19.08.2013

1

Cogeneración

Diseño Conceptual

www.renac.de 1www.renac.de 1

Trennfolientitel hinzufügen

Renewables Academy RENAC

▪ Los sistemas de cogeneración se pueden dividir en "ciclos de cola" y "ciclos de

Diseño conceptual de la planta

Diseño conceptual

▪ Los sistemas de cogeneración se pueden dividir en "ciclos de cola" y "ciclos de

cabeza."

▪ Ciclos de cola (Bottoming cycle): la energía térmica se produce directamente a partir de

la combustión de combustible. Se trata generalmente de vapor de agua que suministra

las cargas de calor de procesos térmicos. El calor residual del proceso se recupera y se

utiliza como fuente de energía para producir energía eléctrica o mecánica. Se trata de

sistemas comunes en la industria con necesidades de calor de alta temperatura tales

como hornos de recalentamiento de acero, arcilla y los hornos de vidrio y hornos de

refundición de aluminio.

▪

www.renac.de 2

▪ Ciclos de cabeza (topping cycle): La electricidad o energía mecánica se produce en un

primer paso, luego se recupera el calor para cubrir las cargas térmicas de la instalación.

Generalmente se encuentran en instalaciones que no cuentan con los requisitos de

temperatura de proceso extremadamente altas. Ejemplos de ello son:

1. Ciclo Brayton

2. Ciclo Rankine

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2

Diseño conceptual de la planta

Diseño conceptual

www.renac.de 3

▪ La oportunidad más interesante es mediante el empleo

Diseño conceptual de la planta

Diseño conceptual

▪ La oportunidad más interesante es mediante el empleo

de ciclos combinados.

▪ Este ciclo forma un híbrido que combina el ciclo Brayton

en la parte de "cola" y un ciclo de Rankine estándar en la

parte de "cabeza".

www.renac.de 4

Fuente: Plant Engineers and Managers. Guide to Energy Conservation, Eighth Edition Albert Thumann, P.E., C.E.M., 2002, The Fairmont Press

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Diseño conceptual de la planta

Diseño conceptual

Ciclo combinado

Extracción de condensado

Presión de vapor

Presión de retorno

MCI (recuperación parcial de calor)

MCI (recuperación total de calor)

Turbina de gas

Turbina de vapor

www.renac.de 5

Fuente: J. Webster (ed.), Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering, 1999, John Wiley & Sons, Inc.

Presión de vapor

Motor de combustión

Diseño conceptual

www.renac.de 6

2G Energietechnik GmbH www.2-g.de

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Unidad Energía

eléctrica

Energía

térmica

Eficiencia

eléctrica

Eficiencia

térmica

Rendimiento

global

Combustible

Especificaciones técnicas - 2G Energy AG

Diseño conceptual

eléctrica térmica eléctrica térmica global

2G KWK 140 EG

140 kW207 kW (100°C)

36,5 % 53,9 % 90,5% Gas natural

agenitor406

250 kW268 kW (120°C)

42,5 % 45,5 % 88,1% Gas natural

avus2000c

2000 kW1990 kW (120°C)

43,6 % 43,4 % 87% Gas natural

www.renac.de 7

http://www.2-g.de

▪ Estado del Arte:

▪ disponible comercialmente

▪ lanzamiento al mercado en 1995

Especificaciones técnicas - Zeppelin Power Systems

Diseño conceptual

Unidad Energía eléctrica

Energía térmica

Eficiencia eléctrica

Eficiencia térmica

Rendimiento global

Combustible

G3512 A 777 kW966 kW (100°C)

37,7 % 46,8 % 84,5% Gas natural

G3516 B 1177 kW1398 kW (120°C)

39,6 % 47,0 % 86,6% Gas natural

G3520 C 2020 kW2182 kW (120°C)

41,0 % 44,2 % 85,2% Gas natural

www.renac.de 8

(120°C)

http://www.zeppelin-powersystems.com

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5

Rendimiento a plena cargaLTT – RWTH Aachen

Diseño conceptual

www.renac.de 9

▪ La eficiencia eléctrica disminuye con el menor consumo de

energía eléctrica

▪ El rendimiento global casi al mismo nivel

Rendimiento a carga parcial

▪ Clase de potencia: potencia

Diseño conceptual

▪ Clase de potencia: potencia

eléctrica de 1.000 kW

▪ La eficiencia eléctrica disminuye

en condiciones de operación a

carga parcial

▪ La eficiencia global es casi

constante

www.renac.de 10

LTT – RWTH Aachen

constante

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Microturbinas de GasCapstone C800

www.renac.de 11

E-quad Power Systems GmbH www.microturbine.de

� El uso directo de los gases de escape (por ejemplo,

plantas de secado, no para alimentos)

Posibilidades para conectar una microturbina de gas

Diseño conceptual

plantas de secado, no para alimentos)

� Producción de agua caliente a partir del calor de los

gases de escape mediante un intercambiador de calor (ej.

calefacción urbana centralizada, hospitales, cuartos de

baño)

� Producción de refrigeración a través de una máquina de

absorción (ej. industria, complejo de oficinas)

www.renac.de 12

absorción (ej. industria, complejo de oficinas)

� Producción de vapor (ej. lavanderías)

� Circuitos de aceite térmico (ej. aplicaciones de alta

temperatura)

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7

Comportamiento a carga parcial

Diseño conceptual

Efinciencia global

Rendimiento térmico

www.renac.de 13

Rendimiento eléctrico

Potencia eléctrica kW

ASUE-Fachtagung 2009: Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen; E-quad Power Systems GmbH

Comportamiento a carga parcial - capacidad de modulación

Diseño conceptual

Eficiencia modulación

www.renac.de 14

ASUE-Fachtagung 2009: Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen; E-quad Power Systems GmbH

Eficiencia modulación

de carga

Eficiencia típica

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Análysis Pinch

Análisis Pinch

� Se utiliza para el análisis y la optimización de los sistemas procesales

complejos con la ayuda de pocos datos de entradacomplejos con la ayuda de pocos datos de entrada

� Implementación especialmente en la recuperación de calor y agua

� Los resultados del análisis Pinch:

� Identificación de la demanda mínima de calor del sistema

� Identificación de la demanda de refrigeración mínima del sistema

� Identificación del máximo potencial de recuperación de calor

www.renac.de 15

� Identificación del máximo potencial de recuperación de calor

� Nivel de temperatura requerido para la transmisión de calor

� Número de intercambiadores de calor requeridos

� Planificación probable del sistema intercambiador de calor

Análisis Pinch

Generación de Vapor

Análisis Pinch

100

150

200

250

300

Te

mp

era

tur

[°C

]

flue gas

Heating

Evaporation

Overheating

T Pinch

www.renac.de 16

0

50

100

0 100 200 300

Te

mp

era

tur

[

H_Point [kW]

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9

Análisis Pinch

Generación de Vapor

Análisis Pinch

100

150

200

250

300

Te

mp

era

tur

[°C

]

flue gas

Heating

Evaporation

Overheating

T Pinch

www.renac.de 17

0

50

100

0 100 200 300

Te

mp

era

tur

[

H_Point [kW]

Evaporación

Análisis Pinch

Generación de Vapor

Análisis Pinch

100

150

200

250

300

Te

mp

era

tur

[°C

]

flue gas

Heating

Evaporation

Overheating

T Pinch

www.renac.de 18

0

50

100

0 100 200 300

Te

mp

era

tur

[

H_Point [kW]

Calentamiento

Evaporación

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Análisis Pinch

Generación de Vapor

Análisis Pinch

100

150

200

250

300

Te

mp

era

tur

[°C

]

flue gas

Heating

Evaporation

Overheating

T Pinch

www.renac.de 19

0

50

100

0 100 200 300

Te

mp

era

tur

[

H_Point [kW]

Disponible bajatemperatura

Evaporación

Calentamiento

Ejemplo

Selección de la tecnología y demanda de energía

Diseño conceptual

Selección de la tecnología y demanda de energía

� Gran hospital en la ciudad de Temuco

� Demanda de calefacción (hasta 90 °C Temperatura)

� Demanda de electricidad Moderad

� Precios de compra de energía de altos, los precios de

venta de energía bajos

www.renac.de 20

� Altos costos del combustible (Petróleo)

� Acceso a la red de gas natural

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Selección de la tecnología y demanda de energía

Perfil de carga térmica

Diseño conceptual

500

600

700

800

900

1.000

1.100

Th

erm

a lo

ad

[kW

]

Ho

sp

ital

Th

erm

al lo

ad

pro

fil

www.renac.de 21

0

100

200

300

400

0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000

Th

erm

a lo

ad

[kW

]

Hours per year

Ho

sp

ital

Th

erm

al lo

ad

pro

fil

Selección de la tecnología y demanda de energía

Perfil de carga eléctrica

Diseño conceptual

150

200

250

300

350

Ele

ctr

ical

loa

d [k

W]

Ho

sp

ital

Th

erm

al lo

ad

pro

fil

www.renac.de 22

0

50

100

150

0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000

Ele

ctr

ical

loa

d [k

W]

Hours per year

Ho

sp

ital

Th

erm

al lo

ad

pro

fil

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Selección de la tecnología y demanda de energía

Perfil de carga térmica

Diseño conceptual

500

600

700

800

900

1.000

1.100

Th

erm

al L

oa

d [kW

]

Peak load

Ho

sp

ital

Th

erm

al lo

ad p

rofile

www.renac.de 23

0

100

200

300

400

0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000

Th

erm

al L

oa

d [kW

]

Hours per Year

Ho

sp

ital

Th

erm

al lo

ad p

rofile

Base load

Selección de la tecnología y demanda de energía

Perfil de carga eléctrica

Diseño conceptual

150

200

250

300

350

Th

erm

al L

oa

d [kW

]

Peak load

Ho

sp

ital

Th

erm

al lo

ad p

rofile

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0

50

100

150

0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000

Th

erm

al L

oa

d [kW

]

Hours per Year

Ho

sp

ital

Th

erm

al lo

ad p

rofile

Base load

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Selección de la tecnología y demanda de energía

Parámetros de diseño técnico

Diseño conceptual

Parámetros de diseño técnico

Aplicación térmica: Calefacción

Carga base térmica: 200 kW

Nivel de temperatura: hasta 85 °C

Carga base eléctrica: 50 kW

www.renac.de 25

Carga electrica máxima 300 kW

La selección de aspectos relacionados con la

tecnología y el combustible

▪ Temuco es una "zona saturada"

Diseño conceptual

▪ Temuco es una "zona saturada"

▪ El gas natural está disponible

▪ ¿A cuánto ascienden los precios de gas natural?

▪ ¿A cuánto ascienden los precios del petróleo?

� Combustible más probable: Gas Natural

www.renac.de 26

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La selección de parámetros técnicos y

económicos

▪

Diseño conceptual

▪ Precios de compra de energía altos y precios de venta

baratos

▪ Precio actales altos para el combustible de calefacción

� Enfoque en consumo propio de energía generada

www.renac.de 27

Selección de la tecnología

Unidad cogeneración: grupo electrógeno con motor de

Diseño conceptual

Unidad Potencia Potencia Rendimiento Rendimiento Eficiencia Temperatura

Unidad cogeneración: grupo electrógeno con motor de

combustión de gas

Máxima Potencia eléctrica: 50 kW

� unidad seleccionada (ejemplo): Buderus Loganova EN 50

Potencia calorífica máxima: 80 kW

www.renac.de 28

Unidad PotenciaEléctrica

Potenciatérmica

Rendimientoeléctrico

RendimientoTérmico

Eficienciaglobal

Temperaturautilizable

EN20 10-19 kW 31 kW 35.2 % 57.4 % 92.6 % 80 °C

EN50 25-50 kW 80 kW 33.8 % 54.1 % 87.8 % 90 °C

19.08.2013

15

¿Cómo elegir una tecnología de

cogeneración?

▪ Preselección

Diseño conceptual

▪ Preselección

▪ Comparación de los parámetros relevantes

▪ Costos específicos

▪ COP, eficiencia

▪ emisiones

▪ requisito de espacio

▪ ...

▪ Imponer tecnologías inapropiadas

▪ Disponibilidad

www.renac.de 29

▪ Disponibilidad

▪ presupuesto financiero

▪ Caracterización técnica de las opciones de suministro

▪ Influencias técnicas (comportamiento de carga parcial, las

influencias climáticas, ....)

▪ Cálculo de diseño y cálculo financiero en detalle

Recuperación de calor – Hechos

� La recuperación de calor: Recolección y Uso de

Heat losses

80°C20°C50°C

Without heat recovery

Heat losses

80°C20°C50°C

Without heat recovery

Demanda y recuperación de calor

� La recuperación de calor: Recolección y Uso de

energía térmica residual de Procesos.

� Recuperación de calor residual � Reducción de

costos energéticos de hasta un 30% (dependiendo

del rubro)

� Mayoría de establecimientos industriales no

Heat supply

� � �

Process Process Process

Heat supply

� � �

Process Process Process

Heat losses

With heat recovery

Heat losses

With heat recovery

www.renac.de 30

explotan completamente su potencial de

recuperación de calor.

Heat supply

80°C

20°C

50°C� � �

Process Process Process

Heat supply

80°C

20°C

50°C� � �

Process Process Process

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Repaso de las fuentes térmicas

Demanda y recuperación de calor

Fuentes de calor residual comunes en la industriaFuentes de calor residual comunes en la industria

Caldera de agua caliente temp. gases de escape 150 °C a 230 °C

Caldera de vapor temp. gases de escape 200 °C a 300 °C

Post-combustión térmica temp. gases de escape 250 °C a 350 °C

Post-combustión regenerativa temp. gases de escape 150 °C a 180 °C

www.renac.de 31

Post-combustión catalítica temp. gases de escape 150 °C a 180 °C

Horno de Moldeo eléctrico en la

vulcanización

temp. salida del aire 160 °C a 180 °C

Resumen disipadores de calor

Demanda y recuperación de calor

Los siguientes puntos ofrecen en la práctica la posibilidad de funcionar como disipador de calor.

Red de energía térmica 50 °C a 90 °C

Ventilación y aire acondicionado –

calefacción

30 °C a 70 °C

www.renac.de 32

Agua caliente sanitaria 10 °C a 65 °C

Agua de alimentación y ósmosis y precalentamiento del aire (con vapor)

10 °C a 150 °C

Calor de proceso y otros 30 °C a 150 °C