Análisis de ciclos de turbina de gas con combustión externa utilizando biomasa

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(1)Título: Análisis de ciclos de turbina de gas con combustión externa utilizando biomasa. Autor: Dr CT Raúl Alberto Pérez Bermúdez; MsC. Lizet Rodríguez Machín Institución: Centro de Estudios Energéticos y Tecnologías Ambientales, Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Central ¨Marta Abreu¨ de Las Villas, Cuba Tel: 53-42-281194 E-mail: [email protected] El rápido crecimiento industrial y el incremento de las demandas de la sociedad moderna en cuanto a confort y movilidad han dado como resultado un incremento en los consumos de energía. En el siglo XX, la población mundial creció en 6 veces, sin embargo el consumo mundial de energía se incrementó en 80 veces. Los suministros mundiales de energía están basados fundamentalmente en los combustibles fósiles (Figura 1); solo en el año 2000, la humanidad quemó la cantidad de combustibles fósiles que se formaron en un periodo de 1 millón de años [19].. Figura 1 Distribución de los combustibles en los suministros mundiales de energía primaria. Las proyecciones de las perspectivas internacionales de energía del 2001 indican un crecimiento continuado en la demanda de la energía mundial con un aumento supuesto del 59% del Actual Consumo de Energía Mundial para el 2020 y, las emisiones de CO2 serán casi del doble. La Convención Marco de las Naciones Unidas para el Cambio Climático (ONU 1992, artículo 2) reclama una "estabilización de las concentraciones de gas de invernadero en la atmósfera a un nivel que prevenga la interferencias antropogénicas peligrosas con los sistemas climáticos...". Las concentraciones de CO2 en la atmósfera continuarán aumentando a menos que se lleven a cabo cambios sustanciales en la forma de emplear los combustibles fósiles para proporcionar los servicios de energía [19]. El calentamiento global debido a las emisiones de gases del invernadero es la consecuencia más drástica del uso de los combustibles fósiles. Por consiguiente, la reducción de las energías con emisiones de CO2 es el más grande desafío de las sociedades industrializadas en el siglo XXI. Hay varias estrategias para enfrentar las consecuencias del uso de combustibles fósiles como fuentes principales de energía primaria. Además de las estrategias de ahorro de energía y aumento de la exergía de un portador de energía, el uso de fuentes de energía renovables es la solución más lógica para esta problemática. Según la Perspectiva de Energía Mundial, se espera que los residuos y las energías renovables sean las fuentes de energía primaria de más rápido crecimiento. Entre todas las energías renovables, la biomasa es la fuente de energía más ampliamente usada a nivel mundial y se considera como una opción especialmente prometedora, existiendo aún un potencial mundial considerable en su uso que excede cinco veces la demanda de energía mundial. Es decir, la.

(2) biomasa tiene un potencial global de 120 millones de toneladas por año, lo cual representa más de cinco veces el consumo mundial actual de energía. La biomasa puede convertirse en una de las mayores fuentes de energía primarias globales durante el presente siglo, y se sugieren modernizar los sistemas bioenergéticos para lograr una importante contribución a los sistemas energéticos sustentables futuros y al desarrollo sustentable tanto en países industrializados como en países en vías de desarrollo. Cuba no está ajena de esta problemática, toda vez que su estructura energética está basada también en el uso de combustibles fósiles, importados en una parte considerable con un consumo de alrededor del 40% de los combustibles derivados del petróleo, para generar más del 80% de la electricidad total producida en el país. Para reducir sensiblemente esta dependencia de la importación y uso del petróleo, se priorizó el máximo aprovechamiento de las fuentes nacionales de energía y la elevación de la eficiencia energética en la economía, con la perspectiva de que las fuentes renovables de energía adquieran un mayor peso, entre ellas las provenientes de la agroindustria azucarera. Esto es la esencia del Programa de desarrollo de las fuentes nacionales de energía (PDFNE). Entre las principales acciones y líneas de trabajo de este programa están respaldar, en el Ministerio del Azúcar, el incremento de la generación de electricidad con bagazo y otros residuos cañeros y la disminución de sus consumos a corto plazo, llegando a autoabastecerse de electricidad y entregar excedentes a la red, así como, priorizar, en función de su potencialidad y significación estratégica, el estudio y desarrollo de las nuevas tecnologías tendientes a elevar al máximo la generación de electricidad. Dentro de las biomasas, la caña de azúcar es uno de los cultivos con mayor capacidad para convertir la energía solar en biomasa. Si se toma en cuenta sólo el bagazo y la paja, en los cañaverales se almacena alrededor del equivalente a una tonelada de petróleo por cada tonelada de azúcar que puede producirse, por lo que el bagazo constituye uno de los materiales lignocelulósicos más prometedores entre los recursos no maderables, por su accesibilidad, cuantía y calidad. Por tanto, la agroindustria azucarera es un componente estratégico del desarrollo de las fuentes nacionales de energía en la búsqueda de soluciones técnico-económicamente viables a las necesidades, ya que es la fuente más importante de biomasa con que cuenta el país para el desarrollo de energía renovable. Esto cobra renovada importancia luego del redimensionamiento de este sector en el año 2002 donde se determinó el cierre permanente de más de la mitad de los centrales azucareros del país, ya que estas empresas deberán ser cada día más competitivas y rentables dentro de un mercado azucarero mundialmente deprimido por los bajos precios de las azúcar, quedando solo la alternativa de alcanzar eficiencias altas tanto en la producción de azúcar como de energía eléctrica. Para ello, es necesario llevar a cabo una serie de acciones que permitan, a mediano o largo plazo, niveles de generación muy superiores a los actuales donde debe primar la modernización de los sistemas energéticos y la introducción de ciclos termodinámicos más eficientes, entre otras, lo que permitirá convertir esta en una industria sucroenergética. La tecnología que se analiza es potencialmente atractiva a ser usada en el sector azucarero. Los sistemas de poligeneración de pequeña escalas a base de biomasa son muy atractivos en tal sentido, gracias a su bajo impacto ambiental, facilidad de cubrir una demanda energética dada, y por su conveniencia para actividades industriales. Sin embargo, aun cuando existen claras oportunidades para estos sistemas, la disponibilidad de tecnologías fiables no está del todo madura, cuestión palpable si se analiza el mercado bioenergético actual. La penetración del mercado de los sistemas de poligeneración de pequeña escala no ha tenido lugar debido sus altos costos específicos de inversión, escasa confianza de los usuarios en la fiabilidad y.

(3) operatividad de los sistemas propuestos, y al desconocimiento de las tecnologías de generación de energía a pequeña escala, entre otros factores. Los principales sistemas que compiten en este prometedor mercado de bioenergía son el Ciclo Rankine Orgánico, el motor Stirling alimentado con gases de biomasa, los gasificadores de biomasa, los motores y turbinas alimentados con aceites vegetales, y turbinas de gas calentadas externamente con gases de biomasa. En este contexto se ha considerado el estudio de un ciclo de turbina de gas con doble sistema de combustión como una de las opciones más prometedoras. El diseño del sistema está basado en turbinas de ciclo abierto; la cual ofrece la posibilidad de la combustión de combustibles “sucios” como son las biomasas. También han sido considerados con el objetivo de mejorar la eficiencia de este tipo de sistemas combinados de calor y electricidad, donde el calor pueda ser usado tanto como sea posible. Los sistemas con turbina de gas de combustión externa proporciona otra vía efectiva de adaptar los combustibles sólidos como la biomasa a las turbinas de gas a través del incremento de la eficiencia global de la planta mientras se reducen las emisiones totales. Los componentes fundamentales de este sistema son un combustor atmosférico y un intercambiador de calor de alta temperatura que remplaza el sistema convencional de un ciclo de turbina de gas abierto. La biomasa es combustionada directamente en un combustor de biomasa. El aire luego de ser comprimido en el compresor es calentado en el intercambiador de calor de alta tempetratura, por lo que solo se envía air limpio a la turbina garantizando que los elementos de esta no sean expuestos a los elementos corrosivos del combustible. El intercambiador de calor es una pieza clave de todo el conjunto y que necesita ser desarrollado para lograr altas temperaturas a la entrada de la turbina.. Figura 2: Esquema de un sistema de turbina de gas con combustión externa. Los sistemas de turbina de gas con combustión externa (llamados turbinas de gas de aire caliente) son bien conocidos desde hace varios años. La idea se basa en quemar la biomasa usando el escape (limpio) de la turbina de gas como agente oxidante y transferir el calor al aire comprimido a través de un intercambiador de calor de alta temperatura (gas-gas). Un gran número de estudios, actividades y proyectos han sido llevados a cabo por grupos de investigación de la Universidad Libre de Bruselas (VUB), BTG, ENEL, CANMET, DTU, Talbott; los cuales han identificado los siguientes aspectos claves de investigación: • • • •. Necesidad de un sistema de combustión de biomasa limpio y eficiente. Un elemento crítico lo constituye el intercambiador de calor de alta temperatura en cuanto a materiales, fiabilidad, costos, entre otros aspectos. Las fases cruciales son el arranque, el apagado y las paradas de emergencia de todo el sistema. La complejidad de sistema de control.. El ciclo termodinámico de un ciclo de turbine de gas presenta una baja eficiencia debido a la alta temperatura del escape de la turbina, alrededor de 500 a 600 °C, donde una gran cantidad de calor es.

(4) expulsado a la atmosfera. La recuperación de este calor puede ser a través de la utilización de un ciclo combinado con una caldera de recuperación y una turbina de vapor o con sistemas de cogeneración. Una nueva posibilidad es recuperar este calor en un calentador de aire recuperativo en la propia turbina de gas.. Figura 3. Diagrama T vs S para un ciclo de turbina de gas de aire caliente. Debido al precalentamiento del aire se require menos combustible y se incrementa la eficiencia Una precondición para el intercambiao recuperativo es que el escape esté mas caliente que el aire comprimido, es decir que T4 > T2. Es necesaria una diferencia de temperatura para facilitar la transferencia de calor para facilitar la transferencia de calor tanto que el escape no pueda ser enfriado por debajo de T2, pero si hasta una temperatura ligeramente superior a T2R. La eficiencia del ciclo será: El grado de recuperación depende de la temperatura del aire comprimido y de la razón de presión. Una alta presión presupone un incremento de la temperatura en el compresor; como consecuencia es más eficiente la operación a bajas presiones. Esto es típico en unidades de baja potencia, mientras que las turbinas modernas superiores a 100-MW trabajan con presiones superiores. Este sistema de turbine de gas de aire caliente tiene la ventaja que los gases de combustión no pasan a través de la turbina y son enfriados a temperaturas superiores a la temperatura de salida del compresor, minimizando el calor rechazado al medio ambiente. El diagrama T vs S para este ciclo se muestra en la Fig. 4. La diferencia de temperatura en el intercambiador de calor TH. y. TL es un parámetro importante en la optimización del diseño. En general, una pequeña diferencia de temperatura mejora la eficiencia en el uso del calor pero incrementa las dimensiones del equipo y los costos..

(5) Figura 4. Diagrama T vs S para un ciclo de turbina de gas de aire caliente. Estudio de simulación Se ha seleccionado una turbine Turbec T100 (ABB/Volvo) de 100 kW de potencia eléctrica como un diseño básico para el estudio del efecto de la diferencia de temperatura y presión en el intercambiador de calor en cuanto a eficiencia. Los datos técnicos se muetran en la tabla 1. Tab. 1: Datos de diseño de la turbina Turbec T100. Potencia eléctrica neta Potencia eléctrica de entrada Potencia de la turbina Potencia de compressor Effic. eléctrica neta ISO Combustible Temperatura del escape Temperatura aire comprimido Flujo másico de aire Flujo másico de los gases de escape Relación de presión Eficiencia del compressor Eficiencia de la turbina Area del intercambiador de calor. 100 kW 333 kJ/s 281.89 kW 158.97 kW 30.0 % Bagazo de caña de azúcar 650 °C 214 °C 0.7833 kg/s 0.79 kg/s 4,5 0.7680 0.8261 164 m². Los parámetros de entrada y diseño y la temperature de entrada a la turbine pueden ser variadas. La simulación son llevadas a cabo con el software AspenPlus 11.0, donde el combustor es reemplazado intercambiador de calor y un combustor atmosférico a la salida de la turbina. Todos los calculos son realizados a condiciones estandares (15 °C, 1.013 bar y 60% humedad). La diferencia de presión tiene el mayor impacto en la potencia y la eficiencia, los resultados de la variación de πC entre 2 y 8 se muestran en la Fig. 5. El componente fundamental en el ciclo es el intercambiador de calor a contracorriente y el parámetro más importante es la diferencia de temperatura entre los gases fríos y calientes. En el extremo del intercambiador de calor donde entra el gas caliente y sale el aire calentado, la diferencia de temperatura es definida como TH = T5 – T3. Los resultados de la variación de este parámetro entre 10 y 150 K se muestra en la Fig. 6. La eficiencia es una función de la temperature de entrada a la turbina y de la diferencia de temperatura en el intercambiador de calor..

(6) Figura 5. Variación de πC. Figura 6. Variación del TH entre 10 y 150 K. Para una diferencia de 70 K y una temperatura en la turbina de 900 °C la eficiencia eléctrica neta alcanza un 27.8 %. Para combutionar biomasa en este ciclo es necesario que el combustor trabaje a presión atmosférica y resolver la alimentación del combustible sólido en un combustor presurizado. Al quemar pequeñas partículas se precisa acoplar un separador ciclónico para reducir las partículas de los gases de escape. Como el intercambiador de calor es el componente clave de este ciclo, en principio puede ser tanto del tipo regenerativo o recuperativo. Para su mejor limpieza y para evitar pérdidas de gas entre el aire limpio y el lado de los gases se recomienda un diseño de intercambiador de recuperación de calor, los cuales operan entre 200 y 600 °C. Para temperaturas cercanas o superiores a los 1000 °C, se requieren materiales especiales de base metálica o cerámica. Sin embargo las cargas mecánicas no son grandes y la diferencia de presión entre el aire y el gas es moderada. El reto está en la construcción de un intercambiador de calor con mínima diferencia de temperatura y mínima caida de presión. Debido a la necesidad de usar materiales mas caros, el precio de este equipo puede estar alededor del triple del precio de un recuperador estandar. Los gases de combustión de la biomasa son frecuentemente ricos en partículas y pueden ser químicamente agresivos; y no pueden ser usados en quemados directamente en una turbina de gas. El ciclo propuesto tiene el problema del intercambiador de calor, el cual puede ser mas fácilmente.

(7) acomodado a altas cargas de impurezas. Esto es comun tanto para los motores Stirling y los ciclos de vapor, por lo que el EFGT compite en el mercado para pequeñas y medianas unidades CHP. Una comparación de la eficiencia electrica neta de estas tres tecnologías se muestra en la Fig. 7.. Figura 7. Variación de la eficiencia eléctrica neta. El costo de una futura instalación EFGT a escala comercial es difícil de predecir pero algunos autores como Martelli [5, 15, 16] sugieren un 50 % de incremento de los costos comparados con ciclos estándares con turbina de gas. Con un costo de turbina de gas de € 1000 – 1200 por kWel, esto alcanzaría los € 1500 – 1800 por kW. Aunque es imposible asegurar cual tecnología logrará los costos de generación más bajos, incluyendo operación, mantenimiento, disponibilidad, etc. la EFGT promote ser una tecnología de conversión energética competitiva en el mercado de los bio-combustibles, en particular para la biomasa sólida. Conclusiones 1. En general, los combustibles que causan problemas en los sistemas convencionales de turbinas de gas pueden ser combustionados en un ciclo EFGT, con un espectro de 30 a 2.000 kWel , muy apropiado para unidades CHP utilizando biomasa y que constribuyen a minimizar las emisiones de CO2. Estos ciclos pueen ser operados de una forma más económica si usan biomasa. 2. La optimización del intercambiador de calor es un objetivo fundamental en trabajos futuros; las altas temperaturas de trabajo de este equipo requieren el uso de materiales especiales con base metálica o cerámica. 3. Los costos adicionales del intercambiador de calor y del combustor de biomasa tienden a compensarse con los bajos precios de la biomasa en comparación con combustibles. 4. En comparación con un ciclo combinado, donde el escape de la turbina es utilizado en un ciclo de vapor, el costo del intercambiador de calor es menor que un ciclo completo de vapor. Sin embargo el EFGT no es un competidor directo de las plantas térmicas de generación eléctrica o de los motores Stirling, ya que su rango de potencia ocupa un espacio entre las dos. 5. La eficiencia y los costos de inversion de la EFGT prometen ventajas sobre otras tecnologías; los resultados de la modelación muestran que este sistema pueden implementarse con beneficios económicos apreciables en el contexto energético nacional..

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