Aplicación sostenible de motores a gas alternativos que funcionan con combustibles alternativos

METANO DE MINA DE CARBÓN

Los gobiernos mundiales reconocen la necesidad de la responsabilidad medioambiental en la búsqueda de una mayor producción de energía. El Protocolo de Kioto es un acuerdo internacional celebrado bajo la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático que requiere que los países desarrollados que participan reduzcan sus emisiones de gases del efecto invernadero por debajo de los límites especificados para cada uno de ellos. Estos objetivos deben cumplirse en un plazo de cinco años, entre 2.008 y 2.012. [6]

Una de las formas en que los participantes en Kioto persiguen este objetivo es a través del Mecanismo de Desarrollo Limpio (CDM, Clean Development Mechanism). El CDM permite a los países desarrollados obtener y comercializar créditos de emisiones, que pueden utilizar para cumplir sus compromisos, a través de proyectos realizados en otros países desarrollados o en países en vías de desarrollo donde los proyectos son menos costosos. Los proyectos MDL reciben créditos de Reducción Certificada de Emisiones (RCE) al demostrar la diferencia en el impacto ambiental que producen sus procesos más limpios en comparación con un método convencional que podría haberse utilizado de otro modo, como la quema de carbón. Cuanto mayor sea la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, más créditos podrá recibir un proyecto. En la actualidad, los CER se negocian entre US$12 y US$20 (82 a 137 yuanes o 488 a 813 rupias) por CER. [6]

Uno de los gases de efecto invernadero más prometedores y eficaces que se utilizan en los proyectos de CDM es el metano de minas de carbón (CMM, Coal Mine Methane), un gas metano que se forma como subproducto durante la carbonización y que se encuentra en las vetas de carbón subterráneos. Cuando se libera durante la extracción activa de carbón, la concentración de metano suele estar entre el 25% y el 60%. La Figura 4, proporciona un punto de referencia para la composición del CMM en comparación con otras fuentes de combustible. Como muestra la tabla, el CMM tiene una mayor mezcla de oxígeno y nitrógeno que el gas natural de gasoducto y el metano de mantos carboníferos (CBM), con una concentración tan alta de metano que puede utilizarse en los gasoductos de gas natural con muy poco tratamiento. Por lo tanto, el CMM requiere unas consideraciones de equipamiento diferentes cuando se utiliza para alimentar grupos electrógenos.

En la actualidad existen varias opciones para mitigar las emisiones de CMM, como los motores de gas alternativos, las turbinas de gas, las calderas y hornos industriales y el procesamiento químico. También se están desarrollando otras tecnologías como los sistemas catalíticos y las pilas de combustible.

CONSIDERACIÓN PARA EL DESARROLLO DEL PROYECTO

El desarrollo de una planta de energía de CMM suele requerir de 12 a 18 meses desde el inicio hasta la finalización. La duración depende en gran medida de la accesibilidad del emplazamiento y de la preparación y complejidad de la planta de energía. Para facilitar la movilidad y la instalación, algunos fabricantes de grupos electrógenos ofrecen grupos en contenedores, lo que puede acortar el período de finalización.

Al considerar los proyectos de grupos electrógenos de CMM, quizá la decisión más importante sea la de elegir un fabricante de grupos electrógenos. El fabricante debe respaldar a los clientes con el diseño, el servicio, el apoyo logístico y técnico y la financiación. Para el éxito de los proyectos de grupos electrógenos de CMM, es fundamental comprender las necesidades y la economía locales, así como la capacidad de proporcionar un servicio y una asistencia rápidos y directos. El personal que trabaja con el fabricante y con el concesionario también debe estar altamente calificado para satisfacer las necesidades de los clientes en cualquier proyecto, incluidas las plantas de CMM con necesidades únicas. Un fabricante que ofrezca apoyo financiero y opciones de pago también puede ser útil a la hora de considerar la inversión de capital necesaria.

INSTALACIONES DE CMM EXISTENTES

Existen varios proyectos de combustible de CMM en China que han demostrado el potencial de esta energía ecológica y sus beneficios económicos asociados (ver la Figura 5).

METANO DE MINA DE CARBÓN

Sesenta Grupos Electrógenos Cat® G3520C con paquetes de combustible de bajo consumo funcionan con CMM en la mina de Sihe en Jincheng, provincia de Shanxi (como se ilustra en la Figura 6). Cuando entren en funcionamiento, los 60 grupos electrógenos producirán más de 108 MW de corriente eléctrica. Además, el calor de los gases de escape se recuperará y se utilizará para accionar turbinas de vapor que producirán otros 12 MW de corriente eléctrica.

El objetivo de producción final es de 120 MW combinados con la recuperación térmica del agua de las camisas para la producción de agua caliente. Este proyecto es el más grande de su tipo en el mundo, y se espera que esté completamente implementado para el tercer trimestre de 2008.

En la ciudad de Yangquan, en el centro de la provincia oriental de Shanxi, un gran proyecto de combustible de CMM utiliza equipos de grupos electrógenos Cat y de otros dos fabricantes. Esto permitió al cliente la oportunidad de evaluar el rendimiento tanto del hardware como del soporte técnico posventa. El equipo Cat incluye tres motores de gas G3520C-CMM que funcionan a 1.800 ekW cada uno con una eficiencia eléctrica del 40 por ciento. Los grupos electrógenos están conectados a la red en paralelo y funcionan continuamente.

La Figura 7 es un informe resumido basado en la evaluación del Cat G3520C en el emplazamiento de Yangquan, en el que se comparan el rendimiento y el servicio después de un año de funcionamiento continuo. Algunas de las conclusiones más importantes son que los grupos electrógenos Cat tuvieron el menor tiempo de inactividad y el menor costo de funcionamiento y mantenimiento de los tres sistemas de energía. Además, Caterpillar es el único proveedor en el emplazamiento con servicio local cuando se necesita asistencia técnica o de piezas.

Aunque China cuenta con varias instalaciones exitosas más recientes, hay otros proyectos de grupos electrógenos de CMM que han demostrado su éxito y eficacia a largo plazo. Uno de estos proyectos maduros lleva más de diez años funcionando de forma ininterrumpida en la costa sureste de Australia.

El proyecto Appin y Tower (ilustrado en la Figura 8) es uno de los mayores sistemas energéticos de gas de vetas de carbón del mundo y una de las mayores instalaciones de motores alternativos-generadores de cualquier tipo. El proyecto Appin y Tower consume 600.000 m3 de gas de vetas de carbón al día procedentes de dos minas distintas de Nueva Gales del Sur (Australia). Complementando con gas natural cuando es necesario, el proyecto de Appin y Tower utiliza más de 90 Grupos Electrógenos a Gas de Mezcla Pobre Cat G3516, cada uno de los cuales produce 1.030 kW de potencia continua. En el verano de 2008, la mayoría de las unidades habían completado 80.000 horas de funcionamiento.

Tras más de una década de funcionamiento, las instalaciones energéticas de Appin y Tower han superado las expectativas de rendimiento de la inversión por la venta de electricidad a la red de Integral Energy.

El proyecto demuestra la viabilidad del gas de vetas de carbón como una importante fuente de suministro para ayudar a satisfacer la creciente necesidad de energía limpia y eficiente de la región.

GAS DE RELLENO SANITARIO

El límite de componentes del gas de relleno sanitario se produce naturalmente Los gases del relleno sanitario están compuestos de aproximadamente 50 % de metano, 50 % de dióxido de carbono y una pequeña cantidad de compuestos orgánicos sin metano (consulte la Figura 9). El contenido de energía del límite de componentes del gas de relleno sanitario es de 400 a 500 Btu por pie cúbico (o 14,9 a 18,6 MJ/m3). Un relleno sanitario debe tener como mínimo 12 metros (40 pies) de profundidad y al menos un millón de toneladas de desperdicios para poder recoger el gas de relleno sanitario y producir energía técnicamente viable. Los LFG se generan en un plazo aproximado de uno a tres años, según el tipo de desperdicios y el entorno; la producción máxima de gases de relleno sanitario se obtiene entre cinco y siete años después de que se vierten los desperdicios.

China e India juntos representan aproximadamente el 8 % de las emisiones de metano de rellenos del mundo, tal como se estimó en 2.005 (consulte la Figura 10). De un total de 747,38 MMTCO2e, ese 8 %, junto con emisiones de otros países en la región de Asia-Pacífico, representa una oportunidad significativa de generación de potencia a partir del límite de componentes del gas de relleno sanitario.

En la mayoría de los rellenos sanitarios de desperdicios sólidos municipales, la mezcla de metano y dióxido de carbono se destruye en un sistema de recolección y control de gas o quemador público. Sin embargo, para usar el LFG como combustible alternativo, se debe extraer el gas de los rellenos sanitarios mediante una serie de pozos y un sistema de vacío (ilustración en la Figura 11).

Los tubos se insertan en el fondo del relleno sanitario para proporcionar un punto de liberación de los gases. A continuación, se aplica un vacío suave en el tubo para succionar los gases y llevarlos a un punto central, donde se pueden procesar y tratar para su uso en la generación de electricidad y reemplazar, efecto, la necesidad de usar combustibles fósiles convencionales.

El LFG (Landfill Gas, Gas de relleno sanitario) debe tratarse previamente con mucho cuidado o utilizarse en motores diseñados para operar con combustibles impuros. El LFG puede contener compuestos de sulfuro, haluros, vapor de agua, cristales de silicona o siloxanos. En los motores tradicionales, estos materiales son altamente corrosivos y nocivos. En la Figura 12, se muestra una comparación de los umbrales de contaminantes del motor en motores estándares y aquellos diseñados para utilizar con combustibles de baja energía.

Si bien el tratamiento previo del combustible tiene un historial más largo y mayor popularidad en el mercado de gas a energía en rellenos sanitarios, los diseños de motores Cat que lidian con los contaminantes de los combustibles tienen un registro de seguimiento de 20 años de eficacia. Los diseños de motores han mejorado constantemente y están disponibles en hasta los motores a gas de alta eficiencia más avanzados a nivel tecnológico del mercado. Las protecciones contra el combustible impuro incluyen lo siguiente (que se ilustra en la Figura 13).

• Los enfriadores de gas a aire bajan la temperatura del gas después de que este se comprime, lo que reduce la humedad y previene la condensación y la consecuente formación de ácido más adelante en el sistema de entrega de combustible o dentro de los motores.
• Los intercambiadores de calor de gas a gas, generalmente fabricados de acero inoxidable, enfrían previamente el gas que ingresa a la secadora para reducir la demanda de potencia de esta. El gas que sale de la secadora se vuelve a calentar más adelante en el proceso mediante el intercambiador de calor de gas a gas para prevenir que el agua se condense corriente abajo.
• Las secadoras de gas reducen los halógenos y el sulfuro de hidrógeno (H2S) en el gas. El dispositivo generalmente es un intercambiador de calor de gas a líquido que utiliza un refrigerante. El gas se seca al enfriarlo hasta un punto de rocío de 36 a 37 ºF (de 2 a 3 ºC). Como los halógenos y el H2S son solubles en agua, reducir el contenido de agua también reduce sus concentraciones. La secadora reduce, en menor medida, algunas especies de siloxanos transportados por gas.

• Los filtros separadores eliminan el agua o las gotas de aceite restantes y la materia sólida restante del tamaño de 0,4 micrones.
• Los drenajes de condensación recolectan el agua eliminada del gas. El agua puede tratarse para descarga a un sistema de alcantarillado o, en algunos lugares, volver a colocarse en el relleno sanitario para estimular la producción de metano.

INSTALACIONES DE LÍMITE DE COMPONENTES DEL GAS DE RELLENO SANITARIO EXISTENTE

El South East New Territories Landfill (Figura 14), ubicado en Hong Kong es gestionado por Green Valley Landfill Ltd. En este sitio se instalaron dos Grupos Electrógenos Cat G3516 para relleno sanitario en 1997. Cada unidad tiene una clasificación nominal de 970 kW y provee 1,9 MW de potencia continua para la infraestructura del relleno sanitario y una planta de tratamiento de aguas residuales en el sitio. Las unidades funcionan en paralelo con el servicio público local y se exporta el exceso de energía a la red. Para compensar el calor y la humedad tropicales, los grupos electrógenos cuentan con radiadores de gran tamaño. Green Valley Landfill ofrece mantenimiento regular interno, mientras que los reparos de la parte superior, del bastidor y de la parte principal las realiza China Engineers Limited (CEL), el distribuidor Cat local. La gerencia informa que las instalaciones están conectadas el 99 por ciento del tiempo.

BIOGÁS

El biogás se produce por la descomposición anaeróbica natural o la fermentación de desperdicios orgánicos, como estiércol, desperdicios sólidos municipales, desperdicios biodegradables u otra materia prima biodegradable en un ambiente anaeróbico. El biogás está formado principalmente por metano (50 % al 80 %) y dióxido de carbono (20 % al 50 %). Los niveles de trazas de otros gases como hidrógeno, monóxido de carbono, nitrógeno, oxígeno y H2S también pueden encontrarse en el biogás. Cuando hace la combustión, cada pie cúbico (0,028 metro cúbico) de biogás arroja aproximadamente 10 Btu (10,6 kJ) de energía térmica por porcentaje de composición de metano. En la práctica, el biogás compuesto por el 65 por ciento de metano arrojará aproximadamente 600 Btu (633 kJ) por pie cúbico en términos de bajar el valor térmico.

Se puede extraer para uso comercial de casi cualquiera de sus fuentes. Por ejemplo, algunas granjas ganaderas o instalaciones de engorde de ganado grandes utilizan una laguna para almacenar el estiércol que genera el ganado. En vez de liberar a la atmósfera el metano y el dióxido de carbono que se generan en la descomposición del estiércol, el metano se puede extraer y quemar en la granja en calderas de biogás, calentadores u otros dispositivos que consumen gas, incluidos los motores de gas (ilustrados en la Figura 15).

Además de las granjas ganaderas, otras operaciones agrícolas aprovechan las oportunidades de producir biogás. Por ejemplo, las plantas de procesamiento de mandiocas, que producen almidón, son comunes en China, India e Indonesia y pueden utilizar biogás para la corriente eléctrica. En dichas plantas, se instalan biodigestores anaeróbicos para convertir los desechos ricos en materia orgánica en metano. Gracias al aprovechamiento de los recursos de biogás, estas plantas no solo se ahorran el costo de comprar aceite combustible pesado y electricidad, sino que también ganan terrenos valiosos que de otro modo deberían utilizarse para purificar las aguas residuales de la fábrica. Al utilizar un sistema de digestión anaeróbica, la materia orgánica se descompone en un entorno contenido para producir metanos que luego es consumido por el motor, lo que elimina casi por completo el olor y los problemas de pestes causados por la descomposición de materia orgánica a gran escala.

USO DEL BIOGÁS

Debido a las impurezas y inconsistencias en el biogás, debe tratarse previamente antes de utilizarse en motores que han sido diseñados específicamente para este.

Un sistema de procesamiento de gas inicial (o tratamiento previo) puede hacer un aporte importante al costo de capital de un proyecto. Los componentes del sistema deben elegirse sobre la base de su función, confiabilidad En teoría, el tratamiento previo debería brindar gas de calidad similar al de las tuberías, pero esto pocas veces, si nunca, es más económico. Por lo tanto, el diseño del sistema de tratamiento previo generalmente requiere un compromiso: producción de combustible lo suficientemente puro para permitir un desempeño confiable del motor conforme al régimen de mantenimiento razonable.

El nivel de tratamiento previo requerido está directamente relacionado con la calidad del biogás generado. Por ejemplo, las instalaciones que utilizan combustibles con menos del 80 por ciento de humedad relativa no requieren filtración de agua. Sin embargo, es posible que los combustibles con el 80 % o más de humedad relativa o los productos de condensación tengan que incluir un sistema que incorpore filtros separadores o enfriadores para eliminar gotas de agua del gas y atrapar la materia sólida. Además, es posible que sea necesario un compresor de gas para entregar combustible al motor al volumen y la presión necesarios.

La segunda opción para garantizar la confiabilidad de los motores alimentados con biogás es diseñarlos y construirlos para satisfacer las demandas más rigurosas impuestas por su combustible. Si bien estos motores a combustible de baja energía resultantes funcionarán con biogás sin tratar, seguirán requiriendo acondicionamiento y compresión del combustible, y es posible que necesiten otros pasos de tratamiento bajo determinadas condiciones de combustible.

Estas modificaciones aportan al costo de capital de la instalación, pero los costos de capital y mantenimiento del equipo de tratamiento previo pueden reducirse, algunas veces significativamente. Las principales metas de diseño de los motores que funcionan con biogás son las siguientes:

• prevenir que se formen sustancias nocivas dentro del motor.;
• fabricar componentes muy susceptibles que sean resistentes a la corrosión;
• eyectar gases potencialmente corrosivos del motor.

Las modificaciones específicas del motor incluyen temperatura optimizada del agua de la camisa, ventilación del cárter y uso de materiales resistentes a la corrosión. Como una protección adicional contra los ácidos que se forman naturalmente, los diseños de los motores específicos a biogás minimizan el uso de metales brillantes (como cobre y acero sin protección) en componentes que tienen probabilidades de entrar en contacto con los contaminantes de combustible o los gases de escape. Por ejemplo, los núcleos del posenfriador, compuestos por aleaciones de cobre en motores a gas estándares, están fabricados de acero inoxidable en las versiones alimentadas con biogás de estos motores para resistir la corrosión causada por los contaminantes.

INSTALACIONES DE BIOGÁS EXISTENTES

Tailandia ha sido testigo de un crecimiento notable de las operaciones de alimentadores de ganado; principalmente las granjas de ganado porcino (consulte la Figura 16, y las plantas procesadoras de mandioca. Ambas operaciones producen vastas cantidades de biogás en el abono y las aguas residuales que generan.

La granja Nong Rai, en Rayong, Tailandia buscaba un medio de aprovechamiento de sus recursos de biogás para alimentar generadores eléctricos de energía in situ. La granja se asoció con CP Group, uno de los mayores proveedores de alimentos de Tailandia, y una instalación de engorde con más de 30.000 cerdos. La granja Nong Rai consume aproximadamente 200 kW de energía en sopladores, sistemas de secado y otras necesidades auxiliares asociadas a sus operaciones. El estiércol producido por los cerdos se dirige por tuberías a un estanque de digestión; allí se genera biogás que se utiliza como combustible para los grupos electrógenos. Aunque Nong Rai Farms reconocía que la inversión inicial en los grupos electrógenos de biogás sería mayor, la gerencia confiaba en que el ahorro a largo plazo asociado a una plataforma fiable y duradera sería significativo. Los Grupos Electrógenos Cat G3406NA y G3306NA producen 105 kW y 70 kW, respectivamente; energía suficiente para todas las necesidades de energía eléctrica de la granja Nong Rai.

Para el éxito de estos sistemas, ha sido clave la instalación de un motor "endurecido" especial diseñado por los ingenieros de Caterpillar para soportar los efectos corrosivos de los altos niveles de H2S y otros productos químicos que producen ácidos y que están frecuentemente presentes como impurezas en el biogás producido localmente. Cuando se combinan con vapor de agua durante la presurización y el transporte del biogás, frecuentemente se produce ácido sulfúrico y otros subproductos corrosivos.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Con la aplicación de nuevas políticas para impulsar un medio ambiente más limpio, es probable que la mitigación de las emisiones a través de grupos electrógenos ofrezca oportunidades de beneficiarse de las inversiones en combustible alternativo. Crear potencia a partir de recursos renovables como CMM, límite de componentes del gas de relleno sanitario y biogás es una tecnología madura y comprobada que también es responsable para con el medio ambiente.

Referencias:

[1] Agencia Central de Inteligencia. “The World Factbook, China.” Extraído el 6 de junio de 2008 del sitio web de la CIA, https://www.cia.gov/library/publications/the-world-factbook/geos/ch.html

[2] Harrabin, Robert. “China Building More Power Plants.” BBC News. Extraído el 18 de julio de 2008 de http://news.bbc.co.uk/go/pr/fr/-/2/hi/asia-pacific/6769743.stm

[3] “A Coal-Fired World.” Christian Science Monitor. Extraído el 18 de julio de 2008 de http://www.csmonitor.com/2007/0322/p0ls04-wogi.html?page=3

[4] Katzer, James, et al. “The Future of Coal: An Interdisciplinary MIT Study.” Extraído el 18 de julio de 2008 de http://web.mit.edu/coal

[5] Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos. “Methane.” Extraído el 6 de junio de 2008 del sitio web de la EPA, http://www.epa.gov/methane/

[6] Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático. "Protocolo de Kioto." Extraído el 6 de junio de 2008 del sitio web de la UNFCCC, http://unfccc.int/kyoto_protocol/items/2830.php

[7] Oregon Department of Energy. “Biogas Technology.” Recuperado el 7 de agosto de 2008 de http://www.oregon.gov/ENERGY/RENEW/Biomass/biogas.shtml#landfill_gas

[8] Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos. “Global Anthropogenic Emissions of Non-CO2 Greenhouse Gases 1990-2020.” Informe de la EPA 430-R-06-003. Extraído el 7 de agosto de 2008 de http://www.epa.gov/climatechange/economics/international.html