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Plantas de Trigeneración

  • 1. Descripción

    Se define trigeneración como la producción conjunta, de electricidad, calor y frío, a partir de un único combustible.

    Básicamente, una planta de trigeneración es sensiblemente igual a una de cogeneración a la que se le añade un sistema de absorción para la producción de frío.

    Esquema de abastecimiento energético con trigeneración

  • 2. Conceptos básicos

    Debido a su alto rendimiento, las plantas de trigeneración posibilitan una gran reducción del coste energético de los procesos productivos allí donde se requieren importantes cantidades de calor en forma de vapor o agua caliente, frío industrial o energía eléctrica.

    Aprovechamiento de la energía primaria con refrigeración convencional (arriba) y con trigeneración (abajo)

    La trigeneración es aplicable al sector terciario, donde además de necesidades de calefacción y agua caliente se requieren importantes cantidades de frío para climatización, que consume una gran proporción de la demanda eléctrica. La estacionalidad de estos consumos (calefacción en invierno y climatización en verano) impediría la normal operación de una planta de cogeneración clásica.

    Las máquinas de absorción se aplican cuando existe una demanda de frío, bien sea para algún proceso de fabricación, climatización, congelación o conservación, y una energía residual.

    Este calor residual puede ser aportado por diferentes fluidos térmicos, como vapor, agua caliente, agua sobrecalentada o gases calientes.

    La instalación de una máquina de absorción nos permite tener una curva de demanda térmica más homogénea a lo largo del año, permitiendo aumentar el tamaño de la instalación de cogeneración.

  • 3. Componentes

    Una planta de trigeneración está compuesta por una planta de cogeneración a la que se le añade un sistema de absorción para la producción de frío.

    Los sistemas típicos de cogeneración donde se integran máquinas de absorción para producción de frío son aquellos que emplean motores alternativos o turbinas de gas, tanto en ciclo simple como combinado.

    Esquema de un sistema de trigeneración

    3.1 Plantas con motores alternativos

    Se trata de motores de combustión interna que generan energía mecánica a partir de la energía desprendida en la reacción de combustión de un combustible.

    El rango de potencias más usual de estos motores en sistemas de cogeneración en el sector industrial es de 100 kW a 1.000 kW.

    El rendimiento de estos motores suele estar en torno al 30 %-35 %.

    Presentan una gran flexibilidad en su funcionamiento.

    Características de un motor alternativo a gas
      Motor
    Rango posible de potencias (kW) 15 - 3.000
    Rango usual de potencias (kW) 100 - 1.000
    Variación de carga Elevada
    Relación energía calorífica / eléctrica 1,5 - 2
    Inversión Reducida
    Mantenimiento No especializado
    Vida útil (h) 20.000 - 60.000
    Recuperación de calor A 3 niveles: gases de escape, refrigeración del motor y aceite de lubricación
    Nivel de temperatura útil Refrigeración: < 120ºC
    Gases de escape: 400ºC - 600ºC

    La energía térmica generada por el motor alternativo es del orden del 60 %-70 % (la energía eléctrica supone aproximadamente un 30 %) y proviene de:

    • refrigeración del motor
    • refrigeración del aceite de lubricación
    • gases de escape

    Esquema de los flujos de calor en un motor alternativo

    3.2 Plantas con turbinas de gas

    Su rendimiento de conversión es inferior al de los motores alternativos.

    Tienen la gran ventaja de una fácil recuperación del calor, que se encuentra concentrado en su práctica totalidad en los gases de escape. Al estar a una temperatura de unos 500 ºC estos gases son idóneos para producir vapor en un generador de recuperación.

    Turbina de gas en ciclo simple

    Si este vapor se produce a la presión de utilización del usuario se define como ciclo simple, y si se genera a alta presión y temperatura para su expansión previa en una turbina de vapor, se definen como ciclo combinado.

    3.3 Máquina frigorífica de absorción

    Las máquinas de absorción producen frío a partir de calor residual de algún proceso de fabricación.

    En general, los sistemas de refrigeración consiguen producir el frío gracias a la evaporación de un fluido refrigerante (amoniaco, bromuro de litio o similar). El fluido refrigerante toma calor del cuerpo que se desea enfriar, al evaporarse a baja presión y temperatura.

    Posteriormente, el fluido refrigerante es llevado a la situación inicial, comprimiéndolo y condensándolo, bien mediante una compresión mecánica (aire acondicionado) ó bien mediante una compresión físico-química (máquina de absorción).

    Las máquinas de absorción tienen como principal ventaja que pueden ser combinadas con sistemas de cogeneración, actuando como consumidores térmicos que permiten obtener agua y/o aire de refrigeración a una temperatura de entre 5,5 ºC y 7 ºC. De esta forma se permite al cliente final ahorrar mucho en costes operativos al generar su propio autoconsumo de electricidad, calor y frío.

    Esquema de funcionamiento de una máquina de absorción

  • 4. Ventajas e inconvenientes

    4.1 Ventajas de la tecnología

    • Reducción de emisiones de gases de efecto invernadero (Herramienta para el cumplimiento del Protocolo de Kyoto)
    • Disminución de pérdidas en el sistema eléctrico e inversiones en transporte y distribución.
    • Aumento de la competitividad industrial.
    • Promoción de pequeñas y medianas empresas de construcción y operación de plantas de trigeneración.

    4.2 Inconvenientes

    • Inversión adicional y además, en una actividad apartada de las líneas normales de actuación de la empresa.
    • Aumento de la contaminación local, como consecuencia del mayor consumo de combustibles en la propia instalación.
  • 5. Aplicaciones

    Son usuarios potenciales de sistemas de trigeneración aquellas plantas industriales que reúnen las siguientes características:

    • Demandas de calor, frío y electricidad simultáneas y continuas.
    • Disponibilidad de combustibles de calidad.
    • Calendario laboral de, al menos, 4.500 h-5.000 h anuales.
    • Espacio suficiente y legalización adecuada para la ubicación de los nuevos equipos.
    • Efluentes térmicos de calidad.

    Son los sectores del papel y del refino de petróleo los más atractivos para la instalación de este tipo de plantas, debido a sus altos requerimientos de energía primaria.

    Hay otros sectores donde la cogeneración puede también reportar importantes beneficios, como los sectores químico y cerámico.

    Por otro lado, las máquinas de absorción tienen unas aplicaciones muy determinadas en aquellos proyectos en los que existe la posibilidad de obtener efluentes térmicos gratuitos.

    En caso contrario, los estudios de viabilidad demuestran periodos de amortización más largos que las máquinas de compresión convencionales, ya que los COP obtenidos en máquinas de absorción sólo son rentables si la energía térmica de calentamiento no tiene coste económico ninguno.

    Los tres grandes grupos de usuarios en el mercado del frío industrial español son:

    • Industria agroalimentaria.
    • Aplicaciones industriales no alimentarias.
    • Transporte refrigerado.

    Existen tres tipos principales de instalación con obtención de fluentes térmicos residuales o gratuitos en los que se recomienda mayoritariamente la instalación de máquinas de absorción.

    5.1 Instalaciones con trigeneración para producción de agua caliente y motores de combustión

    La máquina de absorción puede ser alimentada con energía térmica procedente de los motores de combustión.

    Esta energía se obtiene de la recuperación del calor de los humos procedentes de la combustión y del agua caliente de refrigeración de las camisas del motor.

    Esquema de principio de una instalación de trigeneración con motor a gas y máquina de absorción asociada

    5.2 Instalaciones con trigeneración para producción de vapor y calderas de postcombustión

    En las calderas de postcombustión se obtiene vapor a distintas presiones que puede utilizarse para las máquinas de absorción. De esta manera se puede obtener un rendimiento del 29 % de la potencia aportada en combustión como potencia frigorífica disponible.

    Las instalaciones de cogeneración mediante turbina de gas y ciclo combinado con ciclo de vapor exigen que el consumo eléctrico sea constante, ya que la turbina alcanza sus máximos rendimientos a plena carga, siendo desaconsejable su utilización para instalaciones que van a ser utilizadas frecuentemente a carga parcial.

    Esquema de principio de una instalación de trigeneración con turbina de gas y máquina de absorción  asociada

    5.3 Instalaciones con energía solar

    Los paneles solares producen agua caliente a una temperatura aproximada de 80 ºC. Mediante un intercambiador de calor, el circuito de los paneles cede su energía al agua almacenada en un tanque de acumulación.

    La máquina de absorción se acciona con el agua caliente del tanque, y produce frío que es distribuido al local a través de los fan-coils.

    Instalación con colectores solares y máquina de absorción

  • 6. Medidas de eficiencia

    Es necesario implantar técnicas encaminadas a mejorar la eficiencia energética en una MÁQUINA DE ABSORCIÓN.

    6.1 Aislamiento

    • El aislamiento es el factor más importante, las pérdidas mínimas se obtendrían en una envolvente cúbica.
    • Cuanto mayor sea la altura de las cámaras, menor será la superficie aislada.
    • El tamaño en planta de los bloques de cámaras adyacentes conviene que sea el mayor posible.
    • Un valor medio aceptable es de 2,2 m3/m2, para almacenes de volumen importante.

    6.2 Sistemas de producción

    Compresores

    • Cambiar los compresores de tipo hermético por otros de tipo abierto.
    • Considerar la posible aplicación de compresores de tornillo, conjuntamente con compresores alternativos, para ajustar mejor la capacidad del sistema a las necesidades a carga parcial.
    • Emplear sistemas de compresión en doble escalón, con refrigeración intermedia con separación de líquido.
    • En plantas de funcionamiento de temporada deben disponerse un número de compresores que hagan frente al enfriamiento masivo de fruta en verano, y que permitan un funcionamiento económico en invierno.

    Condensadores

    • Ampliar la capacidad de los condensadores.
    • Permitir que la presión de condensación descienda tan bajo como sea posible.
    • Sustitución de condensadores húmedos por condensadores por aire, en el caso de climas templados y húmedos.
    • Emplear un tratamiento de agua adecuado para evitar incrustaciones y ensuciamiento en los condensadores.

    Alumbrado

    • En las cámaras de conservación y congelación, cambiar el sistema de alumbrado de incandescencia a fluorescencia.
    • Utilizar los sistemas de alumbrado de las cámaras de conservación solamente cuando sea estrictamente necesario.

    Motores

    • Emplear motores eléctricos dotados de sistemas de regulación de la velocidad.
    • Emplear motores eléctricos ajustados al consumo.

    Bombas

    • En las bombas centrifugas ajustar el tamaño del rodete a las necesidades reales de presión.
    • En los sistemas de bombeo, mantener limpios los filtros

    Mantenimiento

    • Revisar la selección de las válvulas termostáticas de expansión, para que trabajen entre límites de presión más próximos.
    • Revisar el aislamiento de tuberías y equipos, valorando adecuadamente la importancia de la barrera de vapor como posible fuente de pérdidas.
    • Mantener limpios los filtros de las líneas de refrigerante líquido.
    • Reparar las fugas de agua o salmuera
    • Comprobar y ajustar periódicamente la purga continua en las torres, para evitar pérdidas de agua y productos químicos.
    • Establecer un buen programa de mantenimiento preventivo
    • Comprobar, ajustar y equilibrar las instalaciones.

    Instalación

    • Favorecer la instalación de equipos centralizados.
    • Valorar la conveniencia de los sistemas de enfriamiento rápido, desde el punto de vista energético.
    • En cuanto a la congelación por aire, cuyo consumo energético es el más importante, debe valorarse sobre todo el consumo de ventiladores, que es un factor importante que debe tratar de reducirse.
    • Considerar la posibilidad de utilizar las horas nocturnas para la generación de frío.
    • En el caso de tener producciones de frío a distintas temperaturas, se instalarán circuitos independientes a cada una de ellas.
    • Considerar la posibilidad de elevar la temperatura de evaporación hasta valores compatibles con la calidad de los productos, o con los procesos de enfriamiento.
    • Si se posee una central generadora de vapor a alta presión, estudiar la posible utilización de turbinas de vapor para accionar los equipos mecánicos.
    • En el tratamiento de aguas, no utilizar mayor cantidad de productos químicos que los necesarios.

    Máquina de absorción YORK

    6.3 Regulación y control

    • Comprobar con frecuencia el calibrado de los aparatos de regulación.
    • Automatizar las instalaciones con control manual.
    • Mantener los aparatos de control de temperatura fuera del alcance de personas no autorizadas.
    • En las cámaras de conservación, comprobar que los relojes programadores funcionan correctamente y mantienen los ventiladores parados, cuando se elimina el agua de desescarche, y se enfrían los evaporadores.
    • En los evaporadores con desescarche eléctrico, montar un termostato de control de desconexión de las resistencias.

    Información complementaria: Ver Catálogo Frío Industrial, Ver Ficha Frío Industrial, Ver Catálogo Cogeneración, Ver Ficha Cogeneración

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