La empresa alemana Orcan Energy AG ha desarrollado dos tamaños de una nueva tecnología micro-ORC con bajos costes de inversión y un diseño muy compacto.

El ciclo orgánico Rankine (ORC) es un proceso de vapor operado con un fluido orgánico con temperaturas de evaporación y condensación más bajas que las del agua y utilizado de forma común para potencias de 200 a 2.500 kWel.

Sin embargo, los sistemas de micro y pequeña cogeneración se enfrentan a problemas aún no resueltos. Escalar esta tecnología para 1 kWe -potencia necesaria para cubrir la demanda eléctrica de un hogar común- afecta tanto a los costes de inversión como a la eficiencia eléctrica.

Los principales obstáculos para el éxito en el mercado de los actuales sistemas micro-ORC son los costes de inversión inicial y los períodos de amortización. Además, prácticamente no existe experiencia sobre la durabilidad de los componentes utilizados en el ORC, ni se conoce la correlación entre la demanda térmica y eléctrica de edificios residenciales, lo cual es muy importante ya que los sistemas de microcogeneración suelen operar tomando la demanda de calor del edificio como referencia.

Junto con el TFZ (Technology and Support Centre of Renewable Raw Materials) Orcan ha introducido la nueva tecnología en el sistema hidráulico de calderas residenciales de biomasa -entre la caldera y el depósito de inercia-, y desarrollado una estrategia de control adecuada.

El nuevo módulo ORC de Orcan debería poder integrarse tanto en nuevas calderas de biomasa como en la reconversión de unidades existentes.

Para reducir los costes de inversión y mantenimiento y generar suficiente electricidad para lograr períodos de amortización aceptables, Orcan utiliza el menor número de componentes posible para instalar el ORC y sólo aquéllos estandarizados y testados para una vida útil adecuada.

Se construyó y probó un prototipo en un banco de pruebas del TFZ con un sistema hidráulico apropiado para investigar diferentes opciones de acoplamiento del sistema micro-ORC en calderas comunes de biomasa.

Además, se ha evaluado la generación de electricidad a diferentes temperaturas del agua y se han probado nuevas estrategias de control para sistemas micro-ORC en edificios residenciales. En paralelo, TFZ monitorizó de forma exhaustiva la demanda de calor y electricidad de edificios residenciales durante más de un año.

300 W de energía eléctrica

En los ensayos se consiguió una potencia eléctrica neta de aproximadamente 300 W empleando agua de entrada al evaporador a 105 ºC y agua a 35 ºC en el condensador.

La cantidad de calor transferido al evaporador fue de aproximadamente 9 kW. Esto corresponde a una eficiencia eléctrica de alrededor del 3,5% en funcionamiento continuo. Para lograr elevadas eficiencias eléctricas es necesario una diferencia de temperatura alta entre la entrada y la salida.

Por lo tanto, el sistema micro-ORC es especialmente adecuado para clientes con sistemas de calefacción a baja temperatura (por ejemplo, suelo radiante).

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La integración optimizada del ORC en el sistema hidráulico y el control de la caldera de biomasa se apoyaron en simulaciones de sistemas transitorios realizadas por BIOS y basadas en curvas de carga de calor y electricidad de edificios residenciales típicos medidos por TFZ.
Las simulaciones proporcionaron información sobre las horas de funcionamiento alcanzables a plena carga y las eficiencias anuales. Además, muestran que la carga base de los edificios residenciales puede ser cubierta por la nueva tecnología micro-ORC durante la temporada de calefacción.

El micro-ORC es muy compacto y se puede montar directamente en una sala de calderas nueva. Además, gracias a la solución Add-on es posible introducirlo, con adaptaciones menores, en calderas existentes.

En resumen, es posible calentar edificios residenciales, públicos y microrredes con un micro-ORC de 10 a 30 kW de potencia térmica. Una potencia eléctrica de 0,3 a 1,3 kWe puede cubrir la demanda básica de electricidad del cliente típico.

Aún se trabaja para optimizar la máquina de expansión y el sistema de control y para reducir el consumo propio de electricidad y mejorar aún más la eficiencia del conjunto. Orcan planea introducir la nueva tecnología en el mercado en los próximos 2 años.


 

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.

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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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