Anales de Ingeniería Mecánica Vol. 15, No. 2, pp. 1341-1349 (2004)

Análisis termoeconómico de sistemas de trigeneración

Miguel A. Lozano, José Ramos y Roberto Monzón Grupo de Ingeniería Térmica y Sistemas Energéticos (GITSE) Dpto. de Ingeniería Mecánica – Universidad de Zaragoza Maria de Luna s/n 50018 Zaragoza (España) Tfno: 976762039 E-mail: [email protected]

Resumen En este trabajo se emplea una metodología sencilla para la evaluación técnica y económica de sistemas de cogeneración y trigeneración que contempla las siguientes etapas: i) caracterización de la demanda energética (agua caliente sanitaria, calor y frío) mediante curvas de duración anual; ii) caracterización de las prestaciones energéticas de los módulos de cogeneración y enfriadoras de absorción candidatas a un puesto en la estructura de la planta; y iii) valoración energética-económica de las estructuras candidatas considerando distintas estrategias de operación de la planta. La metodología incluye el análisis del grado de cobertura de la demanda de calor con cogeneración y del factor de utilización de los motores instalados para tres situaciones concretas de funcionamiento: a) operación sin despilfarro de calor, b) cumplimiento de la condición de rendimiento eléctrico equivalente y c) operación durante todas las horas anuales con demanda de calor. La metodología se aplica al diseño de una planta de trigeneración para suministrar energía a un gran complejo residencial (5000 viviendas) ubicada en Zaragoza. Palabras Clave: Cogeneración, Trigeneración, Termoeconomía, Eficiencia energética.

1. Introducción La Directiva 2002/91/CE del Parlamento Europeo y del Consejo relativa a la eficiencia energética de los edificios [1] informa que: “El sector de la vivienda y de los servicios, compuesto en su mayoría por edificios, absorbe más del 40% del consumo final de energía en la Comunidad y se encuentra en fase de expansión, tendencia que previsiblemente hará aumentar el consumo de energía y, por lo tanto, las emisiones de dióxido de carbono.” El artículo 5 de la Directiva establece: “En los edificios nuevos con una superficie útil total de más de 1000 m2, los Estados miembros velarán porque la viabilidad técnica, medioambiental y económica de sistemas alternativos como: i) sistemas descentralizados de producción de energía basados en energías renovables, ii) cogeneración (producción combinada de calor y electricidad), iii) calefacción o refrigeración central o urbana, cuando esta última esté disponible, iv) bombas de calor en determinadas condiciones, se consideren y se tengan en cuenta antes de que se inicie la construcción.”

Anales de Ingeniería Mecánica Vol. 15, No. 2, pp. 1341-1349 (2004)

Los sistemas de cogeneración que atienden a los edificios (centros comerciales, hoteles, hospitales, etc.) están diseñados para satisfacer demandas de electricidad, agua caliente sanitaria (ACS) y calefacción. La viabilidad económica de estos sistemas queda garantizada si su producción simultánea de calor y trabajo esta respaldada por una demanda efectiva durante muchas horas al cabo del año [2, 3]. Si el factor de utilización de los módulos de cogeneración es alto se obtendrán grandes ahorros económicos y cortos períodos de recuperación de la inversión. Este es el caso de las instalaciones ubicadas en lugares de climatología fría que demandan calor durante un gran número de horas al año para suministro de servicios de calefacción y agua caliente sanitaria (ACS). Por el contrario, si se ubican en lugares de climatología cálida la demanda de calor es pequeña, se concentra en pocos meses y el ahorro económico es bajo, pues solo existen dos opciones malas: i) un corto periodo anual de funcionamiento del motor, limitado por el aprovechamiento del calor residual, que dificulta recuperar la inversión con ahorro, ó por contra ii) un elevado despilfarro de calor, limitado por la condición de autogenerador [4], que solo resultará económico bajo condiciones extraordinarias de precios de combustibles y electricidad. El factor de utilización aumenta si la disponibilidad de calor cogenerado no utilizado durante el verano se emplea para cubrir las necesidades de aire acondicionado. Esto se hace incorporando enfriadoras de absorción a las instalaciones de cogeneración, lo que da lugar a sistemas de trigeneración que producen electricidad, calor y frío. Este trabajo propone un método de evaluación energética y económica de instalaciones de trigeneración utilizadas para el suministro de servicios energéticos de grandes edificios y complejos urbanos.

2. Demanda La demanda energética de los edificios del sector residencial-comercial tiene las características siguientes: i) consumo de varios tipos de energía (electricidad, calor y frío) para cubrir varios servicios energéticos (climatización, ACS, iluminación, electrodomésticos, etc.); ii) concentración de la demanda de determinados servicios (calefacción y refrigeración) en pocos meses del año; y iii) variación acusada de los consumos a lo largo de las 24 horas del día por factores ambientales y de ocupación.

Anales de Ingeniería Mecánica Vol. 15, No. 2, pp. 1341-1349 (2004)

Es importante disponer de una información lo más completa posible sobre la demanda energética para conseguir el mejor diseño de planta. Existen tres formas de presentar los datos de demanda: i) utilizando valores puntuales que caracterizan la potencia máxima y el consumo específico anual (p.e. 0,2 kW/m2 y 50 kWh/(m2 año)); ii) mediante curvas de duración anual de la demanda (ver Figuras 1 y 2) conocidas también como curvas monótonas de demanda; y iii) información “hora-por-hora” a lo largo del año. La primera forma aporta muy poca información y sirve únicamente en caso de instalaciones simples sobre las que se dispone de una experiencia dilatada (los valores puntuales podrían denominarse recetas de diseño). La segunda forma suministra más información que la anterior y se utiliza frecuentemente para decidir instalar o no ciertos equipos más eficientes (y la capacidad a instalar), cuya mayor inversión exige un factor de utilización razonable para resultar económicos. La tercera forma aporta sin duda la información más completa pero en la gran mayoría de casos es muy difícil de conseguir ya que implica el conocimiento detallado y anticipado del consumo hora-por-hora. En el presente trabajo se utilizan las curvas de duración anual de la demanda para estimar el tamaño de los equipos a instalar en una planta de trigeneración del sector terciario para un complejo residencial (5000 viviendas) ubicado en Zaragoza. La curva de duración anual representa el número de horas anuales (eje de abscisas) durante el cual se demanda al menos la potencia reflejada en el eje de ordenadas. La curva de duración anual de calefacción de la Figura 1 nos indica que el complejo residencial: ii) tiene una demanda pico de ~18 MW; ii) demanda calefacción durante ~3500 horas al año, iii) la demanda supera los 5 MW durante ~2200 horas al año, etc. Para construir una curva monótona que exprese el efecto combinado de varias demandas anuales de calor y/ó frío puede procederse como sigue: i) empleando el COP adecuado (que dependerá del tipo de máquina a emplear y de la temperatura de la fuente de calor) calcular la cantidad de calor equivalente que procesado por una enfriadora de absorción produciría el frío requerido; ii) representar las curvas de duración de todas las demandas de calor (incluyendo la demanda equivalente de calor) en la misma gráfica; iii) si las demandas de calor son simultáneas, la curva de demanda compuesta se obtiene sumando verticalmente las demandas correspondientes al mismo número de horas; y si son asíncronas la curva de demanda compuesta se obtiene sumando horizontalmente las horas correspondientes a la misma demanda.

Anales de Ingeniería Mecánica Vol. 15, No. 2, pp. 1341-1349 (2004)

A modo de ejemplo: a) en la Figura 1 se muestra la construcción de un punto de la curva de duración anual de calor (demandas simultáneas) donde la demanda total de calor asociada a 2200 horas anuales es ~6 MW Calor (= ~5 MW Calefacción + ~1 MW ACS); y b) en la Figura 2 se muestra la construcción de un punto de la curva de duración anual de calor (demandas asíncronas) donde la demanda mayor que ~6 MW ocurre durante ~3000 horas anuales (= ~800 hrs ABS + ~2200 hrs Calor). 20000

demanda (kW) 15000 Calor 10000 Calefacción

6000 5000

5000 ACS

horas/año

1000 0 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

2200

Figura 1. Curva de duración anual de la demanda de calor (ACS y calefacción) 35000

30000

demanda (kW)

25000

20000

15000 Total 10000 6000

Calor

5000 ABS 0 0

1000 800

2000

horas/año 3000

4000

5000

6000

7000

8000

2200 3000

Figura 2. Curva de duración anual de la demanda (calor y frío por absorción)

Anales de Ingeniería Mecánica Vol. 15, No. 2, pp. 1341-1349 (2004)

3. Integración energética El suministro de energía a complejos residenciales (con miles de viviendas) utilizando trigeneración de distrito (cogeneración + absorción + district heating & cooling) es una opción interesante ya que: i) durante el verano se dispone de calor cogenerado que debe despilfarrarse si no se consume; y ii) existen en el mercado equipos de refrigeración por absorción que funcionan con energía térmica de baja calidad. Aquí se analizan los sistemas de trigeneración compuestos por módulos de cogeneración con motores de combustión interna (MACI) a gas y enfriadoras de absorción de simple efecto. El máximo rendimiento energético que puede alcanzar una planta de cogeneración o trigeneración está limitado por la cantidad de calor recuperado del motor pero también por su temperatura [5]. La Figura 3a muestra las prestaciones de los módulos de cogeneración con MACI a gas de potencia eléctrica > 1000 kW. El motor “promedio” de rendimiento ηe=42% consume 100 kW de combustible (F) para producir 42 kW de trabajo (W) siendo posible recuperar calor en: i) 4 kW (Qo) como agua caliente a t ≈ 55°C desde el circuito de refrigeración del aceite de lubricación; ii) 16 kW (Qw) como agua caliente a t > 90°C desde el circuito de refrigeración de los cilindros del motor; y iii) a partir de los gases de escape (Qg), recuperando 24 kW como agua caliente a t > 90°C. Las enfriadoras de agua de absorción LiBr-H2O disponibles en el mercado son de dos tipos: i) de simple efecto, que pueden accionarse con agua caliente a temperatura > 90°C o con vapor saturado a 120 °C (~2 bar); y ii) de doble efecto, que se activan con vapor saturado a 180 °C (~8 bar). En la Figura 3b se muestra como una enfriadora de simple efecto produce unos 28 kW de frío para climatización a partir de los 40 kW de calor recuperados del motor que son utilizables.

Figura 3. Prestaciones energéticas de los equipos

Anales de Ingeniería Mecánica Vol. 15, No. 2, pp. 1341-1349 (2004)

4. Evaluación energética y económica Si se conocen la demanda total Eaño (kWh), su duración anual Hmax (h/año) y la demanda instantánea máxima Dmax (kW), la curva monótona de demanda puede aproximarse utilizando el modelo simple D = a·exp (-b·t) donde a y b son coeficientes de ajuste. Una forma de ajustar los coeficientes es imponer a = Dmax y determinar b de modo que se cumpla la condición integral Eaño = ∫0→ Hmáx D(t) dt. Las curvas monótonas de demanda son de gran utilidad, pues si conocemos la potencia eléctrica ó térmica del sistema y la modulación de carga permitida podemos estimar su producción para un periodo de funcionamiento dado y las tasas de cobertura de la demanda. Se define como tasa de cobertura al porcentaje del consumo de calor atendido por cogeneración. Otro parámetro muy importante para caracterizar la operación del sistema diseñado es el factor de utilización anual de la potencia eléctrica instalada en módulos de cogeneración. Idealmente, el mejor diseño de cogeneración conseguirá a la vez una elevada tasa de cobertura de la demanda de calor (mayor eficiencia energética) y un elevado factor de utilización del motor (menor payback del capital invertido).

18000

demanda (kW) Calor

15000

B (REE = 55%) 12000

A (sin despilfarro de calor)

C

9000

6000

3000

horas/año 0 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Figura 4. Modos de operación con el motor a plena carga

8000

Anales de Ingeniería Mecánica Vol. 15, No. 2, pp. 1341-1349 (2004)

Figura 5. Cobertura de la demanda de calor con cogeneración

Figura 6. Factor de utilización del motor

Anales de Ingeniería Mecánica Vol. 15, No. 2, pp. 1341-1349 (2004)

El balance que expresa el ahorro económico para la operación anual con potencia nominal de motores Wn y funcionamiento a plena carga es A = Wn ( pe −

p fm

ηem

) H + fq

p η qm Wn fc H η em ηc

El primer término representa el ahorro neto correspondiente a la producción eléctrica de los módulos de cogeneración después de descontar el coste del combustible consumido. Supondremos aquí que el precio de la electricidad pe compensa sobradamente el coste del combustible utilizado para producirla pfm/ηem. De este modo la operación del motor siempre resulta rentable, incluso cuando se despilfarra el calor cogenerado, y convendrá que el número de horas de operación anual H sea lo más grande posible. El segundo término expresa el ahorro derivado del combustible que se deja de consumir. En él fq es la fracción anual del calor cogenerado que atiende efectivamente a la demanda de calor. Como puede apreciarse en la Figura 4 una vez H supera HA parte del calor producido por el motor a plena carga deberá despilfarrarse pues no hay demanda suficiente. Al aumentar H, fq H aumenta aunque fq disminuya, por lo que este segundo término continua aumentando hasta alcanzar el límite HC = Hmáx. Si no hubiera otra limitación convendría pues operar el motor el máximo número de horas posible. Dicha limitación suele aparecer con la imposición de que el rendimiento eléctrico equivalente correspondiente a la operación anual supere cierto valor ηlim para alcanzar la condición de autogenerador [4]. Esta condición puede expresarse como f q ( H ) ≥ 0,9

η em ⎛ 1 1 ⎞ ⎟ ⎜⎜ − η qm ⎝ η em η lim ⎟⎠

En nuestro caso la condición límite fq(HB) = 0,4835 para ηlim = 0,55 se alcanza con un número de horas HB de funcionamiento de los motores a plena carga cumpliendo HA < HB < Hmáx y con un despilfarro del calor cogenerado próximo al 50% (100 - 48,35). Las Figuras 5 y 6 muestran, respectivamente, el grado de cobertura de la demanda de calor y el factor de utilización del motor para los casos: A) máxima duración HA con aprovechamiento integro del calor producido por el motor, B) máxima duración HB compatible con la condición de rendimiento eléctrico equivalente; y C) máxima duración de la demanda de calor Hmáx. En abscisas se representa el cociente entre la

Anales de Ingeniería Mecánica Vol. 15, No. 2, pp. 1341-1349 (2004)

potencia térmica aprovechable de los módulos de cogeneración (ηqm/ηem) Wn y la demanda instantánea máxima de calor Dmax. Sobre dichas figuras (caso B) se representan los resultados correspondientes a la instalación de 2 a 4 motores de 2928 kW de potencia eléctrica nominal. La instalación de 2 motores permite una alta cobertura de la demanda de calor (~70%) a la par que un factor de utilización muy elevado (~75%). Con 3 y 4 motores la tasa de cobertura sube pero a costa de un factor de utilización menor. Un análisis económico detallado demuestra que la solución óptima corresponde a 3 motores y conjuga una alta tasa de cobertura con un factor de utilización razonable [6]. En el caso de instalar trigeneración en vez de cogeneración la demanda anual de calor aumenta (comparar Figuras 2 y 3) por lo que con el mismo número de motores instalados se tendrá un mayor factor de utilización. Un criterio razonable de diseño será dimensionar las máquinas de absorción para aprovechar el calor recuperable de los motores [6]. Para 3 motores la potencia frigorífica a instalar será aproximadamente de unos 5860 kW ( 3 · 0,7 · 2928 · 0,40/0,42).

5. Referencias 1. Directiva 2002/91/CE, Diario Oficial de las Comunidades Europeas de 1 Abril 2003. 2. M.A. Lozano, Diseño óptimo de sistemas simples de cogeneración, Información Tecnológica, Vol. 12, No. 4, pp. 53-58 (2001). 3. M.A. Lozano et al, Optimización del diseño de sistemas de trigeneración, Revista Iberoamericana de Ingeniería Mecánica, Aceptado para publicación (2004). 4. REAL DECRETO 436/2004, sobre el régimen especial de producción eléctrica. 5. J. Ramos, Integración térmica de plantas de cogeneración y trigeneración, III Jornadas de Ingeniería Termodinámica, pp. 653-661 (2003). 6. M.A. Lozano et al, Optimización de sistemas de cogeneración para calefacción y refrigeración de distrito, XVI Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica, León (2004).

6. Agradecimientos Este trabajo ha sido financiado por el Plan Nacional de I+D+I 2000-2003 Proyecto DPI 2003-00603