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Evaluación técnica y económica de plantas de ciclo combinado que operan con biogás de vertedero José Ramos Saravia; Jorge B. Wong Kcomt; José Ramón Vega Galaz; Amadeo Carrillo Villena

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Evaluación técnica y económica de plantas de ciclo combinado que

operan con biogás de vertedero

José Ramos Saravia; Jorge B. Wong Kcomt; José Ramón Vega Galaz; Amadeo

Carrillo Villena

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EVALUACIÓN TÉCNICA

Y ECONÓMICA DE PLANTAS

DE CICLO COMBINADO QUE

OPERAN CON BIOGÁS DE

VERTEDERO

Primera edición

Enero, 2012

Lima - Perú

© José Ramos SaraviaJorge B. Wong KcomtJosé Ramón Vega Galaz Amadeo Carrillo Villena

PROYECTO LIBRO DIGITAL

PLD 0455

Editor: Víctor López Guzmán

http://www.guzlop-editoras.com/[email protected] [email protected] facebook.com/guzlopstertwitter.com/guzlopster428 4071 - 999 921 348Lima - Perú

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PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)

El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados.

Un libro digital, también conocido como e-book, eBook, ecolibro o libro electrónico, es una versión electrónica de la digitalización y diagramación de un libro que originariamente es editado para ser impreso en papel y que puede encontrarse en internet o en CD-ROM. Por, lo tanto, no reemplaza al libro impreso.

Entre las ventajas del libro digital se tienen:• su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad),• su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica),• su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural),• su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento),• su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investiga-ción de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras.

Algunos objetivos que esperamos alcanzar:• Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital.• Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta.• Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías.• El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente.• E l pe r sona l docente jugará un r o l de tu to r, f ac i l i t ador y conductor de p r oyec tos

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de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electró-nicas recomendadas.• Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso.

En el aspecto legal:• Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita.• Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital.

Lima - Perú, enero del 2011

“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor

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Evaluación técnica y económica de plantas de ciclo combinado que operan con biogás de vertedero

José Ramos Saravia (*) (1); Jorge B. Wong Kcomt (2); José Ramón Vega Galaz (3) y Amadeo Carrillo Villena (4)

(*) mail-to: [email protected]

(1) Ingeniería Térmica y Sistemas Energéticos (Zaragoza, España) (2) Association of Energy Engineers (USA, [email protected]). (3) Sistemas de Energía Internacional S.A. de C.V. (Nuevo León – México; [email protected]) (4) Hamek Ingenieros Asociados S.A.C (Lima – Perú; [email protected])

Palabras clave: Gestión de residuos sólidos urbanos. Valorización de residuos sólidos urbanos. Planificación energética. Motores de combustión alimentados con biogás de vertedero. Ciclo Rankine Orgánico (ORC). Integración Energética (Método Pinch). Economía de plantas de ciclo combinado. Resumen

En muchas ciudades, parte de las soluciones al problema de los residuos sólidos urbanos (RSU) consisten en utilizarlas –previo tratamiento y adecuación- como combustible (biogás de vertederos) de motores alternativos de combustión interna (MACI). Por un lado, en las plantas eléctricas de ciclo combinado con gas natural (turbina de gas + turbina de vapor), ésta última aprovecha el calor residual de la primera para incrementar la producción de electricidad, llegando a conseguir rendimientos eléctricos del orden de 60% (en pci). Por otro lado, un Ciclo Rankine Orgánico (ORC) ofrece rendimientos eléctricos de 10-20 % operando con fuentes de calor a baja temperatura: calor residual de procesos, calor solar, gases de escape de turbinas de gas y MACI. En este contexto, la incorporación de un módulo de generación eléctrica con ORC a un MACI puede contribuir al incremento de la producción de electricidad en 5-10 %. En el presente trabajo se presenta una metodología para el diseño conceptual de plantas de ciclo combinado (MACI + ORC) que emplean biogás de vertedero como combustible. La metodología se aplica a un proyecto de repotenciación (mediante la adecuación a un ciclo combinado) de una planta eléctrica con motores de biogás de 16 MWe de capacidad, localizada en Monterrey (México).

Introducción

Los beneficios de la gestión de los RSU recaen directamente sobre (a) el medioambiente (conservación de los recursos naturales –agua, arboles, energía,...-, mejora de la calidad del aire que respiramos, reducción del efecto invernadero, etc.), y (b) la economía (creación de puestos de trabajo en: recogida y clasificación de residuos, recogida y venta de material reciclable, etc.). La gestión de los residuos sólidos urbanos (RSU) estructurada como una jerarquía es una herramienta útil en la elaboración de las estrategias modernas de la Gestión de los RSU (Refs. 1 y 2). Un ejemplo típico de orden jerárquico de las operaciones de gestión de residuos sería la siguiente:

• Evitar o minimizar la producción de residuos. • Recuperar y reciclar los materiales aptos para

su reutilización y reciclaje. Esto conlleva la recogida selectiva en los puntos de origen.

• Valorizar o aprovechar el contenido energético de los materiales que no hayan podido ser recuperados o reciclados.

• Reducir el volumen de la basura residual y depositarla en vertederos.

La valorización energética de los RSU tiene aplicaciones en la producción de calor (Ref. 3) y electricidad (Ref. 4); empleándose para ello diferentes procesos como incineración, pirólisis, gasificación, etc. (Ref. 5). Existen muchas ciudades donde se han instalado centrales eléctricas que utilizan biogás de vertedero como combustible,

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siendo los motores alternativos de combustión interna (MACI) la tecnología más empleada (Ref. 6). En las plantas de ciclo combinado tradicionales (turbina de gas + turbina de vapor), los gases de escape de las turbinas de gas se aprovechan como fuente de calor de los Ciclos Rankine para aumentar la producción eléctrica, alcanzando rendimientos eléctricos de 60 % en base pci (Ref. 7). En el caso de los motores de biogás, el sistema de recuperación de calor de los gases de escape actúa como elemento de integración térmica de un Ciclo Rankine Orgánico (Organic Rankine Cycle, ORC) a los motores para configurar una planta de ciclo combinado que opera con biogás, cuya explotación y gestión permitiría ahorrar recursos energéticos y producir electricidad evitando la emisión de CO2. El concepto de integración energética de un ciclo ORC a ciclos termodinámicos con motores de biogás, es aplicable tanto a los proyectos de repotenciación de plantas eléctricas (con MACI) existentes, como a nuevos proyectos de ciclo combinado. Sobre plantas de ciclo combinado con motores de biogás y turbinas de vapor (operando con ORC) existen muy pocas referencias. En este trabajo se realiza el análisis técnico y económico de una planta de ciclo combinado basado en un ciclo Otto y un Ciclo Rankine Orgánico, utilizando gas de vertedero como combustible. MACI que operan con biogás

El rendimiento eléctrico del MACI (ŋMACI) se calcula como:

(1)

donde WMACI : potencia eléctrica generada por el motor de

biogás (en kW). QFUEL : energía aportada por el biogás (en kW). Actualmente, los MACI que operan con biogás de tamaños por encima de 3 MWe tienen rendimientos eléctricos de hasta 42 % (en base pci) (Ref. 8). El

resto de la energía del combustible se evacúa al ambiente vía: i) gases de escape, ii) sistema de refrigeración (cilindros, aceite e intercooler), y iii) radiación.

Fig. 1: Balance energético de la operación de los MACI

En el caso de los MACI que operan con biogás, el nivel de temperatura (T1) disponible en los gases de escape es de 370-500 °C, y la temperatura del sistema de refrigeración se separa en dos categorías: 85-93 °C (para el circuito de alta temperatura) y 45-55 °C (para el circuito de baja temperatura) (Ref. 8). Cuando existe demanda de calor y/o frío, se utilizan sistemas de recuperación de calor para configurar instalaciones de cogeneración y trigeneración. Los sistemas de recuperación de calor diseñados con técnicas de integración energética permiten conseguir rendimientos del uso del combustible por encima de 90 % (Ref. 9). En los lugares donde no existe demanda de energía térmica, el calor del combustible no transformado en electricidad que debiera arrojarse hacia el ambiente, puede servir para activar un Ciclo Rankine Orgánico sin que se afecte las prestaciones del motor de biogás. Ciclo Rankine Orgánico (ORC)

La tecnología ORC se emplea con éxito en la producción de electricidad con centrales geotérmicas y solares, y en mucha menor cuantía en instalaciones industriales que disponen de calor residual a baja temperatura. Los procesos termodinámicos que ocurren en una central eléctrica con ORC son similares al de una central térmica convencional con Ciclo Rankine, empleándose fluidos orgánicos (Isopentano, n-pentano,

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Ciclohexano, n-Butano, n-Octano, Isobutano, Tolueno, etc.) como sustancia de trabajo en lugar de agua (ver las Figs. 2 y 3) (Refs. 10, 11 y 12). Estos fluidos orgánicos se caracterizan por su baja entalpía de evaporación, menor que la entalpía de vaporización del agua para el mismo nivel térmico, por lo que resultan idóneos para aprovechar fuentes de calor de baja temperatura. Las plantas ORC tienen costos de inversión mayores que las plantas térmicas convencionales, pero tienen la ventaja de acoplarse a fuentes de calor residual de baja temperatura que no pueden aprovecharse con otras tecnologías o en su defecto son mucho más caras.

Fig. 2: Ciclo Rankine Orgánico con n-Pentano

Esto favorece la operación del ciclo a relativas bajas temperaturas (70 – 300 °C); por lo que el evaporador también puede calentarse mediante un circuito secundario empleando aceite térmico (Refs. 13 y 14). Por su alto nivel de temperatura es propicio el aprovechamiento de los gases de escape de los motores de biogás (enfriándose desde T1 hasta T2) para evaporar la sustancia de trabajo (ver Fig. 3). Así, el rendimiento eléctrico del ORC (ŋORC) se calcula mediante la expresión:

(2)

donde

WORC : potencia eléctrica generada por la turbina de vapor ORC (en kW).

: aporte de calor de los gases de escape enfriándose desde T1 hasta T2 (en kW).

WAUX : consumo energético de los equipos auxiliares de la planta, incluye el sistema de bombeo (en kW).

Fig. 3: ORC activado con gases de escape

A efectos prácticos, se puede asumir que: (i) en las instalaciones con motores de biogás,T2 (MÍN) ≈180 °C; y (ii) el consumo de los equipos auxiliares (p.e. el sistema de bombeo) en una instalación ORC equivale al 5 % de la potencia neta generada por la turbina de vapor (Ref. 15). Por tanto, la ec. (2) se puede expresar como

(3)

donde:

: es el caudal másico (en kg/s) del fluido de trabajo.

h1 y h2 : entalpía a la entrada y salida de la turbina de vapor (en kJ/kg.K).

: caudal de gases de escape (en kg/s).

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c pg : calor específico de los gases de escape (en kJ/kg·K).

T1 y T2 : temperatura de los gases de escape a la entrada y salida del evaporador (en °C).

Las plantas ORC se comercializan como módulos, que incluyen: evaporador, turbina, condensador, sistema de bombeo y economizador. Los fabricantes manufacturan sus productos dependiendo del nivel de temperatura y del caudal de gases de escape disponibles. En el mercado se encuentran módulos ORC estándar desde 60 kWe hasta más de 2,7 MWe, cuyos rendimientos eléctricos varían de 15-20% (Ref. 15). Plantas de ciclo combinado con motores de biogás y ORC

El rendimiento eléctrico de la planta de ciclo combinado (ŋCC) se calcula como:

(4)

Fig. 4: Balance energético de la operación de una planta de ciclo combinado de motor con biogás y ORC.

o por su equivalente:

(5)

Evaluación económica de plantas ORC

Para una capacidad determinada (expresada en kWINS), la inversión en plantas eléctricas con tecnología ORC es mayor (en términos US$/kWINS) que las tecnologías convencionales (motores y turbinas), por lo que la determinación de invertir en ellas constituye una decisión difícil.

La inversión total (InvORC , en US$) en NORC equipos modulares se calcula como:

InvORC = fINS· (kORC · NORC) (6)

donde: fINS : factor de costos de instalación del módulo (en

tpu). kORC : precio unitario del equipo modular (en US$). NORC : número de módulos ORC a instalarse. El costo de cada unidad de electricidad generada pEG (en US$/kWh) se calcula con la expresión:

(7)

(8)

EANUAL = fD_MACI · fD_ORC · PORC · 8.760 (9)

donde: fRC : factor re recuperación de capital (en 1/año). I : tasa de interés (en %). N : vida útil de los equipos (en años). CO&M : coste de operación y mantenimiento, incluye

gastos de personal, agua de refrigeración, etc. (en US$/kWh)

EANUAL : magnitud de la electricidad generada en el período de un año (en kWh/año).

fD_MACI : factor de disponibilidad operativa del MACI. fD_ORC : factor de disponibilidad operativa del módulo

ORC. PORC : potencia total instalada (en kW). Los beneficios (en US$/año) de la venta de electricidad a precio de mercado pEM (en US$/kWh) se calcula como:

Beneficios = (pEM - pEG) · EANUAL (10)

La amortización de la inversión (en años) se puede estimar con la siguiente expresión:

Amortización = InvORC / Beneficios (11)

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Aplicación:

Repotenciación de la central eléctrica Bioenergía de 16,94 MWe

La central eléctrica Bioenergía se localiza en Monterrey (Nuevo León, México), inicia su operación comercial en 2003. La central térmica produce electricidad con 16 motores de 1.059 kWe (16,94 MWe) que utilizan biogás de vertedero como combustible. En la Tabla 1 se indican los datos de operación de los motores de biogás.

Tabla – 1: Datos de operación del motor de biogás de la central eléctrica Bioenergía de Nuevo León S. A. de CV

Motor de Biogás de Bioenergía S.A. Potencia unitaria: 1.059 kWe Consumo de biogás: 2.715 kW (pci) Rendimiento eléctrico: 39 % (pci) Caudal de gases de escape: 5.645 kg/h Temperatura de gases de escape: 490 °C ------------------------------------------------------------------ Eficiencia del calentador de aceite térmico: 91 % Calor aportado al calentador de aceite (*) : 487 kW (*) Gases de escape enfriados hasta 180 °C

Disponiendo de 7.792 kW (calor ofertado por los 16 motores); surge la cuestión sobre el tipo de configuración de planta ORC a instalar, cuya solución requiere evaluar las siguientes alternativas:

A. Instalar un único módulo ORC que consume el calor de los 16 motores.

B. Instalar 2 módulos ORC que consume el calor de 2 grupos de 8 motores.

C. Instalar 4 módulos ORC que consume el calor de 4 grupos de 4 motores.

D. Instalar 8 módulos ORC que consume el calor de 8 grupos de 2 motores.

E. Instalar 16 módulos ORC que consume el calor de 16 motores por separado. Es decir, un módulo ORC alimentado por cada motor de biogás.

Para la evaluación económica de las alternativas citadas, se asume que:

F. fINS = 1,40

G. i = 12 % H. N = 20 años I. CO&M = 0,012 US$/kWh J. fD_MACI = 0,95 K. fD_ORC = 0,90 L. fCO2 = 370 g/kWh (Ref. 16).

En la Tabla 2 se muestran la información concerniente a las alternativas A, B, C, D y E.

Tabla 2: Parámetros técnicos y económicos de las alternativas utilizando equipos ORC comerciales

Alternativas

Item A B C D E

(1) 16 8 4 2 1

(2) 1 2 4 8 16

(3) 487 974 1.948 3.896 7.792

(4) 60 165 300 750 1500

(5) 960 1.320 1.200 1.500 1.500

(6) 550 900 1.200 1.850 2.500

(7) 7,19 9,89 8,98 11,24 11,24

(8) 0,229 0,1485 0,1121 0,0737 0,0537

(9) 455 916 1505 3595 7190

(10) 0,132 0,18 0,199 0,209 0,209

(11) 0,412 0,42 0,417 0,425 0,425

(12) 0,022 0,03 0,027 0,035 0,035

(13) 2.660 3.659 3.323 4.159 4.159

Item

(1) Número de módulos ORC a instalar (2) Número de motores por cada módulo ORC (3) Calor ofertado por motores a c/módulo ORC (kWt) (4) Tamaño comercial del módulo ORC (kWe) (5) Capacidad total instalada (kWe) (6) Coste del módulo ORC (103 US$) (7) Producción anual de electricidad (GWh/año) (8) Coste unitario de generación eléctrica (US$/kWh) (9) Calor consumido por el módulo ORC (kWt) (10) Rendimiento del uso del combustible (-) (11) Rendimiento del ciclo combinado (-) (12) Aumento del rendimiento (-) (13) Emisión evitada de CO2 (ton CO2/año)

Conclusiones

Los módulos ORC se comercializan en tamaños estándar, por lo que en la práctica (de la ingeniería)

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no es posible utilizar todo el calor ofertado por los motores, compárese las filas (3) vs. (9) en la Tabla 2. Aunque el costo de los módulos ORC es alto (en US$/kWINS), la economía de escala favorece la inversión en plantas de mayor tamaño, reflejándose en menores costos unitarios de la producción de electricidad [pEG(E) < pEG(D) < pEG(C) < pEG(B) < pEG(A) , ver la Tabla 3], mayores beneficios económicos, y menor tiempo de amortización del capital (ver Fig. 5).

Fig. 5: Amortización de las alternativas de diseño para distintos escenarios del mercado eléctrico.

La lectura de la fig. 5 recoge la influencia del precio de la electricidad en el mercado sobre el tiempo de amortización del capital de las distintas opciones de repotenciación:

• La opción A es inviable económicamente (véase la curva de la parte superior derecha).

• La opción B resulta interesante (para amortizar el capital en menos de 8 años) en un mercado eléctrico con precios de la electricidad por encima de 0,27 US$/kWh.

• La opción C resulta interesante (para amortizar el capital en menos de 8 años) en un mercado eléctrico con precios de la electricidad por encima de 0,20 US$/kWh.

• La opción D resulta interesante (para amortizar el capital en menos de 8 años) en un mercado eléctrico con precios de la electricidad por encima de 0,18 US$/kWh.

• La opción E resulta interesante (para amortizar el capital en menos de 8 años) en un mercado eléctrico con precios de la electricidad por encima de 0,09 US$/kWh.

También:

• La repotenciación consistiría en incorporar un módulo ORC de 1.500 kWe (opción E).

• La producción adicional de 1,5 MWe con

módulos ORC aumenta la producción hasta 18,44 MWe, equivalente a incrementar la capacidad instalada en 8,9 % operando con el flujo de gases de escape de los motores de biogás, que “normalmente” se evacua al medio ambiente.

• La producción de 11,24 GWh/año de electricidad con el módulo ORC (opción E : 1,5 MWe) que opera con los gases de escape de los motores de biogás (que “normalmente” se evacua al medio ambiente), evitaría la emisión de 4.159 ton-CO2 durante cada año de operación.

Recomendaciones

En este trabajo se ha empleado el concepto Integración Energética para lograr el adecuado acoplamiento térmico de la oferta de calor del motor (calor de los gases de escape) con la demanda de calor de un ciclo ORC. En el ámbito de los procesos industriales, es posible identificar calores residuales de baja temperatura. En estos casos, se recomienda el empleo del concepto de Integración Energética para diseñar el sistema de recuperación de calor de baja temperatura para su acoplamiento con ciclos ORC destinados a la producción de electricidad y calor (cogeneración); con lo que se conseguiría: (1) disminuir los costos energéticos por unidad de producto manufacturado; (2) vender la electricidad excedente; y (3) contribuir a la economía de la empresa. Referencias

(Ref. 1) UNEP. Solid Waste Management, United Nations Environment Program, 2005

(Ref. 2) DIRECTIVA 2008/98/CE DEL

PARLAMENTO EUROPEO Y DEL CONSEJO de 19 de noviembre de 2008 sobre los residuos y por la que se derogan determinadas Directivas. Diario Oficial de la Unión Europea L 312, pp. 3 a 30 (22.11.2008).

(Ref. 3) Gelfand, Lewis and Wong, Jorge. “Waste

to energy incineration”. Energy Engineering, vol. 98, No.1, pages 23-46.

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Payb

ack

(añ

os)

Precio de la electricidad en el mercado (US$/kWh)

B (0,1485 US/kWh) A (0,229 US/kWh)

C (0,1121 US/kWh) D (0,0737 US/kWh)

E (0,0537 US/kWh)

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Published by Taylor & Francis, UK (2001).

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(Ref. 5) Williams, P. “Waste Treatment and

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