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22/4/2015 TecnologasparaMicrotrigeneracinDistribuida

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Introducin

Sistemasdemicrotrigeneracinconpiladecombustible

Sistemademicrotrigeneracinconmicroturbinasdegas

SistemademicrotrigeneracinconmotorStirling

Anlisiscomparativodelastecnologasconmicrotrigeneracin

Conclusiones

Bibliografa

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TecnologasparaMicrotrigeneracinDistribuidaJ.I.SanMartn,I.Zamora,J.J.SanMartn,V.Aperribay,F.J.Asensio,J.Garca.

Enlosltimosaosexisteungranintersporlatransicindelossistemasdegeneracindeenergaelctricacentralizadosadescentralizados,tambinllamadosdeGeneracinDistribuida(G.D.).Esteprocesoseestllevandoacaboparcialmente,analizandolasventajaseinconvenientesqueproporcionaralusuariofinal.Enmuchossectores,lossistemasenergticosintegradosdeenergaelctrica,calefaccinrefigeracinyaguacalientesanitaria,puedenserunaopcinenergticaviableysostenible.Enestossistemaselcalorgeneradoatiendelasnecesidadesdecalefaccindurantelosmesesdeinviernoysepuedeutilizarparaaccionarmquinasderefrigeracinporabsorcin,produciendofrodurantelosmesesdeverano.

Elelementoclavedeestossistemasdetrigeneracinesundispositivogenerador,basadoendiferentestecnologasconvencionales,comoturbinadegas,turbinadevapor,motoralternativodecombustininterna,ciclocombinado,etc.Actualmente,latecnologamscomnenprocesosenergticosdetrigeneracinsonlosmotoresdecombustininterna,queimpulsangeneradoreselctricosybombasdecalor,permitiendosatisfacerlasnecesidadeselctricasytrmicas.Sinembargo,mirandoalfuturo,tambinhayqueconsiderarotrasopcionesqueseencuentranenestadoemergente.

Estacontribucintcnicapresentalaspropiedadesmsrelevantesdelastecnologasemergentesutilizadasenelmbitodelossistemasdemicrotrigeneracindistribuida,comolapiladecombustible,lamicroturbinadegasyelmotorStirling.Enestesentido,seaportandatosrelativosalaseficienciaselctrica,trmicayglobal,ascomolosdistintosdispositivosdelsistemadetrigeneracin,,ventajas,inconvenientes,ciclodevida,aplicacionesespecificas,etc.

PALABRASCLAVE

GeneracinDistribuida,TecnologasEmergentes,Microtrigeneracin,Cogeneracin,Hidrgeno,PilasdeCombustible,MotorStirling,MicroturbinasdeGas,EficienciaElctrica,EficienciaGlobal.

1.Introduccin

Comoresultadodeladesregulacinenelsectordelaenergaelctrica,apareceunanuevaidentidadenelmbitodelageneracindelsectorelctricoconocidacomoGeneracinDistribuida(G.D.).Estetipodegeneracinincluyerecursosrenovablesynorenovables,unidadesdecogeneracinytrigeneracin,ascomotecnologasdealmacenamientodeenerga.LautilizacindeestossistemasdeG.D.ofrecenimportantesventajasrespectoalautilizacindelossistemasconvencionales.Enestesentidocabedestacarlareduccindecostesdeenergaparalosusuarios,menoresprdidasenelprocesodetransmisin,menoresemisionesdedixidodecarbono,generacindeenergaelctricademayorcalidadyunsistemaelctricomenosvulnerable[1].

Enestecontexto,seestutilizandoungrupodetecnologasemergentesenaplicacionescomoalimentacindecargascrticas,mejoradelperfildetensinysuministrodeenergaenhoraspuntayenentornosruralesoremotos.Adems,muchastecnologaspermitenlarecuperacindelcalorresidual,circunstanciaquepermiteelevarnotablementelaeficienciaglobal.Dehecho,elxitocomercialdevariastecnologasdepequeaescala,esdecir,inferioresa1MWe,sedebealaproduccincombinadadeenergaelctricaycalortilenaplicacionesdecogeneracin[2].

Porotraparte,algunasaplicacionesdecogeneracinpresentantambinnecesidadesdeaireacondicionado,endeterminadosperiodosdelao.Esdecir,secaracterizanpornecesitarenergaelctrica,caloryfro.Laproduccincombinadadeestastresformasdeenergaseconocecomotrigeneracin[3].Enesteescenario,laDirectivaEuropeasobreelfomentodelacogeneracin[4],definecomomicrocogeneracinalaproduccincombinadadeenergaelctrica(inferiora50kW)yenergatrmica,partiendodeunanicafuentedeenergaprimaria.Deestaforma,lastecnologasutilizadasenmicrotrigeneracinsecaracterizanporunaelevadaeficienciaybajasemisionescontaminantes.

Laformadeoperardelossistemasdetrigeneracinpuedeserdeformaseparadaosimultnea.Cuandooperandemodoseparado,elsistemaproporcionacalefaccineninviernoyfroenperodosdecalor,ademsdeenerga



elctricadurantetodoelao.Estaestrategiaseadoptaenelsectorresidencial,industrialydeservicios.Cuandoelsistemaoperadeformasimultnea,ademsdesuministrarenergaelctrica,cubrelosrequisitosdecalefaccinyrefrigeracinparasatisfacerlasnecesidadesdelosusuarios[5].

Actualmente,losmotoresdecombustininternarepresentanlatecnologamsmaduraenelmercado[6].Conposterioridadsehanincluidoenestasaplicacionesdemicrotrigeneracinlasmicroturbinasdegas[7].Asmismo,laspilasdecombustibleseconsideranalternativasmuyprometedoras,debidoasuelevadaeficienciayalaposibilidaddehibridacinconotrastecnologas[8].Finalmente,elmotorStirlingesotradelastecnologasemergentesquedestacaenlasaplicacionesdemicrotrigeneracin,porelahorrodecombustibleylosbeneficioseconmicos[9].Acontinuacinsepresentanlascaractersticasmsrelevantesdecadaunadeestastrestecnologasemergentes.

2.Sistemasdemicrotrigeneracinconpiladecombustible

Unapiladecombustibleesundispositivoelectroqumicocapazdeconvertirlaenergaqumicadelosreactivos(uncombustibleyunoxidante)directamenteenenergaelctricadebajovoltaje.Lapiladecombustiblelograestatransformacinmedianteunareaccinelectroqumica,deformaquelaproduccindeenergaelctricadurarloquelohagaelaportedereactivos,dadoqueeloxidanteyelproductoqueseoxidanoconstituyenlaestructuradelapilayamboscompuestospuedensuministrarseininterrumpidamente.Comolareaccinelectroqumicadelapiladecombustibleesexotrmica,seproducecalorresidual,quesepuedeutilizarparaprocesosdepoligeneracin.Puedenalcanzareficienciaselctricasdehastael60%yeficienciasglobalesdelentornodel90%.

Eltipodecombustibleutilizadopuedeserdesdehidrgeno,hastahidrocarburossencillosyderivados,talescomoalcoholes.Lautilizacindecombustiblespuroseliminaproblemasasociadosacontaminaciones,comoS,NO,V,etc.Porotraparte,elhidrgenonogeneraderivadostalescomoelCOyelCO2.Loshidrocarburosslohacen,perodadalaelevadaeficienciadelaspilasdecombustible,paracantidadesequivalentesdeenergaproducida,lasemisionesdeCO2puedenreducirsealamitadomenos,conelconsiguientebeneficiomedioambiental.

Aunquesepuedendistinguirseistiposdepilasdecombustible,enesteapartadosepresentanlosparmetrosmsdestacadosdelascuatropilasdecombustiblesusceptiblesdemayorutilizacinenprocesosdemicrotrigeneracindistribuida(Figura1)[8].

Fig.1.Caractersticasdelaspilasdecombustibleusadasenmicrotrigeneracin

Deestoscuatrotiposdepilasdecombustible,lapilaSOFCeslaqueoperaamayortemperaturay,porlotanto,laquepresentaunamayorposibilidaddeaprovechamientodecalorresidual.

Enlafigura2,semuestraestapiladecombustibleSOFC,integradaenunsistemaparalaobtencindeenergaelctricayaireacondicionadooaguacaliente,parasuaplicacinenedificios.Utilizacomopardetrabajoagua/bromurodelitio,enuncicloderefrigeracinporabsorcin,presentandograndesventajastcnicasymedioambientales[10].Laenergatrmicasepretendeaprovecharparacalefaccinyrefrigeracinambiental,ascomoenelsuministrodeaguacaliente.



Fig.2.SistemaSOFCparalaproduccindeenergaelctricaytrmica

ElsistemaSOFCquesemuestraenlafigura2esunmodelotubularde110kW,desarrolladoporSiemensWestinghouse.ParaestesistemasehanobtenidounosresultadosdeCOP(Coeficientedeoperacin)deCOPC=1,01yCOPH=0,84,siendoCOPCelcoeficientedeoperacinenmodorefrigeracinyCOPHelcoeficientedeoperacinenmodocalentamiento.Laeficienciaelctricadelsistemaesdel43,3%,laeficienciatrmicaenmodocalefaccinesdel43,7%,laeficienciatrmicaenmodorefrigeracinesdel52,6%ylaeficienciatrmicaenlaproduccindeaguacalienteesdel46,7%.Enconsecuencia,seobtienenunosresultadosdeeficienciaglobalenlostresmodosdefuncionamientode:87,95%,95,9%y90%,respectivamente.

Finalmente,enlafigura3,sepresentanlosparmetrosdealgunascasascomercialesquedesarrollansistemasdepilasdecombustibleparamicrotrigeneracin.

Fig.3.Modeloscomercialesdepilasdecombustibleparatrigeneracin

3.Sistemademicrotrigeneracinconmicroturbinasdegas

Lasmicroturbinasdegassonpequeasturbinasdecombustin,conunacapacidadinstaladaqueoscilaentre25y300kW,presentandovelocidadesderotacinmuyelevadas(entre50.000y120.000rpm).Puedenutilizarsecomosistemasdegeneracinelctricadeapoyoparasatisfacerpicosdedemandaocomogeneradoresdistribuidosenmicroredes,pudiendooperarconciclossimplesoconciclosregenerativos.

Cuandooperanconciclossimples,elcosteesinferiorysemezclaelairecomprimidoconelcombustible,realizdoselacombustinapresinconstante.Losgasescalientesseexpandenenlaturbina,produciendotrabajo.Enelcasodelasmicroturbinasdecicloregenerativo,incorporanunintercambiadorpararecuperarcalordelasalidadelaturbinaytransferirloalaentradadelaire.Elaireprecalentadoseutilizaposteriormenteenelprocesodecombustin,ahorrandoentreel30yel40%delcombustible[11].Combinarmicroturbinasconequiposderecuperacindeenergapermiteduplicarlaeficienciaelctricadeaquellas.Amododeejemplo,enlafigura4sepresentaeldiagramadebloquesdeunamicroturbinadegas,concicloregenerativo[12],[13].

Loscombustiblesutilizadospuedensergasnatural,GLP(ButanoyPropanocomercial),dieselyqueroseno,ascomocombustiblesdebajopodercalorfico(biogsprocedentedeladigestinanaerobiadevertederos,plantasdepurines,plantasdetratamientodeaguasresiduales,etc.).

Laprincipalventajadelasmicroturbinasdegasencomparacinconlosmotoresdecombustininternaesquelaproduccindecalorprocededeunanicafuente,comosonlosgasesdeescape.Enconsecuencia,elsistemaderecuperacindecaloresmssencillo.Tienenunnivelderuidomoderado,sinvibracionesyrequierendemenormantenimiento.Lasemisionesdegasesperjudicialessoninferioresaotrastecnologas,excluyendolaspilasdecombustible.



Fig.4.Esquemademicroturbinadegasdeejesimple,concicloregenerativo

Finalmente,enlafigura5seindicanlascaractersticasmsdestacadasdediversosmodeloscomercialesdemicroturbinasdegas,quesepuedenutilizarenprocesosdetrigeneracin.

Fig.5.Caractersticasdemicroturbinasparamicrotrigeneracin

4.SistemademicrotrigeneracinconmotorStirling

ElmotorStirlingesunmotordecombustinexterna,queoperaenbaseaunciclotermodinmicoregenerativoquepuedealcanzaraltaseficienciasglobales.Utilizacomofluidodeoperacinhidrgeno,helio,oxgeno,nitrgeno,dixidodecarbono,etc.Lacombustinexternapermiteoperarconunaampliavariedaddecombustibles,incluyendoloscombustiblesfsiles,biomasa,energasolar,geotrmica,etc.Otracaractersticadestacableesquepuedeoperarabajastemperaturas,deestaforma,sepuedenutilizaralgunasfuentesdeenergaqueestn,engeneral,muyextendidas,porejemplo,elaguacaliente.Adems,estosmotorestienenbajasemisionescontaminantes,bajosnivelesderuido,largosperiodosdeoperacinsinnecesidaddemantenimiento,altaeficienciaglobalybuenrendimientoacargaparcial.

Enlafigura6seindicanlosparmetrosmsrelevantesdesistemasdemicrogeneracinbasadosenelmotorStirling[5].

Fig.6.CaractersticasdedistintosmotoresStirlingcomerciales

Adems,enlafigura7semuestraunsistemadetrigeneracinadaptadoaunmotorStirling,queconectaelsistemadecogeneracinaunsistemaderefrigeracinporabsorcin,alimentadocongasnatural[9].ElcalortilprocededelosgasesdeescapedelacombustinexternaydelcircuitoderefrigeracindelmotorStirling.Esdecir,elcalordelosgasesdeescapeseutilizaparaactivarelsistemaderefrigeracinporabsorcin,yelcalorprocedentedelcircuitoderefrigeracindelmotorseutilizaparaobteneraguacaliente.Latorrederefrigeracinrealizaelenfriamientodelequipodeabsorcin.Elsistemaproducirfro,enveranoycaloreninvierno.Durante



todoelao,elsistemasuministraenergaelctricaycalorparaobteneraguacalientesanitaria.

Fig.7.SistemadetrigeneracinconmotorStirling

5.Anlisiscomparativodelastecnologasconmicrotrigeneracin

Amododeresumencomparativo,enlafigura8seindicanlascaractersticasyparmetrosmsdestacadosdelosdispositivosquepuedenserutilizadosensistemasdetrigeneracin.Estacomparativapermitetomardecisionessobrelatecnologamsacertadaparaunaaplicacinconcreta.Adems,sepuedencompararlasprestacionesdelastecnologasemergentesyconvencionales[14],[15],[16],[17],[18],[19],[20]y[21].

Fig.8.Parmetrosrelevantesdetecnologasemergentesyconvencionalesparamicrotrigeneracin

6.Conclusiones

Estacomunicacinhapresentadolascaractersticasyparmetrosmsrelevantesdelastecnologasemergentesqueseutilizanenelmbitodelamicrotrigeneracindistribuida.Enestecontexto,dependiendodelacalidaddelaenergatrmicarecuperada,esposibleintegrarunconjuntodetecnologasderefrigeracinactivadastrmicamente.As,laspilasdecombustibledexidosslidosSOFC,quegeneranenergatrmicaamuyaltastemperaturas,puedenactivarsistemasderefrigeracinporabsorcindedobleefecto,conunaelevadaeficiencia.Porelcontrario,lasmicroturbinasdegasypequeosmotoresStirlingtienencapacidadparaactivarequiposderefrigeracinporabsorcindesimpleefecto.Estastecnologaspermitenreconducirlosgasesdeescapemediantevlvulas,paraactivarciclosderefrigeracinenlasunidadesdecogeneracinotrigeneracin.Enestesentido,sedebeevaluarelintersdeaumentarlaeficienciaelctricaconintercambiadoresdecaloroaprovecharelcalorresidualatemperaturasmselevadasparaaumentarlaenergatrmicaoelfluidofro,segnlasnecesidades.

Enelcontextodelamicrotrigeneracin,lossectoresresidenciales,industrialesydeserviciosrequierencalorenordenasatisfacerlasnecesidadesenergticas.Lasaplicacionesmsdestacadassepuedenresumirenfuncindelatemperaturadelcalorrequerido.Enestesentido,seutilizanlosprocesosdebajatemperatura,inferioralos100C,encalefaccinorefrigeracindeespacios,aguacalientedomsticayenproduccinagrcola.Enelrangodetemperaturamedia,de100a300C,ensectorescomotextilesyazucareras.Enestosprocesoselcalorsesuministranormalmenteenformadevapor.Porltimo,enelrangodetemperaturaelevada,de300a700C,seutilizaenalgunasindustriasmetalrgicasyqumicas.



Agradecimientos

EltrabajopresentadoenestacomunicacinhasidofinanciadoporelGobiernoVasco(Ref.IT53210)yporlaUniversidaddelPasVascoUPV/EHU(UFI11/28).

Bibliografa

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