Una tecnología innovadora captura energía del calor residual

Los generadores libres de combustible y emisiones convierten el calor residual de baja calidad de los generadores diésel en energía.

En 2014, se instalaron tres generadores orgánicos de ciclo Rankine (ORC) para convertir en energía el calor residual de tres grupos electrógenos diésel de la central eléctrica de Dutch Harbor en las remotas islas Aleutianas de Alaska. Los generadores capturan el calor residual a temperaturas tan bajas como 170 °F del agua de la camisa de dos motores diésel Wärtsilä W12V32 y dos motores diésel Caterpillar C280-16.

Incluso con esta baja temperatura de calor residual, los generadores proporcionan aproximadamente 75 kW de potencia bruta para el lugar. La energía generada se envía directamente a la red, donde los costos residenciales de la energía llegan a 0,50 dólares/kWh, algunos de los más altos de América del Norte y cuatro veces el promedio nacional de EE. UU. de 0,12 dólares/kWh.

1. El POWER+ GENERATOR 4400 genera hasta 75 kW y es ideal para calor residual de flujo más bajo. En esta imagen, un operador monitorea el funcionamiento de la unidad mediante la interfaz hombre-máquina. Cortesía: ElectraTherm

La ciudad de Unalaska y la Autoridad de Energía de Alaska compraron los tres generadores (Figura 1) para utilizar el recurso de calor residual existente y sin explotar en la planta de energía, aprovechando el potencial de ahorrar decenas de miles de dólares al año en costos de combustible. La reducción de las cargas de refrigeración es un beneficio adicional porque las instalaciones reducen el trabajo de refrigeración del radiador necesario para los motores diésel. Los tres generadores ORC utilizan un circuito de enfriamiento, proporcionado por agua de mar con una temperatura de entrada promedio de 45 °F.

Los generadores fueron proporcionados por ElectraTherm y están controlados por un controlador lógico programable (PLC) de AutomationDirect, que proporciona todas las funciones de control y monitoreo requeridas. AutomationDirect también proporciona una interfaz hombre-máquina (HMI), que permite a los operadores ver y ajustar la operación según sea necesario.

En un motor alternativo estacionario típico de diésel, gas natural o biogás, sólo alrededor del 33% de la energía del combustible aplicada (combustión) se convierte en energía, y la energía restante se pierde como calor residual. Algunas de las principales pérdidas por baja temperatura incluyen el 27% de pérdida por el calor del radiador y el 5% de pérdida por fricción. Un 35% adicional se pierde en forma de calor a alta temperatura en los gases de escape.

Este nivel de calor residual es común en los motores alternativos. Además, los gases calientes de escape de prácticamente todos los procesos de combustión, como los utilizados para encender hornos, hornos, incineradores, oxidadores térmicos y calderas, contienen una gran fracción de la energía original del combustible consumido. Cuando este calor se recupera y se convierte en electricidad, aumenta la eficiencia general de la planta.

En el pasado, no había muchos productos comerciales probados para convertir este tipo de calor residual en energía, por lo que los operadores no tenían más remedio que aceptar la pérdida de calor a la atmósfera. Hoy en día, ElectraTherm ha implementado más de 70 unidades en todo el mundo con más de 1,2 millones de horas de experiencia acumulada en flotas, ahorrando a los clientes millones de dólares en el proceso.

El diseño POWER+ GENERATOR y sus tecnologías patentadas asociadas permiten la generación de energía a partir de fuentes de calor de baja temperatura que van desde 170F a 270F. Esta tecnología de conversión de calor residual en energía convierte varias fuentes de energía en energía, incluido el calor residual generado por motores de combustión interna, energía geotérmica pequeña, biomasa, energía solar concentrada y calor de proceso.

La aplicación principal es convertir el calor residual de los motores de combustión interna estacionarios en energía. Los sitios de instalación típicos incluyen producción de energía primaria en áreas remotas, islas y países en desarrollo; grupos electrógenos de biogás, incluidas plantas de tratamiento de aguas residuales y vertederos; estaciones compresoras de gas natural; y biocombustibles renovables.

ElectraTherm utiliza tecnología ORC (Figura 2), un proceso similar al utilizado en una máquina de vapor. La principal diferencia con la tecnología ORC es que el agua utilizada en una máquina de vapor se reemplaza por un fluido con un punto de ebullición mucho más bajo. El proceso ORC es como un refrigerador que funciona al revés, donde se utiliza el flujo de calor para generar energía.

Los pasos del proceso ORC incluyen:

El calor producido por grandes motores estacionarios suele estar a temperaturas demasiado bajas para impulsar una máquina de vapor para producir electricidad. Reemplazar el agua y el vapor con fluidos alternativos de bajo punto de ebullición permite que una versión modificada del ciclo Rankine tradicional utilice con éxito el calor residual.

Dichos fluidos incluyen moléculas orgánicas, como hidrocarburos como pentano o refrigerantes de hidrofluorocarbonos, de ahí el apodo de ORC. Los generadores ORC de conversión de calor residual en energía de ElectraTherm utilizan un hidrofluorocarbono llamado R-245fa (1,1,1,3,3-pentafluoropropano), un líquido no inflamable ni tóxico con un punto de ebullición ligeramente inferior a la temperatura ambiente, aproximadamente 58 °F.

En lugar de tecnologías de turbinas radiales o axiales, ElectraTherm utiliza un expansor de doble tornillo en su sistema de generación de calor a energía. El expansor es uno de los componentes principales utilizados para generar electricidad a partir de una variedad de fuentes de calor.

Los expansores de doble tornillo ofrecen ventajas en aplicaciones de pequeña escala y baja temperatura, que incluyen:

El expansor de doble tornillo tiene una velocidad de rotación de 1.800 a 4.900 rpm, considerablemente menor que la de los expansores turbo. A diferencia de los turboexpansores de alta velocidad, los expansores de tornillo toleran un flujo de fase dual “húmedo”. Esto permite que el GENERADOR POWER+ utilice intercambiadores de calor más rentables y compactos que pueden aceptar interrupciones tanto en la temperatura como en el flujo, con relaciones de reducción de 6:1 disponibles bajo demanda. Esto es particularmente ventajoso en corrientes de calor residual de baja temperatura, como el agua de la camisa de un motor alternativo. El sistema también utiliza un esquema de lubricación patentado, que simplifica el diseño y elimina depósitos de lubricación, enfriadores de aceite, bombas y filtros relacionados. Este diseño crea un sistema simple, robusto y eficiente con menos cargas parásitas y requisitos de mantenimiento. También simplifica la automatización y operación del equipo.

El GENERADOR POWER+ está diseñado para funcionar automáticamente con una supervisión o supervisión mínima del cliente. Una vez iniciada, la función proporcional-integral-derivada (PID) en el PLC mantiene la salida de energía del sistema en el punto de ajuste. El PLC (Figura 3) fue seleccionado por su capacidad de expansión, funciones de control PID y facilidad de uso. Otra razón para seleccionar los componentes de AutomationDirect fue el soporte de su revendedor de valor agregado Quantum Automation. La empresa brindó asistencia con el diseño inicial y soporte durante todo el proceso de integración de un nuevo sistema de automatización en los generadores Power+.

3. Los controladores lógicos programables (PLC) de AutomationDirect controlan la flota activa de generadores Power+ de ElectraTherm. Cortesía: ElectraTherm

El control de bucle PID del PLC incluye autoajuste, que se utiliza para proporcionar rápidamente configuraciones de bucle cercanas a las óptimas, y una variedad de modos de control que incluyen automático, manual y en cascada. Se programaron una variedad de alarmas que incluyen la variable del proceso, la tasa de cambio y la desviación.

El PLC controla la bomba de alimentación de fluido de trabajo, las válvulas de seguridad y varios otros subsistemas y dispositivos conectados en campo. Según la entrada del sensor, el PLC puede detener el proceso si se desarrollan condiciones no deseadas o inseguras. También controla una válvula de tres vías en el lado del agua con camisa para evitar el intercambiador de calor, si es necesario. Una bomba adicional para hacer circular agua a través de un intercambiador de calor de gases de escape también está controlada por PLC, si está instalada.

Además de las entradas y salidas discretas (E/S), en el sistema se utilizan una variedad de sensores de temperatura y transmisores de presión que son monitoreados por el PLC, incluidas las temperaturas de entrada y salida del agua, y las temperaturas y presiones de entrada y salida del expansor. Estos sensores se utilizan para observar la estabilidad y seguridad del proceso. La potencia de salida también se controla y monitorea.

Se seleccionó la HMI para la interfaz del operador por su facilidad de uso, disponibilidad de registro de datos, funciones de carga y bajo costo. Además de las funciones de visualización gráfica, proporciona alarmas, accesibilidad remota, lógica, matemáticas y compatibilidad con numerosos protocolos de comunicación. El estado de la máquina se puede ver directa o remotamente.

Aproximadamente el 60% del combustible consumido por los tres grupos electrógenos diésel de la central eléctrica de Dutch Harbour se convierte en calor residual a través del agua de las camisas y los gases de escape. Al utilizar Power+, la Autoridad de Energía de Alaska estima que se obtienen $100,000 en ahorros de energía anuales al convertir parte de este calor residual en energía.

El sistema también eliminó uno de los tres radiadores del motor debido al efecto de enfriamiento del sistema POWER+, proporcionando caballos de fuerza adicionales de los grupos electrógenos diésel. Debido a que el GENERADOR POWER+ puede reducir la carga de enfriamiento del circuito de agua de la camisa entre un 70% y un 100%, también disminuyó la temperatura del radiador intercooler de baja temperatura. Esto aumentó la densidad del aire de carga y la potencia efectiva del motor, lo que a su vez aumentó la eficiencia del combustible hasta en un 10%.

Además del beneficio de la electricidad generada, el GENERADOR POWER+ también redujo el trabajo de enfriamiento del radiador. Esta disminución de la temperatura redujo el trabajo de enfriamiento térmico requerido por los motores por mes en aproximadamente 8.000 kW, ahorrando aproximadamente 500 galones de combustible al año. ■

—Joe Thibedeaues ingeniero de sistemas de control, EIT con ElectraTherm.

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