Modelización y análisis de una microturbina de gas, con gas natural y biomasa como combustibles

Figueroa Romero, Yaiza (2018). Modelización y análisis de una microturbina de gas, con gas natural y biomasa como combustibles. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM), Madrid.

Descripción

Título: Modelización y análisis de una microturbina de gas, con gas natural y biomasa como combustibles
Autor/es:
  • Figueroa Romero, Yaiza
Director/es:
  • Rodríguez Martín, Javier
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Febrero 2018
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Ingeniería Energética
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

En el panorama energético actual se busca ante todo reducir las emisiones contaminantes, en especial las de gases de efecto invernadero, que por su elevada cantidad emitida son la principal causa del cambio climático. Hoy, la principal fuente de emisiones de efecto invernadero es la producción de electricidad, suponiendo alrededor de un 60% del total de las emisiones [1]. Dado que no se espera que en un futuro los niveles de consumo energético decrezcan, resultará imprescindible desligar el consumo energético de éstas. En este sentido las fuentes de energías renovables suponen una alternativa adecuada a las fuentes de energía fósiles tradicionales, ya que se produce energía reduciendo las emisiones de CO2. La tendencia actual es a que el porcentaje de energía producida por fuentes renovables aumente año tras año, aunque la energía primaria procede principalmente de fuentes no renovables como son el carbón, el petróleo y el gas natural. El objetivo de este trabajo es comparar a nivel energético, económico y medioambiental la utilización de gas natural, combustible fósil, y la utilización de biomasa, fuente de energía renovable, en la generación de energía mediante una microturbina de 100 kWe. Para ello se realiza la simulación de las dos instalaciones. Las microturbinas son, como su propio nombre indica, turbinas de menor tamaño cuya potencia está en el rango de los 30-500 kW. En cuanto a componentes, son más simples que las de mayor tamaño: generalmente están formadas por un compresor y una turbina de una única etapa, una cámara de combustión y un intercambiador de calor, necesario para aumentar el rendimiento de la instalación, que está limitado por la temperatura de entrada al compresor y por la temperatura de entrada a la turbina debido a los materiales de los álabes. El rendimiento de las microturbinas con recuperación de calor está en torno al 30 %. Las microturbinas resultan una buena solución para la generación de energía descentralizada, por ejemplo en bloques de edificios o urbanizaciones, centros comerciales o campus universitarios. En cuanto a termodinámica, las microturbinas de gas se basan en el Ciclo Brayton. Para la simulación de los ciclos de las dos microturbinas, se utiliza el programa Engineering Equation Solver, con el que se obtienen las propiedades termodinámicas en cada punto del ciclo y se realizan los cálculos que permiten caracterizar cada instalación. Es necesario tener en cuenta que los resultados obtenidos variarán en función del tipo de biomasa utilizado. En este caso se analiza el caso de virutas de madera cuya composición es: 48%C 5,99%H 45,83%O 0,05%N 0,10% cenizas y su poder calorífico inferior es 17500 kJ/kg. Para la simulación de las instalaciones, se utiliza el Modelo de los Gases Ideales para los gases que circulan por el ciclo, teniendo en cuenta los gases de combustión, ya que en cada caso se simula detalladamente la combustión para considerar con mayor rigurosidad la influencia del tipo de combustible. Se calculan para cada instalación: el trabajo del compresor y de la turbina, el calor aportado por cada combustible, el consumo de aire, el consumo de combustible, las emisiones de CO2 y la eficiencia global del ciclo. En la tabla se puede observar que el rendimiento es mayor en la instalación que utiliza como combustible el gas natural. Esto se debe principalmente al mayor poder calorífico del gas natural frente a la biomasa y a la disposición de ambas instalaciones. Por el mismo razonamiento, el consumo de combustible es mayor en el caso de la biomasa. En lo que respecta a consumo de combustible y eficiencia, es más favorable la combustión de gas natural que la de biomasa. En cuanto a las emisiones, la biomasa es neutra en emisiones de CO2, ya que se considera que el carbono presente en la biomasa fue capturado de la atmósfera durante el crecimiento de los cultivos. Con la utilización de la microturbina con combustión de biomasa se evitaría la emisión de hasta 533 toneladas anuales de dióxido de carbono a la atmósfera, lo que supone un ahorro anual de 2971,25e. Por esta razón, en términos de emisiones será más favorable la instalación de biomasa que la de gas natural. El análisis económico se lleva a cabo mediante el cálculo del coste nivelado de la energía (LCOE). Este parámetro indica cuánto cuesta producir 1 MWh en cada instalación y el análisis para su determinación tiene en cuenta la inversión inicial, los costes de operación y mantenimiento, los costes del combustible y los costes de emisión de CO2. En la tabla anterior se observa que el parámetro que más afecta al LCOE es el precio del combustible. Además otro parámetro fundamental en el LCOE son las horas de operación anuales. Para comprobar la influencia de estos dos parámetros sobre la rentabilidad de las instalaciones y ver en qué casos es rentable la instalación de biomasa frente a la de gas natural, se realiza un análisis de sensibilidad, primero variando el precio del combustible y después las horas de operación anuales. El precio del gas natural se ha considerado fijo, por lo que se realizará el análisis sobre el precio de la biomasa. Se determina que la instalación de biomasa es más rentable frente a la de gas natural cuando el precio del combustible es menor de 18,66 e/MWh. En cuanto a las horas anuales de operación, el coste nivelado de la energía varía a la par para ambas instalaciones, por lo que la rentabilidad de una instalación frente a la otra dependerá del precio de la biomasa y no de las horas anuales de operación. Tras el análisis de los resultados obtenidos en este trabajo se extrae como conclusión principal que pese a que la instalación de biomasa tiene un rendimiento significativamente menor y un mayor consumo de combustible, el uso de biomasa es factible a nivel medioambiental, ya que se considera que no emite dióxido de carbono a la atmósfera en su combustión, y a nivel económico si el precio de la biomasa es menor que 18,66e/MWh, ya que el coste nivelado de la energía será menor para la instalación de biomasa que para la de gas natural.

Más información

ID de Registro: 50448
Identificador DC: http://oa.upm.es/50448/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:50448
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 24 Abr 2018 17:04
Ultima Modificación: 24 Abr 2018 17:04
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