Posibilidades tecnológicas y viabilidad de la generación descentralizada de

electricidad con biomasa

Daniel Maraver de LemusFundación CIRCE

ESTADO ACTUAL Y PERSPECTIVAS DE LA GENERACIÓN ELÉCTRICA CON BIOMASA EN

ESPAÑAMadrid, 12 de noviembre 2009

•

Centro de Investigación de Recursos y Consumos Energéticos (Universidad de Zaragoza)

•

≈

140 investigadores•

División de Recursos Naturales:– Evaluación de recursos –

Cultivos energéticos

– Estudios de impacto ambiental -

ACV– Combustión de biomasa a pequeña escala– Co-combustión– Evaluaciones tecno-económicas– Producción combinada de agua y energía

(Poligeneración)– Optimización de sistemas energéticos

Fundación CIRCEIntroducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración

•

Generación de electricidad:– Generación energética con biomasa– Tecnologías aplicables a generación distribuida

•

Poligeneración

•

Aplicación real: Viabilidad de sistema de trigeneración en Parque Tecnológico WALQA– Estudio Tecno-Económico– Estudio Medioambiental

ÍNDICEIntroducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración

Gasificación

Tecnología de conversión

Pila de combustible

Caldera y/o Ciclo de

vapor/Stirling

MACI o Turbina de

GasLimpieza del

gas

Productos primarios

Conversión secundaria Productos finales 1

Electricidad

Calor

Electricidad

Calor

Electricidad

Calor

Conversión terciaria

M. Absorción o

Adsorción

Frío

Productos finales 2

Aire/Vapor/Oxígeno/H2

Gas

combustible

* El pre-tratamiento al que se refiere la figura varía dependiendo de si se trata un combustible gaseosos o líquido.

Pirólisis

Caldera y/o Ciclo de

vapor/Stirling

MACI o Turbina de Gas

Pre-

tratamiento*

Calor

Electricidad

Calor

M. Absorción o

AdsorciónFrío

BIOMASA

Electricidad

Calor

Gascombustible

Líquido pirolítico

Carbón vegetal

Combustión

Aire/O2

CalorElectricidad

M. Absorción o

Adsorción

FríoGases

calientes

M. AbsorciónFrío

Caldera y/o Ciclo de

vapor/Stirling

SISTEMAS DE GENERACIÓN ENERGÉTICA CON BIOMASA Introducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración

10

20

30

40

50

10 20 30 40 50

Turbinas de vapor (Ciclo Rankine convencional)Turbinas de vapor (Ciclo Rankine orgánico)Motores StirlingMotores alternativos de combustión internaTurbinas de gasPilas de combustibleCiclo Combinado

hPCI(%)

Potencia nominal (MWe)Comparación de tecnologías de generación

eléctrica aplicables al uso de biomasa (adaptado de Kiehne, 2008).

•

Comparación de tecnologías de generación eléctrica:

•

Generación eléctrica distribuida:

generación a pequeña escala en áreas cercanas al consumidor final →

Potencias inferiores a 20 MWe

•

Uso eficiente de la energía•

Reducción de costes de transporte y distribución•

Reducción del impacto ambiental•

Aumento de la fiabilidad en el suministro eléctrico•

…

GENERACIÓN ELÉCTRICA DESCENTRALIZADAIntroducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración

•

Las de mayor penetración en el mercado:– Sistemas de combustión externa:

•

Ciclos de Vapor (Rankine convencional u Orgánico)•

Motores Stirling– Sistemas de combustión interna (previa Gasificación/Pirólisis ):

•

Motores Alternativos de Combustión Interna•

Turbinas de Gas

•

Posible clasificación: Real Decreto 661/2007– Pequeña potencia (menor de 500 kWe).– Mediana potencia (entre 500 kWe y 2 MWe).– Gran potencia (mayor de 2 MWe).

SISTEMAS DE GENERACIÓN DISTRIBUIDA Introducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración

•

ORC (CR Orgánico): 300 –

2.500 kWe

– Diferencias con ciclo Rankine convencional:•

Evaporación de fluido de trabajo mediante fluido intermedio (aceite térmico, agua)

•

Presiones de funcionamiento inferiores → Costes específicos menores para el mismo

rango de potencias

•

CR Convencional →

Aplicación entre 200 – 1.500 kWe

: Sustitución de turbina de vapor por otro tipo de expansor

(Motor de pistones

o Motor de tipo tornillo):– Separación de sistema de combustión y generación

de potencia– Buen comportamiento a carga parcial (30-100%)– Poco sensibles a variaciones en salida de expansor– Bajo mantenimiento

CICLOS DE VAPOR Introducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración

ORC de 1 MWe (TURBODEN, Italia)ORC de 30 kWe (Infinity, EE.UU.)

•

Limitaciones/Potencial optimización: aplicación a potencias inferiores (10 -

200

kWe)

•

Ciclo Stirling: – Ciclo cerrado en el que un gas de trabajo es

alternativamente comprimido en un cilindro frío y expandido en un cilindro caliente.

– Aporte de calor externo•

Aplicación a generación distribuida

con

biomasa : 1 –

1.500 kWe

• Combustión continua: bajos niveles de emisiones, ruido y bajo consumo de combustible →

Elevada

eficiencia.• Buen funcionamiento a carga

parcial.• Alto nivel de automatización.• Limitaciones/Potencial optimización:– Sólo para pequeñas escalas de producción

eléctrica.– Disponibilidad tecnológica escasa.– Arranque lento.

E i i t i t bi d

3

4

1

2

P

v

Q2

Q1

1-2: Expansión isoterma (W<0) 2-3: Proceso isocoro (W=0)

3-4: Compresión isoterma (W>0)4-1: Proceso isocoro (W=0)

Motor Stirling adaptado a una caldera doméstica de pellets (KWB, Austria).

MOTOR STIRLING Introducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración

•

MACI: 30 kWe

a 5.000 MWe

•

Turbinas de Gas (500 kWe

a 250 MWe

para turbinas convencionales) →

Microturbinas: 30 a 350 kWe

•

Limitaciones/Potencial optimización: Calidad del gas/líquido combustible

G

Compresor

Cámara de combustión

Expansor

Flujo de combustible

2 3

4

Aire T

s1

2

3

4Generador

1

Motor serie SFGLD (GUASCOR).

Microturbina de gas (MicroPower Europe).

MOTORES DE COMBUSTIÓN EXTERNA Introducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración

COMPARACIÓN DE TECNOLOGÍAS (orientativa)Introducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración

Aplicación actualOpción posible de futuro

•

Producir de forma combinada varios productos (energéticos o no) de forma globalmente más eficiente.

•

En España →

RD 661:– Precio de venta de la electricidad dependiendo del combustible

biomásico utilizado (Residuo forestal, cultivo energético,…)– Complemento por eficiencia

de la instalación (depende de REE)

Caldera de alta eficiencia (RefH

)

Planta eléctrica

(RefE

)

Sistema de cogeneración

ElectricidadWe

CalorQH

Fe

Ft

F

Sistema de trigeneración

Caldera de alta eficiencia (RefH

)

ElectricidadWe

FríoQC

CalorQH

Fe

Ft

F

Planta eléctrica

(RefE

)

Enfriador compresión

(RefCOP

)

min>REEWeREE =

QH QCF - -

Ref RefH COP

min

WeREE = >REEQH

F-RefH

SISTEMAS DE POLIGENERACIÓNIntroducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración

•

Lugar: Huesca (Aragón)•

Comienzo actividades: 2004-2005

•

Áreas de especialización:– Tecnologías de la información y comunicación– Energías renovables– Biotecnología

•

Características:– 10 edificios construidos– 60 edificios en proyecto (6 fases)

•

Situación actual de la generación energética:– Descentralizada (Combustibles fósiles, electricidad)– Elevados gastos anuales

PARQUE TECNOLÓGICO WALQAIntroducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración

Denominación Generación energética TecnologíaESCENARIO 1 (S1) Calefacción centralizada Calderas de biomasa

ESCENARIO 2 (S2) Climatización centralizadaCalderas de biomasa + máquinas de absorción (Cogeneración)

ESCENARIO 3 (S3) Climatización centralizada + Generación eléctrica

Calderas de biomasa + máquinas de absorción + ORC (Trigeneración)

MARCO DEL ANÁLISIS DE VIABILIDAD Introducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración

•

Demandas actuales

•

Resultados

0 2000 4000 6000 8000 100000

20

40

60

80

100Total needsHeating needs

Perc

enta

ge o

f pea

k lo

ad (%

)

Equivalent hours at nominal output (h/year)

0

100

200

300

400

500

Heating needs

Absorption chiller thermal needs

Total thermal needsT

herm

al n

eeds

(M

Wh)

Jan Feb Mar Apr Jun Jul Aug Sep OctNov Dec

May

Escenarios S1 S2 S3Distancia instalación, km 0.5 0.5 0.5

Carga pico, % 80 80 70Potencia de caldera, kWth 775 1.235 1.850

Potencia de máquina de refrigeración, kWth - 665 780Potencia de ORC, kWe - - 315

Coste de biomasa, €/year 40.000 70.000 115.000Ahorro anual, €/year 45.000 51.000 156.000

Coste de inversión, M€ 0,20 0,52 1,22REE, % - - 47-48

Periodo Retorno, años 4-5 10-11 6-7

120000 160000 2000000

2

4

6

8

0%10%20%30%

Pay-

Bac

k Pe

riod

(yea

rs)

Annual generation cost of current scenario (€/year)

Subsidy

60 80 100 120 140 1600

4

8

12

160%10%

20%

30%Pa

y-B

ack

Peri

od (

year

s)

Biomass cost (€/t)

SubsidyMarket price

ESTUDIO TECNO-ÉCONÓMICOIntroducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración

•

Estudio ambiental: Análisis de Ciclo de Vida (Método de evaluación de impacto EDIP 2003)

-400

0

400

800

1200

1600

Global warming 100a

Ozone depletion

Ozone formation (Vegetation)

Ozone formation (Human)

Acidification

Terrestrial eutrophication

Aquatic eutrophication EP(N)

Aquatic eutrophication EP(P)

Human toxicity air

Human toxicity water

Human toxicity soil

Ecotoxicity water chronic

Ecotoxicity water acute

Ecotoxicity soil chronic

Hazardous waste

Slags/ashes

Bulk waste

Radioactive waste

Resources (all)

Envi

ronm

enta

l im

pact

(Pt/F

U)

SC S1 S2 S3

ESTUDIO MEDIOAMBIENTALIntroducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración

•

Gran potencial de la generación eléctrica descentralizada de acuerdo a tecnologías disponibles actualmente.

•

Importancia de los sistemas de poligeneración desde el punto de vista:•

Energético•

Económico•

Medioambiental

•

Es vital tener una visión general

del contexto de cada proyecto:1.

Optimización de la generación de energía térmica y/o eléctrica dependiendo de las demandas.

2.

Producción y logística de la biomasa.3.

Características tecnológicas de los equipos

•

Líneas de I+D

a efectuar en los próximos años acerca de la generación eléctrica distribuida:

•

Poligeneración con biomasa a pequeña escala.•

Limpieza de gases provenientes de la gasificación/pirólisis.•

Automatización y control para optimizar en cada momento las instalaciones.•

Desarrollo tecnológico

CONCLUSIONESIntroducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración

Bibliografía

1.

Energía de la Biomasa. Sebastián, F.; Rezeau, A.; García, D. Prensas Universitarias de Zaragoza. 2009.

2.

Biomass fired Combined Heat and Power Plants (CHP) with Organic Rankine Cycle (ORC) in Europe. Kiehne, H. Energy from Biomass and Waste, Pittsburgh, PA, USA.

2008.

3.

Real Decreto 661/2007 por el que se regula la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial. MITYC . 2007.

4.

Electricity from Biomass. BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH. 2009

5.

ORC Module Technical documentation. Adoratec, Turboden, Infinity LLC. 2009

6.

Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles. Saleh, B. et al. 2007

7.

Stirling Engine Technical documentation. KWB, Stirling Danmark. 2009

8.

Technology Characterization: Reciprocating engines. Environmental Protection Agency. 2002.

9.

Produción combinada de electricidad, calor, frío y agua, de forma sostenible en el sector turístico. Rubio, C. Universidad de Zaragoza. 2009.

10.

Basic Information regarding decentralised plants based on biomass combustion in selected IEA partner countries final report. Obernberger, I. 2004

11.

Thermodynamic optimization of a trigeneration system based on biomass combustion. Maraver, D. 2009

¡Gracias por su atención!

Daniel Maraver, Adeline Rezeau, Fernando Sebastián, Javier Royo y el resto del

Área de Biomasa (División de Recursos Naturales) de la Fundación CIRCE