Propuesta de Tesis Doctoral

VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA

DE LA COGENERACIÓN PARA EL SECTOR RESIDENCIAL EN ESPAÑA

A PARTIR DE BIOMASA MEDIANTE CICLO DE RANKINE ORGÁNICO

Doctorando : María Uris Mas

Directores de la Tesis : José Ignacio Linares Hurtado

Eva Arenas Pinilla

11 de Enero de 2013

Índice

1 MOTIVACIÓN DE LA TESIS. ................................................................................................ 3

2 ESTADO DEL ARTE ............................................................................................................. 5

2.1 Tecnología. ............................................................................................................... 5

2.1.1 Fluido de trabajo. ............................................................................................. 6

2.1.2 Componentes ................................................................................................... 7

2.2 Estado de desarrollo de la tecnología ORC .............................................................. 11

2.2.1 Instalaciones ORC en funcionamiento en Europa ............................................ 11

2.2.2 Instalaciones ORC en funcionamiento en España ............................................ 12

2.3 Publicaciones propias. ........................................................................................... 14

3 OBJETIVO PRINCIPAL ...................................................................................................... 16

3.1 OBJETIVOS SECUDARIOS......................................................................................... 16

4 METODOLOGÍA ............................................................................................................... 17

4.1 Medios ................................................................................................................... 17

4.2 Cronograma. .......................................................................................................... 18

5 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................. 20

Estado del arte 3

1 MOTIVACIÓN DE LA TESIS.

La demanda de recursos y el consumo creciente de energía de manera intensiva per cápita ha motivado el desarrollo de políticas en el área de generación de formas eficientes de energía. Ante la situación actual de dependencia energética en Europa que supera el 50%, la Unión Europea ha impuesto la estrategia 3x20%, consistente en reducir las emisiones de CO2 un 20% mientras se incrementa la eficiencia otro 20% y se consigue que el 20% del consumo energético quede cubierto por energías renovables. Una de las alternativas para alcanzar el 20% del consumo energético por energías renovables es el aprovechamiento de las fuentes de calor renovable de baja y media temperatura [1], siendo las más estudiadas la energía geotérmica [2,3] y solar [4,5] , aunque actualmente hay un creciente interés por la utilización de la biomasa para usos térmicos o para producción conjunta de calor y electricidad (cogeneración) [6,7].

El Panel lntergubernamental sobre Cambio Climático marca las previsiones concretas de futuro estableciendo que antes de 2100 la cuota de participación de la biomasa en la producción mundial de energía debe estar entre el 25 y el 46%. En Europa, pese a que el 54% de la energía primaria de origen renovable procede de esta fuente, sólo supone el 4% sobre el total energético. La mayoría de la energía primaria está destinada a la generación de calor en viviendas unifamiliares, comunidades de vecinos y en redes de calefacción centralizada. En general, en torno al 83% se destina a usos térmicos y el 17% a la producción de electricidad. En la actualidad, en España, la biomasa alcanza el 45% de la producción con energías renovables, lo que equivale al 2,9% respecto del total de consumo de energía primaria, incluidas las convencionales [8].

Las aplicaciones térmicas con producción de calor y agua caliente sanitaria son las más comunes dentro del sector de la biomasa y en un nivel menor de desarrollo se sitúa la producción de electricidad. Las redes de calefacción centralizada en las que se proporciona agua caliente y electricidad a núcleos urbanos están muy extendidas en el Centro y Norte de Europa. En España están iniciándose las primeras redes de climatización centralizada alimentadas con biomasa dentro de la trigeneración, las cuáles proporcionan calefacción en invierno a los usuarios así como frío para la climatización de las viviendas y otros edificios en verano.

Las tecnologías disponibles actualmente para el uso de la biomasa como combustible son la co-combustión, la gasificación y la combustión con ciclos orgánicos de Rankine (ORC):

La co-combustión de biomasa con carbón reduce las emisiones de SO2, consigue un balance neto casi nulo de CO2 y presenta ventajas como aumentar la independencia energética aunque por el momento tecnológicamente solo permite porcentajes bajos de sustitución y los tratamientos de la biomasa son más costosos que los del carbón.

En la gasificación se produce un gas de síntesis susceptible de ser utilizado en calderas y con un poder calorífico inferior aproximado a la sexta parte del poder calorífico inferior del gas natural, pero la inversión necesaria sigue siendo demasiado elevada.

En cuanto a los ORC, es una tecnología que ha alcanzado la madurez tecnológica, presenta unos costes de mantenimiento bajos, tiene un alto grado de automatización y emplea equipos más compactos comparada con la tecnología de los ciclos agua-vapor, lo que la convierte en la mejor solución comercial disponible para la producción de calor y electricidad en plantas de cogeneración a partir de esta fuente.

Estado del arte 4

En la Figura 1, se puede ver el estado de desarrollo de cada una de las tecnologías para biomasa.

Figura 1. Tecnologías de conversión de biomasa y estado de desarrollo (Fuente: [9])

En el esquema básico de la combustión con ciclo ORC se dispone de una caldera de biomasa que calienta un aceite térmico el cual aporta calor al evaporador del ciclo. La turbina del ciclo mueve un alternador que produce electricidad y el calor disipado en el condensador del ciclo es aprovechado para satisfacer una demanda térmica, tal como se ilustra en la Figura 2 [10,11].

Figura 2. Esquema conceptual de cogeneración con biomasa a partir de combustión con ciclo ORC (Fuente: [12])

La motivación de la tesis se sitúa en el análisis de la extrapolación de la tecnología empleada en el Norte y Centro de Europa a la climatología española, teniendo en cuenta sus demandas y recursos. Así mismo, se pretende valorar la aplicabilidad de ciertas mejoras tecnológicas en el proceso.

Estado del arte 5

2 ESTADO DEL ARTE

2.1 Tecnología.

El ciclo orgánico Rankine (ORC) consiste en cuatro procesos:

1-2 : Compresión del fluido orgánico en la bomba.

2-3: Calentamiento del fluido orgánico en el evaporador a presión constante.

3-4: Expansión del fluido orgánico en la máquina de expansión.

4-1: Enfriamiento del fluido orgánico en el condensador a presión constante.

Los equipos del ciclo orgánico Rankine básico están representados en la Figura 3.

Figura 3. Ciclo orgánico Rankine básico. Figura 4. Ciclo orgánico Rankine regenerativo.

Los ciclos ORC presentan equipos mucho más compactos que los empleados en el ciclo con agua, lo que permite suprimir algunos elementos, como el desgasificador (como sucede en las Figura 3 y 4).

Figura 5. Diagrama T-s de fluidos orgánicos secos y su temperatura de condensación a presión atmosférica (1 bar). (Fuente: EES1)

1

www.fchart.com Web December 2012.

Estado del arte 6

Ahora bien, los fluidos orgánicos comerciales apropiados para trabajar a temperaturas superiores a 200 °C (como las que presenta el aceite térmico que procede de una caldera de biomasa), presentan temperaturas de condensación a presión atmosférica demasiado altas, como puede verse en la Figura 5, con la consiguiente pérdida de rendimiento. Para mejorar el rendimiento del ciclo sin la instalación de un desgasificador se plantean dos soluciones:

aprovechar el calor del condensador en cogeneración (opción seguida en esta tesis) o bien

establecer un ciclo en cascada en el que el condensador del ciclo de alta sea una caldera de recuperación que aporte calor al ciclo de baja, que opera con un fluido que condensa a temperatura ambiente por encima de la presión atmosférica. Esta segunda opción es propuesta por Aranda et al. [13] trabajando con octamethyltrisiloxane en un ciclo supercrítico para el ciclo de alta y con isopentano en un ciclo subcrítico para el ciclo de baja. Delgado et al. [14] también proponen el ciclo ORC en cascada para un proceso de desalinización por ósmosis inversa, trabajando con hexametildisiloxane para el ciclo de alta y con isopentano en el ciclo de baja, de manera que el ciclo de baja es capaz de suministrar la demanda de electricidad de los servicios auxiliares del sistema.

Trabajando con un fluido orgánico seco [15], es decir, cuya pendiente de la línea de vapor saturado en el diagrama T-s sea positiva, se obtiene una importante temperatura a la salida de la turbina, que puede ser aprovechada en un regenerador para elevar la temperatura de entrada al evaporador, tal como se muestra en la Figura 4, dando lugar así al llamado ciclo regenerativo.

Los ciclos ORC comerciales suelen ser subcríticos, si bien es posible que la presión del fluido orgánico en el evaporador sea supercrítica [16], mejorando así la capacidad de regeneración y elevando la temperatura media de aceptación de calor, lo que redunda en una mejora considerable del rendimiento.

El análisis llevado a cabo por Algieri et al. [17] muestra que los ORC suponen una buena solución para generación a pequeña y mediana escala así como generación descentralizada. Los resultados del análisis ponen de manifiesto la influencia de la temperatura máxima y el impacto significativo del uso del regenerador en el rendimiento de la planta.

2.1.1 Fluido de trabajo.

El rendimiento del ciclo depende directamente de la elección del fluido más apropiado para cada aplicación[18]. No siempre se usan fluidos orgánicos puros. Así, algunos análisis proponen el uso de la mezcla zeotrópica de agua y amoniaco, en cuyo caso el ciclo recibe el nombre de Kalina, que presenta buen comportamiento para fuentes de calor de baja temperatura. No obstante, Bombarda et al. [19] concluyen que el rendimiento del ciclo Kalina no es comparable al de un ciclo ORC correctamente optimizado. Campos Rodríguez et al. [20] en su estudio añaden que el ciclo Kalina presenta además un esquema más complicado y una tecnología no probada comercialmente todavía.

J. Facão et al. [21] en su análisis de selección del fluido de trabajo óptimo, indican que entre los criterios que han de estudiarse destacan la toxicidad, inflamabilidad, coste de disponibilidad, eficiencia térmica y compatibilidad de materiales.

La selección del fluido de trabajo ha sido tratado en numerosos estudios [22, 23, 24, 25] en los que se resumen las principales características que debe cumplir los fluidos de trabajo:

Estado del arte 7

Bajo impacto medioambiental y alto nivel de seguridad. Los principales parámetros que deben tenerse en cuenta son el Potencial de Agotamiento del Ozono (Ozone Depletion Potential), el índice GWP (Global Warming Potential), la toxicidad y la inflamabilidad.

Alta temperatura de estabilidad. Los fluidos orgánicos a altas temperaturas se descomponen y deterioran.

Propiedades Termodinámicas. El rendimiento y/o la potencia producida debe ser la mayor para cada foco y sumidero de calor.

Curva de vapor saturado positiva o isentrópica. La pendiente positiva o casi vertical de la curva de vapor saturado en el diagrama T-s permite comenzar la expansión como vapor saturado y no precisa recalentamiento para evitar la formación de gotas en la turbina.

Alta densidad de vapor. Especialmente para fluidos con baja presión de condensación.

Presiones admisibles. Altas presiones de trabajo suponen altos costes de inversión y mayor complejidad de la instalación.

Disponibilidad comercial y bajo coste.

Algunos fluidos como el isopentano y el R-245fa son buenos candidatos a fluido de trabajo por los buenos rendimientos que presentan los ciclos, pero el isopentano es altamente inflamable y el R-245fa presenta un alto índice GWP. Garg et al. [26] proponen como fluido de trabajo una mezcla de isopentano y R-245fa en relación molar de 0.7/0.3, de manera que se eluden los anteriores problemas y se mantienen las ventajas. La correcta selección del fluido de trabajo también precisa de un estudio termodinámico de las características más convenientes [27], como baja presión y temperatura crítica, bajo volumen específico, baja viscosidad y tensión superficial o alta conductividad térmica [28]. Resumiendo las propiedades termodinámicas deseables en los fluidos de trabajo [29, 30]:

Alta densidad (ρ) en la fase líquida y de vapor para incrementar el flujo másico y reducir el tamaño de los equipos.

Alta Entalpía Latente de Vaporización (Hv) permite que el mayor intercambio de calor se lleve a cabo en el cambio de fase y evitar sobrecalentar o recalentar.

Calor específico a presión constante(cp) permite una pendiente casi vertical de la curva de liquido saturado.

Baja viscosidad (μ) en el fase de líquido y en la fase de vapor para conseguir un coeficiente de transferencia de calor alto con un bajo consumo de potencia.

Alta conductividad térmica (λ) para conseguir un coeficiente de transferencia de calor alto en los intercambiadores de calor.

2.1.2 Componentes

La bomba no presenta características especiales y normalmente no se menciona en detalle en los estudios de investigación, siendo frecuentes eficiencias entre el 65 y el 85% [31].

Estado del arte 8

El tamaño de los intercambiadores influye en la eficiencia del ciclo ORC a través tanto de las irreversibilidades externas (evaporador y condensador) como internas (regenerador). El tamaño adecuado requiere la realización de un estudio del adecuado valor del punto de estricción (pinch point analysis ) [32, 33, 34].

El dispositivo de expansión es el componente más complejo del ciclo, y su rendimiento está altamente influido por el tipo de fluido utilizado. Se pueden emplear motores volumétricos o turbinas, cuyo uso está condicionado en primer lugar por la potencia. Así, para potencias superiores a 150 kW se emplean turbinas, quedando los motores volumétricos para el rango de potencias inferiores [13, 35, 36]. Las Figuras 6 a 8 muestran diversos ejemplos.

Fig. 6 – Motor scroll (Fuente: Emerson2)

Fig.7 – Motor de tornillo (Fuente: OGES3)

Figura 8. Turbina IT10 (Fuente : Infinity Turbine4)

Un análisis más detallado [10] revela que el tipo de máquina depende especialmente tanto de la aplicación (temperaturas de condensación/evaporación) como del fluido. De este modo, se pueden obtener unos mapas de funcionamiento bajo una serie de restricciones constructivas, tal como se muestran en la Figura 9 para motores scroll, en la Figura 10 para motores de tornillo o en la Figura 11 para turbinas radiales. Se observa que las aplicaciones de alta temperatura (cogeneración con biomasa) requieren una temperatura muy elevada de condensación (más de 180°C) si se emplean motores volumétricos , pudiendo reducirse ésta a 120°C si se emplean turbinas.

2 Emerson : http://www.emersonprocess.com, Web April 2011.

3 OGES GmbH: http://www.oges.at/about.htm, Web April 2011.

4 Infinity Turbine: http:// www.infinityturbine.com , Web April 2011.

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Figura 9. Mapa de funcionamiento de motores scroll para diferentes aplicaciones de ciclos ORC según las temperaturas de evaporación (eje de ordenadas) y de condensación (eje de abscisas). (Fuente: [10])

Figura 10. Mapa de funcionamiento de motores de tornillo para diferentes aplicaciones de ciclos ORC según las temperaturas de evaporación (eje de ordenadas) y de condensación (eje de abscisas). (Fuente: [10])

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Figura 11. Mapa de funcionamiento de turbinas radiales para diferentes aplicaciones de ciclos ORC según las temperaturas de evaporación (eje de ordenadas) y de condensación (eje de abscisas). (Fuente: [10])

J. Mikielewicz et al [37] han llevado a cabo un análisis de diseño de micro-turbinas para cogeneración según ciclo orgánico de Rankine usando biomasa. Las turbinas estudiadas son de tipo:

turbinas de flujo axial de escalonamiento simple

turbinas de flujo axial de doble escalonamiento,

turbinas de flujo radial,

turbinas de flujo diagonal

En dicho estudio se obtienen los rangos de potencia eléctrica mostrados en la Tabla 1 para diferentes potencias térmicas:

Tabla 1. Rango de potencia eléctrica optimo (Fuente : [37])

Potencia Eléctrica Potencia Térmica

10,4 kW ÷ 12,8 kW 100 kW

7,6 kW ÷ 9,4 kW 75 kW

5,0 kW ÷ 6,1 kW 50 kW

2,4 kW ÷ 3,3 kW 25 kW

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2.2 Estado de desarrollo de la tecnología ORC

2.2.1 Instalaciones ORC en funcionamiento en Europa

El primer proyecto dentro de Unión Europea de planta de cogeneración (CHP) con caldera de biomasa según ciclo ORC fue la planta de ORC-STIA-ADMONT (Austria). La planta consumía el aserrín y restos madereros no tratados químicamente procedentes de la industria maderera STIA , y suministraba calor de proceso y agua caliente a la empresa STIA-HOLZINDUSTRIE Gmbh y agua caliente al monasterio benedictino de Admont. La planta producía también casi la mitad de la demanda de electricidad de STIA (Pel=400 kWel) [38]. Puede verse un esquema de la instalación en la Figura 12.

Figura 12. Diagrama de proceso de la planta de ORC-STIA-ADMONT ( Fuente: [38])

Una actualización de la tecnología y optimización de la planta ORC-STIA-ADMONT fue llevada a cabo en la planta de cogeneración con caldera de biomasa en Lienz (Austria) [39]. La planta Lienz suministra a la ciudad de Lienz con calor de distrito e inyecta la electricidad producida a la red pública.

El Parque de Scharnhauser es otro ejemplo de integración de biomasa en los sistemas de suministro de energía de áreas urbanas mediante planta de cogeneración con caldera de biomasa según ORC. La planta ha sido diseñada con una potencia eléctrica nominal de 1 MW y térmica de 6 MW. Cada año, aproximadamente el 80 % de la demanda de calor de la zona residencial con unos 8.000 habitantes ha sido cubierta con biomasa, lo que supone una reducción importante de emisiones anuales de dióxido de carbono [40, 41]. Erhart et al.[42, 43] analizan en su estudio los resultados obtenidos de la operación de la planta del Parque de Scharnhauser. Los resultados muestran que la operación aún no es óptima ya que los parámetros de ciclo se diferencian de los datos de diseño. A pesar de los problemas del sistema de combustible, el resultado global se considera positivo dado que se logra que aproximadamente el 80% de la energía térmica producida sea neutra en emisiones de CO2.

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2.2.2 Instalaciones ORC en funcionamiento en España

En la actualidad la mayor parte de los 3.655 ktep de consumo térmico final de biomasa en España proviene del sector forestal, utilizándose en sector doméstico, mediante sistemas tradicionales poco eficientes y en industrias forestales para consumo térmico o cogeneración. El potencial de biomasa disponible en España, bajo hipótesis conservadoras, se sitúa en torno a 88 millones de toneladas de biomasa primaria en verde, incluyendo restos de masas forestales existentes, restos agrícolas, masas existentes sin explotar y cultivos energéticos a implantar. A este potencial se suman más de 12 millones de toneladas de biomasa secundaria seca obtenida de residuos de industrias agroforestales.

En la Tabla 2 se recogen los objetivos para la biomasa para cada uno de los sectores de consumo energético ; sector eléctrico según potencia instalada y sector calefacción y refrigeración según consumo de combustible. Respecto a la biomasa térmica, el consumo en 2020 se repartirá de forma bastante equitativa entre el sector industrial y el sector doméstico y edificios [44].

Tabla 2. Objetivos del PER 2011-2020 en el sector generación y en el sector calefacción y refrigeración. (Fuente: [44])

2010 2015 2020

Sector

Eléctrico (MW)

Consumo (ktep)

Sector Eléctrico

(MW)

Consumo (ktep)

Sector Eléctrico

(MW)

Consumo (ktep)

Biomasa 825 3.729 1.162 4.060 1.950 4.653

Biomasa Sólida

533 3.695

817 3.997

1.350 4.553

Residuos 115 125 200

Biogás 117 39 220 63 400 100

Son pocas las plantas de producción eléctrica que existen en España y la mayor parte de la potencia instalada procede de instalaciones ubicadas en industrias que tienen asegurado el combustible con su propia producción. Es el caso de la industria papelera y, en menor medida, de otras industrias forestales y agroalimentarias, que aprovechan los subproductos y residuos generados en sus procesos de fabricación para reutilizarlos como combustibles.

En lo que se refiere a la cogeneración con biomasa, a pesar del trato retributivo diferenciado respecto a la generación eléctrica sin aprovechamiento térmico, resulta difícil avanzar. En los casos en que existen consumos térmicos adecuados, a algunos sectores industriales, por ejemplo, sus problemáticas especificas les mantienen alejados de analizar esta alternativa. En otras ocasiones los promotores que parten de un primer objetivo de generación eléctrica no pueden ver complementado el proyecto con un aprovechamiento térmico cuantitativamente interesante debido a la lejanía de los consumos, la escasa cultura de redes de calefacción de edificios o las dificultades para prestar un servicio energético en el sector industrial.

Como resultado del proyecto BIOCOM5 de generación eléctrica a pequeña escala, es la primera planta,ubicada en las instalaciones de Nicolás Correa Service S.A. en Burgos e instalada en 2010.

5 http://www.ncservice.es/es/eerr/calor-residual.html Web November 2012.

Estado del arte 13

La planta emplea un módulo ORC de pequeña generación eléctrica (125 kWe) utilizando el calor procedente del proceso de combustión de biomasa en una caldera de aceite térmico. Se trata de una instalación prototipo en la que, además de demostrar la viabilidad técnica del proceso a escala real, se podrán realizar pruebas con distintas biomasas y bajo diversas condiciones.

El sistema de alimentación de biomasa abastece al equipo de generación de calor, que consta de un horno de incineración de parrilla fija con revestimiento refractario. El calor de la combustión se transmite a una caldera de 1.000 kWt de aceite térmico, de diseño vertical, automática y con tres pasos de humos. El circuito de aceite térmico conduce el calor hasta el sistema de producción eléctrica.

El sistema carece de recuperación de calor útil para cogeneración, pero pretende ser una demostración de la generación eléctrica con ORC a partir de biomasa en España. La Figura 13 muestra un esquema de principio.

Figura 13. Esquema instalación proyecto BIOCOM [45]

Estado del arte 14

2.3 Publicaciones propias.

Como trabajo previo a la tesis, se ha llevado a cabo en el Máster en Investigación en Modelado de Sistemas de Ingeniería la exploración de la viabilidad técnico-económica de la aplicación de ciclo ORC según la configuración básica y regenerativa tanto en ciclo subcrítico como supercrítico para distintos fluidos [46]. Los fluidos seleccionados son el hexametildisiloxane (HMDSO), el octametilciclotetrasiloxano (D4), el tolueno y el isopentano, todos ellos fluidos secos.

Figura 14. Rendimiento ciclo subcrítico. (Fuente: [46]) Figura 15. Rendimiento ciclo supercrítico.(Fuente: [46])

Los resultados obtenidos representados en la Figura 14 y Figura 15 muestran la significativa ganancia de rendimiento en la configuración regenerativa con respecto a la básica, así como a los ciclos supercríticos con respecto a los subcríticos. En cuanto a los índices de ahorro de energía primaria, estos presentan valores cercanos al 30% en la mayoría de los casos, y por tanto se encuadran en cogeneración de alta eficiencia según la a Directiva 92/42/CEE. Aunque el mejor rendimiento se alcanza con el uso de D4 en ciclo regenerativo debido a las propiedades físicas del mismo no es posible condensar a presión superior a la atmosférica por lo que se descarta. Puesto que el tolueno es altamente tóxico y el rendimiento calculado tan solo 3 puntos superior al HMDSO se concluye que el mejor fluido es éste.

Posteriormente, se ha desarrollado un estudio de viabilidad económica para plantas de distinto tamaño y costes de biomasa con un rango en cuyo límite inferior se encuentra la biomasa auto producida o con las instalaciones situadas en centros industriales donde el combustible es fundamentalmente gratuito y el límite superior se encuentra el coste de la biomasa comprada a un distribuidor. Los costes de operación y mantenimiento y costes administrativos han sido tomados y actualizados a partir de los datos proporcionados para la planta de Lienz. [39].

Con las hipótesis anteriormente citadas se ha obtenido la tasa interna de rentabilidad dada en función de las horas al año de funcionamiento de la planta y del coste de la biomasa. Se concluye que el precio de la biomasa se ve compensado con el factor de escala de la planta, de manera que la tasa de retorno es similar para plantas de menor tamaño y combustible barato que para plantas de mayor tamaño y combustible más caro como se aprecia en la Figura 16.

Basic Regenerative

0%

5%

10%

15%

20%

25%

HMDSO D4 Tolueno Isopentane

Basic Regenerative

0%

5%

10%

15%

20%

25%

HDMSO D4 Tolueno Isopentane

Estado del arte 15

Figura 16. Tasa interna de retorno vs horas de funcionamiento de la planta (planta subcritica regenerativa con HMDSO) (Fuente: [46])

Los resultados técnicos y económicos obtenidos son equiparables a los parámetros de operación de la planta real integrada en un sistema de calefacción de distrito situada en la ciudad polaca de Ostrow Wielkopolski [47]. La planta consta de un ciclo ORC de 1,5 MWE en operación desde septiembre del 2007 con un rendimiento eléctrico del 16,7 % y produce agua caliente entre 60/85°C. La electricidad producida se está vendiendo a 140 €/MWhe y la energía térmica a 30 €/Mwhth, mientras que el coste de la biomasa está en 10 €/Mwhth,. Las horas de operación anuales de la planta son unas 5.500.

El rendimiento obtenido en el estudio [46] para el ciclo subcrítico regenerativo con HMDSO es de 17,34%, valor comparable con el rendimiento de operación de la planta (16,7%) y ligeramente superior ya que no se han considerado para el cálculo teórico las pérdida de presión.

En cuanto a los valores económicos, podemos ver en la Tabla 3 que para una planta de 1 MWE subcrítico y con coste de la biomasa de 15,5 €/MWth el cash-flow obtenido es de 1.070 k€. Si escalamos los valores de venta de la electricidad, el calor útil y los flujos de combustible según los datos proporcionados de la planta de Ostrow Wielkopolski , se obtiene un cash-flow de 956.16 k€, valor igualmente comparable con el obtenido en el estudio.

Tabla 3. Flujos económicos en el primer año para 6.000 horas de operación ([46])

Tipo de Ciclo

[MWe] (k€) (k€) (k€) (k€) (k€) (k€)

Subcrítico 1 300 1.862 277,7 782,5 250,0 60,0

Supercrítico 1 300 1.344 212,9 600,0 250,0 60,0

Subcrítico 2 600 3.724 555,3 1.565,0 250,0 60,0

Supercrítico 2 600 2.856 425,8 1.200,0 250,0 60,0

Potencia Instalada

Electricidad Vendida

Calor Vendido

Coste Biomasa (5,5 €/MWhth)

Coste Biomasa (15,5€/MWhth)

Coste Mantenimiento

Costes Administrativos

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3 OBJETIVO PRINCIPAL

La tesis busca obtener la viabilidad técnico-económica de la aplicación de biomasa a la cogeneración mediante ciclo ORC en España. Para ello se pretende seleccionar la configuración más adecuada de ciclo y fluido de trabajo según la demanda del usuario y la disponibilidad del recurso.

La demanda térmica incluirá la preparación del agua caliente sanitaria, calefacción y refrigeración mediante máquinas de absorción, con las restricciones técnicas (tamaños de plantas, disponibilidad de equipos comerciales y disponibilidad de recurso) y de rentabilidad económicas adecuadas.

3.1 OBJETIVOS SECUDARIOS

Como parte de la metodología para alcanzar el objetivo principal se buscarán emplazamientos significativos en los climas atlántico, continental y mediterráneo en España seleccionados a partir de su adecuación demanda/recurso a plantas económicamente viables. Se obtendrá así una información orientativa sobre la viabilidad de este tipo de proyectos en España.

Como parte de estudio del balance energético de la planta se seleccionarán los fluidos más adecuados según la eficiencia del ciclo. Se realizará también un dimensionado preliminar de los equipos principales (intercambiadores, bomba y turbina) con objeto de comparar las instalaciones resultantes según el fluido de trabajo. Aunque principalmente se analizará la operación en el punto nominal, se obtendrá también la respuesta de la planta fuera del punto de diseño por si la estrategia de operación requiriese el trabajo en dichas condiciones.

Se explorarán diferentes alternativas al modelo de negocio que hagan viable económicamente el abastecimiento del recurso.

Finalmente, se valorarán diferentes estrategias de operación del sistema, incluyendo el almacenamiento térmico y el auto consumo eléctrico.

Estado del arte 17

4 METODOLOGÍA

4.1 Medios

Para poder llevar a cabo los distintos análisis termodinámicos y procesos de optimización de cada una de las configuraciones, así como de la viabilidad económica, se desarrollarán códigos fundamentalmente en EES6, que integra en la misma aplicación un potente solucionador de ecuaciones con una base de datos de propiedades de fluidos, así como entornos gráficos.

Dado que el calor útil se retira del condensador las condiciones ambientales, éstas no afectan a las prestaciones de la planta más allá de la variación de la demanda. Sin embargo, diferentes estrategias de operación podrían requerir analizar la operación a carga parcial. Para ello se creará un modelo específico en EES que será validado con THERMOFLEX7, un entorno de análisis de sistemas y procesos energéticos que integra tanto el diseño termodinámico (en condiciones nominales y fuera de diseño) como el de ingeniería y económico. El empleo de este código permitirá estimar los tamaños de la instalación, al posibilitar el empleo de elementos comerciales en el diseño. Con ello se obtendrán también valoraciones de la inversión, de cara al análisis económico.

La determinación de la demanda térmica se hará a partir de estudios que presentan datos globales [48] y del método de grados-día[49, 50], tomando como patrón el estudio de diversos edificios tipo a partir de CYPE8 que actúa como interfaz ante el código EnergyPlus9, desarrollado por el Departamento de Energía (DoE) de Estados Unidos y que permite el análisis horario de la demanda térmica de edificios. Resultará especialmente útil la aplicación del Código Técnico de la Edificación llevada a cabo en [51] donde se muestran demandas de calor, frío y ACS para edificios existentes en España, estableciéndose su relación con el método de los grados-día, tanto de calefacción como de refrigeración.

Para evaluar los recursos así como los gastos de recolección y transporte de biomasa residual, agrícola y forestal se hará uso de la herramienta BIORAISE10, desarrollada por el Centro de Desarrollo de Energías Renovables (CEDER) del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), incluida en el VI Programa Marco CHRISGAS11 (Clean Hydrogem-rich síntesis Gas) de la Unión Europea. A través de esta aplicación se puede calcular la biomasa disponible en un territorio determinado, su coste de extracción y logístico, con superficies de ratios de uno a 100 kilómetros alrededor de localizaciones seleccionadas.

Además, la doctoranda cuenta con la experiencia acumulada por los directores tras años de investigación en ciclos de Rankine Orgánicos [52, 53, 54].

6 www.fchart.com Web December 2012.

7 www.thermoflow.com December 2012.

8 http://www.cype.es/ December 2012.

9 http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/energyplus_about.cfm December 2012

10 BIORAISE (http://bioraise.ciemat.es/bioraise/intro.aspx ) December 2012

11 www.chrisgas.com December 2012.

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4.2 Cronograma.

En la figura 17 se presenta el cronograma. Las tareas propuestas en la planificación de la tesis son:

1. PROSPECTIVA TECNOLÓGICA: Esta fase se halla comenzada debido al trabajo previo llevado a cabo durante el Máster Universitario en Investigación en Modelado de Sistemas de Ingeniería que ha supuesto el envío de los resultados obtenidos a una revista [43]. La tareas consiste en una revisión del estado del arte del tema presentado para la tesis así como la familiarización con las herramientas que se emplearán para su desarrollo y la elaboración de la propuesta de tesis.

2. DETERMINACIÓN DE ESCENARIOS Y RECURSOS. La determinación de los emplazamientos de los escenarios supone el análisis de la demanda térmica según las condiciones climatológicas así como un estudio de la disponibilidad de combustible .

3. DISEÑO DEL CICLO TIPO. Diseño del ciclo de Rankine a partir del trabajo previo desarrollado en dos etapas, la primera la optimización para ciclo trabajando en el punto nominal y la segunda para el ciclo trabajando fuera de este. Se estudiarán distintos fluidos en equipos de prestaciones comerciales. Se desarrollará un análisis tanto energético como exergético para su diseño.

4. ANÁLISIS ECONÓMICO. Para el cálculo de la viabilidad económica de los modelos propuestos (punto nominal y fuera del punto nominal), se llevará a cabo un análisis económico en el que se calculará, para cada caso, la inversión inicial y los costes de mantenimiento y operación, a partir de los que se formará el coste de generación y posteriormente se obtendrán los índices de rentabilidad.

5. REDACCIÓN. Se elaborará la Memoria final de la tesis, analizando todos los resultados, el grado de cumplimiento de los objetivos y redactando las conclusiones finales. Durante esta etapa se elaborará una publicación como resumen de los resultados obtenidos.

Figura 17. Cronograma Propuesto.

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