En una clínica de 150 camas situado en la zona norte del Perú se tiene un sistema de cogeneración con motor atmosférico de gas natural. Las características del sistema son las siguientes: Potencia eléctrica generada: 100 kW. Potencia térmica recuperable: 164 kW. Equivalente a un 70% de la potencia térmica total desprendida por el motor. Consumo de gas natural: 2.775.000 kWh/año. Consumo de electricidad del hospital: 368.000 kWh/año. Energía térmica consumida: 1.480.000 kWh/año. Energía eléctrica producida: 740.000 kWh/año. Calcule para el sistema de cogeneración anterior: a) El rendimiento térmico del motor. b) Los rendimientos térmico, eléctrico y global del sistema de cogeneración. c) La relación calor electricidad, RCE, del sistema de cogeneración. d) El rendimiento eléctrico equivalente, REE, del sistema de cogeneración.
SOLUCION a) El rendimiento Térmico del motor: 𝜂𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 =
234.28 𝑘𝑤 = 72.94 % 𝑘𝑤ℎ 1 𝑎ñ𝑜 1 𝑑𝑖𝑎 2 775 000 𝑎ñ𝑜 ∗ ∗ 360 𝑑𝑖𝑎𝑠 24 ℎ
b) Los rendimientos térmico, eléctrico y global del sistema de cogeneración. RENDIMIENTO ELECTRICO W = Energía eléctrica producida 𝑊 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑢𝑠𝑢𝑎𝑟𝑖𝑜 + 𝑣𝑒𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎
𝜂𝑒 =
𝑊 𝐹
𝑤 = 368 000
𝑘𝑤ℎ 𝑘𝑤ℎ + 740 000 𝑎ñ𝑜 𝑎ñ𝑜 𝑘𝑤ℎ 𝑎ñ𝑜
𝑤 = 1 108 800 F=Energía del combustible
𝑘𝑤ℎ 1108 000 𝑎ñ𝑜 𝜂𝑒 = = 39.92 % 𝑘𝑤ℎ 2 775 000 𝑎ñ𝑜
𝐹 = 2 775 000
𝑘𝑤ℎ 𝑎ñ𝑜
Qu= Calor útil (La parte que se aprovecha)
𝜂𝑒 = 39.92 % 𝑄𝑢 = 1 480 000
𝑘𝑤ℎ 𝑎ñ𝑜
RENDIMIENTO TERMICO
𝜂𝑡 =
𝑄𝑢 𝐹
𝑘𝑤ℎ 1 480 000 𝑎ñ𝑜 𝜂𝑡 = = 53.33 % ≅ 53% 𝑘𝑤ℎ 2 775 000 𝑎ñ𝑜
𝜂𝑡 = 53 %
RENDIMIENTO GLOBAL O FACTOR DE UTILIZACION DE LA ENERGIA
𝜂𝐺 =
𝑊+𝑄𝑢 𝐹
𝑃
= 1 − 𝐹 = 𝜂𝑒 + 𝜂𝑡
𝜂𝐺 = 53% + 39.92% = 92.92 %
𝜂𝐺 = 92.92 %
c) La relación calor electricidad, RCE, del sistema de cogeneración 𝑅𝐶𝐸𝐶𝑜𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 =
𝑄𝑢 𝜂𝑡 0.53 = = = 1.33 𝑊 𝜂𝑒 0.3992
𝑅𝐶𝐸𝐶𝑜𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 = 1.33
d) El rendimiento eléctrico equivalente , REE, del sistema de cogeneración 𝑊 𝑊 𝜂𝑒 𝐹 𝑅𝐸𝐸 = = = 𝑛𝑡 𝑄𝑢 𝐹 𝑄𝑢 1 − 0.9 𝐹 − 0.9 𝐹 − 0.9 ∗ 𝐹
𝑅𝐸𝐸 =
0.3992 0.53
1− 0.9
= 0.97 ≅ 97%
𝑅𝐸𝐸 = 73 %
Una empresa pesquera en Lima dispone de una central de cogeneración en ciclo combinado para satisfacer sus necesidades de producción de vapor. La central consta de un Turbogenerador de gas natural de 40 MW, un turbogenerador de vapor de 4,6 MW, ya existente, y un turbogenerador de vapor de condensación de 3,6 MW. Los datos energéticos y de consumo del sistema son los siguientes: Consumo de gas natural: 812.000 MWh/año. Autogeneración de energía eléctrica: 374.000 MWh/año. Consumo de vapor: 238.500 t/año. Equivalente a un calor útil de: 170.000 MWh/año. Calcule para el sistema de cogeneración anterior: a) Los rendimientos térmico, eléctrico y global del sistema de cogeneración. b) La relación calor electricidad, RCE, del sistema de cogeneración. c) El rendimiento eléctrico equivalente, REE, del sistema de cogeneración.
SOLUCION a) Los rendimientos térmico, eléctrico y global del sistema de cogeneración RENDIMIENTO ELECTRICO
W = Energía eléctrica producida 𝑊 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑢𝑠𝑢𝑎𝑟𝑖𝑜 + 𝑣𝑒𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎
𝜂𝑒 =
𝑊 𝐹
F=Energía del combustible 𝐹 = 812 000
𝑘𝑤ℎ 374 000 𝑎ñ𝑜 𝜂𝑒 = = 46.05 % 𝑘𝑤ℎ 812 000 𝑎ñ𝑜
𝑘𝑤ℎ 𝑎ñ𝑜
𝑤 = 374 000
𝑘𝑤ℎ 𝑎ñ𝑜
Qu= Calor útil (La parte que se aprovecha)
𝑄𝑢 = 170 000
𝜂𝑒 = 46.05 %
𝑘𝑤ℎ 𝑎ñ𝑜
RENDIMIENTO TERMICO
𝜂𝑡 = 𝑘𝑤ℎ 170 000 𝑎ñ𝑜 𝜂𝑡 = = 20.93 % ≅ 21% 𝑘𝑤ℎ 812 000 𝑎ñ𝑜
𝑄𝑢 𝐹
𝜂𝑡 = 20.93 %
RENDIMIENTO GLOBAL O FACTOR DE UTILIZACION DE LA ENERGIA
𝜂𝐺 =
𝑊 + 𝑄𝑢 𝑃 = 1 − = 𝜂𝑒 + 𝜂𝑡 𝐹 𝐹
𝜂𝐺 = 20.93% + 46.05% = 66.98 %
𝜂𝐺 = 66.98 %
b) La relación calor electricidad, RCE, del sistema de cogeneración 𝑅𝐶𝐸𝐶𝑜𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 =
𝑄𝑢 𝜂𝑡 20.93 = = = 0.4545 𝑊 𝜂𝑒 46.05
𝑅𝐶𝐸𝐶𝑜𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 = 0.4545
c) El rendimiento eléctrico equivalente , REE, del sistema de cogeneración 𝑊 𝑊 𝜂𝑒 𝐹 𝑅𝐸𝐸 = = = 𝑛𝑡 𝑄𝑢 𝐹 𝑄𝑢 1 − 0.9 𝐹 − 0.9 − 𝐹 0.9 ∗ 𝐹
𝑅𝐸𝐸 =
0.4605 0.2093
1− 0.9
= 0.600 ≅ 60%
𝑅𝐸𝐸 = 60 %
Una empresa tiene unos consumos anuales de electricidad de 6.000 MWh y de calor de 10.000 MWh. Los dos consumos se reparten por igual a lo largo del día: un 25% en las horas punta (4 horas/día) y un 75% en las horas valle (20 h/día). El consumo térmico se satisface con una caldera de gas natural con un rendimiento del 88%.
Se instala un motor de cogeneración Caterpillar G3516 modelo DM5155-01 que funcionará 365 días al año, al 100% de carga durante las horas punta y al 75% de carga durante las horas valle. El aprovechamiento térmico del motor se realizará con el agua de refrigeración de la camisa y los humos de escape. No se aprovechará la potencia térmica del postenfriador.
Se pide calcular para cada periodo del día (horas punta y horas valle): a) La energía eléctrica y la energía térmicas consumidas anualmente antes de instalar el motor de cogeneración. b) La energía eléctrica producida anualmente por el motor de cogeneración. c) La energía eléctrica comprada o vendida anualmente en cada tramo horario. d) La energía térmica anual producida por el motor de cogeneración. e) La energía térmica útil aprovechada anualmente de toda la producida por el motor de cogeneración. f) El consumo de combustible anual del motor de cogeneración.
Sin tener en cuenta los periodos horarios, calcular: g) El rendimiento eléctrico equivalente, REE, del sistema de cogeneración.
SOLUCION a) La energía eléctrica y energía térmicas consumida anualmente antes de instalar el motor de cogeneración. HORAS PUNTAS
ℎ𝑟 4 , 25 % 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑖𝑎
ELECTRICIDAD
𝐸 = 25% ∗ 6000
𝑀𝑤ℎ 𝑀𝑤ℎ = 1500 𝑎ñ𝑜 𝑎ñ𝑜
𝐸 = 4.10
𝑀𝑤ℎ 𝑑𝑖𝑎
TERMICA
𝑇 = 25% ∗ 10 000
𝑀𝑤ℎ 𝑀𝑤ℎ = 2500 𝑎ñ𝑜 𝑎ñ𝑜
𝑇 = 6.84
𝑀𝑤ℎ 𝑑𝑖𝑎
HORAS VALLE
20
ELECTRICIDAD
𝐸 = 75% ∗ 6000
ℎ𝑟 , 75 % 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑖𝑎
𝑀𝑤ℎ 𝑀𝑤ℎ = 4500 𝑎ñ𝑜 𝑎ñ𝑜
𝐸 = 12.32
𝑀𝑤ℎ 𝑑𝑖𝑎
TERMICA
𝑇 = 75% ∗ 10 000
𝑀𝑤ℎ 𝑀𝑤ℎ = 7500 𝑎ñ𝑜 𝑎ñ𝑜
𝑇 = 20.54
𝑀𝑤ℎ 𝑑𝑖𝑎
En un motor M.A.C.I se consideran los siguientes parámetros:
𝜂𝑒 = 30 − 50 % 𝑅𝐶𝐸 = 𝐵𝑎𝑗𝑎 (0.5 − 1) 𝜂𝐺 = 50 − 70% Tomando en cuenta lo siguiente:
𝜂𝑒 = 40 %
𝜂𝑡 = 30 %
𝑅𝐶𝐸 =
30 = 0.75 40
HORAS PUNTAS DATOS: (TABLA)
𝑊 𝜂𝑒 = 𝐹
PUNTA: 𝐹 = 10.67 VALLE: 𝐹 = 11.04
𝜂𝑒 = 40 % 𝑀𝐽 𝑀𝐽 𝑊 = (0.40) ∗ (10.67 ) = 4.26 𝑏𝑘𝑤 − ℎ 𝑏𝑘𝑤 − ℎ
𝑀𝐽 𝑏𝑘𝑤−ℎ
𝑀𝐽 𝑏𝑘𝑤−ℎ
DATOS: (TABLA)
HORAS VALLE
PUNTA: 𝐹 = 10.67
𝜂𝑒 =
VALLE: 𝐹 = 11.04
𝑊 𝐹
𝑀𝐽 𝑏𝑘𝑤−ℎ
𝑀𝐽 𝑏𝑘𝑤−ℎ
𝜂𝑒 = 40 %
𝑊 = (0.40) ∗ (11.04
𝑀𝐽 𝑀𝐽 ) = 4.41 𝑏𝑘𝑤 − ℎ 𝑏𝑘𝑤 − ℎ
𝑅𝐶𝐸 =
𝑄𝑢 = 0.75 𝑊 DATOS:
HORAS PUNTAS
PUNTA: 𝑊 = 4.26 VALLE: 𝑊 = 4.41
𝑄𝑢 = (0.75) ∗ (4.26
𝑀𝐽 𝑏𝑘𝑤−ℎ
𝑀𝐽 𝑏𝑘𝑤−ℎ
𝑀𝐽 𝑀𝐽 ) = 3.19 𝑏𝑘𝑤 − ℎ 𝑏𝑘𝑤 − ℎ
HORAS VALLE
𝑄𝑢 = (0.75) ∗ (4.41
𝑀𝐽 𝑀𝐽 ) = 3.30 𝑏𝑘𝑤 − ℎ 𝑏𝑘𝑤 − ℎ
CONSUMO DE COMBUSTIBLE: HORAS PUNTAS
10.67
𝑀𝐽 24 ℎ𝑟 365 𝑑𝑖𝑎 𝑀𝐽 ∗ ∗ = 93469.2 𝑏𝑘𝑤 − ℎ 1 𝑑𝑖𝑎 1 𝑎ñ𝑜 𝑏𝑘𝑤 − 𝑎ñ𝑜
HORAS VALLE
11.04
𝑀𝐽 24 ℎ𝑟 365 𝑑𝑖𝑎 𝑀𝐽 ∗ ∗ = 96710.4 𝑏𝑘𝑤 − ℎ 1 𝑑𝑖𝑎 1 𝑎ñ𝑜 𝑏𝑘𝑤 − 𝑎ñ𝑜
CALCULO DEL REE:
𝑊 𝑊 𝜂𝑒 𝐹 𝑅𝐸𝐸 = = = 𝑛 𝑄𝑢 𝐹 𝑄𝑢 1− 𝑡 𝐹 − 0.9 − 0.9 𝐹 0.9 ∗ 𝐹
𝑅𝐸𝐸 =
0.40 = 0.600 ≅ 60% 0.30 1− 0.9 𝑅𝐸𝐸 = 60 %
