Miguel Ángel Lozano (Universidad de Zaragoza) La cogeneración: conceptos y tecnologías Ventajas tecnológicas, económicas y ambientales Seminario Gobierno de Aragón – Fundación Gas Natural Fenosa La cogeneración eficiente y la reducción de emisiones Zaragoza, 15 de Abril de 2015 1 La cogeneración: conceptos y tecnologías INDICE 1. Eficiencia energética y cogeneración 2. Cogeneración 3. La cogeneración en España 4. Tecnologías 5. Integración energética 6. Fuentes de información Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 2 EFICIENCIA ENERGETICA y COGENERACION Energía – Economía - Sociedad Energías renovables RN R’s R’s Bienes y Servicios Bienes y Servicios SECTOR ENERGÉTICO MP Energías no renovables RN Residuos Calor BC EMPRESAS SOCIEDAD MP Disfrute de la vida FT Energía Comercial Trabajo Materias primas Residuos Calor RN Residuos Calor MEDIO FÍSICO RN: Recursos naturales, MP: Medios de producción, FT: Trabajo humano, BC: Bienes y servicios consumidos por la Sociedad, R´s: Reciclado Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 3 EFICIENCIA ENERGETICA y COGENERACION Soluciones al problema energético EP Energía primaria: Energía tomada de la Naturaleza ER Energía renovable: solar, eólica, geotérmica, … fR ≡ ER ER = EP ER + EN EN Energías no renovables: combustibles fósiles, .. EF Energía final: Bienes y servicios energéticos, .. η≡ EF EF = EP ER + EN ER EP=ER+EN fR η EF EN EN = EF 1 − fR η • Disminuir consumos de energía final • Aumentar la fracción renovable en EP MEDIO FÍSICO Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano • Mejorar la eficiencia energética 4 COGENERACION Concepto Cogeneración Producción conjunta, en proceso secuencial, de energía eléctrica ó mecánica y de energía térmica útil, a partir de la misma fuente de energía primaria Sistema de cogeneración Conjunto de equipos colaborando funcionalmente para satisfacer de modo eficiente las demandas de calor y trabajo que se le solicitan ------------------------------------------------- Integración energética de equipos convencionales en la Ingeniería Térmica (calderas, motores, turbinas, máquinas frigoríficas, bombas de calor, etc.) con el objetivo de aprovechar al máximo el potencial energético de los recursos consumidos Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 5 COGENERACION Clasificación de los sistemas de cogeneración Clasificación por la secuencia de procesos de aprovechamiento de la energía consumida • Ciclo de cabecera (topping) • Ciclo de cola (bottoming) Clasificación por el tipo de motor • Motor de combustión interna alternativo (MCIA) • Turbina de gas (TG) • Turbina de vapor (TV) ……………….. • Microcogeneración: MCIA / Micro TG / Pila de combustible (PC) / Stirling ……. • Ciclos combinados: TG + TV / MCIA + TV / ……. Clasificación por el tamaño (potencia eléctrica instalada) • Microcogeneración (UE: W < 50 kWe) • Cogeneración a pequeña escala (UE: W < 1000 kWe) • Cogeneración Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 6 COGENERACION Clasificación de los sistemas de cogeneración Ciclo topping Ciclo bottoming Combustible Combustible F Motor F W Aprovechamiento térmico F-Q F-W Aprovechamiento térmico Q Motor F-W-Q Ambiente Abril 2015 Q W F-Q-W Ambiente Miguel Ángel Lozano Serrano 7 COGENERACION Parámetros característicos W F Cogeneración Q (T) Por conveniencia se definen los parámetros • Rendimiento eléctrico RWF ≡ W/F • Rendimiento térmico RQF ≡ Q/F • Rendimiento energético ηT ≡ (W + Q)/F • Relación trabajo-calor RWQ ≡ W/Q 3 variables independientes (F-W-Q u otras) determinan el comportamiento energético del sistema. Por ejemplo: Q, RWQ (=>W) y RWF (=>F) Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 8 COGENERACION Parámetros característicos Rendimiento eléctrico equivalente F´W = F - FQ produce W REE = W/F´W = W/(F – FQ) = W/(F – Q/ ηQ) Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 9 COGENERACION Parámetros característicos Valores mínimos exigidos por el Real Decreto 661/2007 Combustible y sistema de cogeneración REE (%) Combustibles líquidos en centrales con calderas 49 Combustibles líquidos en motores térmicos (MCIA) 56 Combustibles sólidos 49 Gas natural y GLP en motores térmicos (MCIA) 55 Gas natural y GLP en turbinas de gas (TG) 59 REE (%) = 100 · W / [ F(pci) – Qcc /0,9 ] Nota: Instalaciones de potencia nominal inferior a 1 MW: -10% Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 10 COGENERACION Parámetros característicos W F Cogeneración Q FW F* Sistema eléctrico W FQ η W Caldera η Q Q Ahorro de energía primaria AF = F* - F = FW + FQ – F = W/ηW + Q/ηQ - F Índice de ahorro de energía primaria IAF = AF/F* = 1 – F/[W/ηW + Q/ηQ] Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 11 COGENERACION Parámetros característicos Ahorro de energía primaria: 12% Fuente: Valoración de los beneficios asociados al desarrollo de la cogeneración en España (ACOGEN, 2010) http://www.acogen.org/informe/cogeneracion/bcg/ Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 12 COGENERACION Directiva 2012/27/UE relativa a la eficiencia energética http://www.boe.es/doue/2012/315/L00001-00056.pdf (35) La cogeneración de alta eficiencia y los sistemas urbanos de calefacción y refrigeración tienen un potencial significativo de ahorro de energía primaria que, en general, está poco explotado en la Unión. Los Estados miembros deben llevar a cabo una evaluación exhaustiva del potencial de cogeneración de alta eficiencia y de sistemas urbanos de calefacción y refrigeración. ...... Las instalaciones nuevas de generación de electricidad y las ya existentes que hayan sido objeto de una reforma sustancial o cuyo permiso o licencia se haya actualizado deben ir equipadas con unidades de cogeneración de alta eficiencia para recuperar el calor residual procedente de la producción de electricidad, siempre que el análisis de costes y beneficios sea favorable. Este calor residual podría luego transportarse a donde se necesite mediante redes de calefacción urbana. ...... (37) Es conveniente que los Estados miembros estimulen la adopción de medidas y procedimientos para promover las instalaciones de cogeneración con una potencia térmica nominal total igual o inferior a 20 MW con objeto de fomentar la generación distribuida de energía. (38) Por cogeneración de alta eficiencia se entiende la que permite ahorrar energía mediante la producción combinada, en lugar de separada, de calor y electricidad. ....Con objeto de obtener el máximo ahorro de energía y no perder oportunidades de ahorro, tiene que prestarse la mayor atención posible a las condiciones de funcionamiento de las unidades de cogeneración. ..... Nota: En el Anexo III de la Directiva la UE exige al menos un 10% de ahorro de energía primaria para calificar la cogeneración como de alta eficiencia, salvo en las plantas de microcogeneración (< 50 kWe) y de cogeneración a pequeña escala (< 1000 kWe) donde el límite se rebaja al 0%. Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 13 COGENERACION Parámetros característicos Tasa de cobertura % del consumo atendido con cogeneración Si se consiguen tasas de cobertura elevadas para los distintos servicios energéticos demandados se obtendrán ahorros importantes en la factura energética Factor de utilización Producción del equipo (expresada en % respecto de la producción a plena carga durante todo el año) No tiene sentido instalar equipos de inversión elevada si se van a utilizar con bajos factores de utilización ------------------------------------------------Objetivo: Conseguir niveles razonables para las tasas de cobertura y factores de utilización, que en general varían en sentido inverso con los cambios de diseño y modo de operación Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 14 COGENERACION Parámetros característicos Curva monótona de la demanda térmica del centro consumidor 5000 Q (kW) 4000 • (4900, 120) • Cobertura de la demanda térmica (4200, 1160) • (3500, 1980) Potencia térmica instalada 3000 (2800, 3560) • (2100, 5420) 2000 1000 0 Calor despilfarrado • (1400, 6090) Factor de utilización • (700, 6640) Demanda cubierta 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 h/año Horas de operación a plena carga Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 15 COGENERACION Ventajas económicas y ambientales Balance : p W [unidades/MWh]·W[MW] + p F [unidades/MWh]·F(Q )[MW] − p F [unidades/MWh]·F[MW] Comparación EuroStat: precios industriales energía (2011) de los costes variables p [€/MWh] = 135,3 p F [€/MWh] = 36,8 de la producción convencional W Balance : 135,3 ⋅1 + 36,8·1,11 − 36,8·2,5 = 135,3 + 40,8 − 92,0 = 84 € respecto de la cogeneración (Ejemplo: motor de gas, IDAE: factores de conversión de energía primaria (2011) aprovechamiento integral del calor) p W [MWh EP/MWh] = 2,25 p F [MWh EP/MWh] = 1,07 Balance : 2,25 ⋅1 + 1,07·1,11 − 1,07·2,5 = 0,76 MWh EP Indice de ahorro de energía primaria : 100 · 0,76 /( 2, 25 ⋅ 1 + 1,07·1,11) = 22% IDAE: emisiones de CO2 (2011) p W [t CO 2 /MWh] = 0,33 p F [t CO 2 /MWh] = 0,20 Balance : 0,33 ⋅1 + 0,20·1,11 − 0,20·2,5 = 0,052 t CO 2 IDAE: emisiones de CO2 (2011) electricidad ciclo combinado/renovable p W [t CO 2 /MWh] = 0,41 / 0,00 Balance (CC) : 0, 41 ⋅ 1 + 0, 20·1,11 − 0, 20·2,5 = 0,132 t CO 2 Balance (Renovable) : 0,00 ⋅ 1 + 0, 20·1,11 − 0, 20·2,5 = - 0,278 t CO 2 Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 16 LA COGENERACION EN ESPAÑA Evolución histórica Evolución de la potencia eléctrica instalada (España, 2013) Información adicional en Boletín de estadísticas energéticas de cogeneración (IDAE, 2013) http://www.idae.es/index.php/idpag.802/relcategoria.1368/relmenu.363/mod.pags/mem.detalle Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 17 LA COGENERACION EN ESPAÑA Cogeneración y gas natural Producción eléctrica por tipo de combustible (España, 2013) Combustible % Gas natural 85 Fuelóleo 5 Biomasa 5 Gas de refinerías 2 Otros 3 TOTAL 100 Fuente: Valoración de los beneficios asociados al desarrollo de la cogeneración en España (ACOGEN, 2010) Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 18 LA COGENERACION EN ESPAÑA Clasificación de las instalaciones Potencia instalada y producción eléctrica por tipo de motor (España, 2013) Tecnología Potencia Número de Tamaño Producción Factor de instalada (MW) instalaciones medio (MW) eléctrica (GWh/año) utilización (h/año) MCIA 3120 553 5,6 11455 3670 Turbina de gas 1221 94 13,0 6883 5640 Turbina de vapor 838 44 19,0 4418 5270 CICLO COMBINADO 1307 34 38,4 8035 6150 TOTAL 6487 727 8,9 30791 4750 Potencia instalada y producción eléctrica por sector de actividad económica (España, 2013) Sector Potencia Número de Tamaño Producción Factor de instalada (MW) instalaciones medio (MW) eléctrica (GWh/año) utilización (h/año) Industria agroalimentaria 1257 151 8,3 4710 3750 Industria papelera 1254 78 16,1 7562 6030 Industria química 1032 60 17,2 5265 5100 Refinerías de petróleo 641 15 42,7 4307 6720 Edificios / Servicios 630 129 4,9 2906 4610 Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 19 LA COGENERACION EN ESPAÑA ¿Incremento de la potencia instalada en el futuro? Fuente: Análisis del potencial de cogeneración de alta eficiencia en España 2000 – 2015 – 2010 (IDAE, 2007) Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 20 TECNOLOGIAS Motores empleados en cogeneración Turbina de gas (GE LM2500, 22 MW, RWF = 0,35) MCIA: Motor de gas (Guascor FG-FGLD, 300 kW, RWF = 0,35) Turbina de vapor Siemens SST-500 hasta 100 MW entrada (30 bar, 400ºC) salida (1bar) RWF = 0,20 Microturbina de gas (Ingersoll Rand, 250 kW, RWF = 0,29) Abril 2015 Pila de combustible – PAFC (Doosan PureCell, 440 kW, RWF = 0,40) Miguel Ángel Lozano Serrano 21 TECNOLOGIAS Características por tipo de motor MCIA Tamaño Potencia eléctrica Combustible Turbina de gas 10 kW – 50 MW Mejor < 10 MW Líquidos y gases 100 kW – 200 MW Turbina de vapor 500 kW – 1000 MW Mejor > 5 MW Mejor > 10 MW Líquidos y gases Cualquier tipo (tipos) baja calidad alta calidad residuales Calor Gases 300-500 ºC Gases 400-600ºC Vapor (agua) (calidad) múltiples focos calor sensible calor latente Rto. eléctrico 0,25 – 0,40 0,20 – 0,35 0,05 – 0,30 (W/F) 0,35 0,30 0,15 Rto. térmico 0,30 – 0,50 0,40 – 0,50 0,50 – 0,80 (Q/F) 0,35 0,45 0,65 Relación W/Q 0,50 – 1,50 0,40 – 1,00 0,10 – 0,40 (W/Q) 1/1 2/3 1/4 Tiempo arranque Bajo Medio Alto (carga parcial) muy bien baja eficiencia bien Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 22 TECNOLOGIAS Características por tipo de motor Fuente: Liu et al. Combined cooling, heating and power: A survey. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 35, pp. 1-22 (2014) Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 23 TECNOLOGIAS Características por tipo de motor Fuente: U.S. Environmental Protection Agency. Catalog of CHP Technologies (March 2015) Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano http://www.epa.gov/chp/technologies.html 24 TECNOLOGIAS Características por tipo de motor Potencia térmica y relación W/Q de los sistemas de cogeneración en función del tipo de motor empleado Rango de temperaturas y forma del calor disponible de los sistemas de cogeneración en función del tipo de motor empleado PC: MCIA: micro TG: TG: TV: CC: Abril 2015 Pila de combustible (Fuel cell) Motor de combustión interna alternativo Microturbina de gas Turbina de gas Turbina de vapor Ciclo combinado Miguel Ángel Lozano Serrano 25 TECNOLOGIAS Cogeneración de frío y electricidad Fuente: Deng et al. A review of thermally activating cooling technologies for CCHP systems. Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 37, pp. 172-203 (2011) Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 26 TECNOLOGIAS Cogeneración de frío, calor y electricidad (trigeneración) Fuente: Liu et al. Combined cooling, heating and power: A survey Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 35, pp. 1-22 (2014) Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 27 TECNOLOGIAS Máquinas frigoríficas de absorción Simple efecto (Yazaki WFC, Agua, COP = 0,7) Calor Qc [kW] Frigorífico de absorción Calor al ambiente Frío Qf [kW] Qc + Qf COP = Qf / Qc Doble efecto (Carrier 16DE, Vapor, COP = 1,2) Triple efecto (Kawasaki, Gas Natural, COP = 1,6) Abril 2015 Fuente: Grossman. Solar-Powered Systems for Cooling, ..... Solar Energy, Vol. 72, pp. 53-62 (2002) Miguel Ángel Lozano Serrano 28 TECNOLOGIAS Características de las máquinas de absorción Fuente: Deng et al. A review of thermally activating cooling technologies for CCHP systems. Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 37, pp. 172-203 (2011) Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 29 INTEGRACION ENERGETICA Oferta de calor Motor de gas Rolls-Royce B35:40V12AG de 5120 kWe Fuente: Tesis doctoral de José Ramos (Universidad de Zaragoza, 2012) Optimización del diseño y operación de sistemas de cogeneración para el Sector Residencial-Comercial. Calor disponible total = 5155 kW http://zaguan.unizar.es/record/9901/?ln=es# Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 30 INTEGRACION ENERGETICA Recuperación de calor Motor de gas Rolls-Royce B35:40V12AG de 5120 kWe Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 31 INTEGRACION ENERGETICA Aprovechamiento de la oferta de calor Factores a considerar Oferta de calor repartida en varias fuentes con distintas formas/temperaturas Puede/Debe cubrirse la demanda de diferentes servicios energéticos (vapor de agua, ACS, calefacción, refrigeración, ….) con el calor cogenerado Soluciones posibles Utilizar equipos de intercambio de calor para acondicionar la forma/temperatura del calor del motor a la forma/temperatura de la demanda de calor del usuario. Utilizar equipos de transformación térmica para producir el servicio demandado a partir del calor del motor (p. e. calor a frío con enfriadoras de absorción). Incorporar equipos de acumulación térmica en el sistema energético, para desacoplar en el tiempo la producción (oferta) y consumo (demanda) de calor. Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano Soluciones basadas en Integración Energética 32 INTEGRACION ENERGETICA Sistema de cogeneración 1 3 4 2 1 Los precios de compra pep y venta pev de electricidad varían en el tiempo 2 Las demandas de electricidad Ed y calor Qd varían en el tiempo (de forma asíncrona) 3 La carga del motor puede modularse a voluntad si hay intercambio con la red eléctrica 4 Parte del calor cogenerado puede despilfarrarse dentro de ciertos límites si así conviene Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 33 INTEGRACION ENERGETICA Sistema de trigeneración 5 6 5 La demanda de frío Rd varia en el tiempo (en climatización en sentido opuesto a Qd) 6 La producción de frío puede realizarse tanto con calor Rq como con electricidad Re Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 34 INTEGRACION ENERGETICA Sistema de trigeneración con acumulación 7 7 La acumulación de calor/frío permite desacoplar en el tiempo la producción de la demanda Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 35 INTEGRACION ENERGETICA Gestión de la red eléctrica e incorporación de energías renovables Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 36 INTEGRACION ENERGETICA Diseño de sistemas de co/tri/poli-generación Factores a considerar Fluctuación horaria y estacional de la demanda de servicios energéticos Fluctuación horaria y estacional de los precios de los recursos energéticos Disponibilidad de varios recursos energéticos y tipos de equipos Posibilidad de integrar la oferta / demanda de varios productores / consumidores Incertidumbre con respecto a cambios futuros de precios y normativa legal PROBLEMA COMPLEJO DE NATURALEZA COMBINATORIA (exige la evaluación técnica y económica de muchas alternativas) Seleccionar los recursos energéticos a consumir Decidir que tecnologías y tipos de equipos a incorporar Determinar la estrategia de operación de mayor interés Seleccionar el tamaño y/o número de equipos de cada tecnología Decidir el modo de operación hora a hora a lo largo del año Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 37 INTEGRACION ENERGETICA Una buena noticia: flexibilidad y resiliencia HOSPITAL de 500 camas Demanda anual: • Electricidad: • Calor: • Frío: 3250 MWh 8059 MWh 1256 MWh Equipos: • E Motor de gas: • B Caldera: • A Enf. absorción: • M Enf. mecánica: 0,58 MW 0,57 MW 0,49 MWh 0,49 MWh Condiciones: • pe: 95-130 €/MWh 25 €/ MWh • pg : 0,20 año-1 • fam : Sistema convencional: N(E) = 0, N(A) = 0 N(B) = 6, N(M) = 4 Sistema base: N(E) = 3, N(A) = 1 N(B) = 3, N(M) = 3 Fuente: Monica Carvalho. Thermoeconomic and environmental analyses for the synthesis of polygeneration systems in the residential-commercial sector. (Tesis doctoral, Universidad de Zaragoza, 2011) Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano http://zaguan.unizar.es/record/5744?ln=es# 38 INTEGRACION ENERGETICA Sistemas de calefacción y refrigeración de distrito Las redes de calefacción y refrigeración de distrito son una plataforma flexible para incorporar cogeneración y energías renovables al sistema de suministro energético Fuente: IEA. Cogeneration and District Energy (2009) Abril 2015 https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/CHPbrochure09.pdf Miguel Ángel Lozano Serrano 39 INTEGRACION ENERGETICA Sistemas de calefacción y refrigeración de distrito Desarrollo histórico de las redes de calefacción y refrigeración de distrito, hasta el día de hoy y en el futuro Fuente: United Nations District energy in cities: unlocking the potential of energy efficiency and renewable energy. (UNEP, 2015) http://www.unep.org/energy/des Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 40 FUENTES de INFORMACION • COGEN Europe The European Association for the Promotion of Cogeneration http://www.cogeneurope.eu • ACOGEN Asociación española de cogeneración http://www.acogen.org • COGEN España Asociación española para la promoción de la cogeneración http://www.cogenspain.org • Agencia Internacional de la Energía The IEA CHP/DHC Collaborative http://www.iea.chp Implementing Agreement on District Heating and Cooling including Combined Heat and Power http://www.iea-dhc.org • U.S. Department of Energy http://www.energy.gov/eere/amo/chp-deployment • CODE 2: Cogeneration Observatory and Dissemination Europe http://www.code2-project.eu • Revista Cogeneration & On-Site Power Production http://www.cospp.com Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano 41 Miguel Ángel Lozano Serrano [email protected] http://scholar.google.es/citations?user=VWGPqvcAAAAJ&hl=es https://www.researchgate.net/profile/Miguel_Lozano http://publicationslist.org/miguel.a.lozano GRACIAS POR VUESTRA ATENCIÓN !! 42
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