Resumen de la Central Electrotérmica ORC
Descripción y comparación
La siguiente es una presentación de un sistema nuevo para producción combinada de electricidad y calor llamado "KWK" por sus siglas en alemán y significa: "Kraft-Wärme-Kopplung", es decir, acoplamiento de energía-calor, la cual es hasta ahora poco utilizada en el proceso reivindicatorio termodinámico, misma que se encuentra en condiciones de cubrir cerca de 1 MWel de potencia eléctrica más eficientemente, de lo que es posible con una central eléctrica de tecnología convencional de vapor.
Los equipos de este nivel de potencia relativamente pequeña por debajo de 1 MWel se distinguen por tener una eficiencia eléctrica muy baja y costos de inversión-operación y apenas permiten negociar con los precios de combustible actuales de 25 a 30 euros por tonelada de restos de madera.
Ahora con los avances tecnológicos, desde hace aprox. 100 años es posible producir energía y calor mediante el empleo de restos de madera. El uso de madera en procesos KWK se restringe principalmente en la producción de vapor a altas presiones en calderas que están conectadas a máquinas de vapor (turbinas o bien motores de vapor) en los cuales se lleva a cabo el trabajo.
El vapor saliente de la turbina o motor de vapor según sea el caso se emplea nuevamente en un sistema de calefacción, el vapor condensado del refrigerante se inserta nuevamente en la caldera donde se calienta nuevamente y así se cierra un proceso cíclico dentro de la instalación.
Los equipos convencionales de producción de vapor consisten generalmente de los siguientes componentes:
- Horno o dispositivo de incineración para combustibles líquidos, sólidos o gaseosos
- Caldera para el suministro del vapor a alta presión
- Motor o turbina de vapor con generador
- Columna refrigerante o condensador de agua o aire e intercambiador de calor
Junto a las máquinas de vapor las calderas son los principales componentes y de intensos costos en la fabricación de centrales eléctricas de vapor. Estos representan sistemas muy caros y complejos para el suministro de vapor de alta presión. Para la fabricación de este tipo de calderas de vapor, tuberías y sus armazones se debe encontrar acero inoxidable de alta resistencia, anticorroción, resistente a altas temperaturas o que empresas metalúrgicas puedan acondicionar cada uno de los componentes a usar.
La fabricación y funcionamiento por razones del existente peligro potencial latente será estrictamente regulado de acuerdo a los decretos y leyes nacionales e internacionales contenidos en el caso de Alemania en los decretos para calderas de vapor vigentes en "DampfkV" (por su abreviatura en alemán), por ejemplo: para sistemas de calderas de vapor del grupo IV (para 50 L y más de 20 bares) durante la instalación debe estar bajo supervisión de personal debida y especialmente protegido.
La diferencia en esta planta eléctrica de vapor, de la cual ya se ha presentado aquí su técnica de funcionamiento, consta en poder enlazarla al proceso conocido como ORC (Organic-Rankin-Cycle) con componentes de transformación de energía, mismos que también se presentan aquí y están en condiciones de eliminar en gran parte las desventajas especificas típicas de una planta de este tipo. Mediante la combinación de dichos componentes se pueden reducir los costos específicos de inversión por kilovatio de potencia eléctrica para el proceso de la planta eléctrica de vapor de agua.
Se trata en particular los siguientes componentes a conectar:
- Un horno para restos de madera sin tratar
- Una caldera para aceite térmico
- El prototipo de turbina para la planta ECOCAL, desarrollada para procesos a bajas temperaturas
El ciclo del proceso por medio de los siguientes esquemas numerados se explicarán así:
1. Almacén de combustible y transporte
El energético a usar se transporta del almacén de combustible (1) por medio de una banda transportadora(2) y el bastidor hidráulico(3) hacia el horno.
2. Horno y sistema de evacuación de humo
El energético sera quemado en el horno (1) el humo se extrae mediante la tubería (3) hacia el extractor de tiro inducido (4) para ser purgando en la chimenea (5) la ceniza restante se envía a la
3. Rejilla hidráulica inclinada oscilante
en la tolva de cenizas (2) y de ahí a la
4. Planta de evacuación de ceniza
La tolva se cambia cada 14 días si es necesario.
5. Ciclo primario con caldera de aceite térmico y Evaporador
el humo "rico" (en realidad aire caliente) en energía atraviesa la caldera donde dicho aire cede el calor al aceite térmico de alto grado de ebullición y este último se calienta a una temperatura de cerca de 350°C por abajo de su punto de ebullición.
6. Evaporador y Ciclo secundario
La energía recibida en el ciclo primario y contenida en el aceite térmico se descarga en el evaporador (1) sobre el "fluido orgánico de trabajo" que se encuentra en el ciclo secundario.
El fluido se trata de un aceite de silicona (ODP = 0) de punto de ebullición bajo libre de cloro, incombustible, no tóxico y no daña la capa de ozono, mismo que por sus propiedades termodinámicas, permite una distensión eficiente de energía así como un creciente rendimiento.
Debido al punto de ebullición bajo del fluido, éste se expande por el calentamiento del aceite térmico, pasa con fuerza del ciclo secundario(2) a la turbina(3) y cede a ésta la energía calorífica.
La elevación del rendimiento térmico dentro del ciclo secundario se basa sustancialmente en la segunda ley de la termodinámica, se da en el ciclo termodinámico la siguiente relación para el rendimiento térmico:
El trabajo cedido W se define como la diferencia entre la cantidad de calor para vaporización y la expansión de la cantidad necesaria de calor Q y se determinará en primera línea junto al cambio de entropía de la temperatura respectiva. Esto da para el rendimiento térmico:
De aquí se deduce que el crecimiento del rendimiento se efectúa mediante la elevación de la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida de la turbina.
Con motivo del bajo punto de ebullición de aprox. 40°C del fluido utilizado se logra una notable una ampliación del trabajo de expansión en comparación con vapor de agua.
Después de la turbina (Turbina de vapor 4) el vapor distendido llega al condensador donde todo el calor contenido por el medio será cedido al
7. Ciclo de calefacción con agua
El medio ya condensado bombea nuevamente al evaporador y ciclo secundario y así se recircula
8. Generador
A la turbina esta instalado un generador (1) y así la energía calorífica que mueva a la turbina será transformada en energía eléctrica misma que por medio de un transformador (2) se utiliza para alimentar la red de electricidad.