Generadores de
Ciclo Rankine
Orgánico
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WHG125 - Diseño Estructural
• Turbo Expansor
– Flujo de entrada radial de etapa
simple 30,000 rpm
– Requisitos energéticos: 835 kW
– Temp. Mínima: 121°C
• Carácterísticas energéticas
– PE modulado en estado sólido
programable según requisitos
del cliente. Salida 380-480V
línea-a-línea rms 3 fases 4 hilos
50/60 Hz
• Generador
– Alternador magnético de alta
velocidad bipolar de tierras
raras a 125 kW brutos
• Refrigerante – R245FA
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Producción de Electricidad
Turbina de agua (Hidro-turbina)
►
El fluido operativo es agua
Turbina de vapor
►
Ciclo Rankine – Antes de
pasar por la turbina, el agua
se convierte en vapor
►
El fluido operativo es agua
(Vapor: agua en fase gaseosa)
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3
Ciclo Rankine
Vapor
CALDERA
(o Evaporador)
CONDENSADOR
Agua
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4
Cómo funciona
Generados
125 kW
R245fa
Fuente de calor
190ºC
835 kW
Condensador
de evaporados
Evaporador
Bomba
5
5
Cómo funciona – La bomba aumenta la presión
Generador
125 kWe
R245fa
Líquido
29ºC
26 psig
Fuente
de calor
190ºC
835 kW
Economizador
Condensador
de evaporados
Evaporador
Líquido
29ºC
230 psig
Receptor
Bomba
El fluido operativo se encuentra en el receptor en estado líquido a presión y temperatura de
condensación. Accede a la bomba donde se incrementa la presión del fluido hasta alcanzar la
presión de evaporación.
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Cómo funciona – Precalentamiento del fluido
Generador
125 kWe
R245fa
Líquido
29ºC
26 psig
Fuente
de calor
190ºC
835 kW
Economizador
Condensador
de evaporados
Evaporador
Líquido
48ºC
220 psig
Líquido
29ºC
230 psig
Receptor
Bomba
El fluido operativo pasa a través de un intercambiador de calor (Economizador) para aprovechar
el calor del gas que sale del módulo de energía integrado IPM. Esto mejora la eficiencia del
sistema. El fluido operativo es ahora un líquido calentado y a alta temperatura.
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7
Cómo funciona - Evaporación
Generador
125 kWe
R245fa
Vapor
116ºC
220 psig
Líquido
29ºC
26 psig
Fuente
de calor
190ºC
835 kW
Economizer
Condensador
de evaporados
Evaporador
Líquido
48ºC
220 psig
Líquido
48ºC
220 psig
Líquido
29ºC
230 psig
Receptor
Bomba
El fluido operativo accede al Evaporador, donde se ve expuesto al calor residual,
que evapora el fluido operativo hasta convertirse en vapor a alta presión.
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8
Cómo funciona– Producción de electricidad
Módulo de energía
integrado IPM
Generador
125 kWe
R245fa
Vapor
63ºC
26 psig
Vapor
116ºC
220 psig
Líquido
29ºC
26 psig
Fuente de
calor
190ºC
835 kW
Economizador
Condensador
de evaporados
Evaporator
Líquido
48ºC
220 psig
Líquido
48ºC
220 psig
Líquido
29ºC
230 psig
Receptor
Bomba
El fluido operativo (ahora vapor) entra en la turbina del IPM. La presión del fluido desciende en
la turbina hasta presión de condensación, haciendo girar durante este proceso la turbina (que
está conectada al generador). La potencia de giro se debe a la diferencia de presión en turbina.
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9
Cómo funciona - Economizador
Generador
125 kWe
R245fa
Vapor
63ºC
26 psig
Vapor
116ºC
220 psig
Vapor
29ºC
26 psig
Líquido
29ºC
26 psig
Fuente
de calor
190ºC
835 kW
Economizador
Condensador
de evaporados
Evaporador
Líquido
48ºC
220 psig
Líquido
48ºC
220 psig
Líquido
29ºC
230 psig
Receptor
Bomba
El fluido operativo aún conserva una enorme cantidad de calor, una parte del cual se transfiere
al líquido bombeado al Economizador. Esto coopera en dos sentidos: 1) Este exceso de calor
hubiera llegado al condensador y; 2) El evaporador requerirá menos calor, dado que el líquido
ya habrá sido precalentado.
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10
Cómo funciona - Condensación
Generador
125 kWe
R245fa
Vapor
63ºC
26 psig
Vapor
116ºC
220 psig
Vapor
29ºC
26 psig
Vapor
29ºC
26 psig
Líquido
29ºC
26 psig
Fuente
de calor
190ºC
835 kWH
(Atmósfera)
Aire 24ºC
Bola Húmeda
Economizador
Condensador
de evaporados
Evaporador
Líquido
48ºC
220 psig
Líquido
48ºC
220 psig
Líquido
29ºC
230 psig
Receptor
Bomba
El fluido operativo (vapor aún) fluye hacia el condensador donde se le extrae el calor,
recuperando así su forma líquida por condensación.
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11
Cómo funciona – A punto para repetir
Generador
125 kWe
R245fa
Vapor
63ºC
26 psig
Vapor
116ºC
220 psig
Vapor
29ºC
26 psig
Vapor
29ºC
26 psig
Líquido
29ºC
26 psig
Fuente
de calor
190ºC
835 kW
(Atmósfera)
Aire 24ºC
Bola Húmeda
Economizador
Condensador
de evaporados
Evaporador
Líquido
48ºC
220 psig
Líquido
48ºC
220 psig
Líquido
29ºC
230 psig
Receptor
Bomba
El fluido operativo ya líquido a baja presión regresa al receptor y se encuentra a punto para ser
bombeado de nuevo a alta presión y volver a acceder al módulo de energía integrado IPM.
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Generador de recuperación de
calor residual WHG125
• Convierte calor residual de baja temperatura
(min 121°C) en 125kW de energía eléctrica
bruta.
• Emplea Ciclo Rankine Orgánico, similar al
ciclo de vapor, sustituyendo el agua por fluido
orgánico (menor temperatura de
vaporización)
• El calor residual es una enorme fuente de
energía: más del 50% de pérdidas residuales
en industria son calor y residuos de equipos
asociados. (Calderas, conducciones de
vapor, motores, hornos, fundiciones)
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Ventajas del WHG125
• Usando un turboexpansor y un generador de
alta velocidad se obtiene mayor eficiencia en
la conversión energética.
• El sistema se conecta sincronizadamente a la
red energética sin necesidad de añadir otros
equipos.
• La instalación estándar del generador
WHG125 minimiza los casos de montajes “a
la carta” típicamente asociados a las ORC’s
(Organic Rankine Cycles)
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Beneficios del WHG125
• El equipo consume CERO combustible
adicional, y produce CERO emisiones.
• El Producto y su tecnología justifican la
inversión económica dado que permiten usar
calor residual de baja temperatura.
• Se obtienen compensaciones económicas
adicionales a través de:
– Incentivos referentes a energías renovables
– Ahorro de combustibles fósiles
• Aumenta sobretodo la eficiencia de
generadores y procesos industriales
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Sectores
Petróleo & Gas
Vertederos
Red energética
Gas Natural
& GLP
Calefacción
Calderas de biomasa
Combustión de madera
Residencial
Antorchas
de gas
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Escuelas
Aplicaciones
•
•
•
•
•
•
•
•
Gases residuales / Refrigerantes
Calcinación oxidante
Pilas electroquímicas
Chimeneas de calderas
Antorchas
Hornos de cinta transportadora
Incineradores comerciales
Energía solar
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Configuraciones del Evaporador
Evaporador de Calor Residual
►
Directo: Transferencia directa del calor, desde la fuente de calor al fluido operativo
Intercambiador de calor de gases residuales
►
Indirecto – Se emplea un paso intermedio de transferencia térmica entre la
fuente de calor y el fluido operativo (Ej. Aceite térmico, agua caliente, vapor)
+
Intercambiador de calor de
gases residuales
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Intercambiador de calor de
placa cobresoldada
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Opciones de Condensador
•
•
•
•
•
Torre de refrigeración
Condensador evaporados
Aguas subterráneas
Embalses o lagos
Air Cooled Condenser
Sistema de condensación en lago
19
19
Equipos para gas pre-embalados
Disponibles en Greenvironment GmbH
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Proyectos energéticos a partir de residuales
• Microturbina 400kWe
– Localización – Alemania
– Gas de vertedero, filtrado sulfurosos y siloxanos
– 400kWe – Comercializada como energía renovable para red
– Parte del calor se usa en la preparación del gas.
El rendimiento mejora claramente con el uso de ORC.
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21
Ejemplo
Horas / Año funcionamiento
Salida de red eléctrica
Producción Anual
8,400 x 107 =
Ganancia bruta
898,800 x $0.18 =
Coste mantenimiento 898,800 x $0.0075 =
Ganancia neta anual
Coste del Proyecto
Amortización simple
8,400
107kWe
898,800 kWh
$161,784
$6,741
$155,043
$298,000
< 2 años
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22
Digestor Lakeland, Florida
Antorcha de dos llamas
WHG125 con quemador montado
en lo alto del container
Torre de refrigeración
Usa agua reciclada y
preparada – No potable
Compresor de gas 16:1
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Proyectos en marcha
• Planta energética de Biogas –
Greenvironment, Alemania – 3 projects
– Fuente de calor: Residuales de microturbina
• Planta energética de Biogas – CE
– Residuales de alternador de motor
• Caldera Biomasa – NC Services, España
– Fuente de calor– Biomasa de madera
• Fundición de aluminio – APS, Israel
– Fuente de calor– Hornos
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Fundición de aluminio – APS Israel
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Biogas – Greenvironment
Vista Isométrica
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Quemador atmosférico de madera
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Quemador atmosférico de madera
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Resumen
• Los Ciclos Rankine Orgánicos (ORC) son tecnologías para mejora de
la eficiencia energética
• Los sistemas ORC son aplicaciones altamente personalizadas. El
WHG125 reduce la “customización” y ha sido diseñado para
maximizar el uso eficiente de energía residual, ya sea en calor u
otros combustibles.
• La elección de tecnologías combinadas en proyectos de tipo “De
Residual A Energía”, usando Microturbinas y tecnología ORC,
proporciona una opción competitiva a los motores alternadores, con
más bajo nivel de emisiones si se compara a soluciones
convencionales.
• Desde el punto de vista económico estos proyectos resultan muy
interesantes gracias a las leyes sobre energías renovables y ahorro
de combustibles fósiles, unido al relativo bajo coste de los
biocarburantes
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Tecnología de alternadores
de alta velocidad
• Producción energética más eficiente
• Señal eléctrica de salida más limpia
• No requiere sistemas de engranajes para
motores primarios de alta velocidad como
turbinas
• Permite la sincronización precisa con la red
sin precisar dispositivos adicionales
• Más de una década de experiencia en este
sector de producción de energía
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Alternador de alta velocidad
Generador Convencional
Voltaje y Frecuencia determinados
por el tipo de generador en el
momento de la producción
Alternadores de alta velocidad
380 – 480 VAC, 50/ 60 Hz
Seleccionable desde el panel de control
Invertidor
Rectificador
1500 ó 1800
RPM
Motor
Primario
Generador
- La velocidad del motor primario determina la
frecuencia de la señal eléctrica de salida
1500 RPM = 50 Hz salida.
1800 RPM = 60 Hz salida.
- La conexión con la red se realiza mediante
costosos sistemas de sincronización
20 ~ 120K
RPM
Motor
Primario
Alternador
- La velocidad del motor primario no determina la
frecuencia ni el voltaje de la señal eléctrica de
salida
- La conexión con la red se realiza mediante
muestreo del voltaje y frecuencia de la red,
33 del
modificando el voltaje y frecuencia de salida
sistema inversor
Electricidad a partir
de Calor Residual
• Importantes posibilidades globales de ahorro de energía y capital mediante la
captura de recursos residuales
• En EE.UU., el calor y gases residuales bastan para producir el 51% de la actual
capacidad de la red
Calor residual
Gas residual
• Las pérdidas de energía en forma de
• Grandes remanentes de metano
• Capacidad de generar 100GW en
• Capacidad de generar 75GW* en
• Suficiente para suministrar energía a
• Suficiente para dar energía a 7.5 34
calor residual de la industria en
EE.UU. alcanzan el 33%.
campo: 11% de la capacidad de red en
EE.UU.
10 millones de hogares
residual en vertederos, minas de
carbón o plantas lecheras.
campo: 9% de la capacidad de red en
EE.UU.
millones de hogares