INSTITUTO POLITÉ

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y

MEMORIA DE EXPERIENCI

OBTENER EL TÍ

INGENIERO MECÁ

CUITLÁ

MANUAL PRACTICO

INSTITUTO POLITÉ CNICO NACIONAL

UELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y

ELÉCTRICA

DE EXPERIENCIA PROFESIONAL PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO MECÁNICO

PRESENTA

CUITLÁHUAC SANDOVAL RODRIGUEZ

TÍTULO DE LA MEMORIA;

PRACTICO DE SISTEMAS DE MICROCOGENERACIÓN A BASE DE MICROTURBINAS

1

CNICO

UELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y

A PROFESIONAL PARA

NICO

DE MICROCOGENERACIÓN A

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3

Índice.- Pagina

1. Introducción. 7

2. Análisis y desarrollo de un sistema de Microgeneración. 31

3. Memoria de cálculo. 34

4. Instalación Microturbinas 39

5. Conclusiones. 49

4

Agradecimientos.

A mis Padres donde quiera que estén…

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Experiencia Profesional y Educación continúa. La siguiente es una lista de los puestos desempeñados desde antes y después de mi egreso de la carrera de Ingeniería Mecánica hasta la fecha actual.

� Egresado en la generación 1992-1996 de la Carrera de Ingeniería Mecánica.

� Supervisor de Instalaciones de Aire Acondicionado en Plataformas Marinas de PEMEX del activo Cantarell. (1994-1995)

� Proyectista de Instalaciones de aire acondicionado y ventilación en la

Empresa Hubard and Bourlon (1996-1998) � Ingeniero de Ventas de Equipos de Aire Acondicionado tipo Comercial e

Industrial en la empresa York International, S.A. de C.V. para el área del Distrito Federal (1998-2001)

� Gerente de Ventas de equipos de aire acondicionado Residencial, Comercial e Industrial, para la zona sureste de México y el Caribe, en la empresa York International, S.A. de C.V. (2001-2007)

� Gerente de Ventas de equipos de aire acondicionado Residencial, Comercial e Industrial, para la zona sureste de México y el Caribe, en la empresa Carrier México, S.A. de C.V. (2007-2008)

� Gerente de Ventas para Latinoamérica de Microturbinas de Generación Eléctrica y Térmica, en la Empresa Capstone Turbine Corporation (2008- a la fecha actual)

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A continuación la capacitación continua y actualización más relevante desde mí egreso de la carrera de ingeniería mecánica.

� Diplomado en Gerencia de Ventas y Marketing por la universidad

Iberoamericana en 2004

� Certificado de cumplimiento como Ingeniero de Ventas y Aplicación Avanzada para Sistemas de Aire Acondicionado Comercial e Industrial por la universidad de Pennsylvania USA en mayo 2005

� Miembro Certificado de la Sociedad Americana de Ingenieros en Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE).

� Certificado como Ingeniero de Aplicaciones en Microturbinas Capstone

� Certificado como Ingeniero de Servicio autorizado para Microturbinas Capstone, Septiembre de 2008

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1.- INTRODUCCIÓN

LA MICROCOGENERACIÓN Y/O GENERACIÓN DISTRIBUIDA. El propósito del presente manual es explicar de la forma más practica la aplicación de las Microturbinas en sistemas de Microcogeneración y Generación distribuida en sitio, es decir sistemas de autogeneración eléctrica y térmica en instalaciones con demanda eléctrica por debajo de los 1000 Kw eléctricos, el cual es un campo de la aplicación de la Ingeniería Mecánica y un reto actual del Ingeniero Mecánico ante las crisis de distribución Eléctrica, disponibilidad de combustibles y contaminación ambiental.

La cogeneración se define como la producción simultanea o al mismo tiempo de energía eléctrica y energía térmica aprovechable en los procesos del sitio a partir de una misma fuente de energía primaria o de combustible, y es hoy, una alternativa como método de conservación de energía para la industria, acorde con las políticas de globalización económica regional y a la política internacional orientada a lograr un desarrollo sustentable.

De manera convencional en una planta de generación termoeléctrica se quema normalmente un combustible fósil para producir vapor a alta temperatura y presión, el cual se hace pasar por una turbina para generar energía eléctrica. En este proceso, aún en las plantas más eficientes, se logra la conversión a electricidad de menos del 40% de la energía disponible como calor en el combustible; el resto se descarga a la atmósfera, mediante los gases producto de la combustión que salen por la chimenea del generador de vapor y en los sistemas de condensación y enfriamiento del ciclo termodinámico. Aunque la cantidad de calor que se desecha a la atmósfera es muy grande, es de baja temperatura relativa, en otras palabras de baja capacidad para realizar un trabajo útil dentro de las plantas generadoras.

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Fig. 1- Comparativo Microcogeneración y Generación Convencional

La mayoría de los procesos industriales y aplicaciones comerciales, requieren de vapor, agua caliente así como aire caliente para el secado o un proceso especial. De esta manera se pueden combinar la producción de electricidad y calor para los procesos, aprovechando la energía que de otra forma se desecharía, como ocurre en las centrales termoeléctricas convencionales; a esta forma de aprovechar el calor de desecho se le conoce como cogeneración.

Microcogeneración con Microturbinas

Las microturbinas difieren substancialmente de la mayoría de los métodos tradicionales de generación de energía eléctrica usados en la industria, con emisiones sumamente bajas, y que resultan particularmente útiles en muchísimas aplicaciones industriales y comerciales. Una Microturbina es esencialmente una planta de poder en miniatura, auto contenida, que genera energía eléctrica y calorífica en rangos desde 30kW hasta 1 MW en paquetes múltiples (multipacks). Tiene una sola parte móvil, sin cajas de engranes, bombas u otros subsistemas, y no utiliza lubricantes, aceites o líquidos refrigerantes, se utiliza el aire como lubricante al girar el eje del turbo-compresor-generador en un rango de las 45,000 a las 96,000 Revoluciones Por Minuto (RPM)

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Estos equipos pueden usar varios tipos de combustibles tanto líquidos como gaseosos, incluyendo gas amargo de pozos petroleros con un contenido amargo de hasta 7% de H2S, gas metano, gases de bajo poder calorífico (tan bajo como 350 Btu/ pie3) emanados de digestores de biomasa y rellenos sanitarios.

Uno de los usos más prácticos y eficientes de la microturbina está en la microcogeneración, es utilizando ambas formas de energía simultáneamente, energía eléctrica y calor, implica precisamente maximizar el uso del combustible con eficiencias del sistema entre 70-80%. Empresas comerciales, pequeñas industrias, hoteles, restaurantes, clínicas, centros de salud, y una multitud de otras aplicaciones pueden combinar sus necesidades de electricidad y energía térmica mediante el uso de microturbinas como sistemas de cogeneración que anteriormente era difícil de lograr.

Fig. 2- Sistema de Cogeneración con 3 Microturbinas Capstone Modelo C65, generando 150 Kw Eléctricos y 820,000 BTU/Hr en 120 galones por minuto de agua

caliente, Hotel City Express Ciudad de México, por medio de Gas L.P

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Las microturbinas de gas son turbinas de combustión de tamaño pequeño, con potencias que actualmente se sitúan entre 30 y 200 kW. Están dotadas de generadores de alta velocidad de imán permanente que pueden girar a la misma velocidad que la turbina de gas, con lo que pueden acoplarse directamente sin necesidad de disponer de un sistema de caja de cambios. Las microturbinas pueden clasificarse, por su configuración, en:

• Eje simple o eje doble La configuración en un solo eje permite reducir los costos de operación y tiene un mantenimiento más fácil.

• Ciclo simple o con regeneración En las de ciclo simple, se mezcla el aire comprimido con el combustible y se hace la combustión bajo condiciones de presión constante. Las unidades de ciclo regenerativo usan un intercambiador de calor, con la finalidad de recuperar calor de la corriente de salida de la turbina y transferirla a la corriente de entrada del aire. El hecho de combinar las microturbinas con equipos de recuperación de energía para transferir el calor al aire de combustión provoca que con estos sistemas pueda llegar a doblarse la eficiencia eléctrica de la microturbina.

Ventajas energéticas y ambientales El uso de las microturbinas ofrece un gran número de ventajas, en comparación con otras tecnologías de producción de energía a pequeña escala, como pueden ser los motores de gas natural, principalmente:

� Menor número de partes móviles, únicamente el eje de la microturbina. Ello implica un bajo mantenimiento y, además, en algunos equipos no hay consumo de aceite lubricante.

� Reducido peso y dimensiones. Un sistema similar de producción de energía eléctrica y agua caliente con un motor de gas de pistones de unos 40 Kw de potencia eléctrica pesa más de 2,000 kg ante los 700 kg del sistema de microturbina de gas. Las dimensiones externas son similares en ambos casos.

� Energía térmica recuperable en una sola corriente. A diferencia de los motores de pistón, las turbinas de gas concentran el calor excedente en una sola corriente a alta temperatura, con lo que se simplifica la instalación. Los gases de escape de las microturbinas de gas son generalmente de alta calidad, dado que se encuentran a alta temperatura y libres de aceites. Ello los convierte en un sistema ideal para combinar con equipos de refrigeración para absorción de alta eficiencia (doble efecto, ciclos GAX, etc.) para la producción de frío y, también, para aplicaciones en

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los invernaderos de horticultura donde es necesario un suministro de calor y CO2 con un bajo nivel de hidrocarburos. La eficiencia de estos sistemas puede ser muy elevada y, por lo tanto, muy atractiva para los casos en que, además de la demanda eléctrica, hay una demanda en climatización muy importante.

Aplicaciones Las microturbinas de gas pueden aplicarse a diferentes sectores. A continuación, se enumeran algunas de estas aplicaciones:

• Microcogeneración Los sistemas de microcogeneración son sistemas de cogeneración de baja potencia con los que puede generarse energía eléctrica, producir agua caliente, vapor o refrigeración activada térmicamente.

• Vehículos de transporte Las microturbinas en vehículos híbridos permiten, entre otras ventajas, recargar las baterías de los vehículos e incrementar su autonomía y capacidad de carga. Por eso se utiliza una versión de microturbina con generador de corriente continua.

• Aplicación directa del calor Esta aplicación consiste en la utilización directa del calor contenido en los gases de escape para diversas aplicaciones, entre las que se prevén como más destacadas las siguientes:

� Accionamiento de equipos de refrigeración por absorción de fuego directo con o sin poscombustión.

� Calefacción en invernaderos. � Regeneración de desecantes en equipos de des-humidificación. � Procesos de secado industrial, favorecidos por la alta temperatura de los

gases de escape.

• Valorización energética. Las microturbinas también se aplican para la valorización energética de productos susceptibles de ser utilizados como combustible, como por ejemplo, en la combustión de gas de bajo poder calorífico como el biogás que se genera en rellenos sanitarios, plantas de tratamiento de aguas residuales, etc.

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Tecnología de cogeneración Eficiencia Eléctrica (%)

Eficiencia Térmica (%)

Turbina de vapor 33 52

Turbina de gas sin post-combustión. 38 47

Turbina de gas con post-combustión. 38 42

Ciclo combinado 57 33

Motor reciprocante (aprovechando calor de gases de combustión y calor del sistema de enfriamiento)

40 30

Motor reciprocante (aprovechando calor de gases de combustión y calor del sistema de enfriamiento)

40 20

Microturbina 30 50

Tabla 1.- Eficiencias de diferentes tecnologías de cogeneración

BENEFICIOS DE LA MICRO COGENERACIÓN

La Microcogeneración tiene implícitos beneficios a nivel país como al sector industrial, desde el punto de vista país, se refleja en un ahorro de la energía primaria, petróleo, gas natural, carbón mineral y biomasa al hacer un uso más eficiente de los energéticos. Asimismo, se reducen las emisiones contaminantes al medio ambiente por quemar menos combustible.

Los beneficios en el sector industrial son la reducción de la facturación energética en los costos de producción y como consecuencia aumenta la competitividad de la empresa; así como, la autosuficiencia, continuidad y calidad del suministro de energía eléctrica, con lo que obtiene confiabilidad en su proceso.

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Beneficios en Energía Eléctrica.

� Una central de cogeneración representa, de hecho, disponer de una fuente primaria de energía eléctrica de alta confiabilidad y calidad, además de la red eléctrica externa.

� Contribuye a la estabilización de la tensión en la red (dado que mejora el equilibrio al reducir la intensidad eléctrica circulante desde las subestaciones de distribución hasta los consumidores) y en consecuencia, reduce las pérdidas por transmisión de energía en la red.

� Las actuales tecnologías de control permiten asegurar una óptima calidad de la energía eléctrica generada, tanto en tensión como en frecuencia, superando en muchos casos a la de la propia red, inevitablemente influenciables por armónicas y desequilibrios de carga originadas por industrias vecinas.

Beneficios en Energía Térmica.

� Normalmente implica una renovación del parque de calderas de la fábrica, que puede eliminar sus equipos más obsoletos y dejar los más nuevos y eficientes para situaciones de emergencia o para complemento de los equipos de la central.

� Los equipos térmicos de las centrales de cogeneración son, de hecho, muy convencionales. En muchos casos son equipos que no disponen de un proceso de combustión, lo que prácticamente elimina su mantenimiento y permite que su disponibilidad sea muy elevada.

� De las aplicaciones más comunes de la generación de energía térmica son agua caliente para procesos, albercas, red hidrosanitaria, calefacción, secado de procesos industriales así como la generación de agua helada para aire acondicionado de un chiller tipo absorción.

Beneficios Fiscales.

� 57% de deducción Inmediata en la inversión; Según el artículo 220 el LISR-Estímulos Fiscales, párrafo II) Maquinaria y Equipo, inciso a); en la generación, conducción, transformación y distribución de electricidad.

Beneficios Sustentables y ecológicos.

� Al reducir emisiones contaminantes, al generar en sitio y aprovechar la energía térmica

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Marco Legal.- De acuerdo con las modificaciones oficiales, realizadas en 1992 a la Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica y su Reglamento, se permite la participación del sector privado en la industria eléctrica en las actividades de: a) cogeneración. b) autoabastecimiento. c) productor independiente. d) pequeña producción. e) exportación e importación de energía eléctrica.

Fig. 3- Tipos de Microcogeneración

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Consideraciones para la selección del sistema.-

La aplicación correcta de cada sistema de cogeneración dependerá principalmente de la relación de energía térmica/eléctrica, del tiempo de operación anual de los procesos a los que se aplique y la variación de la demanda eléctrica, entre otras.

Los sistemas de cogeneración se deben diseñar para abastecer si es posible la totalidad de la demanda térmica, ya que este esquema es el que arroja la mayor eficiencia energética del sistema, aunque en algunos casos se dimensionan con el objetivo de satisfacer la demanda eléctrica, e inclusive una combinación de las anteriores.

También dichos sistemas se pueden diseñar teóricamente a la media exacta de cada empresa para cubrir los requerimientos de la demanda térmica y eléctrica que puede necesitar una instalación, sin embargo, los equipos disponibles en el mercado, normalmente no corresponden con dichas necesidades y siempre se tiene una generación mayor o menor de uno de estos energéticos, presentándose cuatro alternativas

A. Cumplir con la energía eléctrica y requerir post-combustión para alcanzar el requerimiento de energía térmica.

B. Cumplir con la demanda la energía eléctrica y tener que portear o vender excedentes térmicos.

C. Cumplir con la energía térmica y tener excedentes de energía eléctrica.

D. Cumplir con la energía térmica y tener que comprar faltantes de energía eléctrica.

El diseño más eficiente como se mencionó antes, desde el punto de vista energético, corresponde a aquel que satisface ciento por ciento los requerimientos térmicos de las instalaciones de que se trate, pudiendo vender los excedentes eléctricos a la red o comprando de ésta los faltantes si fuera el caso. En México estas alternativas están contempladas en la Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica y en su Reglamento.

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Las Microredes o “Smart Grid”

Hace algunos años, después de uno de los apagones en la costa este de los Estados Unidos, Clark Gellings, en ese tiempo el vicepresidente del Instituto de Investigaciones Eléctricas (EPRI), se preguntaba cómo era posible que el sistema eléctrico no tenía el grado de confiabilidad que habían alcanzado otras industrias como la industria aeronáutica ó la aeroespacial, donde los avances en los controles digitales y las telecomunicaciones jugaban un rol muy importante para lograrlo y establecerlo como una de sus conclusiones, la necesidad de incorporar los avances en esas industrias en el suministro de electricidad, anotando al mismo tiempo las dificultades que representa el incorporar automatización y supervisión centralizada o aún distribuida, con el número de elementos y la extensión que representa este caso. Desde esa época se ha venido trabajando en buscar la forma de lograr la evolución y modernización del suministro de energía eléctrica y uno de los conceptos que parecen responder a las necesidades del mundo moderno es la “smart grid”.

De acuerdo al EPRI, una “smart grid” es aquella que incorpora las modernas tecnologías de información y comunicaciones en cada aspecto de la generación, entrega y consumo de electricidad con el objeto de: reducir costo, mejorar la eficiencia, minimizar los impactos ambientales, potenciar los mercados y mejorar el servicio. Cuando una estructura como esta corresponde a las aplicaciones en transmisión, distribución o un portal para los clientes, entonces la red resultante puede alcanzar ganancias significativas en confiabilidad, capacidad, respuesta de la demanda, así como ofrecer valor añadido a los servicios al cliente. La progresiva integración y coordinación de algunas tecnologías que contribuyen a mejorar la eficiencia del sistema eléctrico y a reducir las emisiones contaminantes, como la cogeneración, las microturbinas de gas, la generación distribuida incluyendo fuentes renovables, almacenamiento de energía, integradas con tecnologías de información, infraestructura de telecomunicaciones y mejoras en la topología de las redes, permitirá lograr el ideal planteado. (Referencia: Farhangi H., The Path of Smart Grid, IEEE Power and Energy Magazine, enero/febrero 2010).

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Resumen histórico de la cogeneración

Aunque la palabra “cogeneración” fue inventada hasta finales de la década de 1970, la producción combinada de calor y potencia se remonta varios siglos atrás. Originalmente era utilizado como un dispositivo para economizar esfuerzos; esto, debido a la inherente eficiencia vanguardista del siglo XIX que significa la reducción del consumo de combustible. Más recientemente los beneficios ambientales derivados de la reducción del consumo de combustibles, han hecho de la cogeneración un factor representativo en las estrategias globales ambientales, mientras que tendencias en boga para la desregulación de las centrales generadoras y la generación distribuida continúan creando un sólido mercado para esta tecnología (o tecnologías).

Actualmente, la cogeneración comprende al menos cuatro procesos termodinámicos distintos de combinación de producción de calor y potencia: El primero, mediante aire; el segundo, con vapor; el tercero, mediante el calor rechazado en un proceso de combustión, como un motor de combustión interna; y el cuarto involucra procesos termodinámicos, como los encontrados en una celda de combustible. Aunque cada proceso es distinto, éstos son usados en forma combinada para maximizar la producción de energía en un sistema termodinámico.

La Smokejack

La más vieja forma de combinación de producción de calor y potencia es la smokejack (también conocida como la chimenea de Jack o la chimenea voladora), la cual fue originalmente desarrollada en el Tíbet para mover las ruedas de oraciones durante las ceremonias religiosas. Este dispositivo se introdujo a Europa con la captura de esclavos Tártaros a inicios del siglo XIV, y Leonardo de Vinci dibujó un bosquejo de uno alrededor de 1480. Los comentarios al respecto son variados, como Montaigne (1580), John Evelyn (1675) y Benjamín Franklin (1758), refiriéndose a las smokejacks básicamente como pequeños molinos de viento instalados dentro de una chimenea y movidos por la ascendencia de los gases calientes del fuego. El movimiento rotatorio de las aspas era usado para mover un asador o un torno. La cantidad de movimiento dependía de la velocidad y masa del flujo de aire caliente y el diseño de las aspas; en general, el uso de la smoke jack entregaba aproximadamente 1 dog-power (¡si! un perro de potencia). Los perros fue una raza comúnmente usada para mover asadores y otros aparatos que requerían movimiento rotatorio, además de niños, esclavos y sirvientes que fueron también utilizados para esta tarea, que básicamente era una versión gigante

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de una rueda de hámster. Anterior a la propagación de la electrificación de las granjas a finales de la primera mitad del siglo XX, algunas granjas americanas todavía tenían dispositivos similares que empleaban a todos los miembros de la granja para contribuir con la carga de trabajo doméstico, lo que nos hace pensar que la vida comúnmente despreocupada de nuestros caninos amigos, es un fenómeno relativamente reciente.

Fig. 4- Maquina Smoke Jack

Franklin comentó que la smokejack podría también ser movida por el tiro natural de los gases de la chimenea, bajo ciertas circunstancias, una idea recientemente promovida en la generación de potencia, usando un gran tiro de chimenea natural para los gases de la turbina.

En 1832, Charles Busby usó la smokejack para mover una bomba para circular agua a través de tuberías para calentar y enfriar el aire en el interior de edificios. Lo que no se sabe, es si la patente del circulador de Busby´s hubiera sido un éxito, si el flujo de gases calientes a través de la chimenea hubiera sido directamente relacionado con la cantidad de circulación necesaria.

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Hacia finales de siglo XIX, la smokejack se desarrolló en su forma moderna de turbinas de aire caliente. Aún hoy en día, las turbinas de gas son tecnológicamente descendientes de las turbinas de aire caliente; y el turbocompresor es un ejemplo de la aplicación moderna de la turbina de aire caliente.

Otra aplicación es la turbina de gas LM2500 de General Electric que provee la potencia mecánica para cogeneración y muchas otras aplicaciones.

Otra aplicación o variación interesante de la cogeneración involucra el uso de aire comprimido para distribuir potencia hacia las áreas urbanas. También era empleada como una fuente de potencia, ya que varias ciudades al final de la primera mitad del siglo XIX tenían sistemas de compañías suministradoras de aire comprimido, como en el caso de la de París, que es tal vez el caso más representativo. Por ejemplo, simples motores a base de aire podían ser instalados para accionar una gran variedad de equipo. Se tiene conocimiento de que al menos una compañía textil utilizaba la salida de aire de sus motores de la máquina de hilar para dar ventilación a los operadores, ya que la expansión del aire que pasaba a través del motor suministraba algunos grados de frío.

Aprovechando el vapor

A pesar de la proliferación del uso de las smokejacks, la revolución industrial no hubiera sido posible con una medida en unidades de “perros-potencia”. Aunque el agua y el viento habían sido unas fuentes muy útiles de energía por muchos siglos y pese a que fueran geográficamente de oferta limitada, usualmente por estación y oportunidad, la solución fue el aprovechamiento de la generación de potencia con vapor.

Uno de los primeros ejemplos es el motor de vapor rotatorio de Herón, en la antigua Grecia, un dispositivo relacionado con la estacionalidad de la eolípida, que tenía un gran potencial cuando se calentaba, ya que producía un gran chorro de vapor, al cual se le encontró un gran número de aplicaciones; al colocar abajo una smokejack, la fuerza adicionada del vapor incrementaba su capacidad de generación de potencia, y en 1629 Branca mostró que el chorro de vapor podía mover engranajes. Estos dispositivos, fueron llamados steamjacks y fueron vendidos al terminar el siglo XVIII como un sustituto de las smokejacks. La potencia con vapor creció de estas aplicaciones de pequeña escala a grandes usos, a finales del siglo 1700, cuando Savery y Newcomen introdujeron grandes motores de vapor para bombear agua

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fuera de las minas. El motor de Savery operaba con vapor de baja presión (<2 psig o 0.14 bar) y tenía una eficiencia térmica de aproximadamente un 1%.

Los grandes motores de vapor requerían también de grandes calderas para generar el vapor, por lo cual Desaugliers en 1720 adaptó un uso para la industria.

James Watt duplicó la eficiencia del motor de vapor con la introducción de un condensador por separación en la década de 1760, pero evitó el uso de vapor a alta presión debido a la inherente peligrosidad. Uno de los vendedores de Watt en 1776 descubrió el mercado potencial del azúcar, ya que mediante un simple fuego hervía el azúcar y suministraba la potencia para el molino. Con lo cual tomó la ventaja en las fábricas que él construyó, ya que usaba una caldera simple para generar vapor para mover sus motores y, su vez, calentar las construcciones, aunque aún no usaba la cogeneración como actualmente la entendemos.

En 1784, un cervecero de Oxford, Sutton Thomas Wood, obtuvo una patente para el uso del desperdicio de vapor de un proceso industrial para accionar un motor de vapor y también para usar el vapor expulsado o agua caliente de un motor de vapor, para el calentamiento o manufactura, haciendo con esto la primera patente conocida de cogeneración.

No obstante la contribución de Watt en el desarrollo del motor de vapor, su preferencia por la seguridad en el uso de vapor de baja presión, resultó en grandes e ineficientes motores. Sólo después de que sus patentes expiraron, fue que otros inventores, como Richard Trevithick en Inglaterra y Oliver Evans de Filadelfia, fueron capaces de diseñar y construir un motor de vapor a alta presión, el cual fue mucho más eficiente (y, por lo mismo, más peligroso) y más pequeño que sus predecesores de baja presión. Más aún, la alta eficiencia hizo posible operar los motores económicamente sin un condensador, ya que al vapor expulsado se le daba un uso rápidamente.

En 1812, en una fábrica de hilados en Connecticut, propiedad de Evans, él mismo describe que el vapor generado estaba siendo empleado para mantener los cuartos cálidos en invierno, pero que, si esto hubiera sido un año antes, el elevado costo lo hubiera quebrado. Posteriormente, en una carta escrita a su hijo, describe que en una fábrica de hilados en Baltimore, estaban usando el sistema de calefacción de la fabrica como un condensador para el motor de vapor, agregando que era sorprendente, pues nunca antes se había visto, advirtiéndole que lo mantuviera en secreto, ya que tenía pensado patentar la idea; pero tiempo después murió y nunca hizo público su descubrimiento. Sin embargo sí publicó un diseño para enfriar las fábricas, usando un sistema de absorción con chillers, mediante el vapor expulsado de los motores de vapor.

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Afortunadamente la idea de la cogeneración no murió con él, y a la mitad de los años de 1820, en una comunidad religiosa utópica construida y dirigida por George Rapp, en las afueras del Río Ohio en Pittsburg, el motor de vapor de Evans que daba potencia a su bote de vapor, fue reinstalado en una fábrica de hilados, y la salida de vapor del motor fue distribuida a través de las tuberías para calentar las instalaciones de la comunidad.

Durante cerca de dos décadas, el vapor de salida fue extensamente usado en escenarios industriales en Bretaña, América y en los sanitarios públicos en Inglaterra. Edwin Chadwick propuso que mediante el empleo del calor de desperdicio de los motores de la fábrica, que era usualmente utilizado en los sanitarios públicos y para calentar las casas más próximas de trabajadores. Empresas privadas construyeron varios baños parecidos, cobrando un penique por la entrada y con descuentos para usuarios frecuentes.

Una empresa francesa de alimentos usaba la salida de vapor para secar piñas en la década de 1840, y los contratistas Americanos Walworth y Nason usaban el calor de desperdicio de los motores para mover las aspas de ventilación en varios edificios, incluyendo el Capitolio de los Estados Unidos de Norteamérica.

Sorprendentemente, en uno de los más grandes trabajos de termodinámica que fue el de Sadi Carnot en 1824 (Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego) ha sido uno de los más notables impedimentos en la práctica de la cogeneración. Carnot declaraba concretamente que la eficiencia en los motores que funcionaban con calor era estrictamente una función de la diferencia de temperaturas a lo largo del motor, lo cual estaba totalmente en lo correcto, en lo que respecta al motor mismo, pero no consideraba el caso cuando el motor no actuaba en un proceso aislado. Por ejemplo, dos motores con ciclo de Carnot, cada uno con las mismas condiciones de temperatura de trabajo, uno de ellos tiene un sumidero a baja temperatura, como el producido por un cuerpo grande de agua. El sumidero en el otro motor es de alta temperatura, pero en éste es usado para un propósito útil como el calentamiento de un espacio. Cuando el primer motor tiene la más alta eficiencia, como postuló Carnot, el segundo motor presenta una eficiencia cuatro o cinco veces más grande que el primer motor. Aún hoy en día muchos estudiantes de termodinámica, continúan siendo enseñados, con las útiles, pero limitadas teorías de Carnot.

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Cogeneración para la industria

Como las fabricas crecían en tamaño y complejidad, los empresarios comenzaban a estar cada vez más interesados en el análisis de los diversos elementos que intervenían en los costos de sus negocios. Muchas empresas requerían de grandes cantidades de potencia, como las fábricas de hilados de algodón, localizadas donde la generación de potencia hidráulica era posible. En una animada discusión pública sobre el costo relativo del vapor y la potencia generada hidráulicamente, tuvo lugar en Boston a principios de los años 1840, algunas fábricas de hilados, expresaron su sorpresa al descubrir que la potencia generada con vapor no era más cara que la generada hidráulicamente, y algunas veces resultaba incluso más barata, particularmente, cuando la salida del motor de vapor era aprovechada en los procesos industriales o para mantener espacios calientes. El vapor también era mucho más confiable y realmente no presentaba variaciones debido al clima o a la excesiva demanda de potencia o fuentes de agua. Este debate continuó hasta finales de siglo (y recientemente); pero a pesar de todo, la generación de potencia con vapor aboga por un entendimiento más claro de la termodinámica y la economía relacionada con los procesos productivos.

Charles E. Emery, entrenado como ingeniero naval durante la Guerra Civil, escribió un detallado análisis sobre las ventajas económicas de la generación combinada de potencia y calor, en 1870. Después, trabajó como ingeniero para la compañía de vapor de Nueva York, la cual empleaba extensamente la generación combinada de potencia y calor.

La década de 1870 marca el arribo de las nuevas tecnologías al mercado de la energía en Europa y América. La propagación del uso del vapor en la Guerra Civil Americana capacitó a toda una generación de ingenieros, quienes propiciaron un enorme crecimiento en la generación de potencia con vapor en las últimas décadas del siglo XIX, incluyendo el nacimiento de la industria eléctrica y la invención de la turbina de vapor en Inglaterra, los cuales propiciaron la expansión del mercado de la generación combinada de potencia y calor. Esta también fue una era en la cual se veía la desregulación de la cogeneración, ya que era una situación injusta para las otras empresas eléctricas públicas.

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FABRICANTE DE MICROTURBINAS Capstone Turbine Corporation es la empresa líder en la fabricación y comercialización de Microturbinas de para Generación Eléctrica y Térmica de bajas emisiones contaminantes, en las siguientes capacidades 20, 65, 200, 600, 800, y 1000 Kw eléctricos, y fue la primera en introducir al mercado de manera viable la aplicación de Microturbinas, Capstone Turbine Corporation ha embarcado más de 4,000 unidades alrededor del mundo, estas unidades han documentado de millones de horas de operación confiable. Capstone Turbine Corporation, está registrado y aceptado en Agencia EPA (Enviromental Protection Agency) de los Estados Unidos de América, para la cogeneración de energía eléctrica y térmica (Combined Heat and Power, CHP). Con la cual se compromete a contribuir a aumentar la eficiencia energética así mismo la reducción de emisiones contaminantes, y reducción de gases de invernadero Capstone Turbine Corporation (CPST) es una compañía registrada y certificada en los siguientes organismos; UL, e ISO 9000:2000. Así mismo sus oficinas generales se encuentran ubicadas en Chatsworth California, y cuenta con oficinas regionales en Nueva York, Cd de México, Londres, Shangai y Tokio. La Historia de Capstone; Fundada en 1998 se ha reconocido en la industria por haber logrado en la investigación, desarrollo, aplicación en campo, la alta tecnología de un turbogenerador de potencia eléctrica de calidad y de energía térmica de bajas emisiones contaminantes, bajo mantenimiento y confiabilidad, conteniendo una

sola parte móvil que gira suspendida en el aire, y que no requiere de ningún tipo de lubricación o refrigerante.

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Cronograma de la evolución de Capstone.- 1988.- Fundación de la Compañía. 1989-1992.- Desarrolla componentes de turbogeneradores para las siguientes compañías; Ford Motor Company, la NASA, Edison del Sur de California, Instituto de Investigaciones de Gas, el buró de California de recursos de aire ambiental, y el instituto de investigaciones del sureste. 1993.- Obtención de fondos para el desarrollo de las Microturbinas. 1994.- Desarrollo del primer Prototipo de 24 KW eléctricos. 1996.- Fabricación e instalación de 37 prototipos en campo (en fase Beta) 1997.- Se obtienen resultados exitosos en pruebas de operación en Autos y Camiones Híbridos. 1998.- Después de 2000 de horas de operación en campo, sin degradación en sus componentes, se vende la primera unidad. 2000.- Capstone Turbina Corporation se convierte en empresa pública y empieza a cotizarse en el en índice NASDAQ: CPST 2005.- Debido al continuo crecimiento se abren oficinas en las Ciudades de Tokio, México, Shangai y Milán.

Fig. 5- Microturbinas Capstone

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Fi. 6- Corte Transversal del turbogenerador del modelo C30 de 30 Kw

Fig. 7- Eje del Turbo Generador única parte en Movimiento que gira

Suspendida en el aire

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� Componentes del sistema mecanico interno de la Microturbina.

• Compresor, Recuperador de Calor, Cámara de Combustión, Inyectores de combustible, Microturbina, y ducto de salida de aire caliente.

• Ciclo de combustión, una etapa y recuperado.

• Un solo eje y única pieza en movimiento en el cual están acoplados; Compresor, Microturbina, y rotor de magneto permanente para la generación eléctrica, compuestos como una sola pieza sin coples mecánicos o bridas.

• Rodamiento con Lubricación por AIRE; sin lubricantes, grasas o aceites.

• Rango de Velocidad Angular, 0 hasta 96,000 RPM.

Fig. 8 Componentes del sistema de Generación de Potencia Eléctrica dentro la Microturbina

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Relación de componentes internos

• Generador eléctrico con Rotor de magneto permanente girando dentro del devanado de cobre. (TG)

• Modulo de Control Interno del equipo. (ECM)

• Modulo de Control de capacidad, el cual hará la sincronía con la red externa en su caso en todos los parámetros que esta tenga, así como la generación de potencia eléctrica demandada e instantánea del servicio o instalación.(LCM)

• Modulo de Control de baterías (Opcional), para el tipo de operación independiente y desconectada de la red eléctrica.(BCM)

• Baterías (opcional) para el tipo de operación independiente de la red eléctrica externa, para el arranque de la Micro turbina y demanda de picos de corriente.

• Contactores.

• Filtros de Armónicas tipo EMI.

• Supresor de picos.

• El Enfriamiento de los módulos electrónicos es por aire, volumen de aire requerido; 1500 CFM (1478 m3/hr)

Fig. 9 Diagrama Unifilar del sistema de generación eléctrica interno

ECM LCM

BCM

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Fig. 10- Componentes internos de una Microturbina modelo C65

Fig. 11- Microturbinas de unidades modelo C65 y C200, apreciación de su tamaño real

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A continuación algunos casos de éxito de cogeneración con microturbinas Capstone en diversas aplicaciones del sector comercial.

Casino en Guadalajara Mexico.- El sistema consta de una microturbina modelo C-600 de 600 Kw, generando potencia eléctrica de calidad y segura para las maquinas de juego. Se estimaron ahorros en costos de operación del 35%, además de ahorro en la inversión de UPS y subestación, se tiene una planta de emergencia como respaldo.

A&P FRESH MARKET - Nueva York Cuatro micro turbinas Capstone de 65 Kw producen energía eléctrica y con un chiller de doble efecto de absorción conectado directamente a los gases de escape producen el frio y el calor necesario para la climatización del local.

HOTEL RITZ-CARLTON-San Francisco California Cuatro micro turbinas Capstone de 60 Kw generan electricidad para el hotel y con el calor de combustión producen 161 TR para enfriar la carga base del edificio.

BIBLIOTECA RONALD REGAN-Simi Valley California Un total de 960 Kw son generados por 20 micro turbinas Capstone de 65Kw y se producen 361 TR con chiller de absorción para enfriar la biblioteca y el pabellón “Air force one”

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EDIFICIO CITIBANK La Jolla California Tres micro turbinas Capstone C65 alimentan un sistema de absorción que produce 60 toneladas de refrigeración.

EDIFICIO PIERCE COLLEGE - Los Ángeles California Un banco de 6 micro turbinas Capstone de 65 Kw que alimentan un sistema de absorción de agua caliente que produce 120 toneladas de refrigeración

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2.- Análisis y desarrollo de un sistema de Microgeneración.

• Consumo o requerimiento de energía eléctrica (E) expresado en kilowatts. La empresa industrial o edificio, hospital, hotel, etc. que quiera instalar un sistema de cogeneración debe requerir y consumir energía eléctrica. En México la energía eléctrica se abastece a los usuarios por Comisión Federal de Electricidad (CFE), el recibo de facturación eléctrica es el dato más importante para este parámetro ya que en él se encuentra la tarifa eléctrica con la que se factura el Kwhr en diferentes horarios así como los KW consumidos. promedio de consumo facturable, entre otros datos, de allí puede ser el punto de partida para empezar a seleccionar la unidad o unidades en caso de que se requiera operar independientemente de la red eléctrica o conectada a esta en sincronía en esta forma de operación por ejemplo las Microturbinas podrían generar el 80% de la demanda eléctrica y el 20% restante lo haría la red externa. Para mayor información sobre tarifas eléctricas se puede ingresar a la siguiente pagina de CFEhttp://www.cfe.gob.mx/es/InformacionAlCliente/conocetutarifa/

•

Fig. 12- Recibo de Consumo Eléctrico

• Consumo o requerimiento de energía térmica útilgeneralmente en términos de kW térmicos. La empresa que quiera instalar un sistema de cogeneración debe requerir y consumir energía térmica útil para la elaboración de sus productos bienes o servicios, por lo regular en forma de un fluitérmica útil por lo general es el seno de su empresa a través de equipos de combustión (calderas o calentadores a fuego directo). agua caliente el gasto requerido ya sea en galones por minuto o litros por segundo o la unidad que manejen así como la capacidad térmica BTU/hr o Kw, y en el caso de generación de vapor los caballos caldera, presión del vapor PSI o Kg/cm2, gasto generación de agua helada para mediante un chiller absorción la cantidad de agua caliente requerida por este y su temperatura.

Fig. 13- Sistema de Cogeneración con Caluna Microturbina de 30 Kw eléctricos

Consumo o requerimiento de energía térmica útil (Q = Qu) expresado generalmente en términos de kW térmicos. La empresa que quiera instalar un sistema de cogeneración debe requerir y consumir energía térmica útil para la elaboración de sus productos bienes o servicios, por lo regular en forma de un fluido caliente, ya sea vapor o gases calientes. Esta energía térmica útil por lo general es auto generada por las empresas industriales en el seno de su empresa a través de equipos de combustión (calderas o calentadores a fuego directo). Por lo que se requiere conocer en el caso del agua caliente el gasto requerido ya sea en galones por minuto o litros por segundo o la unidad que manejen así como la capacidad térmica BTU/hr o Kw, y en el caso de generación de vapor los caballos caldera, presión del

Kg/cm2, gasto másico Kg/hr ó Lbs./hr, así mismo para el caso de generación de agua helada para mediante un chiller absorción la cantidad de agua caliente requerida por este y su temperatura.

Sistema de Cogeneración con Caldera tipo recuperación de Calor acoplado una Microturbina de 30 Kw eléctricos

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(Q = Qu) expresado generalmente en términos de kW térmicos. La empresa que quiera instalar un sistema de cogeneración debe requerir y consumir energía térmica útil para la elaboración de sus productos bienes o servicios, por lo regular en

do caliente, ya sea vapor o gases calientes. Esta energía por las empresas industriales en

el seno de su empresa a través de equipos de combustión (calderas o e conocer en el caso del

agua caliente el gasto requerido ya sea en galones por minuto o litros por segundo o la unidad que manejen así como la capacidad térmica BTU/hr o Kw, y en el caso de generación de vapor los caballos caldera, presión del

/hr, así mismo para el caso de generación de agua helada para mediante un chiller absorción la cantidad de

recuperación de Calor acoplado

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• Consumo de Combustible (Qs) expresado en metros cúbicos, kilogramos, Gcal, Mjoules, litros o directamente en kilowatts térmicos. La empresa que quiera instalar un sistema de cogeneración debe requerir y consumir combustible para generar energía térmica útil. Normalmente ésta la provee los combustibles más disponibles como son el gas natural, el combustóleo o diesel, entre otros. Estos combustibles son proporcionados a los usuarios por Petróleos Mexicanos (PEMEX) o por medio de sus distribuidores.

Fig. 14- Recibo de consumo de Gas Natural

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3.- MEMORIA DE CÁLCULO.

SISTEMA DE MICROCOGENERACION POR MEDIO DE MICROTURBINAS PARA UN HOSPITAL

Proyecto para brindar una solución integral de Micro Cogeneración Eléctrica y Térmica, para entregar Energía Eléctrica, Vapor y agua caliente, a través de Microturbinas modulares en el Hospital Regional núm. 72 del IMSS, Tlalnepantla, Edo. de México Antecedentes.- actualmente el hospital tiene una demanda promedio de 360 kw energía eléctrica por medio de la compañía de luz y fuerza del centro en tarifa HM-GF, y generando vapor por medio de una caldera de 150 Caballos Caldera de capacidad operando con diesel, el vapor se utiliza para generar agua caliente a 65°C en un tanque de 10,000 litros y un consumo vapor de 35 Caballos Caldera (C.C.) para 4 Marmitas de cocina y 7 autoclaves para esterilización de material quirúrgico. Datos.-

� Promedio de consumo diario de Diesel; 1,380 litros/día � Promedio de horas de operación de la caldera; 8 horas � Promedio de consumo eléctrico diario; 5,733 Kwhr/día � Promedio de tarifa eléctrica; 3.46 Pesos/Kwhr.

� Consumos y costos de operación actuales;

Consumo de Diesel de la Caldera = 1.15 Litros X C.C. X Horas de operación 1.15 Litros X 150 C.C. X 8 horas = 1380 Litros Consumo promedio de Diesel.- 1,380 litros/día X 9.0 pesos / litro = 12,420 pesos/día Consumo promedio de Electricidad.- 5,733 Kwhr/día X 3.46 pesos/kwhr = 19,836 pesos/día Costo de operación promedio por día; 32,256.00 pesos/día

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� Calculo del consumo y costo de operación del sistema de Micro Cogeneración

• Datos; � Consumo de combustible del sistema de cogeneración HHV; 5.098

MBtu/hr � Precio de Gas Natural; 75 pesos /MBtu � Potencia Eléctrica Generada por el sistema; 384 Kw

� Calculo del costo del Kwhr del sistema

� Costo de operación en una hora = 75 pesos/MBtu X 5.098 Btu/hr

= 382 Pesos/hr

� Costo del Kwhr = 382 pesos/hr / 384 Kw = 0.99 Pesos/ Kwhr

� Costo de operación Diario = 0.99 Pesos / Kwhr X 384 Kw X 24 hrs

= 9,123 Pesos/día

� Factibilidad del sistema de Micro Cogeneración.

Con los cálculos anteriores se verifica que la diferencia en costos de operación del sistema actual contra el sistema de Micro Cogeneración arroja los siguientes ahorros;

� Costo diario de operación del Sistema Actual = 32,256.00 pesos/día

� Costo diario del operación del Sistema de -

Micro Cogeneración= 9,123.00 pesos/día

AHORRO 23,133.00 pesos/día

� Proyección de Ahorro anual = 8, 443,545.00 pesos / año � Inversión Estimada Promedio = 15,000,000.00 pesos

� Tiempo de recuperación de inversión = Inversión /Ahorro Anual

= 15,000,000 / 8,443,545 = 1.77 años

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Fig. 15- Entrada de Vapor al tanque actual de agua Caliente de 10,000 litros

Descripción del sistema de Micro Cogeneración Propuesto.

El sistema estará compuesto por ocho Microturbinas para Generación de Energía Eléctrica y Térmica, con potencia nominal por Microturbinas de 65 KW de capacidad nominal cada una a condiciones ISO*, con capacidad de interconectarse y sincronizarse en paralelo a la red eléctrica externa que suministra la energía eléctrica al hospital, El aire caliente residual de la combustión con capacidad térmica se utilizara para generar el vapor y el agua caliente requeridos por el hospital por medio de una caldera de recuperación de calor, es decir utilizando el aire caliente residual de la combustión de las Microturbinas.

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� Descripción y rendimiento del Sistema de Micro Cogeneración

• Generación eléctrica � Potencia eléctrica generada por cada Microturbina a la altura de la Cd de

México y 20°C de temperatura Ambiente y una presión de suministro de Gas Natural a 75 PSI; 48 Kw

� Potencia Generada Total por 8 Microturbinas; 384 Kw � Suministro Eléctrico; 460 volts, 3 fases, 60 Hz

• Generación Térmica Total � Aire Caliente de combustión; 14,130 Kg/hr � Temperatura de salida; 317°C � Energía térmica disponible; 4,418,184 BTU/HR = 131 Caballos Caldera � Caída de presión máxima disponible; 6 pulgadas columna de agua (152.4 mm

C.A.)

• Combustible para las Microturbinas � Consumo total del sistema; 6,793,852 Btu/hr de combustible con valor HHV,

por cada Microturbina. � Presión requerida del combustible; 75 a 80 PSIG. � Combustible requerido; Gas Natural. � Arreglo de conexión de entrada de combustible consistente en; Valvula de

Paso, Filtro para combustible, Regulador de presión, y valvula de purga. � Consumo de aire 1500 Pies cubicos por minuto por cada microturbina

modelo C65 *Condiciones ISO; 15ºC de temperatura ambiente, 101.3 KPa y 60% de humedad relativa

Fig. 16- Diagrama unifilar del sistema de Microcogeneración propuesto

Diagrama unifilar del sistema de Microcogeneración propuesto

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Diagrama unifilar del sistema de Microcogeneración propuesto

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4.- INSTALACIÓN DE MICROTURBINAS

� Interconexión eléctrica de las Microturbinas con la red eléctrica del Hospital.

La energía eléctrica auto generada deberá de estar interconectada a la red de suministro de energía de la Comisión Federal de Electricidad (CFE) a fin de que los equipos de generación provean la demanda base e intermedia y CFE provea la demanda eléctrica restante, de tal forma que el sistema de cogeneración deberá ser capaz de sincronizar la energía eléctrica producida por las Microturbinas y la que provee CFE para que se puedan utilizar en paralelo. Para lo anterior se conservara el contrato actual, así mismo este contrato fungirá como respaldo en caso de falla o mantenimiento del sistema de Micro cogeneración. El sistema de Micro Cogeneración deberá tener capacidad de operación independiente de la red de suministro de energía de CFE, esto es, en un evento de falla del suministro por parte de CFE, la solución debe ser capaz de desconectar los sistemas de cogeneración y generación de la red eléctrica de CFE y reconfigurarse para una operación independiente en un periodo máximo de 20 segundos, contando con capacidad de arranque negro, esto es, brindar su capacidad de carga máxima en este periodo de tiempo.

En caso de que CFE presente una alteración o interrupción, deberá incluir protecciones de alto y bajo voltaje; alta o baja frecuencia y por falta de una o dos fases. De la instrumentación y medición.

• Incluir mecanismos que impidan la exportación de energía a la red de CFE en caso de que dicha red presente una alteración o interrupción. Deberá incluir protecciones de alto o bajo voltaje; alta o baja frecuencia; así como un protector de flujo de energía o potencia inversa.

• Incluir un kit de aparatos de medición tanto para la presión y flujo del gas como para los parámetros eléctricos del sistema (voltaje, frecuencia y amperaje, factor de potencia, kw.)

• Incluir los compresores y componentes en caso necesario para incrementar la presión a 75 PSIG en caso de que el proveedor de Gas Natural no pueda suministrar la presión de 75 PSIG

• Correspondiente al suministro de gas natural a cada Microturbinas a partir de estación de medición y regulación de este combustible, con todos los accesorios correspondientes para una entrega limpia de este combustible a las Microturbinas.Generación Térmica del sistema de Microcogeneración:

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� Primera Etapa de aprovechamiento del Aire Caliente de la combustión de Microturbinas

� Caldera de Vapor por medio de Aire Caliente de Combustion (exhaust gas

steam boiler ó Heat Recovery Steam Generator HRSG).

• Capacidad evaporativa Máxima a 100ºC, 626 Kg/Hr, vapor seco y saturado.

• Caballos Caldera efectivos a 2240 m.s.n.m.: 40 BHP

• Combustible: …………………….Aire caliente de las Microturbinas.

• Aire Caliente disponible a 100% de carga: 11,034 Kg/hr.

• Temperatura de entrada aire caliente: 316º C

• Temperatura de salida de aire: 193º C

• Caída de presión máxima del aire caliente: . .. . 127 mm C.A. (5 pulg C.A)

• Presión de diseño: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.50 Kg/cm2.

• Presión de operación: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Kg/cm2

• Incluye control y columna de agua principal.

• Protección por bajo nivel de agua.

• Termómetro en salida de aire.

• Revestimiento aislante exterior de fibra mineral de 5 mm.

• Construido bajo Código ASME, sección VIII.

� Segunda Etapa de aprovechamiento del Aire Caliente de la combustión de Microturbinas

� Caldera de Agua Caliente por medio de aire caliente (Exhaust Gas Hot

Water Boiler).

• Capacidad de Calentamiento de Agua: . . . . 5,475 lt/Hr, con un incremento de temperatura ΔT = 40ºC

• Altitud de operación: . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2,240 m.s.n.m.

• Combustible: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . aire caliente de microturbinas.

• Aire disponible a 100% de carga: . . . . . . . . .11 034 Kg/Hr.

• Temperatura de entrada de aire: . . . . . . . . . 193ºC.

• Temperatura de salida de aire: . . . . . . . . . . . 110ºC.

• Caída de presión máxima:. . . . . . . . . . . . . . 127 mm WC

• Presión de diseño: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.50 Kg/cm2

• Presión de operación: . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 Kg/cm2

• Incluye control y columna de agua principal.

• Protección por bajo nivel de agua.

• Termómetro en salida de aire.

• Revestimiento aislante exterior de fibra mineral de 5 mm.

• Construido bajo Código ASME, sección VIII.

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� Equipo Auxiliar para la Caldera de Vapor por medio de aire caliente.

� Bombas de alimentación de agua, filtro en la succión, manómetro, gabinete de control con protecciones térmicas, arrancadores, lámparas indicadoras de nivel y de bomba en operación, tipo NEMA12, relevadores y transformador de control.

� Un tanque de condensados para 375 lt., equipado con coples, base de sustentación, soportes para las bombas, válvula de succión, filtro y junta antivibratoria, cristal de nivel, termómetro y válvula con flotador para alta presión. Tubo difusor de retorno de condensados de alta presión, válvula de purga, tanque de acero al carbón cal. 10.

� Lote de válvulas para el recuperador de acuerdo al código ASME: válvula principal de vapor tipo compuerta, presión 10.50 kg/cm2

� Válvulas de alimentación de agua: de globo parta 14 Kg/cm2 y válvulas de retención para 14 Kg/cm2

� Válvulas de purga: de cierre rápido para 21 Kg/cm2 y de cierre lento para 21 Kg/cm2

� Aire Caliente de las Microturbinas.

� Sistema de ducteria para conducir el aire caliente de salida de las

Microturbinas a los recuperadores de vapor y agua caliente, fabricado en acero al carbón cal. 14, conexiones por brida, aislamiento térmico y acabado exterior en lamina de adecuada para soportar 600ºC.

� Ducto de entrada y compuerta automática de control de aire caliente con actuador eléctrico tipo NEMA 12 y volante de operación manual para emergencia.

� Equipo de Suavización de Agua Dúplex, de operación automática.

� Capacidad de suavización de 120 000 granos por columna.

� Equipo Dosificador de productos Químicos.

� Dosificador de productos químicos en la entrada de agua de los recuperadores, incluyendo tanque de 190 lts., de polietileno, con base de acero y soporte para el agitador, bombas dosificadoras de flujo variable fabricadas en acero inoxidable 304, con motor eléctrico.

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� Recirculador de Agua Caliente (Sistema de Bombeo):

� Recirculadores de agua con motor eléctrico para 30 GPM @ 45 mt de columna de WC, incluye control de temperatura con rango de 16 a 85ºC

� Tanque Centrífugo Vertical de Purgas.

� Tanque para 550 litros, construido de acuerdo al código ASME, con placa de acero al carbón A-285-C de 4.76 mm de espesor, con bafle rompedor de presión a la entrada, con soportes y conexiones necesarias y acabado exterior con primer de alta temperatura.

Fig. 17- Caldera de recuperación de calor a base de aire caliente de combustión Con paquete de bombeo y control integrado, para generación de Vapor

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Fig.

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� Emisiones atmosfericas de las Microturbinas:

� Temperatura del gas de salida de la combustión; 309°C ( 588°F) � Flujo masico del gas de salida 1.08 Lbsm/seg (0.49 kg/seg) � Emisiones NOx del gas de salida al 15 % de O2; < 9 ppmvd (19

mg/m3), con gas natural como combustible. � Emisiones NOx con respecto de la generación eléctrica; 0.16 g/bhp-hr

(0.46 lb/MWhe) con gas natural como combustible.

� Emisión Acústica:

� Emisión acústica nominal a 10 metros de distancia y a plena carga; 65 dB

� Dimensiones:

� frente 0.76 m x profundidad 2.0 m x altura 2.1 m. Por cada microturbina modelo C65

� Pesos: � 1,121 Kg. Por cada microturbina modelo C65

� Panel de Control e interconexión de control:

� El panel de control contara con una pantalla de 4 renglones con caracteres alfanuméricos, en el cual se podrán monitorear y controlar las siguientes actividades; arranque, paros, alarmas, programación de diferentes combustibles, horas de operación, número de arranques, fallas, memoria de fallas, etc.

� La pantalla será alimentada con una batería independiente y tendrá la opción de programar su tiempo de iluminación, y se apague cuando no este en uso para ahorrar energía de la batería.

� La interconexión de control será del tipo RS232 ModBus con la

capacidad de traducirse a otros sistemas de control y monitoreo remoto, así como un puerto de conexión IP

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� Control de la capacidad en conjunto con otras Microturbinas:

� El conjunto de microturbinas, operaran en modo MultiPak, una microturbina maestra y las demás esclavas, para que puedan seguir la carga eléctrica demandada por el hospital, ya sea de manera parcial o total comportándose todo el conjunto de microturbinas como si fuera una sola unidad.

� Gabinete;

� El gabinete será de tipo NEMA 3R para operar en exteriores y a la intemperie.

Fig. 19 Componentes Principales de una Microturbina C65

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Fig. 20 Pantalla y Teclado de operación de una Microturbina Capstone

Fig. 21 Puertos de conexión de potencia y control de una Microturbina Capstone

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Fig. 22 Dimensiones de una Microturbina modelo C65

Fig. 23 Claros requeridos de una Microturbina modelo C65 Vista Superior

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� Normas y estandares;

� Las Microturbinas deberan estar certificadas de acuerdo con el UL 2200 y UL 1741 para operación con gas natural (Archivos UL AU2687, E209370)

� Las Microturbinas deberan cumplir con el estándar IEEE 1547 y cumplir con los requisitos de interconexión con la red eléctrica nacional

� Las Calderas deberan de cumplir y estar construidas bajo el Código

ASME, sección VIII.

� Servicio y mantenimiento para Microturbinas;

� 4,000 horas de operación continua; revisión ó cambio de filtro de aire.

� 8,000 horas de operación continúa; cambio de filtro de aire, cambio de filtro de combustible, y cambio de bujía.

� 20,000 horas de operación continúa; cambio de inyectores, cambio

de paquete de baterías (según estado), termocople sensor de temperatura de salida de aire.

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5.- CONCLUSIONES.

Ante la crisis energética actual, que ya no es un tema futurista si no de actualidad el conocer y dominar formas alternativas de uso racional de la energía aunado a la necesidad de reducir emisiones contaminantes, que es uno de los retos actuales del Ingeniero Mecánico, actualmente en los países con mayor desarrollo tecnológico cada vez es más común el implantar sistemas de Microcogeneración en nuevos proyectos de edificios de diferentes aplicaciones, a la vez las legislaciones de cada país incluyendo México aprueben e incentiven el autoabastecimiento de energía eléctrica, el uso eficiente de la energía es una necesidad global que ha generado el desarrollo tecnológico de avanzados sistemas de generación eléctrica y de aprovechamiento térmico. En la actualidad el autoabastecer energía eléctrica como fuente primaria por medio de motores a pistón tiene un costo muy elevado por el mantenimiento, en los que se incluye el aceite lubricante y demás partes móviles, así mismo el aprovechamiento térmico resulta muy complejo, a esto se desarrollo una tecnología con capacidad de generar energía eléctrica sin lubricación por aceite, grasas etc., así como no utilizar ningún tipo de refrigerante; las Microturbinas que adoptaron la tecnología de las turbinas de jets de aviación, y se diseñaron con tamaño muy compacto, una sola parte móvil, con una facilidad de aprovechamiento de la energía térmica y bajas emisiones contaminantes, están tomando el mercado de la Micro Cogeneración en el mundo. Entre las ventajas y aplicaciones de las Microturbinas es que estas generan energía eléctrica de calidad tipo Sistema de Potencia In-interrumpible por sus siglas en ingles UPS ya que la potencia eléctrica no se toma de la excitación del devanado del generador si no después de haberse rectificado de corriente alterna a corriente directa y después de nuevo a corriente alterna, así mismo generan un aire caliente de combustión en promedio de 300°C, que es capaz de calentar agua, generar vapor, por medio de calderas de recuperación de calor, y en aplicaciones por medio de un generador tipo absorción generar agua helada para un sistema de acondicionamiento de aire. De los retos más grandes que tiene el Ingeniero Mecánico Mexicano, es el proponer aplicaciones de tecnología de punta, demostrando que si se pueden lograr con las herramientas adquiridas en su preparación y experiencia práctica. Cuitláhuac Sandoval Rodríguez.

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BIBLIOGRAFIA.

• Página electrónica de la Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía Eléctrica; www.conue.gob.mx

• Página electrónica de la Comisión Federal de Electricidad; www.cfe.gob.mx

• Página electrónica de la Comisión Reguladora de energía; www.cre.gob.mx

• Portal de la compañía Gas Natural México, informes del mercado; http://portal.gasnatural.com/

• Manual del usuario de Microturbinas Capstone; www.capstoneturbine.com

• Hoja de datos técnicos de calderas de recuperación marca Cain; www.cainindustries.com

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RESEÑA DE LA TECNOLOGIA

� Las Microturbinas Capstone son Generadores Eléctricos y Térmicos de uso

continuo, su alta tecnología electrónica les permite acoplarse al suministro eléctrico externo u operar de manera independiente de la red eléctrica 24hrs/365 días, el generador tiene una sola parte en movimiento la cual gira suspendida sobre un cojín de aire, sin necesidad de ningún tipo de aceite lubricante, grasa o refrigerante, el aire se utiliza como lubricante.

� Combustibles.- Las Microturbinas pueden operar con diferentes tipos de

combustibles, Gas Natural, Biogás de desechos orgánicos, Gas Amargo, Propano, Gas LP, Diesel, Biodiesel.

� Cogeneración.- Las Microturbinas Capstone al poder operar continuamente y

con muy poco mantenimiento su aplicación es ideal para la Cogeneración en sitio, es decir auto generar la energía eléctrica y la energía térmica total o parcial de una instalación, aprovechando la energía térmica ya sea en generación de agua caliente, vapor, secado industrial, calentamiento de un fluido así como mediante un chiller tipo Absorción generar el agua helada para procesos de enfriamiento o acondicionamiento de aire.

� Electricidad.- La energía eléctrica generada es por medio de inversores que

rectifican la potencia eléctrica haciéndola de alta calidad, sin variaciones y libre de armónicas, esto lleva a aumentar el tiempo de vida útil del equipo electrónico.

� Costo de operación.- Al utilizar la energía térmica en conjunto con la energía

eléctrica se puede AHORRAR hasta un 60% en energéticos comparado contra una manera convencional de consumo con la red eléctrica externa y combustible para calentamiento de agua o vapor por medio de una caldera.

� Emisiones Contaminantes.- Gas de Combustión; <9 PPMV de CO2 con 15% de

O2 y <0.46 Lb/MWhr de NOx; al operar como un sistema de cogeneración térmica y eléctrica se reducen las emisiones de CO2 en un promedio de 50% y de 2,267% en NOx comparado contra un consumo eléctrico y térmico convencional, siendo el generador eléctrico con combustible orgánico con menos emisiones contaminantes en el mercado; Sonido; 64 dB en un radio de 10 mts y a plena carga. Lo anterior apoya al usuario a obtener beneficios como industria limpia y de bajos niveles de emisiones contaminantes.

� Mercado de aplicación.- Industrias, Hoteles, Hospitales, Instalaciones

Petroleras, Conjuntos Habitacionales, Edificios de Oficinas, Centros de Datos y telecomunicaciones, agrícolas, ganaderas, instalaciones remotas, etc. Hay mas de 5000 unidades instaladas y las capacidades eléctricas de sus modelos son 30 kw, 65 Kw, 200 kw, 600 kw, 800 kw y 1000 Kw, instalándose como paquetes modulares de acuerdo a la capacidad requerida.

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