RENAC CHP 6 Tech Design SP
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19.08.2013
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Cogeneración
Diseño Conceptual
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Trennfolientitel hinzufügen
Renewables Academy RENAC
▪ Los sistemas de cogeneración se pueden dividir en "ciclos de cola" y "ciclos de
Diseño conceptual de la planta
Diseño conceptual
▪ Los sistemas de cogeneración se pueden dividir en "ciclos de cola" y "ciclos de
cabeza."
▪ Ciclos de cola (Bottoming cycle): la energía térmica se produce directamente a partir de
la combustión de combustible. Se trata generalmente de vapor de agua que suministra
las cargas de calor de procesos térmicos. El calor residual del proceso se recupera y se
utiliza como fuente de energía para producir energía eléctrica o mecánica. Se trata de
sistemas comunes en la industria con necesidades de calor de alta temperatura tales
como hornos de recalentamiento de acero, arcilla y los hornos de vidrio y hornos de
refundición de aluminio.
▪
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▪ Ciclos de cabeza (topping cycle): La electricidad o energía mecánica se produce en un
primer paso, luego se recupera el calor para cubrir las cargas térmicas de la instalación.
Generalmente se encuentran en instalaciones que no cuentan con los requisitos de
temperatura de proceso extremadamente altas. Ejemplos de ello son:
1. Ciclo Brayton
2. Ciclo Rankine
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Diseño conceptual de la planta
Diseño conceptual
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▪ La oportunidad más interesante es mediante el empleo
Diseño conceptual de la planta
Diseño conceptual
▪ La oportunidad más interesante es mediante el empleo
de ciclos combinados.
▪ Este ciclo forma un híbrido que combina el ciclo Brayton
en la parte de "cola" y un ciclo de Rankine estándar en la
parte de "cabeza".
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Fuente: Plant Engineers and Managers. Guide to Energy Conservation, Eighth Edition Albert Thumann, P.E., C.E.M., 2002, The Fairmont Press
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Diseño conceptual de la planta
Diseño conceptual
Ciclo combinado
Extracción de condensado
Presión de vapor
Presión de retorno
MCI (recuperación parcial de calor)
MCI (recuperación total de calor)
Turbina de gas
Turbina de vapor
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Fuente: J. Webster (ed.), Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering, 1999, John Wiley & Sons, Inc.
Presión de vapor
Motor de combustión
Diseño conceptual
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2G Energietechnik GmbH www.2-g.de
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Unidad Energía
eléctrica
Energía
térmica
Eficiencia
eléctrica
Eficiencia
térmica
Rendimiento
global
Combustible
Especificaciones técnicas - 2G Energy AG
Diseño conceptual
eléctrica térmica eléctrica térmica global
2G KWK 140 EG
140 kW207 kW (100°C)
36,5 % 53,9 % 90,5% Gas natural
agenitor406
250 kW268 kW (120°C)
42,5 % 45,5 % 88,1% Gas natural
avus2000c
2000 kW1990 kW (120°C)
43,6 % 43,4 % 87% Gas natural
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http://www.2-g.de
▪ Estado del Arte:
▪ disponible comercialmente
▪ lanzamiento al mercado en 1995
Especificaciones técnicas - Zeppelin Power Systems
Diseño conceptual
Unidad Energía eléctrica
Energía térmica
Eficiencia eléctrica
Eficiencia térmica
Rendimiento global
Combustible
G3512 A 777 kW966 kW (100°C)
37,7 % 46,8 % 84,5% Gas natural
G3516 B 1177 kW1398 kW (120°C)
39,6 % 47,0 % 86,6% Gas natural
G3520 C 2020 kW2182 kW (120°C)
41,0 % 44,2 % 85,2% Gas natural
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(120°C)
http://www.zeppelin-powersystems.com
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Rendimiento a plena cargaLTT – RWTH Aachen
Diseño conceptual
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▪ La eficiencia eléctrica disminuye con el menor consumo de
energía eléctrica
▪ El rendimiento global casi al mismo nivel
Rendimiento a carga parcial
▪ Clase de potencia: potencia
Diseño conceptual
▪ Clase de potencia: potencia
eléctrica de 1.000 kW
▪ La eficiencia eléctrica disminuye
en condiciones de operación a
carga parcial
▪ La eficiencia global es casi
constante
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LTT – RWTH Aachen
constante
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Microturbinas de GasCapstone C800
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E-quad Power Systems GmbH www.microturbine.de
� El uso directo de los gases de escape (por ejemplo,
plantas de secado, no para alimentos)
Posibilidades para conectar una microturbina de gas
Diseño conceptual
plantas de secado, no para alimentos)
� Producción de agua caliente a partir del calor de los
gases de escape mediante un intercambiador de calor (ej.
calefacción urbana centralizada, hospitales, cuartos de
baño)
� Producción de refrigeración a través de una máquina de
absorción (ej. industria, complejo de oficinas)
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absorción (ej. industria, complejo de oficinas)
� Producción de vapor (ej. lavanderías)
� Circuitos de aceite térmico (ej. aplicaciones de alta
temperatura)
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Comportamiento a carga parcial
Diseño conceptual
Efinciencia global
Rendimiento térmico
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Rendimiento eléctrico
Potencia eléctrica kW
ASUE-Fachtagung 2009: Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen; E-quad Power Systems GmbH
Comportamiento a carga parcial - capacidad de modulación
Diseño conceptual
Eficiencia modulación
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ASUE-Fachtagung 2009: Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen; E-quad Power Systems GmbH
Eficiencia modulación
de carga
Eficiencia típica
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Análysis Pinch
Análisis Pinch
� Se utiliza para el análisis y la optimización de los sistemas procesales
complejos con la ayuda de pocos datos de entradacomplejos con la ayuda de pocos datos de entrada
� Implementación especialmente en la recuperación de calor y agua
� Los resultados del análisis Pinch:
� Identificación de la demanda mínima de calor del sistema
� Identificación de la demanda de refrigeración mínima del sistema
� Identificación del máximo potencial de recuperación de calor
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� Identificación del máximo potencial de recuperación de calor
� Nivel de temperatura requerido para la transmisión de calor
� Número de intercambiadores de calor requeridos
� Planificación probable del sistema intercambiador de calor
Análisis Pinch
Generación de Vapor
Análisis Pinch
100
150
200
250
300
Te
mp
era
tur
[°C
]
flue gas
Heating
Evaporation
Overheating
T Pinch
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0
50
100
0 100 200 300
Te
mp
era
tur
[
H_Point [kW]
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Análisis Pinch
Generación de Vapor
Análisis Pinch
100
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Te
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era
tur
[°C
]
flue gas
Heating
Evaporation
Overheating
T Pinch
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0
50
100
0 100 200 300
Te
mp
era
tur
[
H_Point [kW]
Evaporación
Análisis Pinch
Generación de Vapor
Análisis Pinch
100
150
200
250
300
Te
mp
era
tur
[°C
]
flue gas
Heating
Evaporation
Overheating
T Pinch
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0
50
100
0 100 200 300
Te
mp
era
tur
[
H_Point [kW]
Calentamiento
Evaporación
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Análisis Pinch
Generación de Vapor
Análisis Pinch
100
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Te
mp
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tur
[°C
]
flue gas
Heating
Evaporation
Overheating
T Pinch
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0
50
100
0 100 200 300
Te
mp
era
tur
[
H_Point [kW]
Disponible bajatemperatura
Evaporación
Calentamiento
Ejemplo
Selección de la tecnología y demanda de energía
Diseño conceptual
Selección de la tecnología y demanda de energía
� Gran hospital en la ciudad de Temuco
� Demanda de calefacción (hasta 90 °C Temperatura)
� Demanda de electricidad Moderad
� Precios de compra de energía de altos, los precios de
venta de energía bajos
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� Altos costos del combustible (Petróleo)
� Acceso a la red de gas natural
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Selección de la tecnología y demanda de energía
Perfil de carga térmica
Diseño conceptual
500
600
700
800
900
1.000
1.100
Th
erm
a lo
ad
[kW
]
Ho
sp
ital
Th
erm
al lo
ad
pro
fil
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0
100
200
300
400
0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000
Th
erm
a lo
ad
[kW
]
Hours per year
Ho
sp
ital
Th
erm
al lo
ad
pro
fil
Selección de la tecnología y demanda de energía
Perfil de carga eléctrica
Diseño conceptual
150
200
250
300
350
Ele
ctr
ical
loa
d [k
W]
Ho
sp
ital
Th
erm
al lo
ad
pro
fil
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0
50
100
150
0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000
Ele
ctr
ical
loa
d [k
W]
Hours per year
Ho
sp
ital
Th
erm
al lo
ad
pro
fil
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Selección de la tecnología y demanda de energía
Perfil de carga térmica
Diseño conceptual
500
600
700
800
900
1.000
1.100
Th
erm
al L
oa
d [kW
]
Peak load
Ho
sp
ital
Th
erm
al lo
ad p
rofile
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0
100
200
300
400
0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000
Th
erm
al L
oa
d [kW
]
Hours per Year
Ho
sp
ital
Th
erm
al lo
ad p
rofile
Base load
Selección de la tecnología y demanda de energía
Perfil de carga eléctrica
Diseño conceptual
150
200
250
300
350
Th
erm
al L
oa
d [kW
]
Peak load
Ho
sp
ital
Th
erm
al lo
ad p
rofile
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0
50
100
150
0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000
Th
erm
al L
oa
d [kW
]
Hours per Year
Ho
sp
ital
Th
erm
al lo
ad p
rofile
Base load
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Selección de la tecnología y demanda de energía
Parámetros de diseño técnico
Diseño conceptual
Parámetros de diseño técnico
Aplicación térmica: Calefacción
Carga base térmica: 200 kW
Nivel de temperatura: hasta 85 °C
Carga base eléctrica: 50 kW
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Carga electrica máxima 300 kW
La selección de aspectos relacionados con la
tecnología y el combustible
▪ Temuco es una "zona saturada"
Diseño conceptual
▪ Temuco es una "zona saturada"
▪ El gas natural está disponible
▪ ¿A cuánto ascienden los precios de gas natural?
▪ ¿A cuánto ascienden los precios del petróleo?
� Combustible más probable: Gas Natural
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La selección de parámetros técnicos y
económicos
▪
Diseño conceptual
▪ Precios de compra de energía altos y precios de venta
baratos
▪ Precio actales altos para el combustible de calefacción
� Enfoque en consumo propio de energía generada
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Selección de la tecnología
Unidad cogeneración: grupo electrógeno con motor de
Diseño conceptual
Unidad Potencia Potencia Rendimiento Rendimiento Eficiencia Temperatura
Unidad cogeneración: grupo electrógeno con motor de
combustión de gas
Máxima Potencia eléctrica: 50 kW
� unidad seleccionada (ejemplo): Buderus Loganova EN 50
Potencia calorífica máxima: 80 kW
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Unidad PotenciaEléctrica
Potenciatérmica
Rendimientoeléctrico
RendimientoTérmico
Eficienciaglobal
Temperaturautilizable
EN20 10-19 kW 31 kW 35.2 % 57.4 % 92.6 % 80 °C
EN50 25-50 kW 80 kW 33.8 % 54.1 % 87.8 % 90 °C
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¿Cómo elegir una tecnología de
cogeneración?
▪ Preselección
Diseño conceptual
▪ Preselección
▪ Comparación de los parámetros relevantes
▪ Costos específicos
▪ COP, eficiencia
▪ emisiones
▪ requisito de espacio
▪ ...
▪ Imponer tecnologías inapropiadas
▪ Disponibilidad
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▪ Disponibilidad
▪ presupuesto financiero
▪ Caracterización técnica de las opciones de suministro
▪ Influencias técnicas (comportamiento de carga parcial, las
influencias climáticas, ....)
▪ Cálculo de diseño y cálculo financiero en detalle
Recuperación de calor – Hechos
� La recuperación de calor: Recolección y Uso de
Heat losses
80°C20°C50°C
Without heat recovery
Heat losses
80°C20°C50°C
Without heat recovery
Demanda y recuperación de calor
� La recuperación de calor: Recolección y Uso de
energía térmica residual de Procesos.
� Recuperación de calor residual � Reducción de
costos energéticos de hasta un 30% (dependiendo
del rubro)
� Mayoría de establecimientos industriales no
Heat supply
� � �
Process Process Process
Heat supply
� � �
Process Process Process
Heat losses
With heat recovery
Heat losses
With heat recovery
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explotan completamente su potencial de
recuperación de calor.
Heat supply
80°C
20°C
50°C� � �
Process Process Process
Heat supply
80°C
20°C
50°C� � �
Process Process Process
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Repaso de las fuentes térmicas
Demanda y recuperación de calor
Fuentes de calor residual comunes en la industriaFuentes de calor residual comunes en la industria
Caldera de agua caliente temp. gases de escape 150 °C a 230 °C
Caldera de vapor temp. gases de escape 200 °C a 300 °C
Post-combustión térmica temp. gases de escape 250 °C a 350 °C
Post-combustión regenerativa temp. gases de escape 150 °C a 180 °C
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Post-combustión catalítica temp. gases de escape 150 °C a 180 °C
Horno de Moldeo eléctrico en la
vulcanización
temp. salida del aire 160 °C a 180 °C
Resumen disipadores de calor
Demanda y recuperación de calor
Los siguientes puntos ofrecen en la práctica la posibilidad de funcionar como disipador de calor.
Red de energía térmica 50 °C a 90 °C
Ventilación y aire acondicionado –
calefacción
30 °C a 70 °C
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Agua caliente sanitaria 10 °C a 65 °C
Agua de alimentación y ósmosis y precalentamiento del aire (con vapor)
10 °C a 150 °C
Calor de proceso y otros 30 °C a 150 °C