Download La microgeneración, una solución para la mejora en el rendimiento

Medidas de eficiencia energética
L micro-cogeneración
La
i
ió
una solución para la mejora
en el rendimiento energético
Principios de la cogeneración
Cogeneración (CHP):
Generación simultánea en un mismo proceso, de energía térmica y
eléctrica.
La energía térmica es el producto y la energía eléctrica el residuo.
Cogeneración de pequeña escala
P < 1 MWe
Micro-cogeneración
P < 50 kWe
Directiva 2004/8/CE 11/2/2004
1) Forma de generar energía útil que ahorra energía
primaria (conservando los recursos naturales)
2) Produce a precios más competitivos para el usuario
final que cualquier sistema convencional
final,
3) Es capaz de evitar tanto energía fósil y emisiones
nocivas, como la planta de energía renovable más
moderna
Directiva 2004/8/CE 11/2/2004
“La cogeneración provee hoy, el 10% de la
“Cogeneration
Cogeneration provides 10% of Europe
Europe's
s
electricidad en Europa. Su eficiencia
electricity today. It is proven energy
g
está p
probada y con una huella
energética
efficienc and has a small environmental
efficiency
en ironmental
medioambiental muy pequeña. Si se
footprint. Increasing cogeneration to its full
incrementase la cogeneración a su pleno
potential in Europe would deliver one third
potencial, en Europa se alcanzaría un
p
CO2 reduction targets
g
at
of Europe's
tercio de las reducciones de emisión de
lowest cost.”
CO2 fijadas, a un mínimo coste.
COGEN EUROPE
Sistema clásico de suministro energético
Gas Natural
65
Caldera
Calor
Edificio
60
Elect.
Red Eléctrica
30
95
Rendimiento global = (60 + 30) / (65 +95) = 56%
Sistema con micro-cogeneración
Gas Natural
Micro
cogeneración
100
Calor
Edificio
60
Elect.
Elect.
30
30
Rendimiento global = (60 + 30) / (100) = 90%
Ahorro Energía Primaria > 30%
Balance de emisiones de CO2
Gas Natural
65
Caldera
Calor
Edificio
60
Gas Natural
Micro
cogeneración
100
Elect.
30
30
95
Edificio
60
Elect.
Red Eléctrica
Calor
Elect.
30
Emisiones CO2:
Gas
205x12,5/91%=2.816
Elec
649 x 5,5 = 3.569
Emisiones CO2:
Gas
205x20,5 = 4.202
Neto
N t
Neto
6.385 Kg CO2
CO
Ahorro Emisiones CO2 > 35%
4 202 Kg
4.202
K CO2
Opciones técnicas de micro-cogeneración
1) Micro-motores
Micro motores alternativos
2) Ciclos Stirling
3) Micro-Turbinas de gas
4) Ciclos Rankine
5) Pilas de combustible
1) Micro-motores alternativos
Eficiencia
total
Eficiencia
eléctrica
Capacidades
p
Motor Diesel
65-90%
35-45%
5 kWe a 20 MWe
Motor Otto
70-90%
25-45%
3 kWe a >6 MWe
Promedio inversión
en €/kWel
• Fiables
Fi bl
• Compactos
• Alto REE
500 a 3
3.000
000
2) Ciclos Stirling
Stirling
Promedio inversión
en €/kWel
Eficiencia
total
Eficiencia
eléctrica
Capacidades
p
70-90%
25-50%
1 kWe a 1,5 MWe
2.500 a 4.500 (<10 kWe)
• Sector
S t doméstico
d é ti
• Pequeño tamaño y sin mantenimiento
• Disponible comercialmente 2010
3) Micro-turbinas de gas
Micro-turbina
Eficiencia
total
Eficiencia
eléctrica
Capacidades
p
60-85%
15-35%
30 kWe a 300 kWe
Promedio inversión
en €/kWel
900 a 2.600
• Buen
B
rendimiento
di i t
• Tecnológicamente complejo
• Instalación posible exterior con
recuperador de calor
• Gas alta presión
Capstone C60
4) Ciclos Rankine
Rankine
Eficiencia
total
Eficiencia
eléctrica
Capacidades
p
65-95%
25%
1 kWe a 1,5 MWe
Promedio inversión
en €/kWel
2.500 a 4.500 (<10 kWe)
• Vivienda
Vi i d unii y multifamiliar
ltif ili
• Modulante
• Disponible, pero poco testado
Ot Lion
Otag
Li Powerblock
P
bl k
5) Pila de combustible (fuel-cell)
Fuel cell (PEM)
Promedio inversión
en €/kWel
Eficiencia
total
Eficiencia
eléctrica
Capacidades
p
70-90%
35-55%
1 kWe a 1,5 MWe
2.500 a 4.500 (<10 kWe)
• Disponible
Di
ibl comercialmente
i l
t 2012
• Gran modulación
• Sólo G.N.
• Nuevo concepto micro-redes (generación
distribuida)
B i IInnotech
Baxi
t h
6) Resumen
50
45
40
35
Stirling
Fuel Cell
Rankine
Alternativo
Turbina
30
kWe
25
20
15
10
5
0
0 - 5 kW
5 - 25 kW
>25 kW
Aspectos normativos Europa
1) Directiva europea 2004/8/CE de 2004
Transposición en R. D. 616 / 2007
Fomento de la cogeneración sobre la base de la demanda de calor
útil en el mercado interior de la energía
energía:
- Reconoce la cogeneración como vía de ahorro en energía
primaria,
p
a a, e
en e
eliminación
ac ó de pé
pérdidas
d das de red
ed y reducción
educc ó de
emisiones de gases de efecto invernadero
-
Define la micro-cogeneración como la unidad de cogeneración
de potencia máxima inferior a 50 kWe
-
Establece el método de cálculo de la electricidad de
cogeneración y su eficiencia
Aspectos normativos Europa
2) CENELEC EN-50438
Publicada en España el 4 Dic. 08
INFORM + FIT
• Marco técnico para generadores < 16A por fase
• Conexión
C
ió simplificada
i lifi d en ttrámites
á it administrativos
d i i t ti
Aspectos normativos Europa
3) ECO DESIGN (EUPD)
En redacción. Micro-CHP incluida.
CALIFICACIÓN
Ó ENERGÉTICA
É
PARA
GENERADORES TÉRMICOS
• Inclusión de equipos de micro-cogeneración:
Pe < 50 kWe
Pt < 46 kWt
Aspectos normativos España
1) R.D. 661 / 2007. Producción eléctrica en régimen
especial.
Tarifas para cogeneración de pequeña escala.
Sistema de tarifa con máxima
aportación económica a
cogeneraciones de pequeña escala
Aspectos normativos España
1) R.D. 661 / 2007. Producción eléctrica en régimen
especial.
Rendimiento eléctrico equivalente (REE)
Aprovechamiento del calor útil para climatización de edificios:
- Se aplica complemento por eficiencia
- El REE min se reduce en un 10% del exigido, cuando P<1 MW
Aspectos normativos España
2) Código Técnico de la Edificación HE4
Reconocimiento de la cogeneración como sistema
de alta eficiencia en la climatización de edificios
“En edificios de nueva construcción y en rehabilitación de edificios en los que
exista una demanda de ACS y/o climatización de piscinas, podrá disminuirse
justificadamente la cobertura solar mínima cuando se cubra este aporte
energético de ACS mediante alguna de las vías:
• Aprovechamiento de energía renovables
• Procesos de cogeneración
• Fuentes de energía residuales procedentes de la instalación de recuperadores
de calor ajenos a la propia generación de calor del edificio”
Aspectos normativos España
3) Reglamento Baja Tensión ITC-BT-40
Específica de instalaciones generadoras:
• Aisladas
• Asistidas
• Interconectadas
Aspectos normativos España
4) UNE EN 50438
Específica de generadores en baja tensión hasta 16A
por fase
• Base del FIT + INFORM
Situación actual del mercado
El mercado de la μ-cogeneración en España
Fuente: CNE
El mercado de la μ-cogeneración en España
COGENERACIÓN: LA ECOENERGÍA EFICIENTE
Cubre el 10% del esfuerzo nacional para cumplir con Kioto
Ahorra al año en energía primaria 1 millón de tep (7
millones de barriles de petróleo)
Ahorra al año 40 millones de m3 de agua
Evita al año 10 millones de toneladas de emisiones de CO2
Supone un ahorro de 650 millones de euros en la factura
energética
g
española
Fuente: Acogen
El potencial de la μ-cogeneración en España
• Alto potencial no explotado en residencial y terciario
• Potencial tecnológico muy superior a la potencia instalada
Estrategia de Ahorro y Eficiencia Energética en España
(E4) en el ámbito de la cogeneración
Plan de acción 2008-2012:
-
Medidas legislativas
Medidas de promoción
Disponibilidad tecnológica
Objetivo: 8.400 MWe
Medidas legislativas:
-
Simplificación
p
y agilización
g
del p
procedimiento existente p
para
tramitación administrativa
-
Condiciones mínimas técnicas exigibles
Medidas de promoción:
-
Estudios de viabilidad ((ayudas
y
hasta 75%))
-
Fomento de nuevas instalaciones (ayudas hasta el 10%)
-
Fomento de plantas de pequeña potencia (ayudas hasta el 30%,
para instalaciones menores de 50 kWe)
-
Auditorias energéticas (ayudas hasta el 75%)
Instalaciones tipo
•
•
•
•
•
•
•
Viviendas con instalación térmica centralizada
Hoteles hostales
Hoteles,
hostales, albergues
Residencias ancianos
Colegios
g
Centros wellness, piscinas, spa's…
Clínicas, hospitales,…
Edifi i d
Edificios
de oficinas,
fi i
comerciales,…
i l
Conexión eléctrica
3 opciones:
1) Verter toda la potencia a la red (RD661/2007)
2) Verter la potencia sobrante a la red (RD661/2007)
3) Verter la potencia al consumo propio del cliente
Aplicaciones de la micro-cogeneración
Otras soluciones : micro-tri-generación
Aplicaciones de la micro-cogeneración
Otras soluciones: sistemas en isla
Estudio de un proceso de cogeneración
Objetivos:
• Identificar la demanda térmica anual en kWh
• Dimensionar la/s unidad/es para trabajar por encima
de 4-5.000 horas / año
• Diseñar el sistema con inercia adecuada de primario
• Diseñar control para suministrar la energía base
Dimensionamiento
Po
otencia (kW)
Demanda térmica anual (ACS + Calef.)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Requerimientos:
• Combustible (Gas Natural / GLP/ Gasoil / Biogás)
• Alimentación 400V / 3+N / 50 H
Hz
• Salida de humos
• Espacio en sala calderas
Rentabilidad directa
0,1 €/kWh
Sum. Eléctrico
5,5 kW
0,033 €/kWh
Costes sin micro
micro-cogeneración
cogeneración
Consumo
5,5 kW
X1h=
55 kWh
Eléctr.
5,5 kWh x 0,1 € / kWh = 0,55 € / h
Consumo
5 5 kW
5,5
X1h=
5,5 kWh
Costes con micro-cogeneracion
g
20,5 kW x 0,038 € / kWh x 1 h = 0,78 € / h
Sum. Gas
12,5 kW x 90% x 0,038 € / kWh x 1 h = - 0,43 € / h
20 5 kW
20,5
Térmico
12,5
kW
Calor
0,35 € / h
Producción eléctrica insitu un 40% más económica
Costes directos p
por hora de funcionamiento en autoconsumo,
costes de mantenimiento excluidos.
Estudio de un caso practico
Caso práctico
Hotel Balneario Quinta da Auga – Santiago de Compostela
2 x motores alternativos 12,5 kWt / 5,5 kWe
Caso práctico
Hotel Balneario Quinta da Auga – Santiago de Compostela
Costes de explotación sin microcogeneración Dachs
Energia entregada total sistema
Energía aportada calderas
kWh
550.000
550 000
550.000
Gas consumido por calderas
597.826
100%
100%
Rend.
92%
92%
Consumo
597.826 kWh
597 826 kWh
597.826
€/kWh
0,0392 23.434,78 €
Costes de explotación con microcogeneración Dachs
Energia entregada total sistema
Energia aportada Dachs
Energía aportada calderas
kWh
550.000
217.500
332.500
100%
40%
60%
Rend.
Rend
82%
70,7%
92%
Consumo
668.913 kWh
307.500 kWh
361.413 kWh
€/kWh
Gas consumido por el Dachs
Gas consumido por calderas
Consumo de gas total (teórico)
Energía el. producida por el Dachs
Costes mantenimiento
Total costes explotación
Reducción costes explotación
307.500
307
500
361.413
82.500 kWhe
0,0392
0
0392 12
12.054,00
054 00 €
0,0392 14.167,39 €
26.221,39 €
0,1130 -9.322,50 €
1.650,00 €
18.548,89 €
-20,8%
Caso práctico
Hotel Balneario Quinta da Auga – Santiago de Compostela
Escenario s/ nº
Dachs
kWh
E tot
E Dachs
E caldera
%
p
Coste explot.
Reducción
2
550 000
550.000
217.500
332.500
40%
18.549 €
-21%
Energía Térmica anual - kWh
600 000
600.000
500.000
400.000
332.500
E caldera
E Dachs
300.000
200.000
Electicidad
generada (kWh)
Ahorro elec. (€)
82.500
9.323 €
Emisiones CO2
g
)
evitadas ((Kg/año)
40.702
100.000
Respecto a una generación convencional con calderas
217.500
0
2
Caso práctico
Hotel Balneario Quinta da Auga – Santiago de Compostela
Qué se ha conseguido?
• Para el usuario: ahorro del 20% costes explotación
• Para arquitectura: solventar diseño cubierta
• P
Para ingeniería:
i
i í ofrecer
f
una solución
l ió d
de alta
lt eficiencia
fi i
i
energética
• Para todos: reducción de emisiones de CO2 y ahorro de
energía primaria
9) Conclusiones
•
Total integración en sistemas térmicos en edificios
•
Ahorros en energía primaria
•
Ahorros en emisiones de CO2
•
Generación eléctrica más económica
•
Posibilidad de aumentar la rentabilidad exportando
p
a red
(RD661/2007) con prima de venta
•
Posibilidad de considerar la cogeneración como aplicación
sustitutiva de la energía solar térmica (CTE HE4)
•
Incentivación del sistema mediante subvenciones según el plan
2008-2012 (IDAE)
•
Posibilidad de otros sistemas (isla y backup)
Y mañana?
• aplicaciones en terciario y residencial centralizada
• Motor de combustión interna
• 5,5 kWe / 12,5 kWt
• Dispositivo de apoyo 15 kW (opcional)
HOY
• aplicación
li
ió en residencial
id
i l iindividual
di id l
• Motor Stirling
• 1,0 kWe / 6 kWt
• Dispositivo
Dispositi o de apo
apoyo
o 18 kWt
MAÑANA
• aplicación en residencial individual
• Pila de combustible LT-PEM
1 5 kWe / 3
3,0
0 kWt
• 1,5
• Dispositivo de apoyo 15 kWt
G i por su
Gracias
atención
Unidad de micro-cogeneración a instalar
en la nueva sede de Fundación Metal
Motores alternativos Dachs
Dachs G/F 5.5
5,5 kW
E. eléctrica
20,5 kW
Combustible
((GN,, GLP))
12,5 kW
E. térmica
Principio de funcionamiento
MSR2
Gases de
combustión
Intercambiador de
calor para el
conducto de humos
Bomba de
agua de
refrigeración
Const. ~ 80°C
Termostato de
refrigeración
Intercambiador
de calor para el
aceite lubricante
RF
Cilindro del
motor
Alternador
de 3 fases
máx 73 °C
máx.
C
DACHS
Motor alternativo muy compacto
Motor alternativo Dachs, características
Dachs G/F 5.5
Consumo combustible
20,5
, kW
Potencia eléctrica
5,5 kW
Potencia térmica
12,5 kW
Rendimiento total
88 %
Potencia térmica (con kit condens)
15,5 kW
Rendimiento total (con kit condens)
102 %
Ancho
720 mm
Largo
1 070 mm
1.070
Alto
1.000 mm
Peso
520 kg
Intervalo de mantenimiento
3.500 h
REE
83,2%
Nivel de ruido
52 – 56 dBA
Motor alternativo Dachs
Rentabilidad anual
0,0344 €/kWh
Gas Natural
E. Térmica
20,5 kW
0,02 €/kWhe
14,8 kW
Electricidad
Mantenimiento
5,5
, kW
Costes / Bº operación:
0,82 € / h
Ahorro:
Ahorro Emisiones CO2:
Costes anuales con venta eléctrica a red, costes de
mantenimiento incluidos.
94% rend.
0,149 €/kWhe
Venta a red
1,36 € / h
0,54 € / h
3,27 Kg CO2 / h
7.000 h/año
3.780.-€/año
22,8 Ton CO2 / año
Conexión eléctrica - autoconsumo
Panel de sub-distribución
del edificio
Contador de luz
N PE
Nueva conexión
in situ (onsite)
3x20 AMP
Panel de distribución
del edificio
kWh
HT
NT
K- o Cfusible
TRE
~
NYM 5x2,5 Ø
ca. 5,35 kW
5,35 kW
5,5kW
Reserva
Red
eléctrica Suministro del edificio
3~
+3~
400V AC
12V
NH00 50 AMP.
1x6 Ø
Conexión eléctrica – venta a red
Panel de sub-distribución
del edificio
Contador de luz
NYM 5x2,5 Ø
K- o C-Fusible
3 x 20 AMP.
Nueva conexión
N
ió
in situ (onsite)
NYM 5x10 Ø
Q1
63 Amp.
Q2
63 Amp.
Proporciona
el suminstro de
Dachs
10Ø
kWh
HT
NT
NPE
Su
Suministro
st o10Ø
del edificio
kWh
HT
NT
10Ø
TRE
ca. 5,35 kW
~
1,5Ø
Contador
de luz
NH00
25 AMP.
NH00
32 AMP.
NH00
6 AMP.
R
Reserva
5,5kW
1
3
3~
+3~
400V AC
R d eléctrica
Red
lé t i
NYM 5x16 Ø
NH00 50 Amp.
12V
1x6 Ø
Instalación en cascada (max 10 equipos)
Master-controller
0001
0001
e.g.
3241
P9
Heating system flow /
buffer vessel
Heating system return/
buffer vessel