tesis climatizacion

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UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA PROYECTO DE PLANTA DE COGENERACION DE 500 kW PARA CLIMATIZACION DE CENTRO DEPORTIVO Autor: José Andrés García Morcillo Director: Hortensia Amarís Tutor: Esteban Patricio Domínguez González-Seco Leganés, 22 de Octubre de 2011

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  • UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRIDESCUELA POLITCNICA SUPERIOR

    DEPARTAMENTO DE INGENIERA ELCTRICA

    PROYECTO DE PLANTA DECOGENERACION DE 500 kW

    PARA CLIMATIZACIONDE CENTRO DEPORTIVO

    Autor: Jos Andrs Garca Morcillo

    Director: Hortensia AmarsTutor: Esteban Patricio Domnguez Gonzlez-Seco

    Legans, 22 de Octubre de 2011

  • PROYECTO DE PLANTA DE COGENERACION DE 500 KWPARA CLIMATIZACION DE UN CENTRO DEPORTIVO

    PROYECTO FIN DE CARRERA ALUMNO: JOSE ANDRES GARCIA MORCILLOESCUELA POLITECNICA SUPERIOR. UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

    DOCUMENTO PROYECTOFIN DE CARRERA

    COMPUESTO DE LOSSIGUIENTES DOCUMENTOS:

    I.- MEMORIAI.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA

    Anexo 1. Listado de figurasAnexo 2. Listado de tablasAnexo 3. Especificaciones tcnicas equipos

    I.2.- CLCULOS JUSTIFICATIVOS

    II.- PLANOSIII.- PLIEGO DE CONDICIONESIV.- PRESUPUESTO

  • PROYECTO DE PLANTA DE COGENERACION DE 500 KWPARA CLIMATIZACION DE UN CENTRO DEPORTIVO

    PROYECTO FIN DE CARRERA ALUMNO: JOSE ANDRES GARCIA MORCILLOESCUELA POLITECNICA SUPERIOR. UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

    DOCUMENTO I. MEMORIA

    COMPUESTO DE:

    I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA

    I.2.- CLCULOS JUSTIFICATIVOS

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    PROYECTO FIN DE CARRERA ALUMNO: JOSE ANDRES GARCIA MORCILLOESCUELA POLITECNICA SUPERIOR. UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 2 -

    I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA

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    PROYECTO FIN DE CARRERA ALUMNO: JOSE ANDRES GARCIA MORCILLOESCUELA POLITECNICA SUPERIOR. UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 3 -

    A mis queridos padres, se lo debo todo

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 4 -

    INDICE DE LA MEMORIA DESCRIPTIVA

    1.-GENERALIDADES

    1.1.- ANTECEDENTES

    1.2.- OBJETO DEL PROYECTO

    1.3.- LEGISLACIN APLICABLE

    1.4.- NORMATIVA

    1.5.- CONCEPTO DE COGENERACIN

    1.6.- POLTICA ENERGTICA EN EUROPA Y EN ESPAA

    1.7.- LA COGENERACIN EN EL MUNDO Y EN ESPAA

    1.7.1.- POTENCIAL DE COGENERACIN EN EUROPA

    1.7.2.- LA COGENERACIN EN ESPAA

    1.8.- POTENCIAL DE DESARROLLO FUTURO DE LA COGENERACINEN ESPAA

    1.8.1.- POTENCIAL DE COGENERACIN EN EL SECTOR PRIMARIO,SECUNDARIO Y TERCIARIO

    1.8.2.- POTENCIAL DE RENOVACIN DEL PARQUE EXISTENTE

    1.9.- ESTADO DE LA TCNICA DE COGENERACIN

    1.9.1. INTRODUCCIN

    1.9.2.- TIPOS DE PLANTAS DE COGENERACIN

    1.9.2.1.- COGENERACIN CON TURBINAS DE GAS EN CICLOSIMPLE

    1.9.2.2.- COGENERACIN CON TURBINAS DE VAPOR EN CICLOSIMPLE

    1.9.2.3.- COGENERACIN EN CICLO COMBINADO CON TURBINADE GAS

    1.9.2.4.- COGENERACIN CON MOTOR ALTERNATIVO DE GAS OFUEL EN CICLO SIMPLE

    1.9.2.5.- TRIGENERACIN

    1.9.2.5.1.- MQUINA DE ABSORCIN DE BROMURO DE LITIO

    1.9.3.- EVOLUCIN TECNOLGICA DE LA COGENERACIN

    1.9.3.1.- INTRODUCCIN

    1.9.3.2.- EMISIONES DE LAS PLANTAS DE COGENERACIN

    1.9.3.3.- TENDENCIAS Y NUEVOS DESARROLLOS EN MOTORESALTERNATIVOS

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 5 -

    1.9.3.4.- MEDIDAS PARA MEJORAR EL RENDIMIENTO DEPLANTAS DE COGENERACIN CON MOTORESALTERNATIVOS

    1.9.3.5.- CICLOS DE COLA EN MOTORES

    2.- DEFINICIN DE LAS INSTALACIONES ANTES DE LA IMPLANTACINDEL SISTEMA DE COGENERACIN

    2.1.- EMPLAZAMIENTO DE LA INSTALACIN

    2.2.- EMPRESA SUMINISTRADORA DE ENERGA ELCTRICA

    2.3.- SITUACIN ACTUAL

    2.3.1.- DESCRIPCIN DEL CENTRO DEPORTIVO

    2.3.2.- DEMANDA ENERGTICA DEL CENTRO DEPORTIVO

    2.3.3.- DESCRIPCIN DE LA MAQUINARIA E INSTALACIONES DECLIMATIZACIN EXISTENTES

    3.- DEFINICIN DE LAS INSTALACIONES DE COGENERACIN3.1.- PLANTA DE COGENERACIN. CENTRAL DE PRODUCCIN DE

    ENERGA

    3.2.- DESCRIPCIN DE LA PLANTA

    3.2.1. MOTOR EN CONTAINER

    3.2.2. MQUINA DE ABSORCIN. EQUIPO DE REFRIGERACIN

    3.2.3. DEPSITO DE ALMACENAMIENTO

    3.2.4. CIRCUITO PARA CONEXIN CON LA INSTALACIN ACTUAL

    3.3. FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA

    3.4. COBERTURA DE LA DEMANDA

    3.5. DISPOSICIONES GENERALES DEL ESTATUTO DE UNIDADCOGENERADORA

    3.5.1. CLCULO DEL RENDIMIENTO ELCTRICO

    3.6. EVACUACIN ELCTRICA

    3.6.1. CLCULO DE LA SECCIN DEL CONDUCTOR

    3.6.1.1.- CADA DE TENSIN

    3.6.1.2.- DENSIDAD DE CORRIENTE

    3.6.1.3.- INTENSIDAD DE CORTOCIRCUITO

    3.6.2. CENTRO DE TRANSFORMACIN

    3.6.3. CENTRO DE SECCIONAMIENTO

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 6 -

    3.6.4.- ESQUEMA UNIFILAR

    3.6.5.- TRANSFORMADORES DE TENSIN, PROTECCIN Y MEDIDA

    3.6.5.1.- TRANSFORMADORES DE TENSIN

    3.6.5.2.- TRANSFORMADORES DE INTENSIDAD

    3.6.5.3.- TRANSFORMADORES DE MEDIDA

    3.6.6.- PROTECCIN Y TELEDISPARO

    3.6.7.- ENCLAVAMIENTOS

    3.6.8.- MEDIDA

    3.6.9. INTERCONEXIN ELCTRICA CON EL CENTRO

    3.7.- ACOMETIDA INTERIOR DE GAS NATURAL

    3.7.1.- OBJETO

    3.7.2.- DESCRIPCIN DE LA CANALIZACIN ACTUAL

    3.7.3.- MATERIALES

    3.7.4.- EMPLAZAMIENTO

    3.7.5.- PROTECCIN DE LA TUBERA

    3.7.6.- VLVULA GENERAL DEL USUARIO

    3.7.7.- ESTACIN DE REGULACIN Y MEDIDA3.7.7.1.- OBJETO

    3.7.7.2.- CLASIFICACIN DE LAS E.R.M

    3.7.7.3.- RECINTO Y EMPLAZAMIENTO DE LA E.R.M

    3.7.7.4.- VLVULAS EXTERIORES AL RECINTO

    3.7.7.5.- SEGURIDAD DEL RECINTO

    3.7.7.6.- INSTALACIN ELCTRICA

    3.7.7.7.- UNIONES DE APARATOS

    3.7.8.- RED DE DISTRIBUCIN INTERIOR

    3.7.8.1.- OBJETO

    3.7.8.2.- MATERIALES

    3.7.8.3.- EMPLAZAMIENTO

    3.7.8.4.- CONSTRUCCIN

    3.7.8.5.- UNIONES SOLDADAS

    3.7.8.6.- PROTECCIN DE LA TUBERA

    3.7.9.- GRUPOS DE REGULACIN

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 7 -

    3.7.9.1.- OBJETO

    3.7.9.2.- MATERIALES

    3.7.9.3.- EMPLAZAMIENTO

    3.7.9.4.- ELEMENTOS DE UN GRUPO DE REGULACIN

    4.- COSTES EN EL CENTRO DE OCIO PRODUCIDOS EN LAINSTALACIN ACTUAL, PREVIA A LA COGENERACIN

    4.1.-COSTES DEMANDA ENERGA TRMICA EN EL CENTRO DE OCIO

    4.2.- COSTES DEMANDA ELCTRICA PARA REFRIGERACIN EN ELCENTRO DE OCIO

    4.3.- COSTES PRODUCIDOS EN LA PLANTA DE COGENERACIN PARACOMPLETAR DEMANDA DEL CENTRO

    4.3.1.- COSTES PARA COMPLETAR CALEFACCIN EN EL CENTRO

    4.3.2.- COSTES DEMANDA ELCTRICA PARA COMPLETARCOBERTURA REFRIGERACIN EN EL CENTRO DE OCIO

    5.- AHORROS EN EL CENTRO DE OCIO PRODUCIDOS CON LA PLANTA DECOGENERACIN

    5.1.- AHORRO EN EL CONSUMO DE COMBUSTIBLE GAS NATURAL

    5.2.- AHORRO EN EL CONSUMO DE ENERGA ELCTRICA

    5.3.- AHORRO TOTAL DEL CENTRO IMPLANTANDO LA PLANTA DECOGENERACIN

    6.- INGRESO POR ENTREGA DE ENERGA ELCTRICA EXCEDENTE

    7.- INGRESOS MS AHORROS GENERADOS POR LA PLANTA DECOGENERACIN

    8.- PROTECCIN CONTRA INCENDIOS

    8.1.- INTRODUCCIN

    8.3- SISTEMAS DE DETECCIN DE INCENDIOS

    8.4.- CENTRALES

    8.5.- DESCRIPCIN Y FUNCIONAMIENTO

    8.6.- INSTALACIN DE EXTINTORES PORTTILES

    9.- RENTABILIDAD DE LA INVERSIN

    9.1.- EVALUACIN DE LA RENTABILIDAD DE LA INVERSIN

    9.1.1.- INTRODUCCIN

    10.- CONCLUSIONES

    11.- BIBLIOGRAFIA

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 8 -

    12.- AGRADECIMIENTOS

    ANEXO 1. LISTADO DE FIGURAS

    ANEXO 2. LISTADO DE TABLAS

    ANEXO 3. ESPECIFICACIONES TECNICAS EQUIPOS

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 9 -

    1.- GENERALIDADES.

    1.1.- ANTECEDENTES.

    Como ltimo paso para la obtencin del ttulo oficial de Ingeniero Industriales necesario la realizacin de un proyecto fin de carrera. Con el objeto de satisfacerdicha condicin, el alumno Jos Andrs Garca Morcillo, ha confeccionado unproyecto con el ttulo:

    PROYECTO DE PLANTA DE COGENERACION DE 500 KW PARACLIMATIZACION DE UN CENTRO DEPORTIVO

    La tutora de dicho proyecto ha corrido a cargo del profesor:

    D. ESTEBAN PATRICIO DOMINGUEZ GONZALEZ-SECO

    1.2.- OBJETO DEL PROYECTO.

    El objeto del proyecto ser el estudio, la definicin y el anlisis econmicodel conjunto de equipos e instalaciones que permitan la implantacin de la Planta deCogeneracin de 500 kW en el Centro Deportivo HISPAOCIO, la cual cubrir partede la demanda trmica que presenta ste en forma de agua caliente para lacalefaccin de las piscinas climatizadas, calefaccin y refrigeracin de las salas, ascomo el abastecimiento del agua caliente sanitaria mediante el aprovechamiento de laenerga trmica procedente de los gases de escape y del circuito de refrigeracin deun motor de combustin interna alternativo, utilizando como combustible, gasnatural canalizado de la red, aprovechando la acometida existente ya en la instalacinde aporte de gas natural al centro para alimentar a las calderas y a la incorporacin deuna mquina de absorcin, para la produccin de agua fra, de refrigeracin de lassalas del centro. Los datos referentes a dicho Centro Deportivo son por lo tanto realesy estn basados en el ejercicio del ao anterior.

    Un sistema de cogeneracin se proyecta fundamentalmente para ahorrardinero e incluso, para generar dinero, premisas primordiales en el ejercicioempresarial. Dado que bsicamente son los ahorros o beneficios los que justificandicho proyecto, el proceso previo a la toma de decisin tendr como objetofundamental determinar si realmente la cogeneracin es una opcin que permitealcanzar esas metas.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 10 -

    1.3.- LEGISLACIN APLICABLE.

    Para la ejecucin de las instalaciones, se tendrn en cuenta la siguiente Legislacin,conteniendo los Reglamentos y Normas siguientes:

    - Ley 54/1997 de 27 de Noviembre, del Sector Elctrico (Ley de Regulacin delSector Elctrico) y las modificaciones introducidas por la Ley 50/1998 de 30 deDiciembre de Medidas Fiscales, Administrativas y del Orden Social.

    - Real Decreto 1955/2000 de 1 de Diciembre, por el que se regulan las actividades detransporte, distribucin, comercializacin, suministro y procedimientos deautorizacin de instalaciones de energa elctrica.

    - Real Decreto 841/2002, de 2 de Agosto, por el que se regula, para las instalacionesde produccin de energa elctrica, en rgimen especial, su incentivacin en laparticipacin en el mercado de produccin, determinadas obligaciones deinformacin de sus previsiones de produccin y la adquisicin, por loscomercializadores, de su energa elctrica producida.

    - Real Decreto 842/2002, de 2 de Agosto, por el que se aprueba el ReglamentoElectrotcnico de Baja Tensin.

    - Real Decreto 661/2007, de 25 de Mayo, por el que se regula la actividad deproduccin de energa elctrica, en rgimen especial.

    - Real Decreto 616/2007, de 11 de Mayo, sobre fomento de la cogeneracin.

    - Reglamento Electrotcnico de Baja Tensin. Ministerio de Industria y Energa y susInstrucciones Tcnicas Complementarias.

    - Reglamento Tcnico de Lneas Areas de Alta Tensin, aprobado por Decreto3151/1968, de 28 de Noviembre y publicado en el B.O.E. de 17 de Diciembre.

    - Reglamento sobre Condiciones Tcnicas y Garantas de Seguridad en CentralesElctricas, Subestaciones y Centros de Transformacin y las Instrucciones TcnicasComplementarias, aprobado por Decreto 3275/1982, modificado por OrdenMinisterial, de 10 de Abril de 2000.

    - Orden Ministerial 2.225 del 5 de septiembre de 1.985 sobre NormasAdministrativas y Tcnicas para Funcionamiento y Conexin a las Redes Elctricasde Centrales Hidroelctricas de hasta 5.000 kVA. y Centrales de Autogeneracinelctrica.

    - Reglamento de L.A.A.T. aprobado por Decreto 3.151/1.968, de 28 de Noviembre,B.O.E. de 27 de Diciembre de 1.968.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 11 -

    - Instrucciones Tcnicas Complementarias, denominadas MI-BT. Aprobadas porOrden del MINER, de 18 de Septiembre de 2.002.

    - Modificaciones a las Instrucciones Tcnicas Complementarias, hasta el 10 deMarzo de 2.002.

    - Autorizacin de Instalaciones Elctricas. Aprobado por Ley 40/94, de 30 deDiciembre, B.O.E. de 31 de Diciembre de 1.994.

    - Ordenacin del Sistema Elctrico Nacional y desarrollos posteriores. Aprobado porLey 40/1.994, B.O.E. de 31 de Diciembre de 1.994.

    - Real Decreto 1955/2000, de 1 de Diciembre, por el que se regulan las actividadesde transporte, distribucin, comercializacin, suministro y procedimientos deautorizacin de instalaciones de energa elctrica (B.O.E. de 27 de Diciembre de2.000).

    - Real Decreto 614/2001, de 8 de Junio, sobre disposiciones mnimas para laproteccin de la salud y seguridad de los trabajadores frente al riesgo elctrico.Condiciones impuestas por los Organismos Pblicos afectados.

    - Ley de Regulacin del Sector Elctrico, Ley 54/1997, de 27 de Noviembre.

    - Reglamento de Puntos de Medida, aprobado por el Real Decreto 2018/1997, de 26de Diciembre y modificado por el Real Decreto 385/2002, de 26 de Abril.

    - Instrucciones Tcnicas Complementarias al Reglamento de Puntos de Medida,aprobadas por la Orden Ministerial de 12 de Abril de 1999.

    - Ley 16/2002, de 1 de Julio, de Prevencin y Control Integrados de laContaminacin.

    - Ley 2/2002, de 19 de Junio, de Evaluacin Ambiental de la Comunidad de Madrid.

    - Real Decreto 1/2008, de 11 de Enero, por el que se aprueba el texto refundido de laley de evaluacin de impacto ambiental de proyectos.

    - Plan General de Ordenacin Urbanstica del Trmino Municipal de Villaviciosa deOdn.

    - Cualquier otra reglamentacin de obligado cumplimiento para este tipo deinstalaciones.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 12 -

    En la siguiente figura, como introduccin a la cogeneracin y en relacin almarco legislativo, se muestra la evolucin del nmero de plantas de cogeneracininstaladas en Espaa, en relacin con los distintos marcos legislativos, a lo largo delperodo 1983 hasta el 2008.

    Figura 1. Evolucin del nmero de plantas de cogeneracin instaladas en Espaa, desde 1983 hasta 2008, en relacin a losdistintos marcos legislativos. Fuente: IDAE-CNE. (Instituto para la Diversificacin y el Ahorro de la Energa), Anlisis delpotencial de cogeneracin de alta eficiencia en Espaa. 2010-2015-2020.

    Cabe destacar, segn la figura anterior, (figura 1), que el mximo del nmerode plantas de cogeneracin instaladas en Espaa, se dio all por el ao 1999, cayendodrsticamente, al ao siguiente del inicio del nuevo milenio, con un repunte al alza,en el pasado ao 2008 tras la entrada en vigor de la nueva Legislacin, contempladaen el ltimo Real Decreto, RD661/07 de 25 de Mayo, por el que se regula, a da dehoy, la actividad de produccin de energa elctrica, en rgimen especial.

    1.4.- NORMATIVA.

    - Normas Particulares y Condiciones Tcnicas y de Seguridad de Iberdrola:

    - Norma IBERDROLA MT 2.00.33, que regula las caractersticas tcnicas a quedeben ajustarse las instalaciones de clientes alimentadas hasta 132 kV inclusive, en elmbito de la distribucin de Iberdrola. En este documento se recoge y ordena toda lanormativa tcnica existente en Iberdrola, relativa a las instalaciones de clientes, demodo que su unificacin facilite, de acuerdo con el espritu de la Ley 54/1997 delSector Elctrico.

    - Norma IBERDROLA MT NEDIS 2.31.01, que establece y justifica todos losdatos necesarios para el diseo, clculo y construccin de lneas de AT hasta 30 kV.Este documento se aplicar a todas las nuevas instalaciones de alta tensin (30 kV)

    a conectar a la red de distribucin de IBERDROLA.

    - NBE, Norma Bsica de la edificacin:

    - NBE-AE-88 (Hormign)

    - NBE-EA-95 (Acero)

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 13 -

    - DIN VDE 0675, parte 6, la cual detalla las caractersticas de las diferentes zonasde proteccin de sobretensiones.

    - IEC 616143-11, EN 6161143, que clasifica las protecciones de sobretensin, entipo 1 (vastas o Clase B en VDE o Clase 1 en IEC), tipo 2 (medias, Clase C-VDE oClase II en IEC) y tipo 3 (finas o Clase D en VDE, clase III en IEC).

    - Normas y recomendaciones de diseo del edificio del Centro de Transformacin:

    - CEI 61330. UNE-EN 61330. Centros de Transformacin prefabricados.

    - RU 1303A. Centros de Transformacin prefabricados de hormign.

    - NBE-X. Normas bsicas de la edificacin.

    - Normas y recomendaciones de diseo de aparamenta elctrica del Centro deTransformacin:

    - CEI 60694. UNE-EN 60694. Estipulaciones comunes para las normas deaparamenta de Alta Tensin.

    - CEI 61000-4-X. UNE-EN 61000-4-X. Compatibilidad electromagntica (CEM).Parte 4: Tcnicas de ensayo y de medida.

    - CEI 60298. UNE-EN 60298. Aparamenta bajo envolvente metlica para corrientealterna de tensiones asignadas superiores a 1 kV e inferiores o iguales a 52 kV.

    - CEI 60129. UNE-EN 60129. Seccionadores y seccionadores de puesta a tierra decorriente alterna.

    - RU 6407B. Aparamenta prefabricada bajo envolvente metlica con dielctrico deHexafloruro de Azufre SF6, para Centros de Transformacin de hasta 36 kV.

    - CEI 60265-1. UNE-EN 60265-1. Interruptores de Alta Tensin para tensionesasignadas superiores a 1 kV e inferiores a 53 kV.

    - Normas y recomendaciones de diseo de diseo de transformadores:

    - CEI 60076-X. UNE-EN 60076-X. Transformadores de potencia.

    - UNE 20101-X-X. Transformadores de potencia.

    - Normas y recomendaciones de diseo de transformadores (aceite):

    - RU 5201D. Transformadores trifsicos sumergidos en aceite para distribucin enBaja Tensin.

    - UNE 21428-X-X. Transformadores trifsicos sumergidos en aceite paradistribucin en Baja Tensin de 50 kVA a 500 kVA, 50 Hz, con tensin ms elevadapara el material hasta 36 kV.

    - Cualquier otra normativa de obligado cumplimiento para este tipo de instalaciones.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 14 -

    1.5.- CONCEPTO DE COGENERACIN.

    Hay una infinidad de definiciones del concepto de la cogeneracin. Una deestas definiciones, clara y escueta es la dada por los miembros de la Federal EnergyRegulatory Commission , que lo definen como:

    La Cogeneracin es la produccin de energa elctrica o mecnica y deenerga trmica til, a partir de la misma fuente primaria de energa .

    Existen tambin otras numerosas definiciones y expresiones complementariasen relacin con el concepto de Cogeneracin. As se habla de la ProduccinCombinada de Calor y Electricidad (Combined Heat and Power, CHP), o de losSistemas de Energa Total, expresin con la que se pretende definir aquellasinstalaciones destinadas a un autoabastecimiento energtico completo.

    En definitiva, por Cogeneracin se entiende la produccin directa por elusuario de sus necesidades de electricidad y energa trmica til, totales o parciales,como calor y/o fro, denominndose en este ltimo caso, con generacin de calor,fro y electricidad, Trigeneracin.

    El ncleo de una instalacin de este tipo es un motor trmico alimentado porun combustible de bajo costo.

    El funcionamiento de la mquina trmica acciona en la mayora de los casosun alternador que genera electricidad, o bien equipos que necesiten energamecnica. El calor desarrollado por el motor trmico en el escape, circuito derefrigeracin, etc. es aplicado a las necesidades de la fbrica ( produccin de vapor,agua caliente, aire caliente, suministrar calor a alguna substancia, etc. ). Losrendimientos que se obtienen son mximos, logrando ahorros considerables.Hablando en trminos generales, los sistemas de cogeneracin permiten por un ladodiversificar las fuentes de energa elctrica y por otro lograr mayores rendimientos dela energa primaria consumida. Por tanto, con la Cogeneracin se consigue reducirlos costes de energa en una instalacin, una de las prioridades de cualquier empresa.En efecto, en un Sistema de Cogeneracin, el coste del Kw elctrico generado esinferior al facturado por la Compaa Elctrica, y adems, el usuario se beneficia dela energa trmica residual, sustituyendo sus costos de combustible para laproduccin de energa trmica. De este modo, se recortan drsticamente los costesenergticos totales.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 15 -

    Otra va de beneficio, se podra hablar de la ms importante, de laimplantacin de un sistema de Cogeneracin es la posibilidad de vender losexcedentes de energa elctrica a la Compaa Elctrica, y que est obligada acomprar por Ley, con unos precios regulados segn las tarifas vigentes, y teniendouna serie de factores que posteriormente se detallarn.

    En los siguientes esquemas se compara el consumo de energa de un sistemaconvencional, en el que la electricidad es tomada de la red de la Compaa Elctricasuministradora y la energa trmica necesaria es generada en una caldera, frente a unsistema de Cogeneracin.

    Se ha supuesto, en la primera comparativa, entre el sistema de generacinenergtica convencional, elctrica y trmica, con un sistema de cogeneracin, unrendimiento en la generacin de electricidad del 33% y un rendimiento de la calderadel 86%. Por lo que respecta al sistema de Cogeneracin, se ha supuesto unrendimiento de generacin de electricidad del 35% y un rendimiento trmico de un50%. As mismo, en la segunda comparativa, entre el sistema generacin energticaconvencional, elctrica, trmica y refrigeracin, con sistema de trigeneracin, unrendimiento en la generacin de electricidad del 36% (incluida refrigeracin) y unrendimiento trmico de un 84%. Por lo que respecto al sistema de trigeneracin, seha supuesto un rendimiento de generacin de electricidad del 43%, un rendimientode refrigeracin de un 19% y un rendimiento trmico de un 21%.

    Como se puede apreciar en la figura siguiente, para la misma produccin deelectricidad y energa trmica, se disminuye de una manera muy significativa eltrmino de prdidas con la implantacin del sistema de cogeneracin, con lo que semejora el rendimiento global respecto a la fuente de energa primaria. Por ello, laimportancia futura de la cogeneracin es muy grande, ya que como se sabe, lasreservas de energa primaria no renovable son limitadas y el consumo de energa vaen aumento en nuestra sociedad, y es necesario plantearse el ahorro energtico,hecho que se puede conseguir por medio de la Cogeneracin.

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    PROYECTO FIN DE CARRERA ALUMNO: JOSE ANDRES GARCIA MORCILLOESCUELA POLITECNICA SUPERIOR. UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 16 -

    Figura 2. Comparativa produccin E. elctrica y trmica por separado y con cogeneracin. Fuente: www.cogenerare.info

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 17 -

    1.6.- POLITICA ENERGETICA A NIVEL EUROPEO, EN ESPAA Y EN LACOMUNIDAD DE MADRID.

    La poltica energtica a nivel europeo, nacional y autonmico tiene comoobjetivos prioritarios garantizar la seguridad y calidad del suministro elctrico,reducir la dependencia energtica exterior, el aumento de la competitividad y elrespeto al medio ambiente, esto ltimo reflejado en los compromisos de Espaa conel Protocolo de Kyoto, desarrollado mediante el Plan Nacional de Asignacin.

    A nivel europeo son mltiples las iniciativas elaboradas para contribuir aestos objetivos de poltica energtica.

    A nivel nacional, Espaa ha asumido estas iniciativas y as el pasado 20 deJulio de 2.007, se aprob el Nuevo Plan de Accin 2.008 - 2.012 de la Estrategia deAhorro y Eficiencia Energtica en Espaa 2.004 2.012.

    Las polticas de ahorro y eficiencia energtica se configuran como uninstrumento de progreso de la Sociedad, as pues, contribuyen al bienestar social,representan un elemento de responsabilidad social, proyectan las actividadeshumanas hacia el desarrollo sostenible, establecen un nuevo marco para el desarrollode la competitividad empresarial y, en suma, responden al principio de solidaridadentre los ciudadanos y los pueblos.

    El Plan fija, como objetivo energtico cuantificado, un ahorro de energaprimaria de 24.776 ktep en 2012, frente al escenario que sirvi de base para el Planinicial 2.004 - 2.012, lo que supone un 13,7%. Frente al escenario considerado comobase para la Directiva 2.006/32/EC, sobre eficiencia en el uso final de la energa y losservicios energticos, el ahorro conseguido sera en 2.012 del 11%, superando as elobjetivo fijado por dicha Directiva de alcanzar el 9% en 2.016. Por otra parte, esestima alcanzar un volumen de reduccin de emisiones de 270.592 ktCO2, en elperodo 2.004 2.012, de los cuales 238.130 ktCO2 se lograrn en el perodo delPlan 2.08 2.012.

    El fomento de la cogeneracin de alta eficiencia, sobre la base de la demandade calor til, es una prioridad para la Unin Europea y sus Estados miembros, habidacuenta de los beneficios potenciales de la cogeneracin, en lo que se refiere al ahorrode energa primaria, a la eliminacin de prdidas en la red elctrica y a la reduccinde las emisiones, en particular la reduccin de gases de efecto invernadero.

    Adems, el uso de eficaz de la energa mediante la cogeneracin contribuyeeficazmente a la seguridad y diversificacin del abastecimiento de la energa,acercando la generacin de energa al punto de consumo, muy necesario en unaregin como la Comunidad de Madrid en la que slo se genera el 3,15% de la energafinal consumida.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 18 -

    Prueba de la importancia de la cogeneracin en la Comunidad de Madrid, esque en el ao 2008, el 41% de la energa elctrica generada en Madrid, provena dela cogeneracin.

    A todo esto, hay que aadir, la mejora de la situacin competitiva de laindustria en la Comunidad de Madrid y, por ende, en la totalidad de Espaa, puestoque contribuye a que se obtenga valor de la energa residual de los procesosproductivos del tejido industrial del pas.

    Hay que apuntar que aunque la tecnologa del uso de la cogeneracin est yacomnmente implantada en el sector industrial, con instalaciones de potenciaselevadas, es a nivel de su implantacin en el sector terciario y residencial, conpotencias bajas y medias, donde es an muy bajo, aunque en estos sectores se podrahacer uso de sta, en los sistemas de aporte de calefaccin, refrigeracin y aguacaliente sanitaria, denominndose en este caso, trigeneracin, en vez decogeneracin. Hay que tener en cuenta que ambos sectores, el terciario y elresidencial, suponen cerca del 35% del consumo de energa final en la Comunidad deMadrid, del que cerca de dos tercios se consumen en las instalaciones trmicas, porlo que es evidente que el aumento de la incorporacin de sistemas decogeneracin/trigeneracin, traera consigo importantes ahorros de consumo deenerga para la regin y tambin, importante ahorros econmicos para los usuariosfinales, premisa sta ltima indispensable para el estudio e implantacin de este tipode instalaciones.

    Es importante recalcar, que no solamente las grandes instalaciones trmicascentralizadas son susceptibles de utilizar la tecnologa de la cogeneracin paramejorar la eficiencia de la instalacin sino que tambin en las pequeas instalacionesresidenciales, comerciales y de servicios, como ejemplo, la instalacin objeto de esteproyecto fin de carrera, se puede hacer uso de lo que se denomina actualmente comomicro-cogeneracin, alcanzndose unos beneficios similares a los de las grandesinstalaciones industriales, resultando clave el aumento de dicha micro-cogeneracin,en el aumento de la potencia instalada usando cogeneracin/trigeneracin, en laComunidad de Madrid, hacindolo extensivo a toda las regiones y Comunidades deEspaa, con todas las ventajas que esto conlleva, en cuanto se refiere, como ya se hacomentado anteriormente, al ahorro de energa primaria, a la eliminacin de prdidasen la red elctrica y a la reduccin de las emisiones, en particular la reduccin degases de efecto invernadero, de tanta importancia hoy en da, contribuyendo a labuena salud medioambiental, local, territorial, nacional, internacional y finalmente,del planeta entero, que es nuestra casa y es, por tanto, nuestra responsabilidad, suproteccin, para el legado que dejemos a las generaciones venideras.

    La entrada en vigor del Real Decreto 661/2.007, por el que se regula laactividad de produccin de energa elctrica, en rgimen especial, introduce, porprimera vez, una retribucin por la venta de energa elctrica generada por lacogeneracin que es funcin directa del ahorro de energa primaria que exceda delque corresponde al cumplimiento de los requisitos mnimos.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 19 -

    La instalacin objeto de este proyecto estar enmarcada en la Estrategia deAhorro y Eficiencia Energtica en Espaa 2.008 2.012, del Ministerio de Industria,Energa y Minas, contribuyendo tambin, a las lneas estratgicas de la Comunidadde Madrid, en cuanto al impulso de la eficiencia y el ahorro energtico, dentro de lacampaa Madrid Ahorra con Energa, cuyo objetivo es el fomento de laimplantacin del mayor nmero de sistemas de cogeneracin en nuestra Comunidad,as como a los postulados de la Fundacin de la Energa de la Comunidad de Madrid,y de las organizaciones sociales estatales, COGEN Espaa, (Asociacin Espaolapara la Promocin de la Cogeneracin) y ACOGEN.

    En este contexto, el proyecto parte del estudio de las necesidades energticaspara calefaccin, climatizacin y agua caliente sanitaria, del Centro DeportivoHISPAOCIO, localizado en Villaviciosa de Odn, en Madrid, con el objeto deimplantar una planta de trigeneracin (produccin simultnea de electricidad, calor yfro), para cubrir total o parcialmente dichas necesidades energticas en dicho centro.

    1.7.- LA COGENERACIN EN EL MUNDO, EN EUROPA Y EN ESPAA

    La Agencia Internacional de la Energa, a travs de su estudio CombinedHeat and Power, Evaluating the Benefits of Greater Investment, (2008) , estima quela potencia de generacin instalada, a nivel global es de 330 GW y representa un 9%de la electricidad producida. Sin embargo, en las grandes economas del G8, aexcepcin de Rusia, la cuota de produccin elctrica de cogeneracin es baja.Alemania es un buen ejemplo de desarrollo de la cogeneracin, contando con unapotencia instalada de 20.000 MW y una cobertura de la demanda elctrica, concogeneracin, del 12,5% y acelerando su implementacin gracias a incentivosgubernamentales.

    La alta penetracin de la cogeneracin en estos pases resulta, en granmedida, del desarrollo de la energa de distrito, una de las asignaturas pendientes deEspaa, que no cuenta con un desarrollo en este mbito, probablemente debido a quelas condiciones climatolgicas requieren soluciones ms sofisticadas conrefrigeracin.

    En las siguientes figuras, se puede observar, para tener una visin general, anivel europeo y mundial, aunque es difcil establecer estadsticas, que sean fiables ycomparables, sobre la cuota de produccin de cogeneracin, respecto a la produccintotal en distintos pases del mundo y no todos los pases recogen sistemticamenteinformacin sobre ello, tanto la cantidad de energa elctrica, generada porcogeneracin, dividida en energa de distrito y en cogeneracin industrial, como lacobertura de la demanda, en tanto por ciento, de Energa bruta para Espaa y otrospases europeos.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 20 -

    Figura 3. Energa de distrito y cogeneracin industrial (GWh/ao) y cobertura de la demanda en %E bruta para Espaa y otrospases europeos. Fuente: EUROSTAT 2006.

    Figura 4. Cobertura de la demanda de electricidad de cogeneracin, a nivel global. Fuente: AIE. 2008(Agencia Internacional de la Energa).

    Llama la atencin, en la figura anterior, (figura 4), la figura de Dinamarca,ejemplo de un pas que cuenta con ms del 50% de la produccin elctrica,proveniente de cogeneracin, en una apuesta firme por el alto desarrollo de la energade distrito, contribuyendo notablemente a la reduccin de sus emisiones de gases deefecto invernadero, comparativamente con Espaa, que no alcanza el 10% de laproduccin elctrica.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 21 -

    En la siguiente figura, se puede apreciar la ubicacin de los consumos decalor, susceptibles de ser cubiertos por cogeneracin para grandes plantas del sectorqumico, alimentario, papel y refino, a nivel europeo.

    Figura 5. Visualizacin de los consumos de calor susceptibles de ser cubiertos por cogeneracin para plantas de gran tamao enel sector qumico, alimentario, papeo y refino En verde, plantas de cogeneracin que ya cubren estos consumos. En rojo,potencial cubierto por tecnologas convencionales. Fuente: AIE.(Agencia Internacional de la Energa). 2008

    1.7.1.- POTENCIAL DE COGENERACIN EN EUROPA

    Actualmente, el potencial de cogeneracin a realizar en Europa est estimadoen 150 GW.

    Los planes de potencial nacionales ms ambiciosos desarrollados, a raz de laDirectiva 2004/8/EC, indican la posibilidad de doblar la capacidad instalada en 2020.Siendo actualmente la estimacin de ahorro de energa del 13%, en ese mismo ao2020, la aportacin de la cogeneracin puede aportar los puntos necesarios parallegar al objetivo del 20%, en el 2020, establecido por la Comisin Europea. Esto sepodra llevar a cabo a travs de un nmero limitado de proyectos especficos, enmercados identificables. Como ejemplo, el estudio de potencial a nivel europeo D-Ploy, ha identificado slo dentro del sector qumico, alimentario, papel y refino, paraplantas de gran tamao, un potencial de 52 GW, en 2008.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 22 -

    1.7.2.- LA COGENERACIN EN ESPAA

    El parque de cogeneracin contaba con 6.170 MW, a principios de 2009,segn la Comisin Nacional de la Energa, en su Informacin Estadstica sobre lasVentas de Energa del Rgimen Especial (Febrero 2009). Ello representa un 6,5% dela potencia total instalada del parque de generacin espaol (94.764 MW) en el 2008,representando un 13,5% de la potencia mxima demandada y un 12% de la demandaelctrica nacional en 2006, segn el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, ensu informe anual (2006).

    En la siguiente figura, se muestra la potencia instalada de cogeneracin enEspaa (MW), segn rangos de potencia.

    Figura 6. Potencia instalada de cogeneracin en Espaa (MW), segn rangos de potencia. Fuente: CNE.(Consejo Nacional de la Energa). 2009.

    Cabe destacar, segn la figura anterior, (figura 6), que la mayor parte de lapotencia instalada se encuentra entre 1 MW y 25 MW, segn la figura anterior(Figura 5).

    El total del nmero de plantas instaladas en Espaa, a principios del 2009, erade 883, siendo las plantas cuya potencia instalada de cogeneracin se encuentra entre1 MW y 10 MW las ms numerosas.

    El parque de cogeneracin posee un rendimiento elctrico en torno al 29% yun rendimiento global que gira en torno al 80%.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 23 -

    En la siguiente figura, se muestra la distribucin de la energa elctricagenerada por cogeneracin, segn sector industrial.

    Figura 7. Distribucin de la energa generada por cogeneracin, segn sector industrial. Fuente: MITYC (Ministerio deIndustria, Turismo y Comercio.Informe anual 2006.

    Cabe destacar, segn la figura anterior (figura 7), que los subsectores msdesarrollados, en la generacin de energa por cogeneracin, son el papelero, refino,qumica y petroqumica y alimentacin, as como la construccin. Tambin podemosdestacar, lo que se ha dicho ya anteriormente, que existe, sin embargo, un granpotencial por desarrollar en cogeneracin, en el sector terciario, pequeo y mediano,as como el sector residencial.

    En lo que se refiere a combustibles empleados en cogeneracin, las plantas decogeneracin emplean gas natural en un 76%, seguido del fuel oil y gas oil, en un18% y gas de refinera en un 4%.

    La distribucin de la potencia instalada de cogeneracin, por comunidadesautnomas, revela que el 22% de la potencia instalada de cogeneracin se encuentraen Catalua, seguida de Andaluca, Valencia y Galicia (entorno a un 11% de lapotencia instalada), siendo prcticamente inexistente en Extremadura, Canarias o lasBaleares.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 24 -

    1.8.- POTENCIAL DE DESARROLLO FUTURO DE LA COGENERACINEN ESPAAEl Anlisis del Potencial de Cogeneracin de Alta Eficiencia en Espaa,

    confeccionado por el IDAE, (Instituto para la Diversificacin y el Ahorro deEnerga), identifica un potencial de cogeneracin de 12.250 MW, en el 2020,asumiendo un escenario optimista con polticas de impulso a la cogeneracin.

    1.8.1.- POTENCIAL DE COGENERACIN EN EL SECTOR PRIMARIO,SECUNDARIO Y TERCIARIO

    El anlisis anteriormente indicado, constata que los sectores de actividad conmayor participacin, en trminos de potencia instalada en cogeneracin, eran elalimentario, qumico, papel y cartn, suponiendo estas industrias, aproximadamente,la mitad del total a nivel nacional, siendo lgico, dado que estos subsectoresindustriales, cuentan con una alta demanda trmica de proceso, proporcionadamediante cogeneracin, por medio de vapor, agua caliente, aceite trmico, gasescalientes para secado y fro para refrigeracin y proceso, segn el caso.

    Existe, sin embargo un gran potencial a desarrollar en el sector terciario, tantoen el rea domstica (calor y fro de distrito, cogeneracin de pequea escala ymicrocogeneracin) como en actividades comerciales, sector terciario y servicios(hospitales, hoteles, centros comerciales y de ocio, como es el caso, objeto de esteproyecto).

    En el sector primario existe potencial en el tratamiento de residuos de ganadoporcino y vacuno (purines de cerdo) as como en el procesado y eliminacin deresiduos de la industria del aceite vegetal.

    Estos potenciales tecnolgicos sealados anteriormente, se detallan enla siguiente tabla, confeccionada por el IDAE:

    Figura 8. Potencial tecnolgico para los sectores primario, secundario y terciario. Fuente: IDAE (Instituto para el Desarrollo yel Aprovechamiento Energtico) 2009.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 25 -

    El limitado desarrollo de la cogeneracin en los ltimos aos, ligado a lascoyunturas de precios de energa elctrica vertida a la red, regulados por el rgimenespecial y los precios del combustible, acentuado por el retraso de la publicacin delRD 661/2007, llev al Plan de Accin 2008-2012, a rebajar el objetivo inicial de9.215 MW, en 2012, anunciado en el Plan de Accin 2005-2007, a 8.400 MW.

    En la figura siguiente se aprecia la evolucin de la potencia de cogeneracinreal instalada y los diferentes escenarios predictivos, en el perodo 2000-2012.

    Figura 9. Evolucin de la potencia de cogeneracin real instalada, el escenario base 2002-2011 y el escenario de eficiencia,objetivo del Plan de Accin 2005-2007. Fuente: IDAE (Instituto para el Desarrollo y el Aprovechamiento Energtico) 2009.

    1.8.2.- POTENCIAL DE RENOVACIN DEL PARQUE EXISTENTEExiste un gran potencial de renovacin del parque existente de plantas de

    cogeneracin, estimndose para el 2012, la existencia de 2146 MW, con ms de 16aos de antigedad. En gran medida la renovacin del parque de dichas plantas no seha iniciado decididamente, por parte del sector todava, quedando a la espera de unaclarificacin, por parte de la Administracin, del concepto de modificacinsubstancial que recoge el RD 661/2007, anunciada en 2009. Dicha clarificacindebe homogeneizar las condiciones de modificacin substancial en el territorionacional y flexibilizarlas para facilitar esta renovacin del parque y adaptacin delmismo a las nuevas legislaciones medioambientales que, exigiendo la disminucin deemisiones, van a obligar a la substitucin de equipos principales, en muchasocasiones. No realizar el potencial de cogeneracin de renovacin supondra para elpas una inversin del orden de 1.900 millones de Euros. Estimulando este PlanRenove de Cogeneracin se puede garantizar esta potencia con una inversinnotablemente inferior.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 26 -

    1.9.- ESTADO DE LA TCNICA DE COGENERACIN

    1.9.1. INTRODUCCIN

    La cogeneracin se considera como la mejor tecnologa disponible paraoptimizar la eficiencia en la utilizacin de los combustibles. Para sacarle el mximopartido, el tipo y caractersticas de la planta a disear, debe adaptarse a la utilizaciny, en definitiva, al proceso productivo de cada instalacin. Dentro de los sistemasdisponibles hay multitud de posibilidades. De la propia configuracin,dimensionamiento y diseo de la planta, depende que puedan obtenerse las mejoresprestaciones y, por tanto, la optimizacin del ahorro energtico, la mximarentabilidad y las mnimas emisiones.

    Lo que hay que decidir, en cada planta de cogeneracin es, en primer lugar, eltipo de ciclo (ciclo simple con motor de gas o con turbina, ciclo combinado,trigeneracin, etc.), en segundo lugar, el tamao de la planta y despus el diseo delos auxiliares que permitan sacar el mximo partido a los equipos auxiliares.

    1.9.2.- TIPOS DE PLANTAS DE COGENERACIN

    1.9.2.1.- COGENERACIN CON TURBINAS DE GAS EN CICLOSIMPLE

    En los sistemas de cogeneracin, con turbina de gas, se quema combustibleen un turbogenerador. Parte de la energa se transforma en energa mecnica, que setransformar con la ayuda del alternador en energa elctrica. Su rendimientoelctrico es, normalmente, inferior al de los motores alternativos, pero presentan laventaja de que permiten una recuperacin fcil del calor, que se encuentraconcentrado en su prctica totalidad en los gases de escape, que estn a unatemperatura de unos 500 C, condiciones idneas para producir vapor de agua en unacaldera de recuperacin.

    Cuando se presenta en ciclo simple, el sistema consta de una turbina de gas yuna caldera de recuperacin, generndose vapor directamente, a la presin deutilizacin que requiera la planta de proceso asociada a la cogeneracin. Suaplicacin es adecuada cuando las necesidades de vapor son importantes (>10 t/h),como, por ejemplo, en numerosas industrias de alimentacin, qumica, papelera. Sonplantas de gran fiabilidad y econmicamente rentables, a partir de un determinadotamao y de un nmero de horas de utilizacin elevado, con demanda de calorcontinua en el proceso.

    Si la demanda de vapor (o calor til generalizando) es mayor que la quepueden proporcionar los gases de escape, puede utilizarse un quemador depostcombustin, introduciendo combustible directamente en un quemador especial,con el que cuenta la caldera de recuperacin, producindose una cantidad adicionalde vapor. Esto es posible debido a que los gases de escape, tras su combustin en lacaldera, son aun suficientemente ricos en oxgeno, como para que sea posible otracombustin posterior.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 27 -

    El diseo del sistema de recuperacin de calor es el punto fuerte a tener encuenta en esta tecnologa, dado que la cuanta econmica y rentabilidad del proyectoest directamente ligada a este diseo.

    Existe tambin la posibilidad de aprovechar directamente el calor de los gasesde escape sin hacerlos pasar por una caldera. El gas de escape puede ser utilizado enaplicaciones tales como secaderos, bien aplicado directamente el gas de escape sobreel material a secar o a travs de un intercambiador aire(gas escape)-aire.

    En la siguiente figura, se muestra un diagrama de proceso simplificado de unaplanta de cogeneracin, de ciclo simple con turbina de gas.

    Figura 10. Diagrama de proceso simplificado de una planta de cogeneracin, de ciclo simple, con turbina de gas. Fuente: Guade la cogeneracin publicada por FENERCOM (Fundacin de la energa de la Comunidad de Madrid) 2010.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 28 -

    En la siguiente figura se muestra un ejemplo del aprovechamiento energticode este tipo de instalaciones o diagrama de Sankey.

    Figura 11. Ejemplo del aprovechamiento energtico de la instalacin de cogeneracin de ciclo simple con turbina de gas.Fuente: Gua de la cogeneracin publicada por FENERCOM (Fundacin de la energa de la Comunidad de Madrid) 2010.

    1.9.2.2.- COGENERACIN CON TURBINAS DE VAPOR EN CICLOSIMPLE

    En este sistema, la energa mecnica se produce por la expansin del vapor dealta presin procedente de una caldera convencional. Histricamente, este ciclo fue elprimero que se us en cogeneracin. Actualmente su aplicacin ha quedadoprcticamente limitada como complemento para ciclos combinados o eninstalaciones que utilizan combustibles residuales, como biomasa y residuos.

    Dependiendo de la presin de salida del vapor de la turbina se clasifican enturbinas de contrapresin, en donde la presin de vapor est por encima de la presinatmosfrica y las turbinas a condensacin, en las cuales la presin se encuentra pordebajo de la presin atmosfrica y han de ser provistas de un condensador.

    La aplicacin tpica es la utilizacin de una turbina de vapor a contrapresin,siendo el valor de la presin del vapor de escape de la turbina el que se enva alproceso, segn requerimientos del mismo.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 29 -

    En la siguiente figura, se muestra un diagrama de proceso simplificado de una plantade cogeneracin, de ciclo simple con turbina de vapor.

    Figura 12. Ejemplo del aprovechamiento energtico de la instalacin de cogeneracin de ciclo simple con turbina de vapor.Fuente: Gua de la cogeneracin publicada por FENERCOM (Fundacin de la energa de la Comunidad de Madrid) 2010.

    1.9.2.3.- COGENERACIN EN CICLO COMBINADO CON TURBINA DEGAS

    En este sistema, se utiliza conjuntamente una turbina de gas y una de vapor,denominndose ciclo combinado.

    La denominacin de ciclo combinado proviene de que se combinan dosciclos: el ciclo de gas (ciclo Bryton de la turbina de gas) y el ciclo agua-vapor (cicloRankine de la turbina de vapor)

    Los gases de escape de la turbina de gas atraviesan la caldera derecuperacin, donde se produce vapor de alta presin. Este vapor se expande en unaturbina de vapor, producindose energa elctrica adicionalmente. El escape de laturbina ser vapor de baja presin que, a su vez, podr aprovecharse como taldirectamente o bien condensarse en un condensador presurizado, produciendo aguacaliente o agua sobrecalentada, que ser utilizada en el proceso industrial. En estetipo de ciclo combinado, si la demanda de calor disminuye, el vapor sobrante en el

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 30 -

    escape de la turbina puede condensarse, con lo que toda la energa de los gases deescape no se pierde sino que, al menos, se produce una cierta cantidad de energaelctrica.

    En la siguiente figura, se muestra un diagrama de proceso simplificado de unaplanta de cogeneracin, de ciclo simple con turbina de vapor.

    Figura 13. Ejemplo del aprovechamiento energtico de la instalacin de cogeneracin de ciclo combinado con turbina de gas yvapor. Fuente: Gua de la cogeneracin publicada por FENERCOM (Fundacin de la energa de la Comunidad de Madrid)

    2010.

    En un ciclo combinado con turbina de gas, el proceso de vapor es esencialpara maximizar la eficiencia de ste. La seleccin de la presin y la temperatura delvapor vivo se hacen en funcin de las condiciones de los gases de escape de laturbina de gas y de las condiciones de vapor necesarias para la fbrica. Por tanto, serequiere un diseo adaptado al consumo de la planta industrial asociada a lacogeneracin, que disponga de gran flexibilidad para posibilitar su trabajo eficienteen situaciones de alejadas del punto de diseo, al mismo tiempo que se maximice laenerga elctrica producida por la turbina de vapor.

    Una variante del ciclo combinado expuesto anteriormente, en el que la turbinade vapor trabaja a contrapresin (es decir, expande el vapor entre una presinelevada y una presin inferior, siempre superior a la presin atmosfrica) es el ciclo

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 31 -

    combinado a condensacin, en el que el aprovechamiento del calor proveniente delprimer ciclo se realiza en la turbina de vapor, quedando sta como elemento final delproceso. El vapor de salida se condensa en un condensador que trabaja a presininferior a la atmosfrica, para que el salto trmico sea el mayor posible. Este es elciclo de las centrales elctricas de ciclo combinado.

    En la siguiente figura se muestra un ejemplo del aprovechamiento energticode este tipo de instalaciones o diagrama de Sankey.

    Figura 14. Ejemplo del aprovechamiento energtico de la instalacin de cogeneracin de ciclo combinado con turbina de gas.Fuente: Gua de la cogeneracin publicada por FENERCOM (Fundacin de la energa de la Comunidad de Madrid) 2010.

    1.9.2.4.- COGENERACIN CON MOTOR ALTERNATIVO DE GAS OFUEL EN CICLO SIMPLE

    En este sistema, el combustible utilizado puede ser gas, gasleo o fuel-oil. Engeneral, se basan en la produccin de vapor a baja presin (hasta 10 bares) o aceitetrmico y en el aprovechamiento del circuito de agua de refrigeracin de altatemperatura del motor as como de los gases de escape. Es tambin adecuado para laproduccin de fro mediante la absorcin como se explicar ms adelante.

    Este tipo de instalaciones es conveniente para potencias bajas (hasta 15 MW),en las que la generacin elctrica es muy importante en el peso del plan de negocio.Los motores son la mquina trmica que ms rendimiento elctrico ha alcanzado.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 32 -

    En la siguiente figura, se muestra un diagrama de proceso simplificado de unaplanta de cogeneracin, de ciclo simple con motor alternativo.

    Figura 15. Ejemplo del aprovechamiento energtico de la instalacin de cogeneracin de ciclo simple con motor alternativo.Fuente: Gua de la cogeneracin publicada por FENERCOM (Fundacin de la energa de la Comunidad de Madrid) 2010.

    En la siguiente figura se muestra un ejemplo del aprovechamiento energticode este tipo de instalaciones o diagrama de Sankey, representando el caso de unmotor de gas con un orden de potencia de 3 o 4 MW, con produccin de vapor.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 33 -

    Figura 16. Ejemplo del aprovechamiento energtico de la instalacin de cogeneracin de ciclo simple con motor de gas. Fuente:Gua de la cogeneracin publicada por FENERCOM (Fundacin de la energa de la Comunidad de Madrid) 2010.

    1.9.2.4.- COGENERACIN CON MOTOR ALTERNATIVO DE GAS OFUEL EN CICLO SIMPLE CON APROVECHAMIENTO DEGASES DIRECTAMENTE

    En este sistema, se aprovecha directamente el calor de los gases de escape sinhacerlos pasar por una caldera. El gas de escape puede ser utilizado en aplicacionestales como secaderos, bien aplicando directamente el gas de escape sobre el materiala secar o a travs de un intercambiador aire (gas escape)-aire.

    En la siguiente figura, se muestra un diagrama de proceso simplificado de unaplanta de cogeneracin, de ciclo simple con motor alternativo donde se aprovechanen cascada, el calor del circuito refrigeracin de alta temperatura (circuito AT) demotores y el de los gases para calentar el aire. Si se toma el aire a calentar de lasalida del motor es posible recuperar adems una parte del calor de radiacin delmotor.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 34 -

    Figura 17. Ejemplo del aprovechamiento energtico de la instalacin de cogeneracin de ciclo simple con motor alternativo yaprovechamiento de gases de escape directamente. Fuente: Gua de la cogeneracin publicada por FENERCOM

    (Fundacin de la energa de la Comunidad de Madrid) 2010.

    1.9.2.4.- COGENERACIN CON MOTOR ALTERNATIVO DE GAS OFUEL EN CICLO COMBINADO

    En este sistema, el calor contenido en los gases de escape del motor serecupera en una caldera de recuperacin, produciendo vapor que es utilizado en unaturbina de vapor para producir ms energa elctrica o energa til mecnica. Elcircuito de refrigeracin de alta temperatura (circuito AT) del motor se recupera enintercambiadores, as como el calor de los gases de escape que abandonan la seccinde generacin de vapor hacia la turbina de vapor y el calor recuperado se utilizadirectamente en la industria asociada a la planta de cogeneracin. El rendimientoelctrico de este tipo de sistema es alto, mientras que el rendimiento trmicodisminuye considerablemente. Es interesante este tipo de sistema, para plantas condemandas de calor bajas. El calor de escape de la turbina de vapor tambin puedeaprovecharse, en cuyo caso, mejora el rendimiento total.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 35 -

    En la siguiente figura, se muestra un diagrama de proceso simplificado de unaplanta de cogeneracin, de ciclo combinado, con motor alternativo.

    Figura 18. Ejemplo del aprovechamiento energtico de la instalacin de cogeneracin de ciclo combinado con motoralternativo. Fuente: Gua de la cogeneracin publicada por FENERCOM(Fundacin de la energa de la Comunidad de Madrid) 2010.

    1.9.2.5.- TRIGENERACIN

    La trigeneracin suele referirse a la generacin simultnea de energaelctrica, energa trmica en forma de calor (agua sobrecalentada o vapor) y energatrmica en forma de frio para refrigeracin para el proceso o para las instalacionesasociadas a sta. El fro se obtiene transformando parte o todo el agua caliente,sobrecalentada o vapor en agua fra, utilizando equipos de absorcin (de amoniaco ode sales de bromuro de litio), que tienen un ciclo termofsico cuyos principios seconocen antes que los de ciclo de compresin de las mquinas frigorficasconvencionales.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 36 -

    En la siguiente figura, se muestra un diagrama de proceso simplificado de unaplanta de trigeneracin, de ciclo combinado, con motor alternativo a gas.

    Figura 19. Ejemplo del aprovechamiento energtico de la instalacin de trigeneracin con motor alternativo a gas.Fuente: Gua de la cogeneracin publicada por FENERCOM (Fundacin de la energa de la Comunidad deMadrid) 2010.

    La trigeneracin, permite a la cogeneracin, que inicialmente, no eraeconmicamente viable, en centros que no consumieran calor, acceder a centros queprecisen fro y se genere energa elctrica. Facilita a la industria del sectoralimentario a ser cogeneraciones potenciales. Asimismo, permite la utilizacin decogeneracin en el sector terciario (hoteles, hospitales, centros educativos y de ocio,como es el caso objeto de este proyecto, etc.), donde adems de calor se requiere fropara refrigeracin o climatizacin y que, debido a la estacionalidad de estosconsumos (calor en invierno, fro en verano) impeda la normal operacin de unaplanta de cogeneracin clsica, slo con produccin de calor y energa elctrica. Alaprovecharse el calor tambin para la produccin de fro, permite una mayorestabilidad en el aprovechamiento del calor.

    En realidad, en una planta de cogeneracin se pueden producir otra energatil, a parte de la electricidad, calor y fro, como puede ser energa mecnica, airecomprimido o incluso CO2. En este caso, se puede hablar de plantas depoligeneracin.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 37 -

    La trigeneracin tambin puede tener como motor primario una turbina degas. En este caso, el calor de absorcin viene exclusivamente de la caldera derecuperacin de calor, bien sea en forma de vapor, agua caliente o sobrecalentada.

    1.9.2.5.1.- MAQUINA DE ABSORCION DE BROMURO DE LITIO

    En la siguiente figura se muestra el ciclo trmico sobre el que se basa estetipo de mquinas.

    Figura 20. Esquema simplificado del ciclo trmico de una mquina de absorcin de bromuro de litio.Fuente: Gua de la cogeneracin publicada por FENERCOM (Fundacin de la energa de la Comunidad deMadrid) 2010.

    Los ciclos de absorcin se basan en la capacidad que tienen algunassubstancias, en este caso, algunas sales, como el bromuro de litio, para absorber enfase lquida vapores de otras substancias como el agua. As pues, est basado en elcomportamiento de la solucin de bromuro de litio con el agua. El bromuro de litio,al ser una substancia muy higroscpica, cuando absorbe agua genera calor y cuandopierde agua es necesario aportar energa. A continuacin se detallan los cuatroprocesos que forman el ciclo trmico:

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 38 -

    1. Generador. En esta etapa, el fluido refrigerante, en este caso, agua, seevapora. De la mezcla de bromuro de litio y agua, cuando es calentada con elfluido caliente que proviene de la planta de cogeneracin, se evapora agua. Elgenerador tiene pues, una entrada de fluido caliente (vapor, aguasobrecalentada, agua caliente o gases calientes) y una salida de ese mismofluido a una temperatura inferior.

    2. Condensador. En esta etapa, el vapor generado en la etapa anterior secondensa, ayudado para ello de una corriente de fluido refrigerante quecircula a travs de los tubos de un intercambiador de haces tubulares. Estelquido refrigerante suele ser agua proveniente de una torre de refrigeracin.

    3. Enfriador o evaporador. En esta etapa, se produce el fro til. El agua,condensada en la etapa anterior, entra en contacto con los tubos del haztubular del enfriador, por cuyo interior circula el agua que se quiere enfriar.Al entrar en contacto con los tubos, el calor necesario para volverse aevaporar, lo toma del agua que circula por los tubos. La presin del equipopara permitir esa evaporacin a temperaturas prximas a 0 C, es muy baja,prxima al vaco absoluto, tan slo unos milmetros de columna de agua, porlo que el agua se evapora a 3 C y el calor necesario para la evaporacin lotoma, como se ha indicado, del agua circulante que entra a la mquina deabsorcin, a una temperatura entre 6 y 10 C y sale a 4 o 5 C.

    4. Absorbedor. En esta ltima etapa, que cierra el ciclo trmico de trabajo, serecoge ese vapor generado en la etapa anterior y lo absorbe en la disolucinde bromuro de litio. La concentracin de bromuro disminuye, se diluye y esteproceso produce calor que es necesario evacuar. Para ello, la mquina tieneuna segunda entrada de agua de refrigeracin y su correspondiente salida.Normalmente la salida del condensador y la entrada del absorbedor, seconectan en serie, de manera que el sistema slo tiene una entrada de agua derefrigeracin (la entrada al condensador) y una sola salida (la salida delabsorbedor).

    El coeficiente de operacin (COP) de las mquinas de absorcin, con bromuro delitio, con ciclo simple, est en torno al 65%.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 39 -

    En la siguiente figura se muestra una foto de la mquina de absorcin, de la firmaTHERMAX, modelo LT-10, seleccionada en este proyecto de instalacin detrigeneracin, en el centro de ocio en cuestin, objeto de estudio.

    Figura 21. Foto mquina de absorcin, de la firma THERMAX, modelo LT-10. Fuente: THERMAX Europa.Gama de productos. Enfriadora accionada por agua caliente. 2011.

    1.9.3.- EVOLUCION TECNOLOGICA DE LA COGENERACIN

    1.9.3.1.- INTRODUCCIN

    La tecnologa de cogeneracin es un ejemplo de evolucin tecnolgica, por laextraordinaria mejora que ha experimentado en las ltimas dcadas.

    La evolucin se ha producido, tanto en los equipos principales como en losequipos e instalaciones auxiliares, permitiendo mejorar las prestaciones yaumentando la disponibilidad del conjunto. Las mejoras ms importantes se hanproducido, tanto en el rendimiento de las instalaciones como en las emisiones. Latecnologa de cogeneracin es un ejemplo de compatibilidad entre aumento de larentabilidad y de la proteccin medioambiental.

    En dicha evolucin, se ha conseguido duplicar el rendimiento elctrico ydividir por 5 o 10 las emisiones de NOx. Se ha asistido pues a una espectacularmejora tecnolgica, que an no ha terminado y, aunque parezca imposible nuevasmejoras, es seguro que an se vern importantes progresos en este campo.

    El hecho de que se est produciendo esta rpida evolucin aconseja estarpendiente y analizar si vale la pena hacer cambios en una instalacin ya existentepara optimizar sus prestaciones. Al mismo tiempo, la evolucin de nuevos equiposhacen posible hacer instalaciones de cogeneracin donde antes no se poda o no erarentable llevarlo a cabo.

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    1.9.3.2.- EMISIONES DE LAS PLANTAS DE COGENERACIN

    Una de las razones del xito de las plantas de cogeneracin es que son msrespetuosas con el medioambiente que otras formas de generacin de energa queutilizan combustibles fsiles.

    Efectivamente, sus emisiones a la atmsfera son menores y menoscontaminantes. Emiten CO2 en menor cantidad por kWh producido que otrascentrales trmicas, puesto que tienen mejor rendimiento global. Las emisiones deNOx y CO estn dentro de lo permitido y existen tecnologas para bajarlos an ms.Las emisiones de SO2 y de partculas slidas son prcticamente despreciables cuandose utiliza gas natural como combustible.

    En la siguiente figura se muestran las emisiones netas por unidad de energaelctrica producida, es decir, descontando la parte de las emisiones necesarias paraproducir el calor til y suponiendo que ste se hace con un 90% de rendimiento.

    Figura 22. Emisiones de plantas de cogeneracin y generacin convencional en g/kWh elctrico. Fuente: Gua de lacogeneracin publicada por FENERCOM (Fundacin de la energa de la Comunidad de Madrid) 2010.

    1.9.3.3.- TENDENCIAS Y NUEVOS DESARROLLOS EN MOTORESALTERNATIVOS

    Durante los aos ochenta y noventa penetraron con fuerza en el mercado de lacogeneracin los motores alternativos de gas de alto rendimiento, que ya en ordendel MW tienen buenos rendimientos (35-40%) y, al mismo tiempo, tienen un bajonivel de emisiones. El rcord de rendimiento est por ahora en los motores diesel dedos tiempos, lentos, con rendimientos prximos al 50%, aunque con poco futuroprevisible de cogeneracin, debido a sus altos niveles de emisiones contaminantes.

    En los motores alternativos de gas ha habido una considerable evolucin en eltiempo, tanto en la mejora de las prestaciones y disminucin de emisiones. Esto se haconseguido por el aumento en la relacin de compresin, el uso de mezclas pobres yla mejora en el control de la combustin, para evitar la detonacin, lo que hapermitido mejorar el rendimiento y al mismo tiempo disminuir las emisiones.

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    En las siguientes figuras se muestra la evolucin en el rendimiento de losmotores de gas, as como la relacin entre la presin media efectiva y rendimiento.

    Figura 23. Evolucin de presiones medias efectivas y rendimientos en motores alternativos de gas. Fuente: Gua dela cogeneracin publicada por FENERCOM (Fundacin de la energa de la Comunidad de Madrid) 2010.

    Figura 24. Evolucin histrica del rendimiento en motores alternativos de gas. Fuente: Gua de la cogeneracinpublicada por FENERCOM (Fundacin de la energa de la Comunidad de Madrid) 2010.

    Los motores alternativos, como se ha indicado anteriormente, tienen un buenrendimiento, pero, en general, tienen el problema de mayores emisiones, mayor costede mantenimiento y consumo de aceite.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 42 -

    Figura 25. Relacin de prestaciones de los motores alternativos de gas, respecto a la riqueza de la mezcla.Fuente: Gua de la cogeneracin publicada por FENERCOM (Fundacin de la energa de laComunidad de Madrid) 2010.

    Los desarrollos se centran en la fabricacin de unidades cada vez de mayorpotencia unitaria (8 MW actualmente), la disminucin del consumo de aceitelubricante y sistemas de control de la detonacin para aumentar el rendimiento. Entre1992 y 2000, el rendimiento de un motor de 3 MW ha pasado del 39 al 42%. Ahorase estn instalando motores alternativos de gas de 8 MW, con rendimientos del ordendel 44 al 45%, basado entre otras cosas con una mejora del ciclo Otto, denominadociclo Miller.

    El diseo actual de motor, el aire y el gas se comprime y se introduce apresin, justo antes de la vlvula de admisin. En algunos diseos, para facilitar laignicin de la mezcla pobre, se introduce una mezcla rica en una precmara. En laprecmara se provoca la ignicin con facilidad y seguridad mediante una buja,ignicin que se propaga de manera segura al resto del cilindro.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 43 -

    En la siguiente figura se muestra un esquema simplificado de un corte de unmotor alternativo, con ciclo Otto, con inyeccin a presin y precmara.

    Figura 26. Esquema simplificado de un corte de un motor alternativo, con ciclo Otto, con inyeccin a presin yprecmara. Fuente: Rolls Royce.

    La eficacia de un motor Otto, de ciclo convencional de cuatro tiempo,depende, finalmente, de la presin media efectiva en el cilindro. La temperaturamxima y, por tanto, la presin est limitada por el riesgo de detonacin, por lo quese llega a un lmite de eficiencia.

    El ciclo Miller disminuye los tiempos de apertura de las vlvulas de admisin,necesitndose un aumento de la presin del aire de sobrealimentacin, generada porla rueda compresora del turbocompresor, permitiendo un llenado ms rpido yeficiente del cilindro y, aumentando un poco la capacidad del refrigerador posterior,permite partir al comienzo de la compresin geomtrica con mayor presin y a lamisma temperatura, llegando a una temperatura menor al final de la expansin, loque conlleva una menor emisin de NOx, reducindose hasta un 20%, respecto a unciclo Otto convencional, o bien, aumentando la presin final, para una mismatemperatura lmite. Se aumenta la expansin, que es la que da el trabajo til y sedisminuye el trabajo de compresin. Esto se consigue jugando con los retardos deapertura y cierre de vlvulas.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 44 -

    En la siguiente figura, se muestra el principio del ciclo Miller.

    Figura 27. Principios que definen el ciclo Miller. Fuente: MTU (Unin de Motores y Turbinas).

    Otro desarrollo en el que se investiga constantemente, es la fuente de ignicin(la buja), puesto que es un punto dbil causante, a veces, de la indisponibilidad delos motores alternativos a gas. Cada vez se consigue aumentar ms el intervalo entrecambio de bujas (ahora est en torno a 2000 h). Un fabricante ha presentado ya unmotor sin bujas, realizndose la ignicin mediante punto caliente. Se trata, enrealidad de una reintroduccin puesto que, a principios del siglo XX, tambin seprovocaba la ignicin con punto caliente.

    1.9.3.4.- MEDIDAS PARA MEJORAR EL RENDIMIENTO DE PLANTASDE COGENERACIN CON MOTORES ALTERNATIVOS

    Una buena forma de aumentar la rentabilidad, de las plantas de cogeneracin,con motores alternativos, es aumentar su rendimiento global. La mayor dificultad delaprovechamiento trmico, en los motores alternativos, de gas, se debe a que sedispone del calor recuperable de varias fuentes y, una parte importante, a bajatemperatura. Es precisamente esta dificultad la que nos brinda grandes oportunidadesde mejorar la eficiencia de estas plantas de cogeneracin.

    En primer lugar debe aprovecharse hasta donde sea posible el agua calientede alta temperatura (a unos 90 C normalmente). En muchos procesos en la industriay en los servicios no se requieren temperaturas superiores a 90 C (este es el caso delsector alimentario). Sin embargo, numerosas veces para unificar el sistema detransporte del calor desde el lugar de produccin de calor a los lugares de utilizacines ms sencillo utilizar un solo fluido caloportador, siendo ste normalmente el

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 45 -

    vapor. Esto no tiene mucha repercusin en el rendimiento en el caso de tratarse deuna caldera convencional, pero no es este el caso, en las plantas de cogeneracin,basadas en motores, puesto que supone la utilizacin o el desperdicio de una fuentede calor gratuita. Hay algunos casos, pocos ciertamente, en que puede utilizarse elcalor de baja temperatura de los motores (a 40 o 50 C). Este es el caso que se utilicebastante cantidad de agua de aporte (de pozo o de red) para un uso en que seapreferible usar agua caliente o templada, como en el caso de lavados o aclarados. Siesto es as, utilizar el calor de los motores, tiene tres ventajas: aumento delrendimiento elctrico equivalente, ahorro de energa y disminucin de lasnecesidades de refrigeracin (menor consumo de electricidad y agua en torres derefrigeracin). En resumidas cuentas, en el caso de plantas con motores alternativos,hay que aprovechar el agua caliente hasta el lmite mximo posible.

    La utilizacin de unidades de absorcin, para la produccin de fro, ahorrandoel consumo elctrico, en sistemas de compresin convencional, es otra oportunidadde aumentar el potencial de cogeneracin y aumentar el rendimiento.

    Hay varios procesos de secado en que se requiere aire caliente que tambinpuede producirse, a partir del agua caliente. Ms an, este aire puede ser tomado dela propia sala de motores y sobrecalentado con agua caliente y/o gases de escapecalientes. De esta forma se aprovecha el calor de radiacin del motor y, por otra, sefacilita la refrigeracin de la sala de motores.

    Como siempre, la primera estrategia, es llegar al mximo potencial decogeneracin, produciendo con la planta de cogeneracin, todas las formas deenerga posibles (vapor, agua caliente, agua fra, aire caliente o fro, etc.). Un mayorgrado de aprovechamiento es utilizar el CO2 de los gases de escape bien para elsector de bebidas o para aumentar la productividad en invernaderos. Con ello, sepodr poner una planta mayor y, por tanto, con mayor rendimiento y menor costeespecfico, lo que significa mayor rentabilidad.

    Para aumentar la produccin de electricidad y, por tanto, el rendimientoelctrico, la nica oportunidad, utilizando motores, es combinar el ciclo, aparte deelegir el motor con el mejor rendimiento elctrico posible.

    1.9.3.5.- CICLOS DE COLA EN MOTORES

    Hasta ahora, se elega entre turbinas o motores y, en el caso de eleccin deturbinas, se consideraba si vala la pena o no combinar el ciclo. Ahora, con ladisminucin de los mrgenes de rentabilidad, por un lado y con la existencia deplantas de motores, de bajo grado de aprovechamiento del calor, se considera ahorala opcin de combinar un ciclo de motores.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 46 -

    Se presenta as, el ciclo en cola de motores, con turbina de vapor acontrapresin/condensacin, como una buena frmula para mejorar la rentabilidad delos ciclos de motores, consiguiendo rendimientos elctricos totales de hasta el 47% oincluso ms.

    Este sistema se instala en plantas de varios motores. Se unen los gases deescape y stos se llevan a una caldera de presin intermedia (20 a 40 bar), donde seproduce vapor sobrecalentado que se dirige a una turbina de vapor donde se produceelectricidad, a precio de calor o incluso gratis si hubiera excedente de calor.

    En la siguiente figura, se muestra un diagrama de proceso simplificadode una planta de cogeneracin, de ciclo combinado, con motores.

    Figura 28. Ejemplo del aprovechamiento energtico de la instalacin de cogeneracin de ciclo combinado con motoresFuente: Gua de la cogeneracin publicada por FENERCOM (Fundacin de la energa de la Comunidad de Madrid) 2010.

    A modo de ejemplo, una planta que posea cuatro motores de 3 MW, con uncaudal de gases de escape de 5,6 kg/s a 470 C, pueden producir, en una caldera derecuperacin, unos 2,3 kg/s de vapor a 25 bar y 380 C y, con este vapor, en unaturbina de vapor, a contrapresin, de 1,5 bar, producira unos 0,8 MW, as pues, se haconseguido aumentar la potencia de la planta en un 7%, aproximadamente.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 47 -

    En la siguiente figura se muestra un ejemplo del aprovechamiento energticode este tipo de instalaciones o diagrama de Sankey, representando el caso de un ciclocombinado, con motores.

    Figura 29. Ejemplo del aprovechamiento energtico de la instalacin de cogeneracin de ciclo combinado, con motores. Fuente:Gua de la cogeneracin publicada por FENERCOM (Fundacin de la energa de la Comunidad de Madrid) 2010.

    En motores de dos tiempos, se produce electricidad tambin con la energaexcedente de los turbos. De manera que, en las modernas centrales elctricas diesel,se produce electricidad, en tres lugares, de manera principal, con el eje del motor,pero tambin con los turbocompresores mediante alternadores asncronos y conturbina de vapor, al combinar el ciclo.

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 48 -

    2. DEFINICIN DE LAS INSTALACIONES ANTES DE LA IMPLANTACINDEL SISTEMA DE COGENERACIN

    2.1.- EMPLAZAMIENTO DE LA INSTALACION

    La Planta de Cogeneracin de 500 kW, denominada CogeneracinVillaviciosa de Odn, objeto de este proyecto, se implantar en el TrminoMunicipal de Villaviciosa de Odn (Madrid). La ubicacin exacta del emplazamientose resume a continuacin:

    Situacin: MadridTrmino Municipal: Villaviciosa de OdnCdigo Postal: 28670Direccin: Avda. Manuel Gutirrez Mellado, n 1-3Coordenadas UTM: X=423790.07, Y=4467904.88, Huso: 30

    2.2.- EMPRESA SUMINISTRADORA

    La energa elctrica producida en la Planta de Cogeneracin, objeto de esteproyecto, ser suministrada a la red de la Compaa IBERDROLA DISTRIBUCIONELECTRICA, S.A.

    2.3.- SITUACION ACTUAL

    Con objeto de definir la Planta de Cogeneracin de energa elctrica que sepretende instalar, en primer lugar, resulta conveniente aclarar y concretar, de unaforma pormenorizada, la demanda energtica que presenta el Centro Deportivo,donde se pretende implantar la Planta de Cogeneracin, objeto de este proyecto. Deeste modo, ser ms fcil de comprender y dilucidar la necesidad efectiva que setiene, hoy por hoy, de implantar la Planta.

    2.3.1.- DESCRIPCION DEL CENTRO DEPORTIVO

    El Centro Deportivo ocupa una superficie aproximada de 3.571,55 m2 ycuenta con una edificabilidad de 6.005,35 m2 construidos.

    El edificio consta de 2 plantas y un stano, en las cuales se puede distinguir 3zonas: piscinas climatizadas, zona termal y salas polivalentes.

    El centro est formado por 2 piscinas climatizadas de dimensiones 25 x 16,60m, para la piscina polivalente y de 7,05 x 12,50 m para la piscina de enseanza.

    La zona termal est constituida por Jacuzzi, Baera de Tonificacin, Duchas,Zona de Baos Infrarrojos, Rayos UVA, Ducha Vichy y Cabinas de Masaje.

  • PROYECTO DE PLANTA DE COGENERACION DE 500 KWPARA CLIMATIZACION DE UN CENTRO DEPORTIVO

    PROYECTO FIN DE CARRERA ALUMNO: JOSE ANDRES GARCIA MORCILLOESCUELA POLITECNICA SUPERIOR. UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 49 -

    La zona de gimnasio se distribuye en dos plantas, una planta da servicio a lazona cardio-mquinas y en la segunda, se distribuyen cuatro salas polivalentes(cuerpo y mente, tatami, spinning y sala de entrenamiento personal).

    El complejo se complementa con, cafetera, oficinas y vestuarios, totalmenteclimatizados.

    2.3.2.- DEMANDA ENERGETICA DEL CENTRO DEPORTIVO

    El centro deportivo presenta las siguientes demandas energticas:

    - Demanda de calor para la calefaccin de las instalaciones, climatizacin delas piscinas y abastecimiento de Agua Caliente Sanitaria (ACS) durante 14horas diarias, 365 das al ao.

    No obstante, durante la noche, las piscinas climatizadas, presentan tambinuna demanda energtica para evitar su enfriamiento.

    - Demanda de fro, para refrigeracin, de las instalaciones durante 14 horasdiarias, 365 das al ao.

    A continuacin, se muestran las tablas de demanda de calor y de fro quepresenta el centro deportivo:

    MesesPotencia

    demandada(kW)

    Horas dedemanda

    (h/da)Das/mes Horas dedemanda/mes

    Energatrmica tildemandada

    total(kWh/mes)

    Abril 175 14 30 420 73.500Mayo 140 14 31 434 60.760Junio 88 14 30 420 36.960Julio 35 14 31 434 15.190

    Agosto 35 14 31 434 15.190Septiembre 140 14 30 420 58.800

    Octubre 245 14 31 434 106.330Noviembre 298 14 30 420 125.160Diciembre 315 14 31 434 136.710

    Enero 326 14 31 434 141.484Febrero 322 14 28 392 126.224Marzo 298 14 31 434 129.332Total 5.110 1.025.640

    Tabla 1. Demanda de calor actual estimada durante la apertura del centro de ocio(8:00-22:00 horas) durante un ao

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    PROYECTO FIN DE CARRERA ALUMNO: JOSE ANDRES GARCIA MORCILLOESCUELA POLITECNICA SUPERIOR. UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 50 -

    MesesPotencia

    demandada(kW)

    Horas dedemanda

    (h/da)Das/mes Horas dedemanda/mes

    Energatrmica tildemandada

    total(kWh/mes)

    Abril 35 10 30 300 10.500Mayo 28 10 31 310 8.680Junio 18 10 30 300 5.400Julio 7 10 31 310 2.170

    Agosto 7 10 31 310 2.170Septiembre 28 10 30 300 8.400

    Octubre 49 10 31 310 15.190Noviembre 60 10 30 300 18.000Diciembre 63 10 31 310 19.530

    Enero 65 10 31 310 20.150Febrero 64 10 28 280 17.920Marzo 60 10 31 310 18.600Total 3.650 146.710

    Tabla 2. Demanda de energa trmica actual estimada para mantenimiento de calor enpiscinas durante la noche, durante un ao

    Meses

    Energa trmica tildemandada total de

    8:00-22:00 h(kWh/mes)

    Energa trmica tildemandada total

    mantenimiento piscina22:00-8:000 h

    (kWh/mes)

    Demandatotal

    (kW/mes)

    Abril 73.500 10.500 84.000Mayo 60.760 8.680 69.440Junio 36.960 5.400 42.360Julio 15.190 2.170 17.360

    Agosto 15.190 2.170 17.360Septiembre 58.800 8.400 67.200

    Octubre 106.330 15.190 121.520Noviembre 125.160 18.000 143.160Diciembre 136.710 19.530 156.240

    Enero 141.484 20.150 161.634Febrero 126.224 17.920 144.144Marzo 129.332 18.600 147.932Total 1.025.640 146.710 1.172.350

    Tabla 3. Demanda de calefaccin total estimada

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    DOCUMENTO I.- MEMORIA - I.1.- MEMORIA DESCRIPTIVA - 51 -

    Meses

    Potenciaelctrica

    demandada(kW)

    Horas de consumoPeriodo Tarifrico 1-5

    horas/mes

    Energa elctricademandada

    Periodo Tarifrico 1-5(kWh/mes)

    Abril 33 308 10.164Mayo 73 280 20.440Junio 114 308 35.112Julio 139 322 44.758

    Agosto 139 0 0Septiembre 106 308 32.648

    Octubre 24 280 6.720Noviembre 0 294 0Diciembre 0 252 0

    Enero 0 294 0Febrero 0 280 0Marzo 0 322 0Total 628 3.248 149.842

    Tabla 4. Demanda de Energa Elctrica para fro. Periodo Tarifrico 1-5

    Nota: Perodo tarifrico 1-5: De lunes a viernes, de 8:00h a 24:00h

    Meses

    Potenciaelctrica

    demandada(kW)

    Horas de consumoPeriodo Tarifrico 6

    horas/mes

    Energa elctricademandada

    Periodo Tarifrico 6(kWh/mes)

    Abril 33 112 3.696Mayo 73 154 11.242Junio 114 112 12.768Julio 139 112 15.568

    Agosto 139 434 60.326Septiembre 106 112 11.872

    Octubre 24 154 3.696Noviembre 0 126 0Diciembre 0 182 0

    Enero 0 140 0Febrero 0 112 0Marzo 0 112 0Total 628 1.862 119.168

    Tabla 5. Demanda de Energa Elctrica para fro. Periodo Tarifrico 6

    Nota: Perodo tarifrico 6: De lunes a viernes, de 0:00h a 8:00hSbados y Domingos, de 0:00 a 24:00 hFestivos, de 0:00 a 24:00 hMes de Agosto, completo

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