DEBATE

Integración de sistemas y tecnologías como indica la Figura 5, los proyectos de extracción de metano de veta de carbón (CSM, Coal Seam Methane) son de dos tipos básicos: metano de lecho de carbón (CBM, Coal Bed Methane) y metano de gas de carbón (CGM, Coal Gas Methane). Bajo el CGM, hay otras dos grandes categorías de gases: el CMM y el metano del aire de ventilación (VAM, ventilation air methane).

La extracción de VAM es una parte necesaria del proceso de extracción de carbón. El aire existente en la mina debe ser ventilado para mantener el contenido de metano en niveles aceptables para la seguridad de los mineros. Mientras se extrae activamente la veta de carbón, se extrae un gran volumen de aire a través de ella para eliminar el metano. La concentración de metano en el aire recuperado suele ser muy baja, normalmente entre el 0,3 y el 1,5 %. Debido a la baja concentración de metano en el aire de ventilación, su uso beneficioso es difícil de conseguir.

En el CBM se utilizan sistemas de desgasificación, comúnmente denominados sistemas de drenaje de gas. Se perforan pozos verticales u horizontales en los mantos carboníferos y se aplica un vacío en el pozo para extraer el metano (ver la Figura 6). En comparación con el VAM, la calidad del metano en este tipo de extracción suele ser muy alta, siendo habitual un contenido de metano superior al 85 %, especialmente en los pozos verticales perforados en la veta de carbón mucho antes de la extracción real. El resto del gas recuperado consiste principalmente de aire.

Los pozos horizontales perforados en la superficie de la veta de carbón a medida que se extrae suelen tener más aire mezclado con el gas metano a medida que se recoge. Este gas se compone generalmente de un 25 % a un 60 % de metano y el resto son otros gases inertes residentes, como el oxígeno y el nitrógeno. El porcentaje de metano puede variar en función de la proximidad y la cantidad de actividad minera en la veta de carbón al momento de la extracción.

Cuando el CMM se extrae del suelo, se mantiene en grandes tanques hasta que se trata previamente para su uso en motores de gas alternativos. En China, los depósitos suelen contener unos 30.000 metros cúbicos de CMM. El tratamiento previo incluye el filtrado del CMM en busca de polvo y partículas a través de filtros de diez micrones y luego de una micrón, el secado del gas por debajo del 80 % de humedad relativa y el envío del CMM a través de un tren de combustible, donde la presión se regula a entre cinco y 35 kPa. Después

del tratamiento previo, el CMM se envía a grupos electrógenos que se construyen cerca del emplazamiento minero y se gestionan con equipos de conmutación para proporcionar sincronización, controles de voltaje, carga y descarga de los motores y protección general del sistema. La Figura 7 ilustra la disposición típica de un sistema de grupos electrógenos alimentados por CMM.

Caterpillar Inc. utiliza actualmente un sistema que comienza con los análisis de composición y estabilidad de CMM, que se utilizan para determinar la mejor selección de motores para un sitio específico. La experiencia de Caterpillar en este tipo de generación de energía ha demostrado su éxito en varios emplazamientos de China, donde la creciente economía exige soluciones respetuosas del medio ambiente para las nuevas necesidades de energía. Caterpillar ha presentado recientemente el Grupo Electrógeno de Bajo Consumo G3520C para su uso con CMM y otros combustibles de metano que se encuentran en rellenos sanitarios, digestores y entornos de biogás de bajo consumo. El nuevo grupo electrógeno, que funciona a 50 Hz, incluye equipos que optimizan el rendimiento de los motores en aplicaciones de funcionamiento continuo en paralelo a la red.

El grupo electrógeno se ha diseñado especialmente para hacer frente a las variaciones de concentración de metano del combustible típicas de las operaciones de CMM. El paquete G3520C-CMM también está diseñado para utilizar de forma eficiente y fiable el gas combustible con un contenido de metano inferior al habitual. Se puede realizar una aprobación especial y una configuración del motor para aplicaciones con un contenido de metano de hasta el 25 por ciento. Además, se puede utilizar como aire de combustión el VAM con un contenido de metano de hasta el 3 por ciento en volumen, siempre que se tomen las medidas necesarias para un tratamiento previo que cumpla con las especificaciones de aire de combustión de Caterpillar.

Equipado con un módulo de control del motor de gas que utiliza controles electrónicos ADEM™ III, el grupo electrógeno permite un control total del motor desde una única fuente. El avanzado control de la relación aire/combustible está diseñado para usarse sin sensor de oxígeno, lo que permite alcanzar una potencia nominal de 19,2 bar BMEP que suministra una alta densidad de potencia al tiempo que cumple con los niveles de emisión de NOx de 500 mg/NM3.

También está disponible un nivel opcional de NOx de 250 mg/NM3 mediante un sistema de posenfriamiento de circuito separado de 54 °C que puede utilizarse con una disposición de sistema de enfriamiento convencional en casi todas las ubicaciones geográficas. Esta opción proporciona un mayor control de las emisiones para aquellos proyectos que deben cumplir con regulaciones locales más estrictas o para los propietarios de proyectos interesados en buscar oportunidades de comercio de carbono.

El Cat® G3520C funciona a 1.500 rpm con una potencia continua de 1.966 ekW en condiciones de funcionamiento estándar. Un diseño de cámara de combustión abierta le permite funcionar con suministros de gas de baja presión de solo 5 a 35 kPa (0,7 a 5 lb/pulg²). El requisito de baja presión de refuerzo reduce el costo de instalación de los sistemas de tratamiento de combustible que suelen encontrarse en entornos de combustible de baja energía.

Como indica la Figura 8, el grupo electrógeno puede utilizar combustible CMM en una gama del 25 % al 100 % de metano, por lo que el equipo sigue siendo eficiente durante toda la vida de un proyecto de minería de carbón. Para compensar la caída de presión en el tren de gas, el grupo electrógeno necesitaría una presión de suministro de gas de entre 40 y 60 kPa, con menos de 0,69 kPa para el estado estacionario o 4,83 kPa para el transitorio por segundo de régimen de cambio de la presión del combustible a la entrada del sistema del tren 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 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, incluidos aquellos como 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 existentes y potencial de crecimiento futuro

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 9).

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 10). Cuando entren en funcionamiento, los sesenta grupos electrógenos producirán más de 108 MW de potencia 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 potencia 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 mayor del mundo en su género.

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 mejor el rendimiento tanto del hardware como del soporte técnico posventa. El equipo Cat incluye tres Motores a Gas G3520C-CMM que funcionan a 1.800 ekW cada uno con una eficiencia eléctrica del 40 %. Los grupos electrógenos están conectados a la red en paralelo y funcionan continuamente.

La Figura 11 es un informe resumido basado en la evaluación realizada sobre el rendimiento del Caterpillar G3520C en el emplazamiento de Yangquan, en el que se comparan el rendimiento y el servicio. Algunas de las conclusiones más importantes son que los grupos electrógenos Cat tuvieron el menor tiempo de inactividad y el menor costo de operación y mantenimiento de los tres sistemas de potencia. 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 12) es uno de los mayores sistemas energéticos de gas de vetas de carbón del mundo y una de las mayores instalaciones de generadores con motores de movimiento alterno 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 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 China.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Con la aplicación por parte del Gobierno chino de nuevas políticas para impulsar un medio ambiente más limpio y sostenible, es probable que la mitigación del CMM a través de grupos electrógenos ofrezca a los propietarios de las minas la oportunidad de beneficiarse de la inversión. Esta forma de generación distribuida es una tecnología madura y probada para mitigar la migración de metano y crear energía a partir de un recurso disponible.

AGRADECIMIENTOS

Este documento no habría sido posible sin el apoyo del personal de Gelia.

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] French, Howard W. "Far From Beijing’s Reach, Officials Bend Energy Rules". New York Times, 24 de noviembre de 2007. Extraído el 6 de junio de 2008 del sitio web del NYT, http://www.nytimes.com/2007/11/24/world/asia/24evaders.html

[3] 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

[4] 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/