Jordi Ortiga_Universidad Rovira i Virgili - Cogeneración aplicada a sistemas DHC

LA COGENERACIN Y MICROCOGENERACIN COMO MEDIDA DE ALTO POTENCIAL PARA LA REDUCCIN DEL CONSUMO DE ENERGA Jordi Ortiga CREVER Universitat Rovira i Virgili

Murcia 7 y 8 de Abril

COGENERACIN ELECTRICIDAD Y CALOR Cogeneracin: Produccin de potencia mecnica (o electricidad) y energa trmica mediante un proceso integrado utilizando la misma fuente energtica.Electricidad Combustible Calor

Sistema de cogeneracin: equipos que suministran la demanda de potencia y energa trmica demandad por el usuario (CHP , Combined Heat and Power) Motores alternativos de combustin interna (MACI)Electricidad Combustible Agua 90C Gases 400C

Eficiencia elctrica 28 44%

< 1MW pequea escala < 500kW mini < 20 kW micro

Coste total durante la vida tilCoste inversin Mantenimiento Combustible

Turbinas de gas (TG) o microturbinas (MTG)Electricidad Combustible Gases 600C

Eficiencia elctrica 25 30%

ENERGYCITY Conferencia Internacional sobre planes energticos sostenibles Murcia 7 y 8 de Abril

MOTIVOS PARA LA COGENERACIN?

Requisitos para la cogeneracin - Elevada demanda trmica - Sistema centralizado de calefaccin y refrigeracin - Mnima distancia a la interconexin elctrica - Elevada utilizacin - Refrigeracin del ciclo con agua - Espacios suficientes para la central - Capacidad de financiacin Si tambin se pretende suministrar la demanda elctrica: - Elevada demanda elctrica y trmica - Coincidencia entre demanda trmica y elctrica

Beneficios de la cogeneracin - Bajos costes energticos - Reduccin del consumo de energa - Menores emisiones especficas - Mejora de la calidad del suministro elctrico - Back up energtico solvente - Reduccin de los costes de operacin - Gestin de la demanda

El primer paso para reducir el consumo de energa es actuar primero sobre la propia demanda para reducirla antes de implementar otras medidas como la cogeneracin


DISTRIBUCIN DE COGENERACIN Potencia instalada 2009

Distribucin segn potencia instalada (6 265 MW) 2009

Distribucin segn nmero de instalaciones (695) 2009

14 Instalaciones con tamao inferior a 50 kW


PERFILES DE DEMANDA ENERGTICA TPICOS - OFICINAS

Oficinas Grande (Madrid) 900.0 800.0 700.0 600.0 500.0 400.0 300.0 200.0 100.0 0.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Oficinas Mediano (Madrid) 180.0 160.0 140.0 120.0 100.0 80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Cal. 15 Ene Ref. 15 Ene Ref. 15 Jun. ACS 15 Ene. Cal. 15 Ene Ref. 15 Ene Ref. 15 Jun. ACS 15 Ene.

Edificio oficinas grande Localidad: Madrid Plantas: 13 Superficie total: 12 730 m2 Edificio oficinas mediano Localidad: Madrid Plantas: 3 Superficie total: 3 500 m2


PERFILES DE DEMANDA ENERGTICA TPICOS - VIVIENDAS

Edificio viviendas mediano (Zaragoza) 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Cal. 15 Ene Ref. 15 Ago ACS 15 Ene. 50 0 150 100 250 200 350 300

Edificio viviendas grande (Zaragoza)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Cal. 15 Ene Ref. 15 Ago ACS 15 Ene.

Edificio viviendas mediano Localidad: Zaragoza Plantas: 6 Viviendas: 18 Superficie total: 1 560 m2

Edificio viviendas grande Localidad: Zaragoza Plantas: 10 Viviendas: 60 ~ 100 m2 Superficie total: 8 364 m2


PERFILES DE DEMANDA ENERGTICA TPICOS - HOTELES

Hotel mediano (Barcelona) 140.0 120.0 100.0 80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Cal. 15 Ene Ref. 15 Ene Ref. 15 Jun. ACS 15 Ene. 700.0 600.0 500.0 400.0 300.0 200.0 100.0 0.0

Hotel grande (Barcelona)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Cal. 15 Ene Ref. 15 Ene Ref. 15 Jun. ACS 15 Ene.

Hotel mediano Localidad: Barcelona Plantas: 6 Habitaciones: 70 Superficie total: 2 800 m2

Hotel grande Localidad: Barcelona Plantas: 30 Habitaciones: 300 Superficie total: 21 734 m2


PERFILES DE DEMANDA ENERGTICA TPICOS

Casa Unifamiliar (Barcelona) 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 500.0 0.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Cal. 15 Ene Ref. 15 Jul ACS 15 Ene. 0.0 4000.0 3500.0 3000.0 2500.0 2000.0 1500.0 1000.0

Centro Comercial (Madrid)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 1415 16 17 1819 20 2122 23 Cal. 15 Ene Ref. 15 Ene Ref. 15 Jun. ACS 15 Ene.

Casa unifamiliar Localidad: Barcelona Plantas: 1 Viviendas: 1 Superficie total: 160 m2

Centro comercial Localidad: Madrid Plantas: 6 Superficie total: 90 000 m2

! Sector terciario: importante demanda de refrigeracinHospitales, piscinas municipales tienen mayor demanda de calor (y ms constante)ENERGYCITY Conferencia Internacional sobre planes energticos sostenibles Murcia 7 y 8 de Abril

PRODUCCIN DE FRO Tecnologas de produccin de fro: produccin simultanea de ms de dos vectores energticos mediante un proceso integrado, formado por varios procesos donde las salidas de un proceso son las entradas de procesos sucesivos, constituyendo el sistema de suministro energtico.Fro Electricidad Calor a disipar

Enfriadora elctrica por compresin COP = 2.5 - 5.5 Coste = 90-115 /kW

Enfriadora trmica por absorcinRendimiento (COP)

SE COP = 0.55 - 0.75 Coste = 100 - 150 /kW DE COP = 0.90 - 1.30 Coste = 130 - 250 /kW

Absorcin Doble Efecto (DE)

Absorcin Simple Efecto (SE)

Temperatura de activacin (C) ENERGYCITY Conferencia Internacional sobre planes energticos sostenibles Murcia 7 y 8 de Abril

POLIGENERACIN I REDES DE DISTRITO Polygeneracin: produccin simultanea de ms de dos vectores energticos mediante un proceso integrado, formado por varios procesos donde las salidas de un proceso son las entradas de procesos sucesivos, constituyendo el sistema de suministro energtico.Electricidad

Electricidad Combustible Agua 90C Gases 400C Agua o vapor

Agua fra

Agua fra

DHC: Las redes de calor y fro (District Heating and Cooling) permiten conectar a distintos usuarios a una red de distribucin de agua caliente y agua fra para suministrar las demandas de calefaccin, agua caliente sanitaria y refrigeracin de los usuarios.


VENTAJAS COGENERACIN - POLIGENERACIN

Produccin remota de electricidad

2.4 MWh Gas Natural 2.9 MWh

0.2 MWh

Fro 0.55 MWh

0.5 MWh

Calor 0.45 MWh

Ahorro energa y emisiones: 24%Electricidad 1 MWh Gas Natural 2.2 MWh

CONVENCIONAL

Electricidad 1.2 MWh

Electricidad 1 MWh

Calor 0.45 MWh Gases escape 0.45 MWh Fro 0.55 MWh

Toda la energa se produce localmente


POLIGENERACIN

SISTEMA DE COGENERACINUsuario Usuario

Sistema convencional- Caldera - Enfriadora elctrica

Sistema cogeneracin- Caldera - MACI/MTG + Caldera recuperacin - Enfriadora elctrica

Ejemplo de cobertura con MACI/MTGRed elctrica Cogeneracin (puede incluir caldera de recuperacin) Caldera gas natural Demanda electricidad Demanda calor Demanda fro Enfriadora elctrica Enfriadora trmica


SISTEMA DE TRIGENERACIN O POLIGENERACIN

Usuarios

Usuario

Sistema convencional- Caldera - Enfriadora elctrica

Sistema trigeneracin o poligeneracin- Caldera - MACI/MTG + Caldera recuperacin - Enfriadora trmica - Enfriadora elctricaRed elctrica Cogeneracin (puede incluir caldera de recuperacin) Caldera gas natural Demanda electricidad Demanda calor Demanda fro Enfriadora elctrica Enfriadora trmica

Ejemplo de cobertura con MACI/MTG + Enfriadora trmica


SISTEMA DE POLIGENERACIN CON RED DE DISTRITO

Usuarios

Red elctrica

La falta de liquidez generalizada y la dificultad para acceder a un crdito barato abren la puerta a la externalizacin del servicio a travs de las Compaas de Servicios Energticos (ESCO) - Equipos ms grandes, mayor eficiencia - Costes de inversin unitarios inferiores - Se suministra la demanda energtica de varios usuarios: demanda ms estable.Planta de poligeneracin

Cogeneracin (puede incluir caldera de recuperacin) Caldera gas natural Enfriadora elctrica Enfriadora trmica Bombeo para el DHC

Demanda electricidad Demanda calor Demanda fro

Facturacin usuarios conectados al DHC - Cuota fija (conexin) /mes - Trmino variable /kWhUsuarios DHC


MICROCOGENERACIN EN HOTEL A QUINTA DA AGUA

Hotel Spa A Quinta da Agua ****, Santiago de Compostela Ao construccin: 1999 Hotel 47 habitaciones Demanda: 266 000 kWh Instalacin de dos motores de cogeneracin de 5.5 kWe y 12.5 kWt cada uno Coste aproximado de cada motor 20 000 24 000

Estimacin costes de operacin y emisiones Sistema convencional con calderas 11 334 /ao 59 tCO2/ao Calderas + Solar trmica 50 m2 9 425 /ao 41 tCO2/ao Microcogeneracin + Solar trmica 15 m2 6 251 /ao 16 tCO2/ao Respecto al sistema convencional: - Reduccin costes: -45% - Reduccin emisiones: -73% Retorno inversin al aadir los motores, considerando ahorro respecto a sistema convencional: 9 aos (aproximadamente)

! Coste elevado sistema cogeneracin, descontar sistema convencionalENERGYCITY Conferencia Internacional sobre planes energticos sostenibles Murcia 7 y 8 de Abril

PROYECTO TRIGENERACIN EDIFICIO PBLICO

Equipos analizados: Microturbina de gas 30 kWe 55 kWt 45 000 Microturbina de gas 60 kWe 110 kWt 74 000 Motor cogeneracin 48 kWe 79 kWt 80 000 Motor cogeneracin 67 kWe 109 kWt 91 000 Sistema de refrigeracin por absorcin 162 /kWf Sistema de refrigeracin por compresin 160 /kWf Mejores configuraciones MACI 67 kWe + ABS 110 kWf + COMP 50 kWf + Acumulacin 8 m3 Retorno = 10 aos MACI 60 kWe + ABS 110 kWf + COMP 50 kWf + Acumulacin 8 m3 Retorno = 11.5 aos

! Alta variabilidad en la demanda energtica, mucha demanda de froENERGYCITY Conferencia Internacional sobre planes energticos sostenibles Murcia 7 y 8 de Abril

PROYECTO TRIGENERACIN HOTEL DORADA PALACE

Hotel Dorada Palace ****, Salou (Tarragona) Hotel 245 habitaciones (25 m2) Aparthotel 100 apartamentos (37 m2) Demanda elctrica: 1 690 196 kWh/ao Demanda trmica: 719 350 kWh/ao Costes actuales: 127 000 /ao Estudio de viabilidad de un sistema de trigeneracin formado por: - Microturbinas de gas 100 kWe y 160 kWt - Equipo de refrigeracin por absorcin COP = 1.15 y 191 kWf Se evaluaron varias configuraciones utilizando 3, 2 y 1 microturbina: Costes de inversin: - 495 000 (3 MTG+3 ABS) - 335 000 (2 MTG+3 ABS) - 175 000 (1 MTG+1 ABS) Costes de operacin 55 660 /ao 61 240 /ao 82 386 /ao Periodo retorno nueva planta(*) 6.3 5.0 3.7

* Descontando el coste de los equipos que son sustituidosENERGYCITY Conferencia Internacional sobre planes energticos sostenibles Murcia 7 y 8 de Abril

RENTABILIDAD - ESCALA

Es muy importante un estudio previo de la viabilidad econmica del proyecto considerando tanto la demanda como su distribucin

PLANTA DE POLIGENERACIN EN CERDANYOLA DEL VALLES


PLANTA DE POLIGENERACIN EN CERDANYOLA DEL VALLES 3 MACI Jenbacher JMS 620 de 3354 kWe y 3102 kWt 1 Caldera gas natural de 5000 kW trmicos 1 Enfriadora trmica DE de 5000 kW de fro 1 Enfriadora trmica SE de 3275 kW de fro 1 Enfriadora elctrica de 5000 kW de fro 1 Tanque de acumulacin de agua fra de 4000 m3 1 Torre de refrigeracin de 22000 kWST4

Estn previstas varias ampliaciones de la planta a medida que la demanda energtica se incremente - Coste aproximado: 18 000 000 - Periodo de retorno estimado: 7 aos - Reduccin de consumo de energa primaria y emisiones de CO2 = 27%

DHC

Gas Natural Electricidad Gases de escape Agua caliente Agua fra


OTROS USOS: COGENERACIN EN DEPURADORAS

Permiten dar una salida a los lodos producidos en la depuradora


OTROS USOS: COGENERACIN EN VERTEDEROS


OTROS USOS: GASIFICACIN DE BIOMASA


OTROS USOS: GASIFICACIN DE BIOMASA

Plantas de gasificacin con produccin de electricidad, calor y/o fro Gasificador para 1000 kg/h Motor de cogeneracin 1200 kWe 1290 kWt Inversin aproximada 6 000 000 Beneficios esperados 400 000 800 000 /ao Tiempo de retorno: 7.5 15 aos Gasificador para 1800 kg/h Motor de cogeneracin 1500 kWe 1830 kWt Inversin aproximada 6 800 000 Beneficios esperados 480 000 980 000 /ao Tiempo de retorno: 7.0 14 aos


CONCLUSIONESEscala del sistema de cogeneracin: a menor tamao, menor eficiencia y mayores costes de inversin por kWe instalado. Los sistemas de cogeneracin y minicogeneracin suelen ser rentables con periodos tpicos de retorno de inversin alredor de 6 aos. Los sistemas de microcogeneracin deben ser evaluados cuidadosamente. Valores tpicos de ahorro de energa primaria: 10 25 % Es muy importante la caracterizacin de la demanda energtica para realizar un estudio preliminar de viabilidad econmica del sistema de cogeneracin. En el caso de demandas energticas con una alta variabilidad, resulta conveniente la instalacin de sistemas de acumulacin. En la evaluacin ambiental, los sistemas de cogeneracin, trigeneracin o poligeneracin compiten con la red elctrica. Es decir, el ahorro se calcula respecto a un escenario convencional. A medida que aumenta la eficiencia de la red elctrica (incorporacin de renovables) disminuye el ahorro obtenido. Estos factores motivan la bsqueda constante de nuevos sistemas de cogeneracin o poligeneracin con mayor eficiencia. Con las plantas de poligeneracin conectadas a redes de distrito se obtienen importantes reducciones de consumo de energa primaria y emisiones de CO2. La rentabilidad de estas plantas suele ser alta. La gasificacin de biomasa tanto de residuos forestales como de residuos urbanos se empieza a considerar como una alternativa interesante a los combustibles fsiles.ENERGYCITY Conferencia Internacional sobre planes energticos sostenibles Murcia 7 y 8 de Abril

Referencias www.gepower.com www.capstoneturbine.com www.carrier.es www.thermaxindia.com Sanjose Tecnocontrol Lonjas Tecnologia IDEA MITyC Guascor EQTEQ SERTEC Generacin elctrica distribuida, manual de diseo Estudio comparativo de una instalacin de trigeneracin con microturbina de gas y un sistema convencional con bomba de calor en un complejo hotelero Techno-economic Viability of a Microtrigeneration System Integrated in a Low Energy Demand Public Building

Documents

Jordi Ortiga_Universidad Rovira i Virgili - Cogeneración aplicada a sistemas DHC