¿Motores? ¿Turbinas? ¿Ambos? Elección de la energía para los proyectos de CHP

El motivo principal de la posición favorable de los precios del gas es que la producción de gas de esquisto a través de la fracturación hidráulica (fracking) ha aumentado en gran medida la oferta. Los precios promedio de gas natural al por mayor cayeron un 31 por ciento en 2012, y los precios recientes en general oscilaron entre $3 y $5/MMBtu, niveles que no se veían desde principios de la década de 1990.

Mientras tanto, los precios del servicio público de electricidad han aumentado de forma constante y se prevé que no dejen de hacerlo debido a la retirada de centrales de carbón, las mejoras de infraestructura de transmisión y distribución, y muchos otros factores. La demanda de electricidad continúa creciendo más rápido que la oferta (aunque más lento ahora que antes de la recesión del 2008). Como resultado, las empresas de servicios públicos se enfrentan a costos significativos a la hora de construir nuevas plantas de energía y ampliar su infraestructura de transmisión, a menudo con resistencia política, tanto a nivel nacional como local. En este caso, los motores y las turbinas pueden desempeñar funciones valiosas.

2 Today in Energy, resumen de 2012: Los precios mayoristas promedio del gas natural cayeron un 31 % en el 2012, U.S. Energy Information Administration

Satisfacción de la demanda

Como recursos energéticos distribuidos, los motores y las turbinas son intrínsecamente más eficientes que las grandes centrales eléctricas centralizadas. Por ejemplo, una central térmica a carbón de servicio público suele tener una eficiencia de entre el 30 % y 35 %, y las pérdidas en las líneas de transporte y distribución de larga distancia hacen que la eficiencia neta en el punto de utilización pueda ser de entre el 23 % y el 27 %. En comparación, una instalación de motor o turbina a gas tiene una eficiencia eléctrica de entre el 35 % y 45 % (según el valor térmico bajo del combustible), y las pérdidas en la línea son mínimas si la energía se utiliza en las cercanías. La incorporación de recuperación térmica puede aumentar la eficiencia total de los recursos hasta el 90 % o incluso más. Consulte la Figura 2.

Las políticas públicas y el afán de la sostenibilidad también impulsan la adopción de los combustibles gaseosos: las turbinas y los motores a gas producen menos emisiones de dióxido de carbono que las fuentes de carbón (Figura 3).

3 U.S Energy Efficiency Administration

Aunque los motores y las turbinas comparten muchos atributos, también pueden ocupar nichos distintos, como se demuestra en la Figura 4.

Como recursos de generación distribuida y CHP, ambas tecnologías se instalan rápido, y los costos iniciales por kW son relativamente bajos. Emiten bajos niveles de NOx y otras sustancias contaminantes reguladas. Son muy fiables y, a menudo, alcanzan hasta el 98 % de tiempo productivo cuando se mantienen y operan de forma correcta.

Ambas tienen un excelente historial de funcionamiento continuo y alta carga. Tienen funcionamiento eficiente con diversos combustibles. Los sistemas son permisivos a la hora de adaptarse al espacio disponible: se pueden emplear configuraciones múltiples y flexibles. Consulte el ejemplo de la Figura 5 y la 6.

Atributos de las turbinas

Las turbinas son adecuadas para el funcionamiento a carga plena durante muchas horas al año. Debido a la economía favorable del CHP, puede que sea una opción atractiva para un servicio continuo de carga básica. Este es el caso cuando la energía del servicio público local no es fiable o es de mala calidad. El mayor atributo de las turbinas en el servicio de CHP es su alta relación calor-potencia. Producen un gran volumen de gases de escape a temperaturas de alrededor de 490 °C (900 °F), frente a los 400 °C (750 °F) de los motores de mezcla pobre. Como resultado, producen vapor de alta calidad y alta presión muy por encima de 690 kPa (100 psi), por lo que son adecuadas para muchos procesos industriales. Las turbinas de combustión también producen oxígeno en exceso en los gases de escape, lo que genera grandes variaciones en el rendimiento térmico.

Además, las turbinas son ligeras y ocupan poco espacio, por lo que producen de tres a cuatro veces la potencia en el mismo espacio que los motores de movimiento alterno de misma capacidad. Su diseño es muy simple: no hay que mantener un sistema de enfriamiento líquido, ni cambiar aceite lubricante, ni sustituir bujías, ni realizar reparaciones complejas (solo la sustitución de la cámara de combustión tras unas 60.000 horas de servicio).

Las emisiones son muy bajas, sobre con los avances más recientes, como la tecnología de combustión premezclada pobre. Las turbinas son ideales para cargas de 5 MW y considerablemente mayores. Pueden funcionar con combustibles de bajo consumo y funcionan muy bien con combustibles de alto BTU, como el propano.

Atributos de los motores

Los motores avanzados de movimiento alterno de combustión pobre actuales suelen ser más eficientes que las turbinas en cuanto a consumo de combustible en aplicaciones de corriente eléctrica pura. Tienen un costo inicial más bajo por kW en proyectos más pequeños (por lo general, de menos de 10 MW) y toleran mejor las altas altitudes y las temperaturas ambiente más altas. Funcionan con combustible a baja presión, de 10 kPa a 35 kPa (1,5 psi a 5 psi), lo que elimina los costos de instalación y el mantenimiento de un sistema de compresión de combustible.

Además de quemar gas natural por tubería, los motores aceptan con facilidad varios de los mismos combustibles de bajo consumo que pueden utilizar las turbinas, como el biogás agrícola, el gas de digestión de las plantas de tratamiento de aguas residuales y el gas de relleno sanitario, así como combustibles especializados, como el gas de carbón y el metano de las minas de carbón. Existen versiones de motores de movimiento alterno "endurecidos" que pueden aceptar ciertos niveles de impurezas en el combustible de bajo consumo, como el sulfuro de hidrógeno (H2S) o los haluros, sin necesidad de un tratamiento exhaustivo del combustible, lo que también genera ahorros en costos iniciales y de vida útil.

En el servicio de cogeneración, los motores tienen varias fuentes de calor recuperables: escape, agua de las camisas, posenfriador y enfriador de aceite. Pueden producir calor en forma de agua tibia, agua caliente y vapor de baja a media presión (del escape). El mayor diferenciador de los motores es su capacidad para seguir cargas variables y entrar en línea con rapidez, en la mayoría de los casos, en menos de 15 o 30 segundos. Por este motivo, son ideales para la generación distribuida a favor de las redes eléctricas de servicio público. Por lo general, las empresas de servicios públicos necesitan más capacidad no para satisfacer la carga básica de bajo costo, sino las demandas máximas de alto costo que pueden generarse solo durante unas pocas semanas o meses al año y en ciertas horas del día. Consulte la Figura 7.

Esto favorece los recursos de bajo costo y de rápida puesta en línea ubicados cerca del punto de uso final, un nicho para el cual los motores de movimiento alterno a gas son ideales. De hecho, muchas empresas de servicios públicos ofrecen incentivos tarifarios para la instalación de ese tipo de recurso exacto, colocado en una subestación de la empresa de servicios públicos o alojado en el sitio de un gran usuario comercial o industrial, que funciona en paralelo con la red y ayuda a satisfacer la demanda máxima de la empresa.

Históricamente, se utilizaban generadores alimentados a diésel para este fin, algunos de los cuales funcionaban entre 100 y 500 horas al año para ayudar a las empresas de servicios públicos a hacer frente a las demandas estacionales máximas. Hace poco tiempo, con las normativa más estrictas en cuanto a la calidad del aire y el aumento de los precios del combustible diésel, las unidades alimentadas a gas se han adaptado mejor a este tipo de tareas. Gracias a sus costos de operación menores por kWh, pueden funcionar de forma rentable hasta 3.000 horas al año, o más si es necesario y la estructura de tarifas eléctricas existente lo permite.

A su vez, la ampliación de las horas de funcionamiento ayuda a justificar la inversión en equipos para recuperar el calor de los gases de escape y los fluidos del generador, un calor que puede servir para una gran variedad de usos: calefacción del espacio y el agua de los edificios, aire acondicionado (mediante enfriadores de absorción), deshumidificación por desecación y calor o refrigeración (o ambos) para una gran cantidad de procesos industriales. La recuperación térmica mejora la economía, de modo que hacer funcionar los sistemas durante 4.000 horas anuales resulta rentable, en especial la mitad del año, o incluso más. Consulte la Figura 8.

Estos sistemas alimentados a gas son aún más atractivos cuando también pueden funcionar como respaldo cuando la energía del servicio público se interrumpe con frecuencia. El aumento de la demanda máxima supone un reto cada vez mayor para las empresas de servicios públicos a la hora de mantener la calidad y fiabilidad de la energía. Los cortes prolongados debido a tormentas, inundaciones o incendios no son el mayor problema, ya que suelen ser poco frecuentes. Más preocupantes son las fluctuaciones de voltaje, que pueden dañar las computadoras y otros aparatos electrónicos sensibles, y los cortes múltiples y de corta duración que representan una amenaza para los procesos de fabricación. Con un sistema de generación en el sitio fiable, se brinda protección segura contra este tipo de sucesos.

¿CUÁL ES LA MEJOR TECNOLOGÍA?

En muchos, si no en la mayoría de los proyectos de CHP, la elección entre motores y turbinas es clara, siempre que se haga un buen análisis económico. Por ejemplo, si la aplicación usa gas a baja presión, requiere una recuperación térmica a baja temperatura y está a gran altura, o implica cargas variables, lo más probable es que los motores de movimiento alterno sean la opción preferida. Si la instalación tiene una carga eléctrica elevada y relativamente constante y requiere la recuperación térmica en forma de vapor a alta presión, lo más probable es que se prefieran las turbinas.

En determinadas aplicaciones, los sistemas híbridos motor-turbina pueden ser beneficiosos. Pensemos en una instalación que tiene una carga variable con picos de 20 MW, una carga térmica importante que necesita vapor de alta calidad y otras cargas térmicas que utilizan calor de menor calidad. Una aplicación de este tipo podría funcionar bien con una turbina de 10 MW que proporcione carga básica y vapor, 5 MW de motores de movimiento alterno que funcionen de forma continua y produzcan agua caliente, y otros 5 MW de motores sin recuperación térmica, que sigan la parte variable de la carga eléctrica.

VARIAS APLICACIONES

Los motores y turbinas se utilizan en aplicaciones de CHP que incluyen servicios públicos de electricidad, hospitales, universidades, calefacción urbana, desalinización de agua de mar, procesamiento de alimentos, textiles, refinado petroquímico, procesamiento químico, productos farmacéuticos, pulpa y papel, y fabricación en general.

La recuperación térmica se puede mejorar mediante la combustión complementaria con gas natural, lo que aumenta las temperaturas de los gases de escape y la producción de calor para producir vapor a mayores volúmenes y presiones. Además, el calor recuperado se puede utilizar a fin de producir agua fría para el enfriamiento de espacios o procesos mediante el paso de vapor, agua caliente o gases de escape por enfriadores de absorción, que utilizan calor, en lugar de electricidad, como fuente de energía.

La eficiencia de las enfriadoras de absorción se mide mediante el coeficiente de rendimiento (COP, Coefficient of Performance). Los enfriadores de absorción de efecto simple y bajo costo relativo se activan a temperaturas tan bajas como 93 °C (200 °F), y el COP suele oscilar entre 0,7 y 0,9. Las unidades de doble efecto más complejas, que se activan a 175 °C (347 °F), alcanzan un mayor COP (de 1,05 a 1,4), aunque con un mayor costo inicial.

Los sistemas de recuperación térmica se pueden configurar para implementar una parte del calor en la producción de agua y vapor, y el resto en enfriadores de absorción o a enfriadores accionados por turbinas de vapor, un concepto denominado tri-generación. Como alternativa, los sistemas pueden producir calor espacial en invierno y aire acondicionado en verano.

EVALUACIÓN DE LA ECONOMÍA

Todo proyecto de cogeneración se reduce a una cuestión económica: ¿Se podrá recuperar la inversión en equipos con el ahorro de costos energéticos, los ingresos por la venta de electricidad a la red, o ambos? En general, las perspectivas son mejores en los mercados donde se dan las siguientes condiciones:

• El costo de la electricidad es relativamente alto.
• El precio del combustible es relativamente bajo.
• El sistema funciona con un alto factor de carga eléctrica y térmica.
• Las cargas eléctricas y térmicas coinciden durante un día típico.
• El sitio requiere una alta fiabilidad y calidad de la energía.
• El sistema de cogeneración puede servir como fuente de potencia de reserva.
• Se otorgan subvenciones o reembolsos por eficiencia energética.
• La empresa local de servicios públicos debe cumplir las Normas de cartera de renovables o los requisitos similares para implementar energía renovable o ecológica.

La disponibilidad de un "combustible de oportunidad" de bajo costo, como el digestor anaeróbico o el gas de relleno sanitario, suele mejorar la economía. 

En realidad, el precio de la electricidad afecta mucho más a la rentabilidad económica que el precio del combustible, como se muestra en la Figura 9.

Por ejemplo, con cualquier precio del combustible, el tiempo de amortización es similar con un precio del gas de $4/MMBtu (la tarifa industrial vigente en EE.UU.), de $10/MMBtu (precio subvencionado de referencia en Europa) o en puntos intermedios. Sin embargo, el tiempo de amortización aumenta a medida que bajan los precios de la electricidad.

Otro factor esencial de la amortización es el uso del equipo o el factor de carga. En general, cuanto menor sea el factor de carga, mayor será la amortización. Con factores de carga del 80% o inferiores, el tiempo de amortización empieza a aumentar con rapidez, ya que el activo no se utiliza en su totalidad. Sin embargo, hay otras consideraciones que pueden ser más importantes que el factor de potencia, como tener una necesidad crítica de seguridad energética o de proteger un proceso de alto valor del tiempo improductivo por la pérdida de energía.

Comprobación de la viabilidad

Se necesitan conocimientos especializados para evaluar la economía de los proyectos de CHP. Por eso, antes de invertir en un estudio de viabilidad completo, lo lógico es primero comprobar si hay defectos críticos, es decir, obstáculos físicos o de costo que harían que el proyecto propuesto fuera inviable. Por ejemplo:

• ¿Será difícil en términos técnicos o imposible por cuestiones de precio obtener un permiso de calidad del aire?
• ¿Será difícil conseguir un permiso de aguas residuales para verter el agua de refrigeración del motor o el condensado de los gases de escape?
• ¿Es demasiado pequeño el espacio disponible en la obra para el motor y el equipo de recuperación térmica?
• ¿Necesitará el servicio de gas natural una costosa actualización para suministrar el combustible necesario?
• ¿Es adecuada para distribuir la energía generada la infraestructura de corriente eléctrica de la instalación?
• Si el éxito del proyecto requiere que el exceso de energía eléctrica generada se exporte a la red, ¿impiden las políticas locales de las empresas de servicios públicos esa venta?
• Si se puede exportar energía a la empresa de servicio público local, ¿es demasiado bajo el precio de compra de energía disponible para permitir una operación rentable?

Si la respuesta a cualquiera de estas preguntas es afirmativa, entonces, a menos que la economía proyectada sea realmente convincente por algún motivo, puede que no merezca la pena seguir adelante con el proyecto de cogeneración. Sin embargo, si no hay obstáculos evidentes, el siguiente paso es realizar un análisis económico de alto nivel. Esto implica calcular y apilar los costos y ahorros (o ingresos) de los componentes por kWh para llegar al beneficio neto. Un distribuidor local de generadores de motor o un representante de ventas de turbinas puede ser una buena fuente a quien acudir para realizar estimaciones razonables basadas en la experiencia. Los componentes de mayor costo son los siguientes:

• Combustible: suele ser lo más importante, ya que supone entre el 60 % y 80 % del costo del proyecto (mucho menos si se dispone de un "combustible de oportunidad").
• Recuperación del capital: principal e intereses (P&I, principal and interest) de la inversión en equipos.
• Operaciones y mantenimiento (O&M, operation and maintenance): personal, componentes y suministros para las operaciones diarias, el servicio periódico y las reparaciones.

Del total de estos costos, se deduce el crédito térmico, el valor económico del calor recuperable. Para ello, se suele estudiar el costo por kilovatio-hora que conlleva la sustitución del sistema térmico existente por otro de mayor eficiencia. Si el costo total neto por kilovatio-hora resultante es muy inferior al precio de venta al público de la electricidad, incluidos los cargos por demanda, es posible que merezca la pena realizar una investigación más profunda del proyecto mediante un estudio de ingeniería.

Conocimiento de los costos de la electricidad

En el último análisis, es esencial conocer en detalle la estructura de costos de la electricidad de la empresa de servicio público. Esto incluye lo siguiente:

• el perfil de carga de la instalación y la cantidad de energía y demanda máxima y mínima utilizada;
• las tarifas energéticas de demandas máxima y mínima actuales y las alternativas disponibles (como las tarifas interrumpibles) que serían beneficiosas con un sistema de CHP en el sitio;
• cargos de demandas máxima y mínima, así como cargos de reserva, disposiciones de ajuste y cualquier otra penalización por falta de disponibilidad;
• incentivos de cogeneración existentes o pendientes (de la empresa de servicio público o el gobierno).

Lo ideal sería que el proyecto se desarrolle en una relación cooperativa con la empresa local de servicios públicos. Por ejemplo, un proyecto en el que se reducen los costos generales de energía del usuario y se ayuda a la empresa de servicios públicos a limitar la demanda máxima de su red es un proyecto beneficioso para todos. Incluso se pueden aprovechar los incentivos de la empresa de servicios públicos que mejoran la amortización económica.

SELECCIÓN DE UN SOCIO

Pocas organizaciones cuentan con la experiencia interna necesaria para planificar y ejecutar proyectos de CHP con turbinas o motores de movimiento alterno. Los proveedores de equipos y los consultores pueden proporcionar respaldo vital, desde la planificación del proyecto hasta el diseño, la financiación, la construcción, el funcionamiento y el mantenimiento.

Un socio de proyecto adecuado debe tener grandes conocimientos del CHP en general, los sistemas de generación de motores de movimiento alterno y turbinas de gas, y un historial de implantación de ambos en proyectos rentables. Un socio de este tipo puede ayudar a elegir la mejor tecnología o la mejor combinación de tecnologías que se adapte a las necesidades de electricidad y calor del sitio y los objetivos económicos del propietario.

El tiempo de respuesta rápido del servicio, la entrega inmediata de piezas de repuesto, y los servicios eficientes de reparación y revisión son esenciales: el servicio y la asistencia técnica locales pueden servir para garantizar que un proyecto se ejecute y mantenga de forma correcta a fin de evitar el tiempo improductivo imprevisto y optimizar los ingresos y ahorros.

Un socio ideal ofrece respaldo integral para cada fase del proyecto, incluida la capacidad llave en mano para diseñar, construir y operar el proyecto. Una opción atractiva es firmar un contrato completo de mantenimiento y servicio de varios años con un proveedor de equipos. De esta forma, se asegura un servicio atento de piezas, mantenimiento y reparación, a menudo con una garantía contractual de tiempo productivo, con una cuota mensual o anual fija y predecible.

La financiación es un componente fundamental de cualquier proyecto de CHP. Hay varias opciones disponibles que incluyen la financiación de la construcción y la deuda a largo plazo para todo el proyecto: sistema de generación de energía, equipo de recuperación térmica, equipos de conmutación y control eléctricos, equipos auxiliares y edificios.

AHORA ES CUANDO

Los combustibles gaseosos se están convirtiendo en la opción preferida para la generación de energía eléctrica. Hoy en día, el gas está más disponible que nunca, y la mejora constante del margen entre costo total y costo primo de generación eléctrica hace que los usuarios exploren el valor de la generación distribuida y el CHP con turbinas y motores a gas.

Tanto las turbinas como los motores de movimiento alterno han demostrado su valor para los usuarios en aplicaciones de generación de energía. Cada tecnología, con una buena aceptación en el mercado actual a nivel mundial, ha sido de preferencia para los usuarios que buscan alternativas energéticas y térmicas fiables. Todo esto supone una gran oportunidad para los sistemas de CHP a gas. Ha llegado el momento de que los usuarios y productores de energía de instalaciones industriales y comerciales exploren las posibilidades económicas del CHP con las tecnologías actuales de motores y turbinas a gas.

ACERCA DE LOS AUTORES

Michael A. Devine es director de Marketing de Productos a Gas de la División de Potencia Eléctrica de Caterpillar Inc. con sede en Lafayette, Indiana. Se lo puede contactar en Devine_Michael_A@cat.com.

Chris Lyons es director de Soluciones de Generación de Energía de Solar Turbines, una filial de Caterpillar Inc. Se lo puede contactar a través de Lyons_Chris_D@solarturbines.com.