Generación Distribuida con motogeneradores Wärtsilä operando en paralelo: Alta Eficiencia y Máxima Confiabilidad. Por Carlos Álvarez Wärtsilä Usinas termoeléctricas de Generación de electricidad.

Resumen La producción de electricidad con varios generadores en paralelo brinda la posibilidad de alcanzar una alta eficiencia calórica y máxima disponibilidad de energía a costos muy bajos. Este tipo de configuración en cascada asegura que las unidades siempre estén funcionando cerca de su carga máxima con alta eficiencia y mínimos costos de mantenimiento. La cantidad de potencia de reserva para atender situaciones de emergencia puede disminuirse con este método dado que la falla de una unidad afecta simplemente una parte pequeña de la potencia total. Los motores turboalimentados con inyección de combustible por cilindro resultan muy convenientes siendo de los primeros en elegirse para sistemas tipo cascada debido a su alta eficiencia calórica y su rápida respuesta ante cambios de carga. También, pueden optar por el combustible disponible más barato dado que admite la posibilidad de consumo dual (Gasoil-Diesel-BioDiesel-Fuel Oil-Gas Natural). El concepto de generación distribuida de energía eléctrica, actualmente considerado por los especialistas energéticos de todo el mundo,(Estados Unidos y Brasil actualmente) elimina la necesidad de instalar extensas líneas de transmisión y permite el uso local de la generación eléctrica e incluso del calor liberado en el proceso de producción. La combinación de la generación distribuida y las instalaciones con varios generadores brinda mayores beneficios operativos y económicos siendo la configuración actualmente preferida en muchas instalaciones de generación de energía eléctrica.

1. INTRODUCCIÓN La Electricidad es vital para las economías modernas. Los procesos de producción y de servicios junto a la permanentemente necesidad de energía eléctrica en nuestras viviendas ponen en evidencia la existencia de ese eslabón de unión directa entre el nivel de riqueza y el uso de la electricidad. Con relación a la generación de electricidad, se ha registrado una tendencia hacia la instalación de grandes centrales de producción de energía. Plantas más grandes tienden a requerir menores inversiones específicas (u$s / kW) y brindan una eficacia superior al convertir el combustible en electricidad. Las plantas más grandes también pueden negociar precios más bajos en sus combustibles debido a las inmensas cantidades involucradas. Con respecto a la confiabilidad, se deben aplicar más esfuerzos para perfeccionar el comando y supervisión de los sistemas. Hoy en día, sin embargo, existe una tendencia, hacia una generación más descentralizada y distribuida, de producción de electricidad permaneciendo cerca de donde se halla la demanda. Descentralizado o Distribuido, la generación de electricidad parece tener mayores ventajas que la generación de centrales de gran tamaño. Con las unidades generadoras menores cercanas a los sitios donde se desarrollan otras actividades económicas, existen, incluso, muchas más posibilidades para utilizar el calor liberado en el proceso. Ésta opción no sólo produce beneficios económicos sino medioambientales al evitar la necesidad indeseable y costosa de usar las torres de enfriamiento o de liberar calor a los ríos y lagos. Generación Distribuida significa eso, producir la electricidad dónde se necesita, disminuyendo así las inversiones en las líneas de transmisión de alto-voltaje, que requieren montos que acompañan al mayor costo de las enormes usinas de generación de electricidad. Las unidades generadoras menores y modernas de Wärtsilä se ubican en el rango de potencia de 4 a 25 MW por unidad, presentando una actuación excelente y una muy buena confiabilidad. La evolución en la sofisticación, confiabilidad y costos de los equipos brinda un control muy bueno a estas unidades menores en potencia y frecuencia.

Las unidades para generación descentralizada, distribuida tienen un plazo de entrega corto comparado con otras tecnologías debido a la estandarización del equipo, sencillez y menor impacto en su emplazamiento. En este documento se explica por qué la producción de electricidad distribuida con un número más grande de generadores en paralelo tiene mayores ventajas que la producción de electricidad centralizada, donde incluso la eficiencia de la conversión y de la producción de calor alcanza valores cercanos a los máximos posibles independientemente de la potencia operada. Es más, la confiabilidad y la disponibilidad son muy superiores al de de plantas de energía centralizadas, así también como la estabilidad de la frecuencia y el voltaje. La alta flexibilidad de estas instalaciones ante cambios en la estructura de la demanda es otro concepto destacable debido a la modularidad de los equipos que pueden agregarse o quitarse unidades con rapidez. Las actividades de mantenimiento apenas afectan la capacidad y disponibilidad de las instalaciones dado que pueden llevarse a cabo en una unidad por vez y en horarios secuenciales, que a diferencia de los grandes módulos deben descontar importantes cantidades de potencia indisponible. En resumen, el concepto de Generación Distribuida con motogeneradores modulares múltiples en paralelo satisface todas las necesidades para la generación de electricidad moderna, y en algunos casos a costos incluso más bajos que la generación centralizada.

2. LA EFICIENCIA (1850 kcal/kWh) en ciclo simple. Con el concepto de múltiples moto generadores, cada uno con una capacidad de potencia en el rango de 4, 7, 9 y 17 MW se puede alcanzar los 25, 50, 75, 100, 150 y 200 MW, etc. en funcionamiento combinado operando en paralelo. La eficiencia calórica de cada generador individual debe ser alta para que la eficiencia combinada también lo sea. Ésa es la razón por la cual los motores generadores reciprocantes turboalimentados resultan ser la opción primaria impulsora más conveniente.

Balance Energético

Wärtsila ® 18V50DF

SALIDA ELÉCTRICA DESPUES CAJA ENGRANAJES 47,3 %

Eje del Motor 49,0 %

Entrada de Combustible = 100% Gas 99% Piloto 1%

CARGAS PARASITAS 0,6 % PÉRDIDA DEL GENERADOR 1,3 %

CALOR DEL MOTOR 50,8 %

En la figura 1 se pueden observar las curvas de rendimiento para un motor ciclo Otto (SG) y Ciclo Diesel a gas (DF) ambos turboalimentados. Ambos motores con turbo compresor.

ISO 3046; 0% tolerance; oil and water pumps included 20V34SG

electrical efficiency (%)

50 45 40

50DF

35

18V34SG

30 25 20

Natural gas fuelled engines

15 10 5 0 0

5000

10000

15000

20000

electric power (kW) Figura 1: eficiencias eléctricas netas de generadores con motores reciprocantes a gas natural.

Para mejorar la potencia y la eficiencia estos motores funcionan con mezclas precisas de gas, combustible líquido y aire. Este concepto asegura que la eficiencia sea constante en el rango de carga superior. Ésta ya es una ventaja comparada a la generación centralizada. Si pudiera aprovecharse el calor liberado, la eficiencia combinada podría llegar hasta el 90%. Generator 1

Generator 6

Generator 2

Generator 7

Generator 3

Generator 8

Generator 4

Generator 9

Generator 5

Generator 10

A la red eléctrica 170 MWe Figura 2: Ejemplo de 10 generadores idénticos puestos en paralelo.

Veamos un ejemplo con una combinación de 10 unidades en paralelo para describir el beneficio de operar con múltiples unidades. En algún momento todas las unidades funcionan en paralelo entregando plena potencia a la red. Pero ante una modificación en la demanda el sistema debe adaptarse. Cuando la demanda total puede obtenerse con menos número de unidades en funcionamiento, algunas unidades pueden apagarse. Esto significa que la carga de cada unidad quedará cercana a la potencia nominal y consecuentemente con alto rendimiento calórico. Este método de arrancar o detener unidades individuales en función de la demanda de potencia se llama en cascada. En la Figura 3 puede observarse la eficiencia calórica obtenida al operar diferentes requerimientos de potencia. Puede apreciarse que, dependiendo del nivel de demanda el rendimiento se mantiene dentro de un rango reducido, lo que difiere fuertemente del comportamiento de las unidades de gran módulo con cargas reducidas

47

fuel efficiency (%)

45

43 10 engine-generator sets in parallel

41

net electric efficiency (0% tolerance) 39

37 35 0

20

40

60

80

100

load (%) Figura 3: Eficiencia calórica de 10 generadores individuales operados en cascada.

3. VOLTAJE Y ESTABILIDAD DE FRECUENCIA Cada generador, sea pequeño o grande, muestra algunas variaciones naturales que resultan en variaciones instantáneas de potencia. La combinación de una máquina girando y un generador sincrónico conectada a la red eléctrica puede verse como un sistema “masa-resorte” con una frecuencia natural. Esta frecuencia natural generalmente queda entre 2 y 5 Hz. Los generadores poseen lo que se denomina “jaula de amortiguamiento” para evitar la resonancia a la frecuencia natural. Demasiada variación en la potencia instantánea de un generador puede afectar negativamente el voltaje y la estabilidad de frecuencia de la red de suministro eléctrico. Debe destacarse aquí, que los motores multi-cilindros con ignición en pre-camara o inyección piloto pueden ser muy estables en su entrega de potencia. Con un número más grande de generadores individuales en paralelo, las variaciones estocásticas de cada generador individual estarán fuera de los niveles debido a su independencia inherente. La Figura 4 ilustra este mecanismo. Finalmente, una combinación de un número más grande de generadores de menor potencia presentará una mayor estabilidad que pocos generadores grandes conectados a través de largas líneas de transmisión.

2 LARGE POWER PLANTS

n INDEPENDENT UNITS

3.5

3.5

combined

3

3

combined

2.5

2.5 2

2

S1

1.5 1

1

0.5

0.5 0

0 4

6

8

S2

1.5

10

12

14

Combined instability: S1/√2

16

4

6

8

10

12

14

Combined instability: S2/ √ n

16

Figura 4: Comparación de la estabilidad de varios generadores menores en paralelo versus generadores mas grandes.

Una buena capacidad de respuesta del moto generador tendrá una influencia positiva en la estabilidad de la red de electricidad. Las variaciones en la carga de una red afectará el voltaje y el sistema de mando del generador y éste reaccionará cambiando el flujo magnético. Eso cambiará la torsión requerida en la tendencia del motogenerador. Por consiguiente el poder del motor tiene que cambiar para mantener la velocidad constante en el valor deseado (frecuencia). Los motores a gas y Bicombustibles con válvulas de admisión electromagnéticas por cilindro pueden tener una respuesta muy rápida a los cambios de carga donde se restaurara la potencia al valor requerido dentro de unas pocas revoluciones del eje. Con una respuesta adecuada, los motogeneradores pequeños pueden contribuir a una mayor estabilidad de la red eléctrica.

4. COSTOS DEL CAPITAL El diseño modular y estandarizado de los moto generadores los hace muy competitivos comparado con las grandes usinas individuales. Las inversiones específicas se ubican en el orden de los u$s 500 a 800 / kW, dependiendo de los requerimientos permitiendo ahorrar en lineas de transmisión dado que se pueden colocar en el medio de la ciudad o cercana a la demanda (Parques industriales). Una instalación menor reduce las formalidades de la planificación drásticamente, lo que contribuye a un plazo de entrega mucho más corto y por consiguiente también reduce el costo de capital. (La inversión específica afecta los costos del capital linealmente por cada kWh). Bajo la presunción que la vida técnica de una unidad generadora es superior a su vida económica, el número de horas de funcionamiento por año no está afectando la durabilidad de una instalación notoriamente. Pero un factor muy importante que determina los costos del capital por kWh es el número de horas de funcionamiento. Si una unidad está operando sólo 50% del tiempo, los costos del capital se doblan comparados con un funcionamiento del 100% del tiempo para la misma carga.

En un ejemplo, podemos suponer una tasa de interés del 10% y un tiempo de depreciación de 10 años. Entonces, los costos del capital específicos para una inversión de € 500/kW serán aproximadamente (25 + 50)/8600*100 = 0.9 cents/kWh. si la unidad está ejecutando 8600 horas a carga completa por año. Si la unidad funciona sólo 4000 horas por año al 80% de carga, los costos del capital específicos son (25 + 50)/4000*100/80*100 = 2.4 cents./kWh. En el proceso comercial, el productor de electricidad puede intentar recibir un precio superior para cargas pico que se producen en sólo una fracción del tiempo. Con un buen precio por kWh, operando cerca del máximo de potencia de la planta, la incidencia del costo de capital se tornan relativamente bajas, lo que puede ser muy conveniente al momento de decidir una instalación de este tipo. En la figura 5 se puede observar como la mayor cantidad de horas utilizadas en una inversión dada reduce los costos específicos de capital. Las aproximaciones modulares de un sistema en cascada es muy útil en este sentido, dado que la capacidad de potencia instalada puede adaptarse fácilmente al valor deseado y la sobrecapacidad puede moverse a otro lugar dónde se requiera más potencia. 30 example: investment 500 €/kW interest: 10% depreciation: 10 years

capital costs (eurocents/kWh)

25

20

15

50% load 10

5

100% load 0 500

2500

4500

6500

8500

annual running hours (h) Figura 5: Ejemplo del efecto de horas que opera y la carga en los costos específicos de capital.

5. LA CONFIABILIDAD Y DISPONIBILIDAD Los usuarios de electricidad exigen un alto grado de disponibilidad. No disponer de servicio eléctrico por más de 2 horas al año se percibe como una molestia. Pueden expresarse esas dos horas como una disponibilidad de 99.98% ([8760-2]/8760). En las Usinas, sean grandes o pequeños, el necesario mantenimiento programado reduce su disponibilidad, la que puede llegar a valores medios del orden del 96%. A veces los accidentes ocurren, sean causados por una falla técnica o por error humano. Pero mientras se reparan el tiempo fuera de servicio se incrementa. Aunque pueda fijarse el mantenimiento en un momento de baja demanda, debe existir capacidad de potencia extra a la requerida durante una parada programada.

Si el sistema del suministro de electricidad esta basado en grandes plantas de energía, es necesario mucha capacidad de reserva durante el mantenimiento aunque sea por un tiempo pequeño. Con muchas unidades menores, el mantenimiento puede llevarse a cabo en forma secuencial y utilizar una menor cantidad de reserva. La confiabilidad de las unidades generadoras de electricidad individuales nunca puede alcanzar valores del 99.9%. La razón es que las instalaciones consisten en muchos componentes entrelazados, con una vida finita y con sensibilidades a deteriorarse. Los costos de los componentes hacen prohibitiva la producción de componentes de una calidad infinitamente alta. Por eso los productores de electricidad han estado de acuerdo en tener una reserva para poder compensar un desenganche no programado de un generador importante. En instalaciones con plantas de mayor potencia debe preverse una reserva distribuida equivalente al mayor grupo en operación. Esto significa, habitualmente, que las unidades deben operar a una carga reducida y por consiguiente con una menor eficiencia. Con muchas unidades de potencia reducida que operan en paralelo, la eventualidad de una salida de servicio afecta mínimamente a las otras unidades. Si por ejemplo una combinación de 10 unidades tiene que llevar la carga equivalente a una unidad para responder ante una falla, las unidades deberían operar al 90% de su potencia. En este caso la incidencia del costo de capital específico y los costos de combustible es mínima. Sin embargo la misma situación dónde operan sólo 2 unidades obliga a un funcionamiento reducido al 50% de carga incrementando drásticamente la incidencia del costo de capital y gasto de combustible. El sistema en cascada con muchas unidades menores, por lo tanto, presenta claras ventajas con relación a la disponibilidad y confiabilidad.

5 unidades pueden llevar la carga de 6 unidades; unidad confiabilidad 99% Probabilidad del número de unidades fallando (%) 1000 100 10 1 0.1 0.01

0.14% 0.00194%

99.85% del tiempo con energía suficiente sufficient power

0.001 0.0001 1E-05 1E-06 1E-07 1E-08 1E-09 1E-10 1E-11 2 21 3 43 54 65 número de unidades que fallan al mismo tiempo

6

Figura 6: Ejemplo de confiabilidades con 6 unidades en paralelo.

La confiabilidad y la disponibilidad se mejoran aún más si pudiera disponerse de una unidad generadora actuando como reserva.

6. FLEXIBILIDAD Con sistemas en cascada basados en unidades modulares, no existen inconvenientes mientras se agrega o se quita capacidad. Con unidades modulares basadas en motores reciprocantes, incluso existe mucha mayor flexibilidad en la opción del combustible. En caso de que excepcionalmente la unidad generadora necesite de un sistema de gas que aún no se encuentra disponible, las unidades pueden funcionar con otros combustibles líquidos, como el fuel oil, diesel, Biodiesel, etc. instalando los inyectores apropiados de combustible. Los motores dual fuel se han diseñado de manera tal que pueden conmutar en forma automática de gas natural a combustible líquido bajo carga completa en caso de no disponer de gas. Esta flexibilidad brinda la posibilidad de poder operar los equipos con el combustible más barato disponible. También hace a los clientes menos cautivos de los proveedores de combustible y menos vulnerables a los cortes de energía por falta de algunos de los combustibles.

Capacidad adaptada rápidamente Cambio rápido de combustible fuel oil; diesel; Biodiesel; Gasoil; crudo y gas natural Figura 7: Resumen de flexibilidades de instalaciones de potencia en cascada.

7. MANTENIMIENTO Los costos por mantenimientos pueden mantenerse bajos mediante la aplicación de horas de trabajo regulares con personal local y una buena sociedad con el proveedor. Con el grado de estandarización existente, el plantel de mantenimiento no necesita tener una gran especialización, el número de repuestos que se debe disponer y la variedad de los mismos se ha optimizado notablemente. Resultando más económico el stock cuantas más unidades disponga la central de generación. El Mantenimiento Programado y no Programado de los motores puede alcanzar un 4% del tiempo; esto lleva la disponibilidad al 96%. Si estimamos que el mantenimiento programado tiene que ser llevado a cabo durante 3% del tiempo, esto significa que el personal de mantenimiento se ocupa de todas las unidades de un set de 10 moto generadores en las horas de trabajo normales. Lo que no sólo reduce los costos sino que también ayuda a mejorar la calidad de mantenimiento debido al acercamiento más relajado y especializado del personal. La disponibilidad directa de partes y repuestos también reducirá el tiempo de espera. Finalmente, la disponibilidad y confiabilidad se beneficiarán de este acercamiento.

El mantenimiento de los motores reciprocantes normalmente se lleva a cabo en oportunidad de cumplir una cantidad de horas de funcionamiento. La incidencia del número de arranques no es representativa como en otras tecnologías (turbinas a gas o duales) por lo que resulta más conveniente en operación cíclica. Los moto generadores impulsados por motores reciprocantes pueden ser mantenidos por mecánicos con formación técnica básica y un entrenamiento adicional específico. No se requiere personal altamente especializado y costoso como en el caso de muchas tecnologías alternativas. Esto significa que personal local entrenado puede realizar perfectamente el trabajo. Esto tiene efectos positivos para la comunidad, así como para la economía de la Planta de Generación termoeléctrica creando mayores puestos de trabajo para la comunidad próxima. El funcionamiento de una gran cantidad de unidades idénticas resulta también interesante. Puede ganarse mucha experiencia siguiendo el desempeño de las unidades en idénticas condiciones. Esto puede llevar a una mejora eficaz del producto vía un co-funcionamiento íntimo entre los operadores y el fabricante del equipo. Tal como una sociedad comercial que incida positivamente sobre las acciones de la compania generadora.

= abi=obnrbofjfbkql=abi=`ifbkqb=^=i^=p^qfpc^``flk=abi=`ifbkqb= ab=i^=fkqbdo^`fþk=abi=mol`bpl=ab=^mobkafw^gb=^i=jbglo^jfbkql= Requerimiento del Cliente

+ ε

Peter Senge: La 5ta Disciplina

Satisfacción del Cliente

_

diseño

ingeniero

produce

instala

opera & mantiene

comunicación ε = + menos Sacrificio del cliente = requerimiento del cliente – satisfaction del cliente Figura 8: Proceso de mejora continua del producto.

8. MEDIOAMBIENTE

EMISIONES TIPICAS DE CO2 en g/kWhe - distintas tecnologías WÄRTSILÄ CHP-EL CONCEPTO GANARGANAR 1. Sumamente eficiente en la utilización de combustibles primarios 2. La producción de energía descentralizada (Generación Distribuida) habilita soluciones de CHP individuales que son mas económicas y eficientes. 3. El tamaño de la planta multiunidad perfeccionada gracias al plan de inversión paso a paso. 4. Brinda el más bajo riesgo de inversión en un mercado cambiante. 5. Maximizar la disponibilidad de la planta en cualquier situación de operación. 6. Operación flexible por cambios en el suministro de energía y demandas de generación de calor 7. Bajos costos de transmisión de energía por ubicarse cerca de la demanda. = ALTA RENTABILIDAD Y RAPIDO RETORNO DE LA INVERSIÓN

El impacto de una usina termoeléctrica en el ambiente está tornándose un problema cada vez de mayor magnitud. El combustible que consumen las instalaciones tiene que obedecer y respetar las severas reglas que surgen del conocimiento de los problemas de salud, recalentamiento global y calidad de vida. La legislación se ha desarrollado para, por ejemplo: disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero, emisiones de NOx y SOx, particulado y ruidos. En el caso que un generador tenga niveles de emisión relativamente bajos, se crea un beneficio económico adicional a través de mecanismos de carácter nacional e internacional. Una usina termoeléctrica más limpia es mejor aceptada por la comunidad. La alta eficiencia térmica, el máximo aprovechamiento de la energía del combustible en caso de la cogeneración y el respeto por el medio ambiente hacen más atractivas estas instalaciones. La emisión de NOx en motores a gas natural cumplen por completo con la legislaciones internacionales más exigentes. El menor tamaño de las Usinas para la generación distribuida reduce el impacto real y visual en el ambiente, comparado con las grandes centrales termoeléctricas. Lo que es un beneficio en áreas densamente pobladas y en áreas de belleza natural dónde las Grandes Usinas actúan como grandes emisores y afectan negativamente la vista del lugar.

9. CONCLUSIÓN La generación de electricidad distribuida con varios motogeneradores modulares operando en paralelo según la configuración en cascada, combina muy bien alta eficiencia con máxima confiabilidad y bajas inversiones específicas. El diseño modular simplifica la adaptación de la capacidad de generación a la demanda. Con motores Wärtsilä, existe mayor flexibilidad en el uso de combustibles.

REFERENCE 1. Klimstra, J., ‘Optimum Load Step Response of Fuel-Injected Reciprocating Gas Engines’, Paper No. 215, CIMAC, Kyoto, Japan. Producido por: Carlos Álvarez Business Development Manager - Power Plants Division

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