RENAC CHP 1 Technologies SP - Agencia de Sostenibilidad ...old.acee.cl/sites/default/files/noticias/documentos/RENAC CHP 1... · Aplicaciones Ciclo Rankine Orgánico Utilización

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Cogeneración

Tecnología

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

Trennfolientitel hinzufügen

Renewables Academy RENAC

Tecnologías de cogeneración en este workshop

Tecnologías de cogeneración

1. Motor de Combustión

1. Unidades de cogeneración de gas natural1. Unidades de cogeneración de gas natural

2. Sistemas de micro-cogeneración

2. Micro Turbinas de Gas

3. Ciclo Rankine Orgánico

4. Motor Stirling

www.renac.de 2

5. Pilas de Combustible

6. Máquina de absorción

7. Tanques de almacenamiento térmico

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Motor de combustión

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2G Energietechnik GmbH www.2-g.de

Aplicaciones


▪ Industria (fabricación, procesamiento de alimentos, papel, cerveza, productos químicos)productos químicos)

▪ Energía Distribuida▪ Parques acuáticos

▪ Hospitales y clínicas▪ Hoteles y Resorts▪ Escuelas y universidades▪ Complejos de apartamentos, residencias unifamiliares▪ Aeropuertos, Centros Comerciales, Oficinas

Las unidades de cogeneración de motor de combustión están

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Las unidades de cogeneración de motor de combustión estándisponibles comercialmente desde hace más de 20 años

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Diagrama típico de flujo de la energía - motor de combustión


Generación de energía convencional Generación combinada de calor y electricidad

100% energía de combustibles

7% otras pérdidas

27% pérdidas de refrigerante y lubricante

30% escapePérdida de gases

7% pérdidas de refrigerante ylubricante

10% escapePérdida de gases

100% energía de combustibles

7% otras pérdidas

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Pérdida de gases

36% Energía eléctrica útil 36% Energíaeléctrica útil

40% Energíatérmica útil

Schaumann, Schmitz: Kraft-Wärme-Kopplung, 2010

Extracción del calor de los gases de escape y el calor del aguade refrigeración de una planta de cogeneración


Gas natural Chimenea

Generador

Intercambiador de calor de agua de refrigeración


Gas natural

Gases de escape

Chimenea

Intercambiador de calor de gases de escape

Agua de refrigeración

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www.asue.de

refrigeración

Dispositivo de consumo de calor ej. instalación de calor / sistema de absorción de refrigeración

Sistema secundario de refrigeración

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Extracción del calor de los gases de escape y el calor del

agua de refrigeración de una planta de cogeneración


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www.asue.de

Energía eléctrica 140 kW 2000 kW

Agua de refrigeración

127 kW → 61% 1006 kW → 51%

Gases de escape 80 kW → 39% 972 kW → 49% 2G Energy AG

Extracción del calor de los gases de escape y el calor del

agua de refrigeración de una planta de cogeneración


1. Extracción de calor en una etapa

1. Extracción de calor de la refrigeración de agua y los

gases de escape en un ciclo

2. Extracción de calor en dos etapas

1. Extracción de calor de la refrigeración de agua y los

gases de escape en dos ciclos separados

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gases de escape en dos ciclos separados

2. Aprovechable la alta temperatura de los gases de

escape, por ejemplo, para producir vapor

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Parámetros de funcionamiento - motores de

combustión


Encendido por chispa(Motores de gasolina)

Encendido por comprensión

(Motores diesel)

Energía eléctrica 0,001-18 MW 0,005-20 MW

Rendimiento global 80 - 95 % 80 - 95 %

Eficiencia eléctrica 25 – 45 % 28 – 46 %

CHP coeficiente 0,4 – 1,3 0,5 – 1,3

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CHP coeficiente 0,4 – 1,3 0,5 – 1,3

Temperatura hasta 130 °C hasta 130 °C

Comportamiento a carga parcial

bueno bueno

Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung e.V.

Eficiencia eléctrica de unidades cogeneración de gas natural


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ASUE: BHKW-Kenndaten 2011

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Eficiencia eléctrica de las unidades de

cogeneración con fueloil como combustible


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ASUE: BHKW-Kenndaten 2011

Sistemas de micro-cogeneración


▪ Potencia eléctrica inferior a 50 kWel▪ Potencia eléctrica inferior a 50 kWel

▪ Aplicaciones

▪ Cogeneración integrada en edificios

▪ Complejos de apartamentos

▪ Viviendas unifamiliares

▪ Comercio e Industria

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▪ Parques acuáticos

▪ Hoteles

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Unidad Potencia

Eléctrica

Potencia

térmica

Rendim

Eléctrico

Rendim

Térmico

Rendim

Gloal

Temperat

Operación

Especificaciones técnicas - EC Power GmbH


http://www.ecpower.de

Eléctrica térmica Eléctrico Térmico Gloal Operación

XRGI 6 2,5-6 kW 8-13,5 kW 28 % 64% 92% 80-85°C

XRGI 9 4-9 kW 14-20 kW 29 % 65 % 94% 80-85°C

XRGI 15 6-15 kW 17-30 kW 30 % 62 % 92% 80-85°C

XRGI 20 10-20 kW 25-40 kW 32 % 64 % 96% 80-85°C

▪ Costes de capital

▪ XRGI6: 26.000€ → 4330€/kW

www.renac.de 13

▪ XRGI6: 26.000€ → 4330€/kW

▪ XRGI9: 29.000€ → 3220€/kW

▪ XRGI15: 37.000€ → 2470€/kW

▪ XRGI20: 42.000€ → 2100€/kW

▪ Estado del arte: Disponible comercialmente,

en el mercado desde 2007

Unidad Potencia

Eléctrica

Potencia

térmica

Rendim

Eléctrico

Rendim

Térmico

Rendim

Gloal

Temperat

Operación

Especificaciones técnicas - Buderus Loganova


Eléctrica térmica Eléctrico Térmico Gloal Operación

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

http://www.buderus.de

www.renac.de 14

http://www.ecpower.de © Buderus

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Microturbinas de GasCapstone C800

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E-quad Power Systems GmbH www.microturbine.de

� Energía distribuida

Aplicaciones

Microturbinas de Gas

� Aplicaciones de calor y energía combinados

� Comercio e Industria

� Hospital

� Grandes supermercados

� Sucursales bancarias

� Desde menos de un kilovatio, hastaa decenas o cientosde kilovatios

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de kilovatios

Las unidades de cogeneración de microturbinas de gas están disponibles comercialmente desde hace 10 a 15 años

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Diagrama típico de flujo de la energía - turbina

de gas


Generación convencional Cogeneración

100% energía del combustible

80% gasesde escapey otraspérdidas

100% energía del combustible

80% gasesde escapey otraspérdidas

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pérdidas

20% energía eléctrica útil 60% energíatérmica útil

Schaumann, Schmitz: Kraft-Wärme-Kopplung, 2010

pérdidas

20% energíaeléctrica útil

Microturbina de gas - principio de

funcionamiento


CalorRecuperador

Gases de escape

Combustible

Recuperador

Cámara de

combustión

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http://www.enertwin.com/

GeneradorCompresor Turbina

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Microturbina de gas - principio de

funcionamiento


Ingtercambiador

Aire

Combustible

Gases de escape

Turbina

Ingtercambiadorde Gases de escape

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www.asue.de

Aire

Compresor

Turbina

Cámara de combustión

Microturbina de gas - sección


Salida de gases de escapeGenerador

Aletas

Recuperador

Inyectores

Generador

Entrada de aire

Aletasrefrigeración

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Cámara de combustión

Turbina

Compresor

Cojinetes de aire

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Unidad

PotenciaEléctrica

Potenciatérmica

Rendimeléctrico

Rendimglobal

Temperat. gases de

Potenciaen gases

Especificaciones técnicas - Capstone

Evaluación económica

d Eléctrica térmicaIntercambiador

eléctrico global gases de

escape

en gases

de escape

C30 30kW 68kW 24% 83% 275°C 80 kW

C50 50kW 110kW 26% 83% 294°C 140 kW

C200 200kW 290kW 31% 79% 280°C 395 kW

C600 600kW 858kW 33% 80% 275°C 1170 kW

www.renac.de 21

C1000 1000kW 1430kW 33% 80% 275°C 1950 kW

www.microturbine.de▪ Estado del arte

▪ Disponible comercialmente

▪ Lanzamiento en el mercado en el 2000

� Los diferentes tipos de combustible utilizable

Ventajas


� gas natural, GLP, gas de aguas residuales, Queroseno,

fueloleos

� Mayor temperatura de los gases de escape

� Bajo peso, diseño compacto

� Bajas emisiones de ruido

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� Bajas emisiones de ruido

� Bajas emisiones de escape

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� En comparación con un motor de combustión

Desventajas


� Los mayores costes de capital

� Baja eficiencia eléctrica

� Peor rendimiento a carga parcial

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E-quad Power Systems GmbH

Capstone C65

Cilco Rankine Orgánico

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CONPOWER Technik GmbH & Co. KG www.conpower.de

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� El principio de funcionamiento es el mismo que el del ciclo de Rankine (turbina de vapor)

Ciclo Rankine Orgánico (CRO)

Ciclo Rankine Orgánico

ciclo de Rankine (turbina de vapor)

� Empleo de un fluido orgánico de alta masa molecular

� punto de ebullición a una temperatura más baja que el cambio de fase de agua-vapor

� permite la recuperación de calor a partir de fuentes de baja temperatura, como la combustión de biomasa, el calor residual industrial, calor geotérmico, (estanques

solares)

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solares)

� El calor de baja temperatura se convierte en trabajo útil, que a su vez puede convertirse en electricidad

Grandes unidades CRO (500-2000 kW) ya se encuentran en el mercado,

Las unidades pequeñas (40-60 kW) están en periodo de prueba desde hace 3 años

(http://www.orc-fachverband.de)

Ciclo Rankine Orgánico - principio de

funcionamiento


Combustion de

biomes, calor

de proceso,

geotermia, gas

Fuente de calor

Suministro de

Evaporador

Bomba

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geotermia, gas

natural...Suministro de calor

Bomba

Condensador

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Ciclo Rankine Orgánico - uso industrial


Fuente de calor IntercambiadorFuente de calor(motor-gas)

Intercambiadorgases escape

Turbina

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http://www.gmk.info

Evaporador

Condensador

Bomba condensadoUnidad CRO

� Biogás

Aplicaciones


� Utilización del calor de los gases de escape (motor de

biogás) para producir energía eléctrica

� utilizanción del calor del proceso CRO para calentar el

fermentador o para aplicaciónes de calefacción urbana

centralizada

� Industria

� Utilización del calor residual de los procesos de producción

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� Utilización del calor residual de los procesos de producción

industrial para producir energía eléctrica

� Cogeneración con motor de combustión

� Utilización del calor del motor para producir energía

eléctrica

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� Gran robustez

Ventajas


� Capacidad de carga parcial

� Bajas necesidades de mantenimiento

� Funcionamiento silencioso

Desventajas

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� Altos costes de capital

� Baja eficiencia eléctrica

� Alta demanda propia de potencia eléctrica

� Fluido orgánico a menudo dañino para el medio ambiente

Motor Stirling

Sopurc

e: W

ikim

edia

Com

mons -

Wts

hym

anski

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Sopurc

e: W

ikim

edia

Com

mons

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� Motor térmico que opera por la compresión y expansióncíclica de aire u otro gas

Motor Stirling

Motor Stirling

cíclica de aire u otro gas

� el gas de trabajo se comprime generalmente en la parte más fría del motor y se expande en la parte más caliente

� resulta en una conversión neta de calor en trabajo

� es el núcleo de las unidades micro-cogeneración

www.renac.de 31

� es el núcleo de las unidades micro-cogeneración

Motor Stirling - Principio de funcionamiento

Motor Stirling

1.Expansion:La mayor parte del gas en el

2. Transferencia:El gas se ha expandido (alrededor de 3 La mayor parte del gas en el

sistema acaba de ser impulsada al

cilindro caliente. El gas se calienta y

se expande desplazando ambos

pistones hacia el interior.

El gas se ha expandido (alrededor de 3

veces en este ejemplo). La mayor parte del

gas (aproximadamente 2/3) se encuentra

todavía en el cilindro caliente. El momento

de inercia dirige al cigüeñal los siguientes

90 grados, transfiriendo la mayor parte del

gas al cilindro fresco

www.renac.de 32

http://www.animatedengines.com/vstirling.html

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Motor Stirling - Principio de funcionamiento

Motor Stirling

3. Contracción:La mayor parte del gas expandido

4. TransferenciaEl gas a presión todavía se encuentra en el La mayor parte del gas expandido

se ha desplazado hacia el cilindro

fresco. Se enfría y se contrae,

llevando ambos pistones hacia el

exterior.

El gas a presión todavía se encuentra en el

cilindro fresco. El momento de inercia

conduce al cigüeñal otros 90 grados,

transfiriendo el gas de nuevo al cilindro

caliente para completar el ciclo.

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http://www.animatedengines.com/vstirling.html

Potencia eléctrica 1 – 200 kW

Parámetros de funcionamiento - Motor Stirling

Motor Stirling


Eficiencia global ~ 85 %

Eficiencia eléctrica 7 – 28 %

Coef Cogeneración 0,1 – 0,3

Temperatura de operación up to 90 °C

Comportamiento a cargaparcial

Suboptima


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Especificaciones técnicasSenerTec GmbH – Dachs Stirling SE

Motor Stirling

▪ Vivienda unifamiliar, bajo consumo de calor▪ Vivienda unifamiliar, bajo consumo de calor

▪ Motor Stirling:

▪ Potencia eléctrica: max. 1kW

▪ Potencia térmica: 3-5,8 kW

▪ Combustible: gas natural, propano, biogás

▪ Quemador adicional: max. 18 kW

▪ Temperatura de operación: max.60 °C

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▪ Temperatura de operación: max.60 °C

▪ Potencia de calentamiento: aprox. 20 kW

▪ Estado del Arte: disponible en el mercado, lanzamiento al mercadoen 2011

http://www.senertec.de

� Alta eficiencia en comparación con los motores de vapor

Ventajas

Motor Stirling

� funcionamiento silencioso

� puede utilizar casi cualquier fuente de calor (energía solar concentrada, la energía geotérmica, calor residual ybioenergía)

� Son extremadamente flexibles. Pueden ser utilizados

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� Son extremadamente flexibles. Pueden ser utilizadoscomo cogeneración en el invierno y en verano como

refrigeradores

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� baja potencia específica (grandes para la cantidad de energía que producen)

Desventajas

Motor Stirling

energía que producen)

� Trabajo a alta presión: el intercambiador de calor de grantamaño

� no esta operativo al instante, el tiempo de calentamientopuede ser largo

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� El gas utilizado debe tener una baja capacidad calorífica

Pilas de combustible

Corriente contínua

Oxígeno

Agua caliente

Hidrógeno

Electrón

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Agua caliente

Cátodo (-)

ElectrolitoÁnodo (+)

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� convierte la energía química de un combustible en energía

eléctrica a través de una reacción química con oxígeno u otro

agente oxidante

Pila de combustible


agente oxidante

� consiste en un ánodo (lado negativo), un cátodo (lado positivo) y

un electrolito

� Los electrones son atraídos desde el ánodo al cátodo a través

de un circuito externo, produciendo electricidad en corriente

contínua

� Además de la electricidad, las pilas de combustible producen

www.renac.de 39

� Además de la electricidad, las pilas de combustible producen

agua, calor

� Combustibles: hidrógeno, gas natural, metanol

� muchos tipos de células de combustible (PEMFC, SOFC, MCFC,

...)

Pilas de combustible - principio de

funcionamiento


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http://www.baxi-innotech.de

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� Pilas de combustible estacionarias

Pila de combustible - Aplicaciones


� Pilas de combustible estacionarias

� unidades primarias y de respaldo para generación de

energía en el ámbito comercial, industrial y residencial

� Cogeneración

� Vehículos eléctricos de pila de combustible

www.renac.de 41

Pilas de combustible - principio de

funcionamiento


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http://www.asue.de

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Parámetros de funcionamiento - pilas de

combustible



Eficiencia global 75- 85 %

Eficiencia eléctrica 30 – 60 %

Coef Cogeneración 0,3 – 0,7

Temperatura de operación

<100°C (PEM); <600°C (SOFC)

Comportamiento a carga excellent


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Comportamiento a cargaparcial

excellent

Máquina de refrigeración por absorción

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http://www.colibri-bv.com/http://www.ago.ag/ago-congelo/

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� utiliza una fuente de calor para proporcionar la energíanecesaria para accionar el sistema de refrigeración

Máquina de refrigeración por absorción

Máquina de absorción

necesaria para accionar el sistema de refrigeración

� el ciclo de refrigeración por absorción se puede describiren tres fases:

� Evaporación: se extrae el calor del entorno

� Absorción: el refrigerante en estado gaseoso se absorbe

� Regeneración: El líquido rico en refrigerante se calienta,

para ser luego condensado a través de un intercambiador

www.renac.de 45

para ser luego condensado a través de un intercambiador

de calor

Sistema de refrigeración por absorción - principio de

funcionamiento


condensador condensador generador

válvula de expansión

compresor

válvula de expansión

compresor

Bomba

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evaporador unidad de absorción

evaporador

Refrigerador por compresión Refrigerador por absorción

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Parámetros de funcionamiento - Sistema de

refrigeración por absorción


Rango deoperación

Refrigerante/absorbente

Temp de operación(fuente térmica)

Temperaturafoco frío

4,5-10 kW

H2O/LiBr

Agua caliente/vapor75-120°C

6°C up to 7°C

15-11.630 kWAgua caliente/vapor85-135°C

6°C up to 10°C

5-18,4 kWAgua Caliente> 78°C

-45°C up to 3°C

www.renac.de 47

5-18,4 kW

NH3/H2O> 78°C

-45°C up to 3°C

100-10.000 kWAgua caliente/vapor90-180°C

-50°C up to 2°C


TemperaturComponente Typo

Especificaciones técnicas

AGO AG Energie + Anlagen


Temperatura

Componente Typo

Capacidad frigorífica -5°C Generador 50 kW 500 kW 1000 kW

Potencia Térmica 95 °C Evaporador 98 kW 980 kW 1961 kW

Disipacion focointermedio

30 °CCondensador/unidadde absorción

148 kW 1480 kW 2961 kW

Consumo eléctrico Bomba 4,19 kW 16,29 kW 28,01 kW

Costes Capital 95.000 € 600.000 € 850.000 €

www.renac.de 48

Costes Capital 95.000 € 600.000 € 850.000 €

Costes específicos 1900€/kW 1200€/kW 850€/kW

http://www.ago.ag▪ Refrigerante: ammonia; fluido absorbente: water

▪ Temperatura del foco frío entre +3°C y -30°C es posible

▪ Temperatura del foco caliente entre 90°C and 180 °C requerido

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Especificaciones técnicasColibri -BV


▪ S-Series▪ S-Series

▪ Potencia frigorífica: 200-600kW

▪ Temperatura: hasta -15 °C

▪ M-Series, AD-Series

▪ Potencia frigorífica: 200-2500kW


www.renac.de 49

http://www.colibri-bv.com/

▪ C-Series

▪ Potencia de frigorífica: más de 1500KW


� Bajo consumo de electricidad

Ventajas


� Bajo consumo de electricidad

� Baja susceptibilidad al fallo

� Bajas necesidades de mantenimiento

� Funcionamiento silencioso

� Buen comportamiento a carga parcial

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� Alta demanda de refrigeración

Desventajas


� Alta demanda de refrigeración

� Mal comportamiento ante cambios de carga (tiempo de reacción)

� Los altos costos de capital

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Tanques de almacenamiento de calor

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© Buderus

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� Temperatura 60 - 100 °C

Almacenamiento de agua caliente


� Temperatura 60 - 100 °C

� Capacidad 0,25- 6000 m³

� Desidad de almacenamiento de energía: 60 a 80 kWh / m³

� Sistemas de calefacción, especialmente en el sectorresidencial

� Integración con energía solar

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� Integración con energía solar

� Almacenamiento de larga duración sólo posibleparcialmente

� Costes entre 0,5 y 7 € / kWh

Principio del acumulador intermedio


agua caliente de operación

Entrada flujo caliente(calentador adicional)

Retorno flujo caliente(calentador adicional)

Entrada circuito solar

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www.dgs.de

Retorno circuito solar

Entrada de flujo frío

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Principio de acumulador estratificado


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© Buders

Ventaja de almacenamiento estratificado


▪ La misma calidad energética, pero temperatura de operación más elevadaoperación más elevada

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www.dgs.de

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Especificaciones técnicasBuderus - Logalux


Tipo SU160 SU300 SU500 SU1000

Tamaño 160 l 300 l 500 l 1000 l

Capacidadtérmicacontínua

32,8 kW 35,6 kW 71,5 kW 101,3 kW

Disipación en stand-by /24h

1,8 kWh 2,1 kWh2,21 kWh

3,13 kWh

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24h

Costes de capital

1080 € 1345 € 2320 € 4950 €

Costesespecíficos

6,75 €/l 4,50 €/l 4,64 €/l 4,95 €/l

http://www.buderus.de Logalux SU160, © Buderus

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