Un proyecto de ERA-NET Bioenergy pretende diseñar y validar tecnológicamente un prototipo de intercambiador de calor a alta temperatura (HT-HE) que solucione los problemas relacionados con el depósito de cenizas y la corrosión en turbinas de gas de combustión externa (EFGT).

En una EFGT, el gas de combustión de una caldera de biomasa calienta aire presurizado a alta temperatura que luego se expande en una turbina para generar electricidad.
Hasta la fecha, la comercialización de los sistemas EFGT se ha visto frenada por el desafío tecnológico que supone el intercambiador de calor a alta temperatura (HT-HE) necesario para traspasar la energía de los gases de combustión cargados de polvo al aire comprimido.

Para lograr una eficiencia eléctrica razonable se requieren temperaturas de aire de 800-1.000 °C en la entrada a turbina. Los principales retos tecnológicos para desarrollar el HT-HE son las altas temperaturas, la elevada presión (por las tensiones térmicas) y los gases de combustión calientes y cargados de polvo (por la formación de depósitos de cenizas y la corrosión a altas temperaturas).

De forma paralela al prototipado del HT-HE, se optimizó el sistema EFGT en el Research Institutes of Sweden AB (RISE). Para maximizar el rendimiento global del sistema, el tamaño del horno se ajustó al de la turbina de modo que la demanda de aire de combustión del horno coincidiera con el aire de escape de la turbina de gas.

Además, el aire de escape de la turbina precalienta el circuito de agua antes de ser utilizado como aire de combustión. La temperatura del aire en la entrada a turbina es de unos 750 °C y la presión de funcionamiento es de 4,3 bar.

Con esta configuración, la potencia térmica esperable de salida de la cogeneración es de 1.400 kWt y la eficiencia global de aproximadamente el 87%. La producción eléctrica bruta es de alrededor de 77 kWe y la eficiencia eléctrica neta está en el 5%.

El HT-HE fue diseñado de acuerdo a las condiciones definidas por el fabricante de la turbina para temperaturas, caudales y caída de presión.

Para construir el prototipo se investigaron propiedades de distintos materiales como resistencia, resistencia a la temperatura, comportamiento ante la corrosión y precios, eligiéndose acero Sandvik 253MA. Para este trabajo se conto con el gran apoyo de los socios científicos del proyecto: la Universidad de Umeå (UMU), RISE, la Universidad Tecnológica de Chalmers (CTH) y la Universidad Tecnológica de Luleå (LTU).

El prototipo HT-HE fue diseñado por el Institute of Power Engineering (IEn) de Polonia, apoyado por exhaustivos cálculos de CFD y elementos finitos para optimizar la transferencia de calor y minimizar los costes de los materiales. Además, se seleccionó un sistema de limpieza apropiado para retirar los depósitos de ceniza de los tubos del HT-HE con aire a presión.

Prototipo de intercambiador de calor

Tras los cálculos y simulaciones realizados se ha construido y probado un prototipo de HT-HE a escala reducida con una potencia térmica de 30 kW en un banco de pruebas semi-industrial del IEn.

Diseño y resultados de las simulaciones CFD de los perfiles de temperatura del HT-HE para el proceso EFGT

Diseño y resultados de las simulaciones CFD de los perfiles de temperatura del HT-HE para el proceso EFGT

Los ensayos se han realizado con pellets de madera y otros biocombustibles no leñosos para poder estudiar la influencia del tipo de biomasa en la formación de depósitos y la fusión de cenizas, y evaluar el sistema neumático de limpieza.

La investigación, junto con los ensayos ejecutados por UMU, LTU, CTH y RISE, indica que debido a los problemas de escorificación y corrosión sólo la biomasa leñosa es adecuada como combustible para esta aplicación.

Durante las pruebas se consiguieron las temperaturas y la transferencia de calor definidas y se mantuvieron los límites relativos a la caída de presión para los gases de combustión y del aire. Además, se realizaron pruebas de laboratorio de corrosión en una caldera de biomasa, y pruebas a escala real con sondas de temperatura de los gases de combustión con varios materiales HE con el objetivo de validar el material seleccionado por RISE.

El HT-HE ha sido diseñado, construido y probado con éxito a temperaturas de gases de combustión de hasta 900 °C. Además, se han elaborado directrices para un diseño compacto del HT-HE que minimiza tensiones térmicas y soluciona los problemas por formación de depósitos de cenizas y la corrosión a altas temperaturas.

Sobre la base del concepto global definido de EFGT y el HT-HE desarrollado, se instalará y evaluará una primera planta de prueba en los próximos dos años.

Más información en www.minibiochp.eu


 

Nuevas tecnologías de cogeneración a micro y pequeña escala

El proyecto internacional de ERA-NET Bioenergy “Cogeneración con biomasa a pequeña escala” explora tres tecnologías que harían posible la cogeneración con biomasa a micro y pequeña escala de forma eficiente, fiable y económica.

Su objetivo es desarrollar y probar nuevas tecnologías de cogeneración basadas en la combustión a pequeña escala de biomasa en el rango de potencia eléctrica entre algunos W y 100 kW, que abarcan una amplia gama de aplicaciones en el sector de la calefacción residencial.

El consorcio está formado por 8 socios científicos y 4 fabricantes de calderas y hornos de biomasa conocedores de las tecnologías de cogeneración de Austria, Alemania, Suecia y Polonia. El coordinador ha sido la compañía austriaca BIOS Bioenergiesysteme GmbH.

El consorcio agradece el apoyo financiero del Fondo Austriaco para el Clima y la Energía, la Agencia Alemana de Recursos Renovables (FNR), el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo (NCBiR) de Polonia y la Agencia Sueca de Energía.

eranet proyecto microcogeneracion con biomasa

El potencial eléctrico de los sistemas de calefacción a pequeña escala

La eléctrica a partir de biomasa sólida se realiza sobre todo en plantas de cogeneración a media y gran escala (>200 kWel). Sobre todo en grandes plantas, si la demanda de calor es limitada la eficiencia total se ve limitada.

Para obtener la máxima potencia del combustible de biomasa es fundamental que la operación de la planta esté controlada por la demanda de calor. Por otra parte, al ser un combustible local resulta preferible utilizar la biomasa en aplicaciones descentralizadas por cuestiones de logística y transporte.

Estos argumentos apoyan la idea de activar el gran potencial de generación eléctrica de los sistemas de calefacción de biomasa a pequeña escala en Europa. Hasta ahora no se dispone de tecnologías de cogeneración con biomasa a micro y pequeña escala adecuadas (en términos de eficiencia y fiabilidad) y económicamente asequibles.

Debido a la gran diversidad de capacidades térmicas y aplicaciones, el proyecto se centró en tres conceptos de cogeneración para diferentes tipos y tamaños de sistemas de combustión de biomasa a pequeña escala:


Ingwald Obernberger y Gerhard Weiß/BIOS Bioenergiesysteme GmbH,

www.bios-bioenergy.at

Publicado en BIE 36 – Verano 2017

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