Cogeneración y Trigeneración con moto-generadores a gas
Agenda • Generación energía. • Moto-generadores a gas (Genset). • Recuperación de calor y ahorros. • Componentes de la tarifa eléctrica.
Generación de energía Autogeneración: Aquella actividad realizada por personas naturales o jurídicas que producen energía eléctrica principalmente, para atender sus propias necesidades. (Ley 143 de 1994 / Ley 1715 - mayo/2014)
Cogeneración: Producción combinada de energía eléctrica y energía térmica, que hace parte integrante de una actividad productiva. (Ley 1715 - mayo/2014)
Resolución CREG 005-2010: Por la cual se determinan los requisitos y condiciones técnicas – procesos de cogeneración y regula la actividad.
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Moto-generadores a gas (Genset)
• Los motores a gas generan electricidad a partir de combustibles convencionales, no convencionales y/o renovables. • Amplia experiencia usando biogás, gas de PTAR y gas de rellenos sanitarios, así como APG y combustibles especiales (H2).
• Los motores a gas con ciclos de combustión como Miller y Atkinson, logran hasta 49% de eficiencia eléctrica. • Motores exclusivos para combustibles gaseosos tienen menor producción de GEI.
Emisiones Colombia: Resolución 909 de 2008, modificada por Resolución 1309 de 2010
Los motores a gas pueden cumplir los niveles de emisiones requeridos sin usar tratamiento de gases de escape.
6
Operación dual fuel • Permite mezcla / conmutación de gas durante el funcionamiento. • Puede seleccionarse cualquier relación de mezcla de gas entre 0 y 100%. • La operación permanece controlada continuamente ➔ eficiencia / emisiones.
El diseño del sistema de combustión lo determina el Numero de Metano (MN) y el poder calorífico del combustible.
Propiedades del combustible: MN – Methane Number.
• • • •
Parámetro que determina la resistencia a la detonación de un gas. Comparable al octanaje de la gasolina. Importante valor de referencia para aplicaciones de gas natural, propano y APG. No requiere análisis para biogás, gas de PTAR y gas de rellenos sanitarios.
Contenido CH4 ≠ MN
Origen
CH4
MN
Gas Ballena
98%
97
Gas Cusiana
88%
65
MN range analyzed Argentina
35 – 85
Bolivia
79 – 85
Brazil
63 – 82
Colombia
13 – 98
Chile
50 – 90
Ecuador
20 – 98
Guatemala
58 – 86
Mexico
64 – 89
Peru
28 – 98
Propiedades del combustible Lower Heating Value (LHV) y Higher Heating Value (HHV). El poder o valor calorífico del combustible es la cantidad de calor obtenido después de su combustión, por unidad de volumen (kWh/Nm³ / MMBTU/kPC).
LHV or NCV (Net calorific value)
El producto de combustión contiene vapor de agua. (el agua está en estado gaseoso).
HHV or GCV (Gross calorific value)
El vapor de agua del producto de la combustión se condensa. (el agua está en estado líquido).
LHV + calor latente de vaporización del agua = HHV El valor numérico de HHV siempre es mayor o igual que el LHV.
~ 10% diferencia! HHV / LHV Ratio = 1.1
Propane HD5
Volumen de gas NG BG
Power input = LHV * Gas volume
Gas volume (Nm³/h) = Power input (kW) / LHV (kWh/Nm³)
Las condiciones de referencia más utilizadas son: Normal metro cubico (Nm3) DIN 1343 Temp. N.: 0°C (273.15°K), Pressure N.: 1.013 barA Standard metro cubico (Sm3) ISO 2533 Temp. S.: 15°C (288.15°K), Pressure S.: 1.013 barA Temp. S.: 20°C (293.15°K), Pressure S.: 1.013 barA
PSVSTN = PNVNTS ➔ VS = VN*(TS/TN)
Sm3 = 1.055 * Nm3 Sm3 = 1.073 * Nm3
Volumen de gas / LHV / Potencia Un usuario tiene 700 Sm3/h de biogás (65% CH4). Quiere conocer el potencial de generación. Cálculos rápidos: LHV (kWh/Nm³) ~ %CH4 / 10
LHV ~ 6.5 kWh/Nm³
Sm3 = 1.055 * Nm3
700 Sm3/h ~ 663 Nm3/h
Power input = LHV * Gas vol.
6.5 kWh/Nm³ * 663 Nm3/h = 4,313 kW
Elect. eff. ~ 39% - ~ 40%. Elect. eff. ~ 44%.
~ 1,700 kWe ~ 1,900 kWe
Heat rate y eficiencia eléctrica Heat rate es un término comúnmente utilizado para indicar la eficiencia de la planta de energía. HR indica la cantidad de combustible necesaria para generar una unidad de electricidad.
Elect. eff. = 40% (basado en LHV) Heat rate = 3,412/0.4 = 8,530 BTU/kWh (basado en LHV)
HR es inverso a la eficiencia. Un HR más bajo significa más eficiencia.
Heat rate = 8,000 BTU/kWh (basado en LHV) Elect. eff. = 3,412/8,000 = 42.65% (basado en LHV).
Cálculo rápido – Costo variable de combustible Tarifa de gas = 5 USD/MMBTU (basado en HHV) Heat rate = 8,000 BTU/kWh (basado en LHV) ➔ 8,800 BTU/kWh (basado en HHV)
(
8,800 BTU kWh
)( x
5 USD
)(
1 MMBTU
x
1 MMBTU 106 BTU
)( x
1,000 kW 1 MW
) = 44 USD/MWh
Sistemas auxiliares en moto generadores a gas Los moto generadores a gas generan electricidad y calor Se puede recuperar calor desde sistemas auxiliares Sistema de Gases de Escape
Sistema de enfriamiento del motor Sistema enfriamiento de la mezcla aire/comb. Sistema enfriamiento de aceite
NOTA: Los sistemas aquí mostrados pueden variar en función del modelo, la configuración y la aplicación del moto generador.
Calor recuperado desde sistemas auxiliares
Cogeneración con moto generadores a gas • Generación de electricidad mediante un generador eléctrico. • Aprovechamiento de la energía térmica procedente del calor residual del motor para: – – –
Precalentamiento o generación de vapor Procesos de calentamiento y/o aplicaciones de enfriamiento Compatible con los sistemas de calderas existentes o con otro medio de almacenamiento de calor
• Aplicaciones: – – – –
Municipal: Calefacción/enfriamiento urbano, tratamiento de aguas residuales Edificios comerciales, hoteles Centros médicos, Hospitales Industrial: Auto, textil, química, pulpa y papel, acero, cemento, alimentos y bebidas
CHP no es una tecnología única. Es una solución a la medida de acuerdo a su Industria.
Cogeneración con moto generadores a gas Red (respaldo) Calderas actuales: Complemento: Respaldo:
Recuperación de calor
JB Tipo 4 y 6
0 - 4,214 kWe 19,000 - 20,000 lb/h 0 - 25,000 lb/h
≈ 4,030 – 4,050 kWe 5,000 – 6,000 lb/h @ 125 psig, Sat.
712757
MMBTU/ D
. . .
Gases de exhosto Temp.: 394 - 436 °C Flujo: 24,000 - 25,600 kg/h
≈ 4,200 – 4,220 kWe Potencia bruta 39.5% 41% Eficiencia eléct.
65% 67% Eficiencia CHP
Trigeneración con moto generadores a gas JB T6
Chiller + Cooling tower
Grid Power (back up)
Net Power capability
0 - 9,400 kWe 7,600 - 8,200 kWe
5,100 – 5,620 kWt 220 - 240 m3/h (90°C – 70°C) MMBTU/ D
1,380 – 1,550 TR
NG
>85% Eficiencia CHP
. . . m3/h
Absorption chiller and Electrical chiller
Water consumption
Back up (+1): Electrical chiller
Cogeneración – Agua caliente Recuperación de calor y ahorro Calor (Q) = (M x ρ x Cp x ΔT) / 860
Donde: Q: Calor en kW M: Flujo en m3/h ρ: densidad en kg/m3 (63% H2O + 37% Glycol: 1.043 kg/m3 aprox.) Cp: Capacidad calorífica en kcal/(kg K) H2O: 1,002 kcal/kg K (4,192 kJ/kg K) 63% H2O + 37% Glycol: 0,8566 kcal/kg K (3,584 kJ/kg K) ΔT: Diferencia temperatura en grados Celsius (°C) o Kelvin (°K)
➔ Q = 58,4 x 1.000 x 1,002 x (90-70) / 860 = 1.361 kW
Calor recuperado = 1.361 kW (4,64 MMBTU/h) Ahorro = 4,64 MMBTU/h x 1,1 (HHV/LHV) = 5,1 MMBTU/h facturable Ahorro = 5,1 MMBTU/h x 5 USD/MMBTU Ahorro = 25,55 USD/h (215.000 USD/year)
Qfuel = LHV * Gas volume Gas volume = Qfuel / LHV Gas volume = 1.361 kW / 10 kWh/Nm3 Gas volume = 136,1 Nm3/h Ahorro = 136,1 Nm3/h (4,8 kPC/h) 4,8 kPC/h x 1,06 MMBTU/kPC (HHV) = 5,1 MMBTU/h facturable 5,1 MMBTU/h x 5 USD/MMBTU = 25,55 USD/h
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Cogeneración – Vapor Caldera recuperadora de calor Engine Exhaust Temp
Stack Temp
Principios generales: 1. Q del escape = Q al vapor (menos purga - blow-down y pérdida radiante) ➔ Qescape x neff.= Qvapor 2. La presión de vapor típica es de hasta 300 psig. 3. 1 tonelada de vapor requiere 680 kWh de energía (temperatura del agua de alimentación 80C) 4. La temperatura de la chimenea limitada por el contenido de azufre del combustible. 5. Pinch point: el pinch point es la diferencia de temperatura mínima entre los gases de combustión y la temperatura de saturación de evaporacion. La superficie crece exponencialmente con una temperatura de pinch point más baja. Las herramientas de vapor usan 20°C. (Agresivo 14°C)
Cogeneración – Vapor Caldera recuperadora de calor Qescape = Mg x Cp x ΔT Donde: Mg: Flujo masico de gases de escape en kg/h Cp: Capacidad calorífica de los gases de escape en kJ/kg °C (1,127 kJ/kg °C) ΔT: Diferencia temperatura de los gases de escape en grados Celsius (°C)
Qescape = 5.792 kg/h x 1,127 kJ/kg °C x (490 – 195.2)°C Qescape = 1,924,497 kJ/h (534.6 kW) Calor recuperado = 534,6 kW (1,82 MMBTU/h)
Ahorros = 1,82 MMBTU/h x 1,1 x 5 USD/MMBTU Ahorros = 10,0 USD/h (84.440 USD/year)
Cogeneración – Vapor Caldera recuperadora de calor Diagrama Ph / Mollier chart
hf
9
hg
hf
Qvapor = mV x (hg - hf)
hg
Qvapor = mv x (hg - hf) = Qescape x neff. mv = Qescape x neff. / (hg - hf) mv = 1.924.497 kJ/h x 0,977 / (2.772 - 377) kJ/kg mv = 785 kg/h
Cogeneración – Chiller absorción Como funciona: ~37°C
7°C 12°C
30°C
~8,2 mbar abs. Evap. ~4°C
Cogeneración – Chiller absorción Tipos de chillers absorción COP = Agua Caliente
Una etapa COP 0.7 – 0.75
Te (Tg – Tc) Efecto refrigerante = Tg (Tc – Te) Calor al generador
Te: Temperatura absoluta del evaporador o foco frío Tg: Temperatura absoluta del generador o fuente calorífica Tc: Temperatura absoluta del condensador o foco caliente
Gases de escape o vapor (8 bar)
Dos etapas COP 1.2 – 1.4
Condiciones normalizadas (ARI 560): • Temperatura salida de agua enfriada: 7ºC • Salto de temperatura del agua enfriada: 5ºC • Temperatura de entrada de agua al condensador: 30ºC
Gases de escape + Agua caliente
• Presión del vapor saturado y seco: 14,5 psig (una etapa) y 116 psig (dos etapas) COP 1.0 – 1.05
Cogeneración – Chiller absorción Potencial Toneladas Refrigeración (TR) = Calor recuperado (kW) x COP / 3,51 Calor recuperado en agua caliente = 1.361 kW Potencial de TR = 1.361 kW x 0.7 / 3,51 ≈ 270 TR
Calor recuperado de gases de escape = 635 kW Potencial de TR = 635 kW x 1.4 / 3,51 ≈ 253 TR Calor recuperado de gases + Agua c. = 1.361 kW Potencial de TR = 1.361 kW x 1,04 / 3,51 ≈ 403 TR
Índice de consumo chillers eléctricos Los chillers pueden ser enfriados por aire o enfriados por agua. Los chillers enfriados por agua incorporan el uso de torres de enfriamiento los cuales pueden resultar termodinámicamente más eficientes que los chillers enfriados por aire. TR a partir de agua caliente = 270 TR Ahorro = 270 TR x 1.1 kW/TR ≈ 297 kW Ahorro = 297 kW x 400 $/kWh ≈ 118.800 $/h
Componentes de la tarifa eléctrica Convencional
Tarifa o costos de electricidad - DP Life Cycle Cost CAPEX • Equipo principal y auxiliares. • Aranceles, transporte al sitio, etc. • Instalación. • Pruebas y arranque (Commissioning and start up) OPEX • Costos de combustible. • Operación. • Mantenimiento: partes o repuestos, servicios, aceite, consumibles. • Mayor impuesto de renta.
Componentes de la tarifa eléctrica Spark Spread
10
Representa la diferencia entre la tarifa de electricidad del mercado y el costo variable del combustible.
cUSD/kWh
8
Spark Spread
6 CHP Others Opex Capex Fuel/Grid
4 2 0 Elec. Tariff
• • • •
Tarifa elect. 100 USD/MWh
Case 1
Fuel: depende del precio y la eficiencia del combustible. Capex: Alcance + EPC + BoP Opex: los OEM, rutinas y tareas para el mantenimiento. Otros: impuestos, propiedades, permisos, gestión de proyectos.
• •
Spark Spread 56 USD/MWh
Costo var. comb. 44 USD/MWh
Spark Spread (Absoluto): (100 – 44) = 56 USD/MWh Spark Spread (Normalizado): 56/100 = 56.0%
Componentes de la tarifa eléctrica FNCER - Fuentes No convencionales de Energía Renovable PTAR Juan Diaz – Panamá Propósito: CHP, Autogeneración Carga promedio: 1.6MWe Equipo: 1xJ320 + 1xJ316 Fuel/Op: Biogas Modo op.: // red Cogeneración - incrementar CH4
20
cUSD/kWh
15 10 CHP Others Opex Capex Fuel/Grid
5 0 Utility Agr. Waste Mun. Waste
• Fuel: Combustible gratis. • Capex: Incremento importante por proceso de Biomasa a Biogás (biodigestores). • CHP: se utiliza en los biodigestores para calentar biomasa y aumentar la producción de biogás. • Otros: impuestos, propiedades, permisos, gestión de proyectos.
Chicken manure – D.R. Propósito: Autogeneración (2019) Carga promedio: 200kWe Equipo: 1xJ208 Fuel/Op: Biogás, Chicken Manure Modo op.: // red Autogeneración y Monetización de gallinaza Landfill – Puerto Rico Propósito: Autogeneración, PPA Carga promedio: >3MWe Equipo: 1xJ208 + 3J416 Fuel/Op: Landfill gas Modo op.: // red Monetización de basura.
Componentes de la tarifa eléctrica 400 350 300 250 200 150 100 50 0
Diesel
NG
Blue H2
USD/MWh
FNCER - Fuentes No convencionales de Energía Renovable
Green H2 Green H2 Future Today
• Fuel: producción, almacenamiento y transporte de H2 siguen siendo muy costosos. • Capex: hoy, el Genset para 100% H2 tiene el doble de precio del Genset para GN. • CHP: también está disponible para H2. • Incentivos del Gobierno por Renovables. • Especial interés de H2 para almacenamiento de excedentes de electricidad renovable.
Hychico – Argentina Purpose: Power Generation to grid Ave Load: 1MWe (Since 2008). More than 70k hours of operation Equipment: 1xJ420 Fuel/Op: Up to 40%H2 + NG Mode: Grid Tie 600MW Wind + First Green H2 pilot
Hydrogen Pilot – Germany Purpose: J416 conversion pilot Ave Load: 600kW (100H2) Equipment: 1xJ416 Fuel/Op: 100% H2 Mode: Test load Intensive product development in next years
Soluciones INNIO - Jenbacher
Gabriel Carmona Senior Technical Sales Manager Jenbacher gas engines
Junio / 2022
INNIO de un vistazo
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Reciprocating engines
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En la era de la descarbonización, descentralización y digitalización.
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Contactenos: Doris A. Julio J. Gerente de Ventas Industria y Biogás Pegsa Ltda. doris.julio@pegsa.com.co
Muchas gracias!
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