Tecnologías de producción de energía eléctrica en cogeneración (4ª PARTE)

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Motores de combustión interna recíprocos

Los motores de combustión interna recíprocos son una tecnología bien conocida. Tan solo en Norteamérica se producen más de 35 millones de unidades al año para automóviles, camiones, equipos de construcción y minería, propulsión marina, cortadoras de césped y una diversidad de aplicaciones. Una gran variedad de motores estacionarios están disponibles en un amplio rango de aplicaciones del mercado de generación y ciclos de generación de energía, incluyendo energía de emergencia y estacionaria, servicio para cargas picos, potencia para carga base e intermedia y cogeneración. Los motores de combustión interna están disponibles en tamaños que van desde unos pocos kW a más de 5 MW.

Hay dos tipos básicos de motores de combustión interna recíprocos – ignición por chispas (SI) e ignición por compresión (CI). Los motores SI para la generación de energía eléctrica usan gas natural como combustible preferido, aunque pueden configurarse para funcionar con propano, gasolina, biogás, o residuos de vertederos. Los motores de ignición por compresión (también llamados motores diesel) operan con combustible diesel o crudos pesados, o pueden también configurarse para funcionar en una configuración de combustible dual que quema primariamente gas natural o biogás con una pequeña cantidad de combustible diesel.

Un motor recíproco de biogás tiene un funcionamiento muy similar a las turbinas de gas a base de biogas:

• Se necesita gas de vertederos, digestor anaeróbico, o un gasificador de biomasa para producir el combustible de biogás para el motor.
• El motor debe filtrarse cuidadosamente mediante un filtro PM para evitar daños en el motor.
• El motor debe estar clasificado para quemar biogás low-Btu en vez de gas natural.
• El motor requerirá modificaciones para acomodarse a caudales altos o impurezas.

Sin embargo, las modificaciones requeridas para los motores recíprocos se alcanzan más fácilmente. En la mayoría de los casos, se requieren más dispositivos de filtración y conexión que los requeridos para acomodar gases médium-Btu tales como los gases de vertederos y digestores, lo cual añade entre un 5 y un 15 % más al coste del motor de gas natural.  Adicionalmente, el vapor calorífico es inferior por lo que con biogás obtendremos un 15 % menos de rendimiento comparado con motor de gas, además de incrementar el coste del equipo total sobre una base por kW. Los asuntos de mantenimiento asociados con el uso de biogás en motores recíprocos incluyen un desgaste y rotura incrementados, más limpieza, y hasta 8 veces más frecuente el cambio de aceite. Los costes de operación y mantenimiento para un motor de biogás son aproximadamente un 60 – 70 % superiores a los motores de gas natural.

La recuperación de calor de los motores IC recíprocos es más compleja, pero más flexibles que en las turbinas de gas. El calor no solamente puede recuperarse a partir de los gases de escape, sino también del agua bajo camisa y el aceite del motor. La fuente de calor son los gases de escape, a temperaturas que van de 315 y 649 ºC. Dependiendo del diseño, pueden recuperarse entre 1.000 y 2.200 Btu de los gases de escape por kW de la energía del eje del motor. El agua de la camisa deja el motor a alrededor de 93 ºC. Hasta 4.000 Btu/kWh pueden recuperarse del agua de la camisa, dependiendo del diseño del sistema, pero es más típico 2.500 Btu/kW

Si la demanda de calor es menor que la producida por los sistemas CHP, parte del agua de la camisa se desvía al intercambiador de calor de excedentes, donde el calor es evacuado a la atmósfera. Después de moverse a través de los intercambiadores de calor, el agua de la camisa es bombeada a través del intercambiador de calor del enfriador de aceite (ligeramente calentando el agua de la camisa) y volviendo al motor. En un circuito separado, el aceite se bombea a un enfriador.

Operan un amplio rango de combustibles líquidos y combustibles gaseosos pero no sólidos. La potencia de un eje recíproco produce electricidad a través de un generador o impulsar las cargas directamente.

Las características técnicas de esta tecnología son las siguientes:

• Tamaño. Menos de 5 MW
• Combustible. Biogás.
• Preparación de combustible. Se necesita filtro PM
• Sensibilidad a la humedad del combustible. Si
• Eficiencia eléctrica (cálculo basado en el valor calorífico más alto (higher heating value o HHV) del combustible. Entre el 22 y el 45 %
• Ratio arranque-parada. Amplio rango, responde en unos segundos.
• Cuestiones de operación. Arranque rápido, buen seguimiento de carga. Debe refrigerarse cuando no se usa el calor CHP, infraestructura de mantenimiento fácilmente disponible.
• Experiencia de campo. Extensa.
• Estatus de comercialización.
• Coste instalado (como sistema CHP). $800 a $1500/kW
• Costes de operación y mantenimiento. 0,008 a 0,025 $/kWh

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