Las aplicaciones térmicas son la clave
En el mundo en evolución de la cogeneración de calor y energía, el uso de turbinas industriales de gas natural de 1 MWe o más con recuperación de calor se ha vuelto cada vez más atractivo. Estas máquinas están construidas para largas horas de funcionamiento, cargas pesadas y alta eficiencia de combustible. La tecnología para extraer el calor de escape de alta temperatura también ha mejorado, por lo que a menudo se pueden alcanzar eficiencias totales del sistema del 80% y superiores.
CHP está en alza
Las aplicaciones de cogeneración alimentadas por gas natural están creciendo en popularidad. Una de las razones es el continuo y atractivo precio del combustible. Ed Mardiat es Director de Desarrollo de Proyectos de Burns & McDonnell, una empresa internacional de ingeniería, arquitectura y consultoría. Mardiat ha participado ampliamente en una amplia gama de proyectos de cogeneración.
Observa, «La abundancia y el bajo precio del gas natural han ayudado dramáticamente a la economía de la cogeneración. El otro factor relacionado es la normativa medioambiental como el requisito MACT [Maximum Achievable Control Technology] de calderas industriales, que está obligando a muchos de los antiguos activos de carbón a ser reemplazados por unidades alimentadas con gas natural».
Seguridad del sistema de energía
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Mardiat también señala que hay un creciente interés en las microrredes. «Éstas, en combinación con los sistemas de cogeneración in situ, pueden mejorar la seguridad energética. Muchas instalaciones industriales, institucionales y gubernamentales están explorando estas alternativas.»
La turbina CHP puede utilizarse para una amplia gama de fines benéficos. Tiene más sentido utilizar las turbinas cuando la necesidad de calor es grande, la salida térmica preferida es vapor en lugar de agua caliente, las horas de funcionamiento serán largas, y la salida se encuentra generalmente en el extremo superior del rango de potencia de la turbina.
En una reciente presentación en el Foro de Evaluación y Comercialización de Tecnología (TMAF) patrocinado por el Centro de Soluciones Energéticas, Chris Lyons de Solar Turbines y Mike Devine de Caterpillar discutieron las oportunidades tanto para los grandes motores como para las turbinas de combustión para aplicaciones de CHP. Señalaron que la cogeneración de ambos tipos de energía alimentada con gas natural es atractiva en la actualidad debido al bajo y estable precio del combustible, la necesidad de controlar las emisiones, la naturaleza probada de ambas tecnologías, la alta fiabilidad y los bajos costos del ciclo de vida.
Eligiendo entre turbinas y motores
Las turbinas son a menudo la elección cuando la necesidad de carga térmica es alta, el vapor es preferible al agua caliente, y cuando la necesidad eléctrica es continua y relativamente uniforme. Estas unidades producen grandes cantidades de calor residual a temperaturas que oscilan entre los 700° y los 1.000° F – un rango en el que el vapor de alta energía puede ser extraído eficientemente usando un generador de vapor de recuperación de calor (HRSG).
En ciertas aplicaciones, la cogeneración de calor y electricidad usando turbinas industriales más grandes es un ajuste excelente. Según Lyons, entre las aplicaciones más comunes se encuentran el procesamiento de alimentos, plantas lácteas, cervecerías, pulpa y papel, productos farmacéuticos, calefacción y refrigeración de distrito, colegios y universidades, instalaciones sanitarias, hoteles y centros turísticos e instituciones penales. «Esta es una elección ideal cuando hay grandes cargas térmicas o de refrigeración».
Aprovechar las temperaturas más altas
Mardiat de Burns & McDonnell se hace eco de esta opinión, diciendo: «Debido a que la eficiencia de la tasa de calor del ciclo simple de la turbina es menor que la de los sistemas de motor recíproco, con temperaturas de escape en el rango de 700 a 1.000 grados F, las instalaciones industriales, institucionales y gubernamentales que requieren una abundancia de vapor para calentar o procesar cargas proporcionan el mejor ajuste para esta tecnología de motor principal». Señala que para la mayoría de las aplicaciones, es importante hacer un uso completo de la producción térmica. «Los sistemas de cogeneración más eficientes y económicos utilizan el 100% del calor residual para proporcionar vapor o agua caliente.» Esto da como resultado una eficiencia total del sistema muy alta.
Gama de tamaños disponibles
Solar ofrece turbinas que van desde la unidad Saturno 20 de 1,2 MWe hasta la unidad Titán 250 de dos ejes con una potencia de 21,7 MWe. En algunas situaciones, los propietarios prefieren tener varias unidades para aumentar aún más la fiabilidad del sistema, y para permitir que las unidades seleccionadas funcionen cerca de su máxima eficiencia.
Lyons señala que las turbinas más pequeñas no tienen eficiencias tan altas como las de las unidades más grandes, que van del 25% al 39%. «Pero en las aplicaciones de cogeneración, la eficiencia térmica global puede variar entre el 70% y el 90%.» Sugiere que la mayoría de los compradores dimensionan las unidades para que se ajusten a sus necesidades de carga térmica. «Sin embargo, la decisión también depende mucho de las tarifas eléctricas generales y factores como la necesidad de la fiabilidad de la planta.»
Intervalos de servicio más largos
Las turbinas de combustión de hoy en día tienen una alta fiabilidad y los diseñadores han ampliado los intervalos de servicio requeridos. Para las turbinas solares, Lyons explica, «La mayoría de nuestras turbinas están diseñadas para 30.000 horas entre revisiones. Sin embargo, algunas de las unidades más pequeñas van mucho más allá de las 40.000 horas». Señala, «De vez en cuando hay problemas que podrían requerir atención para evitar un fallo prematuro».
Generalmente, las turbinas de combustión funcionan a su máxima eficiencia eléctrica cerca de la carga completa. Cuando están a media carga, una mayor parte de la energía del combustible va a la carga térmica y menos a la eléctrica. Lyons enfatiza que para situaciones de calor y energía combinados, la eficiencia en carga parcial es todavía bastante buena. En situaciones en las que la turbina funciona a un nivel bajo durante un largo período de tiempo, puede ser deseable una fuente de calor suplementaria al HRSG.
Frito Lay da el paso
Un ejemplo de una instalación ideal de una turbina de combustión en una instalación de cogeneración es la planta de Frito-Lay en Killingly, Connecticut. Este gran productor de patatas y productos de aperitivos de maíz utiliza diariamente un cuarto de millón de libras de maíz y patatas en una operación de fabricación de 24 horas, con una demanda eléctrica máxima de 3,8 MWe y mínima de 1,5 MWe.
Además, la instalación tiene una demanda máxima anual de vapor de hasta 90.000 libras/hora de vapor saturado a 325°F para aplicaciones de proceso. La demanda mínima de vapor es en los fines de semana de verano, a 12.000 lbs/hr.
Debido a que la planta se encontraba en una zona con problemas de fiabilidad de la energía causados por las limitaciones de distribución, la planta había experimentado importantes interrupciones de servicio. Esto creó problemas en términos de pérdida de producción, desperdicio de existencias en la producción y requirió reinspecciones. Según Christopher Wyse, Gerente de Comunicaciones de Frito-Lay North America, la zona también tiene altas tarifas eléctricas.
Además, la empresa necesitaba una capacidad adicional de generación de vapor para mantener el ritmo de la creciente producción. Wyse indica que ellos sabían que «los CHP son comunes en otras industrias y tienen un registro de confiabilidad probado, siempre y cuando el dueño siga un programa de mantenimiento proactivo». A partir de 2006, trabajando con el apoyo de consultoría de Dana Technologies, investigaron y comenzaron el proceso de ingeniería y de obtención de permisos para instalar un sistema de CHP alimentado por una turbina de combustión con recuperación de calor para el vapor de proceso.
La mayor parte de las necesidades energéticas de las plantas
En julio de 2008 comenzaron la construcción. El sistema utiliza una turbina solar de 4,6 MWe Centaur 50 con recuperación de calor por un HRSG de Rentech, junto con un quemador de conducto suplementario de Coen para una capacidad de vapor adicional y de reserva. La turbina puede proporcionar casi el 100% de los requerimientos eléctricos del sitio, y libera calor para generar 24.000 lbs/hr de vapor sin necesidad de un fuego suplementario. Con el fuego suplementario, la unidad produce 60.000 lbs/hr. Esto representa casi el 90% de los requerimientos de vapor del sitio. La empresa mantiene una conexión con la compañía eléctrica y compra una pequeña cantidad de energía para mantener la conexión.
Después de un corto y sin problemas de arranque y puesta en marcha, el sistema entró en funcionamiento en marzo de 2009. En los dos primeros años desde el inicio de la operación, la turbina tuvo una disponibilidad del 96,5%. En ese período, el proyecto de cogeneración ha ahorrado a la compañía 930.000 dólares en costes de operación, además de asegurar una mayor fiabilidad y una reducción de las emisiones.
Teniendo en cuenta un pago de incentivo del Estado de Connecticut, la amortización del proyecto se calculó en 6,9 años. Los bajos precios actuales del gas natural están disminuyendo rápidamente el período de retorno esperado. Además, esto no incluye los beneficios para la producción por la mejora de la fiabilidad eléctrica. En varias ocasiones la planta se salvó de importantes pérdidas de funcionamiento durante las interrupciones de la red eléctrica.
Combustible dual donde sea apropiado
Los fabricantes ofrecen unidades de turbinas de combustión diseñadas para el funcionamiento con doble combustible, normalmente gas natural y aceite combustible. En la mayor parte de América del Norte el gas natural tiene una ventaja significativa en el precio. Lyons de Solar Turbines señala: «Las aplicaciones de doble combustible son más frecuentes en el noreste de los Estados Unidos, donde la mayoría de los grandes usuarios tienen contratos de suministro de gas interrumpible. Sin embargo, en lugares como California, Texas, Louisiana, etc. el combustible dual no es tan común». Donde el combustible dual es necesario, la mayoría de los propietarios tienen a mano un suministro de combustible de unos pocos días para utilizarlo según sea necesario.
Otro proveedor de turbinas de combustión para usuarios industriales y comerciales grandes es Kawasaki Gas Turbines – Americas. Kawasaki ofrece turbinas de carga base en siete clases de tamaño desde 600 kWe hasta 18 MWe. Además, Kawasaki tiene una línea separada de turbinas de energía de reserva en tamaños de 750 kWe a 4,8 MWe. Las unidades de carga base serían el equipo adecuado para la recuperación de calor y el funcionamiento de cogeneración a tiempo completo.
Como ejemplo de los beneficios de la cogeneración, Kawasaki instaló una planta de cogeneración de 1,5 MWe en 2007 para una importante empresa farmacéutica de la costa este. La unidad fue suministrada con una caldera de recuperación de calor no quemada que proporcionaba más de 11.000 libras por hora de vapor a la planta . La planta incorporó un patín eléctrico extendido precableado KGTA que facilitó una rápida instalación en el lugar.
Esta instalación de la planta proporciona energía más vapor con un índice de eficiencia térmica del 80%. Esta planta también calificó para una subvención estatal para su ahorro de energía CHP. Esta instalación utiliza la tecnología Kawasaki Dry Low Emissions (DLE) que asegura la reducción de las emisiones de gases de escape, con NOx inferior a 20 ppm y CO inferior a 50 ppm.
Considere su solicitud
No todas las aplicaciones se beneficiarán de la cogeneración con turbinas de combustión, pero si tiene grandes requerimientos térmicos de vapor de proceso o refrigeración por absorción, además de una necesidad relativamente continua de energía eléctrica, puede ser su solución. Una planta in situ puede mejorar la fiabilidad de su suministro de energía, y también podría reducir su huella de carbono y reducir las emisiones totales.
La ayuda está disponible
Ed Mardiat indica que hay múltiples fuentes de orientación para el desarrollo de una instalación de cogeneración. «El primer lugar que yo recomendaría es la Asociación de CHP de la EPA de los EE.UU., que ha desarrollado varios recursos para la detección de CHP, análisis de propagación de chispas, calculadoras de emisiones y una base de datos para los incentivos de CHP listados por estado. Más allá de eso, recomendaría al propietario encontrar un consultor de ingeniería que tenga experiencia en la preparación de Auditorías de Factibilidad de CHP y de Grado de Inversión Económica en el tipo específico de instalaciones que se están considerando». Para los grandes usuarios de energía, el CHP de turbinas industriales está aquí, y está mejor que nunca.
