COGENERACION CON MOTORES RECIPROCANTES
Un motor reciprocante, es un motor térmico cíclico de combustión interna, de movimiento alternativo que convierte la energía química contenida en un combustible en energía mecánica de rotación de un eje. La reacción explosiva de la mezcla aire-combustible en el interior de un cilindro provoca el movimiento lineal del pistón, después un mecanismo biela-manivela convierte en rotación del cigüeñal. De esta manera también se asegura el movimiento alternativo del pistón, que permite renovar los gases producto de la combustión por mezcla fresca lista para explosionar.
Movimiento alternado de los pistones de un motor. Fuente: victoryepes.blogs.upv.es/
El motor alternativo es una maquina cíclica que en cada ciclo renueva su fluido de trabajo, por lo tanto, es un ciclo abierto. Los motores se pueden clasificar según diferentes parámetros: su ciclo termodinámico, el combustible empleado, la presencia o no de un compresor, la velocidad de giro, según la configuración de los cilindros, etc.
Los motores reciprocantes comerciales van desde una potencia de 10 a 20,000 kW. La eficiencia eléctrica oscila en 20 a 48%. Estos al ser empleados en sistemas de cogeneración se tiene eficiencias de entre 70 a 80%. Algunos de los combustibles que puede emplear son: gas natural, diésel, biogás, entre otros. La temperatura de los gases de escape es de entre 300 a 600 °C.
El fin de los intercambiadores de calor es el recuperar la mayor cantidad posible de energía térmica. La recuperación de la energía térmica generada es mediante los circuitos de refrigeración de las camisas, el circuito de agua de alta temperatura, el de baja temperatura, el aceite refrigerante (al ser poca la energía disponible no se recupera) y los gases de escape. En la siguiente imágen se puede observar un diagrama esquemático de un motor reciprocante usando en un sistema de cogeneración para generación de vapor.
Diagrama esquemático de un motor reciprocante empleando en cogeneración
Ventajas
- Capacidades de 15kW a mayores de 20 MW
- Eficiencia de energía eléctrica ~ 41%
- Eficiencia global > 70%
- Bajo costo de inversión
- Vida útil larga (25 años)
- Alta eficiencia a baja carga
- Consumo medio de agua
- Poco espacio para instalación
Desventajas
- Altos costos de mantenimiento
- Baja temperatura de energía térmica
- Complejidad de recuperación de energía térmica
Los motores reciprocantes al ser una maquinaria volumétrica, ésta se ve afectada por las condiciones atmosféricas: a mayor altura y temperatura la densidad disminuye. La cantidad de masa que puede ingresar al sistema varía según las condiciones atmosféricas del sitio donde se desee instalar; la potencia eléctrica a generar se verá afectada. En la siguiente imágen se muestra el comportamiento para un motor que tiene como condiciones de referencia una altura de 1500 metros sobre nivel del mar (msnm) y una temperatura ambiente de 40 °C [1].
Coeficiente de derrateo de un motor reciprocante con condiciones ISO de 1500 msnm y 40°C.
[1] A. Santamaria and H. Romero Paredes-R, “Comparative analysis and evaluation of reciprocating engines and gas turbines used in cogeneration systems up to 50 MW,” in 2017 IEEE 37th Central America and Panama Convention, CONCAPAN 2017, 2018, vol. 2018-January.
