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Micro-Trigeneración: Investigación y desarrollo de soluciones energéticas integrales para pequeños consumidores

DEPARTAMENTO DE DISTRIBUCIÓN Y NUEVO NEGOCIO

Micro-Trigeneración: Investigación y Desarrollo de

Soluciones Energéticas Integrales para Pequeños Consumidores

CDTs Participantes:

PROYECTO COFINANCIADO POR LA COMUNIDAD DE MADRID Y LA UNIÓN EUROPEA

ESTE DOCUMENTO ES PROPIEDAD DE BESEL, S.A. QUEDANDO PROHIBIDA SU

REPRODUCCIÓN SIN AUTORIZACIÓN.



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ÍNDICE

1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 3

1.1 Cogeneración .................................................................................................... 5

1.2 Climatización por absorción............................................................................ 6

1.3 Energía solar térmica ....................................................................................... 6

2 PROYECTO DE MICROTRIGENERACIÓN EN EL CENTRO EUROPEO DE EMPRESAS E INNOVACIÓN (CEEI)................................................................................ 6

2.1 Introducción ...................................................................................................... 6

2.2 Características técnicas y funcionales del proyecto .................................... 6

2.3 Tecnología empleada ....................................................................................... 6

2.3.1 Mini- y micro-cogeneración. Dachs HKA-G ................................................ 6

2.3.2 Máquina de Absorción. ClimateWell™ DB220............................................ 6

2.3.3 Otros Equipos ............................................................................................. 6

2.3.4 Sistema de Monitorización y Control........................................................... 6

2.4 Análisis de Costes ............................................................................................ 6

2.5 Conclusiones relevantes.................................................................................. 6



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1 INTRODUCCIÓN

La climatización1 es un consumidor de energía de primer orden en países de latitudes medias como España. Tradicionalmente la mayor parte de este consumo se debía a los sistemas de calefacción para la temporada fría, que comprende entre 4 y 6 meses al año. Esta demanda al requerir directamente calor obtiene la energía necesaria fundamentalmente de la combustión de combustibles fósiles: carbón, gasóleos y gas natural. Por otro lado en las últimas décadas, el despegue económico y el consiguiente aumento del nivel de vida de los consumidores han hecho significativa la demanda de refrigeración (aire acondicionado) en la temporada cálida (3-4 meses). El aire acondicionado se ha generalizado en los grandes edificios públicos y centros de trabajo y va camino de convertirse en un servicio generalizado en los hogares.

La práctica totalidad de los sistemas de refrigeración que se utilizan tanto en España como en la Unión Europea, emplean ciclos de compresión mecánica de vapor alimentados con motores eléctricos conectados a red.

La climatización provoca un considerable impacto ambiental, fundamentalmente el asociado con la emisión de gases de efecto invernadero consecuencia del consumo de combustibles fósiles, pero también el relacionado con las sustancias empleadas como refrigerantes. A muy corto plazo el fuerte crecimiento de esta actividad plantea un importante desafío a los compromisos adquiridos por muchos países en el protocolo de Kyoto.

Otro factor a considerar cuando se evalúan las consecuencias de la climatización son los efectos sobre los sistemas de producción y distribución de electricidad. A pesar de la alta eficiencia de los equipos de compresión mecánica para refrigeración, la potencia total requerida y su concentración en ciertas franjas horarias plantea ya importantes problemas de capacidad y regulación en el sistema eléctrico de muchos países. Esto repercute en la estabilidad del suministro y hace precisas fuertes inversiones que acaban afectando al precio de la electricidad, especialmente en horas punta.

La conclusión sería que si bien se climatiza con soluciones técnicamente muy satisfactorias y más que probadas, parece el momento de ir más allá y dar nuevos pasos en eficiencia energética y respeto al medio ambiente, aprovechando las oportunidades que se plantean. Los alicientes son, de forma muy resumida:

Ahorro económico y mejora de la balanza de pagos.

Aumento de la suficiencia energética / reducción de la dependencia.

1 Calefacción en invierno y aire acondicionado en verano.



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Cumplimiento de los compromisos ambientales ya adquiridos y futuros.

Racionalización del sistema energético y evolución hacia un modelo más sostenible.

Parece haber consenso en que los caminos más claros para lograr estos objetivos pasan por una mayor participación de las energías renovables, tanto para suministrar calor como electricidad, y por la introducción masiva de técnicas de refrigeración alimentadas por calor en lugar de por energía eléctrica. En esta segunda vía serán especialmente interesantes los sistemas capaces de emplear fuentes de calor de baja temperatura (<100°C), es decir capaces de aprovechar económicamente la energía solar térmica o calores residuales recuperados, de origen industrial o producidos en instalaciones de cogeneración.

En este contexto cabe finalmente resaltar que el segmento de mercado dónde los avances son más lentos es el de las pequeñas potencias, es decir aquel que cubre la demanda de los hogares, pequeños establecimientos comerciales y locales públicos. Este segmento de mercado va sin embargo en camino de convertirse en el más importante en cuanto a consumo de energía y es donde los incentivos para romper las barreras que impiden el desarrollo de soluciones más eficientes son más grandes

Las dos tecnologías aplicadas en este proyecto son la cogeneración (calor y electricidad) y el ciclo de absorción para la generación de frío.



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1.1 Cogeneración

La cogeneración se define como la producción simultánea de electricidad y calor útil (aprovechable) a partir de la energía primaria (química) de un combustible.

La generación de electricidad a partir de un combustible involucra siempre reacciones químicas que suelen ir acompañadas de una liberación de calor. El calor puede ser un paso intermedio necesario o un simple subproducto2. En cualquier caso la conversión de energía química en energía eléctrica no es completa, y esto es debido fundamentalmente a que hay una parte muy significativa de la energía que se pierde en forma de calor. En el mejor de los casos el 50% de la energía química del combustible queda disponible como electricidad. El resto es disipada al ambiente por el sistema de refrigeración del motor o equipo de potencia empleado y por los productos de la reacción.

A modo de ejemplo, en el caso de un grupo electrógeno Diesel de cada 100 unidades de energía contenidas en el Gas-Oil consumido, en torno a 35 se convertirían en electricidad, 40 serían transferidas como calor al ambiente por el radiador del agua de refrigeración y las restantes 25 acompañarían, también como calor, a los gases de escape. En definitiva se aprovechan 35 de cada 100 unidades de energía y las restantes 65 se tiran.

La necesidad de hacer un uso eficiente de las fuentes de energía, especialmente de los combustibles fósiles –un recurso escaso y cuya explotación va acompañada de fuertes emisiones contaminantes- da origen a la idea de aprovechar el calor producido en los procesos de generación eléctrica, esto es a la cogeneración3.

La recuperación de calor residual de la generación eléctrica requiere inversiones en equipamiento que es preciso amortizar con el ahorro que implica obtener esa energía extra. Es necesario garantizar un suficiente aprovechamiento del calor, y tener presente que el ritmo de recuperación de la inversión, y el posterior beneficio, serán proporcionales tanto a la cantidad de calor aprovechado como al valor económico del uso que se le vaya a dar.

El calor, al contrario que la electricidad, no es fácilmente transportable a grandes distancias, lo que implica que para aprovechar la cogeneración es preciso:

• Encontrar usos al calor en las proximidades de las centrales eléctricas.

2Sirvan de ejemplo, en el primer caso un motor de explosión, en el que se inflama un gas y se le hace empujar un pistón, y en el segundo una pila de combustible, en la cual la reacción química genera simultáneamente corriente eléctrica y calor.

3 Es conveniente hacer notar desde el principio que solo una parte del calor generado es recuperable, siempre se acaba disipando algo al ambiente.



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• Producir electricidad de forma descentralizada (en mayor o menor grado) cerca de consumidores importantes de calor.

Es bastante más usual la segunda opción, y más concretamente aplicada a grandes instalaciones industriales o comerciales. El perfil típico es el de una mediana o gran industria consumidora de electricidad y calor para sus procesos, o el de un gran edificio de trabajo (oficinas, hospitales, etc.) o de uso comercial. Se suele considerar que el retorno de las inversiones está garantizado en un plazo atractivo si existe demanda simultánea de electricidad y calor durante al menos 5.000 horas al año4.

La Figura 1 compara un suministro convencional de energía con el suministro en cogeneración. Se pueden esperar ahorros de consumo en términos de energía primaria que oscilan entre el 30 y el 40%, que implican ahorros equivalentes en términos de emisiones contaminantes (CO, CO2, NOx, SOx, partículas, etc.). La valoración económica debe hacerse caso por caso, dado que depende de las condiciones de contorno de cada proyecto.

Figura 1: Comparación entre un suministro convencional de energía eléctrica y térmica a un edificio o industrial y un suministro con cogeneración.

La cogeneración puede contribuir de forma decisiva al aumento de la eficiencia energética global y la reducción de emisiones contaminantes. Se puede afirmar que a corto y medio plazo es la herramienta más adecuada para convertir el actual sistema energético en un sistema sostenible y mucho más racional, cumpliendo entre otros con los compromisos adquiridos con la firma del protocolo de Kyoto. Ello es debido a varios factores:

• La cogeneración es aplicable sobre casi cualquier planta actual de producción eléctrica, con lo cual la base de energía residual potencialmente recuperable es gigantesca (salvo excepciones superior al 20% de la producción eléctrica total del país) y los ahorros potenciales van en consonancia.

4 De un total de más de 8.700 h. Se parte de una relación entre los precios de la electricidad y el calor como la habitual en países industrializados.



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• Es una solución que, comparativamente, no presenta demasiada complejidad técnica ni requiere grandes inversiones (es rentable5):

• Solo requiere ligeras adaptaciones en las actuales plantas de potencia (motores, turbinas, etc.) y la integración de cierto equipamiento adicional.

• Los equipos necesarios están plenamente desarrollados y son competitivos (en coste, prestaciones y fiabilidad).

• Es aplicable a prácticamente todo el rango de potencias, desde pequeños equipos domésticos (<10 kW) a grandes centrales termoeléctricas (>1.000.000 kW).

• Al hacer más rentable la producción distribuida de electricidad favorece la descentralización energética. Las pérdidas en el transporte y distribución pueden alcanzar fácilmente el 10% de la producción en sistemas centralizados.

Los sistemas de cogeneración, muy difundidos en aplicaciones industriales y de gran tamaño, se han aplicado con éxito a pequeña escala sobre todo en edificios de carácter público, como residencias, hoteles, hospitales, centros de ocio, etc. Las plantas de potencia han sido tradicionalmente motores de combustión interna, si bien existen otras tecnologías (turbinas de gas, turbinas de vapor, motor stirling y pilas de combustible), que ofrecen características y ventajas cada vez más competitivas.

En el siguiente cuadro comparativo se observan las diferencias entre las distintas opciones.

Tipo de máquina térmica

Turbina de gas

Turbina de vapor

Motor de combustión

interna

Motor stirling

Pila de combustible

Potencia (kWe) >20 >20 >1 >1 >1

Rendimiento eléctrico 15 - 35% 10 - 40% 25 - 45% 25 - 50% 35 - 55%

Rendimiento térmico 40 - 59% 40 - 60% 40 - 60% 40 - 60% 40 - 60%

Rendimiento total 60 - 85% 60 - 85% 70 - 85% 70 - 90% 70 - 90%

Carga mínima (%) 75% 20% 50% 50% Sin límite

Disponibilidad 90 - 98% 99% 92 - 97% 92 - 97% >95%

Coste de instalación (€/kWe) 600 - 800 700 - 900 700 - 1400 > 2000 > 2500

Temperatura aprovechable 450 - 800ºC 100ºC* 300 - 600ºC 300 - 600ºC 250 - 550ºC

Combustible GN, GLP (de alta calidad) Todos

Gas, diesel, biocombus-

tiblesTodos H2

5 Frente a las energías renovables, prometedoras pero aún lejos de ser rentables.



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La elección entre una u otra está condicionada por el tipo de demanda energética de la aplicación. Si el consumo es principalmente eléctrico los motores de combustión interna y Stirling ofrecen mejores prestaciones (rendimiento superior), mientras que las turbinas de gas presentan muy buenas propiedades cuando la principal de las demandas es térmica.

La cogeneración se ha escalado con éxito a pequeñas instalaciones, de carácter doméstico o para pequeños comercios u oficinas. En los últimos años se ha pasado de la cogeneración a pequeña escala (<1000 kW) a la mini- y micro-cogeneración (<100 kW y <10 kW respectivamente). Han abierto el camino los motores a gas natural, derivados de unidades estacionarias y por tanto sobradamente fiables y competitivos. Numerosos fabricantes venden unidades compactas que integran el motor, acoplado al generador eléctrico y con todos los dispositivos de control precisos, y el sistema de recuperación de calor a través principalmente del agua del circuito de refrigeración.



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1.2 Climatización por absorción

Al igual que la compresión, la absorción se basa en la circulación cíclica de un fluido llamado refrigerante en unas determinadas condiciones de presión y temperatura, de forma que se aprovecha el calor latente de vaporización de dicho fluido para bombear calor del foco frío al caliente a través de un evaporador y un condensador. Para que este fenómeno se produzca, en ambos casos (compresión y absorción) debemos aportar una energía externa para poder variar cíclicamente las condiciones del fluido.

Mientras que en la compresión esta energía externa es de origen mecánico, mediante un compresor, en la absorción la energía que se aporta al sistema es de origen térmico.

Así, un equipo de absorción está compuesto por un evaporador, un condensador y un “compresor térmico”, formado por un generador de temperatura, un intercambiador y un absorbedor.

La Figura 2 muestra un esquema de una de estas máquinas, pudiendo apreciarse como el lugar del tradicional compresor mecánico lo ocupa un conjunto formado por dos intercambiadores de calor y masa (generador y absorbedor), un recuperador de calor, una bomba y una válvula de expansión.

Figura 2: Concepto de máquina de absorción de simple efecto y esquema de un modelo comercial (Trane).

El vapor de refrigerante a baja presión y temperatura procedente del evaporador (4) es absorbido exotérmicamente en el absorbedor por una disolución compuesta por el refrigerante y una o más sustancias que hacen de absorbentes (8). La disolución formada (5), rica en refrigerante, se bombea hasta el generador (6), que trabaja a la misma presión que el condensador, y allí aplicando energía en forma de calor, se recupera el vapor previamente absorbido (1). La disolución restante (7), pobre en refrigerante, cierra el ciclo retornando al absorbedor (8), mientras que el refrigerante lo hace recorriendo el condensador y el evaporador, de igual forma que en una máquina de compresión mecánica (1-2-3-4).



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La potencia consumida en la bomba es despreciable frente a la que se necesita en la compresión de un vapor, por el menor volumen específico de la disolución, pero a cambio es preciso un gran aporte de calor para extraer el refrigerante del líquido, puesto que media una evaporación. La máquina consume pues principalmente, energía en forma de calor, y por ello es común hacer referencia a las máquinas de absorción como máquinas frigoríficas con compresor térmico.

El recuperador de calor entre las dos corrientes de disolución no es un elemento imprescindible pero casi siempre se incluye. Al transferir calor sensible de la disolución pobre en refrigerante a la disolución rica en refrigerante, acerca a ambas a las condiciones de saturación necesarias para la absorción y la generación respectivamente, reduciendo la carga térmica del absorbedor y del generador y mejorando sustancialmente la eficiencia.

El ciclo descrito es el ciclo de absorción más sencillo, conocido como ciclo de simple efecto. Existen muchas variantes y evoluciones, generalmente ideadas para conseguir una mayor eficiencia o para superar al ciclo de simple efecto en alguna característica determinada. Las más destacadas son los ciclos de múltiple efecto, en los cuales se realizan varias separaciones de vapor a partir de un aporte inicial de calor externo, de forma que el CEE (Coeficiente de Eficiencia Energética) aumenta sustancialmente. La Figura 3 muestra una máquina de absorción de doble efecto con los generadores alimentados en paralelo: el vapor de refrigerante separado en el generador de alta condensa alimentando el generador de baja, separando por tanto una nueva cantidad de refrigerante de la disolución sin consumo adicional de calor externo. En las sucesivas generaciones de vapor de los ciclos de múltiple efecto se separa siempre menos vapor del que se condensa, con lo cual se tiene que CEEeDE<2·CEEeSE y que cada nuevo efecto en cascada aporta menos a la eficiencia que el anterior. La relación CEEc+a=CEEe+1 sigue siendo válida en ciclos de múltiple efecto.

Figura 3: Concepto de máquina de absorción de doble efecto y esquema de una unidad real (Yazaki).



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Los equipos de absorción funcionan con una solución compuesta por dos elementos fácilmente separables y miscibles entre ellos, de manera que uno es el refrigerante y el otro el absorbedor. En la práctica se utilizan básicamente dos tipos de soluciones, la primera de ellas preferentemente en aplicaciones de refrigeración y la segunda en climatización y bombas de calor en general:

• NH3–H2O: el agua actúa como absorbente y el amoniaco como refrigerante. El enfriamiento en el absorbedor y en el condensador es generalmente por aire. Estos equipos se utilizan para aplicaciones de refrigeración, con temperaturas de hasta –60ºC y como equipos de climatización de hasta 20 kW de potencia,

• H2O-BrLi: el bromuro de litio se utiliza como sustancia absorbente y el agua como refrigerante. Los equipos que utilizan esta solución se caracterizan por que el enfriamiento en absorbedor y condensador es por agua. Pueden producir frío de hasta 5ºC, y se utilizan principalmente para aire acondicionado.

Se dedican no obstante ingentes esfuerzos de investigación al desarrollo de esta tecnología con nuevos fluidos de trabajo que puedan resultar más convenientes que estos.

1.3 Energía solar térmica

Los sistemas de energía solar térmica aprovechan la energía solar que llega a la tierra convirtiendo directamente la radiación en calor. La conversión se realiza haciendo incidir los rayos solares sobre superficies metálicas con recubrimientos especialmente diseñados para absorber la radiación y no reflejarla o reemitirla. El calor generado en estas superficies se transfiere a un fluido adecuado tratando de minimizar las pérdidas y bien se emplea directamente, bien se almacena para posterior uso.

La temperatura a la cual se puede aprovechar el calor depende del tipo de colector empleado y de su calidad. A más temperatura mayor es la utilidad del calor y el beneficio que se puede obtener de él, pero también son mayores la sofisticación, la calidad y por tanto el precio del colector. Para aumentar la temperatura de servicio se comienza tratando de reducir las pérdidas ópticas y por transferencia de calor y cuando esto no es suficiente se comienzan a emplear sistemas cada vez mas elaborados de concentración de la radiación incidente (reflectores, refractores, etc). Es común por tanto hablar de instalaciones de energía solar térmica de baja, media y alta temperatura, si bien, como en muchos otros casos no hay acuerdo sobre dónde situar exactamente las fronteras entre unas y otras. La energía solar térmica de baja temperatura (digamos por debajo de 100ºC) es con diferencia la más empleada, fundamentalmente en los sectores doméstico y residencial para producir agua caliente sanitaria (ACS) y suministrar calefacción. Entre las aplicaciones de la energía solar térmica de alta temperatura destaca la producción de electricidad (a partir de 300ºC) con ciclos Rankine y Stirling.

La energía solar térmica, como otras fuentes renovables, contribuye a reducir la dependencia de los combustibles fósiles y favorece la descentralización energética, lo cual resulta muy interesante desde los puntos de vista estratégico y ambiental. Los sistemas de baja temperatura en concreto pueden ser otra importante ayuda para



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cumplir con las exigencias del protocolo de Kyoto: poseen una tecnología madura y rentable y el número de potenciales instalaciones es elevadísimo.

La energía solar térmica de baja temperatura es rentable desde hace tiempo para la producción de agua caliente sanitaria (a 40-45ºC) y está comenzando a serlo como sistema de apoyo en instalaciones convencionales de calefacción (por convectores o fan-coils, a 45ºC). Está última aplicación se está desarrollando sobre todo en países centroeuropeos como Austria y Alemania, donde existe necesidad de calefacción durante más meses al año que en la zona mediterránea y donde las ayudas estatales son significativas.

Figura 4: Concepto de instalación solar doméstica para calefacción y ACS y el habitual colector plano. (Viessmann)

En países como España el sector se centra en la producción de ACS. Los sistemas de calefacción exigen un mayor número de colectores, difíciles de ubicar y difíciles de amortizar trabajando solo los 4 o 5 meses que puede durar la temporada fría. Una solución que se contempla hace tiempo en nuestro país y otros con clima templado es la refrigeración con máquinas de absorción, que proporcionaría otros 3-4 meses de demanda al año y reduciría los tiempos de retorno de las inversiones.



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Figura 5: Concepto de instalación solar doméstica para climatización (calefacción y aire acondicionado) y ACS.

Los ciclos de absorción son un consumidor más exigente para los sistemas de energía solar térmica. Consumen calor a temperaturas por encima de 80ºC que los colectores más sencillos no pueden proporcionar con rendimientos aceptables. En la última década sin embargo se han desarrollado algunos tipos de colector de baja-media temperatura hasta el punto de poder ser competitivos en esta tarea. Se trata de colectores con aislamiento por vacío, y en ocasiones con leve concentración de la radiación incidente, pensados para rendir de forma satisfactoria en climas difíciles, es decir con niveles de radiación bajos y ambientes fríos. Conocidos desde hace tiempo es ahora cuando alcanzan prestaciones y calidades excelentes y cuando la elevada producción empieza a hacerlos competitivos como alternativa a los diseños más sencillos.

Figura 6: Colectores solares de tubos de vacío. Izqda.: convencional, Dcha.: Heat Pipe. (Viessmann)



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2 PROYECTO DE MICROTRIGENERACIÓN EN EL CENTRO EUROPEO DE EMPRESAS E INNOVACIÓN (CEEI)

2.1 Introducción

El objetivo general del proyecto residía en instalar un sistema integrado de micro-trigeneración para pequeños consumidores (pequeñas empresas e industrias) que, siendo altamente eficiente (ahorros energéticos de hasta el 40%) y poco contaminante en su operación (disminución de emisiones de CO2 entorno a un 40%), resultara viable económicamente (ahorro aproximado de 1000 €/año).

Se pretendía que un único sistema suministrara al usuario electricidad, calefacción en invierno, aire acondicionado en verano y agua caliente sanitaria todo el año. Para ello se combinaron las siguientes tecnologías:

• Un equipo compacto de cogeneración basado en motor de gas natural, que producirá electricidad y calor residual aprovechable. La producción eléctrica se hizo en conexión con la red, que absorbe energía cuando sea producida en exceso y la cede cuando hay un déficit.

• Una nueva tecnología de climatización con almacenamiento integrado de energía, basada en la absorción, que suministra calor, aire acondicionado y agua caliente sanitaria. La capacidad frigorífica máxima del equipo era de tan solo 10 kW, pudiendo trabajar eficientemente a potencias inferiores.

Figura 7.-Esquema de un Sistema Convencional



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Figura 8.-Esquema de un Sistema de Trigeneración

Este proyecto se ubica en el edificio de administración y usos comunes del Centro Europeo de Empresas e Innovación (CEEI) en el Parque Tecnológico de Boecillo (Valladolid). Esta instalación trabaja en condiciones reales sirviendo las demandas de parte del edificio en sustitución del sistema convencional, menos eficiente y más contaminante.

2.2 Características técnicas y funcionales del proyecto

Como se ha comentado, el proyecto pretende conseguir un producto fácil de integrar que suministre a pequeños usuarios los servicios de climatización y agua caliente durante todo el año, a la vez que cubre parte de su suministro eléctrico.



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Figura 9.- Esquema básico de la instalación a poner en marcha.



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Figura 10.- Esquema básico de la instalación a poner en marcha.

La instalación a desarrollar seguiría un esquema como el mostrado en la Figura 10. Se recogen también otra posibilidad que se implantó y que dota de mayor versatilidad a la instalación, esto es, el uso de una unidad compacta de micro-trigeneración como fuente de calor y el uso de energía solar térmica (alternadamente).

Aunque el objetivo primordial del proyecto era estudiar una instalación de trigeneración, se probó también exitosamente la máquina de absorción con energía solar térmica. Sus peculiares características la hacen ideal para esta combinación, a priori muy ventajosa pero que hasta este proyecto, aún no había demostrado una competitividad razonable. El equipo elegido puede trabajar con colectores planos, más baratos y fiables que los habitualmente empleados para esta aplicación (colectores de vacío y/o con concentración), y puede almacenar energía internamente y de forma eficiente, lo cual ahorra espacio y coste y contribuye a lograr una alta eficiencia.



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2.3 Tecnología empleada

2.3.1 Mini- y micro-cogeneración. Dachs HKA-G

Tal y como se ha comentado en apartados anteriores, la cogeneración o producción simultánea de electricidad y calor es una técnica sobradamente conocida y extendida para mejorar la eficiencia (rendimientos del 85%) y el ahorro energético. Se suele emplear el término micro-cogeneración para sistemas de carácter doméstico (hasta 5 kW p.e.) y el término mini-cogeneración para los sistemas algo mayores dirigidos a instalaciones de mayor entidad como bloques de apartamentos, pequeños hoteles, comercios, etc.

Los motores a gas natural son motores de ciclo Otto, es decir similares a los motores de gasolina para transporte. El uso de un combustible con bajo contenido en carbono mejora sustancialmente las emisiones contaminantes, haciendo más limpia la operación del motor, se mantienen bajo control las emisiones incorporando catalizadores de oxidación o de tres vías, cumpliendo sobradamente con las normativas vigentes. Como planta de potencia para la producción de energía eléctrica y para la industria, el motor a gas se comercializa en tamaños que van de unos pocos kW a varios MW. Se trata de unidades muy flexibles y fiables (mas de 80.000 horas de vida con mantenimiento cada varios miles) y relativamente baratas. Es un equipo completo, compacto, de reducidas dimensiones, bien aislado y refrigerado, fácil de instalar y poner en funcionamiento y con un acceso fácil a los componentes críticos para simplificar el mantenimiento y las eventuales reparaciones.

Figura 11.- Equipo compacto de micro-cogeneración con motor a gas Senertec.



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A continuación de presentan las principales características del motor instalado, un motor DACHS de 5.5kW eléctricos del fabricante Senertec

Datos técnicos: DACHS HKA-G

Eléctrica (kW) 5,5 constante

Térmica (kW) 12,5Entrada Combustible (kW) 20,5

Eléctrica (%) 27

Térmica (%) 61

Total (%) 88

Combustible Gas Natural

Intervalos de mantenimiento 3.500h

Vida operativa > 80.000h

Max. Salida ºC 83

Max. Entrada ºC 70

Consumo de aceite < 0,6 g/kWhel

NOx (ppm) 143

CO (ppm) 15

Emisiones Sonoras (dBA) 52-56

Tamaño

106 cm x 72 cm x 100 cm

(Largo x ancho x alto)

Peso 520 kg

Tipo de combustible

Temperatura del agua

Funcionamiento

Eficiencia

Salida

MODELO HKA-G S1 5,5 kW

Dimensiones

Emisiones

Consumo aceite lubricante



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2.3.2 Máquina de Absorción. ClimateWell™ DB220

Como se ha definido anteriormente, mientras que los sistemas tradicionales de compresión necesitan electricidad para su funcionamiento, en la absorción la energía que se aporta al sistema es de origen térmico (ahorro de energía y emisiones contaminantes), esto es, carecen de compresor mecánico siendo por tanto máquinas silenciosas y duraderas. Además, en su funcionamiento estos sistemas emplean como fluido refrigerante un fluido natural y medioambientalmente respetuoso: el agua.

Figura 12.-Máquina de Absorción con almacenamiento integrado de calor

Para este proyecto se ha empleado una máquina de absorción modelo DB220, de la empresa ClimateWell. A continuación se presentan las principales características del equipo.

Datos Técnicos: ClimateWell™ DB220

Los datos técnicos correspondientes al funcionamiento de la máquina ClimateWell™ se describen en la tabla siguiente:

Modo Eficiencia Máxima potencia de salida

Capacidad de almacenamiento

Enfriamiento 70% 10 kW 50 kWh

Calentamiento 94% 18 kW calefacción más 20 kW ACS 100 kWh



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Temperaturas de Enfriamiento

Las temperaturas de enfriamiento de ClimateWell™ como función de la temperatura de referencia exterior más pérdidas (OC: Outdoor cooler) y la potencia de enfriamiento requerida se muestran en la siguiente figura:

Temperaturas de Calentamiento

Las temperaturas de calentamiento de ClimateWell™ como función de la temperatura de referencia exterior más pérdidas (OC: Outdoor cooler) y la potencia de calentamiento requerida se muestran en la siguiente figura:

Almacenamiento

Si ClimateWell™ se carga solamente con energía procedente de colectores solares térmicos, la diferencia entre la temperatura de descarga de los colectores solares y la temperatura del exterior debe ser preferiblemente no menor de 40ºC. Cuando la carga se completa toda esta energía proveniente de los colectores solares directamente se



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lleva al sistema de enfriamiento exterior. La curva de carga como función de la temperatura de los colectores solares y la temperatura de referencia exterior más pérdidas (OC: Outdoor cooler) se muestra en la figura siguiente:

Teniendo en cuenta que la capacidad de almacenamiento interior es de 100kWh se tardarían 5 horas en completar el almacenamiento si el rato de carga es de 20 kW.

De las figuras previas se debe subrayar como conclusión que cuanto menor sea la temperatura de enfriamiento exterior mejor será el rendimiento de la máquina. Sin embargo esta temperatura ha de superar los 0ºC para evitar problemas de congelación.



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2.3.3 Otros Equipos

Además ha de instalarse un depósito para el agua caliente sanitaria y los sistemas de disipación térmica: la torre de refrigeración y el aerotermo.

Figura 13.-Dispositivos de disipación térmica.

Para el correcto funcionamiento del sistema, son necesarios además una serie de equipos auxiliares como intercambiadores de calor, bombas, depósitos, etc.

Figura 14.-Elementos auxiliares



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2.3.4 Sistema de Monitorización y Control

El sistema de regulación, control y monitorización recoge la información necesaria para gestionar los equipos y para tomar datos significativos de funcionamiento y rendimiento energético. Para ello se toman medidas de temperatura, caudal, presión, parámetros eléctricos, etc, en los puntos necesarios para realizar la correcta regulación del sistema así como para su evaluación.

Todas estas señales van cableadas a un PLC donde se realizarán las labores de adquisición y control. El PLC está conectado a través de un puerto a un PC en el que corre una aplicación en LabView, que servirá de SCADA de la instalación. Esta aplicación permitirá la monitorización en tiempo real de los sensores del sistema, el control sobre los parámetros de la instalación, la consulta de los archivos históricos de la instalación y el tratamiento y gestión de las alarmas que pudieran surgir.



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2.4 Análisis de Costes

Un aspecto vital del proyecto es su viabilidad económica, con el consiguiente ahorro de costes que supone para el usuario final tanto en condiciones de invierno como en condiciones estivales. El cálculo desglosado, comparando los datos del fabricante frente a los datos reales obtenidos durante el desarrollo del proyecto, se detalla a continuación. Como puede apreciarse, se obtiene un ahorro real de 920,45€ al año, muy cercano a los 1049,20€ de ahorro esperado de forma teórica a partir de los datos suministrados por los fabricantes.



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2.5 Conclusiones relevantes

Mediante el proyecto MTG se ha conseguido construir una de las pocas plantas micro-trigeneradoras existentes en el mundo. El objetivo perseguido fue investigar la viabilidad de soluciones de climatización alternativas para edificios pequeños, basadas en dispositivos de sorción capaces de revalorizar calores residuales o de origen renovable.

A la vista de los resultados obtenidos, este tipo de instalaciones se presentan como una solución económicamente viable para la implantación de sistemas de alta eficiencia energética en aplicaciones de pequeña y mediana potencia.

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