Empleo del biogás como combustible para un sistema de trigeneración

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(1)i. Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electroenergética. TRABAJO DE DIPLOMA Empleo del biogás como combustible para un sistema de trigeneración. Autor: Idian Madrazo Torres Tutores: Ing. Alexander López Savran Dr. Carlos de León Benítez Santa Clara 2012 “Año 54 de la Revolución”.

(2) ii. Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería Eléctrica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable deInformación CientíficoTécnica.

(3) iii. “El genio se hace con un 1% de talento, y un 99% de trabajo”. Albert Einstein.

(4) iv. DEDICATORIA. Especialmente a mi Mamá y mi Papá por ser la principal academia, por su apoyo, cariño y amor incondicional. A mi novia Jenny por su cariño y su amor. A mi familia por siempre exhortarme a seguir adelante. A mis amigos por apoyarme y dar el paso al frente cuando los necesité. A mis compañeros de aula por serlo durante cinco años de sacrificio..

(5) v. AGRADECIMIENTOS. A mis padres, por confiar en mí, por todos sus consejos sobre todo porque nada es imposible, por hacer lo impensable para que mi hermano y yo estudiáramos, por estar presente cuando los necesito. A mis tutores Alexander y Carlos, pues sin su ayuda, dedicación y esmero este trabajo no hubiera sido realizado satisfactoriamente. A mi novia Jenny por su comprensión y por ayudarme en la rectificación de la ortografía. A mi familia por siempre contribuir de una forma u otra en mi formación profesional. A mis amigos Kemel, Alexander, Luis Alberto y a todos los demás que me apoyarony ratificaron su amistad..

(6) vi. TAREA TÉCNICA Para la confección del presente informe resultó necesario el desarrollo de las siguientes tareas: 1. Revisión bibliográfica sobre el tema. 2. Diseño de un sistema para aprovechar al máximo el potencial de Biogás existente en el Complejo Agroindustrial Pecuario "Guayos”. 3. Análisis de los resultados.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(7) vii. Resumen. En el Complejo Agroindustrial Pecuario "Guayos", provincia Sancti Spíritus, existe un gran potencial de biogás que tiene un bajo aprovechamiento.Con el objetivo de revertir esta situación se realiza la propuesta y evaluación de un modelo energético sostenible. Después del diagnóstico de la situación energética actual, el análisis de los consumos de combustibles y el levantamiento de la carga eléctrica instalada, se propone modificar el modelo energético actual. La implementación del modelo energético propuesto se justifica por el uso de biogás como combustible para obtener energía eléctrica y calorífica que se desprende de la combustión del grupo electrógeno, que será utilizada para el sistema de trigeneración y para acelerar el proceso de descomposición de la materia orgánica. La propuesta no fue aprobada debido al elevado costo de los equipos, de ser aprobada facilitará el ahorro de 18 t/año de diesel y 53640 kW.h/año de electricidad, aportando al programa de ahorro de energía y reduciendo la dependencia de los hidrocarburos, esto contribuye a la Gestión Eficiente de Energía en el Complejo con la disminución del 42,0 % del consumo de electricidad del Sistema Electroenergético Nacional (SEN). El modelo energético puede ser aplicado en otros centroscon características similares, teniendo en cuenta la inversión inicial para la aprobación del proyecto..

(8) viii. TABLA DE CONTENIDOS. DEDICATORIA ................................................................................................................................. iv AGRADECIMIENTOS ....................................................................................................................... v TAREA TÉCNICA ............................................................................................................................. vi Resumen ..........................................................................................................................................vii Introducción ......................................................................................................................................... 1 Organización del informe ................................................................................................................ 3 CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA: Las energías renovables y sistemas de trigeneración .............................................................................................................................................................. 4 1.1.. Las energías renovables ........................................................................................................ 4. 1.1.1. Las energías renovables dentro del orden energético mundial ...................................... 5. 1.1.2. Desarrollo de fuentes renovables de energía en Cuba ................................................... 8. 1.2.. Energía de biogás ................................................................................................................ 11. 1.2.1. Componentes del biogás .............................................................................................. 11. 1.3.. Uso del biogás para la generación de electricidad .............................................................. 12. 1.4.. Ventajas de las energías renovables [23] ............................................................................ 13. 1.5.. Aspectos generales de la cogeneración ............................................................................... 14. 1.6.. Ventajas de los sistemas de cogeneración [28] ................................................................... 15. 1.7.. Tecnologías aplicables en cogeneración ............................................................................. 16. 1.7.1. Ciclo Rankine, turbinas vapor (TV)............................................................................. 16. 1.7.2. Motores de combustión interna alternativos (MCI) ..................................................... 18. 1.7.3. Ciclo Brayton, turbinas de gas (TG) ............................................................................ 19.

(9) 1.8.. ix Aspectos generales de Trigeneración .................................................................................. 21. 1.9.. Tecnologías y sistemas de refrigeración ............................................................................. 22. 1.9.1. Ciclo de compresión mecánica .................................................................................... 22. 1.9.2. Sistema de refrigeración por ciclo de Absorción ......................................................... 23. 1.9.3. Absorción con par agua/sales bromo-litio (PRABL) ................................................... 24. 1.9.4. Absorción con par amoniaco/agua (PRAA) ................................................................ 27. 1.9.5. Sistema de refrigeración por ciclo de Adsorción ......................................................... 29. 1.10.. Aplicación de sistemas de trigeneración ......................................................................... 33. 1.11.. Conclusiones parciales .................................................................................................... 34. CAPÍTULO 2: MÉTODOS Y DIAGNÓSTICOS ............................................................................. 35 2.1. Materiales consultados ............................................................................................................ 35 2.2. Métodos utilizados .................................................................................................................. 35 2.2.1.. Guía para la elaboración del Plan General de Ordenamiento Territorial del municipio 35. 2.3.. Diagnóstico.......................................................................................................................... 38. 2.3.1.. Análisis socio-económico y ambiental del Complejo .................................................. 38. 2.3.2 Estimación del potencial de biogás generado ................................................................... 41 2.3.3.. Análisis del modelo energético actual ......................................................................... 42. 2.3.4.. Diagnóstico energético del Complejo .......................................................................... 44. Capítulo 3 Propuesta del sistema de trigeneración por absorción ..................................................... 46 3.1.. Fase de la propuesta ............................................................................................................ 46. 3.2.. Descripción del modelo energético propuesto .................................................................... 46. 3.3.. Especificaciones de los componentes del esquema tecnológico propuesto ........................ 47. 3.3.1.. Cálculo del volumen de almacenamiento de biogás .................................................... 47. 3.3.2.. Características técnicas del compresor Chino .............................................................. 48. 3.3.3.. Características técnicas del grupo electrógeno ............................................................ 48. 3.3.3.1.. Sistema de control del grupo electrógeno (G.E) ...................................................... 48. 3.3.3.2.. Datos del motor: ....................................................................................................... 48.

(10) 3.3.3.3.. x Datos del generador:................................................................................................. 49. 3.4.. Determinación de la carga eléctrica para el grupo electrógeno .......................................... 49. 3.5.. Selección de la máquina de absorción................................................................................. 50. 3.6.. Ejecución de la Propuesta ................................................................................................... 50. 3.6.1.. Depósitos para almacenamiento de biogás .................................................................. 51. 3.6.2.. Equipo para comprimir el biogás ................................................................................. 51. 3.6.3.. Grupo electrógeno ........................................................................................................ 52. 3.6.4.. Máquina de Absorción. ................................................................................................ 52. 3.6.5.. Tubería de conducción de biogás ................................................................................. 52. 3.7.. Diseño del esquema eléctrico .......................................................................................... 52. 3.7.1. 3.8.. Determinación de los conductores ............................................................................... 53. Evaluación ........................................................................................................................... 56. 3.8.1. 3.9.. Evaluación económica del modelo energético propuesto ............................................ 56. Aplicación del Flujo de caja. Determinación del valor actual neto (VAN) y del tiempo de. recuperación de la inversión (TIR) ................................................................................................ 59 3.10.. En caso de una aprobación del proyecto (VAN ≥ 0) se obtendrían tales resultados: ...... 60. 3.10.1.. Valoración de los beneficios ambientales ............................................................... 60. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................................. 62 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................. 63 ANEXOS ........................................................................................................................................... 65 Anexo I. Comparación de los sistemas de refrigeración: adsorción y absorción .............................. 65 Anexo II. Conversiones ..................................................................................................................... 68 Anexo III. Cálculo del ahorro de energía eléctrica. ........................................................................... 69 Anexo IV. Levantamiento de la carga eléctrica en el Complejo. ...................................................... 69 Anexo V. Selección de los conductores por corriente admisible....................................................... 73 Anexo VI Selección de interruptores ................................................................................................. 79 Anexo VII Selección económica de los conductores ......................................................................... 80.

(11) INTRODUCCIÓN. 1. Introducción El proceso de reconfiguración energética en Cuba requiere de un estudio de situaciones derrochadoras existentes y de proyecciones sostenibles a corto, mediano y largo plazo para el mejoramiento del Sistema Electroenergético Nacional (SEN). La implementación de los programas de la Revolución Energética, que incluyen la instalación degrupos electrógenos eficientes,la elevación de la disponibilidad en la generación eléctrica, el uso racional de los combustibles y el desarrollo de las fuentes de energía renovable, entre otros factores, favorece considerablemente el ahorro de recursos energéticos con enfoque sostenible. Las tecnologías de energías renovables a pequeña y mediana escala, representan para Cuba una alternativa económica y ambiental factible. Estas permiten la provisión de energía a comunidades apartadas, expandiendo la capacidad eléctrica instalada, yasea por medio de sistemas aislados o conectados a la red eléctrica. En toda Cuba, (principalmente en las provincias centrales), existen recursos para desarrollar sistemas hidráulicos, solares, eólicos y de biomasa, la última incluye a toda la materia orgánica que proviene de plantas y desechos de animales que pueden ser convertidos en energía. La economía de la provincia de Sancti Spíritus está sustentada fundamentalmente por el desarrollo de la actividad agropecuaria y se caracteriza porun amplio desarrollo ganadero, generándose considerables volúmenes de biomasa que pueden ser transformados en energía. En economías de orientación agropecuaria, el uso apropiado de la biomasa ofrece una alternativa para reducir los costos de operación por concepto de insumos energéticos, además, revitalizaría el desarrollo económico con la entrega de energía de forma independiente y segura. Las granjas y comunidades rurales pueden ser energéticamente autosuficientes en un alto grado a partir del uso racional de la biomasa disponible. Para convertir residuos agropecuarios e industriales en energía, se utilizan las características bioquímicas de la biomasa y la acción metabólica de microorganismos para producir combustible gaseoso como biogás. En adición, la tecnología de biogás disminuye la contaminación del medio ambiente reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero y contribuye al ahorro de los combustibles fósiles. Sin embargo, existen barreras que dificultan un mayor desarrollo de.

(12) INTRODUCCIÓN. 2. este tipo de energía, como la falta de conocimiento sobre las tecnologías y el empleo de técnicas aún incipientes. La generación de electricidad con biogás constituye un tema de gran interés e importancia para Cuba. Por ello se realizanlevantamientos e investigacionessobre los potenciales de materia orgánica en vertederos de residuos urbanos, biomasa cañera y otros tipos de biomasa. Actualmente el Grupo Provincial de Biogás desempeña un trabajo para implementar este combustible con fines energéticos en lugares con potencial favorable. La existencia en el complejo Agroindustrial Pecuario Guayos, de un volumen considerable de biomasa utilizado para la producción de biogás, permite la realización del presente estudio, con el objetivo de extender su uso como fuente de energía primaria. De igual forma poner en práctica la cogeneración, técnica que permite transformar un tipo de energía primaria en electricidad y calor simultáneamente. Si a su vez, además de generación de calor y electricidad, se introduce tecnología para la generación de frío, se estaría en presencia de un sistema de trigeneración. Por tanto, una planta de trigeneración se compone fundamentalmente de dos conjuntos tecnológicos: un módulo de cogeneración y una máquina de refrigeración térmica. La inexperiencia sobre el uso general del biogás como combustible, limita desarrollar ofertas y acciones más viables para el ahorro de energía y la protección del entorno natural. Por las razones expuestas anteriormente el presente Trabajo de Diploma propone los siguientes objetivos: Objetivo general:  Desarrollarun modelo de desarrollo energético sostenible en el complejo Agroindustrial Pecuario Guayos a partir del uso de biogás como combustible. Objetivos específicos:  Determinar el potencial de biogás que puede ser producido en la instalación.  Estudiar la propuesta de tecnologías para el procesamiento del biogás obtenido  Proponer aplicaciones para el aprovechamiento del biogás en la conformación de un sistema energético sostenible. Evaluar la situación técnico-económica de la propuesta. Dadas las características del ciclo productivo en el complejo Agroindustrial y la existencia de un alto volumen de biomasa orgánica aprovechable para la obtención de biogás, la.

(13) INTRODUCCIÓN. 3 implementación de un modelo energético sostenible reportará importantes beneficios económicos y medioambientales en la entidad. Si se demuestra la viabilidad del uso del biogás en sistemas de trigeneración, como modelo razonable de desarrollo energético, podrá ser empleado en lugares con características similares. Organización del informe Este Trabajo de Diploma consta de tres capítulos: En el Capítulo 1 se hace una revisión bibliográfica sobre las diferentes fuentes de energías renovables vistas dentro del orden energético mundial y se revisan los conceptos de trigeneración y sus tecnologías. En el Capítulo 2 se hace un análisis correspondiente para conocer la situación actual,así como realizar un levantamiento de la carga eléctrica instaladacon el que posteriormente se diseña un esquema energético sostenible. El Capítulo 3 describe la propuesta en cuestión y con el resultado del Valor Actual Neto se comprueba la factibilidad económica..

(14) CAPÍTULO 1. Revisión Bibliográfica: Las energías renovables y sistemas de. 4. trigeneración. CAPÍTULO. 1.. REVISIÓN. BIBLIOGRÁFICA:. Las. energías. renovables y sistemas de trigeneración 1.1. Las energías renovables Las energías renovables son aquellas que se encuentran directamente en la naturaleza y a pesar de ser inagotables, en estos tiempos hay muchas que comienzan a escasear. Estas energías, entre las que se pueden destacar la solar, la eólica, la hidráulica, la de las mareas, la geotérmica y la de biomasa[1], no contaminan al medio ambiente. A pesar de lo anterior, la distribución porcentual de las principales fuentes energéticas que se utilizan para cubrir la demanda mundial en la actualidad[2]corresponden en primer lugar, a los combustibles fósiles (80 %), después a la energía nuclear (6 %) y por último, al resto a las fuentes renovables. Existe consenso entre varios autores de que la disponibilidad de combustibles fósiles es limitada y que existen problemas globales vinculados al uso de estos combustibles[3]. La generación de energía eléctrica, mediante la quema de combustibles fósiles -básicamente carbón, gas o petróleo- constituye una práctica que no será reemplazada en pocos años por otras fuentes como el sol, el viento, entre otras [4]. El abuso de las energías convencionales, tales como el petróleo y el carbón acarrean consigo problemas como la contaminación, el aumento de los gases de efecto invernadero y la perforación de la capa de ozono [5]. De acuerdo con El Protocolo de Kioto, uno de los instrumentos jurídicos internacionales más importantes en la lucha contra el cambio climático, se espera que las emisiones totales de los países desarrollados deban reducirse durante el periodo 2008-2012 al menos en un 5% respecto a los niveles de 1990 [6]..

(15) CAPÍTULO 1. Revisión Bibliográfica: Las energías renovables y sistemas de. 5. trigeneración. 1.1.1 Las energías renovables dentro del orden energético mundial Los Estados miembros de la Unión Europea (UE) en su conjunto, constituyen la principal potencia mundial en materia de. desarrollo y aplicación de energías renovables. Sin. embargo, Alemania es el único miembro de la UE que está en camino de alcanzar los objetivos establecidos en el Protocolo de Kioto sobre el cambio climático[7] La promoción de las fuentes renovables a nivel mundial se realiza a través de diferentes asociaciones. La más conocida es la International Solar Energy Society (ISES). Con sede central en el país germano, fue fundada en los años cincuenta para promover la energía. Otra Asociación, que en los últimos años está comprometida con la promoción de energías renovables, es Greenpeace. A inicios de los años 70 nació la Internacional Association for Hidrogen Energy (IAHE), con sede en Coral Gables, Estados Unidos, que suscita la utilización de hidrógeno solar[8]. El Consejo Europeo de marzo de 2007 en Bruselas, aprobó un plan energético obligatorio que incluye un recorte del 20% de sus emisiones de dióxido de carbono antes del año 2020 y el uso de más energías renovables para que representen el 20% del consumo total de la UE contra el 7% en 2006[7]. La energía solar térmica, de todas las energías renovables, es la más antigua a nivel comercial-industrial y por tanto, ostenta un grado considerable de desarrollo. En el siglo XX,experimentaría una época de expansión debido a la crisis del petróleo de los años 70 [9]. Recientemente España se ha convertido en el país del mundo con mayor potencia termosolar instalada, al alcanzar en julio de 2010 los 432 megavatios (MW) superando a Estados Unidos cuya potencia se sitúa en 422 MW[10]. Según informes de Greenpeace, la energía solar fotovoltaica podría suministrar electricidad a dos tercios de la población mundial en 2030, mientras que la Agencia Internacional de la Energía afirma que en el 2050, entre el 50 y el 75% de la electricidad tendrá origen renovable, resultando la energía solar fotovoltaicala principal fuente de generación a nivel mundial..

(16) CAPÍTULO 1. Revisión Bibliográfica: Las energías renovables y sistemas de. 6. trigeneración Una importante ventaja de la energía solar es que permite la generación de energía en el mismo lugar de consumo mediante la integración arquitectónica[5].En esta carrera por ofrecer una mayor cantidad deenergía eléctrica a una población determinada, millones y millones de euros son invertidos para seguir profundizando y ampliando los denominados parques eólicos[11]. La implantación de sistemas de energía eólica se encuentra especialmente desarrollada en Alemania, España y Dinamarca. Los resultados extraídos de la investigación realizada por EUWINet (proyecto financiado parcialmente por la Comisión Europea), indican que el crecimiento medio anual del mercado europeo de la energía eólica es de un 35%. Además, los datos concluyen que los países miembros de la UE aportan el 75% de la energía eólica mundial [7]. El uso de leyes que favorecen, con ayudas económicas estatales, a los que producen energía eléctrica con fuentes renovables (préstamos a bajo interés y altos precios por la energía eléctrica producida), ha contribuido a su desarrollo en algunos países, por ejemplo, en Alemania, existe la Ley de las Energías Renovables, vigente desde el 2000 y modificada en el 2004. La compensación por el pago de la electricidad generada por kW.h estuvo, en el 2002, entre 10.1 y 8.6 Euro, dependiendo de la capacidad eléctrica instalada. Como resultado en el 2004 se instalaron calentadores solares con una potencia global de 4 040 MW, la potencia instalada con módulos fotovoltaicos llegó a 734 MW. Al finalizar el 2001 existían en Alemania aproximadamente 1 650 plantas de biogás en la agricultura con una capacidad eléctrica instalada de 140 MW [2],y ya en el 2003 tenían 2 000 plantas con una potencia eléctrica de 400 MW. Los planes son cubrir, en el 2050, el 60 % de las necesidades energéticas del país [2]. En Dinamarca las experiencias demuestran que el tratamiento de estiércoles y otros residuos orgánicos en plantas de biogás es una alternativa beneficiosa, ya que reduce los efectos negativos de los sectores agrícola, industrial y energético, sobre el medio ambiente [12].Esto es válido para la situación cubana, sumando los beneficios económicos y sociales a nivel local y regional [8]..

(17) CAPÍTULO 1. Revisión Bibliográfica: Las energías renovables y sistemas de. 7. trigeneración Por otro lado, las hidroeléctricas más grandes del mundo se encuentran en América Latina: Itaipú (Brasil-Paraguay) y Guri (Venezuela).En los Estados Unidos existen 67 000 presas, la mayoría construidas para controlar inundaciones. Si dichas presas fueran utilizadas para producir electricidad, sería posible abastecer a varios millones de hogares, potencial técnicamente aprovechable 9 800 TW.h/año, de producción anual: 2 200 TW.h/año. A pesar de la variedad de fuentes renovables de energía, la biomasa puede llegar a ser uno de los combustibles más importantes en el futuro. En los próximos veinte años podría suministrar un octavo del presupuesto energético mundial. En España actualmente el potencial energético de la biomasa asciende a 37 000 ktep, pero tal cifra incluye 19 600 ktep de cultivos energéticos y 3 800 ktep de residuos forestales y agrícolas. La obtención de biogás en digestores a partir de residuos ganaderos reducirá las emisiones de metano, donde además de disminuir la contaminación, permitirá la obtención de fertilizantes y energía. Un Libro Blanco para las energías renovables tiene como principal objetivo duplicar la aportación de las energías renovables para que en el año 2010, el 12 % de la energía que se consuma en la Unión Europea proceda de fuentes renovables. Es la primera vez que se establece un objetivo de estas características, que obligue a una aportación concreta de las energías renovables, más allá de los tradicionales buenos deseos de hacer "lo que se pueda [8]. El Taller Internacional "Futuro de biogás en Europa - III" realizado en el año 2007 en Dinamarca y auspiciado por "European Commission through the PROBIOGAS Project y European Commission under the Intelligent Energy – Europe Programme" [13], tuvo como objetivo principal analizar las perspectivas de biogás en Europa y las tecnologías para su producción. Se presentaron trabajos prácticos de estudio en producción de biogás en siete países (Holanda, Bélgica, Francia, Irlanda, España, Grecia, Dinamarca). Al final fue presentada una conferencia sobre la visión futura del biogás para 2020, alegando que más del 50 por ciento de la energía será producida por fuentes renovables..

(18) CAPÍTULO 1. Revisión Bibliográfica: Las energías renovables y sistemas de. 8. trigeneración 1.1.2 Desarrollo de fuentes renovables de energía en Cuba Antes del triunfo de La Revolución, el esquema energético nacional era típico de un país capitalista subdesarrollado. La electricidad llegaba apenas al 56% de la población. La gran mayoría de los campos de Cuba desconocían la electricidad [12]. Con el triunfo de la Revolución se desarrollaron planes de formación y preparación del personal, encaminados a desarrollar las fuentes de energía renovables y con ello la industria y la tecnología que mueven la moderna sociedad [14]. En la actualidad el desarrollo de las fuentes renovables de energía en Cuba se lleva a cabo en varias direcciones simultáneamente:  Educación y formación de una cultura y de una conciencia energética y de respeto ambiental.  Investigación y desarrollo científico-técnico.  Fomento de la industria nacional.  Aumento del uso de las fuentes renovables de energía.  Planificación energética. El potencial que representan hoy las energías renovables tiene una relevancia creciente de cara a la búsqueda de una concepción energética que conduzca hacia un desarrollo pleno y armónico con el medio ambiente [15].Para Cuba, alcanzar su autosuficiencia energética es una cuestión estratégica, pues esta será una garantía en el mantenimiento de la soberanía y la independencia nacional [16]. En noviembre de 1994 se funda la Sociedad Cubana para la promoción de las Fuentes Renovables de Energías y el Respeto Ambiental (CUBASOLAR). Esta sociedad tiene el objetivo de contribuir al desarrollo y aprovechamiento de las fuentes renovables de energía. Su principal función resulta la elevación de la cultura energética y del respeto ambiental[14]. Uno de los acontecimientos más significativos de la industria fotovoltaica se desarrolló en el año 2001 con la electrificación de más de 2000 escuelas en las montañas y lugares alejados de la red eléctrica nacional, culminando con ello la primera fase del programa audiovisual al estar electrificadas todas las escuelas del país . En el año 2002finalizó la.

(19) CAPÍTULO 1. Revisión Bibliográfica: Las energías renovables y sistemas de. 9. trigeneración segunda fase al incorporarse la computación a estas escuelas, también con paneles fotovoltaicos[14]. Según el Ingeniero Juan Manuel Presa, viceministro de la Industria Básica, en 2010 las fuentes de energía renovable produjeron en nuestro país 570,4 GW.h, equivalente a trece días de generación eléctrica del país. Presa indicó que en los años venideros se pretende alcanzar un promedio de 1150 MW.h mediante el uso de este tipo de generación. El viceministro aclaró además, que en materia de parques eólicos el país está en capacidad de instalar de inmediato aerogeneradores que permitan generar un total de 600 MW.h. Mediante la reactivación del uso del bagazo de caña resultante de la producción azucarera se pretende generar entre 108 y 150 MW.h. Se construirán plantas grandes de biogás especialmente diseñadas para generar electricidad a partir de desechos porcinos, vegetales y de otra naturaleza, en el intento por alcanzar un promedio de 100 MW.h. Otra fuente a emplear lo constituye un grupo de parques fotovoltaicos en fase de construcción, con una capacidad pronosticada de hasta 200 MW.h. En las montañas se aprovechará la fuerza hidráulica de los ríos y arroyos, instalando pequeñas hidroeléctricas cada una de las cuales genera en tiempos normales, sin sequías o inundaciones, entre 1 y 3 MW.h. La capacidad total de generación de las mini hidroeléctricas será alrededor de 100 MW.h [17]. De acuerdo a la conferencia del Viceministro, los 570 GW.h producidos en Cuba durante el año 2010 a través del empleo de las fuentes renovables de energía, permitieron ahorrar al país un total de 146 513 toneladas de petróleo [17]. En Cuba, dadas las características de su base productiva, la aplicación de tecnologías para la producción de biogás ha estado dirigida fundamentalmente a residuales de ingenios azucareros y fábricas de derivados de la caña de azúcar, de plantas procesadoras de café y de instalaciones pecuarias [18]. En el caso del programa de energía eólica existen los siguientes. proyectos en. ejecución[19]:  Campo Eólico en Gibara, Holguín, con seis unidades de 850 kW, potencia total de 5 100 kW..

(20) CAPÍTULO 1. Revisión Bibliográfica: Las energías renovables y sistemas de. 10. trigeneración  Campo Eólico en la Isla de la Juventud, con seis unidades de 275 kW, potencia total de 1 650 kW. El colectivo de la Unidad Empresarial de Base Generación Eólica del municipio de Gibara, en la provincia de Holguín, depositó en el 2011 al Sistema Eléctrico Nacional más de 16 mil 638 MW.h de energía bruta. Se trata de un emplazamiento de dos parques eólicos con 12 máquinas generadoras movidas por el viento. José Luis Pifferrer, su director, señaló que esta producción, la mayor de su breve historia, representó la sustitución de tres mil 681 toneladas de petróleo que se hubieran requerido para igual resultado en centrales térmicas. Ese aporte propició dejar de emitir a la atmósfera más de 13 mil 300 toneladas de dióxido de carbono, uno de los gases nocivos al medio ambiente. Pifferrer recordó que desde la puesta en marcha del primer parque o granja eólica, de tecnología española en 2008, el aporte a la red nacional suma 35 mil 502.8 MW y más de siete mil las toneladas de combustibles economizadas[20]. Según expertos del Grupo Nacional de Biogás, perteneciente al Grupo Central de Energía Renovable y Eficiencia Energética, el principal uso del biogás ha sido en la cocción de alimentos con el consecuente ahorro de combustibles, aunque se ha empleado puntualmente en alumbrado y generación de electricidad. En Magueyal, municipio San Luis en la provincia de Santiago de Cuba, se capta el biogás obtenido en los biodigestores y se envía a un grupo electrógeno donde es mezclado con diesel para generar electricidad. Se han identificado potencialidades para usar el biogás en la cogeneración de energía eléctrica y energía térmica a partir de residuales de la industria azucarera y del café, entre otros. Otra vía es captar el biogás que se produce en los rellenos sanitarios debido a la descomposición de la materia orgánica, experiencia que ya se aplica en el relleno de la calle 100 en Marianao. La creación de plantas de biogás en Centros Integrales Porcinos para tratar los residuos y generar electricidad es otra aplicación prometedora. Según datos del Grupo Nacional de Biogás, el potencial de Cuba supera los 400 millones de metros cúbicos anuales. De aprovecharse adecuadamente, se podría instalar una potencia de generación eléctrica de 85 MW y producir más de 700 GW.h al año..

(21) CAPÍTULO 1. Revisión Bibliográfica: Las energías renovables y sistemas de. 11. trigeneración Esto favorecería el ahorro de unas 190 000 tep, la obtención de dos millones de toneladas de abono orgánico al año y la no emisión de más de tres millones de toneladas de dióxido de carbono. Datos preliminares ubican a Ciudad de La Habana y Pinar del Río, como los territorios con mayor potencial [2]. 1.2. Energía de biogás La basura de materia orgánica, agrícola, industrial o doméstica contiene energía que puede ser utilizada para quemar o para fermentar en ausencia de aire en biogeneradores. De esta manera se obtiene un gas llamado biogás que se utiliza como combustible en muchos países como en China o en Europa[1]. Con un alto poder calorífico de 4 700 a 5 500 kcal/m3 puede ser utilizado en la cocción de alimentos, la iluminación de naves y viviendas y la alimentación de motores de combustión interna de molinos de granos, generadores eléctricos, bombas de agua, vehículos agrícolas o de cualquier otro tipo. La generación natural de biogás constituye una parte importante del ciclo biogeoquímico del carbono. El metano producido por bacterias es el último eslabón en una cadena de microorganismos que de gradan material orgánico y devuelven los productos de la descomposición al medio ambiente[3].. 1.2.1 Componentesdelbiogás El biogás, producto de la fermentación anaeróbica, está compuesto por una mezcla de gases principalmente de metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2). Se estima que la producción de biogás a partir del estiércol de un cerdo adulto es de 0.28 a0.34 m 3 de biogás. Aunque la composición del biogás varía de acuerdo a la biomasa utilizada, su composición aproximada se presenta en la tabla.1.1[21]. El metano, principal componente del biogás, es el gas que le confiere las características de combustible al mismo. El valor energético del biogás por lo tanto estará determinado por la concentración de metano - alrededor de 20 – 25 MJ/m3, comparado con 33 – 38MJ/m3para el gas natural..

(22) CAPÍTULO 1. Revisión Bibliográfica: Las energías renovables y sistemas de. 12. trigeneración Componente. Símbolo. Porcentaje. Metano. CH4. 54 – 70 %. Dióxido de carbono. CO2. 27 – 45 %. Nitrógeno. N2. 0.3 – 3 %. Hidrógeno. H2. 0 – 1.0 %. Monóxido de carbono. CO. 0.1 %. Oxígeno. O2. 0.1 %. Sulfuro de hidrógeno. H2S. Trazas. Tabla 1.1Contenido del biogás 1.3. Uso del biogás para la generación de electricidad En principio el biogás puede ser utilizado en cualquier equipo comercial diseñado para uso con gas natural. El gráfico (Figura.1.1) que se encuentra a continuación resume las posibles aplicaciones.. Figura 1.1 Aplicaciones del biogás El biogás puede ser utilizado en motores de combustión interna tanto a gasolina como diesel. El gas obtenido por fermentación tiene un octanaje que oscila entre 100 y 110 lo cual hace adecuado su uso en motores de alta relación volumétrica de compresión. Por otro lado, una desventaja es la baja velocidad de encendido..

(23) CAPÍTULO 1. Revisión Bibliográfica: Las energías renovables y sistemas de. 13. trigeneración En los motores de Ciclo Otto el carburador convencional es reemplazado por un mezclador de gases. Estos motores son arrancados con nafta y luego siguen funcionando con un 100 % de biogás con una merma de la potencia máxima del 20 % al 30 %. A los motores de Ciclo Diesel se les agrega un mezclador de gases con un sistema de control manteniendo el sistema de inyección convencional. De esta manera estos motores pueden funcionar con distintas proporciones de biogás diesel y pueden convertirse fácil y rápidamente de un combustible a otro lo cual los hace muy confiables. El gasoil no puede ser reemplazado en los motores funcionando a campo del 85 % al 90 %, debido a que la autonomía conseguida es menor comparada con la original. Los motores a biogás tienen un amplio espectro de aplicación siendo los más usuales el bombeo de agua, el picado de raciones y el funcionamiento de ordeñadoras en el área rural. El otro uso es su empleo para activar generadores de electricidad. Gran importancia tienen los sistemas de cogeneración, los cuales buscan la mayor eficiencia en el aprovechamiento de la energía contenida en el biogás. En estos casos la potencia mecánica provista por el eje del motor es aprovechada para producir electricidad a través de un generador. Simultáneamente y por medio de una serie de intercambiadores de calor, ubicados en los sistemas de refrigeración (agua y aceite) del motor y en la salida de los gases de escape, se recupera la energía térmica liberada en la combustión interna. De este modo se logra un mejor aprovechamiento de la energía. La difusión de estos sistemas estará condicionada por la rentabilidad final. Sin embargo, representa la utilización más racional del biogás ya que se obtiene una forma de energía extremadamente dúctil como la electricidad, y al mismo tiempo una fuente de calor [22]. 1.4. Ventajas de las energías renovables [23] . Son fuentes de abastecimiento que respetan el medio ambiente, pues no ocasionan efectos negativos en el entorno. Según un estudio sobre los "Impactos Ambientales de la Producción de Electricidad" el daño ambiental ocasionado por la generación de electricidad de las energías convencionales es 31 veces superior al de las energías renovables.. . No emiten gases contaminantes, resultado de la combustión de combustibles fósiles, responsables del calentamiento global del planeta (CO 2) y de la lluvia ácida.

(24) CAPÍTULO 1. Revisión Bibliográfica: Las energías renovables y sistemas de. 14. trigeneración (SO2 y NOx), no generan por tanto, residuos de difícil tratamiento como los radiactivos, que suponen durante generaciones una amenaza para el medio ambiente. . Contribuyen al equilibrio territorial, ya que pueden instalarse en zonas rurales y aisladas, y a la disminución de la dependencia de suministros externos, ya que las energías renovables son autóctonas, mientras que los combustibles fósiles sólo se encuentran en un número limitado de países.. . Son las energías que se encuentran directamente en la naturaleza y son inagotables a escala humana. 1.5. Aspectos generales de la cogeneración. La cogeneración es una técnica que permite transformar un tipo de energía primaria en electricidad y calor simultáneamente, en un único proceso, presentándose el calor en forma de vapor de agua o de agua caliente [23]. La producción combinada de calor y electricidad (CHP) se aplica en la industria y en el sector terciario (hospitales, hoteles etc.) donde hay demanda simultánea de electricidad y calor, sobre todo cuando las horas anuales de operación exceden de 4000 [24]. Generalmente el combustible utilizado es gas natural, pero también son frecuentes otras fuentes de energía renovable, como el biogás (gas procedente de biomasa vegetal/animal), la biomasa vegetal, el gas propano, etc.[25]. Una central de cogeneración de electricidad-calor funciona con motores térmicos, turbinas o motores de combustión interna, que convierten la energía química primaria de un combustible en movimiento rotativo de un eje, es decir, en energía mecánica. Hay aplicaciones directas de esta energía mecánica, aunque es más frecuente acoplar un alternador para su transformación en energía eléctrica[23]. La idea básica de la Cogeneración de Calor y Electricidad, es producir electricidad en el propio lugar de consumo lo cual se convierte en generación distribuida (minimizar las pérdidas en transformación y transporte) y aprovechar parte del calor que se produce, que de otra forma forzosamente debería disiparse al exterior (desperdiciándolo)[26]..

(25) CAPÍTULO 1. Revisión Bibliográfica: Las energías renovables y sistemas de. 15. trigeneración El potencial de la cogeneración con vistas al ahorro energético está siendo infrautilizado actualmente en la Unión Europea (UE), ya que esta tecnología puede alcanzar un rendimiento energético del orden del 90%. El desarrollo de la misma podría evitar la emisión de unos 120 millones de toneladas de CO 2 en la UE, en 2010 y de unos 250 millones de toneladas, en 2020[34]. Esta técnica de cogeneración proporciona además, un ahorro en energía primaria de aproximadamente el 34%[26]. La cogeneración en Cuba es aplicada fundamentalmente en las industrias azucarera y del níquel; entre las dos sumaban 654 MW de capacidad instalada en el 2004.Un análisis del significado de la cogeneraciónen la Industria Azucarera se puede apreciar en la evaluación de las siguientes alternativas para la producción de energía eléctrica: A1.- Generación solo en turbinas de condensación A2.- Cogeneración solo en turbinas de contrapresión A3.- Generación-cogeneración en turbinas de extracción-condensación . Si se emplea una presión de vapor de entrada al turbogenerador de 42 kg/cm2 y 400oC, una presión de extracción de 2 kg/cm 2 y una presión de condensación de 0.1 kg/cm2.. . Un consumo de vapor de 500 kg/ton caña, una eficiencia de la turbina del 70%, una fibra en caña de 13% y un índice de generación del vapor de 2.2 ton vapor /ton de bagazo.. Con estas condiciones, la cantidad de energía eléctrica que se puede producir en dependencia del tipo de esquema a operar sería de: A1= 47.0 kW.h/ton caña A2=27.5 kW.h/ton caña A3= 33.4 kW.h/ton caña 1.6. Ventajasde los sistemas de cogeneración[28] Las principales ventajas que ofrece la cogeneración son: . Elevados rendimientos..

(26) CAPÍTULO 1. Revisión Bibliográfica: Las energías renovables y sistemas de. 16. trigeneración . La energía se produce y consume en el mismo sitio; esto favorece la no saturación de las líneas eléctricas, así como evitar las pérdidas producidas en la transformación y en el posterior transporte de la energía eléctrica.. . Diversificación del sector eléctrico.. . Autoconsumo: se produce independientemente del suministro eléctrico, locual evita paradas por corte del suministro.. . Venta de energía eléctrica sobrante, que se traduce en beneficios económicos.. . Diversificación en el consumo de energía primaria y menor dependencia delpetróleo, al usar típicamente gas natural.. . No supone la contaminación térmica de ríos y lagos, al consumir calores residuales. 1.7. Tecnologías aplicables en cogeneración 1.7.1 Ciclo Rankine, turbinas vapor (TV). Está compuesto por una fuente de calor, una turbina de vapor y un disipador térmico. El principio se fundamenta en el ciclo de Rankine y utiliza vapor de alta entalpía para producir trabajo mecánico y vapor de menor entalpía, a través de la expansión producida en el fluido. Esta expansión es posible por la variación producida en su volumen específico. El hecho de utilizar el vapor como fluido de trabajo se debe a la elevada energía disponible por unidad de masa. Este ratio en el caso del agua es tres veces mayor que en el caso del aire. De esta manera, para una misma potencia de salida, la turbina de vapor necesita un gasto másico tres veces menor que la turbina de gas. Dada la gran diferencia que se debe obtener entre lapresión de entrada y de salida de la turbina, en ocasiones resulta necesario producir esta expansión en distintas etapas, para lograr un mejor rendimiento de la operación. Sin embargo, a medida que aumenta el número de etapas la máquina se encarece, por lo que requiere aceptar compromiso entre rendimiento y costes de inversión. La presión del vapor puede llegar a 100 bares y su temperatura a los 560°C. Las configuraciones típicas son:.

(27) CAPÍTULO 1. Revisión Bibliográfica: Las energías renovables y sistemas de. 17. trigeneración . Contrapresión: la turbina expulsa vapor a la presión atmosférica o superior. Son las habituales en los módulos de cogeneración en industrias consumidoras de vapor. La presión de salida se adapta a las condiciones de servicio. El vapor suele salir de la turbina con algo de recalentamiento para evitar condensaciones sobre los álabes.. . Condensación: la turbina expulsa el vapor a una presión inferior a la atmosférica. . Sistema de ciclo Rankine con fluido orgánico en lugar de agua. Características generales de las TV: . Rango de potencia: 1÷100 MW. . Eficiencia: 60÷85 %. . Relación potencia/calor (E/Q): 0,1÷ 0,5. . Periodo de instalación: 12÷18 meses. Para sistemas de gran tamaño puede incluso alcanzar los 3 años.. . Ciclo de vida: 25÷35 años. . Aspectos positivos:.  Uso de cualquier combustible en la caldera ya que funcionan con vapor y no dependen de la tipología del combustible que se haya utilizado para obtenerlo.  Salida de vapor a la temperatura y presión deseadas  Su robustez permite largo ciclo de vida . Aspectos negativos:.  Construcción voluminosa que necesita de la caldera para producir previamente el vapor..  Respuesta lenta a las variaciones de carga  Muy alto coste inicial.

(28) CAPÍTULO 1. Revisión Bibliográfica: Las energías renovables y sistemas de. 18. trigeneración  Necesidad de vapor de alta entalpía 1.7.2 Motores de combustión interna alternativos (MCI) Pueden tratarse de motores de encendido provocado, denominado ciclo Otto, o motores de encendido por compresión, ciclo Diesel. En el primero, ciclo Otto, se comprime una mezcla de aire y combustible en cada cilindro y la ignición se realiza por una chispa suministrada externamente. La energía mecánica está disponible en el eje, acoplando un alternador para generar electricidad. El calor lo aportan el agua de refrigeración de las camisas del motor (90÷120°C), la refrigeración del lubricante y los gases de escape (400÷550°C). En el motor de ciclo Diesel sólo se comprime aire en el cilindro, y el combustible que se inyecta al final de la compresión se inflama debido a la alta temperatura y presión que se producen. La obtención de electricidad y calor se realizan del mismo modo que en el ciclo Otto. Sin embargo, los gases de escape presentan unas temperaturas inferiores a los del ciclo mencionado anteriormente. Puede emplearse como combustible gasolina, gasóleo o gases de combustión, siendo el más utilizado el gas natural y el biogás. Los motores de gas natural tienen las siguientes características generales: . Son motores de encendido provocado. . Tienen mayor relación de compresión que con la gasolina. En los motores de gasolina la relación de compresión no supera 9 y en los alimentados por gas natural llega a 13. El rendimiento eléctrico alcanza un 40%, e incluso más, mientras que en gasolina se queda en un 33%.. . La limpieza del gas natural reduce el riesgo de autoencendido por partículas a alta temperatura.. . Menores potencias que en diesel.. . La relación calor recuperado/electricidad suele ser mayor en motores de gas natural pequeños que en grandes motores diesel.. . Otras características:.  Rango de potencia: 0,015÷6 MW.

(29) CAPÍTULO 1. Revisión Bibliográfica: Las energías renovables y sistemas de. 19. trigeneración  Eficiencia: 70÷85%  Relación potencia/calor (E/Q): 0,8÷2,4  Periodo de instalación: 9÷12 meses.  Ciclo de vida: para unidades pequeñas, 10 años. Para unidades grandes (de 3 a 6 MW), 15÷20 años. . Aspectos positivos.  El calor recuperado no afecta a la energía mecánica  Alta disponibilidad  Calor disponible en dos niveles de temperatura (calor de gases de escape y de las camisas de los cilindros)  Buena respuesta a cambios de carga  Modularidad, siendo habitual conectar varios motores en paralelo. . Aspectos negativos.  Mantenimiento más laborioso que en turbinas 1.7.3 Ciclo Brayton, turbinas de gas (TG) Básicamente está compuesto por tres partes principales: un compresor, una cámara de combustión y una turbina. Las turbinas de gas operan en base al principio del ciclo Brayton, donde el aire comprimido es mezclado con combustible y quemado bajo condiciones de presión constante. El gas caliente producido se expande a través de los álabes de la turbina haciéndola girar desarrollando trabajo mecánico. En una turbina de gas con una eficiencia del 33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producido se usa para alimentar el compresor. El otro tercio está disponiblepara generar electricidad a través de un alternador conectado a su eje. El calor procedente de los gases de escape se aprovecha en calderas derecuperación. La combustión se produce con exceso de aire, lo que provoca quelos gases lleguen a la.

(30) CAPÍTULO 1. Revisión Bibliográfica: Las energías renovables y sistemas de. 20. trigeneración turbina con aproximadamente un 15% de O2. Es en la entrada a la turbina donde se producen las más altas temperaturas, llegando a alcanzar 1.300ºC. Los gases de escape salen de la turbina a másde 500ºC. En pequeñas turbinas trabajando a bajas presiones, se puede añadir un regenerador, que es un intercambiador de calor que aprovecha calor de los gases de escape para precalentar el aire que entra a la cámara de combustión. Por el contrario, en las turbinas de gas con altas presiones de trabajo conviene refrigerar el aire antes de entrar en la etapa de compresión, permitiendo, debido a la mayor densidad del aire enfriado, introducir mayor masa de comburente y generar más potencia. El factor limitante para la cantidad de combustible utilizado es la temperatura delos gases que puedan soportar los álabes de la turbina y otras partes de la misma.Con los avances en la ingeniería de los materiales, estos límites van aumentando. Los combustibles con los que trabajan las turbinas son el gas natural, losdestilados ligeros del petróleo (gasóleo) y los productos de la gasificación delcarbón. Ningún combustible empleado puede contener elementos corrosivos paralos álabes de la turbina. Características generales de las TG: . Rango de potencia: 0,20 (microturbinas)÷100 MW. . Eficiencia total: 60÷80 %. . Relación potencia/calor (E/Q): 0,5÷0,8. . Periodo de instalación, 9÷14 meses.. . Para sistemas de gran tamaño puede incluso alcanzar los 2 años.. . Ciclo de vida: 15÷20 años. . Aspectos positivos:.  Disponibilidad aceptable  Aumento de la eficiencia con el aumento de la potencia a suministrar  Bajo peso y reducido volumen.

(31) CAPÍTULO 1. Revisión Bibliográfica: Las energías renovables y sistemas de. 21. trigeneración  Alta temperatura de los gases de escape, que permiten producir vapor recalentado a alta presión susceptible de generar electricidad en un segundo paso mediante turbina de vapor (ciclo combinado).  Respuesta inmediata a las variaciones de carga . Aspectos negativos:.  Necesidad de combustibles limpios y adecuados para los álabes  Necesidad de personal especializado  En caso de usar gas natural, necesidad de suministro a elevada presión o utilizar compresores externos para el mismo 1.8. Aspectos generales de Trigeneración Cuando en la industria existe una necesidad significativa de refrigeración, o bien en el sector terciario con la climatización de edificios en temporada estival, el calor útil de la planta de cogeneración puede emplearse en la producción frigorífica, mediante ciclos de refrigeración por absorción o adsorción. De este modo se consigue la aplicación del calor tanto en los meses cálidos como en los meses fríos, ampliando el concepto de cogeneración a lo que se ha denominado trigeneración, que es, por tanto, la producción conjunta de energía eléctrica o mecánica y de energía térmica útil, calor y frío, a partir de la misma fuente de energía primaria. Se emplea un motor térmico (diesel, gas natural, turbina de gas o vapor) que, en la mayoría de los casos, produce electricidad mediante su acoplamiento a un alternador. El calor a utilizar se obtiene a partir del agua de refrigeración del lubricante, de las camisas y de los gases de escape. Una parte de este calor se aprovecha en la máquina de refrigeración en ciclo de absorción o adsorción. En definitiva, la trigeneración es un sistema de cogeneración al que se le incorpora una máquina de absorción/adsorción para lograr la refrigeración cuando interesa. Una planta de trigeneración se compone fundamentalmente de dos conjuntos tecnológicos: un módulo de cogeneración (anteriormente explicado) y una máquina de refrigeración [25]..

(32) CAPÍTULO 1. Revisión Bibliográfica: Las energías renovables y sistemas de. 22. trigeneración. Figura 1.2 Sistema de trigeneración[27]. 1.9. Tecnologías y sistemas de refrigeración 1.9.1 Ciclo de compresión mecánica El sistema más generalizado actualmente para la producción de frío, es el llamado de compresión mecánica, al que denominamos convencional. Consiste en un circuito cerrado en el que se somete un fluido, gas frigorífico, a sucesivas situaciones de cambios de estado, mediante compresión y expansión, transmitiendo y absorbiendo el calor producido con el ambiente y el medio a refrigerar. Se realiza un transporte de calor, desde un lado que se pretende enfriar (foco frío, 3) a otro que está a más temperatura (foco caliente, 1) donde se disipa. Las cuatro fases que conforman el circuito frigorífico son:1) Condensación, 2) Expansión, 3) Evaporación y 4) Compresión, ver figura 1.3.. Figura 1.3 Ciclo de compresión mecánica.

(33) CAPÍTULO 1. Revisión Bibliográfica: Las energías renovables y sistemas de. 23. trigeneración. En materia de eficiencia se tiene el concepto de C.O.P. (Coefficient of Performance) en refrigeración, que es sinónimo de eficiencia energética en el evaporador. C.O.P. se define como la relación entre la cantidad de refrigeración obtenida y la cantidad de energía que se requiere aportar para conseguir esta refrigeración. En equipos de compresión mecánica, con compresores centrífugos y de tornillo, se consiguen en la actualidad C.O.P. entre 4,5 y 5,5 kWf/kWe. Sin embargo, en los ciclos termodinámicos no convencionales de absorción/adsorción son muy inferiores. En máquinas de absorción de una etapa, con Bromuro de Litio, no se superan C.O.P. de 0,7 y lo mismo sucede en las máquinas de adsorción. En las de absorción de doble etapa se alcanzan valores de hasta 1,4. En ciclos de baja temperatura amoniaco/agua se consiguen valores de C.O.P. de 0,5 y pueden alcanzarse máximos de 0,8. Puede sorprender a primera vista que estas diferencias tan espectaculares no hayan relegado las tecnologías no convencionales. La explicación está en que el coste de producir el trabajo mecánico necesario, para obtener un kW de refrigeración por ciclo de compresión mecánica de vapor, es normalmente superior al costo necesario para recuperar la cantidad de calor a aplicar para obtener el mismo kW, en un ciclo de absorción o de adsorción. El costo de la energía primaria es el factor que determina la posible competitividad de los sistemas de absorción y adsorción. frente a los de. compresión mecánica. Resulta, por tanto, evidente que “siempre que exista la posibilidad de utilizar energías térmicas desechables, gratuitas, o de muy bajo coste, procedentes de energías renovables, o efluentes de procesos industriales o de. sistemas de cogeneración, la. aplicación de sistemas de absorción para la producción frigorífica será competitiva e interesante”. 1.9.2 Sistema de refrigeración por ciclo de Absorción Fue desarrollado por Sir John Leslie, quien utilizó el ácido sulfúrico como absorbente y el agua como refrigerante. Más tarde, en 1859, Ferdinand Carré inventa la primera máquina de absorción, funcionando con amoníaco-agua..

(34) CAPÍTULO 1. Revisión Bibliográfica: Las energías renovables y sistemas de. 24. trigeneración Las primeras aplicaciones industriales de los principios termodinámicos de la absorción de un vapor por un líquido, con el fin de conseguir la refrigeración de otro líquido, datan de los años „30. La comercialización a mayor escala de plantas frigoríficas de absorción con ciclo Amoniaco-Agua comienza en los „40 y con ciclo agua-Bromuro de Litio tiene lugar a principio de los „50. Los ciclos de absorción se basan físicamente en la capacidad que tienen algunas sustancias para absorber, en fase líquida, vapores de otras sustancias y funcionan, por tanto, con un par de refrigerantes químicos. Son sistemas de dos componentes, donde una de las sustancias es disuelta en la otra y el enfriamiento se produce extrayendo una de las dos sustancias de la solución por medio de la aplicación de calor y luego reabsorbiéndola hacia la solución. Los sistemas de refrigeración por absorción presentan la ventaja, respecto a los de compresión, de requerir una demanda eléctrica casi despreciable, sustituyendo ésta por demanda térmica. El principal atractivo de estos equipos es la capacidad para aprovechar calores residuales en procesos industriales o en plantas de cogeneración. Los dos pares de refrigerantes más usados son la combinación de agua-bromuro de litio (LiBr), para obtener refrigeración a temperatura de hasta +6ºC, y el amoníaco-agua que es capaz de obtener temperaturas negativas por debajo del punto de congelación del agua, hasta de -50ºC. El fluido citado en primer lugar representa el refrigerante, mientras que el otro hace de absorbente. Ambos pares tienen ventajas e inconvenientes que se detallan en próximos apartados. 1.9.3 Absorción con par agua/sales bromo-litio (PRABL) En este caso el refrigerante es el agua y la solución de transporte es la sal de bromuro de litio (LiBr). El agua no se puede condensar o evaporar por debajo de 0,01°C, por lo que no puede ser empleada en equipos de producción de frío de baja temperatura. Utilizando agua como refrigerante, se trabaja a presiones inferiores a la atmosférica (vacío) para las temperaturas habituales de climatización, lo cual obliga a diseños de máquinas muy compactas para minimizar las pérdidas de carga en tuberías..

(35) CAPÍTULO 1. Revisión Bibliográfica: Las energías renovables y sistemas de. 25. trigeneración Bajo ciertas condiciones de operación, se puede producir la cristalización del Bromuro de Litio. Esto produce que se deba detener el equipo hasta su posterior fusión. Para evitarlo se debe prestar especial atención a las variables críticas. Este fenómeno hace que la diferencia de temperaturas entre el absolvedor y el evaporador no pueda ser muy alta, motivo por el que se utilizan torres de refrigeración para disipar el calor, pues el empleo de aire produciría temperaturas de absorción demasiado elevadas para las de evaporación habituales [28]. Según la temperatura del foco caliente se clasifican en dos tipos: Absorción simple efecto: La fuente térmica es agua caliente a una temperatura entre 80 y 95ºC, obteniéndose un COP del orden del 0,7 [29]. En 1) en recinto cerrado y con presión absoluta muy baja (vacío) el agua líquida se evapora tomando el calor del agua que circula por el serpentín, enfriándola. En 2) el vapor de agua obtenido en 1) que tiene gran afinidad por la solución concentrada de Br Li, se absorbe en la solución diluyéndola y para facilitar el proceso de absorción se enfría mediante serpentín de agua procedente de la torre de refrigeración..

(36) CAPÍTULO 1. Revisión Bibliográfica: Las energías renovables y sistemas de. 26. trigeneración. En 3) la solución diluida de LiBr se bombea hacia el generador, donde hay una fuente externa de calor que al calentar la solución hará evaporar agua y como consecuencia la solución se concentrará. En 4) el vapor de agua procedente del generador pasa al condensador y allí se licua mediante el enfriamiento en el serpentín de agua procedente de la torre, cerrándose el ciclo. (Ver figura 1.4).. Figura 1.4 Ciclo básico operativo de simple efecto en una máquina de refrigeración por absorción, con agua como refrigerante [37]..

(37) CAPÍTULO 1. Revisión Bibliográfica: Las energías renovables y sistemas de. 27. trigeneración Absorción doble efecto: La fuente térmica puede ser vapor de agua, gases de escape de motores o turbinas o, incluso, fuego directo, obteniéndose un COP hasta de 1,4 [29].. Figura 1.5 Esquema simplificado de una máquina de absorción de doble efecto [28]. La máquina de doble efecto agua / bromuro de litio permite un funcionamiento en modo frío o en modo calor (como la máquina efecto simple pero con prestaciones muy superiores). La técnica es la misma, la pareja fluido refrigerante / absorbente es lo que difiere. En el caso de estas máquinas, el fluido refrigerante es agua que cambiará de estado en el ciclo termodinámico. El absorbente es el bromuro de litio que es una sal muy ávida de agua y que absorberá el vapor de agua después de su paso en el evaporador[30]. 1.9.4 Absorción con par amoniaco/agua (PRAA) En una planta de refrigeración el refrigerante evapora a baja temperatura y presión en el evaporador. A continuación es transportado al circuito de alta presión donde condensa en el condensador. Como se viene indicando, las plantas de refrigeración por compresión usan un compresor para transportar el vapor de refrigerante del evaporador al condensador mientras que, en una planta de refrigeración por absorción con el par amoniaco-agua, PRAA, un circuito de solución cubre la función de compresor térmico. En vez de consumir energía eléctrica consume energía térmica en forma de vapor, agua caliente o gases de escape..

(38) CAPÍTULO 1. Revisión Bibliográfica: Las energías renovables y sistemas de. 28. trigeneración Una PRAA está formada principalmente por intercambiadores de calor. El único componente con partes móviles es la bomba de solución. Por ello estas plantas prácticamente no tienen desgaste siendo de alta fiabilidad y reducidos gastos de mantenimiento. En una planta de trigeneración, la PRAA utiliza el calor producido en la cogeneración para la producción de frío. Por lo general se emplea el calor de los gases de escape de los motores o de las turbinas. Hay diferentes formas para el aprovechamiento de dicha energía: Conexión mediante fluido intermedio: Los gases de escape pasan por una caldera en el que producen vapor o agua caliente que a su vez se usa para la propulsión de la PRAA. La ventaja de este sistema es que el vapor o agua caliente puede usarse simultáneamente para otras aplicaciones. Por ejemplo, en empresas con grandes fluctuaciones en el consumo de vapor, la PRAA puede consumir todos los excedentes de vapor. De esta forma, la planta de cogeneración puede operarse a régimen constante aunque haya fluctuaciones en el consumo de vapor. Conexión directa: Los gases de escape pueden usarse directamente para propulsar la PRAA. Esta posibilidad es interesante cuando toda la energía térmica de la cogeneración está destinada a la producción de frío. La principal ventaja de la conexión directa es la reducción de los costes de inversión y de mantenimiento por no tener un circuito de vapor adicional. Para evitar pérdidas de carga y minimizar los costes la PRAA debe situarse próxima a los motores o a las turbinas. El desorbedor de la PRAA está diseñado como una caldera de vapor y puede ajustarse a las especificaciones de los motores o de las turbinas. Generalmente las PRAA se instalan en combinación con plantas de refrigeración por compresión eléctricas y en tal caso, se diseña para la demanda de refrigeración básica mientras las demandas puntuales se cubren con la planta eléctrica instalada en paralelo. En este caso, es necesario que el proyecto considere las siguientes características: . El amoniaco de la PRAA no debe de mezclarse nunca con el de la planta de refrigeración por compresión ya que el amoniaco de dicha planta suele llevar pequeñas cantidades de aceite mientras que el de la PRAA lleva algo de agua..