LA MICROCOGENERACIÓN CON BIOMASA

LA MICROCOGENERACIÓN CON
BIOMASA
Ana Sin Bagüés (anasin@unizar.es)
GRUPO BERA (Biomasa, Evaluación, Recursos y Aprovechamiento)
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
Energía de la biomasa
Energía de la biomasa
•
Energía renovable
– Recurso inagotable
– Diversificación energética
•
6 O2
6 CO2
Escaso impacto ambiental
– Balance neto de CO2 nulo
– Contenido mínimo en azufre
•
Evita el abandono de tierras
•
Mejora masas forestales
•
Creación de empleo rural
C6H12O6
6 H2O
Nutrientes
C6H12O6 + 6O2+
Æ 6CO2 + 6H2O+ Q + Cenizas
¿Qué es la cogeneración?
•
COGENERACIÓN (CHP): Producción conjunta, in situ
proceso secuencial de electricidad (W) y calor (Q)
Sin Cogeneración
Combustible
Combustible
Planta eléctrica
Caldera
y en
Cogeneración
W
Q
Sistema de
cogeneración
Microcogeneración P<50kW
Pequeña y mediana potencia P<2MW
Combustible
Ventajas e inconvenientes
Los Estados priman
las plantas de
cogeneración
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
•
Diseño de sistemas
Dimensionamiento
W
Venta de electricidad
Venta de electricidad
Caldera auxiliar
Venta de calor
Compra de electricidad
Compra de electricidad
Caldera auxiliar
Venta de calor
Punto de demanda
Q
- 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
Consideraciones económicas
Factura eléctrica
Combustible
•
•
•
Costes
Sistema de
cogeneración
Inversión
Energía térmica (Q)
Electricidad (W)
O&M
– 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
Consideraciones económicas
•
Influencia del tamaño de planta
sobre el coste
Fuente: IDAE
•
Influencia del tamaño de planta
sobre el rendimiento eléctrico
Fuente: ENAMORA
Parámetros característicos
Sin Cogeneración
Combustible
Combustible
•
Caldera (RefH)
We
Sistema de
cogeneración
Q
De carácter termodinámico:
–
–
–
–
–
•
Planta eléctrica (RefE)
Cogeneración
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: REE
RD 661/2007
Combustible (F)
Tecnologías aplicables
50
Turbinas de vapor (Ciclo Rankine convencional)
40
Turbinas de vapor (Ciclo Rankine orgánico)
hPCI 30
(%)
20
Motores Stirling
Motores alternativos de combustión interna
Turbinas de gas
Pilas de combustible
10
Ciclo Combinado
20
30
40
10
Potencia nominal (MWe)
•
•
•
•
•
50
Motor Alternativo de Combustión Interna (MACI)
Microturbina de gas
Ciclo Rankine orgánico (ORC)
Motor Stirling
Pila de combustible
Tecnologías aplicables
Tecnología de
conversión
Productos
primarios
Conversión secundaria
Carbón
Caldera y/o Ciclo de
vegetal
Pirólisis
vapor/Stirling
Pretratamiento*
Líquido
Calor
MACI o Turbina de
Gas
pirolítico
vapor/Stirling
BIOMASA
Gas
combustible
MACI o Turbina de
Limpieza del
Gas
gas
Aire/Vapor/
Oxígeno/H2
Combustión
Aire/O2
Pila de combustible
Gases
calientes
Calor
Electricidad
Caldera y/o Ciclo de
Gasificación
Electricidad
Conversión
terciaria
M. Compresión
M. Absorción o
Gas
combustible
Productos finales 1
Caldera y/o Ciclo de
vapor/Stirling
Productos
finales 2
Frío
Frío
Adsorción
Calor
Electricidad
Calor
M. Compresión
Frío
Electricidad
Calor
Electricidad
M. Absorción o
Frío
Adsorción
Calor
Electricidad
Calor
M. Compresión
M. Absorción o
Frío
Frío
Adsorción
M. Absorción
Frío
Tecnologías aplicables
Aglomeración y sinterización
BIOMASA
% materia inorgánica
•
Cenizas
Deposición
Corrosión
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
Gasificación
BIOMASA
•
Consecuencias
– Operación
– Eficiencia
– Limpieza del gas
Gases condensables
Alquitranes
•
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
•
MACI
Aplicación a generación eléctrica con biomasa:
•
•
•
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:
•
•
•
•
•
Rango de potencias: 5 kWe – 15 MWe
Rendimientos: 25-45%
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
MACI
•
Ejemplo unidad comercial de cogeneración con biogás
– Enertec Kranftwerke GmbH
et-050BG-MA et-103BG-MA
P (kWe)
50
103
W/Q
0,58
0,81
ηe (%)
30,5
38,3
η (%)
83
85,3
2,8x0,9x2,1
2,80x0,9x2,1
2270
2740
80
81
Dimensiones(m)
Peso
Ruido (dB a 1m)
MACI
•
Ejemplo de unidad comercial con biomasa sólida + gasificador
– Community Power Corporation BioMax 25
Combustible
Astillas, pélets
Motor
MEP/MEC
Potencia (kWe)
25
W/Q
0,28
η (%)
80
www.gocpc.com
•
MACI
Suministradores de motores y unidades de cogeneración:
–
–
–
–
–
–
–
–
–
ABB
GE-Jenbacher
Grupo Guascor
2G IBÉRICA
LIEBHERR
MAN
MTU Ibérica
SEVA Energie AG
…
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
Microturbina de gas
•
Aplicación a generación eléctrica con biomasa:
•
•
•
Temperatura del calor residual:
•
•
Gases de escape: 400-600ºC (agua, vapor 100-120ºC)
Ventajas:
•
•
•
•
•
Rango de potencias: 25 – 250 kWe (1-10kWe en desarrollo)
Rendimientos: 15-30%
Elevada temperatura gases de escape → Posibilidad de
integración con otras tecnologías en ciclos combinados
Disponibilidad tecnológica
Reducido tamaño y peso
Pocas partes móviles Æ mantenimiento y ruido
Limitaciones:
•
•
•
•
Problemática asociada a combustibles “sucios” y de bajo PC
Limpieza en caliente de gases de síntesis
Personal cualificado
Carga parcial
•
Microturbina de gas
Ejemplo de unidad de cogeneración comercial:
– Capstone CR30 MicroTurbine
Modelo para operación con gas (gas natural, biogás de vertedero, de
digestor) y con líquido (diesel, biodiesel, queroseno…)
Potencia (kW)
30
ηe (%)
28
Dimensiones (m)
•
0,76x1,50x1,90
Peso (kg)
405
Ruido (dB a 10m)
65
Suministradores:
– Capstone
– Compower
– Micropower Europe
– Turbec
– …
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
•
ORC
Aplicación a generación eléctrica con biomasa:
•
•
•
Temperatura de activación:
•
•
•
Rango de potencias: 3,5-200 kWe
Rendimientos: 8-15%
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
9
9
•
Fuentes de calor a baja temperatura: energía geotérmica, solar…
Menor exigencia a los materiales, seguridad
Limitaciones:
•
•
Alto coste de inversión
Bajo rendimiento eléctrico
ORC
•
Ejemplo de unidad comercial:
– Enef tech, Module Enefcogen
Potencia (kWe)
30
W/Q
0,1
ηe (%)
8
Tª fuente de calor
(ºC)
130
Tª fuente de
refrigeración (ºC)
30
Dimensiones (m)
1,9x2,1x1
Peso (kg)
1300
•
Suministradores:
–
–
–
–
–
–
Electratherm
Enef tech
Infiniy Turbine
LTi
Turbolina
…
ORC
•
•
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)
•
Motor Stirling
Aplicación a generación eléctrica con biomasa:
•
•
•
Temperatura de activación (foco caliente):
•
•
400-1000ºC
Ventajas:
•
•
•
•
•
Rango de potencias: 3 – 150 kWe
Rendimientos: 17-30%
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
•
Motor Stirling
Ejemplo de planta piloto:
- Proyecto DTU+MAWERA+BIOS BIOENERGIESYSTEME, Austria
- Caldera de biomasa
- Motor Stirling SM3C 35 kWe
www.stirling.dk
Combustible
Astillas
Potencia (kWe)
31
Cilindros
4
Fluido de trabajo
Helio
W/Q
0,35
ηe (%)
20
Tª foco caliente
(ºC)
750
Peso (kg)
1600
•
Motor Stirling
Ejemplo unidad comercial:
– Stirling Biopower
Combustible
Biogás
Potencia (kWe)
38
Cilindros
4
Fluido de trabajo
Hidrógeno
W/Q
0,6
ηe (%)
28
η (%)
75
Tª calor residual
aire (ºC)
50
Peso (kg)
Ruido (dB a 7m)
1600
64
•
•
•
•
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 de
obtención del H2 del CH4
Tipos: función del electrolito
–
–
–
–
–
PEMFC
AFC
PAFC
MCFC
SOFC
Alta temperatura de funcionamiento
H2, CH4, CO, NH3 Æ combustibles
Soporta mayores ppm de H2S y halógenos
Solid Oxide Fuell Cell
Cogeneración
Biogás
•
Pila de combustible
Aplicación a generación eléctrica con biomasa:
•
•
•
Temperatura de funcionamiento
•
•
≈1000ºC
Ventajas:
•
•
•
•
•
Rango de potencias: 1 kWe – 10 MWe
Rendimientos: 30-55%
Alta eficiencia
No partes móviles Æ 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
•
Pila de combustible
Ejemplo de unidad de cogeneración (SOFC):
– Wärtsilä WFC50, operación con biogás de vertedero + sistema de
limpieza
Potencia (kW)
50
ηe (%)
41,4%
ηt (%)
32,7%
η(%)
74%
– Acumentrics CP-SOFC 10
Potencia (kW)
10
W/Q
2,5
Dimensiones (m)
1,70x0,91x1,80
Peso (kg)
545
Ruido (dB a 3m)
65
Pilas de combustible
Comparación tecnologías
Marco legal
•
Existe un alto potencial tecnológico no explotado en todos los
sectores de actividad
Necesidad de medidas legislativas y de promoción
Estrategia de Ahorro y Eficiencia Energética en España 2004-2012 (E4)
Plan de Acción 2005-2007
PAE4
Plan de Acción 2008-2012
PAE4+
– Desarrollo del potencial de cogeneración de alta eficiencia
– Mejora de la eficiencia energética de la cogeneración
Plan de Acción 2005-2007
•
•
•
•
Real Decreto Ley 7/2006 por el que se adoptan medidas
urgentes en el sector energético Æ 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 Æ rentabilidades futuras
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)
RD 661/2007
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
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 administrativa
Dificultades en conexión a red
WEBS
•
•
•
•
•
•
Información
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
BIBLIOGRAFÍA
1.
Energía de la Biomasa. Sebastián, F.; Rezeau, A.; García, D. Prensas Universitarias de
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
Zaragoza. 2009.
Trigeneración
•
TRIGENERACIÓN (CCHP): Producción conjunta, in situ y en
proceso secuencial de electricidad (W) y energía térmica útil
(Calor y Frío, Q y F)
Sin Trigeneración
Combustible
Combustible
•
Trigeneración
Planta eléctrica
W
Enfriadora
(RefCOP)
F
Caldera (RefH)
Q
Sistema de
cogeneración
Combustible
Sistemas de refrigeración:
•
•
Tecnologías activadas eléctricamente (TAE): enfriamiento por
compresión
Tecnologías activadas térmicamente (TAT):
•
•
enfriamiento por absorción
enfriamiento por adsorción
Trigeneración
•
Ventajas de las TAT
9 Activación con fuente de calor a baja temperatura: EERR, calor
residual…
9 Eliminación del compresor Æ menor consumo eléctrico
9 Menos partes móviles Æ mantenimiento y ruido
•
Inconvenientes de las TAT
9 Alto coste de inversión
9 Disponibilidad tecnológica
•
Ventajas de la trigeneración
9 Aumento del factor de utilización Æ viabilidad económica
9 Distribución de carga más estable a lo largo del año
•
•
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
Laboratorio de trigeneración CIRCE
Circuito agua
+ anticongelante
Calefacción
ACS
ORC
Agua fría
Caldera
Gas
Circuito agua
sobrecalentada
Máquina de adsorción
Humos a chimenea
Humos
Bioselect 430
+ primer cuerpo
de caldera
Segundo cuerpo
de caldera
Ciclón
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
¡Gracias por vuestra atención!
Ana Sin y el resto del Área de Biomasa (División de Recursos Naturales) de la
Fundación CIRCE