Turbina de gas vs. motor de gas para generación eléctrica industrial in situ

Una turbina de gas suele ser una opción sólida para una instalación con una demanda eléctrica estable y una necesidad continua de calor de proceso o vapor a alta temperatura. Un motor de gas alternativo puede ser más adecuado cuando son más importantes la eficiencia eléctrica, las variaciones de carga o la capacidad modular. La elección no depende únicamente de la potencia nominal del equipo: la respuesta depende de cómo funciona la planta en su conjunto a lo largo del año.

Empiece por comparar la electricidad suministrada y el calor aprovechable en las mismas condiciones del emplazamiento. Los gases de escape de una turbina pueden ser valiosos, pero solo si el proceso puede aprovecharlos. El buen rendimiento eléctrico de un motor puede perder parte de su ventaja si la instalación necesita más calor a alta temperatura del que puede proporcionar su sistema de recuperación.

Empiece por el perfil de carga, no por la demanda máxima

Una única cifra de demanda máxima dice poco sobre el rendimiento de una central eléctrica durante su vida útil. Determine la carga eléctrica de la instalación en distintos turnos, fines de semana, temporadas y paradas programadas. Identifique tanto la carga mínima sostenida como la máxima, y diferencie las cargas críticas de los equipos que pueden desconectarse temporalmente.

Por lo general, las turbinas de gas son adecuadas para largos periodos de funcionamiento estable. Su eficiencia eléctrica puede disminuir con cargas parciales, por lo que una unidad dimensionada para cubrir un pico breve podría pasar gran parte del año fuera de su rango de funcionamiento óptimo. La temperatura ambiente también afecta a la potencia y la eficiencia de la turbina; los días de mayor producción y más calor pueden coincidir con la máxima demanda de refrigeración y la menor potencia disponible.

Los motores de gas pueden ofrecer una flexibilidad útil cuando la demanda varía. Una planta con varios motores puede poner unidades en marcha o detenerlas para adaptarse a la demanda y mantener las que están en funcionamiento más cerca de su rango de mayor eficiencia. Esta modularidad requiere equipos y controles adicionales, coordinación del mantenimiento y, posiblemente, más espacio. Compare la instalación completa en lugar de dar por sentado que varias unidades pequeñas siempre resultan más económicas.

Para cualquiera de las dos tecnologías, solicite a los proveedores datos de rendimiento en todo el rango de carga previsto, incluidos la carga mínima estable, los requisitos de arranque, las velocidades de aumento de carga y las restricciones relativas a los arranques frecuentes. Utilice las condiciones específicas del emplazamiento e incluya el consumo de los equipos auxiliares al comparar la potencia neta disponible para la instalación.

Adapte la recuperación de calor al proceso

La cogeneración puede cambiar el resultado de una comparación entre una turbina de gas y un motor de gas. La pregunta relevante no es simplemente cuánto calor sale del equipo, sino cuánto puede recuperarse a la temperatura, presión y hora que necesita el proceso.

Una turbina de gas genera un caudal considerable de gases de escape calientes. Estos pueden dirigirse a un generador de vapor por recuperación de calor o, cuando el proceso lo permita, utilizarse para calentamiento directo o secado. La turbina resulta más conveniente cuando la planta tiene una demanda sostenida de ese calor. Si la producción se detiene con frecuencia o la demanda de vapor disminuye mientras la demanda eléctrica se mantiene alta, puede perderse parte del beneficio potencial del calor.

Los motores de gas también permiten recuperar calor, pero este se distribuye entre los gases de escape, los circuitos de refrigeración del motor y otras fuentes. El calor del agua de refrigeración puede aprovecharse para agua caliente o procesos de menor temperatura, mientras que el calor de los gases de escape puede destinarse a la recuperación a temperaturas más altas. La producción y la temperatura del vapor aprovechable dependen del motor y del diseño del sistema de recuperación; no debe considerarse que todo el calor recuperable sea equivalente al vapor de proceso de alta presión.

Siempre que sea posible, compare la demanda de calor hora por hora. Tenga en cuenta las pérdidas de calor, el funcionamiento en derivación, la combustión suplementaria, la eficiencia de las calderas existentes y la necesidad de disponer de vapor de respaldo. Una cifra de eficiencia total elevada solo es significativa cuando el calor recuperado sustituye al combustible que, de otro modo, consumiría la instalación.

El suministro de combustible puede cambiar cuál es la opción preferible

Ambas tecnologías requieren combustible que se ajuste a los límites establecidos por el proveedor del equipo, pero los límites pertinentes y los requisitos de acondicionamiento son distintos. La composición, el poder calorífico, la presión y los contaminantes del combustible, así como sus variaciones a lo largo del tiempo, pueden afectar a la combustión, las emisiones, el mantenimiento y la disponibilidad.

En el caso de una turbina, la presión del gas de entrada puede ser insuficiente en algunas condiciones de funcionamiento, por lo que podría ser necesario comprimir el gas combustible. Esto añade consumo eléctrico, coste de inversión, mantenimiento y otro equipo cuya disponibilidad es importante. Una instalación con motores puede tener requisitos diferentes de presión y calidad del combustible, por lo que conviene comparar el tren de combustible completo de cada propuesta.

Si la instalación utiliza biogás u otro combustible de composición variable, proporcione análisis representativos del combustible que abarquen el funcionamiento normal y los cambios previsibles. Antes de que cualquiera de las máquinas pueda funcionar de forma fiable, puede ser necesario tratar la humedad, los compuestos corrosivos u otros contaminantes. La flexibilidad de combustible debe evaluarse en función de los límites especificados para la unidad propuesta, no darse por supuesta según la categoría tecnológica.

Cuando se requiera comprimir el combustible, el paquete debe coordinarse con el rango de presión, los controles y el programa de funcionamiento de la central eléctrica. SINO-QNP ofrece soluciones llave en mano para unidades de compresión, además de su actividad más amplia en turbomaquinaria. La configuración adecuada depende del suministro de combustible y del equipo de generación seleccionado.

La fiabilidad depende de la configuración de la planta

Una sola unidad de generación es sencilla de configurar, pero su mantenimiento o una parada imprevista pueden dejar fuera de servicio toda la capacidad de generación in situ. Con varios motores, es posible mantener parte de la generación cuando una unidad no está disponible. Una configuración con varias turbinas también puede ofrecer redundancia, aunque su idoneidad depende de la capacidad necesaria y de los aspectos económicos.

Defina el modo de funcionamiento requerido antes de asignar un valor a la redundancia. Una instalación conectada a una red eléctrica fiable puede tolerar la parada de un generador de forma distinta a otra que debe mantener los procesos críticos de manera independiente. El funcionamiento en paralelo con la red no garantiza automáticamente el suministro eléctrico durante una interrupción de esta: la capacidad de operar en isla, las protecciones, los controles y una fuente de alimentación adecuada para el arranque deben diseñarse como parte del sistema.

La planificación del mantenimiento debe incluir el servicio programado, las revisiones generales, el acceso a repuestos, el tiempo de respuesta del servicio técnico y el coste de producción asociado a las paradas. Por lo general, los motores requieren tareas de mantenimiento rutinario más frecuentes, mientras que las turbinas tienen sus propios requisitos de inspección y revisión general. Los intervalos dependen del equipo, el combustible, los arranques y las condiciones de funcionamiento; por tanto, compare los programas de mantenimiento de los proveedores con la misma carga anual de trabajo.

Evalúe las emisiones y la instalación como sistemas completos

Los requisitos de permisos y los límites del emplazamiento pueden influir en la selección del equipo tanto como la eficiencia. Compare los óxidos de nitrógeno, el monóxido de carbono y las demás emisiones pertinentes en los puntos de funcionamiento que utilizará realmente la planta, incluidos el arranque y la carga parcial cuando corresponda. Pregunte si los valores indicados dependen de controles de combustión o de un tratamiento posterior de los gases de escape, e incluya los consumibles, las pérdidas de presión, el espacio y el mantenimiento asociados.

Las limitaciones de instalación también varían según el proyecto. Revise la filtración del aire de admisión, el trazado de los gases de escape, el control del ruido, la ventilación, la refrigeración, los cimientos, la protección contra incendios y el acceso para retirar los equipos. Incluso un grupo electrógeno compacto puede requerir una infraestructura considerable a su alrededor. En los proyectos de recuperación de calor, la ubicación de los consumidores de vapor y de las calderas existentes puede afectar de manera significativa al coste de las tuberías y a las pérdidas de calor.

Realice la comparación con las mismas condiciones de funcionamiento

Antes de solicitar propuestas definitivas, establezca un conjunto común de supuestos: perfiles de carga eléctrica y térmica, condiciones ambientales, características y presión del combustible, horas de funcionamiento, conexión a la red, límites de emisiones y disponibilidad requerida. Pida a cada proveedor que detalle qué incluye su propuesta e indique las condiciones en las que se basan sus garantías.

Elabore la comparación del coste del ciclo de vida teniendo en cuenta la electricidad neta suministrada, el combustible consumido, el calor realmente utilizado, el mantenimiento rutinario, el servicio general, los equipos auxiliares y los tiempos de parada previstos. Incluya la necesidad restante de electricidad de la red o de las calderas cuando la unidad propuesta no pueda cubrir toda la demanda.

Si la instalación tiene una demanda estable tanto de electricidad como de calor a alta temperatura, considere seriamente una configuración de cogeneración basada en turbinas. Si la demanda varía considerablemente, la demanda de calor es limitada o resulta muy valioso mantener parte de la capacidad durante el mantenimiento, compare detenidamente una planta modular de motores. La opción preferible es la que satisface los requisitos operativos del emplazamiento con el menor coste del ciclo de vida que resulte creíble, no la que tenga la especificación independiente más destacada.