10. SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE CALOR

10. SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE CALOR
A pesar del coste inicial que supone incorporar a la planta de cogeneración un sistema de
almacenamiento de calor (SAC), la variabilidad horaria de las demandas energéticas conducen
a que la utilización de este tipo de sistema pueda resultar energética y económicamente
interesante.
Las ventajas que a priori produce la utilización de este tipo de equipo son las siguientes: en
primer lugar, se reduce el consumo de combustible en la caldera en las horas punta de
demanda energética; y en segundo lugar, se produce un aumento del REE de la instalación.
10.1. Características del SAC
El SAC es un depósito lleno de un fluido caloportador, de forma cúbica en nuestro caso,
cuyas paredes están hechas de material aislante. Además, el SAC posee dos serpentines cuyas
funciones son las de introducir y extraer calor del mismo.
El fluido caloportador escogido en nuestro caso es aceite térmico. Esto es debido a que
dicho fluido puede alcanzar altas temperaturas, lo cual aumenta la capacidad de
almacenamiento del SAC.
A continuación, establecemos las propiedades del SAC:
-
ρaceite = densidad del aceite térmico en función de la temperatura.
࣋ࢇࢉࢋ࢏࢚ࢋ (
-
࢑ࢍ
࢓૜
Cp aceite = calor específico del aceite térmico en función de la temperatura.
࡯࢖ ࢇࢉࢋ࢏࢚ࢋ ቀ
-
) = −૙, ૢ૙૟૞ · ࢀ(℃) + ૚૙ૢૠ, ૜૜ Ecuación 36.
࢑ࡶ
࢑ࢍ·℃
ቁ = ૙, ૙૙૛ૠ૚ · ࢀ(℃) + ૚, ૝ૢૡ Ecuación 37.
Tlim inf alm SAC = temperatura límite inferior de almacenamiento del SAC, 130 ºC.
PPSAC = “pinch point” del SAC, 10 ºC.
Tsal SAC = temperatura de los gases de escape a la salida del serpentín introductor de
calor del SAC, 140 ºC.
Tlim sup alm SAC = temperatura límite superior de almacenamiento del SAC, 370 ºC.
eSAC = espesor de las paredes del SAC, 0,3 ݉.
௞ௐ
kSAC = conductividad térmica del material aislante de las paredes del SAC, 0,00002 ௠·℃.
El calor máximo aprovechable que puede almacenar el SAC es función del volumen del
mismo, y se obtiene a través de la siguiente ecuación:
ܳ୫ୟ୶ ௔௟௠ ௌ஺஼ = ߩ௔௖௘௜௧௘ ቀܶ = ܶ୪୧୫ ୱ୳୮ ௔௟௠ ௌ஺஼ ቁ ∙ ‫ܥ‬௣ ௔௖௘௜௧௘ ቀܶ = ܶ୪୧୫ ୱ୳୮ ௔௟௠ ௌ஺஼ ቁ⋅…
(ܶ୪୧୫ ୱ୳୮ ௔௟௠ ௌ஺஼ − ܶ୪୧୫ ୧୬୤ ௔௟௠ ௌ஺஼ ) ≈ 457 ቀ
ெ௃
௠య
ቁ Ecuación 38.
69
10.2. Descripción de la instalación con SAC
10.2.1. Motores de combustión interna alternativos
10.2.1.1. Esquema
Chimenea
Calor procedente de los Gases de Escape de la Turbina
AIRE ACO NDICIO NADO
Refrigerador por
Compresión Eléctrica
Compra de Electricidad
Combustible
Venta de Electricidad
Electricidad
Producida
M
Consumo de
Electricidad
Sistema de
Almacenamiento
de Calor
Calor procedente del Agua y Aceite del Motor
Circuito de Intercambio de Calor (Baja Tª)
Caldera
Combustible
ACS
VAPO R
AIRE ACO NDICIO NADO
CALEFACCIÓN
Máquina de
Absorción
Circuito de Intercambio de Calor (Alta Tª)
Figura 55. Esquema de la planta con MCIA y SAC.
10.2.1.2. Funcionamiento
La incorporación del SAC a la instalación produce dos diferencias respecto al
funcionamiento de la misma sin la incorporación de dicho sistema:
-
-
En primer lugar, si tenemos un sobrante de calor procedente de los gases de escape
del motor, aprovechamos dicho calor (que antes tirábamos por la chimenea) en
calentar el aceite térmico del SAC, siempre que esto sea físicamente viable.
En segundo lugar, si el calor demandado es mayor que el calor producido por los MCIA,
utilizamos el calor almacenado en el SAC para ayudar a satisfacer dicha demanda,
siempre que esto sea físicamente viable. Si no fuese así, satisfacemos la demanda de
calor con la ayuda de la caldera.
En un principio podríamos emplear un segundo SAC para aprovechar mejor el calor
procedente del agua y aceite del motor. Sin embargo, dado que la temperatura máxima del
circuito de intercambio de calor de baja temperatura es 90ºC y que la temperatura de entrada
al intercambiador productor de ACS debe ser igual a 60ºC, existe un escaso margen de
temperaturas para que el almacenamiento y aprovechamiento de calor en un sistema de
almacenamiento sea viable.
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El significado de la condición empleada en los párrafos anteriores “siempre que esto sea
físicamente viable” es que a la hora de introducir o extraer calor del SAC no se produzcan
algunos de los tres hechos que describimos a continuación:
-
-
-
La temperatura de almacenamiento sea superior a la temperatura límite superior del
aceite térmico del circuito de intercambio de calor (alta temperatura), Talm SAC > Tlim sup
alm SAC.
La temperatura de almacenamiento sea inferior a la temperatura límite inferior del
aceite térmico del circuito de intercambio de calor (alta temperatura), Talm SAC < Tlim inf
alm SAC.
La temperatura de almacenamiento más el “pinch point” del SAC sea superior a la
temperatura de los gases de escape (Talm SAC + PPSAC > Tesc).
Para la aplicación del balance de energía térmica al sistema en cada hora (y mes), o lo que
es lo mismo, para la determinación de Qent SAC, Qsal SAC y Qcaldera, es necesario el cálculo previo de
la Talm SAC, donde:
-
Qent SAC = calor introducido en el SAC.
Qsal SAC = calor extraído en el SAC.
Talm SAC = temperatura de almacenamiento del SAC.
La obtención de la temperatura de almacenamiento del SAC en cada hora (y mes) se
realiza de la forma siguiente:
-
En primer lugar, debemos suponer una temperatura de almacenamiento inicial (para
el principio de la primera hora del día, hora 0) y un calor aprovechable almacenado en
el SAC asociado a ella. En un principio vamos a adoptar la solución más conservadora,
que es suponer la temperatura de almacenamiento inicial igual a la Tlim inf alm SAC.
ࢀࢇ࢒࢓ ࡿ࡭࡯ ૙ = ࢀ‫ = ࡯࡭ࡿ ࢓࢒ࢇ ܎ܖܑ ܕܑܔ‬૚૜૙℃ → ࡽࢇ࢒࢓ ࡿ࡭࡯ ૙ = ૙ Ecuación 39.
, donde:
-
Talm SAC 0 = temperatura de almacenamiento inicial del SAC.
Qalm SAC 0 = calor inicial almacenado en el SAC.
En segundo lugar, calculamos el calor almacenado en el SAC para cada hora (y mes)
aplicando el primer principio de la termodinámica en el SAC.
ࡽࢇ࢒࢓ ࡿ࡭࡯ (ࢎ)= ࡽࢇ࢒࢓ ࡿ࡭࡯ (ࢎ − ૚) +ൣࡽࢋ࢔࢚ ࡿ࡭࡯ (ࢎ − ૚) − ࡽ࢙ࢇ࢒ ࡿ࡭࡯ (ࢎ − ૚) − ࡽ࢖ࢋ࢘ࢊ࢏ࢊࢇ࢙ ࡿ࡭࡯ (ࢎ − ૚)൧ ·
૜૟૙૙, ∀ࢎ = ૚, … , ૛૝ Ecuación 40.
, donde:
-
Qalm SAC = calor almacenado en el SAC.
Qperdidas SAC = son las pérdidas de energía térmica que se producen a través de
las paredes del SAC, cuyo valor viene determinado por la siguiente ecuación:
ࡽ࢖ࢋ࢘ࢊ࢏ࢊࢇ࢙ ࡿ࡭࡯ (ࢎ − ૚) =
࢑ࡿ࡭࡯
ࢋࡿ࡭࡯
∙ ࡿࡿ࡭࡯ ∙ [ࢀࢇ࢒࢓ ࡿ࡭࡯ (ࢎ − ૚) − ࢀࢇ࢓࢈ (ࢎ − ૚)] Ecuación 41.
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, donde:
-
-
SSAC = superficie de las paredes del SAC.
Tamb = temperatura ambiente, cuyos valores vienen definidos en el
apartado 5 de este proyecto.
En tercer lugar, obtenemos la Talm SAC para cada hora (y mes) a través de la siguiente
ecuación:
ࢀࢇ࢒࢓ ࡿ࡭࡯ (ࢎ) = ࢀࢇ࢒࢓ ࡿ࡭࡯ (ࢎ − ૚) +
ࡽࢇ࢒࢓ ࡿ࡭࡯ (ࢎ)ିࡽࢇ࢒࢓ ࡿ࡭࡯ (ࢎି૚)
ࢂࡿ࡭࡯ ∙࣋ࢇࢉࢋ࢏࢚ࢋ (ࢎି૚)⋅࡯࢖ ࢇࢉࢋ࢏࢚ࢋ (ࢎି૚)
, ∀ࢎ = ૚, … , ૛૝ Ecuación 42.
, donde: VSAC = volumen del SAC.
-
Por último, dado que en nuestro análisis hemos considerado un día tipo para cada
mes, es decir, cada mes está compuesto por 28, 30 o 31 días iguales, el calor
almacenado al inicio de cada uno de estos días deberá ser igual, o lo que es lo mismo,
el calor almacenado al inicio del día (hora 0) deberá ser igual que al final (hora 24). Por
lo tanto, debemos repetir todos los pasos anteriores [partiendo de una Talm SAC 0 igual a
la Talm SAC(h = 24)] tantas veces como sea necesario, es decir, hasta que la diferencia
entre la Talm SAC 0 y la Talm SAC(h = 24) sea mínima.
Finalmente, el calor producido por los generadores de energía que no es aprovechado se
obtiene a través de la siguiente ecuación, que se tiene que cumplir en todo momento:
ࡽ࢔࢕ ࢇ࢖࢘࢕࢜ࢋࢉࢎࢇࢊ࢕ (ࢎ) = ࡽࢍࢇ࢙ࢋ࢙ (ࢎ) + ࡽࢇࢍ࢛ࢇ ࢟ ࢇࢉࢋ࢏࢚ࢋ (ࢎ) + ࡽࢉࢇ࢒ࢊࢋ࢘ࢇ (ࢎ) + [ࡽ࢙ࢇ࢒ ࡿ࡭࡯ (ࢎ) − ࡽࢋ࢔࢚ ࡿ࡭࡯ (ࢎ)] −
ൣࡽࢉ ࢓ࢇࢗ ࢇ࢈࢙ (ࢎ) + ࡽ࢜ࢇ࢖࢕࢘ (ࢎ) + ࡽ࡭࡯ࡿ (ࢎ) + ࡽࢉࢇ࢒ࢋࢌࢇࢉࢉ࢏࢕࢔ (ࢎ)൧ − ࡽ࢖ࢋ࢘ࢊ࢏ࢊࢇ࢙ ࢏࢔࢚ࢋ࢘ࢉࢇ࢓࢈࢏ࢇࢊ࢕࢘ࢋ࢙ (ࢎ) Ecuación
43.
, donde las pérdidas de calor en los intercambiadores vienen dadas a través de la siguiente
ecuación:
૚
ࡽ࢖ࢋ࢘ࢊ࢏ࢊࢇ࢙ ࢏࢔࢚ࢋ࢘ࢉࢇ࢓࢈࢏ࢇࢊ࢕࢘ࢋ࢙ (ࢎ) = ൣࡽࢉ ࢓ࢇࢗ ࢇ࢈࢙ (ࢎ) + ࡽ࢜ࢇ࢖࢕࢘ (ࢎ) + ࡽ࡭࡯ࡿ (ࢎ) + ࡽࢉࢇ࢒ࢋࢌࢇࢉࢉ࢏࢕࢔ (ࢎ)൧ ∙ ቀ ૛ − ૚ቁ
Ecuación 44.
ࢿ
En cuanto a la ecuación correspondiente al balance de energía eléctrica, son también
similares a las del apartado 4.2.1.2 (ecuación 6).
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10.2.2. Turbinas de gas
10.2.2.1. Esquema
Figura 56. Esquema de la planta con TG y SAC.
10.2.2.2. Funcionamiento
Para las turbinas de gas (TG) el calor producido es solamente a través de los gases de
escape. Dado que para el sistema con MCIA el SAC sólo almacena y aprovecha el calor
procedente de los gases de escape del motor, el funcionamiento del sistema con TG es análogo
al explicado anteriormente en el apartado 10.2.1.2.
En cuanto a las ecuaciones correspondientes a los balances de energía eléctrica y térmica,
son también similares a las de los apartados 10.2.1.2 y 4.2.1.2 (ecuaciones 6 y 42), con la única
salvedad de que en la segunda de ellas desaparece el término correspondiente al calor
procedente del agua y aceite del motor (Qagua y aceite).
10.3. Estimación del coste inicial asociado al SAC
El coste del SAC es función de la máxima energía térmica que puede almacenar (ecuación
37). Su valor viene determinado por la siguiente correlación, obtenida del artículo “Analysis of
combustion turbine inlet air cooling systems applied to an operating cogeneration power
plant” (R. Chacartegui, F. Jiménez-Espadafor, D. Sánchez, T. Sánchez):
࡯࢕࢙࢚ࢋࡿ࡭࡯ ൬
€
€
€
ࡾࢀ
ࢎ
૚૞ૠ, ૞
€
൰ = ૚૞ૠ, ૞
= ૚૞ૠ, ૞
∙
·
=
∙
࢑ࡶ
ࡾࢀࢎ
ࡾࢀࢎ ૜, ૞૚ૠ࢑ࢃ ૜૟૙૙ ࢙ ૜, ૞૚ૠ ⋅ ૜૟૙૙ ࢑ࡶ
࡯࢕࢙࢚ࢋࡿ࡭࡯ ቀ
€
࢓૜
ቁ = ࡯࢕࢙࢚ࢋࡿ࡭࡯ ቀ ቁ ∙ ࡽ‫ ≈ ࡯࡭ࡿ ࢓࢒ࢇ ܠ܉ܕ‬૞૟ૡૡ
€
€
࢑ࡶ
࢓૜
Ecuación 45.
73