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LA MICROCOGENERACIÓN CON BIOMASA
Ana Sin Bagüés ([email protected])
GRUPO BERA (Biomasa, Evaluación, Recursos y Aprovechamiento)
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ÍNDICE
• Energía de la biomasa
• Aspectos generales de la cogeneración
• Descripción de tecnologías aplicables
– Estado actual
– Barreras y oportunidades de desarrollo
– Ejemplos
• Marco legal
• Laboratorio de trigeneración CIRCE
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Energía de la biomasa
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Energía de la biomasa
• Energía renovable
– Recurso inagotable
– Diversificación energética
• Escaso impacto ambiental
– Balance neto de CO2 nulo
– Contenido mínimo en azufre
• Evita el abandono de tierras
• Mejora masas forestales
• Creación de empleo rural
Nutrientes
C6H12O6
6 O2
6 H2O
6 CO2
C6H12O6 + 6O2+ 6CO2 + 6H2O+ Q + Cenizas
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¿Qué es la cogeneración?
• COGENERACIÓN (CHP): Producción conjunta, in situ y en proceso secuencial de electricidad (W) y calor (Q)
Caldera
Planta eléctrica W
QCombustibleSistema de
cogeneración
Combustible
Combustible
Sin Cogeneración Cogeneración
Microcogeneración P<50kWPequeña y mediana potencia P<2MW
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Ventajas e inconvenientes
Los Estados priman las plantas de cogeneración
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Aplicaciones de la cogeneración• En general, cualquier centro consumidor de energía térmica y
electricidad:– Sector industrial (PYMES)– Sector agrícola – ganadero (biogás procedente de residuos)– Sector residencial – terciario (viviendas, hospitales, edificios de uso
deportivo, centros comerciales, oficinas…)
• Aprovechamiento del calor– Producción de vapor– Aprovechamiento directo de gases (Secaderos, hornos, purines, …)– Agua caliente (Calefacción + ACS)– Producción de frío (Ciclos de refrigeración activados térmicamente)
• Requisitos imprescindibles– Consumo de cantidades importantes de calor– Fiabilidad en el suministro de combustibles– Factor de utilización elevado
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Diseño de sistemas • Dimensionamiento
- Cargas térmicas y eléctricas existentes: nivel y duración (variabilidad)
- Tipo de combustible disponible- Selección de la tecnología más adecuada y potencia- Conexión con el sistema eléctrico y térmico existente- Evaluación preliminar y estudio de viabilidad
W
Q
Venta de electricidad
Caldera auxiliar
Compra de electricidad
Caldera auxiliar
Venta de electricidad
Venta de calor
Compra de electricidad
Venta de calor
Punto de demanda
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Consideraciones económicas
• Costes– Costes de Inversión– Costes de O&M– Costes de Combustible
• Ingresos → Venta de electricidad– Precio de venta de la electricidad dependiendo del combustible
biomásico utilizado (Residuo forestal, cultivo energético,…)– Complemento por eficiencia de la instalación – Ayudas a la financiación
• Ahorros– Factura eléctrica– Producción térmica
Combustible
Inversión O&M
Factura eléctrica
Energía térmica (Q)
Electricidad (W)
Sistema de cogeneración
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Consideraciones económicas• Influencia del tamaño de planta
sobre el coste
• Influencia del tamaño de planta sobre el rendimiento eléctrico
Fuente: IDAE
Fuente: ENAMORA
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Parámetros característicos
• De carácter termodinámico:– Energía asociada al combustible: F– Rendimiento eléctrico: ηe = We/F– Rendimiento térmico: ηt = Q/F– Rendimiento energético: η = (We+Q)/F– Relación trabajo – calor: rW/Q = We/Q
• De carácter legislativo: – % Ahorro de energía primaria PES RD 616/2007
– Rendimiento eléctrico equivalente: REERD 661/2007
Caldera (RefH)
Planta eléctrica (RefE) We
QCombustible (F)Sistema de
cogeneración
Combustible
Combustible
Sin Cogeneración Cogeneración
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Tecnologías aplicables
• Motor Alternativo de Combustión Interna (MACI)• Microturbina de gas• Ciclo Rankine orgánico (ORC)• Motor Stirling• Pila de combustible
10
20
30
40
50
10 20 30 40 50
Turbinas de vapor (Ciclo Rankine convencional)Turbinas de vapor (Ciclo Rankine orgánico)Motores StirlingMotores alternativos de combustión internaTurbinas de gasPilas de combustibleCiclo Combinado
hPCI(%)
Potencia nominal (MWe)
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Gasificación
Tecnología de conversión
Pila de combustible
Caldera y/o Ciclo de
vapor/Stirling
MACI o Turbina de
GasLimpieza del
gas
Productos primarios
Conversión secundaria Productos finales 1
Electricidad
Calor
Electricidad
Calor
Electricidad
Calor
Conversión terciaria
M. Absorción o
Adsorción
Frío
Productos finales 2
Aire/Vapor/Oxígeno/H2
Gas
combustible
Pirólisis
Caldera y/o Ciclo de
vapor/Stirling
MACI o Turbina de Gas
Pre-tratamiento*
Calor
Electricidad
Calor
M. Absorción o
AdsorciónFrío
BIOMASA
Electricidad
Calor
Gascombustible
Líquido pirolítico
Carbón vegetal
Combustión
Aire/O2
Calor
Electricidad
M. Absorción o
Adsorción
Frío
Gases calientes
M. AbsorciónFrío
Caldera y/o Ciclo de
vapor/Stirling
M. CompresiónFrío
M. CompresiónFrío
M. CompresiónFrío
Tecnologías aplicables
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Tecnologías aplicables
• Consecuencias– Operación: mantenimiento, compleja limpieza y eliminación– Eficiencia: resistencia a los procesos de transferencia de calor– Emisiones: material particulado– Fiabilidad: corrosión reduce la vida útil
• Consecuencias– Operación– Eficiencia– Limpieza del gas
BIOMASA
% materia inorgánica Cenizas
Aglomeración y sinterización
Deposición
Corrosión
BIOMASA Gases condensables Alquitranes
Gasificación
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MACI• Principio de funcionamiento:
– Motor de encendido provocado (MEP): Ciclo Otto– Motor de encendido por compresión (MEC): Ciclo Diesel
• Combustión interna → Funcionamiento con combustibles líquidos/gaseosos → Gasificación o Pirólisis previa de la biomasa sólida
• Uso de MEP o MEC:• Dependiendo de las características del combustible obtenido
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MACI• Aplicación a generación eléctrica con biomasa:
• Rango de potencias: 5 kWe – 15 MWe • Rendimientos: 25-45%
• Temperatura del calor residual:• Gases de escape: 300-500ºC (agua o vapor 100-120ºC)• Agua de refrigeración de la camisa: agua 85-90ºC• Refrigeración del aceite lubricante: agua 80ºC
• Ventajas:• Buen comportamiento a carga parcial• Elevado rendimiento eléctrico• Disponibilidad tecnológica• Bajo coste de inversión y de operación
• Limitaciones:• Problemática asociada a combustibles “sucios” y de bajo PC• Limpieza en caliente de gases de síntesis• Aprovechamiento térmico a diferentes niveles de temperatura• Mantenimiento
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MACI• Ejemplo unidad comercial de cogeneración con biogás
– Enertec Kranftwerke GmbH
et-050BG-MA et-103BG-MA
P (kWe) 50 103W/Q 0,58 0,81ηe (%) 30,5 38,3η (%) 83 85,3Dimensiones(m) 2,8x0,9x2,1 2,80x0,9x2,1
Peso 2270 2740Ruido (dB a 1m) 80 81
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MACI• Ejemplo de unidad comercial con biomasa sólida + gasificador
– Community Power Corporation BioMax 25
www.gocpc.com
Combustible Astillas, pélets
Motor MEP/MEC
Potencia (kWe) 25
W/Q 0,28
η (%) 80
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MACI• Suministradores de motores y unidades de cogeneración:
– ABB– GE-Jenbacher– Grupo Guascor– 2G IBÉRICA– LIEBHERR– MAN– MTU Ibérica– SEVA Energie AG– …
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Microturbina de gas• Motor rotativo de combustión interna (Turbo-máquina térmica)
que opera en un ciclo termodinámico teórico denominado ciclo Brayton
• Combustión interna → Funcionamiento con combustibles líquidos/gaseosos → Gasificación o Pirólisis previa de la biomasa
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Microturbina de gas• Aplicación a generación eléctrica con biomasa:
• Rango de potencias: 25 – 250 kWe (1-10kWe en desarrollo)• Rendimientos: 15-30%
• Temperatura del calor residual:• Gases de escape: 400-600ºC (agua, vapor 100-120ºC)
• Ventajas:• Elevada temperatura gases de escape → Posibilidad de
integración con otras tecnologías en ciclos combinados• Disponibilidad tecnológica• Reducido tamaño y peso• Pocas partes móviles mantenimiento y ruido
• Limitaciones:• Problemática asociada a combustibles “sucios” y de bajo PC• Limpieza en caliente de gases de síntesis• Personal cualificado • Carga parcial
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Microturbina de gas• Ejemplo de unidad de cogeneración comercial:
– Capstone CR30 MicroTurbineModelo para operación con gas (gas natural, biogás de vertedero, de digestor) y con líquido (diesel, biodiesel, queroseno…)
• Suministradores:– Capstone– Compower– Micropower Europe– Turbec– …
Potencia (kW) 30 ηe (%) 28Dimensiones (m) 0,76x1,50x1,90Peso (kg) 405Ruido (dB a 10m) 65
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Ciclo de Rankine Orgánico (ORC)• Principio de funcionamiento: ciclo de vapor Rankine
• Diferencias entre ciclo Rankine convencional y ORC:• Fluido de trabajo: agua vs fluido orgánico (R134a, R152a, R600…)
• Menor Tª de evaporación y mayor calor latente • Mayor densidad
• Condiciones del vapor en la admisión de la turbina• Menor T y P
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ORC• Aplicación a generación eléctrica con biomasa:
• Rango de potencias: 3,5-200 kWe• Rendimientos: 8-15%
• Temperatura de activación:• Fluidos bajo punto de ebullición: 80-120ºC• Fluidos alto punto de ebullición: 250-300ºC
• Ventajas:• Separación de sistema de combustión y generación de potencia
(Caldera de biomasa + Ciclo Rankine)• Buen comportamiento a carga parcial• Bajo mantenimiento• Bajas presiones y temperaturas de funcionamiento
Fuentes de calor a baja temperatura: energía geotérmica, solar…Menor exigencia a los materiales, seguridad
• Limitaciones:• Alto coste de inversión• Bajo rendimiento eléctrico
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ORC• Ejemplo de unidad comercial:
– Enef tech, Module Enefcogen
Potencia (kWe) 30W/Q 0,1ηe (%) 8Tª fuente de calor (ºC)
130
Tª fuente de refrigeración (ºC)
30
Dimensiones (m) 1,9x2,1x1Peso (kg) 1300
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ORC• Suministradores:
– Electratherm – Enef tech– Infiniy Turbine– LTi– Turbolina– …
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Motor Stirling• Motor alternativo de combustión externa que opera en un ciclo
termodinámico teórico denominado ciclo Stirling• Principio de funcionamiento del ciclo Stirling
– Ciclo cerrado en el que un gas de trabajo es alternativamente comprimido en un cilindro frío y expandido en un cilindro caliente
– Aporte de calor externo
• Fluidos de trabajo: Nitrógeno, Hidrógeno y Helio (incluso Aire)
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Motor Stirling• Aplicación a generación eléctrica con biomasa:
• Rango de potencias: 3 – 150 kWe• Rendimientos: 17-30%
• Temperatura de activación (foco caliente):• 400-1000ºC
• Ventajas:• Separación de sistema de combustión y generación de potencia
(Quemador de biomasa + Stirling)• Combustión continua: bajos niveles de emisiones y ruido y menor
consumo de combustible • Elevada eficiencia • Buen funcionamiento a carga parcial
• Limitaciones:• Disponibilidad tecnológica escasa• Complejidad mecánica y arranque lento• Ensuciamiento en intercambiador
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Motor Stirling• Ejemplo de planta piloto:
- Proyecto DTU+MAWERA+BIOS BIOENERGIESYSTEME, Austria- Caldera de biomasa- Motor Stirling SM3C 35 kWe
www.stirling.dk
Combustible AstillasPotencia (kWe) 31Cilindros 4Fluido de trabajo HelioW/Q 0,35ηe (%) 20Tª foco caliente (ºC)
750
Peso (kg) 1600
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Motor Stirling• Ejemplo unidad comercial:
– Stirling Biopower
Combustible BiogásPotencia (kWe) 38Cilindros 4Fluido de trabajo HidrógenoW/Q 0,6ηe (%) 28η (%) 75Tª calor residual aire (ºC)
50
Peso (kg) 1600Ruido (dB a 7m) 64
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Pila de combustible• Principio de funcionamiento: Producción de electricidad a partir
de una reacción electroquímica entre un combustible y O2
• Combustible: cualquier sustancia susceptible de oxidación (habitualmente H2 y O2)
• Reformado: proceso deobtención del H2 del CH4
• Tipos: función del electrolito– PEMFC– AFC– PAFC– MCFC– SOFC Solid Oxide Fuell Cell
Alta temperatura de funcionamientoH2, CH4, CO, NH3 combustiblesSoporta mayores ppm de H2S y halógenos
Cogeneración
Biogás
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Pila de combustible• Aplicación a generación eléctrica con biomasa:
• Rango de potencias: 1 kWe – 10 MWe • Rendimientos: 30-55%
• Temperatura de funcionamiento • ≈1000ºC
• Ventajas:• Alta eficiencia• No partes móviles Bajo mantenimiento y nivel de ruido• Buen funcionamiento a carga parcial• Bajas emisiones
• Limitaciones:• Elevado coste de inversión• Periodo de vida corto• Lenta puesta en marcha• Variaciones de carga
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Pila de combustible• Ejemplo de unidad de cogeneración (SOFC):
– Wärtsilä WFC50, operación con biogás de vertedero + sistema de limpieza
– Acumentrics CP-SOFC 10
Potencia (kW) 50ηe (%) 41,4%ηt (%) 32,7%η(%) 74%
Potencia (kW) 10W/Q 2,5Dimensiones (m) 1,70x0,91x1,80Peso (kg) 545Ruido (dB a 3m) 65
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Pilas de combustible
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Comparación tecnologías
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Marco legal• Existe un alto potencial tecnológico no explotado en todos los
sectores de actividad
Necesidad de medidas legislativas y de promoción
– Desarrollo del potencial de cogeneración de alta eficiencia– Mejora de la eficiencia energética de la cogeneración
Estrategia de Ahorro y Eficiencia Energética en España 2004-2012 (E4)Estrategia de Ahorro y Eficiencia Energética en España 2004-2012 (E4)
Plan de Acción 2005-2007PAE4
Plan de Acción 2005-2007PAE4
Plan de Acción 2008-2012PAE4+
Plan de Acción 2008-2012PAE4+
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Plan de Acción 2005-2007
• Real Decreto Ley 7/2006 por el que se adoptan medidas urgentes en el sector energético elimina la obligación de autoconsumo
• Real Decreto Ley 616/2007 sobre fomento de la cogeneración (transposición Directiva 2004/8/CE)
• Orden ITC/1522/2007 por la que se regula la garantía de origen• Real Decreto 661/2007 por el que se regula la actividad de
producción de energía eléctrica en régimen especial– Complemento por eficiencia– Incremento de tarifas– Actualización de precios rentabilidades futuras
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RD 661/2007• Opciones para la venta de energía eléctrica:
– OPCIÓN 1: Tarifa Regulada– OPCIÓN 2: Mercado de energía eléctrica
• Cálculo de precio de venta de electricidad– OPCIÓN 1: PFT = TR + CR + DH + Cef – Des– OPCIÓN 2: PFM = PMD + P + GP + CR + Cef – Des
• Complementos:– Complemento por energía reactiva (CR)– Garantía de potencia (GP)– Complemento por eficiencia (Cef)– Complemento por discriminación horaria (DH)– Desvíos (Des)
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RD 661/2007
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Código Técnico de la Edificación (CTE)
• La contribución solar mínima en edificios de nueva construcción y en rehabilitación de edificios en los que exista una demanda de ACS y/o climatización de piscinas, podrá disminuirse justificadamente cuando se cubra ese aporte energético de ACS mediante:
– Aprovechamiento de energías renovables– Procesos de cogeneración– Fuentes de energía residuales procedentes de la instalación de
recuperadores de calor ajenos a la propia generación de calor del edificio
Cogeneración con biomasa
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Plan de acción 2008-2012• Desarrollo del potencial de cogeneración:
– Estudios de viabilidad (2005-2007)– Fomento de nuevas instalaciones en actividades no industriales– Fomento de cogeneraciones de pequeña potencia (<150 kWe)
• Resolución de 14 de mayo de 2008, de la Secretaría General de Energía, por la que se aprueba la Guía Técnica para la medida y determinación del calor útil, de la electricidad y del ahorro de energía primaria de cogeneración de alta eficiencia
• Resolución de 14 de julio de 2008, de la Dirección General de Política Energética y de Minas para la percepción del complemento por eficiencia
• Desarrollo RD en materia de acceso y conexión a la red de baja tensión (Directiva 2009/28/CE relativa al fomento del uso de energía procedente de fuentes renovables)
Complejidad de la tramitación administrativaDificultades en conexión a red
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InformaciónWEBS• Asociación Española de Cogeneración www.acogen.org• COGEN España www.cogenspain.org• REE www.ree.es• Ministerio de Industria, Turismo y Comercio www.mityc.es• IDAE www.idae.es• CNE www.cne.es
BIBLIOGRAFÍA1. Energía de la Biomasa. Sebastián, F.; Rezeau, A.; García, D. Prensas Universitarias de
Zaragoza. 2009.
2. Biomasa: Producción eléctrica y cogeneración. IDAE. 2007
3. Development of small-scale and micro-scale biomass-fuelled CHP systems - A literature review. Dong, L.; Liu, H.; Riffat, S. 2008
4. Residential cogeneration systems:review of the current technology. Onovwiona, H.I.; Ugursal, V.I. 2004
5. Electricity from Biomass. BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH. 2009
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Trigeneración• TRIGENERACIÓN (CCHP): Producción conjunta, in situ y en
proceso secuencial de electricidad (W) y energía térmica útil (Calor y Frío, Q y F)
• Sistemas de refrigeración:• Tecnologías activadas eléctricamente (TAE): enfriamiento por
compresión• Tecnologías activadas térmicamente (TAT):
• enfriamiento por absorción • enfriamiento por adsorción
Enfriadora (RefCOP)
Planta eléctrica W
F CombustibleSistema de cogeneración
Combustible
Sin Trigeneración Trigeneración
Caldera (RefH) QCombustible
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Trigeneración• Ventajas de las TAT
Activación con fuente de calor a baja temperatura: EERR, calor residual…Eliminación del compresor menor consumo eléctricoMenos partes móviles mantenimiento y ruido
• Inconvenientes de las TATAlto coste de inversiónDisponibilidad tecnológica
• Ventajas de la trigeneraciónAumento del factor de utilización viabilidad económicaDistribución de carga más estable a lo largo del año
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Laboratorio de trigeneración CIRCE• Plan Nacional de I+D+i, PSE “Desarrollo, demostración y
evaluación de la producción de energía en España a partir de la biomasa de cultivos energéticos”
• Sistema de transformación primario: caldera de biomasa Bioselect 430, LASIÁN Tecnología del calor S.L. – Quemador tipo parrilla– Dos intercambiadores bañados en agua– Modificaciones para la operación con pélets de cultivos energéticos
• Sistema de conversión secundario: ciclo Rankine orgánico desarrollado en colaboración con Infinity Turbine.– 10 kWe– Temperatura de activación: 80-120ºC
• Sistema de conversión terciario: máquina de adsorción SorTech AG 08– 8 kWf– Temperatura de activación: 55-72ºC
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Laboratorio de trigeneración CIRCE
Segundo cuerpode caldera
ORC
Bioselect 430+ primer cuerpode caldera
Ciclón
Circuito aguasobrecalentada
Circuito agua+ anticongelante
ACSCalefacción
Agua fría
Máquina de adsorción
CalderaGas
Humos
Humos a chimenea
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Conclusiones• Gran potencial de microcogeneración con biomasa en España
• Gran variedad de tecnologías aplicables a la generación eléctrica con biomasa.
• Limitaciones de las tecnologías en cuanto a tamaño de planta, tipo y disponibilidad del recurso biomásico y demandas energéticas a cubrir.
• Barreras tecnológicas y económicas en tecnologías a pequeña escala que limitan la disponibilidad comercial.
• Líneas de I+D a efectuar en los próximos años acerca de la generación eléctrica distribuida:
• Poligeneración con biomasa a pequeña escala.• Limpieza de gases provenientes de la gasificación/pirólisis.• Automatización y control para optimizar en cada momento las
instalaciones.• Desarrollo tecnológico
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¡Gracias por vuestra atención!
Ana Sin y el resto del Área de Biomasa (División de Recursos Naturales) de la
Fundación CIRCE