Tecnologías de producción de energía eléctrica en cogeneración (1ª PARTE)

Ciclo de la turbina de vapor

La tecnología CHP es la generación simultánea o secuencial de múltiples formas de energía útil (usualmente mecánica y térmica) en un sistema único integrado. Se trata de una fantástica y eficiente tecnología que nos permite obtener energía de un sinfín de formas y utilizarla en muy diversos modos y aplicaciones. En los tiempos actuales en los que la generación distribuida se ha convertido en la industria con mayor crecimiento en todo el mundo, las aplicaciones CHP a nivel micro y en aplicaciones de mediana escala se convierten en un fascinante mundo que explorar.

Dentro de los artículos en los que tratamos la tecnología CHP vamos a centrarnos en esta ocasión en las tecnologías existentes para obtener energía eléctrica o mecánica. Ambos son puntos críticos del sistema cuya evaluación debe hacerse de forma detallada. Conocer exactamente cuál es la tecnología más conveniente para cada aplicación nos permitirá obtener la solución óptima y el mayor rendimiento.

Los sistemas CHP consisten en varios componentes principales – impulsor principal (motor térmico), generador, recuperación de calor, e interconexión eléctrica – configurados como un todo integrado. El tipo de equipo que impulsa el sistema total (prime mover) típicamente identifica el sistema CHP. Los impulsores principales para los sistemas CHP incluyen las turbinas de vapor, turbinas de gas (también llamadas turbinas de combustión), motor de ignición de chispas, motores diesel, microturbinas, y células de combustible. Estos accionadores principales son capaces de quemar una gran variedad de combustibles, incluyendo biomasa/biogás, gas natural, o carbón para producir energía eléctrica o mecánica en el eje. Tecnologías adicionales se usan para configurar un sistema CHP completo, incluyendo calderas, enfriadoras de absorción, desecantes, enfriadoras accionadas a motor, y gasificadores.

Aunque la energía mecánica del prime mover usualmente se utiliza para accionar un generador y producir electricidad, también puede utilizarse para hacer funcionar equipos rotatorios tales como compresores, bombas, y ventiladores. La energía térmica del sistema puede usarse en aplicaciones de proceso directamente o indirectamente producir vapor, agua caliente, aire caliente para secado, o agua fría para enfriamiento de proceso

El sector industrial actual actualmente produce tanto energía térmica como electricidad a partir de la biomasa en instalaciones CHP en la industria papelera, química, maderera, e industria de procesado de alimento. Estas industrias son usuarios principales de la biomasa y utilizando el calor y vapor en sus procesos puede mejorar la eficiencia energética en más de un 35 %. En estas aplicaciones, la configuración del sistema CHP típico consiste en una caldera de biomasa cuyo vapor se usa para impulsar una turbina de vapor para extraer el vapor o calor para uso en el proceso.

Cada una de las tecnologías disponibles requerirá combustible que generalmente requiere varios pasos para su preparación. Para las tecnologías de generación de energía eléctrica que requieren vapor como combustible (turbina de vapor), se usa una caldera para conseguir la combustión de la biomasa y convertirla en vapor. Para las tecnologías de generación de energía eléctrica que requieren gas para operar (turbinas de gas, motores recíprocos, células de combustible, motores Stirling), la biomasa debe ser gasificada o colectada como biogás de un digestor anaeróbico o LFG.

Otra de las particularidades requeridas para casi cualquier impulsor principal que funcione con biogás, es la limpieza del gas. Esta limpieza como mínimo incluirá la retirada de sólidos y agua líquida. La retirada solamente de sólidos y agua líquida puede dejar componentes corrosivos y siloxanos, que pueden dañar el impulsor principal.

Turbinas de vapor

Las turbinas de vapor convierten la energía del vapor de una caldera o calor residual en energía en un eje.  Las turbinas de vapor son un dispositivo termodinámico que convierte la energía en vapor de alta presión, alta temperatura en energía en un eje que al girar se utiliza en un generador y produce energía eléctrica. Al contrario de los sistemas CHP con turbinas de gas o motores recíprocos donde el calor es un subproducto de la generación de energía eléctrica, los sistemas CHP con turbinas de vapor normalmente generan electricidad como un subproducto de la generación de calor (vapor). Una turbina de vapor requiera una fuente de calor separada y no convierte la energía del combustible a electricidad. La energía se transfiere de la caldera a la turbina a través de vapor de alta presión, que hace funcionar la turbina y el generador. Esta separación de funciones permite a las turbinas de gas operar con una enorme variedad de combustibles, desde gas natural a residuos sólidos, incluyendo todo tipo carbón, madera, residuos vegetales y subproductos agrícolas (bagazo de caña de azúcar, frutas estropeadas  y cáscara de arroz).  En las aplicaciones CHP, el vapor a baja presión se extrae de la turbina de vapor y se usa directamente o se convierte en otra forma de energía térmica.

Las turbinas de vapor son una de las tecnologías del accionador principal más antiguas y versátiles que están todavía en producción comercial. La generación de energía eléctrica usando turbinas de vapor ha estado en uso durante aproximadamente 100 años, cuando reemplazaron a los motores de vapor recíprocos debido a su eficiencia más alta y menores costes. Las turbinas de vapor convencionales trabajan en un rango que va de 50 kW a varios cientos de MW y se usan también ampliamente en aplicaciones CHP. 

Las características técnicas de esta tecnología son las siguientes:

• Tamaño. 50 kW a 250 MW
•  Combustible. Caldera de vapor a partir de biomasa y biogás.
• Preparación de combustible. Ninguna.
• Sensibilidad a la humedad del combustible.
• Eficiencia eléctrica (cálculo basado en el valor calorífico más alto, higher heating value o HHV) del combustible. 5 a 30 %
•  Ratio arranque-parada. Bueno, responde en unos minutos.
• Cuestiones de operación. Alta fiabilidad, arranque lento, larga vida, infraestructura de mantenimiento fácilmente disponible.
• Experiencia de campo. Extensa.
• Estatus de comercialización. Numerosos modelos disponibles.
• Coste instalado (como sistema CHP). $350 a $750 / kW (sin caldera).
• Costes de operación y mantenimiento. Menos de 0,004 $/kWh. 

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