Tecnologías para Microtrigeneración Distribuida

J. I. San Martín, I. Zamora, J. J. San Martín, V. Aperribay, F. J. Asensio, J. García.

En los últimos años existe un gran interés por la transición de los sistemas de generación de energía eléctrica centralizados a descentralizados, también llamados de Generación Distribuida (G.D.). Este proceso se está llevando a cabo parcialmente, analizando las ventajas e inconvenientes que proporcionará al usuario final. En muchos sectores, los sistemas energéticos integrados de energía eléctrica, calefacción-refigeración y agua caliente sanitaria, pueden ser una opción energética viable y sostenible. En estos sistemas el calor generado atiende las necesidades de calefacción durante los meses de invierno y se puede utilizar para accionar máquinas de refrigeración por absorción, produciendo frío durante los meses de verano.

El elemento clave de estos sistemas de trigeneración es un dispositivo generador, basado en diferentes tecnologías convencionales, como turbina de gas, turbina de vapor, motor alternativo de combustión interna, ciclo combinado, etc. Actualmente, la tecnología más común en procesos energéticos de trigeneración son los motores de combustión interna, que impulsan generadores eléctricos y bombas de calor, permitiendo satisfacer las necesidades eléctricas y térmicas. Sin embargo, mirando al futuro, también hay que considerar otras opciones que se encuentran en estado emergente.

Esta contribución técnica presenta las propiedades más relevantes de las tecnologías emergentes utilizadas en el ámbito de los sistemas de microtrigeneración distribuida, como la pila de combustible, la microturbina de gas y el motor Stirling. En este sentido, se aportan datos relativos a las eficiencias eléctrica, térmica y global, así como los distintos dispositivos del sistema de trigeneración, , ventajas, inconvenientes, ciclo de vida, aplicaciones especificas, etc.

PALABRAS-CLAVE

Generación Distribuida, Tecnologías Emergentes, Microtrigeneración, Cogeneración, Hidrógeno, Pilas de Combustible, Motor Stirling, Microturbinas de Gas, Eficiencia Eléctrica, Eficiencia Global.

1.-Introducción

Como resultado de la desregulación en el sector de la energía eléctrica, aparece una nueva identidad en el ámbito de la generación del sector eléctrico conocida como Generación Distribuida (G.D.). Este tipo de generación incluye recursos renovables y no renovables, unidades de cogeneración y trigeneración, así como tecnologías de almacenamiento de energía. La utilización de estos sistemas de G.D. ofrecen importantes ventajas respecto a la utilización de los sistemas convencionales. En este sentido cabe destacar la reducción de costes de energía para los usuarios, menores pérdidas en el proceso de transmisión, menores emisiones de dióxido de carbono, generación de energía eléctrica de mayor calidad y un sistema eléctrico menos vulnerable [1].

En este contexto, se está utilizando un grupo de tecnologías emergentes en aplicaciones como alimentación de cargas críticas, mejora del perfil de tensión y suministro de energía en horas punta y en entornos rurales o remotos. Además, muchas tecnologías permiten la recuperación del calor residual, circunstancia que permite elevar notablemente la eficiencia global. De hecho, el éxito comercial de varias tecnologías de pequeña escala, es decir, inferiores a 1 MWe, se debe a la producción combinada de energía eléctrica y calor útil en aplicaciones de cogeneración [2].

Por otra parte, algunas aplicaciones de cogeneración presentan también necesidades de aire acondicionado, en determinados periodos del año. Es decir, se caracterizan por necesitar energía eléctrica, calor y frío. La producción combinada de estas tres formas de energía se conoce como trigeneración [3]. En este escenario, la Directiva Europea sobre el fomento de la cogeneración [4], define como microcogeneración a la producción combinada de energía eléctrica (inferior a 50 kW) y energía térmica, partiendo de una única fuente de energía primaria. De esta forma, las tecnologías utilizadas en microtrigeneración se caracterizan por una elevada eficiencia y bajas emisiones contaminantes.

La forma de operar de los sistemas de trigeneración puede ser de forma separada o simultánea. Cuando operan de modo separado, el sistema proporciona calefacción en invierno y frío en períodos de calor, además de energía eléctrica durante todo el año. Esta estrategia se adopta en el sector residencial, industrial y de servicios. Cuando el sistema opera de forma simultánea, además de suministrar energía eléctrica, cubre los requisitos de calefacción y refrigeración para satisfacer las necesidades de los usuarios [5].

Actualmente, los motores de combustión interna representan la tecnología más madura en el mercado [6]. Con posterioridad se han incluido en estas aplicaciones de microtrigeneración las microturbinas de gas [7]. Así mismo, las pilas de combustible se consideran alternativas muy prometedoras, debido a su elevada eficiencia y a la posibilidad de hibridación con otras tecnologías [8]. Finalmente, el motor Stirling es otra de las tecnologías emergentes que destaca en las aplicaciones de microtrigeneración, por el ahorro de combustible y los beneficios económicos [9]. A continuación se presentan las características más relevantes de cada una de estas tres tecnologías emergentes.

2.-Sistemas de microtrigeneración con pila de combustible

Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico capaz de convertir la energía química de los reactivos (un combustible y un oxidante) directamente en energía eléctrica de bajo voltaje. La pila de combustible logra esta transformación mediante una reacción electroquímica, de forma que la producción de energía eléctrica durará lo que lo haga el aporte de reactivos, dado que el oxidante y el producto que se oxida no constituyen la estructura de la pila y ambos compuestos pueden suministrarse ininterrumpidamente. Como la reacción electroquímica de la pila de combustible es exotérmica, se produce calor residual, que se puede utilizar para procesos de poligeneración. Pueden alcanzar eficiencias eléctricas de hasta el 60% y eficiencias globales del entorno del 90%.

El tipo de combustible utilizado puede ser desde hidrógeno, hasta hidrocarburos sencillos y derivados, tales como alcoholes. La utilización de combustibles puros elimina problemas asociados a contaminaciones, como S, NO, V, etc. Por otra parte, el hidrógeno no genera derivados tales como el CO y el CO2. Los hidrocarburos sí lo hacen, pero dada la elevada eficiencia de las pilas de combustible, para cantidades equivalentes de energía producida, las emisiones de CO2 pueden reducirse a la mitad o menos, con el consiguiente beneficio medioambiental.

Aunque se pueden distinguir seis tipos de pilas de combustible, en este apartado se presentan los parámetros más destacados de las cuatro pilas de combustible susceptibles de mayor utilización en procesos de microtrigeneración distribuida (Figura 1) [8].

Fig. 1. Características de las pilas de combustible usadas en microtrigeneración

De estos cuatro tipos de pilas de combustible, la pila SOFC es la que opera a mayor temperatura y, por lo tanto, la que presenta una mayor posibilidad de aprovechamiento de calor residual.

En la figura 2, se muestra esta pila de combustible SOFC, integrada en un sistema para la obtención de energía eléctrica y aire acondicionado o agua caliente, para su aplicación en edificios. Utiliza como par de trabajo agua/bromuro de litio, en un ciclo de refrigeración por absorción, presentando grandes ventajas técnicas y medioambientales [10]. La energía térmica se pretende aprovechar para calefacción y refrigeración ambiental, así como en el suministro de agua caliente.

Fig. 2. Sistema SOFC para la producción de energía eléctrica y térmica

El sistema SOFC que se muestra en la figura 2 es un modelo tubular de 110 kW, desarrollado por Siemens-Westinghouse. Para este sistema se han obtenido unos resultados de COP (Coeficiente de operación) de COP_C = 1,01 y COP_H = 0,84, siendo COP_C el coeficiente de operación en modo refrigeración y COP_H el coeficiente de operación en modo calentamiento. La eficiencia eléctrica del sistema es del 43,3%, la eficiencia térmica en modo calefacción es del 43,7%, la eficiencia térmica en modo refrigeración es del 52,6% y la eficiencia térmica en la producción de agua caliente es del 46,7%. En consecuencia, se obtienen unos resultados de eficiencia global en los tres modos de funcionamiento de: 87,95%, 95,9% y 90%, respectivamente.

Finalmente, en la figura 3, se presentan los parámetros de algunas casas comerciales que desarrollan sistemas de pilas de combustible para microtrigeneración.

Fig. 3. Modelos comerciales de pilas de combustible para trigeneración

3.-Sistema de microtrigeneración con microturbinas de gas

Las microturbinas de gas son pequeñas turbinas de combustión, con una capacidad instalada que oscila entre 25 y 300 kW, presentando velocidades de rotación muy elevadas (entre 50.000 y 120.000 rpm). Pueden utilizarse como sistemas de generación eléctrica de apoyo para satisfacer picos de demanda o como generadores distribuidos en micro-redes, pudiendo operar con ciclos simples o con ciclos regenerativos.

Cuando operan con ciclos simples, el coste es inferior y se mezcla el aire comprimido con el combustible, realizádose la combustión a presión constante. Los gases calientes se expanden en la turbina, produciendo trabajo. En el caso de las microturbinas de ciclo regenerativo, incorporan un intercambiador para recuperar calor de la salida de la turbina y transferirlo a la entrada del aire. El aire precalentado se utiliza posteriormente en el proceso de combustión, ahorrando entre el 30 y el 40% del combustible [11]. Combinar microturbinas con equipos de recuperación de energía permite duplicar la eficiencia eléctrica de aquellas. A modo de ejemplo, en la figura 4 se presenta el diagrama de bloques de una microturbina de gas, con ciclo regenerativo [12], [13].

Los combustibles utilizados pueden ser gas natural, GLP (Butano y Propano comercial), diesel y queroseno, así como combustibles de bajo poder calorífico (biogás procedente de la digestión anaerobia de vertederos, plantas de purines, plantas de tratamiento de aguas residuales, etc.).

La principal ventaja de las microturbinas de gas en comparación con los motores de combustión interna es que la producción de calor procede de una única fuente, como son los gases de escape. En consecuencia, el sistema de recuperación de calor es más sencillo. Tienen un nivel de ruido moderado, sin vibraciones y requieren de menor mantenimiento. Las emisiones de gases perjudiciales son inferiores a otras tecnologías, excluyendo las pilas de combustible.

Fig. 4. Esquema de microturbina de gas de eje simple, con ciclo regenerativo

Finalmente, en la figura 5 se indican las características más destacadas de diversos modelos comerciales de microturbinas de gas, que se pueden utilizar en procesos de trigeneración.

Fig. 5. Características de microturbinas para microtrigeneración

4.- Sistema de microtrigeneración con motor Stirling

El motor Stirling es un motor de combustión externa, que opera en base a un ciclo termodinámico regenerativo que puede alcanzar altas eficiencias globales. Utiliza como fluido de operación hidrógeno, helio, oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono, etc. La combustión externa permite operar con una amplia variedad de combustibles, incluyendo los combustibles fósiles, biomasa, energía solar, geotérmica, etc. Otra característica destacable es que puede operar a bajas temperaturas, de esta forma, se pueden utilizar algunas fuentes de energía que están, en general, muy extendidas, por ejemplo, el agua caliente. Además, estos motores tienen bajas emisiones contaminantes, bajos niveles de ruido, largos periodos de operación sin necesidad de mantenimiento, alta eficiencia global y buen rendimiento a carga parcial.

En la figura 6 se indican los parámetros más relevantes de sistemas de microgeneración basados en el motor Stirling [5].

Fig. 6. Características de distintos motores Stirling comerciales

Además, en la figura 7 se muestra un sistema de trigeneración adaptado a un motor Stirling, que conecta el sistema de cogeneración a un sistema de refrigeración por absorción, alimentado con gas natural [9]. El calor útil procede de los gases de escape de la combustión externa y del circuito de refrigeración del motor Stirling. Es decir, el calor de los gases de escape se utiliza para activar el sistema de refrigeración por absorción, y el calor procedente del circuito de refrigeración del motor se utiliza para obtener agua caliente. La torre de refrigeración realiza el enfriamiento del equipo de absorción. El sistema producirá frío, en verano y calor en invierno. Durante todo el año, el sistema suministra energía eléctrica y calor para obtener agua caliente sanitaria.

Fig. 7. Sistema de trigeneración con motor Stirling

5.-Análisis comparativo de las tecnologías con microtrigeneración

A modo de resumen comparativo, en la figura 8 se indican las características y parámetros más destacados de los dispositivos que pueden ser utilizados en sistemas de trigeneración. Esta comparativa permite tomar decisiones sobre la tecnología más acertada para una aplicación concreta. Además, se pueden comparar las prestaciones de las tecnologías emergentes y convencionales [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20] y [21].

Fig. 8. Parámetros relevantes de tecnologías emergentes y convencionales para microtrigeneración

6.-Conclusiones

Esta comunicación ha presentado las características y parámetros más relevantes de las tecnologías emergentes que se utilizan en el ámbito de la microtrigeneración distribuida. En este contexto, dependiendo de la calidad de la energía térmica recuperada, es posible integrar un conjunto de tecnologías de refrigeración activadas térmicamente. Así, las pilas de combustible de óxidos sólidos SOFC, que generan energía térmica a muy altas temperaturas, pueden activar sistemas de refrigeración por absorción de doble efecto, con una elevada eficiencia. Por el contrario, las microturbinas de gas y pequeños motores Stirling tienen capacidad para activar equipos de refrigeración por absorción de simple efecto. Estas tecnologías permiten reconducir los gases de escape mediante válvulas, para activar ciclos de refrigeración en las unidades de cogeneración o trigeneración. En este sentido, se debe evaluar el interés de aumentar la eficiencia eléctrica con intercambiadores de calor o aprovechar el calor residual a temperaturas más elevadas para aumentar la energía térmica o el fluido frío, según las necesidades.

En el contexto de la microtrigeneración, los sectores residenciales, industriales y de servicios requieren calor en orden a satisfacer las necesidades energéticas. Las aplicaciones más destacadas se pueden resumir en función de la temperatura del calor requerido. En este sentido, se utilizan los procesos de baja temperatura, inferior a los 100 ºC, en calefacción o refrigeración de espacios, agua caliente doméstica y en producción agrícola. En el rango de temperatura media, de 100 a 300 ºC, en sectores como textiles y azucareras. En estos procesos el calor se suministra normalmente en forma de vapor. Por último, en el rango de temperatura elevada, de 300 a 700 ºC, se utiliza en algunas industrias metalúrgicas y químicas.

Agradecimientos

El trabajo presentado en esta comunicación ha sido financiado por el Gobierno Vasco (Ref. IT532-10) y por la Universidad del País Vasco UPV/EHU (UFI 11/28).

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