La micro-cogeneración; principios y aplicaciones

La micro-cogeneración:tecnología y aplicaciones en las

instalaciones térmicas de edificios.

Jaume Alcover ArnauAccount Manager Senertec IbéricaBaxi Calefacción S.L.U.

“Cogeneration provides 10% of Europe'selectricity today. It is proven energyefficiency and has a small environmentalfootprint. Increasing cogeneration to its full potential in Europe would deliver one thirdof Europe's CO2 reduction targets atlowest cost.”

COGEN EUROPE

“La cogeneración provee hoy, el 10% de la electricidad en Europa. Su eficiencia energética está probada y con una huella medioambiental muy pequeña. Si se incrementase la cogeneración a su pleno potencial, en Europa se alcanzaría un tercio de las reducciones de emisión de CO2 fijadas, a un mínimo coste.

1. Principios de la Micro-cogeneración

Cogeneración (CHP):Generación simultánea en un proceso, de energía térmica y eléctrica

Cogeneración de pequeña escalaP < 1 MWe

Micro-cogeneraciónP < 50 kWe

Directiva 2004/8/CE 11/2/2004


1) Forma de generar energía útil que ahorra energía

primaria (conservando los recursos naturales)

2) Produce a precios más competitivos para el usuario

final, que cualquier sistema convencional

3) Es capaz de evitar tanto energía fósil y emisiones

nocivas, como la planta de energía renovable más

moderna

Directiva 2004/8/CE 11/2/2004


Rendimiento global = (60 + 30) / (65 +95) = 56%

CalderaCalorGas Natural

Edificio

Red Eléctrica

Elect.

65 60

95

30


Rendimiento global = (60 + 30) / (100) = 90%

Microcogeneración CalorGas Natural

Edificio

Elect.

100 60

30

Elect.

30

Ahorro Energía Primaria > 30%


Ahorro Emisiones CO2 > 35%

Emisiones CO2:Gas 205x12,5/91%=2.816Elec 649 x 5,5 = 3.569

Neto 6.385 Kg CO2

Emisiones CO2:Gas 205x20,5 = 4.202

Neto 4.202 Kg CO2

CalderaCalorGas Natural

Edificio

Red Eléctrica

Elect.

65 60

9530

Microcogeneración

CalorGas NaturalEdificio

Elect.

100 60

30

Elect.

30

2. Estado actual de la técnica

1) Micro-motores alternativos

2) Ciclos Stirling

3) Micro-Turbinas de gas

4) Ciclos Rankine

5) Pilas de combustible

2. Estado actual de la técnica1) Micro-motores alternativos

Baxi Dachs

25-45%

35-45%

Eficiencia eléctrica

3 kWe a >6 MWe70-90%Motor Otto

500 a 3.000Promedio inversión en €/kWel

5 kWe a 20 MWe65-90%Motor Diesel

CapacidadesEficienciatotal

• Fiables

• Compactos

• Alto REE

2. Estado actual de la técnica2) Ciclos Stirling

25-50%


2.500 a 4.500 (<10 kWe)Promedio inversión en €/kWel

1 kWe a 1,5 MWe70-90%Stirling


Baxi Ecogen

• Sector doméstico

• Pequeño tamaño y sin mantenimiento

• Disponible comercialmente 2010

2. Estado actual de la técnica3) Micro-turbinas de gas

15-35%


900 a 2.600Promedio inversión en €/kWel

30 kWe a 300 kWe60-85%Micro-turbina


Capstone C60

• Buen rendimiento

• Tecnológicamente complejo

• Instalación posible exterior con recuperador de calor

• Gas alta presión

2. Estado actual de la técnica4) Ciclos Rankine

25%



1 kWe a 1,5 MWe65-95%Rankine


Otag Lion Powerblock

• Vivienda uni y multifamiliar

• Modulante

• Disponible, pero poco testado

2. Estado actual de la técnica4) Pila de combustible (fuel-cell)

35-55%



1 kWe a 1,5 MWe70-90%Fuel cell (PEM)


Baxi Innotech

• Disponible comercialmente 2012

• Gran modulación

• Sólo G.N.

• Nuevo concepto micro-redes (generación distribuida)

2. Estado actual de la técnica5) Resumen

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

kWe

0 - 5 kW 5 - 25 kW >25 kW

StirlingFuel CellRankineAlternativoTurbina

20.000 instalacionesfuncionando en Europa

2. Estado actual de la técnica5) Resumen Mercado Europa

3. Aspectos normativos Europa1) Directiva europea 2004/8/CE de 2004

Transposición en R. D. 616 / 2007

Fomento de la cogeneración sobre la base de la demanda de calor útil en el mercado interior de la energía:

- Reconoce la cogeneración como vía de ahorro en energía

primaria, en eliminación de pérdidas de red y reducción de

emisiones de gases de efecto invernadero

- Define la micro-cogeneración como la unidad de cogeneración

de potencia máxima inferior a 50 kWe

- Establece el método de cálculo de la electricidad de

cogeneración y su eficiencia

3. Aspectos normativos Europa2) CENELEC EN-50438Publicada en España el 4 Dic. 08

INFORM + FITINFORM + FIT

• Marco técnico para generadores < 16A por fase• Conexión simplificada en trámites administrativos

3. Aspectos normativos Europa3) ECO DESIGN (EUPD)En redacción. Micro-CHP incluida.

CALIFICACIÓN ENERGÉTICA PARA CALIFICACIÓN ENERGÉTICA PARA GENERADORES TÉRMICOSGENERADORES TÉRMICOS

• Inclusión de equipos de micro-cogeneración:Pe < 50 kWePt < 46 kWt

4. Aspectos normativos España1) R.D. 661 / 2007. Producción eléctrica en régimen

especial.

Tarifas para cogeneración de pequeña escala.

Sistema de tarifa con máxima

aportación económica a

cogeneraciones de pequeña escala

4. Aspectos normativos España1) R.D. 661 / 2007. Producción eléctrica en régimen

especial.

Rendimiento eléctrico equivalente (REE)

Aprovechamiento del calor útil para climatización de edificios:- Se aplica complemento por eficiencia- El REE min se reduce en un 10% del exigido, cuando P<1 MW

4. Aspectos normativos España2) Código Técnico de la Edificación HE4

Reconocimiento de la cogeneración como sistema Reconocimiento de la cogeneración como sistema

de alta eficiencia en la climatización de edificiosde alta eficiencia en la climatización de edificios

“En edificios de nueva construcción y en rehabilitación de edificios en los que exista una demanda de ACS y/o climatización de piscinas, podrá disminuirse justificadamente la cobertura solar mínima cuando se cubra este aporte energético de ACS mediante alguna de las vías:

• Aprovechamiento de energía renovables

• Procesos de cogeneraciónProcesos de cogeneración• Fuentes de energía residuales procedentes de la instalación de recuperadores

de calor ajenos a la propia generación de calor del edificio”

4. Aspectos normativos España3) Reglamento Baja Tensión ITC-BT-40

Específica de instalaciones generadoras:

• Aisladas

• Asistidas

• Interconectadas

4. Aspectos normativos España4) UNE EN 50438

Específica de generadores en baja tensión hasta 16A por fase

• Base del FIT + INFORM

5. Situación actual del mercado1) El mercado de la µ-cogeneración en España

Fuente: CNE

5. Situación actual del mercado

Fuente: Acogen

Supone un ahorro de 650 millones de euros en la factura energética española

Evita al año 10 millones de toneladas de emisiones de CO2

Ahorra al año 40 millones de m3 de agua

Ahorra al año en energía primaria 1 millón de tep (7 millones de barriles de petróleo)

Cubre el 10% del esfuerzo nacional para cumplir con Kioto

COGENERACIÓN: LA ECOENERGÍA EFICIENTE

2) El mercado de la µ-cogeneración en España


• Alto potencial no explotado en residencial y terciario• Potencial tecnológico muy superior a la potencia instalada

3) El potencial de la µ-cogeneración en España


Fuente: Carbon Trust (UK)

4) El potencial de la µ-cogeneración en Europa

5. Situación actual del mercado5) El potencial de la µ-cogeneración en Europa


Plan de acción 2008-2012:

- Medidas legislativas- Medidas de promoción- Disponibilidad tecnológica

Objetivo: 8.400 MWe

6) Estrategia de Ahorro y Eficiencia Energética en España (E4) en el ámbito de la cogeneración


Medidas legislativas:

- Simplificación y agilización del procedimiento existente para

tramitación administrativa

- Condiciones mínimas técnicas exigibles


Medidas de promoción:

- Estudios de viabilidad (ayudas hasta 75%)

- Fomento de nuevas instalaciones (ayudas hasta el 10%)

- Fomento de plantas de pequeña potencia (ayudas hasta el 30%,

para instalaciones menores de 50 kWe)

- Auditorias energéticas (ayudas hasta el 75%)


Disponibilidad tecnológica:

- Motor alternativo

- Motor Stirling

- Microturbina


7) Solución en residencial y terciario

CalderaNº.1

CalderaNº.2

Instalaciónde

calefaccióny ACS

80ºC

Máx.

73ºC


7) Otras soluciones

Micro-trigeneración


8) Otras soluciones

Sistema en isla


9) Otras soluciones

Unidad Back-up NE

6. Motores alternativos Dachs

La unidad de La unidad de micromicro--cogeneracicogeneracióón n mmáás vendida en s vendida en EuropaEuropa


Inicio de la producción en serie.

Objetivo: una bomba de calor aire-agua!

Origen de Sachs Energietechnik.

1979

De la bomba de calor a la micro-cogeneración.1986

Desarrollo del primer field test (150 un.)1987

Proyecto de demostración por toda Alemania.1991

Origen de SenerTec GmbH.1996

La unidad 20.000 del DACHS sale de fábrica.2008

El Grupo BAXI adquiere SenerTec GmbH.2001


52 – 56 dBANivel de ruido

83,2%REE

3.500 hIntervalo de mantenimiento

520 kgPeso

1.000 mmAlto

1.070 mmLargo

720 mmAncho

102 %Rendimiento total (con kit condens)

15,5 kWPotencia térmica (con kit condens)

88 %Rendimiento total

12,5 kWPotencia térmica

5,5 kWPotencia eléctrica

20,5 kWConsumo combustible

Dachs G/F 5.5Dachs G/F 5.5Dachs G/F 5.5Dachs G/F 5.5


E. elE. elE. elE. elééééctricactricactricactrica

20,5 kW

5,5 kW

12,5 kW

Dachs G/F 5.5Dachs G/F 5.5Dachs G/F 5.5Dachs G/F 5.5

E. tE. tE. tE. téééérmicarmicarmicarmica

CombustibleCombustibleCombustibleCombustible(GN, GLP)(GN, GLP)(GN, GLP)(GN, GLP)

6. Motores alternativos Dachs1) Dimensionamiento

Requerimientos:

• Combustible (Gas Natural / GLP/ Gasoil / Biogás)

• Alimentación 400V / 3+N / 50 Hz

• Salida de humos

• Espacio en sala calderas


Intercambiadorde calor para el aceite lubricante

Gases de combustión

Intercambiador de calor para el

conducto de humos

Bomba de agua de

refrigeración

Cilindro delmotor

Termostato de refrigeración

DACHS

Const. ~ 80°C

máx. 73 °C

RF

Alternadorde 3 fases

MSR2


Objetivos:

• Identificar la demanda térmica anual en kWh

• Dimensionar la/s unidad/es para trabajar por encima

de 4-5.000 horas / año

• Diseñar el sistema con inercia adecuada de primario

• Diseñar control para suministrar la energía base


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Po

ten

cia

(k

W)

Demanda térmica anual (ACS + Calef.)

1) Dimensionamiento


Ejemplo: Sala de calderas centralizada para edificio de 60 viviendas.

Potencia total calderas: 140 kWPotencia micro-cogeneración: 12,5 kW (10%)

Energía generada micro: 12,5 x 7.500 h = 93.750 kWhEnergía total instalación: 325.000 kWhPorcentaje micro: 29%

1) Dimensionamiento


CalderaNº.1

CalderaNº.2

Instalaciónde

calefaccióny ACS

80ºC

Máx.

73ºC

Caudal400 – 1.000 l/h

Caudal1000 – 3.000 l/h


1m

Calef + ACS

2 x 240KWCalderas

Cuadro

Distribución

Eléctrica

Otros servicios

MeterSuministro

750 litros

Acumulador

SE

STB STB

83oC

83oC

Max73oC

Net.5.35KWe

Net.5.35KWe

5.5KWe

12.5 a

14.8KWt

5.5KWe

12.5 a

14.8KWt

Bomba TermostáticaControl

Multi-MóduloCable Control

3m3/hr

1¼”

1¼”

1”

Módem49


Heating system flow /buffer vessel

Heating system return/ buffer vessel

3 2 4 10 0 0 10 0 0 1

Master-controller

e.g.P9

6. Motores alternativos Dachs2) Conexión eléctrica

3 opciones:

1) Verter toda la potencia a la red (RD661/2007)

2) Verter la potencia sobrante a la red (RD661/2007)

3) Verter la potencia al consumo propio del cliente

6. Motores alternativos Dachs2) Conexión eléctrica – venta a red

Q163 Amp.

NH0032 AMP.

K- o C-Fusible3 x 20 AMP.

10Ø

NPE

13

1,5Ø

Proporcionael suminstro de

DachskWh

HTNT

Suministrodel edificio

kWhHTNT

10Ø 10Ø

TRE

~~

NH006 AMP.

Q263 Amp.

NH0025 AMP. Reserva

Red eléctrica

NH00 50 Amp.

NYM 5x16 Ø

NYM 5x10 Ø

Contador de luz

ca. 5,35 kW

NYM 5x2,5 Ø

3~+ -

3~

5,5kW

12V

400V AC

1x6 Ø

Panel de sub-distribucióndel edificioContador de luz

Nueva conexiónin situ (onsite)

6. Motores alternativos Dachs2) Conexión eléctrica - autoconsumo

N PE

HTNT ~~

K- o C-fusible

3x20 AMP

ca. 5,35 kW

5,35 kW

Reserva

NH00 50 AMP.

Nueva conexiónin situ (onsite)

NYM 5x2,5 Ø

3~+ -

3~

5,5kW

12V

400V AC

kWh TRE

1x6 Ø

Contador de luz

Panel de distribucióndel edificio

Panel de sub-distribucióndel edificio

Red eléctrica Suministro del edificio


• Viviendas con instalación térmica centralizada• Hoteles, hostales, albergues• Residencias ancianos• Colegios• Centros wellness, piscinas, spa's…• Clínicas, hospitales,…• Edificios de oficinas, comerciales,…

3) Instalaciones tipo

6. Motores alternativos Dachs4) Rentabilidad directa

Sum. Eléctrico

0,1 €/kWh

5,5 kW

Consumo5,5 kWX 1 h =

55 kWh

5,5 kWh x 0,1 € / kWh = 0,55 € / h

Consumo5,5 kWX 1 h =5,5 kWh

Sum. Gas

0,033 €/kWh

20,5 kW

12,5 kW

Calor

Costes sin Dachs

20,5 kW x 0,033 € / kWh x 1 h = 0,67 € / h

12,5 kW x 90% x 0,033 € / kWh x 1 h = - 0,37 € / h

0,3 € / h

Producción eléctrica insitu un 45% más económica

Costes con DachsEléctr.

Térmico

Costes directos por hora de funcionamiento en autoconsumo, costes de mantenimiento excluidos.

6. Motores alternativos Dachs5) Rentabilidad anual

Gas Natural

Mantenimiento Electricidad

E. Térmica0,0344 €/kWh

0,02 €/kWhe 0,149 €/kWhe

Venta a red

94% rend.

Costes / Bº operación: 0,82 € / h 1,36 € / h

Ahorro: 0,54 € / h

Ahorro Emisiones CO2: 3,27 Kg CO2 / h

14,8 kW

5,5 kW

20,5 kW

Costes anuales con venta eléctrica a red, costes de

mantenimiento incluidos.

7.000 h/año

3.780.-€/año

22,8 Ton CO2 / año

6. Motores alternativos Dachs6) Ejemplo comparativo

16.000 €177,9405,9Total

7.600 €40200160Calor

8.400 €137,9205,970Electricidad

Costes (Eur/año)

EmisiónCO2 (t/año)

Energía Primaria(MWh/año)

Consumos(MWh/año)

- Situación original: red eléctrica + caldera 100 kW

3.323 €19,079,1Ahorros netos

4.156 €21,9109,487,5Calor

17,65%Menos coste

10,66%Menos CO2

-19,5%menos energía

- 5.453 €- 28,7- 143,5- 143,5Gas

4.620 €25,8113,238,5Electricidad

Costes (Eur/año)

EmisiónCO2 (t/año)

Energía Primaria(MWh/año)

Consumos(MWh/año)

- Al introducir micro-cogeneración con un Dachs 5.5

Precio electricidad: 120 €/MWh; precio gas:38 €/MWh; rend. Eléctrico: 34%; rend. Estacional caldera: 80%)

6. Motores alternativos Dachs7) Ejemplos instalaciones

6. Motores alternativos Dachs8) Caso práctico de ejemploHotel Balneario Quinta da Aura – Santiago de Compostela


2 x DACHS 12,5 kWt / 5,5 kWe


Costes de explotación sin microcogeneración DachskWh Rend. Consumo

Energia entregada total sistema 550.000 100% 92% 597.826 kWh

Energía aportada calderas 550.000 100% 92% 597.826 kWh

€/kWh

Gas consumido por calderas 597.826 0,0392 23.434,78 €

Costes de explotación con microcogeneración DachskWh Rend. Consumo

Energia entregada total sistema 550.000 100% 82% 668.913 kWh

Energia aportada Dachs 217.500 40% 70,7% 307.500 kWh

Energía aportada calderas 332.500 60% 92% 361.413 kWh

€/kWh

Gas consumido por el Dachs 307.500 0,0392 12.054,00 €Gas consumido por calderas 361.413 0,0392 14.167,39 €

Consumo de gas total (teórico) 26.221,39 €

Energía el. producida por el Dachs 82.500 kWhe 0,1130 -9.322,50 €Costes mantenimiento 1.650,00 €

Total costes explotación 18.548,89 €Reducción costes explotación -20,8%

8) Caso práctico de ejemploHotel Balneario Quinta da Aura – Santiago de Compostela


Escenario s/ nº Dachs 2

kWh

E tot 550.000

E Dachs 217.500

E caldera 332.500

% 40%

Coste explot. 18.549 €

Reducción -21%

Electicidad

generada (kWh) 82.500

Ahorro elec. (€) 9.323 €-

Emisiones CO2

evitadas (Kg/año) 40.702

Respecto a una generación convencional con calderas

Energía Térmica anual - kWh

217.500

332.500

0

100.000

200.000

300.000

400.000

500.000

600.000

2

E caldera

E Dachs

8) Caso práctico de ejemploHotel Balneario Quinta da Aura – Santiago de Compostela


Qué se ha conseguido?

• Para el usuario: ahorro del 20% costes explotación

• Para arquitectura: solventar diseño cubierta

• Para ingeniería: ofrecer una solución de alta eficiencia energética

• Para todos: reducción de emisiones de CO2 y ahorro de energía primaria


• Total integración en sistemas térmicos en edificios

• Ahorros en energía primaria

• Ahorros en emisiones de CO2

• Generación eléctrica más económica

• Posibilidad de aumentar la rentabilidad exportando a red

(RD661/2007) con prima de venta

• Posibilidad de considerar la cogeneración como aplicación

sustitutiva de la energía solar térmica (CTE HE4)

• Incentivación del sistema mediante subvenciones según el plan

2008-2012 (IDAE)

• Posibilidad de otros sistemas (isla y backup)

9) Conclusiones

7. Y mañana?

Baxi SenerTec Dachs:• aplicaciones en terciario y residencial centralizada

• Motor de combustión interna• 5,5 kWe / 12,5 kWt

• Dispositivo de apoyo 15 kW (opcional)

Baxi Ecogen:• aplicación en residencial individual• Motor Stirling

• 1,0 kWe / 6 kWt

• Dispositivo de apoyo 18 kWt

Baxi Innotech:• aplicación en residencial individual• Pila de combustible LT-PEM• 1,5 kWe / 3,0 kWt

• Dispositivo de apoyo 15 kWt

MAÑANAMAÑANA

HOYHOY

Muchas gracias por su atención.

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