En esencia el motor Otto y el motor Diésel tienen los mismos componentes mecánicos, ya que ambos usan una cámara de combustión de forma cilíndrica en la cual se desplaza un pistón. El pistón está a su vez conectado a un eje, el cual transforma el movimiento lineal del pistón en el movimiento rotatorio del eje.
La diferencia principal entre los ciclos de Otto y Diésel es la forma en la que se realiza la ignición del combustible, por lo que en el primer caso se utiliza una bujía para encender una mezcla de aire combustible contenida en el cilindro, mientras que en el segundo el aire contenido en el cilindro se comprime a una presión alta hasta alcanzar la temperatura de auto ignición del combustible [7].
Se introducen en el sistema tanto el aire como el combustible y, una vez realizada la combustión, se obtiene la energía química liberada en forma de mezcla de gases a alta temperatura y a alta presión, que genera energía mecánica para producir electricidad.
La energía térmica proveniente de los gases de escape del motor se recupera en una caldera de recuperación que produce vapor [8].
Combustibles: Gas natural, diésel, biogás, entre otros.
Algunas características generales de los esquemas de Cogeneración con motor alternativo son las siguientes:
• Bajo costo de inversión
• Consumo medio de agua de enfriamiento
• Alta eficiencia térmica
• Generación térmica principalmente de agua caliente
• Operación poco flexible, la carga térmica depende frecuentemente de la generación eléctrica
• Alta producción de electricidad con relación a la carga térmica
• Mediana emisión de contaminantes
• Tiempo de arranque muy corto
• Requiere poco espacio para su instalación
• Tiempo corto de montaje
• Capacidades desde unos cuantos KW
• Aplican en procesos con relación calor / electricidad alrededor de 1.
En las figuras 3.4.1.1 y 3.4.1.2 se muestran un diagrama general del flujo de energía en un esquema de Cogeneración con motor alternativo [2].
Figura 3.4.1.1: Cogeneración con Motor Alternativo. Fuente: [2].
Figura 3.4.1.2: Esquema de planta de cogeneración con motor alternativo. Fuente: [9]
Hay casos en los que los gases de escape no se pasan por una caldera, sino que se utiliza el calor procedente del gas directamente o a través de un intercambiador gas-aire como puede observarse en la siguiente figura [8]:
Figura 3.4.1.3: Esquema de planta de cogeneración con motor alternativo sin caldera de recuperación. Fuente: [9].
Cogeneración con Ciclo Combinado
Este sistema se caracteriza porque emplea una turbina de gas y una turbina de vapor. En este sistema los gases producidos en la combustión de la turbina de gas se emplean para producir vapor a alta presión mediante una caldera de recuperación, para posteriormente alimentar la turbina de vapor, sea de contrapresión o extracción- condensación y producir por segunda vez energía eléctrica, utilizando el vapor a la salida de la turbina o de las extracciones para los procesos de que se trate. El ciclo combinado se aplica en procesos donde la razón electricidad/calor se encuentra entre 0.8 y 1.6 [2] [25].
En un ciclo combinado con turbina de gas el proceso de vapor es esencial para maximizar la eficiencia del mismo. La selección de la presión y la temperatura del vapor vivo se hacen en función de las condiciones de los gases de escape de la turbina de gas y de las condiciones de vapor necesarias para la fábrica. Por ello se requiere un diseño adaptado al consumo de la planta industrial asociada a la cogeneración, que disponga de gran flexibilidad para posibilitar su trabajo eficiente en situaciones alejadas del punto de diseño, al mismo tiempo que maximice la energía eléctrica producida por la turbina de vapor [9].
Algunas características generales de los esquemas de Cogeneración con ciclo combinado son las siguientes:
• Mediano costo de inversión
• Consumo medio de agua de enfriamiento
• Muy alta eficiencia térmica
• Operación muy flexible con turbina de vapor de extracción y condensación
• Alta producción de electricidad con relación al vapor de proceso
• Muy baja emisión de contaminantes al quemar gas
• Permite variación grande y brusca de vapor de proceso
• Tiempo de arranque muy corto en la parte de turbogas [2]
En las figuras 3.5.1 y 3.5.2 se muestran el diagrama Sankey y el esquema de una planta de cogeneración en ciclo combinado con turbina de gas.
Figura 3.5.1: Diagrama de Sankey de Planta de cogeneración en ciclo combinado con turbina de gas.
Fuente: [9].
Figura 3.5.2: Esquema de planta de cogeneración con turbina de gas en ciclo combinado. Fuente: [9].
Cogeneración con motores alternativos en ciclo combinado
En este tipo de plantas, el calor contenido en los gases de escape del motor se recupera en una caldera de recuperación, produciendo vapor que es utilizado en una turbina de vapor para producir más energía eléctrica o energía mecánica. El circuito
de refrigeración de alta temperatura del motor se recupera en intercambiadores, así como el calor de los gases que abandonan la sección de generación de vapor hacia la turbina de vapor, y el calor recuperado se utiliza directamente en la industria asociada a la planta de cogeneración. El rendimiento eléctrico en esta planta es alto, mientras que el térmico disminuye considerablemente. Es interesante para plantas con demandas de calor bajas. El calor del escape de la turbina de vapor también puede aprovecharse, en cuyo caso mejora el rendimiento global.
La figura 3.6.1 se muestra el esquema de una planta de cogeneración con motor alternativo en ciclo combinado.
Figura 3.6.1: Esquema de planta de cogeneración con motor alternativo en ciclo combinado. Fuente:
[9].
Microgeneración
La microgeneración es aquella cogeneración a pequeña escala, que se realiza con microturbinas o con micromotores de combustión. Este tipo de cogeneración es interesante, para su utilización en el sector terciario, debido a que el rango de potencia utilizada es adecuado para este sector.