Tecnologías de producción de energía eléctrica en cogeneración (2ª PARTE)

Configuración de una turbina de gas en una instalación de gasificación de biomasa integrada

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Turbinas de gas (combustión), incluyendo microturbinas

Las turbinas de combustión, o turbinas de gas, se vienen usando para generar energía desde hace décadas a escala comercial debido a su bajo coste, bajo mantenimiento y bajas emisiones. La tecnología de turbinas se desarrolló en los años treinta como medio para impulsar aeronaves. El uso de las turbinas para generar energía comenzó en los años 40 y 50, pero no fue hasta comienzos de los 80 cuando las mejoras en la eficiencia y fiabilidad de las turbinas dio como resultado un incremento en su utilización para generar energía.

La turbina de gas es un motor de combustión interna que opera con un movimiento rotativo en vez de un movimiento recíproco. Las turbinas pueden utilizar como combustible gas natural o biogás y se usan en numerosas aplicaciones, incluyendo generación de energía eléctrica, compresores de gas, y varias aplicaciones industriales que requieren movimiento de un eje. En los últimos años los fabricantes están produciendo unidades más pequeñas y más eficientes que son convenientes para aplicaciones de generación distribuida. El rango de las turbinas comienza en tamaños de 30 kW (microturbinas) hasta 250 MW (grandes unidades industriales).

Las turbinas de gas pueden usarse en una variedad de configuraciones:

• Operación en ciclo simple – Turbinas de gas simples produciendo solamente energía eléctrica.
• Operación CHP – Una turbina de gas con ciclo simple que usa un intercambiador de calor para recuperación de calor que recupera el calor residual de la turbina y lo convierte en energía térmica útil, usualmente en forma de vapor o agua caliente.
• Operación en ciclo combinado – El vapor a alta presión se genera a partir de recuperación de calor y se usa para crear  energía eléctrica adicional usando una turbina de vapor. Algunas turbinas de ciclo combinado extraen vapor a una presión intermedia para uso en procesos industriales, creando sistemas de ciclo combinado CHP.

La generación de energía eléctrica a partir de las turbinas de gas se consigue con el ciclo de Brayton y consiste en un compresor para comprimir el aire a alta presión, una cámara de combustión operando a alta presión, la turbina de gas y el generador. La sección de la turbina comprende una o más turbinas que extraen la energía mecánica de los productos de combustión calientes. Parte de la energía se usa para accionar la etapa del compresor; la energía restante está disponible para accionar el generador eléctrico u otras cargas mecánicas.. Para inyectar el combustible en la cámara de combustión presurizada, el combustible debe presurizarse. La eficiencia de la turbina teórica es una función de la temperatura de entrada de la turbina y el ratio de presión a través de la turbina, con niveles más altos de ambos factores que llevan a una mayor eficiencia. La temperatura de entrada queda limitada por la capacidad de los álabes de la turbina a operar a esa temperatura.

Una turbina de gas de biomasa requiere LFG (gas de vertederos), gas de un digestor anaerobio, o un gasificador de biomasa para producir el biogás de la turbina. El biogás debe filtrarse cuidadosamente de PM (partículas) para evitar el daño en los álabes de la turbina de gas. Adicionalmente, ya que un gasificador de biomasa típico produce biogás de baja energía el compresor debe dimensionarse para manejar alrededor de un 10 % más de caudal que el compresor de aire. Adicionalmente, el ratio aire-combustible es más bajo para el biogás que para el gas natural, así que no se necesita todo el aire comprimido. Parte de este aire comprimido puede redirigirse para proporcionar energía a los compresores de aire para gasificadores directos presurizados o ayudar a comprimir el biogás en gasificadores atmosféricos. Sin la retirada del exceso de aire, la capacidad de la turbina se reducirá significativamente.

Las turbinas de gas diseñadas para un biogás de baja energía cuestan al menos un 50 % más que las turbinas de gas natural sobre una base de kW. Muchos fabricantes de turbinas de gas ofrecen productos de turbinas que operan con residuos de vertederos médium-Btu y gas del tratamiento de aguas residuales con unos costes de equipos que son ligeramente superiores a los de las turbinas de gas natural, asumiendo que el gas es tratado y limpiado apropiadamente.

Los costes de operación y mantenimiento se incrementarán en las turbinas de gas que usen biogás low y medio Btu debido a la necesidad de incrementar la limpieza y unos intervalos de mantenimiento más frecuentes.

En la figura que acompaña a este artículo se muestra una turbina de gas integrada en una instalación de gasificación de biomasa. Hay gasificadores de biomasa que producen syngas mediante el quemado simultáneo en plantas de ciclo combinado de gasificación de carbón. También hay gasificadores de biomasa construidos con la intención de integrarse con las turbinas de gas, el biogás también puede usarse como combustible suplementario.

Hay un gran número de turbinas de gas operando con gas médium-Btu producido en los vertederos, y en menor medida, en plantas de tratamiento de aguas residuales. En estas aplicaciones, se requiere gas para quitar siloxanos, cloruros, sulfuros, y humedad.

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