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Grupos electrógenos alternativos: una opción viable en la energía sostenible
Richard A. Crump
Gerente de mercadotecnia a nivel mundial, generación de energía de gas
División de potencia eléctrica
Marzo de 2014
RESUMEN
Los avances en tecnología combinada de calor y potencia y las fuentes de combustible renovable se han unido para convertir a los grupos electrógenos alternativos en una opción práctica en la generación de energía y la seguridad de la energía.
INTRODUCCIÓN
Los grupos electrógenos alternativos han sido recientemente eclipsados por las nuevas fuentes alternativas de combustible, incluidas la eólica, la solar y las celdas de combustible. Este eclipsamiento es infundado ya que se han usado grupos electrógenos alternativos y serán el pilar de apoyo en el espacio de la energía sostenible. Los combustibles alternativos de baja energía se han utilizado correctamente en un sinfín de instalaciones a nivel mundial, incluidos los rellenos sanitarios, las instalaciones de biogás y de aguas residuales.
De hecho, los grupos electrógenos alternativos son una fuente de energía altamente eficiente que ofrece bajos costos de capital y una instalación y puesta en marcha rápidas. Los grupos electrógenos alternativos suelen superar a las plantas de generación de energía de carbón tradicionales. Los grupos electrógenos de gas Cat® tienen clasificaciones de 6.250 kW con eficiencias en el rango medio del 40 %. Los programas actuales de desarrollo tecnológico de motores han permitido alcanzar una escala de eficiencia más alta, superior al 40 %.
El movimiento a favor de una energía más limpia y sostenible continúa y los grupos electrógenos alternativos pueden ayudar a los propietarios a cumplir con la normativa ambiental nacional y local. En el caso de los servicios públicos que se ejecutan en el modelo de desconexión, a menudo hay incentivos para cumplir con las normas de eficiencia y emisiones para la energía que se suministra a los clientes. Dado que pueden funcionar con combustibles renovables como gas de rellenos sanitarios, biogás y metano de mantos carboníferos, los grupos electrógenos alternativos les dan a los usuarios la oportunidad generar créditos de carbono.
En este documento se analizarán las capacidades de los grupos electrógenos alternativos que pueden proporcionar soluciones a algunos de los problemas de generación de energía más importantes de la actualidad. Los grupos electrógenos alternativos reciclan el calor, que normalmente se emana como escape. Debido a su tamaño y portabilidad, combinados con la posibilidad de funcionar con fuentes renovables, los propietarios pueden cumplir con la normativa ambiental y contribuir a la seguridad de la energía nacional.
Los grupos electrógenos alternativos están muy lejos de ser un desperdicio o ineficientes Son una tecnología madura de eficacia comprobada que podrá satisfacer las necesidades energéticas modernas y futuras.
COMBINACIÓN DE CALOR Y POTENCIA
La generación de electricidad no es un proceso eficiente, las plantas tradicionales generalmente solo convierten aproximadamente un tercio de la energía potencial del combustible que se está usando en energía viable. Gran parte del subproducto derivado de la generación de electricidad es el calor, que en las plantas de energía convencionales simplemente se libera a la atmósfera como producto de desecho. Este calor residual no solo representa una pérdida de energía para la planta, sino que además favorece la contaminación y el calentamiento global y debe tratarse antes de su liberación.
Los grupos electrógenos alternativos ofrecen una opción adicional a la generación de energía eléctrica a través de sistemas integrados que producen calor y potencia combinados (CHP, Combined Heat and Power), la generación in situ de energía eléctrica o mecánica y la recuperación del calor residual para aplicaciones de calefacción, refrigeración, deshumidificación o procesos. CHP es un enfoque eficiente y limpio para generar energía eléctrica y térmica a partir de una sola fuente de combustible.
Los sistemas CHP que utilizan grupos electrógenos alternativos generan electricidad al quemar el gas natural o el biogás y luego capturan el calor residual del proceso de generación. Hay cuatro fuentes de calor residual utilizable de un motor de movimiento alterno: gas de escape, agua de refrigeración de la camisa del motor, agua de refrigeración del aceite lubricante y agua de refrigeración del turbocompresor. Este calor puede convertirse en energía térmica útil, generalmente en forma de vapor o agua caliente, para usarlo en edificios cercanos o en la misma planta de energía. Por lo general, el agua caliente y el vapor de baja presión que producen los grupos electrógenos alternativos de los sistemas CHP satisfacen las necesidades del proceso de baja temperatura, ofrecen calefacción de espacios y calentamiento de agua potable y hacen funcionar enfriadores que proporcionan agua fría, aire acondicionado y deshumidificación o refrigeración.
Los paquetes CHP suelen alcanzar una eficiencia total del sistema de 70 u 80 %, lo que da como resultado un bajo consumo de combustible y una reducción de las emisiones en comparación con la generación de calor y potencia por separado. El CHP también evita la contaminación del aire al emplear el calor residual, mientras que las plantas de energía convencionales reducen aún más su eficiencia al controlar la contaminación únicamente a través del tratamiento de calor residual.
En el sector de la energía, el movimiento a favor de la energía eficiente y sostenible no solo es una prioridad ambiental, también crea una nueva oportunidad para que los grupos electrógenos alternativos garanticen la confiabilidad en aplicaciones alimentadas por energía sostenible. Las tecnologías de energía renovable como la energía eólica, con un factor de capacidad típico del 20 al 40 % o el biogás con un rendimiento inconstante, posiblemente necesiten la ayuda de una fuente de energía con combustible para cumplir sistemáticamente con los requisitos de capacidad general. Los grupos electrógenos alternativos pueden complementar la eficiencia de la energía renovable, ya sea mediante la producción de energía complementaria en las épocas de demanda máxima o mediante el funcionamiento de tiempo completo con el CHP, que distribuye energía extra para calefacción o refrigeración en épocas de demanda mínima.
Figura 1: consumo típico de combustible y propiedades físicas de varios combustibles de baja energía [1]
Figura 2: Recolección y extracción típicas del límite de componentes del gas de relleno sanitario
Figura 3: Aplicación de biogás típica: producción, recolección y uso final de gas
RECURSOS RENOVABLES
Los grupos electrógenos alternativos ofrecen la posibilidad de ampliar al máximo los recursos renovables existentes y una de las formas en que las empresas de servicios pueden invertir en energía eficiente y renovable es a través de proyectos como generación de energía de límite de componentes del gas de relleno sanitario, biogás y gas metano de mina de carbón (CMM, coal mine methane). La opción de hacer funcionar los grupos electrógenos con metano y combustibles a base de metano significa que un generador en un campo, cerca de un relleno sanitario o en el emplazamiento de una mina de carbón pueden funcionar de manera confiable con recursos de desperdicios disponibles al tiempo que proporcionan calor y potencia a los edificios y oficinas ubicados cerca de estos lugares. Implementar métodos para utilizar metano en grupos electrógenos alternativos en lugar de emanarlos a la atmósfera también ayuda a mitigar el calentamiento global y genera no solo ahorros, sino un posible ingreso.
El metano se libera a la atmósfera a través de fuentes como descomposición en rellenos sanitarios, agricultura y actividades de minería del carbón. Aunque el metano se encuentra naturalmente en la atmósfera, puede ser peligroso si se emana en grandes cantidades. Las emisiones de metano tienen un efecto estimado en el calentamiento global equivalente a 21 veces el efecto del dióxido de carbono y, una vez liberado, el metano permanece en la atmósfera entre aproximadamente nueve a 15 años. El límite de componentes del gas de relleno sanitario, el biogás y el metano de las minas de carbón son tres de las formas más frecuentes y efectivas de hacer funcionar los grupos electrógenos alternativos de bajo consumo.
El límite de componentes del gas de relleno sanitario se produce naturalmente a medida que se descomponen los desperdicios orgánicos en los rellenos sanitarios. Los gases del relleno sanitario están compuestos de aproximadamente 50 % de metano, 50 % de dióxido de carbono y una pequeña cantidad de compuestos orgánicos sin metano (consulte la Figura 1). Un relleno sanitario debe tener como mínimo 12 metros (40 pies) de profundidad y al menos un millón de toneladas de desperdicios para poder recoger el gas de relleno sanitario y producir energía técnicamente viable. Los LFG se generan en un plazo aproximado de uno a tres años, según el tipo de desperdicios y la composición del terreno cercano; la producción máxima de gases de relleno sanitario se obtiene entre cinco y siete años después de que se vierten los desperdicios.
En la mayoría de los rellenos sanitarios de desperdicios sólidos municipales, la mezcla de metano y dióxido de carbono se destruye 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 (ilustración en la Figura 2). Inicialmente, los tubos se insertan en el fondo del relleno sanitario para proporcionar un punto de liberación de los gases del relleno sanitario. 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 su uso en la generación de electricidad, lo que reduce la necesidad de usar combustibles fósiles convencionales.
Guelph Hydro en Guelph, Ontario, Canadá, es un ejemplo de una aplicación de relleno sanitario exitosa. Ubicada a aproximadamente 95 km (59 millas) al este de Toronto, Guelph Hydro ha aprovechado los gases del relleno sanitario para producir energía desde 2005. Mediante el uso de tres motores a gas G3516LE Cat acoplados a generadores SRB4 de 925 kW, 600 V con equipo de conmutación Cat y controles PowerLynx™, la planta generadora funciona ininterrumpidamente con cada máquina que requiere unos 9,6 m³ (340 pies cúbicos) por minuto de gas para funcionar en su máxima potencia.
Los motores G3516LE que funcionan a 1.200 rpm están configurados para ser duraderos y confiables al quemar combustibles de baja energía sin necesidad de un acondicionamiento exhaustivo del combustible. El sistema de tratamiento de combustible en el relleno sanitario de Guelph solo requiere un sistema de eliminación de humedad seguido de un filtro de coalescencia que elimine el remanente de gotas y partículas de humedad.
Un sistema de enfriamiento especialmente diseñado eleva el agua de las camisas del motor a la temperatura óptima para evitar la condensación de los compuestos corrosivos que transporta el combustible. Una bomba de ventilación del cárter expulsa los gases ácidos de derivación y succiona aire fresco filtrado. Además, se eliminan el aluminio y el acero sin protección de los componentes clave, como los núcleos del posenfriador y los cojinetes de bielas y principales.
El relleno sanitario cuenta con suficiente reserva de gas para alimentar los generadores durante unos 20 años. Pozos con una separación de 39,624 m (130 pies) y una profundidad media de 15,24 a 19,82 m (de 50 a 65 pies) capturan el metano del relleno sanitario. La energía de la planta va hacia los clientes de Guelph Hydro, que equivale a las necesidades de aproximadamente 2.500 hogares, lo que satisface aproximadamente el 1 % de la demanda del sistema. Al convertir los gases del relleno sanitario en electricidad, el proyecto ha logrado reducir las emisiones contaminantes en aproximadamente 100.000 toneladas o 90.718,47 toneladas métricas por año, de acuerdo con la Federación de Municipalidades Canadienses.
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. Alrededor del 8 % del total de las emisiones antropogénicas de metano proceden de las minas de carbón. 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. En 2005, las minas de carbón de Estados Unidos emitieron unos 4.000 millones de metros cúbicos de metano. 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 por parte de la industria minera del carbón. China lidera las emisiones de metano de minas de carbón, con unos 14.000 millones de metros cúbicos de CO2 equivalente emitidos anualmente; 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. [1]
Al igual que el gas de relleno sanitario, el biogás se produce por la descomposición anaeróbica natural o la fermentación de desperdicios orgánicos, como estiércol, desperdicios sólidos municipales, desperdicios biodegradables u otra materia prima biodegradable en un ambiente anaeróbico. El biogás está compuesto principalmente por metano (entre el 50 y el 80 %) y dióxido de carbono (entre el 20 y el 50 %) con trazas de otros gases como hidrógeno, monóxido de carbono, nitrógeno, oxígeno y sulfuro de hidrógeno.
El biogás se puede extraer para utilizarse con grupos electrógenos alternativos de casi cualquiera de sus fuentes. Por ejemplo, algunas granjas ganaderas o instalaciones de engorde de ganado grandes utilizan una laguna para cubrir y almacenar el estiércol que genera el ganado. En vez de liberar a la atmósfera el metano y el dióxido de carbono que se genera en la descomposición del estiércol, el metano se puede extraer y quemar en la granja en motores a biogás. Otras operaciones agrícolas como las plantas de procesamiento de mandioca que producen almidón utilizan biodigestores anaeróbicos para convertir el agua residual rica en material orgánico en metano. Al aprovechar los recursos de biogás, estos campos y plantas complementan sus propias capacidades de generación de energía y reducen los costos de comprar aceite combustible pesado y electricidad (ilustración en la Figura 3).
El metano de una mina de carbón es otra opción para usar combustible más limpio en grupos electrógenos alternativos. En las minas de carbón, los sistemas de drenaje de gas pueden utilizarse para extraer el gas con alto contenido de metano que se encuentra en los lechos de carbón. De la misma manera que el método utilizado en los rellenos sanitarios, se perforan pozos verticales u horizontales en el lecho de carbón y se extrae el metano mediante presión de vacío. Este tipo de extracción puede producir gas de muy alta calidad, a menudo con un contenido de metano superior al 85 %, especialmente en los pozos perforados en la veta de carbón mucho antes de la extracción real. Los pozos perforados en la superficie de la veta de carbón a medida que se extrae suelen tener más aire mezclado con el gas metano a medida que se recoge. Este gas suele estar compuesto de un 25 % a un 60 % de metano.
Maxim Power Corporation de British Columbia, Canadá, descubrió que al instalar un Grupo Electrógeno G3520C Cat junto con tres unidades de cogeneración existentes en una planta de energía en la Isla de Vancouver, podían aumentar la cantidad de energía que le proveían al servicio público local en 1,6 MW. La calificación de densidad de la energía del motor de 80 kW por cilindro y el costo de operación relativamente bajo por kW (mejor que otros motores en esta aplicación) aumentan su capacidad de utilizar gas metano de bajo BTU como combustible. Si funciona a 1.200 rpm, el G3520C produce 2.144 caballos de fuerza y abastece 600 voltios. Su equipo de conmutación y el transformador elevador convierten esto en 25.000 voltios para vendérselos a BC Hydro conforme al programa de compra de energía ecológica de Canadá.
En funcionamiento simultáneo con las unidades de cogeneración, el G3520C ayuda a la planta a recuperar 6,7 MW de calor del escape, las camisas de agua, los enfriadores intermedios y los intercambiadores de aceite para ofrecer agua a 90 °C (194 °F) para la caldera del invernadero local. Los grupos electrógenos usan casi el 100 % del metano del relleno sanitario y capturan más del 85 % de la energía total disponible en potencia y calor. No se requiere combustión.
SOLUCIONES DE CATERPILLAR
Para satisfacer las necesidades de los clientes que buscan usar biogás como combustible, Caterpillar ofrece el Grupo Electrógeno de Combustible de Baja Energía G3520C que se usa con combustibles de metano hallados en rellenos sanitarios, minas de carbón y otros entornos de biogás de baja energía. El nuevo grupo electrógeno incluye equipos que optimizan el rendimiento de los motores en aplicaciones de funcionamiento continuo en paralelo a la red. Este grupo electrógeno se ha diseñado especialmente para hacer frente a las variaciones de concentración de metano del combustible típicas de las operaciones del relleno sanitario, el biogás y CMM. El paquete del G3520C también está diseñado para utilizar de forma eficiente y fiable el gas combustible con un contenido de metano inferior al habitual. Se puede disponer de configuraciones de motor y de aprobación especial para aplicaciones con un contenido de metano de hasta el 25 %.
El Grupo Electrógeno G3520C también cuenta con protecciones como elementos "reforzados" para ofrecer seguridad contra la naturaleza corrosiva del biogás y el gas de relleno sanitario en situaciones donde se recomienda un tratamiento de combustible mínimo. Por ejemplo, el diseño específico del relleno sanitario reduce al mínimo el uso de los metales brillantes como el cobre y el acero sin protección en los componentes que probablemente entren en contacto con el combustible o los gases de escape que son ácidos por naturaleza. Los núcleos del posenfriador, fabricados en aleación de cobre en motores de gas estándar están hechos de acero inoxidable en los grupos electrógenos para rellenos sanitarios Cat para resistir el ataque de los ácidos en azufre, cloro y flúor.
Equipado con un módulo de control del motor de gas que utiliza controles electrónicos ADEM™ III, el grupo electrógeno permite un control total del motor desde una única fuente. El grupo electrógeno puede utilizar combustible en una gama del 25 % al 100 % de metano, por lo que el equipo sigue siendo eficiente durante toda la vida de un proyecto de relleno sanitario o minería de carbón.
El G3520C Cat se encuentra disponible en modelos de 50 y 60 Hz y puede usarse en aplicaciones de gas de relleno sanitario, biogás y CMM en todo el mundo. Los proyectos de energía actuales en los que se utilizan grupos electrógenos alternativos incluyen una planta de energía de 9,6 LFG en San Antonio, Texas, una planta de energía de CMM de 120 MW en Jincheng, China y una instalación de tratamiento de agua residual de 1,6 MW en Hamilton, Ontario, Canadá.
FLEXIBILIDAD DEL COMBUSTIBLE Y SEGURIDAD DE LA ENERGÍA
De cara al futuro, también es importante considerar el aporte del CHP, la gestión del servicio público de la eficiencia y los programas de conservación y los recursos renovables a la seguridad de la energía. Los grupos electrógenos alternativos hacen un uso flexible del combustible, lo que los convierte en la piedra angular de una posible estrategia para reducir la dependencia de los Estados Unidos en el petróleo extranjero y los recursos no renovables como el carbón. La independencia energética es un tema de gran interés a nivel mundial. El hecho de reconocer que muchos recursos que se utilizan masivamente son limitados está llevando a muchos países a explorar y ampliar los recursos renovables y son una fuente constante de preocupación por problemas como los desastres naturales, los conflictos regionales o la manipulación de suministros en países que proveen petróleo y carbón al resto del mundo. Reducir la vulnerabilidad a cambios drásticos en el mercado de la energía es importante para garantizar energía asequible y confiable para uso en infraestructuras, hogares y comercios.
Tanto el gas de relleno sanitario como el biogás pueden utilizarse para alimentar grupos electrógenos alternativos de uso flexible de combustible, pero también se puede utilizar gas natural que produce bajas cantidades de óxido de nitrógeno. La eficiencia de los grupos electrógenos está comprobada, ya que ofrece la posibilidad de capturar y reutilizar el calor residual para las aplicaciones de CHP y al mismo tiempo cumplir con las normas nacionales y locales sobre las emisiones. Cuando se alienta a los servicios públicos a través del desacoplamiento a aprovechar los beneficios de los combustibles renovables y los sistemas CHP, esos beneficios pueden gestionarse desde una fuente central y distribuirse localmente a los clientes, lo que permite a las comunidades participar en el proceso de creación y conservación de la energía que usan.
La seguridad de la energía solo puede volverse realidad cuando todas las entidades que contribuyen están dispuestas y son capaces de invertir en los recursos nacionales disponibles. Comenzar por promover una tecnología existente como los grupos electrógenos alternativos puede conducir a un cambio fundamental en la forma que se produce, se vende y se distribuye la energía, lo que hace que Estados Unidos funcione con energía local limpia y eficiente.
REFERENCIAS
[1] Oregon Department of Energy. "Biogas Technology." Recuperado el 7 de agosto de 2008 de http://www.oregon.gov/ENERGY/RENEW/Biomass/biogas.shtml#landfill_gas