Mayo de 2014

SISTEMAS EFICIENTES DE GENERACIÓN DE POTENCIA: REDUCCIÓN DE COSTOS POR GENERACIÓN DE GASES EN SITIO

Rubén Darío Giraldo, Hidromecánica. División de Hidráulica y Neumática- INDISA S.A(Hans Pluimes, Gerente plataforma generación de gases.

Power Generation Dominick Hunter, Division Parker Hannifin Corporation)

INTRODUCCIÓN.La generación de gases en sitio es hoy una práctica muy común en las plantas de generación de energía eléctrica. En este artículo daremos una revisión al tema, específicamente para la generación de nitrógeno e hidrogeno, y su impacto directo en la eficiencia, reducción de los costos y gastos de operación de la generación de potencia.

Nuestra vida y economía global es dependiente de la electricidad y es facilitada por los dispositivos de almacenamiento de energía. Piense como sería su vida sin la oportunidad de conectar los dispositivos que requiere utilizar. Ahora considere los países de bajos recursos energéticos, por ejemplo Corea del Norte brinda 1-2 horas de energía eléctrica para ciudades y áreas rurales alrededor de Pyongyang.

La electricidad fluye como agua a través del sistema interconectado de Norte y Sur América, pero no puede ser efectivamente almacenada en un dispositivo o un tanque como si sucede con el agua, y liberada cuando se requiera. Es producida y canalizada donde está la gran demanda. Para atender esta demanda dinámica, las empresas de generación públicas y privadas tienen varios generadores que son operados en simultáneo para atender picos de consumo de hasta 12 horas.

1. INERTIZACIÓN DE CALDERAS

2. GENERADORES DE NITRÓGENOEl Nitrógeno es un gas incoloro, inoloro y sin sabor, no inflamable, no tóxico y casi totalmente inerte. Constituye el mayor componente de la atmósfera con un 78% en volumen y un 75.5% en peso aproximadamente.

Los generadores de nitrógeno en sitio son equipos compactos, modulares y fiables que operan a partir de un suministro externo de aire comprimido previamente secado y filtrado; su operación es simple y automatizada, lo que garantiza un suministro constante con la pureza requerida en cada aplicación.

Estos generadores se dividen en los de tipo membrana y los generadores de adsorción por cambio de presión (PSA).

Algunas de estas plantas que entran y salen de operación, permanecen fuera de línea por periodos de tiempo determinados. Sus calderas en ciclo combinado quedan sujetas a corrosión mientras están inoperantes. Si el tiempo fuera de línea es corto, típicamente se controla la corrosión mediante un humedecimiento que permite mantener los componentes de la caldera protegidos. Para periodos extendidos, como semanas y meses, se requiere un mantenimiento con capa seca, que consiste en la inyección de gas nitrógeno dentro de la caldera usualmente por 24 horas, y se mantiene ligeramente a presiones positivas para evitar fugas en la caldera.

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Para especificar una de estas unidades es necesaria la siguiente información:

Tamaño del sistema de generación de vapor con regeneración de calor (HRSG).Presión y flujo requerido para mantener la capa de nitrógenoCiclo de operación.Consumo actual de nitrógeno.

El control automático sobre los suministros de nitrógeno representa una ventaja tangible, aun cuando no se tienen estimados los consumos.

La operación de calderas de las unidades de generación de energía eléctrica es afectada por la inestabilidad de los precios del gas natural y la volatilidad en la demanda eléctrica. A medida que los ciclos de operación aumentan, la protección se hace más crítica y los problemas asociados con una inertización apropiada a la caldera se reflejan en la corrosión tanto del lado de los gases como del agua. El nitrógeno es una herramienta esencial para aliviar estos problemas, y su aplicación ha venido en aumento ya que no introduce productos corrosivos en la caldera. Un generador de nitrógeno en sitio, el cual separa nitrógeno desde la fuente de un compresor de aire, puede ser la forma más efectiva en costo para suministro de nitrógeno hoy día.

Figura 1: instalación típica para este tipo dispositivos.

Compresor

Tanque aire

Filtros coalescentes

Secador

Generador de nitrógeno

Tanque denitrógeno

Instalación típica:

Figura 1

2.1 VENTAJAS DE LA GENERACIÓN DE NITRÓGENO EN SITIO

El precio del nitrógeno generado en sitio es constante. En cambio el precio del nitrógeno líquido suministrado por una compañía es variable, se causan costos por suministro, acuerdos, almacenamiento, impuestos y transporte.

Los costos incrementan al usar pipetas, las cuales se hacen innecesarias al usar generador de nitrógeno en sitio.

El nitrógeno tiene un bajo punto de ebullición, y es continuamente evaporado cuando se suministra como liquido en pipetas. Las pérdidas por evaporación pueden ser del orden de miles de dólares.

El sistema de generación de nitrógeno en sitio elimina contratos por suministro. No se debe pensar más en renovaciones, incrementos, o términos especiales.

La instalación del generador de nitrógeno en sitio es muy práctica. Solo requiere tubería desde un compresor y tubería de salida del generador de nitrógeno.

Los generadores son probados y arrancados desde fábrica antes de entregarlos para garantizar su operación.

3. GENERADORES DE HIDRÓGENO

2.2 APLICACIÓN

Caso de éxito

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Los generadores de nitrógeno en sitio presentan muy bajos costos de mantenimiento con espacios largos para dicha tarea. Las piezas de recambio son de larga vida útil y de simple reemplazo.

Esta tecnología ha sido probada con numerosas referencias en la industria. Más de 10.000 historias de éxito.

El proceso de protección mediante capa de nitrógeno puede ser usado en húmedo o en seco para los sistemas HRSG. La aplicación de capa seca es usada por periodos de hasta 30 días normalmente; el nitrógeno se usa para purgar e inertizar los espacios que cubre el vapor, incluyendo los súpercalentadores y recalentadores.

Para minimizar la cantidad de nitrógeno requerido, es mejor inyectarlo cuando la presión del tanque esta entre 2-5 psig. Se recomienda inyectar nitrógeno y mantener presurizado a 5 psig para asegurar mantener seco y no permitir el ingreso de oxígeno. Basado en la norma ASME se recomienda pureza del nitrógeno a 99,6%.

Una empresa generadora de energía venía utilizando nitrógeno para purgar e inertizar la caldera de una planta a gas HRSG en Nebraska. El ciclo de la caldera y la inadecuada protección causaron corrosión y picadura en las partes internas, ocasionando demoras al arranque. Estos problemas pueden producir fugas, fatiga por corrosión, y estrés por fragmentación. La adecuada inertización, utilizando nitrógeno líquido en cilindros, representaba un costo en aumento. Para resolver estos problemas se instaló un generador de nitrógeno en sitio para ser utilizado al momento de apagar la caldera. La empresa Parker Hannifin diseño un generador de nitrógeno en sitio para suministrar flujo constante a una pureza de 99,6%. Esta sustitución en el suministro de nitrógeno representó ventajas para la empresa como el no requerir espacios para el almacenamiento de cilindros, que resultaba costoso desde el punto de vista de contratos y la dificultad de transporte hasta la planta. La inspección de la caldera revelo que los daños por presencia de oxigeno se minimizaron hasta un punto casi despreciable.

Otros resultados son que los tiempos de arranque se redujeron en 60 minutos durante capa húmeda, y de 6 a 8 horas en capa seca.

Retorno de inversión (figura 2)

El generador de nitrógeno en sitio, puede causar ahorros en costos de hasta 90%.

La inversión tiene un retorno entre 12 a 24 meses.

Elimina costos logísticos (ordenar, transporte, rastreo, instalación, renta) para tener el gas en el punto de inertización.

Cos

to to

tal

Tiempo

Cilindros

Nitrógeno líquido No. 2

Parker IGG

Retorno de la inversión 2-3 años

Retorno de la inversión menor a un año

El hidrógeno es un elemento químico ligero, inflamable, incoloro, inodoro, no metálico e insoluble en agua, es el más abundante en el espacio constituyendo el 75% de la materia visible del universo. Al mezclarse con el oxígeno genera una violenta explosión. Es un enfriador super-eficiente para equipos eléctricos rotativos, como los generadores eléctricos. La pureza del hidrógeno utilizado dentro de los generadores de energía tiene un efecto directo en la eficiencia de enfriamiento y perdidas por fricción, generando mejoras en la capacidad y longevidad del generador.

Su alta conductividad térmica es la razón principal de ser utilizado como medio de enfriamiento en vez de aire. El hidrógeno tiene una conductividad térmica cerca de siete veces mayor que la del aire, y su habilidad de transferir calor a través de la convección forzada es 50 % mejor que la del aire.

Figura 2

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La densidad del hidrógeno es también una ventaja contra el uso de aire como enfriador de equipos eléctricos, es aproximadamente un catorceavo (1/14) de la densidad del aire a una temperatura y presión dada, su uso reduce las perdidas por fricción dentro del generador a una pequeña fracción de las perdidas encontradas cuando el generador es enfriado con aire, incrementando así la eficiencia en la planta.

Cuando la generación es externa a la planta, el costo del hidrógeno es determinado en escalas altas por costos que se deben incluir por transporte, renta e impuestos. Los generadores de hidrógeno deben suministrar flujo constante de alta pureza (99.9% a 99.9995%) y bajo punto de rocío (-70 a -10 °C) lo cual es crítico considerando que el hidrogeno con presencia de líquidos corroerá y reducirá la vida útil del alternador.

Debido a su explosividad, la seguridad es clave en el manejo del hidrógeno. Dado que la obtención del gas en sitio permite producir solo las cantidades demandadas, se elimina el almacenamiento de grandes volúmenes del gas.

Algunos generadores producen hidrógeno desde agua desionizada y ofrecen una alta relación costo/beneficio en seguridad, permiten obtener ahorros hasta del 90 % con una inversión amortizada en periodos de 12 a 24 meses.

Algunas de las características de los generadores de hidrógeno son:

• Permiten producción continua de hidrógeno en altos volúmenes.• Presiones de 5 a 12 bar. • Pureza de hasta 99.9995%• Monitor en sitio y remoto de hidrógeno.• Control automático de producción de hidrógeno. • Basado con estándares de seguridad ATEX 94/9 EC• Bajo mantenimiento en la célula alcalina.• Garantía extendida de la célula.

La tecnología de un generador de hidrógeno, se presenta en la figura a continuación:

Proton exchangemembrane cell

Drain port

Check valve

Water supply

Water/gasseparators

Scrubbingand drying

Pressure gauge

Shutoffvalve

Hydrogen oulet

Relief port

Figura 3

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• Costo reducido de hidrógeno.• La forma convencional de suministrar gas hidrógeno a las plantas es tradicionalmente en transportar el gas en pipetas.

Valor agregado al usuario:

El costo asociado con entrega de gas hidrógeno involucra:

• Renta por almacenar hidrógeno en pipetas.• Cargo por entrega, e impuestos.• Costos internos asociados a instalación y mantenimiento de botellas. Principalmente aquí son costo de mano de obra.

• Consumo eléctrico (generadores H2 y N2)• Consumo de agua desionizada• Mantenimiento

Los costos asociados con generación de hidrógeno involucran:

El costo de entregar el gas, se esquematiza en la figura 4.

3.1 INCREMENTO EN LA EFICIENCIA DE GENERADORES ELÉCTRICOS

Al usar hidrógeno como gas de enfriamiento, las variables más importantes a tener en cuenta son la presión de hidrógeno y su pureza, pues influyen internamente en el generador y por tanto en la generación. El suministro de hidrógeno se realiza a presión constante permitiendo nivel óptimo en el generador eléctrico en todo momento.

A carga máxima se logran ahorros debido a:

Un incremento de 0,5 % en la salida del generador por 1 PSI en incremento.

Para un generador de 300 MW un promedio de 1 PSI en incremento de presión significa 1,5 MW lo cual puede ser U$ 600.000 por año.

La estabilidad del gas hidrógeno dentro del generador afecta la salida en generación. Una presión estable y mayor (atendiendo los niveles informados por el fabricante del generador), significan mejor intercambio de calor.

En promedio 1 PSI por encima del nivel de presión a forma constante se puede conseguir con el generador en sitio

A carga parcial: Con 0,5 % de incremento en eficiencia del generador eléctrico, se obtiene 0,2 % de eficiencia en la planta de generación cuando en promedio el generador se estime en un 39 % de eficiencia.

Vida del generador eléctrico

Los generadores pueden suministrar flujo constante de hidrógeno a bajo punto de Rocío -10 °C a -70 °C extendiendo la vida útil del generador.

Alta humedad puede causar problemas eléctricos, mecánicos y corrosión.

Punto de Rocío dentro del generador típicamente es menor a 0 °C.

Incremento en la seguridadLos generadores tienen un bajo almacenamiento de hidrógeno lo que elimina los riesgos en mantenimientos y en la operación por ser gas volátil.

Figura 4

$

$$

$$$

$$$$Bottled gas

Micro bulk

Bulk tank and pipeline

On site gas generation

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Desventajas de tener almacenamiento de hidrógeno en tanques

Fugas no detectadas.

Fallas en el regulador de presión causando daños catastróficos en el alternador.

Riesgos de seguridad durante almacenamiento por presión, caídas, accidentes.

Un tanque de 400 kg., a 200 bar de presión tiene la capacidad explosiva de 10.000 kg. DTNT.

Comparación

Las diferentes compañías que presentan generación en sitio pueden ser comparadas con:

Eficiencia

Una alta eficiencia en los generadores de hidrógeno puede estar del orden de 5,3 kWh/m3. La eficiencia promedio es 4,8 kWh/m3

RobustezHay dos tecnologías disponibles en el mercado, células alcalinas y células PEM. La desventaja de las células PEM es que una vez se contaminan con agua necesitan ser reemplazadas y es un costo muy alto. Las células alcalinas simplemente pueden ser reacondicionadas con agua limpia y ser utilizadas nuevamente. Por lo compacto de las unidades alcalinas son preferidas en las plantas de generación eléctrica.

Certificaciones

Los generadores son las únicas unidades en el mercado que atienden ATEX directive 94/9/EC.

Soporte globalTodas las compañías que ofrecen hidrógeno son relativamente pequeñas. Ninguna de ellas tiene la habilidad de soporte local como lo puede brindar la Parker Hannifin.

PrecioLos generadores son competitivos en precio para atraer el retorno de inversión en corto tiempo en un periodo máximo estimado de 24 meses. En general los generadores PEM son más costosos que los de alcalina por los metales preciosos que incluye su construcción.

CONCLUSIÓNLa implementación de equipos de generación de nitrógeno e hidrógeno son una importante opción a considerar en los proyectos de generación de electricidad por su apreciable efecto en la reducción de costos y gastos de operación.

ACERCA DE LOS AUTORESAdaptado por: Rubén Darío Giraldo (Ingeniero) Gerente Hidromecánica. División de Hidráulica y Neumática de Indisa S.A. www.indisa.com

Autor: Hans Pluimes (Ingeniero) Gerente plataforma generación de gases Power Generation/ Dominick Hunter Division Parker Hannifin Corporationwww.parker.com