Conferencia Técnica Virtual ACIEM: “Cogeneración y Trigeneración con Moto-Generadores a Gas”

Page 1

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.


Generación de energía ✓ DERs - Distributed Energy Resources ➔ Tecnología ✓ FCE - Fuentes convencionales de Energía ✓ FNCE - Fuentes No convencionales de Energía ✓ FNCER - Fuentes No convencionales de Energía Renovable


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

18


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

La tecnología de INNIO brinda a las empresas y comunidades de todo el mundo la capacidad de generar energía confiable y eficiente en o cerca del punto de uso.

in Europe

=

3x Germany

countries

150 60

wide

delivered globally

~124 Mio.

world

64 GW

64 =GW

over

>48,000 Advantages

delivered engines

Overall efficiency of 90% or more

All rights reserved

~14,000 Durability

assets under

management

90+ years experience

(AuM)

Channel Partners

Reciprocating engines

0.2 MW

to

10 MW

High efficiency & fuel flexibility Natural gas CHP

Oilfield power Special gas applications

Jenbacher & Waukesha

focused on power generation, gas compression and services

Fast start capability

Fuel flexibility

Life cycle services


En la era de la descarbonización, descentralización y digitalización.

Capacidades de gestión de análisis a nivel de flota y activos: • Vista analítica de nivel de flota para rutinas de monitoreo y diagnóstico (M&D) operaciones y validación analítica centralizada. • Vista analítica a nivel de activo con resumen detallado para un análisis más profundo del estado del motor. • Notificaciones e información a través de SMS, correos electrónicos y aplicaciones móviles.

$8.6

Trillion

GANANCIA DE LA PRODUCTIVIDAD EN LOS PRÓXIMOS 10 AÑOS All rights reserved

14,000 ACTIVOS CONECTADOS June 22

3.5 TB DE DATOS CADA AÑO

myPlant* Mobile App

617k

SENSORES ASIGNADOS A NUESTROS ACTIVOS CONECTADOS


INNIO Jenbacher - Global installed base

LATAM: 850+ JB engines (1400+ MWe) registro a partir de 1980

All rights reserved

June 22


Contactenos: Doris A. Julio J. Gerente de Ventas Industria y Biogás Pegsa Ltda. doris.julio@pegsa.com.co

Muchas gracias!

35


Issuu converts static files into: digital portfolios, online yearbooks, online catalogs, digital photo albums and more. Sign up and create your flipbook.