UF1. GENERACIÓ I RECUPERACIÓ D’ENERGIA

2

Institut Català d’Energia Potencial de Cogeneració a Catalunya Grupo AESA Abril 2005

La problemàtica energètica actual en els països desenvolupats es resumeix en garantir el subministrament d’energia, augmentar la independència exterior (disminuir les importacions) i conservar el medi ambient.

Els sistemes de cogeneració contribueixen a totes tres fites, essent sistemes d’elevada eficiència, que estalvien al país consum d’energia primària i emissions d’efecte hivernacle, amb un alt grau de disponibilitat i que eviten pèrdues a la xarxa de transport i distribució.

La cogeneració és la forma més eficient de transformació de l’energia continguda en combustibles fòssils; aprofita al voltant del 80-90% de l’energia continguda en el combustible; transformant en electricitat un 30-40% i en calor útil el 50-40%. Mentre les centrals convencionals tenen eficiències elèctriques del 40 al 55% (dissipen a l’ambient entre el 45 i el 60% de l’energia del combustible), la cogeneració d’alta eficiència només dissipa entre el 20 i 30%.

3

La cogeneració és un tipus de procés de transformació de l’energia que es dimensiona per a subministrar el calor útil demandat en un o més centres propers. Això es tradueix a la pràctica, en centrals de potència elèctrica relativament petita en comparació amb les grans centrals de producció com ara nuclears i nous cicles combinats.

Al nostre país, les centrals de cogeneració es troben, en la majoria de casos, entre els 5 i els 10 MW de potència elèctrica, en canvi, la potència d’una central nuclear està al voltant dels 1000 MW.

Implicacions? La mida petita i ubicació a polígons o centres de serveis fa que els sistemes de cogeneració estiguin connectats a les xarxes elèctriques de distribució. Són petites centrals connectades a les mateixes xarxes a on es connecten les fàbriques o els edificis grans de serveis.

Avantatge: no és necessari transportar l’electricitat grans distàncies, disminueixen les

pèrdues de la xarxa elèctrica. Estalvia energia i millora la seguretat del subministrament. S’adapta bé a las zones aïllades o ultraperifèriques

4

5

6

Procés de transformació de l’energia altament eficient; els productes del procés transformador de l’energia mitjançant cogeneració són, d’una banda, el més valuós que és l’electricitat, i d’altra banda, el calor útil, que és una energia tèrmica que es fa servir en un procés industrial o bé per a climatitzar.

Sistemes de cogeneració: sistemes de producció conjunta d’electricitat (o energia mecànica) i d’energia tèrmica útil (calor) partint d’un únic combustible. El gas natural és l’energia primària més utilitzada per al funcionament de les centrals de cogeneració d’electricitat-calor, les què funcionen amb turbines o motors de gas. No obstant, també es poden utilitzar fonts d’energia renovables i residus com biomassa o residus que s’incineren.

En un procés de cogeneració, la calor es presenta en forma de vapor d’aigua a alta pressió o aigua calenta. Per exemple, es pot usar el vapor calent que surt d’una turbina de producció d’energia elèctrica, per a subministrar energia per altres usos. Fins fa poc, el més habitual era deixar que el vapor es refredés, però ara, amb la calor que li queda al vapor s’escalfa aigua per a diferents usos.

En una central elèctrica tradicional els fums surten directament per la xemeneia, mentre que en una planta de cogeneració els gasos d’escapament es refreden transmetent la seva energia a un circuit d’aigua calenta/vapor. Una vegada refredats els gasos d’escapament passen a la xemeneia.

7

PLANTES AMB MOTORS ALTERNATIUS Utilitzen gas, gasoli o fuel-oil com a combustible. Són molt eficients elèctricament, però poc eficients

tèrmicament. Sistema de recuperació tèrmica: en general es basen

en la producció de vapor a baix pressió (fins a 10 bars), oli tèrmic i en l’aprofitament del circuit d’alta temperatura de l’aigua de refrigeració del motor.

Són també adequades la producció de fred per absorció, ja sigui a través del vapor generat amb els gasos en màquines de doble efecte, o utilitzant directament la calor de l’aigua de refrigeració en màquines de simple efecte.

8

PLANTES AMB TURBINES DE VAPOR En aquests sistemes, l'energia

mecànica es produeix per l’expansió del vapor d’alta pressió provinent d’una caldera convencional.

L’ús d’aquesta turbina va ser el primer en cogeneració. Actualment la seva aplicació ha quedat pràcticament limitada com a complement per a cicles combinats o en instal·lacions que utilitzen combustibles residuals, com biomassa o residus que s’incineren.

L’aplicació conjunta d’una turbina de gas i una turbina de vapor és el que es denomina "Cicle Combinat".

9

PLANTES AMB TURBINES DE GAS En els sistemes amb turbina de gas es crema combustible en un

turbogenerador, cedint part de la seva energia per a produir energia mecànica. El seu rendiment de conversió és inferior al dels motores alternatius, però

presenten l'avantatge de que permeten una recuperació fàcil de la calor, que es troba concentrada en la seva pràctica totalitat en el seus gasos d’escapament, que estan a una temperatura d’uns 500ºC, idònia per produir vapor en un generador de recuperació.

10

Es diferencien 2 tipus de cicles: simple, quan el vapor es produeix a la

pressió d’utilització de l’usuari combinat, quan el vapor es produeix

a alta pressió i temperatura per a la seva expansió prèvia en una turbina de vapor.

Cicle simple És la planta clàssica de cogeneració i la seva aplicació és adequada quan els

requisits de vapor són importants (>10 t/h), situació que es troba fàcilment en nombroses indústries (alimentació, química, paperera).

Són plantes de gran fiabilitat i econòmicament rentables quan estan dissenyades per a una aplicació determinada.

11

El disseny del sistema de recuperació de calor és fonamental, ja que la seva economia està directament lligada al mateix, ja que a diferència de les plantes amb motors alternatius el preu de la calor recuperada és essencial en un cicle simple de turbina de gas.

Cicle combinat Un cicle combinat ajuda a absorbir una part del vapor generat en el cicle simple i

permet, per això, millorar la recuperació tèrmica, o instal·lar una turbina de gas de mida major, on la recuperació tèrmica no estaria aprofitada si no s’utilitzara el vapor en una segona turbina de contrapressió.

El procés de vapor és essencial per aconseguir l’efiència del mateix. La selecció de la p i la T del vapor viu es fa en funció de les turbine de gas i vapor triades,

12

elecció que s’ha de fer amb criteris d’eficiència i economia.

Una variant és el cicle combinat a condensació

Cicle combinat a condensació Variant del cicle combinat de contrapressió clàssic, es basa en processos

estrictament cogeneratius. Es basa en una gran capacitat de regulació davant de demandes de vapor molt variables.

El procés clàssic de regulació d’una planta de cogeneració consisteix en evacuar gasos a través del by-pass quan la demanda de vapor és menor a la producció i utilitzar la post-combustió quan succeeix el contrari.

Baixant sensiblement la seva potència, no s’aconsegueix la seva adaptació a la demanda de vapor, degut a una important baixada en el rendiment de recuperació, ja que els gasos d’escapament mantenen pràcticament el seu cabal i baixen ostensiblement la seva temperatura les pèrdues de calor es mantenen pràcticament constants, i la planta deixa de complir els requisits de rendiment.

Per contra, un cicle de contrapressió i condensació permet aprofitar la totalitat del vapor generat, regulant mitjançant la condensació del vapor que no es pot utilitzar en el procés, produint una quantitat addicional d’electricitat.

13

TRIGENERACIÓ Es basa en la producció conjunta de calor, electricitat i fred. Planta de trigeneració: similar a una de cogeneració, se li afegeix un sistema

d’absorció per a la producció de fred. La trigeneració permet a la cogeneració accedir a centres que precisen fred que es

produeixi amb electricitat (sector alimentari, sector terciari -hotels, hospitals-). Té més aplicacions: Aplicacions d’assecat. Especialment en indústria ceràmica. Són plantes molt

simples i econòmiques, ja que els gasos calents generats per una turbina o un motor s’utilitzen directament en el procés d’assecat.

Aplicacions en la indústria tèxtil. Calefacció i refrigeració. Aplicacions per a indústries mediambientals, com plantes depuradores de tipus

biològic, o de concentració de residus o d’assecat de fangs, etc, al demandar calor són potencialment cogeneradores. En aquestes aplicacions pot ser un factor important per a la reducció del cost del tractament dels residus.

14

15

Tipus Avantatges Inconvenients

Turbina de gas

Amplia gama de aplicacions Limitació en els combustibles Molt fiable

Elevada temperatura de l’energia tèrmica Interval des de 0,5 a 100 MW Temps de vida

relativament curt Gasos amb alt contingut en oxigen

Turbina de vapor

Rendiment global molt alt Baixa relació electricitat/calor Extremadament segura

Possibilitat d’emprar tot tipus de combustibles No permet assolir altes

potències elèctriques Llarga vida de servei

Amplia gama de potències Posada en marxa lenta

Cost elevat

Motor alternatiu

Elevada relació electricitat/calor Elevat cost de manteniment Alt rendiment elèctric

Baix cost Temps de vida llarg Energia tèrmica molt

distribuïda i a baixa temperatura

Capacitat d’adaptació a variacions de la demanda

Trigeneració Planta cogeneració amb biogas

16

17