La cogeneración: conceptos y tecnologías · significativo de ahorro de energía primaria que, en general, está poco explotado en la Unión. Los Estados miembros deben llevar a

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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

Miguel Ángel Lozano (Universidad de Zaragoza)

1. Eficiencia energética y cogeneración

2. Cogeneración

3. La cogeneración en España

4. Tecnologías

5. Integración energética

6. Fuentes de información

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La cogeneración: conceptos y tecnologías INDICE

Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano

3

EFICIENCIA ENERGETICA y COGENERACION Energía – Economía - Sociedad

Bienes y Servicios

Bienes y Servicios

Trabajo Energía

Comercial

Disfrute de la vida

MEDIO FÍSICO

SECTOR ENERGÉTICO

MP

EMPRESAS

MP

BC SOCIEDAD

FT

Energías renovables

RN R’s R’s

Energías no

renovables

Materias primas

Residuos Calor

Residuos Calor

Residuos Calor

RN RN

RN: Recursos naturales, MP: Medios de producción, FT: Trabajo humano, BC: Bienes y servicios consumidos por la Sociedad, R´s: Reciclado


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EFICIENCIA ENERGETICA y COGENERACION Soluciones al problema energético

ηf1EFNE R−

=

NRPfR EE

EREER

+=≡

Energía primaria: Energía tomada de la Naturaleza

Energía renovable: solar, eólica, geotérmica, …

Energías no renovables: combustibles fósiles, ..

Energía final: Bienes y servicios energéticos, ..

ER

EF

EN

NEEREF

EPEF

+=≡η

EP


η

MEDIO FÍSICO

EN

EF

ER

• Disminuir consumos de energía final • Aumentar la fracción renovable en EP • Mejorar la eficiencia energética

EP=ER+EN Rf

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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


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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


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COGENERACION Clasificación de los sistemas de cogeneración


Combustible

Ambiente

Motor

Aprovechamientotérmico

F

W

Q

F - W

F - W - Q

Combustible

Ambiente

Motor

Aprovechamientotérmico

F

W

Q

F - Q

F - Q - W

Ciclo topping Ciclo bottoming

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COGENERACION Parámetros característicos


CogeneraciónFQ (T)

W

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)

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Rendimiento eléctrico equivalente

F´W = F - FQ produce W

REE = W/F´W = W/(F – FQ) = W/(F – Q/ ηQ)


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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%

Valores mínimos exigidos por el Real Decreto 661/2007

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Ahorro de energía primaria

AF = F* - F = FW + FQ – F = W/ηW + Q/ηQ - F

CogeneraciónFQ

W

Sistema eléctricoF*

Q

WFW

Wη

FQ Caldera

Qη

Índice de ahorro de energía primaria

IAF = AF/F* = 1 – F/[W/ηW + Q/ηQ]


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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/

http://www.acogen.org/informe/cogeneracion/bcg/

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COGENERACION Directiva 2012/27/UE relativa a la eficiencia energética


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%.

(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. .....

http://www.boe.es/doue/2012/315/L00001-00056.pdf

http://www.boe.es/doue/2012/315/L00001-00056.pdf

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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

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4000

3000

2000

1000

01000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

5000 (4900, 120)

(4200, 1160)

(3500, 1980)

(2800, 3560)

(2100, 5420)

(1400, 6090)

(700, 6640)•

•

•

•

•

•

Cobertura de lademanda térmica

h/año

Q (kW)

Factor de utilización

Demanda cubierta

Calor despilfarrado

Potencia térmica instalada

Horas de operación a plena carga

Curva monótona de la demanda térmica del centro consumidor

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COGENERACION Ventajas económicas y ambientales


( ) MWh]·F[MW][unidades/pMW][MWh]·F[unidades/pMWh]·W[MW][unidades/p:Balance FQFW −+

IDAE: factores de conversión de energía primaria (2011) ,071 EP/MWh][MWh p2,25 EP/MWh][MWh p FW ==

EPMWh0,76·2,507,1·1,1107,1125,2:Balance =−+⋅

EuroStat: precios industriales energía (2011) ,836 [€/MWh]p,3135 [€/MWh]p FW ==

€480,928,403,135·2,58,63·1,118,6313,351:Balance =−+=−+⋅

IDAE: emisiones de CO2 (2011) ,200 /MWh]CO[t p0,33 /MWh]CO[t p 2F2W ==

2COt0,052·2,520,0·1,1120,0133,0:Balance =−+⋅

%22·1,11)07,1125,2/(76,0·100:primaria energía de ahorro de Indice =+⋅

IDAE: emisiones de CO2 (2011) electricidad ciclo combinado/renovable

00,0/0,41 /MWh]2CO[t Wp =

2COt,2780 -·2,520,0·1,1120,0100,0:)(Renovable Balance2COt0,132·2,520,0·1,1120,0141,0:(CC) Balance

=−+⋅

=−+⋅

Comparación de los costes variables de la producción convencional respecto de la cogeneración (Ejemplo: motor de gas, aprovechamiento integral del calor)

17 Abril 2015 Miguel Ángel Lozano Serrano

LA COGENERACION EN ESPAÑA Evolución histórica

Evolución de la potencia eléctrica instalada (España, 2013)

http://www.idae.es/index.php/idpag.802/relcategoria.1368/relmenu.363/mod.pags/mem.detalle

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

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LA COGENERACION EN ESPAÑA Cogeneración y gas natural

Combustible %

Gas natural 85

Fuelóleo 5

Biomasa 5

Gas de refinerías 2

Otros 3

TOTAL 100

Producción eléctrica por tipo de combustible (España, 2013)


Fuente: Valoración de los beneficios asociados al desarrollo de la cogeneración en España (ACOGEN, 2010)


LA COGENERACION EN ESPAÑA Clasificación de las instalaciones

Sector Potencia

instalada (MW) Número de

instalaciones Tamaño

medio (MW) Producción

eléctrica (GWh/año) Factor de

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

Potencia instalada y producción eléctrica por sector de actividad económica (España, 2013)

Tecnología Potencia

instalada (MW) Número de

instalaciones Tamaño

medio (MW) Producción

eléctrica (GWh/año) Factor de

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 tipo de motor (España, 2013)

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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)

21

TECNOLOGIAS Motores empleados en cogeneración


MCIA: Motor de gas (Guascor FG-FGLD, 300 kW, RWF = 0,35)

Pila de combustible – PAFC (Doosan PureCell, 440 kW, RWF = 0,40) Microturbina de gas (Ingersoll Rand, 250 kW, RWF = 0,29)

Turbina de gas (GE LM2500, 22 MW, RWF = 0,35)

Turbina de vapor Siemens SST-500 hasta 100 MW entrada (30 bar, 400ºC) salida (1bar) RWF = 0,20

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TECNOLOGIAS Características por tipo de motor


MCIA Turbina de gas Turbina de vapor

Tamaño Potencia eléctrica

10 kW – 50 MW Mejor < 10 MW

100 kW – 200 MW Mejor > 5 MW

500 kW – 1000 MW Mejor > 10 MW

Combustible (tipos)

Líquidos y gases baja calidad

Líquidos y gases alta calidad

Cualquier tipo residuales

Calor (calidad)

Gases 300-500 ºC múltiples focos

Gases 400-600ºC calor sensible

Vapor (agua) calor latente

Rto. eléctrico (W/F)

0,25 – 0,40 0,35

0,20 – 0,35 0,30

0,05 – 0,30 0,15

Rto. térmico (Q/F)

0,30 – 0,50 0,35

0,40 – 0,50 0,45

0,50 – 0,80 0,65

Relación W/Q (W/Q)

0,50 – 1,50 1/1

0,40 – 1,00 2/3

0,10 – 0,40 1/4

Tiempo arranque (carga parcial)

Bajo muy bien

Medio baja eficiencia

Alto bien

23



Fuente: Liu et al. Combined cooling, heating and power: A survey. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 35, pp. 1-22 (2014)

24



Fuente: U.S. Environmental Protection Agency. Catalog of CHP Technologies (March 2015) http://www.epa.gov/chp/technologies.html

http://www.epa.gov/chp/technologies.html

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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: Pila de combustible (Fuel cell) MCIA: Motor de combustión interna alternativo micro TG: Microturbina de gas TG: Turbina de gas TV: Turbina de vapor CC: Ciclo combinado

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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)

27

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)

28

TECNOLOGIAS Máquinas frigoríficas de absorción


Fuente: Grossman. Solar-Powered Systems for Cooling, ..... Solar Energy, Vol. 72, pp. 53-62 (2002)

Frío

Qf [kW]

Calor

Qc [kW]

Frigorífico de

absorción

Calor al ambiente Qc + Qf

COP = Qf / Qc

Triple efecto (Kawasaki, Gas Natural, COP = 1,6)

Doble efecto (Carrier 16DE, Vapor, COP = 1,2)

Simple efecto (Yazaki WFC, Agua, COP = 0,7)

29

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)

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INTEGRACION ENERGETICA Oferta de calor


Motor de gas Rolls-Royce B35:40V12AG de 5120 kWe

Calor disponible total = 5155 kW

Fuente: Tesis doctoral de José Ramos (Universidad de Zaragoza, 2012) Optimización del diseño y operación de sistemas de cogeneración para el Sector Residencial-Comercial.

http://zaguan.unizar.es/record/9901/?ln=es#

http://zaguan.unizar.es/record/9901/?ln=es

31

INTEGRACION ENERGETICA Recuperación de calor


Motor de gas Rolls-Royce B35:40V12AG de 5120 kWe

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INTEGRACION ENERGETICA Aprovechamiento de la oferta de calor


Soluciones basadas en Integración Energética

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.

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

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INTEGRACION ENERGETICA Sistema de cogeneración


1

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

4

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

34

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

35

INTEGRACION ENERGETICA Sistema de trigeneración con acumulación


7 La acumulación de calor/frío permite desacoplar en el tiempo la producción de la demanda

7

36

INTEGRACION ENERGETICA Gestión de la red eléctrica e incorporación de energías renovables


37

INTEGRACION ENERGETICA Diseño de sistemas de co/tri/poli-generación


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

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

38

INTEGRACION ENERGETICA Una buena noticia: flexibilidad y resiliencia


Fuente: Monica Carvalho. Thermoeconomic and environmental analyses for the synthesis of polygeneration systems in the residential-commercial sector. (Tesis doctoral, Universidad de Zaragoza, 2011) http://zaguan.unizar.es/record/5744?ln=es#

HOSPITAL de 500 camas Demanda anual: • Electricidad: 3250 MWh • Calor: 8059 MWh • Frío: 1256 MWh Equipos: • E Motor de gas: 0,58 MW • B Caldera: 0,57 MW • A Enf. absorción: 0,49 MWh • M Enf. mecánica: 0,49 MWh

Condiciones: • pe: 95-130 €/MWh • pg : 25 €/ MWh • fam : 0,20 año-1

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

http://zaguan.unizar.es/record/5744?ln=es

39

INTEGRACION ENERGETICA Sistemas de calefacción y refrigeración de distrito


https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/CHPbrochure09.pdf Fuente: IEA. Cogeneration and District Energy (2009)

Las redes de calefacción y refrigeración de distrito son una plataforma flexible para incorporar cogeneración y energías renovables al sistema de suministro energético

https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/CHPbrochure09.pdf

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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

http://www.unep.org/energy/des


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

http://www.cogeneurope.eu/

http://www.acogen.org/

http://www.cogenspain.org/

http://www.iea.chp/

http://www.iea-dhc.org/

http://www.energy.gov/eere/amo/chp-deployment

http://www.code2-project.eu/

http://www.cospp.com/

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Miguel Ángel Lozano Serrano [email protected]

GRACIAS POR

VUESTRA ATENCIÓN !!

http://scholar.google.es/citations?user=VWGPqvcAAAAJ&hl=es

https://www.researchgate.net/profile/Miguel_Lozano

http://publicationslist.org/miguel.a.lozano

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