Un enfoque multifacético de los sistemas de generación distribuida y sus efectos

Caso 2: Cobertura de precios en mercados abiertos [3] 

La volatilidad del mercado energético estaba generando un fuerte impacto en el presupuesto del Departamento de Energía de la ciudad de Hurricane, Utah. Su población creció de 8.250 en 2000 a 12.084 en 2006, es decir, un aumento del 46,5 %. Este crecimiento sobrecargó el sistema de potencia municipal, que opera Hurricane City Power, especialmente en el verano cuando las temperaturas pueden superar los 110 °F. La demanda, junto con los precios altos del mercado energético, obligó a la ciudad a utilizar las reservas presupuestarias para pagar energía durante varios años seguidos. 

Para diversificar sus opciones de suministro eléctrico, Hurricane optó por los grupos electrógenos de gas natural. Los grupos electrógenos nuevos de la ciudad debían cumplir las demandas de Hurricane: seguimiento de carga, demandas máximas en verano y estrategias de cobertura de precios en mercados abiertos. Además, Hurricane tenía que incrementar el voltaje y la frecuencia del final de línea para optimizar su sistema de distribución. 

Durante un período de tres años, se instalaron seis Grupos Electrógenos Cat® G3520C de gas natural con catalizadores de oxidación Cat (consulte la Figura 2). Los catalizadores reducen las emisiones de monóxido de carbono en un 93 % y disminuyen los hidrocarburos en más de un 40 %, lo que reduce en gran medida el impacto ambiental de los grupos electrógenos. Una de estas unidades abastece a la ciudad cercana de Washington, que la utiliza cuando se requiere energía complementaria. Los grupos electrógenos tienen clasificaciones nominales de 1.940 ekW a 1.800 rpm a 115 °F de temperatura y a una elevación de 3.000 pies. Operan en conjunto con un equipo de conmutación en paralelo a 12.470 V. Esta potencia se conecta directamente a la barra colectora de la subestación adyacente. 

Debido a la fiabilidad y economía de esta solución de energía, Hurricane City Power y Washington City Power recibieron un premio conjunto en el 2007 al "Mejor sistema mejorado del año" de Utah Associated Municipal Power Systems (UAMPS). La ciudad logró ahorrarse entre $10.000 y $12.000 al día gracias a su capacidad para reaccionar rápido a los precios de mercado y operar sus generadores en vez de comprar energía en el mercado cuando el costo es alto. Además de los ahorros de costos para la ciudad, los grupos electrógenos asisten a la producción de energía en picos de demanda y potencia de respaldo en caso de apagones en la ciudad. Desde que este sistema está implementado, ocurrieron tres apagones en la zona en los últimos tres años, y los grupos electrógenos proporcionaron la energía necesaria para que la ciudad siguiera en marcha sin energía externa disponible. 

Caso 3: Combinación del sistema CHP y potencia de respaldo para un hospital [4] 

Se requería un paquete económico que combinara un sistema combinado de calor y electricidad (CHP) y generación de potencia de respaldo para el Norfolk and Norwich Hospital que estaba construyendo Octagon Healthcare en el Reino Unido. Además, se necesitaba una medición tarifaria de calidad para determinar si el CHP reunía los requisitos de pago según el esquema "Good Quality CHP" de la Climate Change Levy (tasa de cambio climático). 

En vez de la típica planta subterránea, se construyó un centro de energía independiente para otorgar mejor acceso a los servicios e insumos. El impulsor principal del sistema CHP es un motor de gas de mezcla deficiente Cat G3516. Se recupera el calor del escape del motor, del agua de las camisas y de los circuitos del enfriador de aceite para proporcionar 1.314 kW. Se utiliza para calentar el agua caliente de presión intermedia antes de reingresar a la caldera, por lo que el CHP actúa como una caldera principal. Cuando la demanda térmica es baja, el exceso de calor se vierte en un radiador remoto. Un Generador Cat SR4 conectado directamente al motor proporciona 400 voltios a 50 Hz. Este energía alimenta un disyuntor de sincronización dentro del panel de control, que está conectado a la línea HV del hospital a través de un transformador de configuración. El sistema completo se muestra en un resumen gráfico; solo se necesita tocar la pantalla para que el operador interactúe con el sistema. 

El sistema de generación de respaldo comprende cuatro Grupos Electrógenos Diésel Cat 3616B de 2.250 kVA (1.800 kW) que protegen contra las fallas del servicio público. Los generadores funcionan en una configuración "n + 1", de modo que se preserva la cobertura total de la energía del hospital en caso de que no funcione un grupo electrógeno; por ejemplo, debido al mantenimiento en el momento de la falla de energía. Los generadores se conectan a la alimentación de energía de calefacción y ventilación del hospital a través de un equipo de conmutación HV. Al igual que el sistema CHP, el panel de control principal ofrece un resumen gráfico del sistema. La reconexión a la energía de servicio público, una vez que el servicio se considera normal otra vez, es totalmente automática. El sistema se prueba una vez al mes con una desconexión real del suministro de servicio público. 

Caso 4: Aplicaciones de relleno sanitario [5] 

La transformación del gas de relleno sanitario en energía es la solución ideal para un problema ambiental: convierte un desperdicio problemático en un producto con uso práctico y valor económico. Es un componente importante y en crecimiento en la mezcla de generación de energía de América del Norte. Se prevé que la generación de energía a partir de desperdicios sólidos municipales y gas de rellenos sanitarios aumente aproximadamente a 31 mil millones de kilovatios-hora para 2025 [6]. Si bien Estados Unidos se destaca en esta categoría, el gas de relleno sanitario puede obtenerse todo el mundo, tal como se muestra en el siguiente gráfico [7]. 

El Gas de Relleno Sanitario (LFG, Landfill Gas) se produce de forma natural cuando los desperdicios orgánicos se descomponen en los rellenos sanitarios. El LFG está compuesto de aproximadamente 50 % metano, 50 % dióxido de carbono y cantidades menores de compuestos orgánicos sin metano. En la mayoría de los rellenos sanitarios de desperdicios sólidos municipales, el metano y el dióxido de carbono se destruyen en un sistema de recolección y control de gas o quemador público. Sin embargo, para usar el LFG como combustible alternativo, se debe extraer el gas de los rellenos sanitarios mediante una serie de pozos y un sistema de vacío. Los tubos se insertan en el fondo del relleno sanitario para proporcionar un punto de liberación de los gases. A continuación, se aplica un vacío suave en el tubo para succionar los gases y llevarlos a un punto central, donde se pueden procesar y tratar para utilizarse en la generación de electricidad y reemplazar la necesidad de usar combustibles fósiles convencionales. Estos son algunos ejemplos mundiales de cómo se utiliza el LFG para producir corriente eléctrica con grupos electrógenos de motores (consulte la Figura 4) en configuraciones de relleno sanitario. 

Relleno sanitario de Seneca Meadow, Seneca Falls, Nueva York 

Este sistema de energía, propiedad de Innovative Energy Systems of Oakfield (NY), comenzó a funcionar en 1996 y se amplió tres veces hasta alcanzar su capacidad actual de 11,2 MW. En el sistema (consulte la Figura 5), se utilizan catorce Grupos Electrógenos Cat G3516 que se modificaron para el uso en rellenos sanitarios. Las emisiones de NOx generales de la planta de energía cumplen con las normas locales de calidad del aire. 

Relleno sanitario de Hartland en Victoria, British Columbia, Canadá 

El relleno sanitario recibe desperdicios sólidos municipales de una población cercana a las 400.000 personas. Hasta la puesta en marcha del sistema de generación de energía, el gas de relleno sanitario se quemaba. El productor de energía independiente Maxim Power Corporation of Calgary (Alberta) instaló el sistema de transformación de gas de relleno sanitario en energía (consulte la Figura 6). La producción de energía eléctrica (trabajo continuo a 1,6 MW) se vende a BC Hydro para el programa de energía sostenible de la empresa. 

Relleno sanitario de South East New Territories, Hong Kong 

En este lugar gestionado por Green Valley Landfill Ltd., se instalaron dos Grupos Electrógenos Cat G3516 para relleno sanitario en 1997. Cada unidad tiene una clasificación nominal de 970 kW y ofrece 1,9 MW de potencia continua para la infraestructura del relleno sanitario y una planta de tratamiento de aguas residuales en las instalaciones (consulte la Figura 7). Las unidades funcionan en paralelo con el servicio público local, y se exporta el exceso de energía a la red. Para compensar el calor y la humedad tropicales, los grupos electrógenos cuentan con radiadores de gran tamaño. 

Caso 5: Aplicaciones de biogás [8] 

El biogás se produce por la descomposición anaeróbica natural o la fermentación de desperdicios orgánicos, como estiércol, desperdicios sólidos municipales, desperdicios biodegradables o cualquier otra materia prima biodegradable en un ambiente anaeróbico. El biogás está formado principalmente por metano (del 50 % al 80 %) y dióxido de carbono (20 % del 50 %). Se puede extraer para uso comercial de casi cualquiera de sus fuentes. Por ejemplo, algunas granjas ganaderas o instalaciones de engorde de ganado grandes utilizan una laguna para almacenar el estiércol que genera el ganado. 

En vez de liberar a la atmósfera el metano y el dióxido de carbono que se generan en la descomposición del estiércol, el metano se puede extraer y quemar en la granja en calderas de biogás, calentadores u otros dispositivos que consumen gas, incluidos los motores de gas. Además de las granjas ganaderas, otras operaciones agrícolas aprovechan las oportunidades de producir biogás. 

Por ejemplo, las plantas de procesamiento de mandiocas, que producen almidón, son comunes en China, India e Indonesia y pueden utilizar biogás para la corriente eléctrica. Gracias al aprovechamiento de los recursos de biogás, estas plantas no solo se ahorran el costo de comprar aceite combustible pesado y electricidad, sino que también ganan terrenos valiosos que, de otro modo, deberían utilizarse para purificar las aguas residuales de la fábrica, lo que prácticamente elimina los problemas de olor y plagas que causan la descomposición de materia orgánica a gran escala. 

Como ejemplo de este tipo de aplicación de DG, veamos el caso de Nong Rai Farm, en Rayong, Tailandia. La granja se asoció con CP Group, uno de los mayores proveedores de alimentos de Tailandia, y una instalación de engorde con más de 30.000 cerdos. Nong Rai Farm consume aproximadamente 200 kW de energía en sopladores, sistemas de secado y otras necesidades auxiliares asociadas a sus operaciones. El estiércol que producen los cerdos se dirige por tubos a un estanque de digestión (consulte la Figura 8), donde genera el biogás que se utiliza como combustible para los grupos electrógenos, que producen la energía suficiente para satisfacer todas las demandas de corriente eléctrica de Nong Rai Farm. 

Caso 6: Aplicaciones de gas metano de mina de carbón (CMM) [9] 

La liberación antropogénica de metano (CH4) en el medioambiente y su potencial de calentamiento global siguen atrayendo la atención del mundo. El metano puede liberarse a la atmósfera a través de fuentes en las que se produce de forma natural: descomposición en rellenos sanitarios, agricultura, sistemas de extracción de gas y petróleo y actividades de minería del carbón. Alrededor del 8 % del total de las emisiones antropogénicas de metano provienen de las minas de carbón [10]. 

En todo el mundo, las minas de carbón emiten aproximadamente 400 millones de toneladas métricas o 28.000 millones de metros cúbicos de dióxido de carbono equivalente al año. Esta cantidad equivale al consumo de 818 millones de barriles de petróleo o a las emisiones de dióxido de carbono de 64 millones de vehículos de pasajeros. Entre 1994 y 2005, las emisiones estadounidenses se redujeron en más de un 20 %, en gran parte debido al aumento de la recuperación y utilización del gas drenado en la industria minera del carbón. China lidera las emisiones de metano de minas de carbón a nivel mundial, con unos 14.000  millones de metros cúbicos de CO2 emitidos todos los años; una medición realizada en 2004 estimó que ese año se emitieron casi 200 millones de toneladas métricas. Además de EE.UU. y China, otros emisores importantes son Ucrania, Australia, Rusia e India.  

Una vez que el metano se libera a la atmósfera, permanece allí durante unos 15 años. Es un gas de efecto invernadero que puede provocar un calentamiento global estimado en 21. Esto significa que las emisiones de metano tienen un efecto estimado sobre el calentamiento global equivalente a 21 veces el efecto del dióxido de carbono. La aplicación de métodos para utilizar el CMM en lugar de liberarlo a la atmósfera contribuirá a mitigar el calentamiento global, mejorar la seguridad y la productividad de las minas, y generar ingresos y ahorros de costos. 

En la actualidad, existen varias opciones para mitigar las emisiones de CMM, como los motores de gas de movimiento alterno, las turbinas de gas, las calderas y hornos industriales, y el procesamiento químico. También se están desarrollando otras tecnologías, como los sistemas catalíticos y las celdas de combustible. A continuación, se describen dos ejemplos de este tipo de aplicación de DG, en los que el CMM se secuestra y utiliza como combustible alternativo en grupos electrógenos con motores de gas de movimiento alterno. Se trata de una tecnología madura y comprobada, muy eficaz para mitigar los gases de efecto invernadero. 

Proyecto de energía de vetas de carbón de Appin y Tower en Australia 

El proyecto Appin y Tower (consulte la Figura 9) es uno de los mayores sistemas energéticos de gas de vetas de carbón del mundo y una de las mayores instalaciones de motores generadores de cualquier tipo. El proyecto Appin y Tower consume 600.000 m³ de gas de vetas de carbón al día procedentes de dos minas distintas en Nueva Gales del Sur (Australia). Como se complementa con gas natural cuando es necesario, el proyecto de Appin y Tower utiliza más de 90 Grupos Electrógenos Cat G3516 de combustión deficiente, cada uno de los cuales produce 1.030 kW de potencia continua. En el verano de 2008, la mayoría de las unidades habían completado más de 80.000 horas de funcionamiento. 

Mina Sihe en Jingcheng, provincia de Shanxi, China 

Sesenta Grupos Electrógenos Cat G3520C con paquetes de combustible de bajo consumo funcionan con CMM en la mina de Sihe en Jingcheng, provincia de Shanxi (consulte la Figura 10). El modelo Cat G3520C funciona a 1.500 rpm con una potencia continua de 1.966 ekW en condiciones de funcionamiento estándar. Gracias a un diseño de cámara de combustión abierta, puede funcionar con suministros de gas de baja presión de solo 5 kPa a 35 kPa (de 0,7 lb/pulg² a 5 lb/pulg²). El requisito de baja presión de refuerzo reduce el costo de instalación de los sistemas de tratamiento de combustible que suelen encontrarse en entornos de combustible de baja energía. 

Cuando entren en funcionamiento, los sesenta grupos electrógenos producirán más de 108 MW de potencia eléctrica. Además, los gases de escape se recuperarán y utilizarán para accionar turbinas de vapor que producirán otros 12 MW de potencia eléctrica. El objetivo de producción final es 120 MW combinados con la recuperación térmica del agua de las camisas para producir agua caliente. Este proyecto es el mayor del mundo en su género. 

RESUMEN 

El enfoque predominante de este artículo es el sistema de generación distribuida basado en grupos electrógenos impulsados por motores. Sin embargo, en muchos casos se podrían haber utilizado otras tecnologías de DG para lograr resultados comparables. Se presentaron varias aplicaciones de DG, desde potencia de respaldo hasta sistemas de mitigación de gases de efecto invernadero. Ante tanta variedad de aplicaciones, es indudable que la DG tiene un efecto profundo y positivo en la sociedad. Algunos beneficios son protección contra cortes de energía, mantenimiento de las operaciones críticas y funcionamiento de equipos de seguridad vital, provisión de una red de seguridad en mercados de energía volátiles con grandes fluctuaciones de precios, creación de energía a partir de recursos sostenibles (rellenos sanitarios, biogás y gas de vetas de carbón), mitigación de la liberación de gases de efecto invernadero, reducción del impacto ambiental y los efectos del calentamiento global. La DG se integró en la infraestructura de generación de energía eléctrica. Permite diversificar la cartera de generación de energía eléctrica, promover el crecimiento económico en áreas donde faltaría energía y mejorar la calidad de vida de los usuarios. 

REFERENCIAS 

1. Norma IEEE 1547 "Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems", publicación de IEEE, Nueva York, NY, julio de 2003. 
2. Perfil energético, "Pacific Gas and Electric Company", publicación de Caterpillar LEXE0012-00, octubre de 2008.
3. Perfil energético, "Hurricane City Power", publicación de Caterpillar LEXE8829-00, mayo de 2008. 
4. Perfil energético, "Octagon Healthcare Limited", documento interno de Caterpillar. 
5. Michael Devine, "Dealing with Landfill Fuel", documento interno de Caterpillar.
6. Annual Energy Outlook 2004 with Projections to 2025, U.S. Energy Information Administration, U.S. Department of Energy. 
7. Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos. "Global Anthropogenic Emissions of Non-CO2 Greenhouse Gases 1990-2020". Informe de la EPA 430-R-06-003. Recuperado el 7 de agosto de 2008 de http://www.epa.gov 
8. John C.Y. Lee et al, "Sustainable Application of Reciprocating Gas Engines Operating on Alternate Fuels", documento interno de Caterpillar. 
9. John C.Y. Lee et al, "Sustainable Application of Reciprocating Gas Engines Operating on Coal Mine Methane Gas", documento interno de Caterpillar. 
10. Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos. "Methane", recuperado el 6 de junio de 2008 del sitio web de EPA http://www.epa.gov/methane/ 

RECONOCIMIENTOS 

Este artículo tomó como base el trabajo de muchas personas en Caterpillar. El autor quiere extender un agradecimiento especial a Mike Devine, John Lee, Thomas Teo, Peter Lau, Choon Hwa Tnay y Don Dentino.