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Consideraciones iniciales
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Consideraciones iniciales
Condiciones necesarias para hacer un proyecto de
cogeneración:
1. La empresa que va a hacer el proyecto debe tener una
necesidad de calor y o frío* en su proceso.
2. Debe existir la posibilidad para que la electricidad
generada sea aprovechada en la misma planta y en
caso que hayan excedentes de electricidad, éstos
puedan ser vendidos.
3. Debe haber disponibilidad de combustible, ya sea que
éste pueda ser comprado o que se aproveche algún
desecho de la misma planta de proceso o una mezcla
de ambos.
* Por medio de equipos de refrigeración por absorción se puede aprovechar una fuente de calor para
producir frío.
Consideraciones iniciales
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comerciales se requiere de vapor para procesos de
cocinado de alimentos, secado, lavado de ropa,
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2. El común denominador de esas aplicaciones es que se
utiliza vapor saturado con una presión entre 75 y
150psig, por lo tanto las calderas para producir ese
vapor vienen diseñadas para operar en ese rango.
3. Para éstas aplicaciones se utiliza combustibles fósiles y
no se cogenera electricidad.
Consideraciones iniciales
Posibles escenarios de cogeneración:
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Consideraciones iniciales
Posibles escenarios de cogeneración:
2. Caldera y turbina de vapor
Energía Química
(combustible)
Energía Térmica
. Alta Presión
. Alta Temperatura
. Alta Entalpía
. Bajo Volumen Específico
Energía eléctrica
. Generadores
Accionamientos
. Bombas
. Compresores
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. Otros
Energía Térmica
. Baja Presión
. Baja Temperatura
. Baja Entalpía
. Alto Volumen Específico
CALDERA
TURBINA
DE VAPOR
ENERGIA
TÉRMICA
ENERGIA
MECÁNICA
Proceso
Consideraciones iniciales
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calderas y turbinas de vapor:
1. Flexibilidad para el uso de combustibles en gas,
líquidos, sólidos, fósiles, biomasa, etc.
2. Flexibilidad para el ajuste de la cantidad de vapor de
proceso y energía a generar.
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válvula reductora en la caldera para tener disponible el
vapor de proceso y utilizar energía del concesionario,
mientras se soluciona el problema de la turbina.
4. En caso de utilizarse biomasa, se podría combinar con
otros tipos de combustibles más comerciales, como gas
natural o bunker, para que no exista dependencia.
Consideraciones iniciales
Consideraciones técnicas cuando se va a implementar
un proyecto de cogeneración:
1. Las calderas a utilizar deben ser para vapor de alta
presión, alta temperatura, alta entalpía y bajo volumen
específico. Lo cual, en la mayoría de los casos, va a
implicar un cambio en la caldera existente.
2. Cuando el vapor pase por la turbina se va a generar
energía mecánica que puede aprovecharse para
producir energía eléctrica o para mover una carga
mecánica directamente.
3. Se puede utilizar el vapor de salida de la turbina ya sea
en el escape o por medio de una extracción controlada
para el proceso.
Consideraciones iniciales
Consideraciones técnicas cuando se va a implementar
un proyecto de cogeneración:
4. El vapor que se va a tener en la extracción o en el
escape de la turbina va a ser sobrecalentado y la gran
mayoría de procesos industriales necesitan vapor
saturado, por lo tanto va a ser necesario temperar el
vapor de salida de la turbina.
Presión Alta
Temp. Alta
Presión Baja
Temp. Baja
Energía
Eléctrica
Cogenerada Y
Caldera Alta
Presión
Turbina
Vapor
Turbogenerador
Hacia el
proceso
Consideraciones iniciales
Diagrama de Vapor (Mollier)
[ kcal/kg ]
Entalpia
780
768
675
651
500° C
450° C
400° C
350° C
300° C
250° C
200° C
150° C
Consideraciones iniciales
Poder calorífico de combustibles- Kcal/kg
 Algodón 3.300
 Bagazo de caña 1.800
 Bambú 3.800
 Carbón mineral 7.500
 Carbón vegetal 3.830
 Cáscara de algodón 3.000
 Cáscara de maní 3.000
 Cáscara de café 3.000
 Cáscara de arroz 2.900
 Cáscara de cacao 3.000
 Cáscara de coco 5.000
 Leña húmeda 2.900
 Papel 4.000
 Polietileno 10.000
 Bunker 9.700
 Gas natural 9.400
Kcal/m3
Consideraciones iniciales
Turbina a vapor
Consumo de combustible
 Consumo de combustíble
 CC = Flujo de vapor x ( Entalpia - 105 )
PCI x Eficiencia caldera
 Flujo del vapor = kg/h
 Entalpia del vapor = Kcal/kg, conforme diagrama
 PCI = Poder calorífico inferior,Kcal/kg, conforme tabla
 Eficiencia de la caldera = 0,85 a 0,90
Consideraciones iniciales
Posibles configuraciones del proyecto, dependiendo
de las necesidades del cliente:
1. Con el consumo de vapor dado para el proceso, se
puede generar la cantidad exacta de energía que
requiere la planta (caso ideal).
2. Con el consumo de vapor dado para el proceso, se
puede generar la cantidad exacta de energía que
requiere la planta y se deben vender los excedentes de
energía a la empresa de distribución eléctrica.
3. Con el consumo de vapor dado para el proceso, se
puede generar una cantidad de energía inferior a la que
requiere la planta lo cual implica hacer un proyecto con
turbina de condensación o seguir comprando una parte
de la energía
Casos
Ejemplo práctico caso #1:
Condiciones Iniciales:
Consumo de vapor de proceso: 50,000.00lb/h
Presión de vapor de proceso: 34psia
Combustible de la caldera: Bunker C (PCI: 41MJ/kg)
Relación de consumo de bunker: 1l Bunker => 27lb Vapor
Costo Bunker: US$0.36 por litro
Consumo eléctrico: 4.2MW
Costo promedio del KWh: US$0.14
Horas de operación / Días de operación al año: 24h / 340d
Costo anual de combustible: US$5.44M
Costo anual del energía eléctrica: US$4.80M
Casos
Ejemplo práctico caso #1:
Condiciones Finales:
Vapor producido en la caldera: 55,000.00lb/h
Presión de vapor de la caldera: 1015psia
Extracción para des aireador: 194 psia / 5,000lb/h
Combustible de la caldera: Biomasa (leña, bagazo, etc.)
Relación de consumo leña: 1lb bagazo => 2.2lb Vapor
Costo Biomasa: US$40 por tonelada
Generación eléctrica bruta: 4.2MW
Generación eléctrica neta: 3.6MW => US$4.11M /año
Horas de operación / Días de operación al año: 24h / 340d
Costo anual de combustible: US$3.71M
Casos
Ejemplo práctico caso #1:
Análisis de retorno de inversión:
Costo inicial de Bunker y Electricidad: US$9.55M /año
Costo final combustible: US$3.71M /año
Ganancia bruta: US$5.84M /año
Costo estimado operación y mantenimiento: US$0.9M /año
Valor estimado del proyecto completo: US$9M
Costo préstamo 15% anual / 10 años: US$1.79M /año
Valor Actual Neto: US$4.7M considerando un promedio
ponderado del costo de capital (WACC) del 17%
Tasa interna de Retorno: 33%
Tiempo de recuperación de la inversión: 3 años
Casos
TURBINA
DE VAPOR
Des aireador
Potencia Bruta:
4.2 MW
Caldera de Biomasa
Combustible: bagazo, leña, etc.
Generador
Proceso: 34 psia
50,000 lb/h
~
55,000 lb/h 1015psia
5,000 lb/h 194psia
Casos
Ejemplo práctico caso #2:
Condiciones Iniciales:
Éste es un caso de cogeneración con cascarilla de arroz
donde el cliente requiere calor para secado del arroz y
energía eléctrica para el proceso. Para el secado del arroz
se van a utilizar los gases de escape de la caldera
Consumo de vapor de la caldera: 24,200.00lb/h
Presión / Temperatura de vapor: 600psia / 420°C
Relación consumo cascarilla: 1kg Cascaril. => 3.7kg Vapor
Costo Cascarilla: US$0 por tonelada
Generación eléctrica bruta: 2.2MW
Generación eléctrica neta: 1.9MW
Costo promedio del KWh consumido: US$0.18
Casos
Ejemplo práctico caso #2:
Horas de operación / Días de operación al año: 24h / 340d
Costo anual de energía eléctrica: US$2.79M
Ganancia bruta: US$2.79M
Costo estimado operación y mantenimiento: US$0.4M /año
Valor estimado del proyecto completo: US$5M
Costo préstamo 8% anual / 10 años: US$0.75M /año
Valor Actual Neto: US$2.3M considerando un promedio
ponderado del costo de capital (WACC) del 17%
Tasa interna de Retorno: 31%
Tiempo de recuperación de la inversión: 4 años
Casos
TURBINA
DE VAPOR
Potencia Bruta:
2.2 MW
Caldera de Biomasa
Combustible: cascarilla de arroz
Generador~
24,200 lb/h 600psia
Codensador
Hablemos de ingenios azucareros
 Bar/ ºC (kcal/kg) t.escape °C (MW) 100 t/hr
 21/300 722 127 8,8
 42/400 767 130 12,9
 42/480 812 188 14,7
 42/510 829 209 15,4
 65/480 805 150 16,1
 65/510 823 171 16,8
 85/510 817 146 17,6
CUAL ES LA MEJOR PRESION Y TEMPERATURA PARA UNA
NUEVA PLANTA ELECTRIA EN UN INGENIO?
Hablemos de ingenios azucareros
Bagazo
Energía Química
(combustible)
CALDERA
TURBINA
DE VAPOR
TURBINA DE
VAPOR
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~
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¡MUCHAS GRACIAS!
Ing. David Bonilla Vargas
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La Cogeneración y su aplicación en países como República Dominicana

  • 1. Motores | Automatización | Energía La Cogeneración y su aplicación en países como República Dominicana Ing. David Bonilla Vargas 26 de Agosto del 2015 República Dominicana
  • 2. Soluciones para Cogeneración Unidades de Negocios Motores Automatización Energía Transmisión & Distribución Pinturas
  • 3. Soluciones para Cogeneración Cuarteles Generales 868,000 m² / 9,343,074 ft²
  • 4. Soluciones para Cogeneración Presencia Global Fábricas Sucursales Comerciales en 25 Países  Distribuidores y Agentes en más de 85 países  Talleres de Servicios Autorizados cubriendo los 5 continentes  Ventas para más de 135 países Brasil Argentina Chile Mexico EEUU AustraliaSudáfrica Portugal AlemaniaAustria India China
  • 5. Soluciones para Cogeneración Presencia Global Más de 30,000 empleados en el Mundo
  • 6. Soluciones para Cogeneración Presencia Global – Máquinas de gran porte São Bernardo – SP - 24.700 m² Jaraguá do Sul - SC - 34.850 m² Joaçaba – SC - 9000 m² Maquinas eléctricas de gran porte Turbinas HidráulicasMaquinas eléctricas de gran porte Jaraguá do Sul - SC - 20.700 m² Hosur – India - 32.000 m² E.M. USA - 39.500 m²
  • 7. Soluciones para Cogeneración Presencia Global - Transformadores y Subestaciones Blumenau - SC - 39.600 m² Itajaí – SC - 2.400 m² Gravataí – RS - 19.315 m² Hortolândia – SP - 14.000 m² WTM – Huehuetoca - 9.500 m² México Voltran – Tizayuca - 16.000 m² Mexico
  • 8. Soluciones para Cogeneración Presencia Global - Automatización Controls – Jaraguá do Sul Celdas y Tableros - Itajaí Laboratório - Jaraguá do Sul Capacitores – Jaraguá do Sul Celdas y Tableros - Jaraguá do Sul Instrutech - São Paulo, SP Equisul - São José, SC Drives – Jaraguá do Sul
  • 9. Soluciones para Cogeneración Presencia Global - Certificaciones Argentina Australia Belgica Canada Colombia Brasil U.K. Francia Alemania China España Italia EEUU Sudafrica Comunidade EuropeaBrasil Brasil Brasil Alemania EEUU EEUU U.K. U.K. Francia Alemania Canada Argentina Colombia Noruega RusiaMexico Arabia SauditaMexico Mexico
  • 10. Consideraciones iniciales COGENERACIÓN: ES LA GENERACIÓN SIMULTÁNEA DE ENERGÍA ELÉCTRICA O MECÁNICA, Y ENERGÍA TÉRMICA A PARTIR DE UNA ÚNICA FUENTE DE CALOR. EJEMPLOS MÁS USUALES: INGENIOS AZUCAREROS O DESTILERÍAS DE ALCOHOL
  • 11. Consideraciones iniciales Condiciones necesarias para hacer un proyecto de cogeneración: 1. La empresa que va a hacer el proyecto debe tener una necesidad de calor y o frío* en su proceso. 2. Debe existir la posibilidad para que la electricidad generada sea aprovechada en la misma planta y en caso que hayan excedentes de electricidad, éstos puedan ser vendidos. 3. Debe haber disponibilidad de combustible, ya sea que éste pueda ser comprado o que se aproveche algún desecho de la misma planta de proceso o una mezcla de ambos. * Por medio de equipos de refrigeración por absorción se puede aprovechar una fuente de calor para producir frío.
  • 12. Consideraciones iniciales Situación actual en la mayoría de las empresas: 1. En una gran cantidad de aplicaciones industriales y comerciales se requiere de vapor para procesos de cocinado de alimentos, secado, lavado de ropa, formulaciones químicas, fabricación de telas, etc. 2. El común denominador de esas aplicaciones es que se utiliza vapor saturado con una presión entre 75 y 150psig, por lo tanto las calderas para producir ese vapor vienen diseñadas para operar en ese rango. 3. Para éstas aplicaciones se utiliza combustibles fósiles y no se cogenera electricidad.
  • 13. Consideraciones iniciales Posibles escenarios de cogeneración: 1. Turbina de gas y caldera de intercambio
  • 14. Consideraciones iniciales Posibles escenarios de cogeneración: 2. Caldera y turbina de vapor Energía Química (combustible) Energía Térmica . Alta Presión . Alta Temperatura . Alta Entalpía . Bajo Volumen Específico Energía eléctrica . Generadores Accionamientos . Bombas . Compresores . Ventiladores . Otros Energía Térmica . Baja Presión . Baja Temperatura . Baja Entalpía . Alto Volumen Específico CALDERA TURBINA DE VAPOR ENERGIA TÉRMICA ENERGIA MECÁNICA Proceso
  • 15. Consideraciones iniciales Razones para hacer proyectos de cogeneración con calderas y turbinas de vapor: 1. Flexibilidad para el uso de combustibles en gas, líquidos, sólidos, fósiles, biomasa, etc. 2. Flexibilidad para el ajuste de la cantidad de vapor de proceso y energía a generar. 3. En caso de una falla de la turbina, se puede utilizar una válvula reductora en la caldera para tener disponible el vapor de proceso y utilizar energía del concesionario, mientras se soluciona el problema de la turbina. 4. En caso de utilizarse biomasa, se podría combinar con otros tipos de combustibles más comerciales, como gas natural o bunker, para que no exista dependencia.
  • 16. Consideraciones iniciales Consideraciones técnicas cuando se va a implementar un proyecto de cogeneración: 1. Las calderas a utilizar deben ser para vapor de alta presión, alta temperatura, alta entalpía y bajo volumen específico. Lo cual, en la mayoría de los casos, va a implicar un cambio en la caldera existente. 2. Cuando el vapor pase por la turbina se va a generar energía mecánica que puede aprovecharse para producir energía eléctrica o para mover una carga mecánica directamente. 3. Se puede utilizar el vapor de salida de la turbina ya sea en el escape o por medio de una extracción controlada para el proceso.
  • 17. Consideraciones iniciales Consideraciones técnicas cuando se va a implementar un proyecto de cogeneración: 4. El vapor que se va a tener en la extracción o en el escape de la turbina va a ser sobrecalentado y la gran mayoría de procesos industriales necesitan vapor saturado, por lo tanto va a ser necesario temperar el vapor de salida de la turbina. Presión Alta Temp. Alta Presión Baja Temp. Baja Energía Eléctrica Cogenerada Y Caldera Alta Presión Turbina Vapor Turbogenerador Hacia el proceso
  • 18. Consideraciones iniciales Diagrama de Vapor (Mollier) [ kcal/kg ] Entalpia 780 768 675 651 500° C 450° C 400° C 350° C 300° C 250° C 200° C 150° C
  • 19. Consideraciones iniciales Poder calorífico de combustibles- Kcal/kg  Algodón 3.300  Bagazo de caña 1.800  Bambú 3.800  Carbón mineral 7.500  Carbón vegetal 3.830  Cáscara de algodón 3.000  Cáscara de maní 3.000  Cáscara de café 3.000  Cáscara de arroz 2.900  Cáscara de cacao 3.000  Cáscara de coco 5.000  Leña húmeda 2.900  Papel 4.000  Polietileno 10.000  Bunker 9.700  Gas natural 9.400 Kcal/m3
  • 20. Consideraciones iniciales Turbina a vapor Consumo de combustible  Consumo de combustíble  CC = Flujo de vapor x ( Entalpia - 105 ) PCI x Eficiencia caldera  Flujo del vapor = kg/h  Entalpia del vapor = Kcal/kg, conforme diagrama  PCI = Poder calorífico inferior,Kcal/kg, conforme tabla  Eficiencia de la caldera = 0,85 a 0,90
  • 21. Consideraciones iniciales Posibles configuraciones del proyecto, dependiendo de las necesidades del cliente: 1. Con el consumo de vapor dado para el proceso, se puede generar la cantidad exacta de energía que requiere la planta (caso ideal). 2. Con el consumo de vapor dado para el proceso, se puede generar la cantidad exacta de energía que requiere la planta y se deben vender los excedentes de energía a la empresa de distribución eléctrica. 3. Con el consumo de vapor dado para el proceso, se puede generar una cantidad de energía inferior a la que requiere la planta lo cual implica hacer un proyecto con turbina de condensación o seguir comprando una parte de la energía
  • 22. Casos Ejemplo práctico caso #1: Condiciones Iniciales: Consumo de vapor de proceso: 50,000.00lb/h Presión de vapor de proceso: 34psia Combustible de la caldera: Bunker C (PCI: 41MJ/kg) Relación de consumo de bunker: 1l Bunker => 27lb Vapor Costo Bunker: US$0.36 por litro Consumo eléctrico: 4.2MW Costo promedio del KWh: US$0.14 Horas de operación / Días de operación al año: 24h / 340d Costo anual de combustible: US$5.44M Costo anual del energía eléctrica: US$4.80M
  • 23. Casos Ejemplo práctico caso #1: Condiciones Finales: Vapor producido en la caldera: 55,000.00lb/h Presión de vapor de la caldera: 1015psia Extracción para des aireador: 194 psia / 5,000lb/h Combustible de la caldera: Biomasa (leña, bagazo, etc.) Relación de consumo leña: 1lb bagazo => 2.2lb Vapor Costo Biomasa: US$40 por tonelada Generación eléctrica bruta: 4.2MW Generación eléctrica neta: 3.6MW => US$4.11M /año Horas de operación / Días de operación al año: 24h / 340d Costo anual de combustible: US$3.71M
  • 24. Casos Ejemplo práctico caso #1: Análisis de retorno de inversión: Costo inicial de Bunker y Electricidad: US$9.55M /año Costo final combustible: US$3.71M /año Ganancia bruta: US$5.84M /año Costo estimado operación y mantenimiento: US$0.9M /año Valor estimado del proyecto completo: US$9M Costo préstamo 15% anual / 10 años: US$1.79M /año Valor Actual Neto: US$4.7M considerando un promedio ponderado del costo de capital (WACC) del 17% Tasa interna de Retorno: 33% Tiempo de recuperación de la inversión: 3 años
  • 25. Casos TURBINA DE VAPOR Des aireador Potencia Bruta: 4.2 MW Caldera de Biomasa Combustible: bagazo, leña, etc. Generador Proceso: 34 psia 50,000 lb/h ~ 55,000 lb/h 1015psia 5,000 lb/h 194psia
  • 26. Casos Ejemplo práctico caso #2: Condiciones Iniciales: Éste es un caso de cogeneración con cascarilla de arroz donde el cliente requiere calor para secado del arroz y energía eléctrica para el proceso. Para el secado del arroz se van a utilizar los gases de escape de la caldera Consumo de vapor de la caldera: 24,200.00lb/h Presión / Temperatura de vapor: 600psia / 420°C Relación consumo cascarilla: 1kg Cascaril. => 3.7kg Vapor Costo Cascarilla: US$0 por tonelada Generación eléctrica bruta: 2.2MW Generación eléctrica neta: 1.9MW Costo promedio del KWh consumido: US$0.18
  • 27. Casos Ejemplo práctico caso #2: Horas de operación / Días de operación al año: 24h / 340d Costo anual de energía eléctrica: US$2.79M Ganancia bruta: US$2.79M Costo estimado operación y mantenimiento: US$0.4M /año Valor estimado del proyecto completo: US$5M Costo préstamo 8% anual / 10 años: US$0.75M /año Valor Actual Neto: US$2.3M considerando un promedio ponderado del costo de capital (WACC) del 17% Tasa interna de Retorno: 31% Tiempo de recuperación de la inversión: 4 años
  • 28. Casos TURBINA DE VAPOR Potencia Bruta: 2.2 MW Caldera de Biomasa Combustible: cascarilla de arroz Generador~ 24,200 lb/h 600psia Codensador
  • 29. Hablemos de ingenios azucareros  Bar/ ºC (kcal/kg) t.escape °C (MW) 100 t/hr  21/300 722 127 8,8  42/400 767 130 12,9  42/480 812 188 14,7  42/510 829 209 15,4  65/480 805 150 16,1  65/510 823 171 16,8  85/510 817 146 17,6 CUAL ES LA MEJOR PRESION Y TEMPERATURA PARA UNA NUEVA PLANTA ELECTRIA EN UN INGENIO?
  • 30. Hablemos de ingenios azucareros Bagazo Energía Química (combustible) CALDERA TURBINA DE VAPOR TURBINA DE VAPOR 11,8 MW 15,7 MW 16,4 MW 17,6 MW 68.100 kg/h Proceso 3.700 HP 1,4 kgf/cm² ~ Generación de Energía 54.400 kg/h 16 kgf/cm² MULTI ETAPA 42 kgf/cm² / 400°C 65 kgf/cm² / 480°C 65 kgf/cm² / 510°C 85 kgf/cm² / 510°C 122.500 kg/h
  • 31. Qué pasa cuando se utiliza una biomasa nueva Caracterización de una biomasa como combustible: La caracterización de una biomasa para ser utilizada como combustible consiste en el análisis químico de los componentes y características de la misma que pueden influir en su uso dentro de la caldera. En ese análisis hay que obtener como mínimo: Poder Calórico Inferior (PCI) Humedad Cenizas Contenido de: C, H2, O2, S, N2 Contenido de: sales (potasio, sodio, calcio, silicio, etc.), cloro, metales pesados, etc. En el caso de un líquido se necesita saber el DQO y DBO.
  • 32. Motores | Automatización | Energía ¡MUCHAS GRACIAS! Ing. David Bonilla Vargas www.weg.net email: dvargas@weg.net Teléfono: +(506)8719-6712