Posibilidades tecnológicas y viabilidad
de la generación descentralizada de
electricidad con biomasa
Daniel Maraver de Lemus
Fundación CIRCE
ESTADO ACTUAL Y PERSPECTIVAS DE LA
GENERACIÓN ELÉCTRICA CON BIOMASA EN
ESPAÑA
•
Centro de Investigación de Recursos y Consumos
Energéticos (Universidad de Zaragoza)
•
≈
140 investigadores
•
División de Recursos Naturales:
–
Evaluación de recursos –
Cultivos energéticos
–
Estudios de impacto ambiental -
ACV
–
Combustión de biomasa a pequeña escala
–
Co-combustión
–
Evaluaciones tecno-económicas
–
Producción combinada de agua y energía
(Poligeneración)
–
Optimización de sistemas energéticos
•
Generación de electricidad:
–
Generación energética con biomasa
–
Tecnologías aplicables a generación distribuida
•
Poligeneración
•
Aplicación real: Viabilidad de sistema de
trigeneración en Parque Tecnológico WALQA
–
Estudio Tecno-Económico
–
Estudio Medioambiental
Gasificación Tecnología de
conversión
Pila de combustible Caldera y/o Ciclo de
vapor/Stirling MACI o Turbina de Gas Limpieza del gas Productos
primarios Conversión secundaria Productos finales 1
Electricidad Calor Electricidad Calor Electricidad Calor Conversión terciaria M. Absorción o Adsorción Frío Productos finales 2 Aire/Vapor/ Oxígeno/H2 Gas combustible
* El pre-tratamiento al que se refiere la figura varía dependiendo de si se trata un combustible gaseosos o líquido. Pirólisis
Caldera y/o Ciclo de vapor/Stirling MACI o Turbina de Gas Pre-tratamiento* Calor Electricidad Calor M. Absorción o Adsorción Frío BIOMASA Electricidad Calor Gas combustible Líquido pirolítico Carbón vegetal Combustión Aire/O2 Calor Electricidad M. Absorción o Adsorción Frío Gases calientes M. Absorción Frío Caldera y/o Ciclo de
vapor/Stirling
10
20
30
40
50
10
20
30
40
50
Turbinas de vapor (Ciclo Rankine convencional)
Turbinas de vapor (Ciclo Rankine orgánico)
Motores Stirling
Motores alternativos de combustión interna
Turbinas de gas
Pilas de combustible
Ciclo Combinado
h
PCI(%)
Potencia nominal (MW
e)
Comparación de tecnologías de generación
eléctrica aplicables al uso de biomasa (adaptado
de Kiehne, 2008).
•
Comparación de tecnologías de generación eléctrica:
•
Generación eléctrica distribuida:
generación a pequeña escala en
áreas cercanas al consumidor final →
Potencias inferiores a 20
MW
e
•
Uso eficiente de la energía
•
Reducción de costes de transporte y distribución
•
Reducción del impacto ambiental
•
Aumento de la fiabilidad en el suministro eléctrico
•
…
•
Las de mayor penetración en el mercado:
–
Sistemas de combustión externa:
•
Ciclos de Vapor (Rankine convencional u Orgánico)
•
Motores Stirling
–
Sistemas de combustión interna (previa Gasificación/Pirólisis ):
•
Motores Alternativos de Combustión Interna
•
Turbinas de Gas
•
Posible clasificación: Real Decreto 661/2007
–
Pequeña potencia (menor de 500 kWe).
–
Mediana potencia (entre 500 kWe y 2 MWe).
–
Gran potencia (mayor de 2 MWe).
•
ORC (CR Orgánico): 300 –
2.500 kW
e–
Diferencias con ciclo Rankine convencional:
•
Evaporación de fluido de trabajo mediante
fluido intermedio (aceite térmico, agua)
•
Presiones de funcionamiento inferiores →
Costes específicos menores para el mismo
rango de potencias
•
CR Convencional →
Aplicación entre 200 –
1.500 kW
e: Sustitución de turbina de vapor
por otro tipo de expansor
(Motor de pistones
o Motor de tipo tornillo):
–
Separación de sistema de combustión y generación
de potencia
–
Buen comportamiento a carga parcial (30-100%)
–
Poco sensibles a variaciones en salida de expansor
–
Bajo mantenimiento
CICLOS DE VAPOR
ORC de 1 MWe (TURBODEN, Italia)
ORC de 30 kWe (Infinity, EE.UU.)
•
Limitaciones/Potencial
optimización:
aplicación a potencias inferiores (10 -
200
kWe)
•
Ciclo Stirling:
–
Ciclo cerrado en el que un gas de trabajo es
alternativamente comprimido en un cilindro
frío y expandido en un cilindro caliente.
–
Aporte de calor externo
•
Aplicación a generación distribuida
con
biomasa : 1 –
1.500 kW
e•
Combustión continua: bajos niveles
de emisiones, ruido y bajo consumo
de
combustible
→
Elevada
eficiencia.
•
Buen funcionamiento a carga
parcial.
•
Alto nivel de automatización.
•
Limitaciones/Potencial optimización:
–
Sólo para pequeñas escalas de producción
eléctrica.
–
Disponibilidad tecnológica escasa.
–
Arranque lento.
E
i
i t
i t
bi d
3 4 1 2 P v Q2 Q11-2: Expansión isoterma (W<0) 2-3: Proceso isocoro (W=0)
3-4: Compresión isoterma (W>0)4-1: Proceso isocoro (W=0)
Motor Stirling adaptado a una caldera
doméstica de pellets (KWB, Austria).
•
MACI: 30 kW
e
a 5.000 MW
e
•
Turbinas de Gas (500 kW
e
a 250 MW
e
para turbinas convencionales) →
Microturbinas: 30 a 350 kW
e
•
Limitaciones/Potencial optimización:
Calidad del gas/líquido combustible
G Compresor Cámara de combustión Expansor Flujo de combustible 2 3 4 Aire T s 1 2 3 4 Generador 1
Motor serie SFGLD (GUASCOR).
Microturbina de gas (MicroPower
Europe).
COMPARACIÓN DE TECNOLOGÍAS (orientativa)
Aplicación actual
Opción posible de futuro
•
Producir de forma combinada varios productos (energéticos o
no) de forma globalmente más eficiente.
•
En España →
RD 661:
–
Precio de venta de la electricidad dependiendo del combustible
biomásico utilizado (Residuo forestal, cultivo energético,…)
–
Complemento por eficiencia
de la instalación (depende de REE)
Caldera de alta eficiencia (RefH) Planta eléctrica(RefE) Sistema de cogeneración Electricidad We Calor QH Fe Ft F Sistema de trigeneración Caldera de alta eficiencia (RefH) Electricidad We Frío QC Calor QH Fe Ft F
Planta eléctrica(RefE) Enfriador compresión (RefCOP) min
> REE
We
REE =
QH
QC
F -
-Ref
Ref
H
COP
minWe
REE =
> REE
QH
F
-Ref
H
SISTEMAS DE POLIGENERACIÓN
•
Lugar: Huesca (Aragón)
•
Comienzo actividades: 2004-2005
•
Áreas de especialización:
–
Tecnologías de la información y comunicación
–
Energías renovables
–
Biotecnología
•
Características:
–
10 edificios construidos
–
60 edificios en proyecto (6 fases)
•
Situación actual de la generación energética:
–
Descentralizada (Combustibles fósiles, electricidad)
–
Elevados gastos anuales
Denominación
Generación energética
Tecnología
ESCENARIO 1 (S1)
Calefacción centralizada
Calderas de biomasa
ESCENARIO 2 (S2)
Climatización centralizada
Calderas de biomasa +
máquinas de absorción
(Cogeneración)
ESCENARIO 3 (S3)
Climatización centralizada
+ Generación eléctrica
Calderas de biomasa +
máquinas de absorción +
ORC (Trigeneración)
•
Demandas actuales
•
Resultados
0 2000 4000 6000 8000 10000 0 20 40 60 80 100 Total needs Heating needs P e rc en ta ge of p ea k l o ad ( % )Equivalent hours at nominal output (h/year) 0 100 200 300 400 500 Heating needs
Absorption chiller thermal needs Total thermal needs
T h erm a l n e ed s (M W h ) Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
Escenarios
S1
S2
S3
Distancia instalación, km 0.5 0.5 0.5 Carga pico, % 80 80 70 Potencia de caldera, kWth 775 1.235 1.850Potencia de máquina de refrigeración, kWth - 665 780
Potencia de ORC, kWe - - 315
Coste de biomasa, €/year
40.000
70.000
115.000
Ahorro anual, €/year
45.000
51.000
156.000
Coste de inversión, M€
0,20
0,52
1,22
REE, %
-
-
47-48
Periodo Retorno, años
4-5
10-11
6-7
120000 160000 200000 0 2 4 6 8 0% 10% 20% 30% Pay-Bac k Pe rio d (y ea rs)
Annual generation cost of current scenario (€/year)
Subsidy 60 80 100 120 140 160 0 4 8 12 16 0% 10% 20% 30% Pay-Bac k Pe rio d (yea rs) Biomass cost (€/t) Subsidy Market price
ESTUDIO TECNO-ÉCONÓMICO
•
Estudio ambiental: Análisis de Ciclo de Vida (Método de
evaluación de impacto EDIP 2003)
-400
0
400
800
1200
1600
Global warming 100a Ozone depletion
Ozone formation (Vegetation) Ozone formation (Human) Acidification
Terrestrial eutrophication Aquatic eutrophication EP(N) Aquatic eutrophication EP(P) Human toxicity air
Human toxicity water Human toxicity soil Ecotoxicity water chronic Ecotoxicity water acute Ecotoxicity soil chronic Hazardous waste Slags/ashes Bulk waste Radioactive waste Resources (all)
