Tecnologías de producción de energía eléctrica en cogeneración (3ª PARTE)

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Microturbinas

Las microturbinas son turbinas de gas pequeñas que queman combustibles gaseosos y combustibles líquidos para crear energía mecánica que hace girar un generador eléctrico u otras cargas. La tecnología de microturbina es el resultado del trabajo de desarrollo de turbinas de gas de automoción y estacionarias, equipamiento de energía eléctrica auxiliar, y turbocargadores. Las microturbinas empezaron a ensayarse en 1997 y en 1999 empezó su lanzamiento comercial.

El rango de tamaño de las microturbinas, ya sea las comercialmente disponibles o en desarrollo va de 30 a 250 kW. Como las grandes turbinas de gas, puede usarse solamente para generar energía eléctrica o en sistemas CHP. Son capaces de operar usando una amplia cantidad de combustibles, incluyendo gas natural; gases acres (alto contenido en azufre); gases de biogás y medium-Btu (cantidad de energía media), tales como gases de digestores y LFG (gas de vertederos) y gas de digestores; biocombustibles; y combustibles líquidos tales como gasolina, queroseno, y combustible diesel.

Las microturbinas generalmente tienen una eficiencia eléctrica inferior a la de los generadores de motores recíprocos de menor tamaño y a la de las turbinas de gas más grandes. Sin embargo, debido a la simplicidad de su diseño y relativamente pocas partes móviles, las microturbinas ofrecen el potencial de un mantenimiento reducido comparado con los motores recíprocos.

Las microturbinas usualmente tienen un intercambiador de calor de recuperación de calor interno llamado recuperador. En las microturbinas típicas, el aire de admisión es comprimido en un compresor radial y luego precalentado en el recuperador usando calor de la salida de la turbina. El aire caliente del recuperador se mezcla con el combustible en la cámara de combustión y entra en ignición. El gas de combustión caliente luego se expande en una o más secciones de la turbina, produciendo energía mecánica rotatoria para impulsar el compresor y el generador eléctrico. En un modelo de eje simple, la turbina de expansión gira tanto en el compresor como en el generador. En los modelos de dos ejes se usa una turbina para impulsar el compresor y una segunda turbina para impulsar el generador, con los gases de escape desde la turbina del compresor dando energía a la turbina del generador. Los gases de escape de la turbina de potencia se usa en el recuperador para precalentar el aire del compresor.

Componentes de una microturbina

El corazón de una microturbina es el paquete turbina-compresor, que se monta comúnmente en un eje simple junto al generador eléctrico. Debido a que el eje de la turbina rota a muy alta velocidad, la producción eléctrica del generador debe procesarse para proporcionar la frecuencia estándar 50/60 Hz.

Un eje simple queda soportado por dos rodamientos (o más) de alta velocidad. Debido a que las turbinas de eje simple tienen sólo una parte móvil, tienen el potencial de un bajo mantenimiento y alta fiabilidad. Hay también versiones de microturbinas de dos ejes, en las que la turbina en el primer eje solamente acciona al compresor mientras que la turbina de potencia en un segundo eje acciona una caja de engranajes y generador eléctrico convencional. El diseño de dos ejes tiene más partes móviles pero no requiere electrónica de potencia sofisticada para convertir la corriente alterna de alta frecuencia en energía utilizable AC.

Las microturbinas requieren combustible gaseoso que se suministra en un rango de presiones que va de 64 a 100 psig, o superiores. Los compresores rotativos de paletas, scroll y de tornillo se usan para aumentar la presión necesaria por las microturbinas. Sin embargo, esto reduce la eficiencia del sistema.

En operación CHP, un segundo intercambiador de calor de recuperación de calor – intercambiador de calor de gases de escape – puede usarse para transferir la energía restante de los gases de escape de la microturbina a un sistema de agua caliente. Las microturbinas recuperadas tienen una temperatura en los gases de escape inferior que en las turbinas de ciclo simple; sin embargo, el calor de los gases de escape a baja temperatura puede usarse para una gran variedad de diferentes aplicaciones, incluyendo calentamiento de procesos o espacio, calentamiento de agua potable, alimentación de energía para enfriadoras por absorción, o equipo deshumidificador desecantes de regeneración. Algunas aplicaciones CHP basadas en microturbinas tienen la capacidad de usar un bypass en su recuperador para ajustar su ratio térmico-a-eléctrico o no usar el recuperador. La temperatura de los gases de escape de estas microturbinas es mucho más alta (649 ºC) y así hay mucho calor disponible para recuperación.

Las microturbinas han demostrado que pueden manejar residuo de vertederos y gas de tratamiento de aguas residuales, y en algunos casos biogás con bajo poder calorífico. No se necesitan modificaciones salvo la energía para comprimir el gas. Hay una pequeña reducción de potencia (10 – 15 %) cuando funcionan con gas de vertedero o digestor. Con ambos factores considerados, se espera un incremento del precio del 15 – 20 % en el precio por kW cuando se trabaja con gas de vertederos o digestor respecto al uso con gas natural. Los costes de mantenimiento se incrementan también en un 30 – 40 % debido a unos intervalos de mantenimiento más cortos.

Las características técnicas de estas tecnologías son las siguientes:

           Tamaño. Entre 500 kW y 40 MW. Las microturbinas entre 30 kW y 250 kW
      Combustible. Biogás.
Preparación de combustible. Filtro PM (partículas).
Sensibilidad a la humedad del combustible. Si.
Eficiencia eléctrica (cálculo basado en el valor calorífico más alto (higher heating value o HHV) del combustible. 22 a 36 % en las turbinas de gas y 22 a 30 % en las microturbinas.
 Ratio arranque-parada. Buena respuesta rápida.
Cuestiones de operación. Altamente fiable, alto grado de calor disponible, no se requiere refrigeración, se requiere un compresor de gas e infraestructura de mantenimiento.
Experiencia de campo. Extensa.
Estatus de comercialización. Numerosos modelos disponibles, aunque en las microturbinas la disponibilidad es menor.
Coste instalado (como sistema CHP). Entre $700 y $2000/kW. En las microturbinas entre $1100 y $2000/kW.
Costes de operación y mantenimiento. Entre 0,006 y 0,011 $/kWh.

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