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

• Escaso impacto ambiental

– Balance neto de CO2 nulo

– Contenido mínimo en azufre

• Evita el abandono de tierras

• Mejora masas forestales

• Creación de empleo rural

Nutrientes

C6H12O6

6 O2

6 H2O

6 CO2

C6H12O6 + 6O2+ 6CO2 + 6H2O+ Q + Cenizas

¿Qué es la cogeneración?

• COGENERACIÓN (CHP): Producción conjunta, in situ y en proceso secuencial de electricidad (W) y calor (Q)

Caldera

Planta eléctrica W

QCombustibleSistema de

cogeneración

Combustible

Combustible

Sin Cogeneración Cogeneración

Microcogeneración P<50kWPequeña y mediana potencia P<2MW

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

- Cargas térmicas y eléctricas existentes: nivel y duración (variabilidad)

- Tipo de combustible disponible- Selección de la tecnología más adecuada y potencia- Conexión con el sistema eléctrico y térmico existente- Evaluación preliminar y estudio de viabilidad

W

Q

Venta de electricidad

Caldera auxiliar

Compra de electricidad

Caldera auxiliar

Venta de electricidad

Venta de calor

Compra de electricidad

Venta de calor

Punto de demanda

Consideraciones económicas

• Costes– Costes de Inversión– Costes de O&M– Costes de Combustible

• Ingresos → Venta de electricidad– Precio de venta de la electricidad dependiendo del combustible

biomásico utilizado (Residuo forestal, cultivo energético,…)– Complemento por eficiencia de la instalación – Ayudas a la financiación

• Ahorros– Factura eléctrica– Producción térmica

Combustible

Inversión O&M

Factura eléctrica

Energía térmica (Q)

Electricidad (W)

Sistema de cogeneración

Consideraciones económicas• Influencia del tamaño de planta

sobre el coste

• Influencia del tamaño de planta sobre el rendimiento eléctrico

Fuente: IDAE

Fuente: ENAMORA

Parámetros característicos

• De carácter termodinámico:– Energía asociada al combustible: F– Rendimiento eléctrico: ηe = We/F– Rendimiento térmico: ηt = Q/F– Rendimiento energético: η = (We+Q)/F– Relación trabajo – calor: rW/Q = We/Q

• De carácter legislativo: – % Ahorro de energía primaria PES RD 616/2007

– Rendimiento eléctrico equivalente: REERD 661/2007

Caldera (RefH)

Planta eléctrica (RefE) We

QCombustible (F)Sistema de

cogeneración

Combustible

Combustible

Sin Cogeneración Cogeneración

Tecnologías aplicables

• Motor Alternativo de Combustión Interna (MACI)• Microturbina de gas• Ciclo Rankine orgánico (ORC)• Motor Stirling• Pila de combustible

10

20

30

40

50

10 20 30 40 50

Turbinas de vapor (Ciclo Rankine convencional)Turbinas de vapor (Ciclo Rankine orgánico)Motores StirlingMotores alternativos de combustión internaTurbinas de gasPilas de combustibleCiclo Combinado

hPCI(%)

Potencia nominal (MWe)

Gasificación

Tecnología de conversión

Pila de combustible

Caldera y/o Ciclo de

vapor/Stirling

MACI o Turbina de

GasLimpieza del

gas

Productos primarios

Conversión secundaria Productos finales 1

Electricidad

Calor

Electricidad

Calor

Electricidad

Calor

Conversión terciaria

M. Absorción o

Adsorción

Frío

Productos finales 2

Aire/Vapor/Oxígeno/H2

Gas

combustible

Pirólisis

Caldera y/o Ciclo de

vapor/Stirling

MACI o Turbina de Gas

Pre-tratamiento*

Calor

Electricidad

Calor

M. Absorción o

AdsorciónFrío

BIOMASA

Electricidad

Calor

Gascombustible

Líquido pirolítico

Carbón vegetal

Combustión

Aire/O2

Calor

Electricidad

M. Absorción o

Adsorción

Frío

Gases calientes

M. AbsorciónFrío

Caldera y/o Ciclo de

vapor/Stirling

M. CompresiónFrío

M. CompresiónFrío

M. CompresiónFrío

Tecnologías aplicables

Tecnologías aplicables

• Consecuencias– Operación: mantenimiento, compleja limpieza y eliminación– Eficiencia: resistencia a los procesos de transferencia de calor– Emisiones: material particulado– Fiabilidad: corrosión reduce la vida útil

• Consecuencias– Operación– Eficiencia– Limpieza del gas

BIOMASA

% materia inorgánica Cenizas

Aglomeración y sinterización

Deposición

Corrosión

BIOMASA Gases condensables Alquitranes

Gasificación

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:

• Rango de potencias: 5 kWe – 15 MWe • Rendimientos: 25-45%

• Temperatura del calor residual:• Gases de escape: 300-500ºC (agua o vapor 100-120ºC)• Agua de refrigeración de la camisa: agua 85-90ºC• Refrigeración del aceite lubricante: agua 80ºC

• Ventajas:• Buen comportamiento a carga parcial• Elevado rendimiento eléctrico• Disponibilidad tecnológica• Bajo coste de inversión y de operación

• Limitaciones:• Problemática asociada a combustibles “sucios” y de bajo PC• Limpieza en caliente de gases de síntesis• Aprovechamiento térmico a diferentes niveles de temperatura• Mantenimiento

MACI• Ejemplo unidad comercial de cogeneración con biogás

– Enertec Kranftwerke GmbH

et-050BG-MA et-103BG-MA

P (kWe) 50 103W/Q 0,58 0,81ηe (%) 30,5 38,3η (%) 83 85,3Dimensiones(m) 2,8x0,9x2,1 2,80x0,9x2,1

Peso 2270 2740Ruido (dB a 1m) 80 81

MACI• Ejemplo de unidad comercial con biomasa sólida + gasificador

– Community Power Corporation BioMax 25

www.gocpc.com

Combustible Astillas, pélets

Motor MEP/MEC

Potencia (kWe) 25

W/Q 0,28

η (%) 80

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:

• Rango de potencias: 25 – 250 kWe (1-10kWe en desarrollo)• Rendimientos: 15-30%

• Temperatura del calor residual:• Gases de escape: 400-600ºC (agua, vapor 100-120ºC)

• Ventajas:• Elevada temperatura gases de escape → Posibilidad de

integración con otras tecnologías en ciclos combinados• Disponibilidad tecnológica• Reducido tamaño y peso• Pocas partes móviles mantenimiento y ruido

• Limitaciones:• Problemática asociada a combustibles “sucios” y de bajo PC• Limpieza en caliente de gases de síntesis• Personal cualificado • Carga parcial

Microturbina de gas• Ejemplo de unidad de cogeneración comercial:

– Capstone CR30 MicroTurbineModelo para operación con gas (gas natural, biogás de vertedero, de digestor) y con líquido (diesel, biodiesel, queroseno…)

• Suministradores:– Capstone– Compower– Micropower Europe– Turbec– …

Potencia (kW) 30 ηe (%) 28Dimensiones (m) 0,76x1,50x1,90Peso (kg) 405Ruido (dB a 10m) 65

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:

• Rango de potencias: 3,5-200 kWe• Rendimientos: 8-15%

• Temperatura de activación:• Fluidos bajo punto de ebullición: 80-120ºC• Fluidos alto punto de ebullición: 250-300ºC

• Ventajas:• Separación de sistema de combustión y generación de potencia

(Caldera de biomasa + Ciclo Rankine)• Buen comportamiento a carga parcial• Bajo mantenimiento• Bajas presiones y temperaturas de funcionamiento

Fuentes de calor a baja temperatura: energía geotérmica, solar…Menor exigencia a los materiales, seguridad

• Limitaciones:• Alto coste de inversión• Bajo rendimiento eléctrico

ORC• Ejemplo de unidad comercial:

– Enef tech, Module Enefcogen

Potencia (kWe) 30W/Q 0,1ηe (%) 8Tª fuente de calor (ºC)

130

Tª fuente de refrigeración (ºC)

30

Dimensiones (m) 1,9x2,1x1Peso (kg) 1300

ORC• Suministradores:

– Electratherm – Enef tech– Infiniy Turbine– LTi– Turbolina– …

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:

• Rango de potencias: 3 – 150 kWe• Rendimientos: 17-30%

• Temperatura de activación (foco caliente):• 400-1000ºC

• Ventajas:• Separación de sistema de combustión y generación de potencia

(Quemador de biomasa + Stirling)• Combustión continua: bajos niveles de emisiones y ruido y menor

consumo de combustible • Elevada eficiencia • Buen funcionamiento a carga parcial

• Limitaciones:• Disponibilidad tecnológica escasa• Complejidad mecánica y arranque lento• Ensuciamiento en intercambiador

Motor Stirling• Ejemplo de planta piloto:

- Proyecto DTU+MAWERA+BIOS BIOENERGIESYSTEME, Austria- Caldera de biomasa- Motor Stirling SM3C 35 kWe

www.stirling.dk

Combustible AstillasPotencia (kWe) 31Cilindros 4Fluido de trabajo HelioW/Q 0,35ηe (%) 20Tª foco caliente (ºC)

750

Peso (kg) 1600

Motor Stirling• Ejemplo unidad comercial:

– Stirling Biopower

Combustible BiogásPotencia (kWe) 38Cilindros 4Fluido de trabajo HidrógenoW/Q 0,6ηe (%) 28η (%) 75Tª calor residual aire (ºC)

50

Peso (kg) 1600Ruido (dB a 7m) 64

Pila de combustible• Principio de funcionamiento: Producción de electricidad a partir

de una reacción electroquímica entre un combustible y O2

• Combustible: cualquier sustancia susceptible de oxidación (habitualmente H2 y O2)

• Reformado: proceso deobtención del H2 del CH4

• Tipos: función del electrolito– PEMFC– AFC– PAFC– MCFC– SOFC Solid Oxide Fuell Cell

Alta temperatura de funcionamientoH2, CH4, CO, NH3 combustiblesSoporta mayores ppm de H2S y halógenos

Cogeneración

Biogás

Pila de combustible• Aplicación a generación eléctrica con biomasa:

• Rango de potencias: 1 kWe – 10 MWe • Rendimientos: 30-55%

• Temperatura de funcionamiento • ≈1000ºC

• Ventajas:• Alta eficiencia• No partes móviles Bajo mantenimiento y nivel de ruido• Buen funcionamiento a carga parcial• Bajas emisiones

• Limitaciones:• Elevado coste de inversión• Periodo de vida corto• Lenta puesta en marcha• Variaciones de carga

Pila de combustible• Ejemplo de unidad de cogeneración (SOFC):

– Wärtsilä WFC50, operación con biogás de vertedero + sistema de limpieza

– Acumentrics CP-SOFC 10

Potencia (kW) 50ηe (%) 41,4%ηt (%) 32,7%η(%) 74%

Potencia (kW) 10W/Q 2,5Dimensiones (m) 1,70x0,91x1,80Peso (kg) 545Ruido (dB a 3m) 65

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

– Desarrollo del potencial de cogeneración de alta eficiencia– Mejora de la eficiencia energética de la cogeneración

Estrategia de Ahorro y Eficiencia Energética en España 2004-2012 (E4)Estrategia de Ahorro y Eficiencia Energética en España 2004-2012 (E4)

Plan de Acción 2005-2007PAE4

Plan de Acción 2005-2007PAE4

Plan de Acción 2008-2012PAE4+

Plan de Acción 2008-2012PAE4+

Plan de Acción 2005-2007

• Real Decreto Ley 7/2006 por el que se adoptan medidas urgentes en el sector energético elimina la obligación de autoconsumo

• Real Decreto Ley 616/2007 sobre fomento de la cogeneración (transposición Directiva 2004/8/CE)

• Orden ITC/1522/2007 por la que se regula la garantía de origen• Real Decreto 661/2007 por el que se regula la actividad de

producción de energía eléctrica en régimen especial– Complemento por eficiencia– Incremento de tarifas– Actualización de precios rentabilidades futuras

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 administrativaDificultades en conexión a red

InformaciónWEBS• Asociación Española de Cogeneración www.acogen.org• COGEN España www.cogenspain.org• REE www.ree.es• Ministerio de Industria, Turismo y Comercio www.mityc.es• IDAE www.idae.es• CNE www.cne.es

BIBLIOGRAFÍA1. Energía de la Biomasa. Sebastián, F.; Rezeau, A.; García, D. Prensas Universitarias de

Zaragoza. 2009.

2. Biomasa: Producción eléctrica y cogeneración. IDAE. 2007

3. Development of small-scale and micro-scale biomass-fuelled CHP systems - A literature review. Dong, L.; Liu, H.; Riffat, S. 2008

4. Residential cogeneration systems:review of the current technology. Onovwiona, H.I.; Ugursal, V.I. 2004

5. Electricity from Biomass. BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH. 2009

Trigeneración• TRIGENERACIÓN (CCHP): Producción conjunta, in situ y en

proceso secuencial de electricidad (W) y energía térmica útil (Calor y Frío, Q y F)

• Sistemas de refrigeración:• Tecnologías activadas eléctricamente (TAE): enfriamiento por

compresión• Tecnologías activadas térmicamente (TAT):

• enfriamiento por absorción • enfriamiento por adsorción

Enfriadora (RefCOP)

Planta eléctrica W

F CombustibleSistema de cogeneración

Combustible

Sin Trigeneración Trigeneración

Caldera (RefH) QCombustible

Trigeneración• Ventajas de las TAT

Activación con fuente de calor a baja temperatura: EERR, calor residual…Eliminación del compresor menor consumo eléctricoMenos partes móviles mantenimiento y ruido

• Inconvenientes de las TATAlto coste de inversiónDisponibilidad tecnológica

• Ventajas de la trigeneraciónAumento del factor de utilización viabilidad económicaDistribución de carga más estable a lo largo del año

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

Segundo cuerpode caldera

ORC

Bioselect 430+ primer cuerpode caldera

Ciclón

Circuito aguasobrecalentada

Circuito agua+ anticongelante

ACSCalefacción

Agua fría

Máquina de adsorción

CalderaGas

Humos

Humos a chimenea

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