión de gases)




Turbina de Gas: Ciclo de Brayton

El aire aumenta su presión en el compresor C y pasa a una cámara decombustión CC , aquí se suministra la energía procedente de la combustión y losgases resultantes se expansionan a través de la turbina. Los álabes de la turbinagiran por la acción de los gases incandescentes y extraen la energía necesariapar impulsar el compresor.




El rendimiento solo depende de la relación de presiones (para el aire s escte y vale 1,4)

Pérdidas=Calor residual Q´r ( de los gases expansionados)

El rendimiento de estas máquinas puede mejorarse utilizando sistemas derecuperación de calor, o procesos de recalentamiento y Ciclos combinados.

.

Con recuperación de calor.

Con recalentamiento

Ciclo Combinado




Ciclo Otto

1-Admisión de los gases(0-1) se abre la válvula de admisión, A, y el émbolo aspiradurante su carrera la mezcla de combustible a la presión atmosférica.

2-Compresión adiabática(1-2).Cerrada la válvula de admisión, el embolo retrocedey comprime adiabáticamente la mezcla, que queda encerrada en la cámara.

3-Aumento de presión y temperatura a volumen constante.(2-3)- Por la acción

de la chispa que salta entre los polos de la bujía se produce una explosión instantáneaya volumen cte.

4-Expansión de los gases(3-4).Debido ala gran presión producida los gases seexpanden adiabáticamente y el émbolo recorre su carrera completa.

5-Disminución de presión y temperatura a volumen cte (4-1). Al final de la

carrera de émbolo se abre la válvula de escape, con lo cual desciende bruscamente lapresión y la temperatura de la mezcla se realiza a v=cte, y Patm.

6-Expansión a los gases (1-0)- El émbolo retrocede y expulsa los gases quemadospor la válvula de escape a presión atmosférica.




El rendimiento del ciclo de Otto es la mitad del ciclo correspondiente de Carnotη=1-(T1/T3). Depende de la relación de compresión.




Ciclo DieselComo ya vimos el rendimiento del ciclo de Otto venía limitado por la relación decompresión a la cual se inicia la detonación. Podemos utilizar una relación decompresión más elevada ( de 15 a 17) si en lugar de comprimir una mezcla decombustible se comprime solamente aire y el combustible (comprimido a aparte) seintroduce cuando se ha completado la compresión. De este modo la explosión vienesustituida por una combustión progresiva a p=cte y se pueden realizar fuertecompresiones-En los motores diesel no hay carburador que prepare la mezcla ni sistemade encendido que la inflame:

1-Aspiración de aire (0-1) por la válvula de admisión a la presión atmosférica.

2-Compresión adiabática(1-2). comprime adiabáticamente hasta una presión deentre 40-50 atm elevando su tª a 600ºC.

3-Aumento de presión y temperatura a volumen constante.(2-3)- suficientepara inyectarle combustible y este ese infleme espontáneamente en un proceso ap=cte.A pesar del avance del émbolo para que el combustible entre en el cilindro esnecesario que a su vez se introduzca a muy elevada presión (70 atm) en pequeñasgotitas, esto se consigue mediante una bomba y un equipo inyector.Cuando el émbolo arecorrido aprox la décima parte de su recorrido cesa la llegada de combustible y el gasse expande adiabáticamente4-Expansión de los gases adiabatica(3-4).

5-Disminución de presión y temperatura a volumen cte (4-1). Al final de lacarrera de émbolo se abre la válvula de escape, con lo cual desciende bruscamente lapresión y la temperatura de la mezcla se realiza a v=cte, y Patm.

6-Expansión a los gases (1-0)- El émbolo retrocede y expulsa los gases quemadospor la válvula de escape a presión atmosférica.




El rendimiento de un ciclo ciclo Diesel aumenta al crecer la relación de compresión, aldisminuir la relación de grado de llenado y al utilizar un gas co K más elevado.



Tecnología aplicada a la cogeneración .Máquinas térmicas y equipos

auxiliares.

Ciclo simple: en el que existe un único tipo de motor y unaprovechamiento térmico no directo del calor residual.

We pot electrica

Q comb pot. Calorífica del comb.

Q´r= calor residual de los gases expansionados en T.gas

Qr+ Q´´r=y calor de condensación y humos en T.vapor




auxiliares.

Ciclo combinado: en el que la turbina de gas cuyos gases deescape alimentan al generador de vapor que produce vapor a alta

presión. De esta forma se genera una cantidad adicional de energíaeléctrica, aumentando el rendimiento eléctrico. Los gases deescape de la turbina de gas van a parar a la caldera derecuperación que, a su vez, produce vapor para mover la turbina de

vapor, pero el vapor residual de este último se condensa cediendoal aire el calor de condensación.




auxiliares.Suponiendo que hay postcombustión QcombTV

55-53% pérdidas en gases de escape y condensado.

12-13% pérdidas en la chimenea de recuperación




auxiliares.

• Cogeneración:

Si se aprovecha Qr( calor de condensación), Q´r (expansión),Q´´r( parte de los humos) en una aplicación simultánea paraprocesos del sistema, estaríamos en COGENERACIÓN(rendimiento total = rend elec+ rend term).

La cogeneración como sistema de producción de energía eléctricaincluido dentro del Régimen Especial requiere redefiniciónconceptual, ya que en caso contrario podría dar lugar a unacapacidad infinita de generación por parte de la industria. Por lo quetodos los países han exigido unos rendimientos mínimos degeneración:

REE( motores)> 55%REE( turbinas)> 59%




auxiliares.




auxiliares.

El rendimiento total en el ciclo combinado con cogeneración




auxiliares.

Turbina de vapor

El vapor de calefacción:1. vapor saturado.

2. Presión más o menos alta( en función dela temperatura exigida del proceso).

La idea básica es producir vapor deprocesos recalentando a una presiónsuperior a la necesaria a fin de poderutilizar los distintos procesos como si

fueran el condensador.• El primer esquema presenta una turbinade vapor a contrapresión cuyo vapor deescape condensa en los procesos; el aguade condensación es impulsada por unabomba de presión y retorna a la caldera.

• El segundo esquema es de una turbina devapor con condensador y extracción, en elcual se utiliza como vapor de procesos. Elcalor disipado en el condensador sepierde, pero se obtiene una produccióneléctrica mayor para la misma generaciónde calor útil.




auxiliares.

Turbina de gas:

Los gases calientes que salen de la turbina se utilizan para generar calorútil.




auxiliares.

Algunas turbinas van equipadas con un recuperador de calor queprecalienta el aire comprimido impulsado al compresor, antes de ser

introducido a la cámara de combustión, con lo que se consigue unahorro de combustible.El calor extraíble de los gases de escape no suele figurar en elcatálogo, ya que depende en gran medida, de la aplicación de la TG

a cada caso concreto.




auxiliares.

Estas turbinas queman combustible con gran exceso de aire, y enconsecuencia , los gases de escape pueden considerarse como

aire sucio y caliente con un alto contenido en oxígeno, de dondederivan las aplicaciones:

1. Secado de sustancias que no requieran aire de altacalidad( como granos o materiales pulverulentos).

2. Precalentado y secado de sólidos no exigentes, comomateriales cerámicos, afluentes de hornos metalúrgicos.

3. Producción de vapor en una caldera convectiva derecuperación de calor.

4. Producción de agua caliente de calefacción o paraservicios.




auxiliares.

El objetivo es aportar al secadero la cantidad de calor necesaria y en unas

condiciones tales que no se perjudique el material que debe secarse. Se

contemplará:

1. Expulsar directamente al exterior parte de los gases(1),para eliminar Q si sobra.

2. Quemar combustible de postcombustión (2) por si se necesita más Q.

3. Tomar aire del exterior para ajustar tª,y caudal para las necesidades delproceso(3).




auxiliares.

En este caso la temperatura de los gases a la entrada de la calderaestará fijada por la temperatura de suministro del vapor o aguacaliente, y la cantidad de calor necesario, por su caudal y saltoentálpico entre la entrada y la salida de la caldera.




auxiliares.

• Potencias(15KWe-25MWe)

medias/ altas motores Diesel

bajas motores Otto.

• Combustible:gasóleo/gasolina/GN/GLP/Biogas.

• Rendimiento alrededor de 38%( para gran potencias)

• Relación de calor-electricidad 1,2 y 1,8. (Otto-Diesel)

La características de estas máquinas hacen que se adpaten bien alas necesidades de sistemas con demanda de climatización y aguacaliente sanitaria.

Motores alternativos



Tecnología aplicada a la cogeneración .Máquinas térmicas y equiposauxiliares.

El motor de combustión arrastra al generador, normalmente un

alternador, el agua de refrigeración del circuito primario extrae calorde las unidades anteriores y lo cede al circuito secundario, paracubrir la demanda de calor, a través de otro intercambiador decalor(4). Una bomba hace circular el agua del circuito primario.

E. Consumidamotor

60%

E.Térm útil

30%E.electr

10%Resto

Radiación

Conveccióngases de escape




auxiliares.

ηtotal= ηelc+ηterm=32%+55%=87%




auxiliares.

El rendimiento total mayor entre las distintas alternativascogeneradoras es la mejor garantía de la rentabilidad por ser el índicede óptimo aprovechamiento energético y criterio de selección entreellas.

Al comparar el rendimiento de la cogeneración con el de la produccióneléctrica de origén térmico, hemos de añadir:

1. Las pérdidas por transporte 4%(efecto JOULE)2. Las pérdidas por distribución 10%(efecto JOULE)

Por tanto al rendimiento clásico ( 35-37%) hay que restar 4% detransporte y 10% de distribución quedando un rendimiento eléctrico

entre 33-31%. Por lo que existen unas pérdidas del 66%




auxiliares.

La cogeneración produce energía “in situ” en cada centro de

consumo final, siendo inexistentes las pérdidas de transporte del10%.




auxiliares.




auxiliares.

VENTAJAS-INCONVENIENTESMotor alternativo

• Presión de suministro de combustible baja.• Tamaño: 5KW a 5MW

Ventajas:1. Alto valor relativo Electricidad/calor.2. Alto rendimiento eléctrico.

3. Coste bajo o moderado.4. Larga vida de trabajo.5. Adaptable a variaciones de demanda.6. Puesta en marcha rápida.7. Rendimiento aceptable con amplias variaciones de carga.

8. Emisiones de escape moderadas.9. Velocidades 100-1500rpm(pequeñas-medianas)10. Otto ligereza.11. Diesel robustez.




auxiliares.

Inconvenientes:

1. Altos costos de mantenimiento

2. Energía térmica muy dispersa( agua, aceite, humos) y a baja tª.3. Peso de 5-15 Kgs/HP, 10 veces más posibilidades de rotura.

Se emplea cuando:

1. hay fuertes variaciones en la demanda y cuando el funcionamiento no secontinuo.

2. Necesidades de calefacción/AC hasta 110ºC o precise vapor a baja

presión.

3. Elevada relación elect/calor.




auxiliares.Turbina de gasTamaño 0,25MW a 500MWPeso:1,5 a2 Kgs/HP

Ventajas:1. Gases a alta tª( 500ºC)2. Campo de uso amplio 0,5-100 MW3. Alto valor calor/electricidad4. Puesta en marcha rápida.5. Puede funcionar con combustible dual.6. Bajas emisiones de escape.7. Efecto muy favorable para completar ciclo combinado con vapor.

Inconvenientes:

1. Restricciones de combustible.2. Restricciones en cuanto al % de carga han de trabajar próximos al100%.(si la carga baja del 50% el rendimiento decae bruscamente)

3. Velocidades muy altas 3600-50.000 rpm4. Influjo de la tª y altitud sobre la potencia.

5. Presión de suministro alta




auxiliares.

Se utilizará cuando:

1. Demanda eléctrica continua.

2. sea relevante la producción de calor.3. Se necesite Grandes tonelajes de vapor a alta presión.

4. Se necesite grandes cantidades de gases calientes( 500º industria)

5. Donde exista GN




auxiliares.

Turbina de vapor

Ventajas:

1. Máquinas simples y robustas.

2. Mayor rendimiento global.

3. Acepta toda clase de combustibles.

4. Larga vida de trabajo y amplio campo de potencias.

Inconvenientes:

1. Baja relación electricidad/calor

2. Costa de adquisición elevado.

3. Puesta de servicio lenta.

4. Velocidades medias/altas.




auxiliares.

Cuando se emplean:

•Donde existan combustibles residuales, renovabes..

•Donde haya que renovar una caldera de vapor.

•Donde se precise completar un C.T de gas( C.C)

•Industria donde se emplee vapor.

•Sector industrial y generación electrica.

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