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CHP: Celda de Combustible, microturbinas

CELDAS DE CONBUSTIBLEMs de 2500 sistema en base a celdas de combustibles han sido instaladas alrededor del mundo, en hospitales, hogares de cuidado, hoteles, edificios de oficinas, escuelas, plantas de generacin elctrica, tanto conectadas a la red como para suministrar potencia y respaldo a reas crticas o instaladas como generadores independientes de la red para entregar servicio en reas inaccesibles a las red de distribucin y transmisin. FuelCells.Org

MICROTURBINASLas microturbinas son turbinas de combustin muy pequeas con capacidades entre los 30 kW y los 200 kW. Unidades individuales pueden ser empacadas juntas para suministrar cargas mayoresEstas turbinas giran incluso hasta 90.000 100.000 rpm . La potencia debe rectificarse y convertirse a potencia con frecuencia de 50 hz o 60 HzLas microturbinas pueden alimentarse de una variedad de combustibles como gas natural y combustibles lquidos como gasolina, kerosene, fuel oil, entre otros. Apep.Uci.Edu

1TURBINA DE GASLa eficiencia elctrica de una turbina de gas puede estar entre los 21% y los 37% aproximadamente. Sus gases de escape poseen un alto potencial para recuperacin de calor en procesos de cogeneracin(EPA 2008), Siemens.Com

TURBINA DE VAPORGira am as de 3.000 rpm utilizando vapor de alta temperatura (620)La eficiencia por si misma de una turbina de vapor de este tipo en un sistema CHP puede ser baja estando entre el 5% al 20 %La eficiencia total del sistema puede alcanzar el 85%DirectIndustry, (EPA 2008)

CHP: Turbina de Gas, Turbina de Vapor2

Sistemas CHP Tpicosa) Steam Boiler/Steam Turbineb) Gas turbine or Engine/Heat Recovery SystemLos calentadores de agua (a) reciben combustible y agua como entradas y generan vapor muy caliente a alta presin. Este vapor es utilizado en la generacin de electricidad, perdiendo este parte de su energa, para luego ser utilizado en procesos que requieren de menores temperaturas como la calefaccin.Las turbinas de gas (b) generan electricidad y producen gases calientes producto de la combustin. Estos gases calientes pasan por sistemas de recuperacin de calor, los cuales extraen la energa del gas y la utilizan para producir vapor caliente que luego es utilizado en otros procesos.

EPA3Turbina de GasOperan en un ciclo termodinmico conocido como el ciclo de Brayton en el cual aire atmosfrico es comprimido, calentado y expendido. La energa generada ser proporcional a la temperatura del gas utilizado en el ciclo y corresponder al excedente restante luego del proceso de comprensin calentamiento del aireEl calor residual del proceso puede ser utilizado para procesos que requieran calentamiento, pudiendo usarse una turbina de gas para cogeneracin de electricidad y calor.La eficiencia elctrica de una turbina de gas puede estar entre los 21% y los 37% aproximadamente. El vapor caliente obtenido del aprovechamiento de los gases de escape de una turbina de gas es de alta calidad, logrando eficiencias de cogeneracin de un 70% a un 80%

(EPA 2008)Link4MicroturbinaLas microturbinas son pequeas turbinas de gas que poseen un intercambiador de calor interno conocido como recuperador. El aire que se utilizara para la operacin de la turbina es precalentado en el recuperador por los gases de escape caliente de la turbina, elevando la eficiencia del sistema.Las microturbinas operan a muy altas revoluciones por minuto cercanas a 60.000 rpm, generando electricidad alterna de alta frecuencia, la cual es transformada en corriente continua y luego en corriente a 50/60 hz por un inversor . En aplicaciones CHP un segundo intercambiador de calor extrae calor de los gases de escape que luego es utilizado para calentar agua.Este valor puede ser utilizado para varios usos como: Calentar agua potable, calefaccin, enfriamiento, etc.

La eficiencia elctrica de una microturbina de gas puede estar entre los 22% y los 26% aproximadamente. El vapor caliente obtenido del aprovechamiento de los gases de escape de una micro turbina de gas puede alcanzar hasta un 80% de eficiencia en procesos CHP (EPA 2008)

Link5Turbina de VaporEl ciclo termodinmico de una turbina de vapor es el cicloEn el ciclo, el agua es bombeada a alta presin hasta un calentador, donde esta se transforma en vapor de alta presin a temperaturas sobre el punto de ebullicin. Este vapor pasa por una turbina de vapor multi etapa, expandindose y liberando su energa, la cual es aprovechada para generar electricidad. El agua restante se condensa para luego ser reutilizada en el comienzo del cicloEn aplicaciones CHP el vapor luego de expandirse utilizado para procesos de generacin de calor. Existen dos tipos de procesos CHP utilizadosCHP con turbinas no condensadores que aprovechan el vapor a presin atmosfrica. Todo elvapro es consumido en el proceso alternativo que demanda calor y no es utilizado en condensacin para reingresar al ciclo. CHP con turbinas de extraccin, que aprovechan solo parte del vapor a presiones medias para luego utilizar el resto del vapor para un proceso de condensacin.

La eficiencia por si misma de una turbina de vapor de este tipo en un sistema CHP puede ser baja estando entre el 5% al 20 %, debido a que el sistema esta orientado a la produccin de vapor teniendo a la electricidad como un subproductoLa eficiencia total del sistema puede alcanzar el 85% (EPA 2008)

Link6Celda de combustibleLas celdas de combustible producen electricidad en forma de corriente continua mediante un procesos electroqumico muy similar a las bateras convencionales, pero requieren un suministro continuo de combustible para ir reponiendo las cantidadades de reactantes de la reaccin (tpicamente hidrogeno y oxigeno) .El hidrogeno es obtenido tpicamente de hidrocarburo como el gas natural o el LPGEl proceso de generacin elctrica produce calor, el cual puede ser recuperado y aprovechado en un proceso de cogeneracinActualmente existe una oferta comercial de celdas de combustibles entre los 300 y 1,200 kW elctricos y de 0.5 a 10 kW trmicos

La eficiencia elctrica de una celdas de combustible puede ir de un 33% a un 43% aproximadamente. Las eficiencias totales mediante al cogeneracin puede llegar mas all del 80% alcanzando incluso un 90% de eficiencia (EPA 2008)

Link7Parmetro TecnolgicoTecnologasMotor CogeneracinMicro Turbina de GasMotor de StirlingRango de Capacidad 1 kW (*) 20,000 kW (*,**)5 kW (**) 500 kW (**)1 kW (*) 1,500 kW (**)Inversin1.200 3.500 /kWe (*)2.000 2.700 US$/Kwe (+)>2.000 /kWe (*)Aprox. 2.500 /kWe (*)Eficiencia Total (electricidad + calor)60 % 85% (**)60%-85%(**)85% (**) 90%(+)Disponibilidad en el MercadoAlta, desde 1 kWe (*)Baja, desde aprox. 30 kWe (*)Baja, desde aprox. 10 kWe (*)Casos de UsoHabitacional, empresas, emergencias (*)Habitacional, empresas, calor de procesos/vapor (*)Habitacional, empresas, usos termosolares, mltiples combustibles (*)Fuentes(*) GTZ(**) IPCC 2007(+) IEA 2010

Generador de 27 polosIntercambiador de calor con catalizador incluidoHONDA 1 kWe Micro CHP MODULECombustibleGas NaturalSalidaElectricidad1 200 V/100 V 50/60 hz 1 kWCalor3.25 kWEficienciasElectricidad20%Calor65%Total85%

HONDA MCHPGeneral domestic use view of MCHP system

HONDA MCHPLa electricidad generada por el modulo se suma a la electricidad proveniente de la red para suministrar la demanda por iluminacin y usos de sistemas elctricos en el hogar El calor generado satisface la demanda por calor para calentar agua (tina , llaves y ducha) y para calefaccionar ambientes y pisos.NREL FCPerspectivas para la micro CHP basada en las celdas de combustible (LT PEM, HT PEM, SOFC)

Se proyecta el desarrollo de tres tipos de celdas de combustibles en base a gas naturalLT PEM: Celdas de dos membranas de intercambio protnico de baja temperaturaHT PEM: Celdas de dos membranas de intercambio protnico de alta temperaturaSOFC: Celda de combustible de oxido slido Tecnologa experimental con poco desarrolloSe espera que la eficiencia total de estos sistemas aumente de un 85 a un 90% en un intervalo de tiempo entre el ao 2012 y el ao 2020Los costos capitales de las celdas tipo LT PEM se esperan evolucionen de 1000 1500 US$/kW a 450 750 US$/kW en el intervalo 2012 2020. Los costos capitales de las celdas tipo HT PEM se esperan evolucionen de 1000 2000 US$/kW a 450 750 US$/kW en el intervalo 2012 2020.CHP en base a celdas de combustible proyectos demostrativos desarrollados en el mundoPOWERGENWORLDWIDE

Los sistemas de CHP en base a celdas de combustible estn experimentandocontinuos progreso,con elobjetivo depasar delas fasesde I +D a las dedemostracinyde implementacin de mercado.Las pruebas de campoydemostracionesestn empujandolos costos de esta tecnologa a la baja

POWERGENWORLDWIDESistemas MCHP basados en celdas de combustibles siendo desarrollados en el mundo