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Comprender las emisiones de los motores de gas en aplicaciones de potencia de respaldo
Diane Clifford Consultora de Mercado, Caterpillar Energy Solutions
Abril de 2019
RESUMEN
La normativa sobre la calidad del aire tiene gran impacto en la elección de los grupos electrógenos de motor para corriente eléctrica de respaldo. Las normas federales, estatales y locales pueden dictar el nivel de control de emisiones necesario y hacer que los motores a gas sean una opción más provechosa que la tecnología diésel tradicional.
INTRODUCCIÓN
Las normas cada vez más estrictas sobre las emisiones de aire han puesto a los motores de gas natural a la vanguardia de las aplicaciones de potencia de respaldo.
Aunque ofrecen perfiles de emisión más bajos, los motores de gas más recientes diseñados para servicios de reserva ofrecen arranque rápido y una capacidad de aceptación de carga similar a la de los motores diésel, a un costo instalado competitivo por kW y con menores costos a largo plazo para el combustible y el mantenimiento.
Elegir motores de gas para el servicio de reserva es más complejo que simplemente seleccionar e instalar un grupo electrógeno diésel con el tamaño adecuado para las cargas de respaldo previstas. Es necesario comprender la calidad y la composición del gas junto con los servicios de tratamientos aplicables. Al igual que el diésel, lo óptimo. Para realizar una elección óptima del equipo de gas es necesario comprender las tecnologías de control de emisiones y las normas de emisiones federales, estatales, regionales y locales.
Antes de seleccionar un sistema de potencia de respaldo a gas, los ingenieros y los administradores de la planta deben considerar detenidamente las opciones en virtud de los objetivos operativos y de las normas de emisión específicas del sitio.
Conocer las reglas
En gran medida, el uso previsto del equipo de respaldo de gas determina las normas de emisión en el sitio. Solo para uso exclusivo de respaldo/emergencia: se espera que los motores solamente funcionen brevemente durante prácticas de rutina y emergencias, las normas de emisión no suelen ser tema importante. En este caso, se permite que el motor esté en funcionamiento durante el corte.
Esto cambia en el caso de los motores instalados con otros fines, pero que también ofrecen capacidad de respaldo. Por ejemplo, en aplicaciones de administración de carga (respuesta a la demanda), los generadores de motores de gas ofrecen un beneficio financiero al bajar las tarifas de los servicios públicos de electricidad y también tienen el beneficio adicional de disponibilidad para el servicio de respaldo. Lo mismo sucede con los generadores de motor en instalaciones de calor y potencia combinados (CHP). En estos casos, las horas previstas de funcionamiento son mucho más prolongadas que en el respaldo puro, por lo que las normas de emisión son más restrictivas.
Además de estas consideraciones, las normas de emisiones pueden variar sustancialmente de una región a otra. Las normas de emisión son un impulsor principal de los motores con combustible gaseoso como alternativas a los diésel para la potencia de respaldo. En general, la normativa federal autoriza que los grupos electrógenos de motor para aplicaciones fijas de emergencia de la Agencia de Protección Ambiental (EPA, Environmental Protection Agency) funcionen solamente 100 horas al año o menos durante situaciones que no sean de emergencia, como pruebas y mantenimiento. Otras aplicaciones que no sean el suministro de corriente durante un corte del servicio público se clasifican como no de emergencia y para los motores diésel requieren normas de emisión Tier 4 de la EPA (Tabla 1).
Tabla 1: Emisiones permitidas para motores diésel y de gas natural según la aplicación (EPA de EE.UU.)
Figura 1: Catalizador de oxidación integrado con silenciador para controlar CO en un grupo electrógeno de gas de 2 MW
Se aplican reglas más estrictas a las áreas que la EPA de EE.UU. clasifica como áreas que no cumplen con la normativa federal de calidad de aire. Los valores límite para que los sitios se conviertan en una fuente principal varían en función de la gravedad del incumplimiento; por ejemplo, 50 toneladas/año en Chicago y la ciudad de Nueva York y 10 toneladas/año en Los Ángeles. Las fuentes principales están sujetas a normas de emisión rigurosas y costosas. Como resultado, las principales plantas con amplios requisitos de capacidad diésel de respaldo pueden exceder los límites de tonelaje anual del sitio y convertirse en una fuente importante cuando funcionan solamente durante pruebas y mantenimiento aprobados a nivel federal.
Las normas de emisiones fijas federales deben cumplirse, pero los requisitos de los organismos gubernamentales estatales y locales tienen la autoridad para hacer que las normas de emisión sean más estrictas. Por ejemplo, la Comisión de Recursos del Aire de California (CARB, California Air Resources Board) establece las normas de emisión de su estado para una variedad de fuentes de contaminación, y los 35 distritos de control de contaminación del aire local pueden regular aún más las emisiones de varias empresas y plantas basándose en su situación local. Todo esto favorece a los equipos de potencia de respaldo a gas natural.
Emisiones del motor de gas
Al igual que los motores diésel, los motores de gas cuentan con clasificaciones de emisiones certificadas en la planta de producción (por ejemplo, 1 gramo de NOx por caballos de fuerza/hora de freno para unidades de potencia principal no de emergencia, como se observa en la Figura 1). Sin embargo, a diferencia de los diésel, pueden conectarse con dispositivos de postratamiento de escape desplegados en campo para controlar mejor las emisiones, en algunos casos, sujetos a las pruebas de rendimiento de emisiones in situ.
Los motores de gas de respaldo de mezcla pobre ofrecen ventajas sustanciales por encima de la tecnología anterior de mayor consumo en lo que refiere a la economía del combustible, la salida de potencia, la vida útil, la fiabilidad y lo que es más importante el perfil de emisiones. Los motores de mezcla pobre que funcionan con una mezcla pobre de combustible y aire, esencialmente funcionan con bajas temperaturas de cilindro que limitan la formación de NOx y otras emisiones. Generalmente pueden respetar cualquier límite de NOx del sitio. Las partículas, los hidrocarburos no quemados (THC) y el CO son extremadamente bajos y por lo general no se necesita postratamiento de escape.
Sin embargo, existen casos, particularmente a mayor altitud, donde estas emisiones pueden estar fuera de conformidad localmente. Por ejemplo, un grupo electrógeno de 1 MW con clasificación de 2 g/bhp-h NOx produciría aprox. 6,3 % más THC y 2,8 % más CO a una altura de 2.438 m (8.000 pies) que la misma unidad a una altura de 152 m (500 pies). En esos casos, un catalizador de oxidación poco costoso puede controlar mejor los componentes de las emisiones específicas que están fuera de conformidad (Figura 1). Para respetar los límites de NOx extremadamente bajos, también se puede implementar una reducción catalítica selectiva (SCR, selective catalytic reduction). Para los motores no de emergencia, probablemente el catalizador de oxidación deba cumplir con las Normas de Emisiones Nacionales para Contaminantes Peligrosos del Aire (NESHAP, National Emission Standards for Hazardous Air Pollutants).
Alcanzar el mejor valor
No hay una respuesta adecuada a la pregunta acerca de cuál es el mejor tipo de generación de energía para la potencia de respaldo. Debería quedar en claro cuál es la mejor propuesta de valor en base a una evaluación justa del nivel de soporte de respaldo que la aplicación requiere, el posible costo de la pérdida de energía, el sistema integral instalado y los costos de operación y mantenimiento.
Al elegir una solución de potencia de respaldo, resulta útil consultar con un distribuidor o representante de un fabricante de generadores de motor con experiencia en el mercado de reserva. Estos profesionales tienen acceso a generadores de motor en una amplia gama de clasificaciones de potencia y configuraciones. Al conocer las necesidades de las diferentes instalaciones comerciales, industriales e institucionales, pueden ayudar a seleccionar el sistema de reserva más adecuado con el costo óptimo de instalación, funcionamiento y mantenimiento. También están familiarizados con los requisitos del código de potencia de respaldo y con las preferencias de la autoridad local con jurisdicción (AHJ).
Los distribuidores pueden gestionar la ingeniería, la obtención y la construcción de todo el proyecto, y suministrar todos los motores, generadores, transformadores, equipos de conmutación y otros accesorios necesarios. También tienen acceso a los programas de financiación del fabricante para ayudar a completar el proyecto con un presupuesto y un flujo de caja favorables. Un enfoque metódico puede permitir una buena selección de grupos electrógenos de respaldo que cumplan con los objetivos de funcionamiento y los requisitos específicos del sitio.
Acerca de la autora
Diane Clifford es consultora de mercado en Caterpillar Energy Solutions, situada en Lafayette, Indiana.
Acerca de Caterpillar
Durante casi 90 años, Caterpillar Inc. ha hecho posible el progreso sostenible e impulsado cambios positivos en todos los continentes. Los clientes recurren a Caterpillar para que los ayude a desarrollar activos de infraestructura, energía y recursos naturales. Con ventas y utilidades de $54.700 millones en 2018, Caterpillar es el principal fabricante del mundo de equipo de minería y construcción, motores diésel y a gas natural, turbinas industriales a gas y locomotoras diésel y eléctricas. La empresa opera principalmente a través de tres segmentos de productos: la industria de la construcción, la industria de recursos y de energía y transporte. Además, ofrece financiamiento y servicios relacionados a través de su segmento de productos financieros. Para obtener más información, visite caterpillar.com. Para comunicarse con nosotros en las redes sociales, visite caterpillar.com/social-media.