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Generación Distribuida con motogeneradores Wärtsilä operando en paralelo:Alta Eficiencia y Máxima Confiabilidad.Por Carlos ÁlvarezWärtsilä Usinas termoeléctricas de Generación de electricidad.ResumenLa producción de electricidad con varios generadores en paralelo brinda la posibilidad de alcanzar una altaeficiencia calórica y máxima disponibilidad de energía a costos muy bajos. Este tipo de configuración en cascadaasegura que las unidades siempre estén funcionando cerca de su carga máxima con alta eficiencia y mínimoscostos de mantenimiento. La cantidad de potencia de reserva para atender situaciones de emergencia puededisminuirse con este método dado que la falla de una unidad afecta simplemente una parte pequeña de lapotencia total. Los motores turboalimentados con inyección de combustible por cilindro resultan muy convenientessiendo de los primeros en elegirse para sistemas tipo cascada debido a su alta eficiencia calórica y su rápidarespuesta ante cambios de carga. También, pueden optar por el combustible disponible más barato dado queadmite la posibilidad de consumo dual (Gasoil-Diesel-BioDiesel-Fuel Oil-Gas Natural). El concepto de generacióndistribuida de energía eléctrica, actualmente considerado por los especialistas energéticos de todo elmundo,(Estados Unidos y Brasil actualmente) elimina la necesidad de instalar extensas líneas de transmisión ypermite el uso local de la generación eléctrica e incluso del calor liberado en el proceso de producción. Lacombinación de la generación distribuida y las instalaciones con varios generadores brinda mayores beneficiosoperativos y económicos siendo la configuración actualmente preferida en muchas instalaciones de generación deenergía eléctrica.1. INTRODUCCIÓNLa Electricidad es vital para las economías modernas. Los procesos de producción y de servicios junto ala permanentemente necesidad de energía eléctrica en nuestras viviendas ponen en evidencia laexistencia 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 degrandes centrales de producción de energía. Plantas más grandes tienden a requerir menoresinversiones específicas (u s / kW) y brindan una eficacia superior al convertir el combustible enelectricidad. Las plantas más grandes también pueden negociar precios más bajos en sus combustiblesdebido a las inmensas cantidades involucradas. Con respecto a la confiabilidad, se deben aplicar másesfuerzos para perfeccionar el comando y supervisión de los sistemas. Hoy en día, sin embargo, existeuna tendencia, hacia una generación más descentralizada y distribuida, de producción de electricidadpermaneciendo cerca de donde se halla la demanda.Descentralizado o Distribuido, la generación de electricidad parece tener mayores ventajas quela generación de centrales de gran tamaño. Con las unidades generadoras menores cercanas a lossitios donde se desarrollan otras actividades económicas, existen, incluso, muchas más posibilidadespara utilizar el calor liberado en el proceso. Ésta opción no sólo produce beneficios económicos sinomedioambientales al evitar la necesidad indeseable y costosa de usar las torres de enfriamiento o deliberar calor a los ríos y lagos.Generación Distribuida significa eso, producir la electricidad dónde se necesita, disminuyendo así lasinversiones en las líneas de transmisión de alto-voltaje, que requieren montos que acompañan al mayorcosto 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 a25 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 aestas unidades menores en potencia y frecuencia.
Las unidades para generación descentralizada, distribuida tienen un plazo de entrega corto comparadocon otras tecnologías debido a la estandarización del equipo, sencillez y menor impacto en suemplazamiento.En este documento se explica por qué la producción de electricidad distribuida con un número másgrande de generadores en paralelo tiene mayores ventajas que la producción de electricidadcentralizada, donde incluso la eficiencia de la conversión y de la producción de calor alcanza valorescercanos a los máximos posibles independientemente de la potencia operada.Es más, la confiabilidad y la disponibilidad son muy superiores al de de plantas de energíacentralizadas, 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 conceptodestacable debido a la modularidad de los equipos que pueden agregarse o quitarse unidades conrapidez.Las actividades de mantenimiento apenas afectan la capacidad y disponibilidad de las instalacionesdado que pueden llevarse a cabo en una unidad por vez y en horarios secuenciales, que a diferencia delos grandes módulos deben descontar importantes cantidades de potencia indisponible.En resumen, el concepto de Generación Distribuida con motogeneradores modulares múltiplesen paralelo satisface todas las necesidades para la generación de electricidad moderna, y enalgunos 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 rangode 4, 7, 9 y 17 MW se puede alcanzar los 25, 50, 75, 100, 150 y 200 MW, etc. en funcionamientocombinado operando en paralelo.La eficiencia calórica de cada generador individual debe ser alta para que la eficiencia combinadatambién lo sea.Ésa es la razón por la cual los motores generadores reciprocantes turboalimentados resultan ser laopción primaria impulsora más conveniente.Balance EnergéticoWärtsila 18V50DFSALIDA ELÉCTRICADESPUES CAJAENGRANAJES47,3 %Eje del Motor49,0 %Entrada deCombustible 100%Gas 99%Piloto 1%CARGAS PARASITAS0,6 %PÉRDIDA DELGENERADOR1,3 %CALORDEL MOTOR50,8 %
En la figura 1 se pueden observar las curvas de rendimiento para un motor ciclo Otto (SG) y Ciclo Diesela gas (DF) ambos turboalimentados. Ambos motores con turbo compresor.ISO 3046; 0% tolerance; oil and water pumps included20V34SGelectrical efficiency (%)50454050DF3518V34SG302520Natural gas fuelledengines15105005000100001500020000electric 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 cargasuperior. 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 1Generator 6Generator 2Generator 7Generator 3Generator 8Generator 4Generator 9Generator 5Generator 10A la red eléctrica 170 MWeFigura 2: Ejemplo de 10 generadores idénticos puestos en paralelo.Veamos un ejemplo con una combinación de 10 unidades en paralelo para describir el beneficio deoperar con múltiples unidades.En algún momento todas las unidades funcionan en paralelo entregando plena potencia a la red. Peroante una modificación en la demanda el sistema debe adaptarse.Cuando la demanda total puede obtenerse con menos número de unidades en funcionamiento, algunasunidades pueden apagarse. Esto significa que la carga de cada unidad quedará cercana a la potencianominal y consecuentemente con alto rendimiento calórico.Este método de arrancar o detener unidades individuales en función de la demanda de potencia sellama en cascada.En la Figura 3 puede observarse la eficiencia calórica obtenida al operar diferentes requerimientos depotencia.Puede apreciarse que, dependiendo del nivel de demanda el rendimiento se mantiene dentro de unrango reducido, lo que difiere fuertemente del comportamiento de las unidades de gran módulo concargas reducidas
47fuel efficiency (%)454310 engine-generator sets in parallel41net electric efficiency (0% tolerance)393735020406080100load (%)Figura 3: Eficiencia calórica de 10 generadores individuales operados en cascada.3. VOLTAJE Y ESTABILIDAD DE FRECUENCIACada generador, sea pequeño o grande, muestra algunas variaciones naturales que resultan envariaciones instantáneas de potencia. La combinación de una máquina girando y un generadorsincrónico conectada a la red eléctrica puede verse como un sistema “masa-resorte” con una frecuencianatural.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 lafrecuencia natural.Demasiada variación en la potencia instantánea de un generador puede afectar negativamente el voltajey 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 pilotopueden ser muy estables en su entrega de potencia.Con un número más grande de generadores individuales en paralelo, las variaciones estocásticas decada generador individual estarán fuera de los niveles debido a su independencia inherente. La Figura 4ilustra este mecanismo.Finalmente, una combinación de un número más grande de generadores de menor potencia presentaráuna mayor estabilidad que pocos generadores grandes conectados a través de largas líneas detransmisión.
2 LARGE POWER PLANTSn INDEPENDENT 00468S21.5101214Combined instability: S1/ 216468101214Combined instability: S2/ n16Figura 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 estabilidadde la red de electricidad.Las variaciones en la carga de una red afectará el voltaje y el sistema de mando del generador y éstereaccionará cambiando el flujo magnético.Eso cambiará la torsión requerida en la tendencia del motogenerador. Por consiguiente el poder delmotor tiene que cambiar para mantener la velocidad constante en el valor deseado (frecuencia). Losmotores a gas y Bicombustibles con válvulas de admisión electromagnéticas por cilindro pueden teneruna respuesta muy rápida a los cambios de carga donde se restaurara la potencia al valor requeridodentro de unas pocas revoluciones del eje.Con una respuesta adecuada, los motogeneradores pequeños pueden contribuir a una mayorestabilidad de la red eléctrica.4. COSTOS DEL CAPITALEl diseño modular y estandarizado de los moto generadores los hace muy competitivos comparado conlas grandes usinas individuales.Las inversiones específicas se ubican en el orden de los u s 500 a 800 / kW, dependiendo de losrequerimientos permitiendo ahorrar en lineas de transmisión dado que se pueden colocar en el mediode la ciudad o cercana a la demanda (Parques industriales).Una instalación menor reduce las formalidades de la planificación drásticamente, lo que contribuye a unplazo de entrega mucho más corto y por consiguiente también reduce el costo de capital. (La inversiónespecífica 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, elnúmero de horas de funcionamiento por año no está afectando la durabilidad de una instalaciónnotoriamente.Pero un factor muy importante que determina los costos del capital por kWh es el número de horas defuncionamiento. Si una unidad está operando sólo 50% del tiempo, los costos del capital se doblancomparados 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 paracargas 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 delcosto de capital se tornan relativamente bajas, lo que puede ser muy conveniente al momento de decidiruna instalación de este tipo.En la figura 5 se puede observar como la mayor cantidad de horas utilizadas en una inversión dadareduce los costos específicos de capital.Las aproximaciones modulares de un sistema en cascada es muy útil en este sentido, dado que lacapacidad de potencia instalada puede adaptarse fácilmente al valor deseado y la sobrecapacidadpuede moverse a otro lugar dónde se requiera más potencia.30example:investment 500 /kWinterest: 10%depreciation: 10 yearscapital costs (eurocents/kWh)25201550% load105100% load05002500450065008500annual 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 DISPONIBILIDADLos usuarios de electricidad exigen un alto grado de disponibilidad. No disponer de servicio eléctricopor más de 2 horas al año se percibe como una molestia. Pueden expresarse esas dos horas comouna disponibilidad de 99.98% ([8760-2]/8760). En las Usinas, sean grandes o pequeños, el necesariomantenimiento programado reduce su disponibilidad, la que puede llegar a valores medios del orden del96%.A veces los accidentes ocurren, sean causados por una falla técnica o por error humano. Pero mientrasse reparan el tiempo fuera de servicio se incrementa. Aunque pueda fijarse el mantenimiento en unmomento de baja demanda, debe existir capacidad de potencia extra a la requerida durante una paradaprogramada.
Si el sistema del suministro de electricidad esta basado en grandes plantas de energía, es necesariomucha 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 utilizaruna menor cantidad de reserva.La confiabilidad de las unidades generadoras de electricidad individuales nunca puede alcanzar valoresdel 99.9%.La razón es que las instalaciones consisten en muchos componentes entrelazados, con una vida finitay con sensibilidades a deteriorarse.Los costos de los componentes hacen prohibitiva la producción de componentes de una calidadinfinitamente alta. Por eso los productores de electricidad han estado de acuerdo en tener una reservapara poder compensar un desenganche no programado de un generador importante.En instalaciones con plantas de mayor potencia debe preverse una reserva distribuida equivalente almayor grupo en operación. Esto significa, habitualmente, que las unidades deben operar a una cargareducida y por consiguiente con una menor eficiencia.Con muchas unidades de potencia reducida que operan en paralelo, la eventualidad de una salida deservicio afecta mínimamente a las otras unidades.Si por ejemplo una combinación de 10 unidades tiene que llevar la carga equivalente a una unidad pararesponder ante una falla, las unidades deberían operar al 90% de su potencia. En este caso laincidencia del costo de capital específico y los costos de combustible es mínima. Sin embargo la mismasituación dónde operan sólo 2 unidades obliga a un funcionamiento reducido al 50% de cargaincrementando 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 conrelación a la disponibilidad y confiabilidad.5 unidades pueden llevar la carga de 6 unidades; unidad confiabilidad99%Probabilidad del número de unidades fallando (%)10001001010.10.010.14%0.00194%99.85% del tiempo conenergía suficientesufficient 12213435465número de unidades que fallan al mismo tiempo6Figura 6: Ejemplo de confiabilidades con 6 unidades en paralelo.La confiabilidad y la disponibilidad se mejoran aún más si pudiera disponerse de una unidad generadoraactuando como reserva.
6. FLEXIBILIDADCon sistemas en cascada basados en unidades modulares, no existen inconvenientes mientras seagrega o se quita capacidad.Con unidades modulares basadas en motores reciprocantes, incluso existe mucha mayor flexibilidad enla opción del combustible. En caso de que excepcionalmente la unidad generadora necesite de unsistema de gas que aún no se encuentra disponible, las unidades pueden funcionar con otroscombustibles líquidos, como el fuel oil, diesel, Biodiesel, etc. instalando los inyectores apropiados decombustible.Los motores dual fuel se han diseñado de manera tal que pueden conmutar en forma automática de gasnatural a combustible líquido bajo carga completa en caso de no disponer de gas. Esta flexibilidadbrinda la posibilidad de poder operar los equipos con el combustible más barato disponible. Tambiénhace a los clientes menos cautivos de los proveedores de combustible y menos vulnerables a los cortesde energía por falta de algunos de los combustibles.CapacidadadaptadarápidamenteCambio rápido de combustiblefuel oil; diesel; Biodiesel; Gasoil; crudo y gas naturalFigura 7: Resumen de flexibilidades de instalaciones de potencia en cascada.7. MANTENIMIENTOLos costos por mantenimientos pueden mantenerse bajos mediante la aplicación de horas de trabajoregulares con personal local y una buena sociedad con el proveedor. Con el grado de estandarizaciónexistente, el plantel de mantenimiento no necesita tener una gran especialización, el número derepuestos 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; estolleva 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 motogeneradores en las horas de trabajo normales.Lo que no sólo reduce los costos sino que también ayuda a mejorar la calidad de mantenimiento debidoal acercamiento más relajado y especializado del personal.La disponibilidad directa de partes y repuestos también reducirá el tiempo de espera. Finalmente, ladisponibilidad y confiabilidad se beneficiarán de este acercamiento.
El mantenimiento de los motores reciprocantes normalmente se lleva a cabo en oportunidad de cumpliruna cantidad de horas de funcionamiento.La incidencia del número de arranques no es representativa como en otras tecnologías (turbinas a gas oduales) por lo que resulta más conveniente en operación cíclica.Los moto generadores impulsados por motores reciprocantes pueden ser mantenidos por mecánicoscon formación técnica básica y un entrenamiento adicional específico. No se requiere personalaltamente especializado y costoso como en el caso de muchas tecnologías alternativas. Esto significaque personal local entrenado puede realizar perfectamente el trabajo. Esto tiene efectos positivos parala comunidad, así como para la economía de la Planta de Generación termoeléctrica creando mayorespuestos de trabajo para la comunidad próxima.El funcionamiento de una gran cantidad de unidades idénticas resulta también interesante. Puedeganarse 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 losoperadores y el fabricante del equipo. Tal como una sociedad comercial que incida positivamente sobrelas 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 εPeter Senge: La 5ta DisciplinaSatisfacción del Clientediseñoingenieroproduceinstalaopera &mantienecomunicaciónε menos Sacrificio del cliente requerimiento del cliente – satisfaction del clienteFigura 8: Proceso de mejora continua del producto.8. MEDIOAMBIENTE
EMISIONES TIPICAS DE CO2 en g/kWhe - distintas tecnologíasWÄRTSILÄ CHP-EL CONCEPTO GANARGANAR1. Sumamente eficiente en la utilización decombustibles primarios2. La producción de energía descentralizada(Generación Distribuida) habilita soluciones deCHP individuales que sonmas económicas y eficientes.3. El tamaño de la planta multiunidadperfeccionada gracias al plan de inversión pasoa paso.4. Brinda el más bajo riesgo de inversión en unmercado cambiante.5. Maximizar la disponibilidad de la planta encualquier situación de operación.6. Operación flexible por cambios en elsuministro de energía ydemandas de generación de calor7. Bajos costos de transmisión de energía porubicarse cerca de la demanda. ALTA RENTABILIDAD Y RAPIDORETORNO DE LA INVERSIÓNEl impacto de una usina termoeléctrica en el ambiente está tornándose un problema cada vez de mayormagnitud. El combustible que consumen las instalaciones tiene que obedecer y respetar las severasreglas 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 efectoinvernadero, emisiones de NOx y SOx, particulado y ruidos.En el caso que un generador tenga niveles de emisión relativamente bajos, se crea un beneficioeconómico adicional a través de mecanismos de carácter nacional e internacional. Una usinatermoeléctrica más limpia es mejor aceptada por la comunidad.La alta eficiencia térmica, el máximo aprovechamiento de la energía del combustible en caso de lacogeneración 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 internacionalesmás exigentes.El menor tamaño de las Usinas para la generación distribuida reduce el impacto real y visual en elambiente, comparado con las grandes centrales termoeléctricas. Lo que es un beneficio en áreasdensamente pobladas y en áreas de belleza natural dónde las Grandes Usinas actúan como grandesemisores y afectan negativamente la vista del lugar.9. CONCLUSIÓNLa generación de electricidad distribuida con varios motogeneradores modulares operando en paralelosegún la configuración en cascada, combina muy bien alta eficiencia con máxima confiabilidad y bajasinversiones 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.
REFERENCE1. Klimstra, J., ‘Optimum Load Step Response of Fuel-Injected Reciprocating Gas Engines’, Paper No. 215, CIMAC, Kyoto,Japan.Producido por:Carlos ÁlvarezBusiness Development Manager - Power Plants DivisionMobile: (54 9 11) 15-5605-7706email - carlos.alvarez@wartsila.comWärtsilä Argentina S.A.Service Office Buenos AiresAvenida España 3091, Chalet No. 1C1107AMKBuenos AiresArgentina24hrs Phone 54 9 11 5605 7715Tel. 54 11 4307 2009Tel. 54 11 4307 3712Fax 54 11 4307 2212Vea que estamos haciendo en: www.wartsila.com
operativos y económicos siendo la configuración actualmente preferida en muchas instalaciones de generación de energía eléctrica. 1. INTRODUCCIÓN . 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 .
