cogeneracion pila combustible

TAR INNOVA. TECNOLOGÍA AMBIENTAL. GRUPO TAR. ESCUELA UNIVERSITARIA POLITÉCNICA DE SEVILLA

Proyecto Fin de Master: Cogeneración con Pilas de Combustible

Graciano Carpes Hortal Página 1

Indice

Objetivo 2

Introducción 3

Descripción general de la Instalación 6

Sistema de Cogeneración 9

Análisis comparativo 25

Conclusión 28




Objetivo

El presente proyecto tiene por objetivo mostrar la aplicación de pilas de combustible sistemas de cogeneración en plantas depuradoras de aguas residuales EDAR.




Introducción

Como es sabido en las depuradoras de aguas residuales de mayor volumen de tratamiento, con el fin de estabilizar la materia orgánica y reducir el volumen de fango producido, se realiza un proceso de digestión anaerobia de los lodos primarios y biológicos. En este proceso, como resultado de la oxidación en condiciones anaerobias, se produce biogás. Este gas contiene entre un 65-70% de metano, entre el 25-30% de dióxido de carbono, y pequeñas cantidades de nitrógeno, hidrógeno y ácido sulfhídrico. Debido a su alto contenido en metano, se trata de un gas combustible, por lo que es susceptible de valorización como tal, y se puede utilizar como fuente de energía primaria en el proceso.

La producción de gas se puede estimar en torno a 28 m3/1.000 hab-eq y día, y teniendo en cuenta que las plantas de estas características tienen una capacidad de tratamiento de entre 125.000 y 625.000 hab-eq y día, la producción de biogás sería de 3.500 ÷ 17.500 m3/día.

En la actualidad este biogás se utiliza como combustible en motores de combustión interna tipo OTTO (MEP, motor de explosión provocada). En estos procesos se aprovecha por un lado la energía térmica producida en el proceso de combustión, y la energía mecánica que se transforma en energía eléctrica por medio de un alternador. El rendimiento del proceso completo es elevado, aunque está limitado por la temperatura del medio ambiente, que en este caso será el foco frío. Este hecho se postula en el segundo principio de la termodinámica, según el cual el rendimiento máximo de una máquina térmica está limitado por la relación de temperaturas entre el foco frío y el foco caliente.

Siendo el foco caliente la cámara de combustión, y el foco frío el medio ambiente, donde van a parar los gases producto de la combustión.

El segundo principio de la termodinámica limita el rendimiento máximo de este tipo de motores. El máximo rendimiento que se puede obtener en motores MEP es del 30, 35 % en el mejor de los casos. Por lo que no se puede esperar un aprovechamiento eléctrico de más del 30 %.




En el siguiente gráfico se puede ver el esquema de un motor térmico.

La otra solución adoptada para el aprovechamiento del biogás, es su

conversión en energía eléctrica directamente a través de un proceso electroquímico en las llamadas pilas de combustible. Este tipo de elementos no es un invento moderno, ya que la primera fue fabricada por Sir William Robert Grove (1811 – 1896). Abogado londinense con aficiones ingenieriles que desarrolló los primeros prototipos de laboratorio de lo que él llamaba “batería de gas” y hoy conocemos como “pila de combustible” (en 1839 realizó sus primeros experimentos y en 1845 la demostración definitiva de su sistema). Sin embargo, los principios básicos de funcionamiento de la pila de combustible los descubrió algo antes (en 1938) el profesor suizo Christian Friedrich Schoenbein (1799 –1868).

En una pila de hidrógeno la energía química del “combustible” se convierte directamente en energía eléctrica a través de una reacción electroquímica, sin mediar proceso alguno de combustión. El dispositivo es conceptualmente muy simple; una celda de combustible individual está formada por dos electrodos separados por un electrolito que permite el paso de iones pero no de electrones. En el electrodo negativo tiene lugar la oxidación del combustible (normalmente H2 aunque puede ser también metanol u otros) y en el positivo la reducción del oxígeno del aire. Las reacciones que tienen lugar son las que se indican a continuación.

Foco Caliente

Foco Frío

Tc

Tf

Q1

Q2

W MOTOR




Sir William Robert Grove (1811 – 1896), jurista de profesión y físico de vocación

Grove usó cuatro celdas grandes, con H2 y O2 para producir energía eléctrica que a su vez se podía usar para generar hidrógeno y oxígeno (en la celda superior, más pequeña).

Queda claro que al no existir procesos de combustión no van a darse las limitaciones termodinámicas como ocurre en los motores de combustión interna, por lo que los rendimientos alcanzados en estos procesos alcanzan de hecho valores elevados en comparación (nos referimos al segundo principio de la termodinámica).

En la actualidad existen en el mercado sistemas compactos que simplifican bastante la instalación. Disponen de un sistema de reformado catalitico que permite el uso de combustibles gaseosos como metano, alcoholes etc. Actualmente se están investigando en nuevos procesos que permitan realizar este reformado catalitico con otros combustibles no gaseosos. Estos sistemas compactos también disponen de intercambiadores de calor, que proporcionan una fuente de agua caliente, además de un inversor de potencia que proporciona energía eléctrica acondicionada a las necesidades de los distintos receptores que componen la instalación (corriente trifásica, 50 Hz y 380 V). Estos sistemas compactos se estudiarán más adelante en este trabajo.

Primeramente se va a realizar una breve descripción general de la depuradora objeto del estudio, para más adelante realizar una comparativa del uso de estas dos tecnologías




Descripción general de la instalación

La instalación sobre la que se realiza este estudio trata un caudal diario de 50.000 m3/día, con una carga de entrada de 300 mg/l de sólidos en suspensión y 300 mg/l de DBO5. Esto supone una capacidad de tratamiento de 250.000 hab-equivalentes, lo que equivale a un peso de 15.000 Kg/día de sólidos en suspensión, y otros tantos de DBO5.

La línea de agua está compuesta por el pretratamiento, donde se encuentra un sistema de bombeo formado por tres tornillos de Arquímedes, de caudal unitario 1050 m3/h. A continuación se localizan los carros desarenadotes, en un conjunto de cuatro, y dos sistemas de eliminación de flotantes.

Seguidamente se encuentra la decantación primaria formada por cuatro decantadores circulares de 20 m de diámetro, que retienen diariamente 9.750 Kg de sólidos en suspensión y 5.250 Kg de DBO5.

El reactor biológico está formado por cuatro balsas con una capacidad total de 13.500 m3, tratando diariamente 5.250 kg de sólidos en suspensión y 9.750 kg de DBO5. La aireación se realiza mediante turbinas de eje vertical, que mantienen la concentración de oxígeno disuelto en cifras cercanas a 1 mg/l. Disponen de un sistema de control automático que mantiene dicha concentración, a pesar de las variaciones diarias de carga. En el proceso biológico se produce una eliminación de la DBO5 proveniente de la decantación primaria de 8.775 Kg/día, y se produce una masa de fangos en exceso diaria de 7.898 Kg.

Los fangos en exceso producidos en el proceso biológico, se concentran en un espesador por flotación. Partiendo de la hipótesis de un funcionamiento correcto del sistema espesador, se supone que no se produce escape de materia sólida en los reboses. Así el peso de materia sólida de fangos flotados diariamente, se corresponde con el peso de los fangos en exceso producidos en el reactor biológico, o lo que es lo mismo 7.898 Kg/día. La concentración de sólidos volátiles obtenida en ensayos de laboratorio es del 25%, por lo que la masa diaria de sólidos volátiles extraída del sistema es de 5.923 Kg. El caudal diario equivalente es de 263 m3/día de fangos flotados.

Los fangos extraídos de la decantación primaria se concentran en un espesador por gravedad. Partiendo de la misma hipótesis del espesador por flotación, se supone que no se produce escape de materia sólida en los reboses. Así el peso de materia sólida de fangos espesados por gravedad




diariamente, se corresponde con el peso de los sólidos en suspensión retenidos en la decantación primaria, o lo que es lo mismo 9.750 Kg/día. La concentración de sólidos volátiles obtenida en ensayos de laboratorio es del 50%, por lo que la masa diaria de sólidos volátiles extraída es de 4.875 Kg. El caudal diario equivalente es de 195 m3/día de fangos espesados por gravedad.

Los fangos concentrados se llevan a una cámara de mezcla donde se homogeneizan. El caudal total de fangos mezcla diario es de 458 m3, con una masa de sólidos de 17.648 Kg/día, y una masa volátil de 10.798 Kg/día.

El proceso dispone de un sistema de digestión anaerobia de fangos, compuesto por dos digestores primarios con volúmenes de 2.500 y 6.145 m3 cada uno, y de un digestor secundario, que actúa como almacén de fangos antes de ser deshidratados. El volumen de este último es de 600 m3. Así el volumen total de digestión es de 9.245 m3, y el volumen de digestión primaria de 8.645 m3.

El tiempo de retención en la digestión primaria será pues de 18,87 días, y el del digestor secundario de 1,31 días. Así el tiempo total de digestión será de 20,18 días.

Es en este proceso de digestión anaerobia, la materia orgánica biodegradable contenida en la mezcla de fangos biológicos y primarios, se transforma biológicamente, en metano y dióxido de carbono. Este proceso requiere de un aporte de calor, que mantenga la temperatura del reactor en el rango mesófilo (30-38 ºC), por lo que se realiza un calentamiento continuo del fango por medio de intercambiadores de calor externos al digestor.

Como resultado de la digestión el fango se estratifica, formando un capa de sobrenadante por encima del fango digerido, además de experimentar un aumento de la mineralización (eliminación de sólidos volátiles y aumento de sólidos fijos).

Experimentalmente se ha calculado el volumen de gas producido, siendo éste alrededor de 20-28 m3/1.000 hab-eq?día. Por lo que para la instalación objeto de estudio se tiene una producción diaria teórica de 250 x 24 = 6.000 Nm3/d. Esta producción teórica se ve disminuida por diferentes factores, por lo que en el caso que nos ocupa se ha establecido una media de producción diaria de 4.859 Nm3/d.

Se ha comentado anteriormente que el fango en el proceso de digestión ha de calefactarse para mantener el digestor en el intervalo de temperaturas mesófilo. Para ello se emplean calderas de gas, que quemando el gas producido proporcionan la energía necesaria para mantener la




temperatura del digestor en el rango mencionado. En este estudio, debido a las pérdidas de calor producidas en el propio digestor (cubierta, paredes y fondo), la temperatura del fango, etc., se han calculado unas necesidades de alrededor de 7.700.000 KCal/d. Todos estos datos se presentan más adelante en una tabla.

Finalmente los fangos digeridos en el proceso anaerobio, se deshidratan. Mediante este proceso se elimina un alto porcentaje de agua (20-30%), lo que repercute directamente en el peso y la facilidad de manejo del fango (menor coste de transporte…). La deshidratación de los fangos digeridos se realiza mediante diferentes sistemas, aunque en el caso que nos ocupa el sistema utilizado es de decantadores centrífugos. El caudal unitario de diseño es de 35 m3/h, aunque debido a las diferencias en la concentración del fango, este caudal se varía para obtener una sequedad apropiada.

Si se atempera el fango a deshidratar, justo antes de la entrada a maquinas, se puede conseguir incrementar la sequedad del fango en 2 a 5 puntos porcentuales, por lo que en las instalaciones del estudio se han instalado dos intercambiadores de calor. Las necesidades de calor calculadas son de 403.260 KCal/h, de esta forma se consigue que el fango a deshidratar alcance una temperatura de alrededor de 65 ºC. Ya que para el volumen diario de fangos a deshidratar se han estimado 10 horas de funcionamiento de los equipos, las necesidades de calor son de 4.032.603KCal/d.

En resumen, las necesidades totales de calor que necesita la instalación son de 11.732.603 KCal/d, y teniendo en cuenta las perdidas en los equipos de intercambio de calor, estimadas en un 1%, las necesidades ascienden a 11.849.929 KCal/d.

Estas necesidades de energía van a ser el punto de partida del estudio del equipo de cogeneración.




Sistema de cogeneración

Un proceso de este tipo consiste en un sistema que, utilizando la energía contenida en el biogás producido en la digestión anaerobia, la transforma en energía eléctrica y calorífica de forma simultánea y con un rendimiento elevado.

Los procesos que se utilizan en estas transformaciones son fundamentalmente, como hemos explicado anteriormente, motores de térmicos y pilas de combustible.

Cogeneración con Motores Térmicos. Ya que el concepto de motor térmico abarca un campo muy amplio, que queda fuera del alcance de este trabajo, vamos a centrarnos en los que generalmente se usan en este tipo de instalaciones. Se trata de los motores alternativos endotérmicos. Este tipo de motor consta de un pistón que se mueve alternativamente dentro de un cilindro. En su interior se realizan cuatro procesos termodinámicos que se repiten mientras está funcionando, estos son: Admisión, compresión, combustión-expansión y escape. En una primera clasificación se distinguen dos tipos, los motores de encendido provocado (MEP, motores OTTO, tienen bujías para el encendido de la mezcla), y los motores de encendido por compresión (MEC, motores DIESEL). En los primeros la compresión se realiza con la mezcla aire-combustible. En los segundos en el proceso de compresión sólo se comprime aire. Una segunda clasificación distingue motores de dos y cuatro tiempos, según el número de revoluciones que debe dar el cigüeñal para completar el ciclo completo. En los de dos tiempos (2T), en el primer tiempo se realiza la admisión, compresión, y en el segundo tiempo la combustión-expansión y escape. En los de cuatro tiempos (4T), en cada tiempo se realiza uno de los procesos.

Según lo explicado y el uso que se va a dar, la experiencia indica:

MEP, 2T: Pequeñas potencias. MEC, 2T: Grandes potencias. MEP, 4T: Potencias intermedias bajas. MEC, 4T: Potencias intermedias altas.




Debido al tipo de combustible y la potencia necesaria (intermedia baja), el motor más utilizado en las instalaciones de cogeneración es el motor Otto de 4T, normalmente sobrealimentado. Una vez definido el elemento encargado de transformar la energía contenida en el biogas, vamos a proseguir con la descripción del sistema. En principio el motor va a transformar la energía del gas en energía mecánica y calor. Esta energía mecánica se transforma a su vez en energía eléctrica mediante un generador eléctrico. El calor que se produce en la combustión del gas hace que se incremente la temperatura de los cilindros del motor. Para mantener la temperatura del mismo en un rango aceptable (90 100 ºC), el motor dispone de un circuito de refrigeración que evacua el calor. Este circuito refrigerador recibe el nombre de circuito de camisas de los cilindros. Parte del calor que se produce en la combustión abandona el motor con los gases de escape, ya que estos salen a una alta temperatura (560 700 ºC). Así que en lugar de dejar que salgan a la atmósfera directamente, se hacen pasar por un intercambiador de calor pirotubular, que incrementa la temperatura del agua del circuito principal . De esta forma se consigue aprovechar el calor producido en el proceso de combustión y la energía mecánica. El rendimiento de este sistema es realmente alto, aunque tiene limitaciones como antes se han indicado. El sistema de cogeneración va a estar formado por varios circuitos, un circuito principal, el circuito de camisas de los cilindros, un circuito de refrigeración de emergencia, y tantos circuitos como elementos receptores de calor existan en la instalación. En el caso que nos ocupa, se tendría un circuito de calefacción para el digestor nº 1 otro para el digestor nº 2 y el último para los intercambiadores de deshidratación. La configuración sería como se muestra a continuación.




Aunque no aparece en la figura, cada circuito dispone de un sistema de bombeo que garantiza la circulación de agua por el mismo. Las válvulas de tres vías son controladas por un autómata que, en función de las temperaturas consignadas en cada uno de los circuitos secundarios (Deshidratación, digestión 1, digestión 2…), varía los flujos de calor hacia los mismos. En caso de altas temperaturas del circuito principal, se pondrá en marcha el aeroenfriador, que disipará al ambiente el calor en exceso, evitando que la temperatura del circuito de camisas de los cilindros alcance valores que puedan dañar al motor.

Asimismo existe la posibilidad de añadir una válvula de tres vías al intercambiador pirotubular, de forma que en caso de exceso de energía térmica, no se aproveche el calor excedente de los gases de escape, relajando de este modo el funcionamiento de la instalación. Este tipo de sistemas, debido a su complejidad, requieren un gran número de equipos de control. Esta función normalmente la realizan autómatas, que permiten un control preciso y fiable de la instalación. En




este caso se deben controlar las diferentes temperaturas de los circuitos, para posicionar las válvulas de tres vías, poner en marcha las bombas de los circuitos en funcionamiento, controlar el volumen de gas almacenado en el depósito etc. Desde el punto de vista de la generación de energía eléctrica, el sistema no es menos complejo. Debido a la potencia generada, en torno a 500 KW, la aparamenta eléctrica debe controlarse con precisión. Por esta razón la sincronización del generador con la red, incluyendo la apertura y cierre de los interruptores de potencia, tanto de los generadores como de la línea a la que alimentan (tanto en B.T. como en A.T.), se realiza mediante el control de un autómata. Este supervisa las características de la tensión generada (Tensión, frecuencia y fase), comparándolas con las de la red, y regulando la velocidad del motor. En el momento en que las condiciones son las adecuadas, se cierra el circuito y se comienza a inyectar potencia a la red.

Una vez descrito el sistema de cogeneración con motor térmico, y en base a las necesidades térmicas calculadas anteriormente, procede la selección de un motor con las siguientes características.

Motor térmico alternativo de 4T, con alimentación a gas sobrealimentado. Consumo de gas diario 4.500 Nm3/d. Producción térmica de 11.849.929 KCal/d.




La configuración seleccionada ha sido:

Número de Motogeneradores: 2 Sistema de alimentación de gas: Sobrealimentado Presión máxima de alimentación de gas: 1,5 bar Presión mínima de alimentación de gas: 1,0 bar Capacidad unitaria de generación: 300 KVA Potencia unitaria generada: 230 KW Total potencia generada: 460 KW Tiempo diario de funcionamiento: 19 h. Energía diaria producida: 8.740 KWd Consumo unitario de gas: 119 Nm3/h Consumo total de gas: 4.500 Nm3/d Excedente de gas: 359 Nm3/d Calor recuperado por unidad: 5.925.968 KCal/d Calor total recuperado: 11.851.936 KCal/d Pérdidas en el circuito de intercambio: 1% Calor utilizable: 11.733.416,64KCal/d Calor excedente después de calefacción: 2007 KCal/d Calor a disipar en aeroenfriador: 2007 KCal/d

Por último habría que dimensionar los equipos de intercambio de calor, así como las conducciones de agua y el sistema de bombeo, pero este cálculo escapa al alcance de este trabajo.




Cogeneración con pilas de combustible

Al principio de este trabajo se ha comentado el funcionamiento de las pilas de combustible. Pues bien, el desarrollo de esta tecnología se remonta a mediados de la carrera espacial, y su desarrollo ha sido paralelo. Pero es en esta década donde están empezando a cobrar protagonismo, debido a sus características.

Las pilas de combustibles no se emplean de forma independiente, si no en un conjunto compacto, donde se integran todos los sistemas necesarios para su funcionamiento. Este conjunto compacto está compuesto por el STACK de combustible, el sistema de reformado del combustible, el sistema de acondicionamiento de energía eléctrica, el sistema de intercambio de calor y un complejo sistema de protecciones. En el siguiente dibujo se puede observar su configuración.

A su vez dentro de la tecnología de las pilas de combustible, existen

diferentes tecnologías, en función de la aplicación y combustible usados.




En una primera clasificación, en función del tipo de pila de combustible se tiene:

Alcalina. Su uso se limita a aplicaciones aeroespaciales. Coste elevado

Acido fosfórico (PAFC).

Uso extendido y largo ciclo de vida. Coste aceptable.

Membrana de intercambio de protones (PEM).

Gran desarrollo en aplicaciones automovilísticas y hogar.

Carbonato fundido. Dificultad de fabricación. Alto coste. Óxido sólido. Materiales no convencionales. Alto coste.

En el siguiente cuadro se pueden ver las distintas aplicaciones y tecnologías recomendadas.

Para el caso que nos ocupa, debido al caudal de gas y las necesidades

de la planta, la tecnología más adecuada es la pila de combustible de ácido fosfórico (PAFC).

Como dato anecdótico se puede reseñar que la primera planta de cogeneración con pilas de combustible puesta en marcha en una depuradora de aguas residuales, lleva funcionando 6 meses, lo que denota la actualidad que esta tecnología presenta.

Debido a lo novedoso de las pilas de combustible, no son muchos los fabricantes que las comercializan, por lo que el abanico de posibilidades se




reduce bastante. Aún así, se ha encontrado en el mercado un sistema compacto que cumple con las necesidades del proyecto. Se trata de la PC25, la tecnología usada es la PAFC, y sus características se indican a continuación.




Como se puede observar, el consumo de gas es de 54 Nm3/h. Suponiendo un porcentaje del 65% de riqueza en metano del biogás, el consumo unitario sería de 83 Nm3/h. La producción diaria se ha estimado en 4.500 Nm3/d, y si mantenemos un régimen de funcionamiento similar al de la cogeneración con motor térmico alternativo, o sea 18 h/día, la configuración la compondrían 3 sistemas compactos de las características expuestas. Además de esta forma se dispone de una reserva de 0,75 ud, que permite un margen de maniobra en caso de avería del sistema.

Sistema compacto PAFC. Consumo de gas diario 4.500 Nm3/d. Producción térmica de 11.849.929 KCal/d.

La configuración seleccionada ha sido:

Número de sistemas compactos: 3 Presión máxima de alimentación de gas: 35 mbar Presión mínima de alimentación de gas: 10 mbar Capacidad unitaria de generación: 235 KVA Potencia unitaria generada: 200 KW Total potencia generada: 600 KW Tiempo diario de funcionamiento: 18 h. Energía diaria producida: 10.800 KWd Consumo unitario de gas: 83 Nm3/h Consumo total de gas: 4.482 Nm3/d Excedente de gas: 377 Nm3/d Calor recuperado por unidad: 3.438.000 KCal/d Calor total recuperado: 10.314.000 KCal/d Pérdidas en el circuito de intercambio: 0,5% Calor utilizable: 10.262.430 KCal/d Calor excedente después de calefacción: -1.535.929 KCal/d Calor a disipar en aeroenfriador: 0

La explicación a la disminución de energía térmica disponible es debido a que el rendimiento, al ser mayor, se produce una mayor transformación de energía en electricidad. Aun así, el sistema mantendrá la temperatura de los digestores sin dificultad, a cambio de un descenso de la temperatura de los fangos de deshidratación.




Con esta nueva hipótesis de cálculo, se tiene:

Para atemperar el fango a deshidratar, las necesidades de calor calculadas son de 251.137,3 KCal/h, de esta forma se consigue que el fango a deshidratar alcance una temperatura de alrededor de 59 ºC. Ya que para el volumen diario de fangos a deshidratar se han estimado 10 horas de funcionamiento de los equipos, las necesidades de calor son de 2.511.373 KCal/d.

Las necesidades totales calor que necesita la instalación son de 10.211.373,1 KCal/d, y teniendo en cuenta las perdidas en los equipos de intercambio de calor, estimadas en un 0,5%, las necesidades ascienden a 10.262.430 KCal/d.

De esta forma la configuración quedaría:

Sistema compacto PAFC. Consumo de gas diario 4.500 Nm3/d. Producción térmica de 10.262.430 KCal/d.

Número de sistemas compactos: 3 Presión máxima de alimentación de gas: 35 mbar Presión mínima de alimentación de gas: 10 mbar Capacidad unitaria de generación: 235 KVA Potencia unitaria generada: 200 KW Total potencia generada: 600 KW Tiempo diario de funcionamiento: 18 h. Energía diaria producida: 10.800 KWd Consumo unitario de gas: 83 Nm3/h Consumo total de gas: 4.482 Nm3/d Excedente de gas: 377 Nm3/d Calor recuperado por unidad: 3.438.000 KCal/d Calor total recuperado: 10.314.000 KCal/d Pérdidas en el circuito de intercambio: 0,5% Calor utilizable: 10.262.430 KCal/d Calor excedente después de calefacción: 0 Calor a disipar en aeroenfriador: 0




El esquema de la configuración sería el que se indica a continuación.




Análisis comparativo

A la vista de los resultados, se puede comprobar que energéticamente el rendimiento eléctrico del sistema de pilas de combustible es mayor, ya que para el mismo caudal de combustible, la producción diaria es un 23,5% mayor.

También se puede comprobar que se genera menos energía térmica, aunque como se ha comprobado anteriormente, este déficit no afecta al rendimiento global del sistema de forma sensible.

En el cuadro resumen siguiente se muestran las características de las alternativas estudiadas.

En cuanto a emisiones, el sistema de pilas de combustible es realmente competitivo. Sus emisiones son infinitamente menores que los sistemas convencionales de cogeneración.

Número de sistemas compactos: 3 Presión máxima de alimentación de gas: 35 mbar Presión mínima de alimentación de gas: 10 mbar Capacidad unitaria de generación: 235 KVA Potencia unitaria generada: 200 KW Total potencia generada: 600 KW Tiempo diario de funcionamiento: 18 h. Energía diaria producida: 10.800 KWd Consumo unitario de gas: 83 Nm3/h Consumo total de gas: 4.482 Nm3/d Excedente de gas: 377 Nm3/d Calor recuperado por unidad: 3.438.000 KCal/d Calor total recuperado: 10.314.000 KCal/d Pérdidas en el circuito de intercambio: 0,5% Calor utilizable: 10.262.430 KCal/d Calor excedente después de calefacción: 0 Calor a disipar en aeroenfriador: 0

Número de Motogeneradores: 2 Sistema de alimentación de gas: Sobrealimentado Presión máxima de alimentación de gas: 1,5 bar Presión mínima de alimentación de gas: 1,0 bar Capacidad unitaria de generación: 300 KVA Potencia unitaria generada: 230 KW Total potencia generada: 460 KW Tiempo diario de funcionamiento: 19 h. Energía diaria producida: 8.740 KWd Consumo unitario de gas: 119 Nm3/h Consumo total de gas: 4.500 Nm3/d Excedente de gas: 359 Nm3/d Calor recuperado por unidad: 5.925.968 KCal/d Calor total recuperado: 11.851.936 KCal/d Pérdidas en el circuito de intercambio: 1% Calor utilizable: 11.733.416,64KCal/d Calor excedente después de calefacción: 2007 KCal/d Calor a disipar en aeroenfriador: 2007 KCal/d




En la siguiente gráfica se puede observar esta comparativa.

Esta característica hace que este sistema sea un serio competidor de los sistemas convencionales, ya que conforme se van haciendo más estrictas las normas reguladoras de emisiones gaseosas, más caros son los sistemas instalados para controlarlas. Y es en este sentido donde más relevancia toma la tecnología de pilas de combustible.

En la siguiente tabla se muestra una comparativa perteneciente a un estudio realizado por el Dr. Norman Richards, director del departamento de protección ambiental de Mohegan. En ella se pueden apreciar los diferentes ratios de distintas emisiones de gases producidos durante la combustión.




En cuanto a ruido, estos sistemas compactos, al no disponer de

elementos mecánicos, tienen emisiones de ruido realmente bajas. El tipo equipo que se ha elegido en este proyecto no supera los 60 dB a 10 m en ausencia de aislamiento. Teniendo en cuenta que el nivel de ruido en un restaurante es de alrededor de 80 dB, las pilas de combustible son realmente silenciosas.

Otro aspecto a tener en cuenta es el mantenimiento. En este sentido, como se ha dicho antes, al no disponer de elementos mecánicos de desgaste, como ocurre con los sistemas convencionales, la tasa de averías es también baja. Por esta razón su fiabilidad también lo es. Además debido a lo compacto del sistema su implantación se simplifica, por lo que el coste de implantación puede equipararse con el de un sistema convencional.

El último aspecto a tratar es el económico. La realidad es clara, actualmente se trata de una tecnología cara, aunque en un futuro cercano se espera una evolución importante del sector. Este hecho hace que quepa esperar un descenso importante de los costos, incluso por debajo de las tecnologías convencionales, debido a la simplicidad de estos sistemas.




Conclusión

La conclusión de este estudio comparativo es que la tecnología de pilas de combustible utilizada en sistemas modernos de cogeneración, y en concreto en plantas depuradoras de aguas residuales, es ventajoso frente a las tecnologías convencionales.

A esta conclusión se llega después de realizar análisis de distintos aspectos. Aunque en principio el aspecto económico sea el más importante, debido al endurecimiento progresivo de las normas que regulan las emisiones gaseosas, los sistemas de depuración de gases que habría que implementar a los sistemas de cogeneración convencionales, harían que el coste total de la instalación se equiparase al de la tecnología de pilas de combustible, y esta última fuese competitiva. Además de una mayor producción de electricidad, y de mejor calidad que los sistemas convencionales.

También es cierto que el coste de implantación se espera que se reduzca de forma considerable, debido a una demanda creciente de esta tecnología.

Por último, además de las ventajas ambientales de este tipo de tecnología, cabe destacar que los costes de mantenimiento se reducen notablemente frente a tecnologías convencionales. Esto hace que, unido al largo ciclo de vida del STACK de combustible, a largo plazo, esta tecnología en muchos casos es hoy día ya rentable (para grandes potencias).

cogeneracion pila combustible

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