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Posibilidades tecnológicas y viabilidad de la generación descentralizada de
electricidad con biomasa
Daniel Maraver de LemusFundación CIRCE
ESTADO ACTUAL Y PERSPECTIVAS DE LA GENERACIÓN ELÉCTRICA CON BIOMASA EN
ESPAÑAMadrid, 12 de noviembre 2009
•
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
Fundación CIRCEIntroducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración
•
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
ÍNDICEIntroducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración
Gasificación
Tecnología de conversión
Pila de combustible
Caldera y/o Ciclo de
vapor/Stirling
MACI o Turbina de
GasLimpieza 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
AdsorciónFrío
BIOMASA
Electricidad
Calor
Gascombustible
Líquido pirolítico
Carbón vegetal
Combustión
Aire/O2
CalorElectricidad
M. Absorción o
Adsorción
FríoGases
calientes
M. AbsorciónFrío
Caldera y/o Ciclo de
vapor/Stirling
SISTEMAS DE GENERACIÓN ENERGÉTICA CON BIOMASA Introducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración
10
20
30
40
50
10 20 30 40 50
Turbinas de vapor (Ciclo Rankine convencional)Turbinas de vapor (Ciclo Rankine orgánico)Motores StirlingMotores alternativos de combustión internaTurbinas de gasPilas de combustibleCiclo Combinado
hPCI(%)
Potencia nominal (MWe)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 MWe
•
Uso eficiente de la energía•
Reducción de costes de transporte y distribución•
Reducción del impacto ambiental•
Aumento de la fiabilidad en el suministro eléctrico•
…
GENERACIÓN ELÉCTRICA DESCENTRALIZADAIntroducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración
•
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).
SISTEMAS DE GENERACIÓN DISTRIBUIDA Introducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración
•
ORC (CR Orgánico): 300 –
2.500 kWe
– 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 kWe
: 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 Introducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración
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 kWe
• 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
Q1
1-2: 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).
MOTOR STIRLING Introducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración
•
MACI: 30 kWe
a 5.000 MWe
•
Turbinas de Gas (500 kWe
a 250 MWe
para turbinas convencionales) →
Microturbinas: 30 a 350 kWe
•
Limitaciones/Potencial optimización: Calidad del gas/líquido combustible
G
Compresor
Cámara de combustión
Expansor
Flujo de combustible
2 3
4
Aire T
s1
2
3
4Generador
1
Motor serie SFGLD (GUASCOR).
Microturbina de gas (MicroPower Europe).
MOTORES DE COMBUSTIÓN EXTERNA Introducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración
COMPARACIÓN DE TECNOLOGÍAS (orientativa)Introducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración
Aplicación actualOpción 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
ElectricidadWe
CalorQH
Fe
Ft
F
Sistema de trigeneración
Caldera de alta eficiencia (RefH
)
ElectricidadWe
FríoQC
CalorQH
Fe
Ft
F
Planta eléctrica
(RefE
)
Enfriador compresión
(RefCOP
)
min>REEWeREE =
QH QCF - -
Ref RefH COP
min
WeREE = >REEQH
F-RefH
SISTEMAS DE POLIGENERACIÓNIntroducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica 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
PARQUE TECNOLÓGICO WALQAIntroducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración
Denominación Generación energética TecnologíaESCENARIO 1 (S1) Calefacción centralizada Calderas de biomasa
ESCENARIO 2 (S2) Climatización centralizadaCalderas de biomasa + máquinas de absorción (Cogeneración)
ESCENARIO 3 (S3) Climatización centralizada + Generación eléctrica
Calderas de biomasa + máquinas de absorción + ORC (Trigeneración)
MARCO DEL ANÁLISIS DE VIABILIDAD Introducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración
•
Demandas actuales
•
Resultados
0 2000 4000 6000 8000 100000
20
40
60
80
100Total needsHeating needs
Perc
enta
ge o
f pea
k lo
ad (%
)
Equivalent hours at nominal output (h/year)
0
100
200
300
400
500
Heating needs
Absorption chiller thermal needs
Total thermal needsT
herm
al n
eeds
(M
Wh)
Jan Feb Mar Apr Jun Jul Aug Sep OctNov Dec
May
Escenarios S1 S2 S3Distancia instalación, km 0.5 0.5 0.5
Carga pico, % 80 80 70Potencia de caldera, kWth 775 1.235 1.850
Potencia de máquina de refrigeración, kWth - 665 780Potencia de ORC, kWe - - 315
Coste de biomasa, €/year 40.000 70.000 115.000Ahorro anual, €/year 45.000 51.000 156.000
Coste de inversión, M€ 0,20 0,52 1,22REE, % - - 47-48
Periodo Retorno, años 4-5 10-11 6-7
120000 160000 2000000
2
4
6
8
0%10%20%30%
Pay-
Bac
k Pe
riod
(yea
rs)
Annual generation cost of current scenario (€/year)
Subsidy
60 80 100 120 140 1600
4
8
12
160%10%
20%
30%Pa
y-B
ack
Peri
od (
year
s)
Biomass cost (€/t)
SubsidyMarket price
ESTUDIO TECNO-ÉCONÓMICOIntroducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración
•
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)
Envi
ronm
enta
l im
pact
(Pt/F
U)
SC S1 S2 S3
ESTUDIO MEDIOAMBIENTALIntroducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración
•
Gran potencial de la generación eléctrica descentralizada de acuerdo a tecnologías disponibles actualmente.
•
Importancia de los sistemas de poligeneración desde el punto de vista:•
Energético•
Económico•
Medioambiental
•
Es vital tener una visión general
del contexto de cada proyecto:1.
Optimización de la generación de energía térmica y/o eléctrica dependiendo de las demandas.
2.
Producción y logística de la biomasa.3.
Características tecnológicas de los equipos
•
Líneas de I+D
a efectuar en los próximos años acerca de la generación eléctrica distribuida:
•
Poligeneración con biomasa a pequeña escala.•
Limpieza de gases provenientes de la gasificación/pirólisis.•
Automatización y control para optimizar en cada momento las instalaciones.•
Desarrollo tecnológico
CONCLUSIONESIntroducción ConclusionesViabilidad PT WALQAGeneración Eléctrica Poligeneración
Bibliografía
1.
Energía de la Biomasa. Sebastián, F.; Rezeau, A.; García, D. Prensas Universitarias de Zaragoza. 2009.
2.
Biomass fired Combined Heat and Power Plants (CHP) with Organic Rankine Cycle (ORC) in Europe. Kiehne, H. Energy from Biomass and Waste, Pittsburgh, PA, USA.
2008.
3.
Real Decreto 661/2007 por el que se regula la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial. MITYC . 2007.
4.
Electricity from Biomass. BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH. 2009
5.
ORC Module Technical documentation. Adoratec, Turboden, Infinity LLC. 2009
6.
Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles. Saleh, B. et al. 2007
7.
Stirling Engine Technical documentation. KWB, Stirling Danmark. 2009
8.
Technology Characterization: Reciprocating engines. Environmental Protection Agency. 2002.
9.
Produción combinada de electricidad, calor, frío y agua, de forma sostenible en el sector turístico. Rubio, C. Universidad de Zaragoza. 2009.
10.
Basic Information regarding decentralised plants based on biomass combustion in selected IEA partner countries final report. Obernberger, I. 2004
11.
Thermodynamic optimization of a trigeneration system based on biomass combustion. Maraver, D. 2009
¡Gracias por su atención!
Daniel Maraver, Adeline Rezeau, Fernando Sebastián, Javier Royo y el resto del
Área de Biomasa (División de Recursos Naturales) de la Fundación CIRCE