análisis de la viabilidad técnica-económica de un mci con un ciclo rankine organico

PROYECTO FIN DE CARRERA

ANLISIS DE LA VIABILIDAD TCNICA-ECONMICA DE UN CICLO

COMBINADO CON MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA

ALTERNATIVO Y CICLO DE RANKINE ORGNICO

AUTOR: Alejandro Mendoza Larive

MADRID, junio 2006

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS

ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)

INGENIERO INDUSTRIAL

ANLISIS DE LA VIABILIDAD TCNICA-ECONMICA DE UN

CICLO COMBINADO CON MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA

ALTERNATIVO Y CICLO DE RANKINE ORGNICO. Autor: Mendoza Larive, Alejandro

Director: Linares Hurtado, Jos Ignacio; Moratilla Soria, Beatriz Yolanda

Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia Comillas

RESUMEN DEL PROYECTO En este proyecto se evala, tanto tcnica como econmicamente, la integracin de

un motor alternativo de gas en un ciclo combinado. El relativamente bajo nivel

trmico de los humos de escape (400 C a 500 C) y del agua de refrigeracin (90

C a 110 C) hacen del empleo de fluidos orgnicos una buena opcin. Los fluidos

orgnicos presentan como ventajas poder emplear equipos compactos debido a que

tienen un salto entlpico por unidad de volumen alto y no es necesario

sobrecalentar, puesto que el estado del fluido tras la expansin en la turbina no es

de vapor hmedo. Por otra parte, con la adecuada seleccin del fluido no se requiere

la presencia del desgasificador, al poder condensar a presiones superiores al

ambiente.

En el proyecto se evalan diferentes escenarios en funcin de la potencia del motor,

el acercamiento en la caldera del amoniaco y las temperaturas de los fluidos que

aprovechan los humos procedentes de la combustin.

El motor de gas se ha parametrizado a partir de una bases de datos de 67 motores de

10 fabricantes distintos, cuyas potencias oscilan entre 100 kW y 5500kW. As, se

han modelado las prestaciones energticas de dichos motores en funcin de la

potencia elctrica entregada por ellos. En el caso de los ciclos de Rankine orgnico

se ha recurrido a un modelado fsico.

El aprovechamiento de los calores residuales se lleva a cabo en los humos de escape

mediante un ciclo en cascada ciclohexano-amoniaco. El aprovechamiento del calor

de refrigeracin del bloque se realiza mediante un ciclo regenerativo con FC87

(C5F12).

Los resultados tcnicos revelan un incremento de la potencia elctrica entre el 27 %

para el motor de 100 kWe y el 18% para el de 5000 kWe. Estos incrementos

suponen un rendimiento del ciclo combinado de 40% para el motor de 100 kWe y

de 50 % para el de 5000 kWe.

De la parte econmica cabe destacar la reduccin de los periodos de retorno al

incluir el ciclo de Rankine orgnico as como un aumento tanto del VAN como de

la TIR, tal como se muestra en la Figura 1. Esto significa que el repowering de un

motor aislado mediante este sistema de aprovechamiento de calores de baja

temperatura permite incrementar la rentabilidad, facilitando la viabilidad econmica

de unidades ms pequeas (un motor aislado de 1500 kW presenta un perodo de

retorno de 21 aos, mientras que con el acoplamiento al sistema orgnico el perodo

de la inversin conjunta se reduce a 14 aos, incrementndose el VAN en ms de 1

M).

Fig. 1.- VAN y PR del motor aislado y ciclo combinado.

En cuanto a los costes anuales equivalente totales de produccin (incluida la

inversin), son casi un 10% ms bajos en el ciclo combinado que en el motor

aislado (para un motor de 5 MWe). El coste de generacin en el ciclo combinado es

de 65 /MWh, correspondiendo un 69% al combustible, un 19% a la inversin y

12% a la operacin y mantenimiento (motor de 5 MWe). Estos costes se sitan por

debajo del precio de venta de electricidad anual equivalente (77 /MWh) para

motores de ms de 1000 kWe, mientras que en el caso del motor aislado se

requeran tamaos de ms de 2500 kWe.

La figura 2 muestra las emisiones de CO2 del motor aislado frente al ciclo

combinado propuesto. El incremento logrado en el rendimiento hace que las

emisiones especficas se reduzcan entre 79 g/kWhe y 69 g/kWhe lo que en trminos

relativos es de entre 16 % y el 15 %. El valor obtenido en las emisiones del ciclo

combinado propuesto es similar al que logran los ciclos combinados convencionales

Brayton-Rankine.

Fig. 2.- Emisiones de 2CO .

Si se compara el empleo del motor en cogeneracin con el del ciclo combinado se

encuentra un mejor aprovechamiento en el sistema de cogeneracin. As, aunque el

rendimiento elctrico artificial es similar en ambas configuraciones para motores de

100 kWe, en motores de 5 MWe supera el 58% en cogeneracin, alcanzando slo el

50% en ciclo combinado. Si se compara el ndice de ahorro de energa primaria

siempre resulta ms eficiente la cogeneracin que el ciclo combinado, siendo el

ahorro del 38% en el primero y del 30% en el segundo para un motor de 5 MWe.

Como conclusin, se ha probado que la constitucin de un ciclo combinado motor

de gas-Rankine orgnico es tcnica y econmicamente posible, mejorando la

rentabilidad de la produccin elctrica del motor de gas, aunque no siendo tan

eficiente como el empleo del motor en cogeneracin. Dado que la inversin

adicional en el ciclo de Rankine orgnico no es excesiva puede pensarse en un

sistema hbrido, que alterna entre la produccin elctrica intensificada (ciclo

combinado) o la produccin de calor y electricidad, en funcin de la demanda.

C.combinado

Motor

TECHNICAL - ECONOMIC FEASIBILITY ANALYSIS OF A

COMBINED CYCLE WITH INTERNAL COMBUSTION ENGINE

AND ORGANIC RANKINE CYCLE Author: Mendoza Larive, Alejandro

Director: Linares Hurtado, Jos Ignacio; Moratilla Soria, Beatriz Yolanda

Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia Comillas de Madrid

SUMMARY PROJECT

In this project it is assessed, technological and economically, the integration of a

natural gas internal combustion engine in a combined cycle. Due to the relatively

low thermal level of the flue gases at the exhaust pipe (400 C to 500 C) and of the

cooling water (90 C 100 C), the employment of organic fluids is a good option.

The organic fluids allow the use of compact equipments due to the fact that they

have high enthalpy jump per unit of volume and superheating is not necessary

because the condition of the fluid downstream the expansion in the turbine is not of

humid steam. On the other hand, with the suitable selection of the fluid its

condensation pressure is above the environmental pressure.

In the project different scenes are evaluated depending on the power of the engine,

the pinch point of the boiler of ammonia and the temperatures of the fluids that

absorb the heat from the combustion gases.

The gas engine characteristics there are obtained from a databases of 67 engines of

10 different manufacturers, whose powers range are between 100 kW and 5500kW.

This way, they have been modelled depending on the electrical power delivered by

them.

The organic Rankine cycle has been modelled physically. The utilization of waste

heats from the exhaust pipe has been modelled with a cascade cycle of cyclohexane

and ammonia and utilization of the refrigeration heat employ FC87 (C5F12).

The technical results reveal an increase of the electrical power between 27 % for the

engine of 100 kWe and 18 % for of 5000 kWe. These increases suppose a

performance of the combined cycle of 40 % for the engine of 100 kWe and of 50 %

for the engine of 5000 kWe. In the economic part it is necessary to distinguish the

reduction of return periods if the organic Rankine cycle is included, and also an

increase of the VAN (Net Present Value) and TIR (Internal Rate of Return), as it

appears in Figure 1. This means that the re-powering of an engine isolated using an

organic Rankine cycle allows to increase the profitability, facilitating the economic

viability of the smallest units (an engine isolated of 1500 kW presents a return

period of 21 years, whereas with the combined cycle the period of the investment

reduces to 14 years, increasing its VAN in more than 1 M ).

Fig. 1.- VAN y RP of the isolated engine and combined cycle.

In reference to the overall levelized costs of production (included the investment),

they are almost 10 % lower in the combined cycle than in the isolated engine (for an

engine of 5 MWe). The cost of generation in the combined cycle is 65 /MWh,

corresponding 69 % to the fuel, 19 % to the investment and 12 % to the operation

and maintenance (engine of 5 MWe). These costs are placed below the lelvelized

price of electricity (77 /MWh) for engines of more than 1000 kWe, whereas in

case of the isolated engine sizes were needed of more than 2500 kWe.

Figure 2 shows the CO2 emission of the engine isolated in contrast to the combined cycle. The increase achieved in the performance reduces the specific emission to

79 g/kWhe and 69 g/kWhe what in relative terms is between 16 % and 15 %. The

value obtained in the emission of the combined cycle is similar to the conventional

Brayton-Rankine cycles.

Fig. 2.- 2CO emissions.

If the employment of the engine in cogeneration is compared with the combined

cycle, the cogeneration system achieve better results. This way, although the

electrical artificial efficiency is similar in both configurations for engines of 100

kWe, in engines of 5 MWe it overcomes 58 % in cogeneration, reaching only 50 %

in combined cycle. If there is compared the saved primary energy index, it always

turns out to be a more efficient the cogeneration than the combined cycle, being the

saving of 38 % in the first one and of 30 % in the second one for an engine of 5

MWe. As conclusion, there has been proved that the constitution of a combined

cycle of gas-Rankine organic cycle is technical and economically feasible,

improving the profitability of the electrical production of the gas engine, although

not being so efficient as the employment of the engine in cogeneration. Due to

additional investment in Rankine cycle isnt so high its possible to think in a

hybrid system, which alternates between intensified electricity production

(combined cycle) and the combined heat and power, depending on demand.

C.combinado

Motor

NDICE

Captulo 1 Introduccin ................................................................... 1

1.1 Motivacin del proyecto...........................................................................2

1.2 Objetivos...................................................................................................3

1.3 Marco general: generacin elctrica.........................................................4

1.3.1 Generacin elctrica distribuida.................................................7

1.3.2 Inconvenientes del sistema centralizado....................................9

1.3.3 Aplicaciones de la generacin elctrica distribuida...................9

1.3.4 Ventajas de la generacin elctrica distribuida........................11

1.4 Ciclo combinado.....................................................................................13

1.4.1 Parmetros caractersticos con un nivel de presin..................14

1.4.2 Motores de combustin interna alternativos (MCIA)..............19

1.4.3 Motores de gas natural como ciclo de alta...............................21

1.4.4 Ciclo de Rankine......................................................................23

1.4.5 Ciclo de Carnot.........................................................................29

1.4.6 Acoplamiento motor-ciclo ORC..............................................31

1.5 Metodologa de trabajo...........................................................................31

Captulo 2 Revisin de las tecnologas disponibles........................33

2.1 Ciclo de alta (MCIA)..............................................................................33

2.1.1 Comparacin con otras tecnologas de generacin

distribuida.................................................................................34

2.1.2 Integracin con otros sistemas de energa................................36

2.1.3 Los MCIA y el medioambiente................................................40

2.1.4 Motor diesel..............................................................................41

2.1.5 Motor de gas.............................................................................42

2.2 Ciclo de alta (turbina de gas)..................................................................43

2.3 Ciclo de baja temperatura.......................................................................46

2.3.1 Ciclo de Rakine........................................................................47

2.3.1.1 Modelo A...................................................................48

2.3.1.2 Modelo B...................................................................49

2.3.2 Ciclo ORC................................................................................51

2.3.2.1 Modelo inicial: ciclo con un solo fluido....................57

2.3.2.2 Modelo final: ciclo en cascada..................................59

Captulo 3 Descripcin del modelo desarrollado...........................65

3.1 Esquema en planta..................................................................................65

3.2 Modelo tcnico........................................................................................66

3.2.1 Modelo del motor.....................................................................66

3.2.2 Modelo de aprovechamiento del calor de los humos...............73

3.2.2.1 Ciclo ciclohexano......................................................73

3.2.2.2 Ciclo amoniaco..........................................................74

3.2.3 Modelo matemtico de aprovechamiento del calor de los

humos.......................................................................................75

3.2.3.1 Datos..........................................................................75

3.2.3.2 Variables....................................................................76

3.2.4 Modelo de aprovechamiento del calor del agua de

refrigeracin.............................................................................78

3.2.5 Modelo matemtico de aprovechamiento del calor del

agua de refrigeracin................................................................79

3.2.5.1 Datos..........................................................................79

3.2.5.2 Variables....................................................................80

3.3 Ecuaciones del modelo matemtico........................................................80

3.4 Verificacin de la viabilidad tcnica.......................................................87

3.5 Modelo econmico..................................................................................88

3.5.1 Inversin inicial........................................................................89

3.5.2 Costes de mantenimiento y operacin......................................97

3.5.3 Anlisis de rentabilidad............................................................98

3.6 Modelo medioambiental.........................................................................99

Captulo 4 Anlisis de resultados..................................................103

4.1 Resultados tcnicos del modelo............................................................103

4.1.1 Rendimientos..........................................................................104

4.1.2 Potencias generadas................................................................105

4.2 Resultados econmicos.........................................................................106

4.3 Resultados medioambientales...............................................................118

4.4 Comparacin de un ciclo combinado y un ciclo de cogeneracin........119

Captulo 5 Anlisis de sensibilidad................................................125

5.1 Anlisis de sensibilidad de parmetros tcnicos...................................125

5.2 Anlisis de sensibilidad de parmetros econmicos.............................131

Captulo 6 Conclusiones.................................................................147

6.1 Conclusiones sobre resultados tcnicos................................................147

6.2 Comparacin con un ciclo de cogeneracin..........................................149

6.3 Aspectos medioambientales..................................................................150

6.4 Aspectos econmicos............................................................................151

Captulo 7 Bibliografa...................................................................153

Captulo 8 Anexos...........................................................................155

Captulo 1 Introduccin

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INTRODUCCIN

Los ciclos combinados han sido desarrollados para aprovechar los calores

residuales de los ciclos clsicos de produccin de energa, consiguiendo as

maximizar el rendimiento obtenido para el combustible empleado. Estos ciclos

combinados aprovechan normalmente calores residuales de un ciclo de alta

temperatura para calentar el fluido de otro ciclo de baja temperatura antes de pasar

por la turbina. De esta manera se consigue aumentar considerablemente el

rendimiento que se tena con el primer ciclo aislado, ya que, en el segundo, se est

utilizando un calor gratuito.

Sin embargo, no se utilizan ciclos combinados en todos los ciclos de

produccin de energa, ya que se necesita un incremento sustancial del rendimiento

inicial para que sea realmente rentable emplear esos humos para generar ms

electricidad. As, habr que analizar para cada caso si la mejora obtenida compensa

la inversin extra inicial y los mayores gastos de operacin.

La temperatura de estos gases de escape ser muy determinante para las

posibilidades de integracin de un ciclo termodinmico. Cuanto mayor sea sta,

mayor ser la temperatura a la que se pueda calentar el fluido del ciclo de baja

presin que se dirige hacia la turbina, por lo que se podr obtener ms trabajo en

ella, aumentando as en mayor medida el rendimiento del ciclo principal. Por ello,

por cuestiones de rentabilidad, slo se suelen aprovechar para produccin de

energa los calores residuales de alta o muy alta temperatura.


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1.1 Motivacin del proyecto

El ciclo de Rankine orgnico (ORC), que emplea un fluido diferente del

agua, resulta muy apropiado para el aprovechamiento de calores residuales de

media y baja temperatura debido a que al utilizar un fluido con una curva de

saturacin distinta de la del agua es capaz de adaptarse mejor a las prestaciones del

foco caliente que el ciclo con vapor convencional.

El proyecto pretende evaluar la viabilidad de usar un ciclo ORC como ciclo

de baja para un motor alternativo de gas natural, analizando la adecuacin de

diferentes fluidos, determinando el tamao adecuado de ambos equipos, la

configuracin adecuada del ciclo, la posibilidad de evitar emplear desgasificador,

etc.

Adems el proyecto incluye un anlisis para estudiar la viabilidad

econmica del proyecto, para lo que se consideran tanto las inversiones necesarias

en los elementos empleados para su construccin (turbinas, motores,

compresores,) como la rentabilidad obtenida durante la vida til de la planta.

Otro aspecto a considerar es el impacto ambiental que en este caso serian los

gases emitidos por el motor procedente de la combustin de gas natural. Los

contaminantes atmosfricos (NOx, etc) se mantienen como en el caso del motor,

aunque su peso relativo a la potencia elctrica generada se reduce; en cuanto al

CO2, se han estimado sus emisiones, antes y despus de acoplar el ciclo ORC.


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1.2 Objetivos del proyecto

Los objetivos del proyecto son:

1. Analizar los fluidos de trabajo adecuados, seleccionando los ms

indicados para la aplicacin. En este anlisis se tendrn en cuenta el

posible empleo de ciclos en cascada para aprovechar al mximo las

caractersticas de los fluidos orgnicos.

2. Obtener un modelo de las prestaciones del motor alternativo. Para

ello se recurrir a un anlisis estadstico de diversos motores reales,

obteniendo as sus prestaciones nominales en funcin de la potencia

del motor.

3. Obtencin de las prestaciones del ciclo combinado, analizando

diferentes configuraciones del mismo, de modo que sea posible

seleccionar el escenario ms eficiente segn las circunstancias de

cada caso (potencia total de la planta, tamao del motor,...). Esto

constituir un anlisis de viabilidad tcnica.

4. Realizacin de un anlisis de viabilidad econmica para ponderar los

criterios tcnicos con los econmicos.

5. Realizacin de un anlisis de viabilidad a nivel energtico y

medioambiental, calculando el ahorro en energa primaria y la

reduccin en emisiones de 2CO frente a una tecnologa convencional

de produccin elctrica.


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1.3 Marco general: generacin elctrica

Las primeras unidades de generacin elctrica instaladas a nivel mundial

seguan una estrategia considerada hoy como generacin distribuida, es decir, se

construan centrales en el mismo rea de consumo. A medida que la industria se

desarrollaba y creca, la mayora de las instalaciones industriales construyeron

centrales para cubrir sus propias necesidades y las de los clientes situados en las

proximidades, lo cual constituye otro precedente de la generacin elctrica

distribuida.

Posteriormente como parte del crecimiento demogrfico y de la demanda

elctrica, se evolucion hacia el sistema centralizado donde la central elctrica se

encontraba en el centro geomtrico del consumo y los consumidores crecan a su

alrededor. Sin embargo el rpido desarrollo tecnolgico llev a construir grandes

centrales elctricas ms eficientes situadas en lugares distantes de las zonas de

consumo, pero cerca del suministro de combustible y agua.

Segn la fuente de energa primaria se pueden considerar tres tipos

principales de generacin clsica: hidrulica, nuclear y combustible fsil.

La energa hidrulica se prev que tenga una expansin escasa en Europa y

Estados Unidos donde se ha llegado casi al lmite de la explotacin; el agotamiento

de emplazamientos posibles y la negativa social a la nueva construccin de

embalses y derivacin de caudales de ros, a pesar de su bajo coste de generacin y

emisiones contaminantes a la atmsfera, no hace pensar en importantes incrementos

de la capacidad hidrulica.


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La energa nuclear, pese a los bajos costes variables y emisiones de gases de

efecto invernadero que su empleo supone, no posee buenas perspectivas de

convertirse en una alternativa a corto plazo, debido principalmente al rechazo

social. Uno de los campos donde se necesita desarrollo e inversin es en buscar

soluciones en la eliminacin, transformacin o almacenamiento seguro de los

residuos nucleares.

En lo referente a los combustibles fsiles se prev que sigan siendo la

principal fuente de energa utilizada para la produccin de electricidad, donde se ha

observado una reduccin de la importancia del carbn frente al auge del gas natural.

Este cambio es debido a la menor emisin especfica de 2CO por kWh producido y

a las ventajas referente a costes de inversin, eficiencia energtica, flexibilidad de

operacin y aceptacin social en la seleccin del emplazamiento.

De forma general una central de ciclo combinado requiere una inversin de

entre 500 a 600 /kW [GOME06] y puede alcanzar rendimientos cercanos al 59% a

pleno rendimiento mientras que una central de carbn, con depuracin de gases y

calderas supercrticas, tienen un rendimiento del orden del 45% con costes de

inversin de 1000 /kW. Estas diferencias no implican el abandono de las

tecnologas basadas en el carbn, dado su seguridad de abastecimiento, sobretodo si

se desarrollan tecnologas econmicamente viables de captura y confinamiento de

2CO .

Esta orientacin de la generacin se ha dado en los pases desarrollados al

menos desde la Segunda Guerra Mundial tendiendo haca economas de escala a

travs de grandes centrales cada vez ms alejadas de los centros de consumo


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obligando al desarrollo de lneas de transporte de mayor capacidad y largas

interconectadas y mutuamente apoyadas. No solamente se tenda hacia una

generacin centralizada sino tambin a la transferencia del control del sistema

elctrico del entorno de los clientes o pequeas empresas hacia grandes organismos

de gestin centralizada.

Sin embargo el hecho de una tendencia a un sistema centralizado no supuso

la desaparicin de la generacin distribuida cuya forma ms habitual fue el

generador diesel o bateras cuyos objetivos eran cubrir las necesidades que el

sistema centralizado no poda cubrir: fiabilidad (hospitales) o calidad en el

suministro (bancos).

Por el contrario en la dcada de 1970, factores energticos como la crisis del

petrleo, ecolgicos como el cambio climtico y una alta tasa de demanda elctrica

a nivel mundial, plantearon la necesidad de alternativas tecnolgicas para asegurar

el suministro, la calidad de la energa elctrica y el ahorro y uso eficiente de los

recursos naturales. A estos factores se aaden la dificultad de encontrar

emplazamientos para las grandes centrales, su elevada inversin de capital y la

complejidad de construccin que junto con el desarrollo tecnolgico y reduccin del

coste de nuevas opciones modulares hacen de la generacin distribuida una

alternativa.


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1.3.1 Generacin elctrica distribuida

Son varias las definiciones que existen sobre la generacin distribuida pero

posiblemente la ms clara y general es la dada por el Electric Power Research

Institute:

La generacin distribuida es la utilizacin, de forma integrada o

individual, de pequeos generadores por parte de las compaas elctricas, clientes

o terceros, en aplicaciones que benefician al sistema elctrico, a usuarios elctricos

especficos o a ambos.

Tericamente casi cualquier tecnologa sera vlida para dicha generacin

(turbinas elicas, hidrulicas y de gas, motores de combustin interna, placas de

energa solar trmica de alto rendimiento y fotovoltaicas, pilas de combustible) pero

en la prctica, slo aquellas de alta eficiencia son viables econmicamente.

La generacin distribuida supone un cambio en la generacin de energa

elctrica centralizada. Aunque se pudiera considerar un concepto nuevo, lo cierto es

que su origen se remonta a los inicios de la generacin elctrica puesto que la

industria elctrica se fundament en la generacin en el lugar de consumo.

En los ltimos aos del siglo XX se ha producido un cambio estructural de

las condiciones y fundamentos en los que se basaba la generacin elctrica

tradicional de los pases industrializados. Los factores que han influido en estos

cambios han sido la liberalizacin de los mercados elctricos y la preocupacin

medioambiental existente en las sociedades desarrolladas debido al cambio

climtico.


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La liberalizacin y el progresivo abandono de los sistemas regulatorios

tradicionales, han hecho plantearse sistemas con costes de inversin inferiores lo

que permite incrementar la competitividad entre empresas. El segundo factor de

cambio queda plasmado en cumbres como la de Ro de Janeiro (1992), el protocolo

de Kyoto (1997) y posteriores acuerdos. Este factor es el que explica el inters

despertado sobre la generacin elctrica mediante fuentes renovables.

A nivel de la Unin Europea se estn llevando a cabo iniciativas polticas de

proteccin del medio ambiente, desarrollo sostenible y ahorro energtico. Estas

iniciativas quedan plasmadas en directivas de fomento de energas renovables,

apoyo a la cogeneracin y aquellas que afectan a grandes instalaciones de

combustin, limitando las emisiones de gases y partculas.

En trminos generales, al implementar la GD lo que se busca es aumentar la

calidad de energa, es decir, contar de forma ininterrumpida con la energa elctrica,

con sus adecuados parmetros elctricos que la definen acordes a las necesidades,

esto es voltaje, corriente y frecuencia, entre otros.

La mayora de las redes de transmisin y distribucin de energa elctrica

alcanzan una fiabilidad del 99.9% equivalentes a 8.7 hora al ao fuera de servicio.

Sin embargo, la alta tecnologa en procesos de produccin y empresas de servicio

demandan una mayor fiabilidad equivalentes a tiempos fuera de servicio al ao de

entre 32 y 0.03 segundos.

La generacin distribuida supone un reto tecnolgico que gira entorno a la

disminucin de las prdidas durante el transporte por lo que al localizarse cerca del

punto de consumo permite minimizarlas; esto lleva consigo una disminucin de

consumo de energa primaria as como de emisiones contaminantes.


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1.3.2 Inconvenientes del sistema centralizado

Dificultad de emplazamiento y construccin de grandes centrales al mismo ritmo que la demanda.

Dificultad de construccin e interconexin de grandes lneas de transporte y distribucin que permitan mantener la fiabilidad del

suministro y aprovechar la desregulacin de sistemas elctricos del

entorno para el intercambio competitivo de electricidad.

Dificultad para compatibilizar la desregulacin del mercado elctrico propio con la proteccin del cliente.

Dificultad para compatibilizar la desregulacin del mercado elctrico propio con el nivel de inversin en investigacin, desarrollo e

innovacin que podra aportar a medio plazo la tecnologa necesaria

para solucionar el conflicto.

Dificultad para proporcionar la calidad de suministro exigida por la economa digital.

1.3.3 Aplicaciones de la generacin elctrica distribuida

Carga base: generacin de energa elctrica de forma continua operando en paralelo con la red de distribucin; puede tomar o

vender parte de la energa, y usa la red para respaldo y

mantenimiento.


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Carga en punta: suministro de energa elctrica en perodos punta, con lo que disminuye la demanda mxima del consumidor, ya que el

coste de la energa en este perodo es el ms alto.

Generacin aislada: generacin de energa elctrica de autoabastecimiento, debido a que no es viable a partir de la red

elctrica (sistema aislado o falta de capacidad del suministrador).

Soporte a la red de distribucin: de forma eventual o bien peridicamente, la empresa elctrica requiere reforzar su red

elctrica instalando pequeas plantas, incluida la subestacin de

potencia, debido a altas demandas en diversas pocas del ao, o por

fallos en la red.

Almacenamiento de energa: se toma en consideracin esta alternativa cuando es viable el coste de la tecnologa a emplear, las

interrupciones son frecuentes o se cuenta con fuentes de energa

renovables.

Aplicaciones donde se pueda conseguir un rendimiento econmico superior.

Aplicaciones donde la calidad del suministro sea un punto crtico. Aplicaciones donde la generacin, transporte o distribucin de una

compaa elctrica tradicional en una determinada zona no permite

un suministro adecuado a las necesidades de sus clientes.


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1.3.4 Ventajas de la generacin elctrica distribuida

Los beneficios repercuten en el cliente elctrico, el generador y en el

mercado y su entorno.

Cliente elctrico Facilidad de adaptacin a las condiciones del lugar donde se

encuentra el cliente debido a sus pequeos tamaos.

Incremento en la fiabilidad del suministro de energa crtico

en algunos sectores industriales.

Aumento en la calidad de la energa especialmente til en

aplicaciones industriales cuya instrumentacin y control

electrnico es muy sensible.

Uso eficiente de la energa reduciendo las prdidas de

transporte y distribucin as como aprovechando calores

residuales (cogeneracin).

Disminucin de emisiones contaminantes puesto que

contempla la utilizacin de energas renovables.

Reduccin de los costes de generacin debido al

aprovechamiento de los calores residuales.


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Generador

Reduccin del riesgo de la inversin debido al tamao,

flexibilidad de emplazamiento y rpida instalacin debido al

sistema modular empleado.

Reduce la inversin en el aumento de la capacidad del

sistema de transporte y distribucin, localizando nueva

generacin ms cerca de los usuarios.

Apertura de mercados en zonas remotas donde no es rentable

el transporte y la distribucin.

Libera la capacidad del sistema de transporte.

Evita inversiones innecesarias igualando los aumentos de

capacidad al crecimiento de la demanda.

Proporciona mayor control de energa reactiva.

Mayor regulacin de la tensin.

Mercado y entorno

Reduccin de emisiones debido a una mayor eficiencia y

aprovechamiento de los recursos.

Mantiene la competitividad en el mercado puesto que es

capaz de responder a la demanda en continuo crecimiento.

Aumento del nmero de puestos de trabajos.


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Mejora la fiabilidad y productividad de la energa

suministrada.

Mejora la planificacin energtica puesto que se dispone de

ms posibilidades.

1.4 Ciclo combinado

El ciclo combinado gas-vapor es la conjuncin de dos ciclos

termodinmicos (Rankine y Brayton) que se caracteriza por su alto rendimiento

energtico y elevada densidad de potencia. La caldera de recuperacin y la turbina

de vapor se pueden optimizar con el fin de recuperar la mayor energa posible de los

gases de escape de la turbina de gas.

Para reducir las prdidas de energa en el acoplamiento de los ciclos de

Rankine y Brayton, el vapor de la caldera de recuperacin se puede generar en uno,

dos o tres niveles de presin, y con o sin recalentamiento intermedio que implicara

un diseo mas complejo y por tanto encarecimiento de la instalacin pero el

rendimiento y la potencia en el eje aumentaran.


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1.4.1 Parmetros caractersticos con un nivel de presin

Es el ciclo combinado ms sencillo donde en la prctica los parmetros de

optimizacin del ciclo son la presin, temperatura y el caudal de vapor producido

en la caldera de recuperacin puesto que las turbinas de gas y vapor estn

estandarizadas (con potencias y temperaturas de gases definidas). Estos grados de

libertad han de ser seleccionados de tal forma que el coste final obtenido del kWh

sea el menor posible.

Presin de vapor: con el objetivo de optimizar la potencia y rendimiento de

la turbina de vapor, se parte de la mxima temperatura posible para el vapor

y de la presin con la que se obtendra el mximo trabajo en la turbina,

teniendo en cuenta las limitaciones impuestas por la presin en el

condensador y el contenido mximo admisible de humedad en el ltimo

escaln de la turbina de vapor debido a la erosin de los labes.

La potencia en el eje de la turbina depende del gasto msico y el

salto entlpico disponible en la turbina de vapor como se indica en la

siguiente ecuacin:

)kgkJ(h)

skg(m)kW(P =

La presin de vapor se selecciona de tal forma que el valor de la

ecuacin anterior sea el mximo posible pero siendo compatible con los

parmetros econmicos impuestos a la instalacin:


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Una presin de vapor elevada supondra una generacin menor de vapor al aumentar la temperatura de saturacin a medida que lo hace

la presin, lo que implica una recuperacin de calor inferior de los

gases de escape del ciclo de gas y un menor rendimiento de la

caldera de recuperacin de calor.

Sin embargo, pese a que presiones de vapor pequeas provocaran una mayor produccin de vapor, una mayor recuperacin de calor de

los gases de escape y consecuentemente un aumento del rendimiento

de la caldera al ser la densidad menor se originan mayores prdidas

internas en los equipos, encareciendo as los sistemas principales

(caldera, tuberas, turbina, vlvulas, condensador, etc.) y de toda la

instalacin en general.

Desde el punto de vista termodinmico y con el objetivo de optimizar el salto entlpico, la presin ptima para una temperatura

determinada es aquella que, siendo lo ms alta posible y compatible

con la mxima recuperacin de calor, no d lugar al final de la etapa

de expansin un contenido de humedad superior al mximo

admisible por el ltimo escaln.

La presin obtenida de forma terica siempre ser algo menor puesto que el

salto real en la turbina no es isentrpico.

Temperatura de vapor: el valor mximo de la temperatura de vapor se fija

de tal forma que sea igual o menor que la temperatura de los gases menos

25C teniendo en cuenta que el salto entlpico de la turbina mejora con la


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temperatura. No obstante la seleccin de la temperatura de vapor de la

turbina se realiza equilibrando la mejora del salto entlpico, la disminucin

del caudal de vapor que se produce aumentando la temperatura del vapor y

el coste mayor de los materiales a utilizar en el sobrecalentador y tuberas de

vapor a turbina.

El incremento de la temperatura eleva ligeramente la potencia de la

turbina puesto que prevalece la mejora del salto entlpico frente al descenso

en la produccin de vapor al disminuir la energa de los gases disponibles

para la vaporizacin. Tambin, la mayor temperatura del vapor contribuye a

aumentar el ttulo del vapor en los labes de los ltimos escalones,

permitiendo aumentar el vaco en el condensador e incrementar an ms la

potencia.

Pinch point: es la diferencia entre la temperatura del vapor a la salida del

evaporador y la temperatura de los gases en esa zona. Cuanto menor sea el

valor del pinch point, mayor cantidad de vapor generado, mayor es la

superficie total de intercambio de calor requerida del evaporador y

sobrecalentador y por tanto se incrementa el coste de la caldera.

Approach temperatura: es la diferencia entre la temperatura de salida en el

caldern y la del fluido a la salida del economizador. Esta diferencia es

necesaria para evitar la evaporacin en los tubos del economizador en la

puesta en marcha, elevacin de la carga y operacin a carga parcial.


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Un valor pequeo de este parmetro supone un mayor

aprovechamiento del calor pero tambin un incremento de la superficie de

intercambio en el economizador y puede que la necesidad de emplear

materiales aleados en su ltima etapa para resistir sobrecalentamientos

eventuales en el caso de que se produzcan vaporizaciones. Es crtico el valor

a carga parcial porque si es pequeo se pueden producir vaporizaciones que

impidan el paso del fluido en las calderas horizontales de circulacin

natural.

Una vez fijadas la presin y temperatura los valores de pinch point y

approach determinan la produccin de vapor. Sin embargo para una misma

suma de ambos parmetros se obtienen superficies de caldera diferentes por

lo que el ptimo de cada parmetro debe escogerse segn la condicin de

operacin.

Cada de presin en el evaporador: en funcin de la cada de presin

variar la produccin de vapor; cuanto mayores sean las prdidas menor ser

dicha produccin. El motivo por el cual se produce esta disminucin de

vapor es porque para mantener el vapor a la entrada de la turbina, la presin

y la temperatura de saturacin deben ser mayores por lo que no se podran

aprovechar la energa de los gases con temperaturas inferiores a saturacin

durante la evaporacin. La eficiencia del evaporador as como las prdidas

de carga depende en gran medida de la geometra y dimetro de los tubos

pero siempre hay que buscar un equilibrio entre coste y eficiencia.


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Cada de presin en el economizador: tiene una influencia directa en el

consumo de las bombas del agua de alimentacin, por lo que la geometra y

dimetro de sus tubos se escogen en funcin de su eficiencia y coste.

Temperatura del agua de alimentacin: el rendimiento de la caldera de

recuperacin se incrementa cuanto menor es la temperatura del agua a la

entrada del economizador puesto que es la forma de reducir la temperatura

de los gases de salida hacia la chimenea. Por esta razn no existen

calentadores de agua en ciclos gas-vapor, y el agua de alimentacin slo es

calentada en el desgasificador o a travs del sistema de vaco del

condensador. Esta baja temperatura del agua de alimentacin es una

caracterstica de diferenciacin de las centrales de ciclo combinado con

respecto a las centrales de caldera convencional, consiguiendo estas ltimas

mayores eficiencias al calentar el agua de alimentacin mediante

extracciones mltiples de la turbina.

El calentamiento del agua en el desgasificador se da en condiciones

normales de operacin mediante una extraccin de vapor de la turbina y en

los arranque se realiza con vapor procedente del caldern. El objetivo del

calentamiento del agua de reposicin al ciclo en el condensador es reducir la

solubilidad de los gases no condensables ( COONCO ,,, 222 ) en el agua y

eliminarlos mediante el sistema de vaco en el condensador; de esta forma se

reducen los aportes de productos qumicos al ciclo ( 42 HN ) as como el

consumo de vapor en los venteos del desgasificador. En este calentamiento


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el calor puede proceder del agua caliente de la purga continua del caldern y

del aporte de vapor auxiliar.

Mediante calentamiento del agua de reposicin, aportndola al condensador

buscando una gran superficie de contacto entre el agua de aportacin y la

atmsfera de vaco del condensador, se pueden obtener niveles de 2O

inferiores a 7 ppb, lo que permite reducir el aporte de hidracina e incluso

evitara la necesidad del desgasificador y la bomba de condensado.

Otra solucin posible es recircular agua caliente desde la salida del

economizador para calentar el agua del desgasificador evitando la extraccin

de vapor de la turbina y por lo tanto incrementando su potencia.

En ciclos donde las paradas y arranques son frecuentes se disea para evitar

corrosiones internas mediante aireacin completa en el aporte de agua a la

caldera, optimizando el condensador, la inyeccin de hidracina. La

temperatura en los tubos ms fros del economizador debe mantenerse por

encima del punto de roco de los humos para evitar condensaciones cidas

que provocaran corrosiones, lo cual se logra calentando el agua de

alimentacin (inyectando vapor en el desgasificador).

1.4.2 Motores de combustin interna alternativos (MCIA)

El origen de los motores trmicos se remonta a 1860 cuando naci, gracias a

Lenoir, el primer motor industrial que funciona con explosiones, pero sin

compresin previa. Posteriormente, el motor de "compresin previa y ciclo de

cuatro tiempos", definido por Beau de Rochas (1862) y realizado por Otto en 1878,


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provee a la industria de un motor de media potencia, cuyo precio y complicacin no

son comparables al conjunto generador-mquina de vapor.

En 1893, Rudolph Diesel enuncia el principio del motor de "combustin

interna y alta compresin previa", sin encendido, el cual deba ser alimentado

directamente por un combustible pesado, no fluido y relativamente econmico.

Con el tiempo y el estudio detallado de los motores, se lleg a la conclusin

de que los motores ms potentes deben disponer necesariamente de varios cilindros.

Es por ello que comienzan a desarrollarse numerosos tipos de motores, cambiando

principalmente el tipo de combustible (y por ende su principio de funcionamiento),

as como la disposicin de los cilindros, con el fin de lograr un mximo de potencia.

La mayor demanda social de energa se centra fundamentalmente en energa

mecnica y elctrica que se puede obtener utilizando energa trmica, hidrulica,

solar y elica. La ms utilizada es la energa trmica obtenida de los combustibles

de naturaleza orgnica. Los equipos energticos que ms aceptacin han tenido, en

sus diferentes concepciones, son los motores trmicos que basan la produccin de

energa mecnica en una diferencia de temperatura.

Los MCIA son motores trmicos en los que los gases resultantes de un

proceso de combustin empujan un mbolo, en el interior de un cilindro,

intercambiando energa con ellos que hace girar el cigeal donde se obtiene un

movimiento de rotacin.

La caracterstica fundamental de los MCIA es su combustin intermitente

que implica una mayor dificultad para lograr la combustin completa con mnima

emisin de contaminantes; esta desventaja lleva consigo una ventaja que es una


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menor temperatura media de los elementos mecnicos en contacto con los gases

procedentes de la combustin.

1.4.3 Motores de gas natural como ciclo de alta

El gas natural comenz a considerarse hace unos 50 aos puesto que

antiguamente era ms fcil producirlo a partir de otros gases y carbn (gas

manufacturado) que extraerlo de la tierra lo que caus su desinters. Actualmente,

las nuevas tecnologas han logrado que el 18% de la energa mundial consumida

provenga del gas.

Est compuesto de diversos gases y su mezcla vara segn el yacimiento; un

porcentaje superior al 92% de su composicin son tomos de carbono e hidrgeno

(metano, propano, etano, butano).

En los ltimos aos ha aumentado el inters por combustibles gaseosos

empleados en MCIA los cuales reemplazan a motores convencionales por

cuestiones medioambientales y disponibilidad del recurso natural.

Ventajas del gas natural frente a gasleo y gasolina:

El precio por unidad de energa calorfica es menor en el gas natural.

Los costes de mantenimiento en motores diesel son mayores que en los de gas natural para una potencia dada.

El gas natural puede ser empleado en los motores de explosin (Otto) pero

se producira una reduccin de potencia de salida que para evitarla seran necesarias

ciertas modificaciones que incrementan su rendimiento por encima del original.


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En el caso de los motores diesel no se procede de la misma forma pese a que

los motores de gas se basan en los de motores convencionales.

De forma general los combustibles gaseosos poseen un nmero de octano

superior que el de la gasolina, lo que posibilita que los motores de explosin

trabajen con relaciones de compresin de hasta 12 y 13, aumentando as su

rendimiento. Por el contrario este elevado nmero de octano impide que los motores

diesel realicen adecuadamente el encendido por compresin cuando son

alimentados con gas, ya que el gas natural funciona mejor con motores de

encendido provocado mediante una buja y con menores potencias que las de los

diesel.

En los motores diesel de gas el sistema de ignicin no siempre es por

compresin de aire y posterior inyeccin de aire. Segn el tipo de ignicin los

motores diesel se clasifican en:

Encendido por chispa: se comprime una mezcla de gas y aire y el encendido se provoca se lleva a cabo mediante una buja.

Inyeccin piloto de gasoil: se comprime una mezcla de combustible y aire en exceso lo que hace disminuir la tendencia a la detonacin y

permite trabajar con mayor relacin de compresin. Hacia el final de

la compresin se introduce en el cilindro una pequea cantidad de

combustible con elevado nmero de cetano, lo que determina que se

inicie la combustin y se propague por toda la cmara. De esta forma

se consigue mejor rendimiento que el caso anterior pero se aade

complejidad y coste al motor.


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Inyeccin de gas a alta presin: consiste en comprimir nicamente aire en el cilindro e inyectar el gas comprimido al final del proceso

de compresin en el motor. En definitiva, el principio de

funcionamiento de este motor se corresponde al del diesel

convencional. Este sistema proporciona mejor rendimiento que en

los dos casos anteriores, aunque a cambio de consumir potencia en el

compresor de gas.

1.4.4 Ciclo de Rankine

Es un ciclo de potencia (generacin de energa) que, en su versin ms

simple, se compone de cuatro procesos, como se ver en la Figura I.1. En primer

lugar, una bomba aspira condensado a baja presin y temperatura (tpicamente a

presin inferior a la atmosfrica): estado (3), y comprime el agua hasta la presin de

la caldera (4). Este condensado (4) se encuentra ahora a menos temperatura de la de

saturacin, para ser inyectado en la caldera. En sta primero se calienta alcanzando

la saturacin y luego se inicia la ebullicin del lquido. En (1) se extrae el vapor de

la caldera (en condiciones cercanas a saturacin) y luego se conduce el vapor a la

turbina. All se expande, produciendo trabajo hasta la presin asociada a la

temperatura de condensacin (2). El vapor que descarga la mquina entra al

condensador donde se convierte en agua al entrar en contacto con las paredes de

tubos que estn refrigerados en su interior (tpicamente por agua). El condensado se


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lleva al fondo del condensador, donde se extrae (3) prcticamente como lquido

saturado. All la bomba comprime el condensado y se repite el ciclo.

Fig. I.1.- Esquema del ciclo de de vapor de Rankine.

Fig. I.2.- Diagrama P-V del ciclo de vapor Rankine.


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En diagrama P-V (Figura I.2), el ciclo se describe como sigue (los puntos

termodinmicos estn indicados mediante un nmero): en (1) la caldera entrega

vapor saturado, el cual es transportado a la turbina. All el vapor se expande entre la

presin de la caldera y la presin del condensador, produciendo el trabajo (W). La

turbina descarga el vapor en el estado (2). ste, es vapor hmedo, que es admitido

en el condensador. All se condensa a presin y temperatura constante, evolucin

(2)-(3), y del condensador se extrae lquido saturado, en el estado (3). Luego la

bomba aumenta la presin de condensado de Pcond a Pcal (evolucin (3)-(4)) y

reinyecta el condensado en la caldera.

Por lo tanto la mquina opera entre la presin Pcald y Pcond, las cuales

tienen asociadas la temperatura de ebullicin del vapor en la caldera y la

temperatura de condensacin del agua en el condensador, respectivamente.

Fig. I.3.- Diagrama T-S del ciclo de vapor Rankine.


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El diagrama T-S el ciclo Rankine (Figura I.3) se describe de la siguiente

forma: el vapor est inicialmente como vapor saturado (1); luego el vapor se

expande en la turbina, generando trabajo (evolucin (1)-(2)). Esta evolucin se

puede suponer adiabtica. Si adems se supone libre de irreversibilidades, se

asimilar a una isentrpica. En caso contrario la entropa aumentara debido a las

irreversibilidades. A la salida de la turbina de vapor tendr ttulo (X) inferior a 1.

El vapor que descarga la turbina es admitido en el condensador, donde

condensa totalmente a temperatura y presin constantes (evolucin (2)-(3)),

saliendo en el estado (3) como lquido saturado. Ahora el condensado es

comprimido por la bomba (evolucin (3)-(4)), aumentando su presin hasta Pcald.

Si bien la presin aumenta de forma significativa, la temperatura casi permanece

constante. Idealmente esta compresin tambin es adiabtica e isentrpica, aunque

realmente la entropa tambin aumenta. En el estado (4) el fluido se encuentra como

comprimido. ste se inyecta en la caldera, con un importante aumento de la

temperatura y entropa, hasta alcanzar la saturacin y es all donde comienza la

ebullicin. Todo el proceso (4)-(1) ocurre dentro de la caldera. El punto 4

representara el punto donde alcanza la condicin de lquido saturado.

Sin embargo, el ciclo de Rankine real no es exactamente igual al mostrado

puesto que se producen irreversilidades:

En la turbina y en la bomba los procesos no son isentrpicos (aunque sean adiabticos)

En la caldera existen irreversibilidades internas (prdida de presin) y externas (diferencia de temperatura con foco caliente)


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En el condensador se producen tambin prdidas de presin (aunque menos importantes) y diferencia de temperatura con el refrigerante.

Adems, el agua del refrigerante no suele usarse posteriormente,

pues aunque lleva una potencia considerable sta es de baja

temperatura, siendo por tanto su contenido energtico escaso.

Fig. I.4.- Irreversibilidades en turbina y bomba.

Observando los diagramas se deduce que aumentando la presin de la caldera se

aumentar el rendimiento, pero tamben tendr sus inconvenientes:

Baja el ttulo del vapor de salida a turbina, que debe ser mayor que X=0.85 para evitar problemas de corrosin en la turbina.

Aumenta el espesor de los tubos, aumentando tambin el precio y empeorando la seguridad y transmisin de calor.


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Por ello, la opcin ms habitual para mejorar el ciclo es realizar un

sobrecalentamiento del vapor en la misma caldera, con los siguientes efectos:

Aumenta la temperatura media del vapor en la caldera (temperatura media de aceptacin de calor), aumentando consecuentemente el

rendimiento.

Evita ttulos bajos en la salida de la turbina.

Sin embargo, tambin existe un lmite de sobrecalentamiento, provocado por

la resistencia trmica del material (oxidacin de los tubos de la caldera).

Tambin conviene reducir la presin de condensacin, pues se reducira as

la temperatura media de rechazo de calor, aumentando por tanto el rendimiento. Los

valores tpicos de temperaturas de condensacin oscilan entre los 30C y los 45C.

Sin embargo, para obtener esas bajas temperaturas de condensacin es necesario

reducir la presin del condensador hasta valores muy por debajo de la presin

ambiente, por lo que sera necesario incluir un desgasificador en el ciclo para evitar

los problemas asociados a la disolucin del oxgeno que inevitablemente entre en el

condensador desde el ambiente. Por otro lado, la mnima presin alcanzable est

condicionada por la temperatura del foco fro.

El proceso explicado es un ciclo bsico (con recalentamiento). En la prctica

se usan variantes ms complejas que ofrecen mejores rendimientos, como son:

Ciclos regenerativos (regeneradores abiertos, calentadores cerrados o calentadores mltiples).

Empleo de presiones supercrticas.


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1.4.5 Ciclo de Carnot

La eficiencia trmica de un ciclo de potencia alcanza su nivel mximo si

todo el calor que se obtiene de fuentes de energa ocurre a la mxima temperatura

posible; es decir, un ciclo alcanzar su mximo rendimiento cuando sus

temperaturas medias de admisin y cesin de calor coincidan con las temperaturas

de los focos caliente y fro, respectivamente, que alimentan el ciclo. La eficiencia

trmica de un ciclo reversible que opera en estas condiciones se denomina

eficiencia de Carnot, y viene dada por la siguiente ecuacin.

c

fCarnot T

T= 1

Siendo:

fT : temperatura del foco fro

cT : temperatura del foco caliente

Un ciclo de Carnot, por tanto, es un ciclo reversible (ausente de

irreversibilidades tanto externas como internas) que opera segn las condiciones

descritas. Este ciclo estar compuesto por dos procesos isotermos reversibles y dos

procesos adiabticos reversibles (isentrpicos).

Si se compara un ciclo de Rankine reversible con un ciclo de Carnot que lo

inscriba ste ltimo tendra como temperatura inferior (de fuente fra) la


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temperatura del condensador del ciclo de Rankine y como superior (de fuente

caliente) la de la caldera. As, el ciclo de Carnot asociado estara representado, en el

diagrama T-S, por el rectngulo de tamao mnimo que contenga al ciclo de

Rankine.

Fig. I.5.- Comparativa ciclo de Rankine y Carnot equivalente.

La diferencia de rea entre la representacin de ambos ciclos representa la

prdida con respecto al potencial que nos ofrecen los focos. En este caso la

principal irreversibilidad termodinmica ocurre por la inyeccin de agua por debajo

de la temperatura de saturacin a la caldera. Aun as, el ciclo de Rankine se

aproxima mucho al ciclo de Carnot, por lo que es un ciclo muy conveniente desde

el punto de vista termodinmico.


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1.4.6 Acoplamiento motor-ciclo ORC

Se trata de un ciclo combinado donde el ciclo de alta es un motor de

combustin interna alternativo cuyas caractersticas ya han sido explicadas y el

ciclo de baja se trata de un ciclo de Rankine orgnico.

1.5 Metodologa de trabajo

Se pretende analizar un ciclo combinado que emplee como ciclo superior un

motor de combustin interna de gas natural y como ciclo de baja uno de Rankine

orgnico (ORC). Los fluidos empleados en este tipo de ciclos suelen presentar

problemas de descomposicin a altas temperaturas, por lo que no se deben exponer

a mucho ms de 400C. La potencia del motor de gas considerado cubrir su gama

de trabajo habitual (0,1 a 5 MWe). Las temperaturas del escape varan entre los

400C y 475C, con lo que se cumple el condicionante de los ORC. Por otra parte,

los motores ms interesantes desde el punto de vista econmico son lo de mayor

potencia, donde las temperaturas de escape son las menores del rango.

En una primera fase se llevar a cabo una revisin de la documentacin

disponible, con objeto de seleccionar fluidos adecuados, configuraciones de ciclos y

parmetros de funcionamiento.

Seguidamente se proceder a modelar el ciclo de alta, lo que se har

mediante ajuste de curvas dadas por fabricantes.

En una tercera fase se proceder a modelar el ciclo ORC, seleccionando para

ello varios fluidos y analizando diversas configuraciones, entre ellas la conexin de


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dos ciclos en cascada (ciclo binario) y el empleo de una ciclo especfico para

recuperar el agua de refrigeracin.

Captulo 2 Revisin de las nuevas tecnologas disponibles

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REVISIN DE LAS TECNOLOGAS

DISPONIBLES

En esta seccin se realizar una revisin de las tecnologas disponibles tanto

para el ciclo de alta (motor diesel, motor de gas o turbina de gas) como el de baja.

Como ciclo de alta se ha optado por un motor de combustin interna alternativo de

gas natural ya que en este proyecto se estn analizando sus posibilidades de

integracin para el ciclo combinado, y se han extrapolado las prestaciones

energticas de dicho motor, en funcin de la potencia, a partir de datos reales de

fabricantes. Por lo tanto es en el ciclo de baja temperatura (ciclo de Rankine

orgnico) donde se presentan las opciones a analizar.

2.1 Ciclo de alta (MCIA)

La base de datos utilizada en este proyecto para modelar las prestaciones

energticas del ciclo de alta temperatura est compuesta por un MCIA cuyo fluido

de trabajo es gas natural en un rango de potencias desde 100kW hasta 5740kW.

Conforme aumenta la potencia del motor mejor es su funcionamiento, pues

se vuelve ms adiabtico; de esta forma el rendimiento elctrico oscilar entre el

27.7% y el 43.9%, observndose un aumento conforme se incrementa la potencia

del motor. Sin embargo el porcentaje de calor recuperable de los gases de escape no


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depender de la potencia del motor, oscilando entre el 41.11% y el 91.81% de dicha

potencia, aunque con una tendencia media alrededor del 57%. El porcentaje

(tambin respecto a la potencia elctrica) de calor evacuado del circuito de

refrigeracin de las camisas disminuir al amentar la potencia, situndose entre el

18% y el 23.31% para el rango estudiado.

2.1.1 Comparacin con otras tecnologas de generacin distribuida

La utilizacin de MCIA para la produccin de electricidad o cogeneracin

no es algo nuevo, resultando especialmente idneos en sistemas de dimensiones

pequeas o medias (15kW 30MW) y siempre que se requiera un motor que

trabaje con rendimiento elevado. Los motores de ciclo Otto se emplearn para

abastecer las demandas pequeas, mientras que los de ciclo diesel para las de

dimensin media.

Los MCIA se caracterizan por su gran versatilidad, pues convenientemente

diseados pueden emplear una amplia gama de combustibles lquidos y gaseosos en

aplicaciones muy diversas. Al mismo tiempo se adaptan con gran flexibilidad a

diferentes condiciones de operacin, pues su rendimiento no se ve muy afectado por

el grado de carga al que est sometido el motor; adems de resultar muy idneos

para proporcionar calor adicional a varias temperaturas: desde los gases de escape a

400C - 600C, hasta otras fuentes de menor temperatura como el agua de

refrigeracin, aceite de lubricacin y aire del interrefrigerador del sobrealimentador.

Otra ventaja no despreciable de los MCIA es que pueden ser empleados

fcilmente de forma modular. Es decir, se montan varios motores de pequeo


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tamao en un sistema nico, lo que permite mantener siempre un buen rendimiento

global independiente de la potencia demandada al sistema (desactivando ciertas

unidades y manteniendo el resto a plena carga).

Los MCIA son las mquinas que mejor se adaptan para trabajar con buen

rendimiento a cargas parciales (un valor tpico del rendimiento al 50% de la carga

nominal es de aproximadamente el 90% del valor del rendimiento a plena carga,

mientras que una turbina slo alcanzara el 75% del valor a plena carga). Los

motores alternativos soportan bien los arranques y las paradas continuas, lo que en

una turbina de gas se traduce en un acortamiento muy sensible de su vida til. Por

otra parte, son muy adecuados para aplicaciones en las que, adems de electricidad,

se requiere calor (cogeneracin) a diferentes niveles de temperatura medios o bajos.

Finalmente, referir que las prestaciones de los motores alternativos, especialmente

si estn sobrealimentados, no se ven afectadas notablemente por las condiciones

ambientales (presin, temperatura y humedad relativa).

En definitiva, los MCIA tienen su aplicacin ms clara siempre que se

produzcan variaciones de carga importantes, e incluso se requieran paradas

peridicas del sistema (por la noche, fin de semana, horas valle, etc.). Tambin son

muy adecuados cuando parte de la energa se demanda en forma de calor a

temperaturas medias y bajas.

Aunque el coste de capital de los motores alternativos es el ms bajo de

todas las tecnologas existentes, no ocurre lo mismo con los costes de explotacin y

mantenimiento que son bastante elevados, dada la mayor complejidad de estas

mquinas. Un inconveniente de los MCIA es que presentan elevado peso y volumen

por unidad de potencia producida frente a otros tipos de motores trmicos, si bien


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no es el caso cuando se comparan con otras tecnologas existentes. Asimismo, son

motores contaminantes tanto en emisiones gaseosas como en acsticas.

2.1.2 Integracin con otros sistemas de energa

Se entiende por sistemas energticos integrados aquellos en los que a partir

de una sola fuente de energa primaria se produce simultneamente energa de

elevada calidad (mecnica y/o elctrica) y energa de menor calidad pero tambin

til para procesos de calentamiento, enfriamiento y deshumidificacin. Esto

constituye lo que se suele denominar sistemas de cogeneracin: produccin

simultnea de trabajo y energa trmica til, empleando equipos convencionales

pero integrados funcionalmente para mejorar el rendimiento de conversin de la

energa primaria utilizada y reducir el coste y emisiones correspondientes a la

produccin en equipos independientes. Por tanto, la integracin de sistemas supone

una utilizacin ms racional de la energa ya que posibilita el ptimo

aprovechamiento de la energa contenida en los combustibles, para lo que se

explotan las corrientes trmicas que habitualmente se desechan, pero teniendo

presente que no es fcil aprovechar los fluidos a baja temperatura.

Es habitual que los sistemas integrados se diseen para que la energa

trmica la consuma el propio sistema, pues suele ser inviable la venta de este tipo

de energa a un agente externo. Por ello, es habitual encontrar sistemas de

cogeneracin en aquellas industrias que consumen simultneamente electricidad y

grandes cantidades de energa trmica: industria qumica, siderrgica, papelera y

agroalimentaria. El sector no residencial es otro campo donde habitualmente se


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requiere una carga trmica y una carga elctrica casi constante: grandes superficies,

cines, hoteles, hospitales, campus universitarios, edificios de oficinas, etc.

Obviamente, los sistemas integrados estn compuestos de varios subsistemas

que se disean para trabajar de forma conjunta. Por tanto, existen muchas

posibilidades para seleccionar y enlazar los diferentes subsistemas. Esto pone de

manifiesto que la eleccin de un sistema de cogeneracin puede no resultar una

tarea fcil. En ltimo trmino, la decisin de invertir en cogeneracin se basar en

que exista seguridad de que el balance econmico a lo largo de la vida til de la

instalacin resulta favorable frente al de la electricidad comprada a la red. En

definitiva, la principal fuente de ahorro de costes estriba en la diferencia entre el

coste de produccin de la electricidad cogenerada y el precio de mercado de la

electricidad.

Los criterios bsicos para seleccionar adecuadamente un sistema trmico

bien integrado son los siguientes:

Determinar las necesidades elctricas y trmicas: distribucin en el tiempo y cantidad.

Evaluar los niveles de temperatura requeridos para las necesidades trmicas. Plantear un sistema de cogeneracin adecuado en funcin de la

disponibilidad y coste de combustibles y de los valores estimados de las

necesidades elctricas y trmicas.

Decidir la configuracin final del sistema una vez establecida la poltica de suministro elctrico: autoconsumo, compra y venta.


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El componente ms importante de un sistema de cogeneracin es el motor:

turbina de gas, turbina de vapor, MCIA, etc. La aplicacin de motores alternativos

de combustin interna alternativo se adapta bien a los sistemas trmicos integrados,

ya que, como se ha referido, son mquinas verstiles y que trabajan con elevado

rendimiento, al mismo tiempo que el calor de desecho del ciclo termodinmico se

presente en varias fuentes y a diferentes niveles de temperatura, lo que en ocasiones

resulta muy atractivo. Las fuentes y niveles de calor en un motor alternativo son:

gases de escape (400C 600C), el agua de refrigeracin (80C 120C), el aceite

de lubricacin-refrigeracin (70C 80C) y el calor disipado en el interrefrigerador

del turbocompresor (140C).

Los gases de escape constituyen la fuente de energa de mayor temperatura

en MCIA. La temperatura de estos gases depende del tipo de motor

(sobrealimentado, de mezcla pobre, de gas, diesel, etc.) y de las condiciones de

operacin. En general, puede encontrarse un rango de temperaturas que oscila entre

aproximadamente 400C hasta cerca de 700C. El aprovechamiento del calor de los

gases de escape puede realizarse en un recuperador produciendo vapor o agua

caliente. En la salida del recuperador la temperatura de los gases de escape se

establece en funcin de la temperatura del fluido a calentar, situndose

normalmente unos 50C por encima de la temperatura de salida de este ltimo. Si el

combustible no esta exento de azufre o de otros compuestos que pueden producir

cidos, resulta imprescindible que la temperatura de los gases de escape a la salida

del recuperador de calor est por encima del punto de roco, siendo 175C un valor

habitual de diseo.


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El agua de refrigeracin de los cilindros es otra fuente de calor en MCIA.

Aunque el circuito de refrigeracin en motores puede estar presurizado, el agua de

refrigeracin no sobrepasa los 120C por motivos derivados de limitaciones

mecnicas. La diferencia de temperatura del agua entre la salida y entrada al motor

no debe sobrepasar 8 C como mximo.

El aceite, adems de la funcin de lubricante, siempre cumple una funcin

refrigerante (especficamente encomendada, o por absorber el calor de

componentes). El rango de temperatura del aceite oscila entre 70C y 105C. El aire

de sobrealimentacin es otra fuente de calor. El compresor del sobrealimentador

aumenta la presin del aire y tambin la temperatura (hasta unos 140C como

mximo), pero las tensiones trmicas en el motor imponen lmites a ese aumento de

temperatura, por lo que se suele refrigerar el aire despus del turbocompresor.

En los MCIA slo los gases de escape poseen un nivel de temperatura

suficientemente elevado para producir vapor o actuar como fuente de calor en ciclo

frigorficos de absorcin. Por ello, en el sector no residencial (hospitales, hoteles,

etc.) es habitual aprovechar el escape para producir agua caliente sobrecalentada o

vapor (tiles en lavanderas, cocinas, etc.), emplear el aceite y el aire de

sobrealimentacin para obtener agua caliente sanitaria a 40C y usar el agua de

refrigeracin del motor para generar agua de calefaccin a 90C.

Los MCIA ofrecen amplias posibilidades para la cogeneracin debido a la

gran cantidad de calores residuales de media y baja temperatura que desprenden.

Sin embargo, para la formacin de un ciclo combinado rentable se necesitan calores

residuales de alta temperatura, lo que pone en tela de juicio la capacidad de un


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MCIA para ser integrado en un ciclo combinado viable tcnica y econmicamente.

Demostrar esta viabilidad es precisamente el objetivo nuclear de este Proyecto.

2.1.3 Los MCIA y el medioambiente

A travs de los gases de escape de los MCIA se emiten a la atmsfera los

productos de la combustin, algunos de los cuales son considerados sustancias

contaminantes como xidos de nitrgeno (NOx); hidrocarburos no quemados (HC),

monxido de carbono (CO), dixido de azufre (SO2) y partculas.

Los xidos de nitrgeno (especialmente el xido ntrico: NO) se forman por

reaccin del nitrgeno y oxgeno del aire a las elevadas temperaturas que se

alcanzan en el motor. Las emisiones de NOx son comparables en motores de ciclo

Otto y de ciclo diesel.

Los hidrocarburos sin quemar tienen su origen en una combustin

deficiente, incluso cuando existe exceso de aire (fallos de encendido y existencia de

localizaciones de combustin incompleta). La emisin de HC es significativamente

mayor en motores de ciclo Otto. El monxido de carbono se origina por combustin

incompleta, igual que los hidrocarburos, pero tambin por fenmenos de

disociacin del CO2 a elevada temperatura. Tambin en este caso es mayor la

emisin de CO en motores de ciclo Otto que en los de ciclo diesel. El dixido de

azufre procede exclusivamente del azufre contenido en el combustible, por lo que

su emisin es prcticamente nula con ciertos combustibles como el gas natural o el

biodiesel. Las partculas se puede definir como los elementos en suspensin

contenidos en los gases de escape, tanto en fase lquida como slida, y su formacin


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es caracterstica de los motores diesel alimentados con gasleo y en condiciones

prximas a plena carga.

La legislacin sobre emisiones contaminantes en los gases de escape de

motores alternativos de combustin interna es cada vez ms restrictiva, lo que ha

determinado el desarrollo de varios sistemas para reducirlas: convertidores

catalticos, recirculacin de los gases de escape (vlvula EGR), sistemas de

combustin de mezcla pobre,...

2.1.4 Motor diesel

Es un motor trmico de combustin interna en el cual el encendido se logra

por la temperatura elevada producto de la compresin del aire en el interior del

cilindro.

El modo de funcionamiento es mediante la ignicin de la mezcla aire-gas sin

chispa. La temperatura que inicia la combustin procede de la elevacin de la

presin que se produce al final de la fase de compresin. El combustible se inyecta

en la parte superior de la cmara de compresin a gran presin, de forma que se

atomiza y se mezcla con el aire a alta temperatura y presin. Como resultado, la

mezcla se quema muy rpidamente. Esta combustin ocasiona que el gas contenido

en la cmara se expanda, impulsando el pistn hacia abajo. La biela transmite este

movimiento al cigeal, al que hace girar, transformando el movimiento lineal del

pistn en un movimiento de rotacin.


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Para que se produzca la combustin es necesario emplear combustibles ms

pesados que los empleados en el motor de gasolina. La Tabla II.1 resume las

principales caractersticas de los motores diesel estacionarios [VILL00].

Tabla II.1.- Caractersticas de los motores diesel segn la velocidad de giro.

Rpido Semi-rpido Lento Rgimen (rpm) 1000 a 3000 400 a 1000 < 400 Dimetro (mm) 200 a 300 400 a 600 1000 Potencia/cilindro (kW) 200 600 a 1000 2500 a 3000

Potencia total (MW) 4 18 30 Coste/kW Bajo medio alto Vida media (horas) 20000 50000 60000 N mximo de cilindros < 20 20 12

2.1.5 Motor de gas

Es un motor de combustin interna alternativo de gas natural cuyo modo de

funcionamiento ha sido explicado con anterioridad en el apartado 1.4.3.

Las caractersticas de los motores de gas segn su potencia vienen indicadas

en la Tabla II.2 actualizada a 2003 [NREL03].


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Tabla II.2.- Caractersticas de los motores diesel se la potencia elctrica entregada.

Potencia (kW) 100 300 1000 3000 5000 Tipo de combustin Rica Pobre Pobre Pobre Pobre Eficiencia elctrica (%) 33 34 38 39 41 Rgimen de giro (rpm) 1800 1800 1200 900 720 Coste total de instalacin ($/kW) 1350 1130 925 920 870 Costes de operacin y mantenimiento ($/kWh) 0,018 0,012 0,009 0,0085 0,008

Presin requerida del combustible (Psig) < 3 18 3-43 43 65

2.2 Ciclo de alta (turbina de gas)

Es uno de los avances tecnolgicos del siglo XX que provocado cambios en

la forma en se consume la energa haciendo la vida mas confortable y conveniente.

La aparicin de la turbina de gas tuvo lugar como un avance pionero a comienzos

del siglo XX la cual fue utilizada para la generacin elctrica a finales de los aos

1930, revolucion el mundo de la aviacin en los aos 1940 y actualmente es la

opcin econmica medioambiental preferentemente elegida en las nuevas plantas de

generacin (integrada en ciclo combinado).

Una turbina de gas simple est compuesta de tres secciones principales: un

compresor, un quemador y una turbina de potencia. El funcionamiento de la turbina

se basa en el principio del ciclo Brayton, donde aire comprimido es mezclado con

combustible y quemado bajo condiciones de presin constante. El gas caliente

producido por la combustin se le permite expandirse en la turbina y hacerla girar

para dar trabajo. En una turbina de gas con una eficiencia del 33%,


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aproximadamente dos tercios del trabajo producido se usa comprimiendo el aire. El

otro tercio se invierte en generar electricidad.

Una variacin del sistema de turbina simple (Brayton) es el de aadir un

regenerador que aprovecha la energa de los gases calientes de escape para

precalentar el aire que entra a la cmara de combustin. Este ciclo normalmente es

utilizado en turbinas que trabajan con bajas presiones.

Fig. II.1.- Esquema bsico de una turbina de gas.

Las turbinas de gas con altas presiones de trabajo pueden utilizar un

interrenfrigerador para enfriar el aire entre las etapas de compresin (Figura II.2) o

bien un segundo quemador (Figura II.1) permitiendo quemar ms combustible y

generar ms potencia. El factor limitante para la cantidad de combustible utilizado

es la temperatura de los gases calientes creados por la combustin, debido a que

existen restricciones a las temperaturas que pueden soportar los labes de la turbina

y otras partes de la misma.


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Fig. II.2.- Esquema de una turbina de gas con interrefrigeracin.

Las turbinas de gas cubren un amplio abanico de potencias, desde 500 kW

hasta 250 MW y debido a las buenas propiedades termodinmicas de los gases de

escape pueden ser empleadas en ciclos combinados o en o en procesos industriales

donde se necesite calor como es el caso de la cogeneracin. Desde comienzos de los

aos 1980 se ha producido un gran desarrollo de este tipo de turbinas lo que les

hace ser una opcin a tener en cuenta en cogeneracin y ciclos combinados. No solo

por su eficiencia son convenientes sino tambin por la baja emisin de gases de

efecto invernadero en comparacin con otras tecnologas.

Las caractersticas segn su potencia vienen expresadas en la Tabla II.3

actualizada a 2003 [NREL03]:


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Tabla II.3.-Parmetros econmicos y tcnicos de las turbinas de gas.

Potencia (kW) 1000 5000 10000 25000 40000Eficiencia elctrica (%) 24,3 30,1 32,2 38 41 Coste de instalacin ($/kW) (Slo generacin elctrica)

1910 1024 928 800 702

Operacin y mantenimiento ($/kWh)

0,0096 0,0059 0,0055 0,0049 0,0042

Relacin de compresin 6,5 10,9 17,1 17,1 29,6

2.3 Ciclo de baja de temperatura

Tradicionalmente se han venido usando ciclos de Rankine para completar

ciclos combinados. En este punto, adems del mencionado ciclo, se describirn el

análisis de la viabilidad técnica-económica de un mci con un ciclo rankine organico

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