Las turbinas de gas tienen distintos tamaños. Aunque las grandes turbinas de combustión parecen llevarse la mayor parte de la publicidad, con empresas como Siemens, GE y Mitsubishi Hitachi Power Systems haciendo el mayor ruido, varias empresas más pequeñas han descubierto nichos en el mercado de las microturbinas. Sus innovadores diseños están despertando interés en los segmentos comercial e industrial.
Cuando mucha gente piensa en microturbinas, suele imaginarse pequeñas unidades que producen tan sólo 30 kW de potencia. Aunque este tipo de unidades son novedosas, el sector ha evolucionado mucho en la última década y, en la actualidad, las unidades multipack pueden alcanzar hasta 30 MW de capacidad total.
La consultora ICF Inc. mantiene una base de datos de instalaciones de producción combinada de calor y electricidad (CHP) para el Departamento de Energía de Estados Unidos. Se considera la fuente de información más completa sobre instalaciones de cogeneración del país. ICF informó recientemente de que las microturbinas captaron una cuota de mercado del 25% de las instalaciones de cogeneración de Estados Unidos en el rango de 100 kW a 5 MW durante el periodo 2013-2017. Eso marcó un nuevo récord.
Según la base de datos, la capacidad total instalada de sistemas de CHP de menos de 5 MW fue de 2.631,4 MW a finales de 2017. ICF prevé que las instalaciones de capacidad anual de CHP en Estados Unidos crecerán de 561 MW en 2017 a hasta 1.400 MW en 2026. Se espera que el crecimiento sea impulsado por las aplicaciones comerciales más pequeñas que suelen ser compatibles con la tecnología de microturbinas.
«Teniendo en cuenta los bajos precios récord del gas y su estabilidad en el futuro previsible, el desarrollo de proyectos de cogeneración presenta una oportunidad atractiva con múltiples flujos de ingresos: vapor vendido a los anfitriones para los procesos industriales y energía eléctrica vendida a la red», dijo a POWER Siraj Taj, director y propietario de ST Power Services Consultants. «Los consumidores comerciales e industriales están evaluando la viabilidad económica de la cogeneración detrás de la red para reducir los costes operativos, mejorar la fiabilidad, alcanzar los objetivos de eficiencia energética y reducir su huella de carbono», añadió.
Energía para procesos industriales
Hace casi una década, POWER informaba sobre el crecimiento de los sistemas de microturbinas (véase «La tecnología de microturbinas madura» en el número de noviembre de 2010). Capstone Turbine Corp., que afirma ser el líder mundial en el desarrollo y la fabricación de sistemas de generación de energía con microturbinas, ya comercializaba entonces unidades individuales con capacidades de hasta 1 MW. Hoy en día, todas las unidades de Capstone pueden conectarse en paralelo con una capacidad de hasta 30 MW.
Para entender dónde pueden ser beneficiosos estos paquetes, consideremos Felsineo La Mortadella. La empresa es un procesador de alimentos italiano que produce un embutido de cerdo finamente molido y curado al calor. Aparece en un estudio de caso publicado en el sitio web de Capstone.
Felsineo buscaba actualizar el sistema de generación de energía en su planta de fabricación principal en Bolonia. La empresa decidió instalar la microturbina C1000 de Capstone, alimentada con gas natural (figura 1), junto con un compresor de gas y un generador de vapor de postcombustión. El proyecto de Felsineo fue la primera microturbina de Capstone que utilizó una solución de vapor de postcombustión, que satisfizo con éxito las demandas eléctricas y térmicas de la instalación. La eficiencia global de la planta de fabricación mejoró un 30%, ahorrando a Felsineo unos 300.000 euros al año, según el estudio del caso.
1. Capstone Turbine Corp. ofrece una línea de microturbinas que van desde su diseño C30 de 30 kW (mostrado aquí) hasta su unidad C1000S de 1 MW. Cortesía: Capstone Turbine Corp.
«La nueva línea de productos Signature Series de Capstone está logrando avances significativos en el mercado de la cogeneración, que se centra específicamente en el crecimiento de la vertical del mercado de la eficiencia energética y sigue diversificando el negocio de Capstone», dijo Jim Crouse, vicepresidente ejecutivo de Ventas y Marketing de Capstone, en un reciente comunicado de prensa sobre el crecimiento del mercado de la cogeneración.
La pequeña turbina de gas más eficiente del mundo
Aurelia Turbines es una empresa relativamente nueva en el mercado -se fundó en 2013-, pero su tecnología lleva décadas en desarrollo. La oficina principal y las instalaciones de fabricación de la empresa se encuentran en Lappeenranta (Finlandia). La ubicación es significativa porque Aurelia trabajó en colaboración con la Universidad Tecnológica de Lappeenranta para desarrollar su nueva turbina de gas.
Según el CEO de Aurelia, Matti Malkamäki, Lappeenranta es «un poco como un Silicon Valley para la tecnología de alta velocidad». En una entrevista exclusiva con POWER, Malkamäki dijo que estableció la empresa específicamente en Lappeenranta por «los conocimientos técnicos» que existían en la zona. «En las primeras fases, había cinco profesores diferentes de la universidad y sus respectivos equipos de investigación, en total más de 30, que diseñaban la turbina. Sin ellos, este producto nunca habría visto la luz», dijo.
La turbina de gas Aurelia utiliza lo que la empresa llama un proceso IRG2 (generador intercooler y recuperado en dos carretes). Aunque existen turbinas de varios carretes y turbinas recuperadas/interenfriadas de otras formas, la turbina A400 de Aurelia es la primera de su clase que utiliza todas estas características en la misma unidad (Figura 2).
2. Este diagrama muestra el proceso IRG2 (generador interenfriado y recuperado en dos carretes). Los principales componentes del diseño de Aurelia incluyen compresores de baja presión (LP) y de alta presión (HP), turbinas y generadores. Cortesía: Aurelia Turbines
La recompensa es una mayor eficiencia. Aurelia afirma que tiene las pequeñas turbinas de gas más eficientes del mundo en cuanto a rendimiento eléctrico.
«No estamos haciendo ningún milagro», explicó Malkamäki. «La mayor diferencia con respecto a otras turbinas de gas de tamaño similar es simplemente el hecho de que tenemos dos ejes. Tenemos el eje de baja presión y el de alta presión. Esto significa que tenemos dos generadores. Ambos no tienen caja de cambios, por lo que son ejes de alta velocidad. Y tenemos el compresor de baja presión después del cual tenemos el intercooler y eso hace que el resto del proceso de conversión sea mucho más eficiente ya que el aire es entonces más denso y más frío. Luego tenemos un recuperador, es decir, una turbina recuperada, pero tenemos una relación de presión un poco más alta en la cámara de combustión que todas las demás turbinas de tamaño similar. Mientras que el diseño de Capstone es idóneo para las instalaciones de cogeneración, en las que el calor de los gases de escape puede utilizarse para mejorar la eficiencia general, Aurelia se ha orientado a las aplicaciones en las que la electricidad es el motor que impulsa la decisión de instalar una turbina. La turbina Aurelia puede seguir utilizándose en aplicaciones de cogeneración, pero en función de los requisitos concretos del emplazamiento, también puede ser necesario un quemador de conducto.
«Estamos compitiendo más con los motores de gas», dijo Malkamäki. En ese ámbito, Aurelia ofrece más flexibilidad de combustible y menos emisiones. «Tenemos una ventana mucho mayor para los distintos combustibles. Podemos utilizar biogases muy pobres que no son adecuados para los motores. Aquí es donde vemos el primer nicho de mercado para nosotros».
Otra característica única diseñada en la turbina Aurelia son los cojinetes magnéticos activos. Los cojinetes no necesitan aceite, lo que elimina la posibilidad de fugas y reduce el mantenimiento. El diseño no es nuevo. Sulzer, que también está presente en Lappeenranta, utiliza rodamientos similares en algunos de sus equipos, como en los turbocompresores de alta velocidad para plantas de tratamiento de aguas residuales y otros. El éxito en estas aplicaciones dio a Aurelia confianza en el sistema de rodamientos que se utiliza en el diseño de la turbina.
«En este negocio, todo es cuestión de fiabilidad y de demostrar que eres una empresa de confianza», dijo Malkamäki. Aurelia está tratando de hacer todo lo posible «para predicar con el ejemplo», añadió.
Soluciones adicionales de cogeneración
Centrax, con sede en el Reino Unido, es otro proveedor de soluciones para pequeñas turbinas de gas. En octubre de 2017, puso en marcha un proyecto en Bolonia, Italia, también. Esa instalación utiliza dos grupos electrógenos CX501-KB5 DLE, cada uno de los cuales proporciona hasta 3,9 MW de energía eléctrica, acoplados a calderas industriales que tienen capacidad para proporcionar calefacción a unos 8.000 hogares de la ciudad. Los dos grupos están alimentados por turbinas de gas Siemens 501-K.
Hera, la empresa multiservicios propietaria de la instalación, invirtió más de 17 millones de euros en el proyecto, que se ubica en una planta que lleva funcionando desde los años 90. Según la empresa, el impulso de la actualización fue para mejorar la eficiencia energética y la sostenibilidad medioambiental. Parte de la antigua planta fue demolida en mayo de 2015, y la central eléctrica comenzó a alimentar la red de calefacción urbana en menos de 18 meses.
«Los grupos electrógenos 501-KB5 DLE son muy adecuados para este proyecto, ya que proporcionan a Hera una solución compacta y a la vez potente que permite una excelente flexibilidad en función de las necesidades de calor y electricidad», dijo Chris Dumont, director ejecutivo de Ventas y Marketing de Centrax, en un comunicado de prensa en el que se anunciaba la inauguración de la planta. «Gracias a la nueva tecnología, Hera puede controlar las instalaciones desde un centro remoto, lo que permite reducir al mínimo las necesidades de personal en el emplazamiento».
OPRA Turbines, empresa del grupo Dalian Energas con sede en los Países Bajos, ofrece otro paquete de pequeñas turbinas de gas. Su turbina de gas OP16 tiene un diseño totalmente radial. Se dice que es única porque sus avanzados sistemas de combustión ofrecen la posibilidad de manejar una amplia gama de combustibles líquidos y gaseosos. La moderada relación de presión de la OP16 hace posible que funcione con una baja presión de gas combustible, y puede equiparse con quemadores de bajas emisiones o de combustible de bajo BTU. Según la empresa, su exclusiva tecnología de combustión puede convertir el gas combustible sucio que, de otro modo, se quemaría, se vaciaría o simplemente se desperdiciaría en «energía verde y gas de escape limpio».
Un ejemplo de la solución de OPRA en acción puede encontrarse en una instalación de producción de placas de yeso de Siniat en los Países Bajos. El proceso de Siniat requería el suministro continuo de 5,8 MWth y 1,8 MWe. Tras estudiar sus opciones, la empresa decidió utilizar la turbina de gas OP16 en modo isla. Los gases de escape que salen de la turbina a 575C se conducen directamente a los secadores y calcinadores. Como resultado, el rendimiento eléctrico y térmico total de la planta supera el 85%. Los gases de escape contienen un 15% de O 2, lo que permite aplicar fácilmente la postcombustión en las entradas de los secadores, si se requiere potencia térmica adicional. Además, la unidad se instaló en solo dos semanas en la misma zona que una turbina de gas radial más antigua ya existente. ■
-Aaron Larson es el editor ejecutivo de POWER.