Con la evolución constante de la generación de energía, dos tecnologías descentralizadas destacan por su eficiencia y fiabilidad: los motores de combustión interna a gas y las turbinas de gas. Ambas ofrecen la ventaja de reducir la dependencia de la transmisión y distribución de electricidad a larga distancia, pero cada tecnología ofrece ventajas y aplicaciones específicas. Comprender sus principales diferencias puede ayudar a tomar decisiones informadas sobre las tecnologías descentralizadas de generación de energía.
Tecnología de motores de combustión interna de gas
Estos motores de combustión interna funcionan con combustibles gaseosos para generar electricidad. Se utilizan ampliamente en centrales eléctricas, instalaciones industriales y otros sectores donde se requiere una generación de energía fiable in situ.
¿Cuál es el alcance típico de una planta de energía con motor de gas?
- Motor de gas: Es el corazón del grupo electrógeno (genset) y funciona según el principio de combustión interna, donde se enciende una mezcla de gas y aire o se inyecta combustible a través de un sistema de inyección de aire directa en los cilindros para producir energía mecánica.
- Generador: Acoplado al motor, el generador (o alternador) convierte la energía mecánica producida en energía eléctrica. Consiste en un rotor giratorio dentro de un estator que crea un campo electromagnético, induciendo una corriente.
- Sistema de control: El panel de control, junto con el software asociado, supervisa y controla el funcionamiento de la planta de energía con motor a gas. Permite que este funcione de forma segura, eficiente y fiable, arrancándolo y parándolo de forma automática, regulando la tensión de salida y protegiéndolo de sobrecargas y otras anomalías.
- Intercambiadores de calor: Se usa para capturar el calor residual del motor durante la generación de electricidad, Este calor, que de otro modo se desperdiciaría, se reutiliza para calefacción in situ, calefacción urbana, procesos industriales o incluso refrigeración (mediante enfriadores de absorción externos), la eficiencia general del sistema mejora significativamente.
- Equipo auxiliar: Incluye sistemas de refrigeración, escape, combustible, arranque y otros.
Estos componentes trabajan en conjunto para permitir que la planta de energía con motor funcione de manera eficiente y confiable, proporcionando un suministro constante de electricidad y calor, si es necesario.
¿Cómo funciona el motor de gas?
El proceso comienza con la entrada de una mezcla de aire y combustible (como gas natural, biogás u otros combustibles gaseosos) a la cámara de combustión del motor. La mezcla se comprime mediante un pistón y se enciende mediante una bujía. La explosión resultante impulsa el pistón hacia abajo, girando el cigüeñal y generando energía mecánica. Esta energía mecánica se convierte en energía eléctrica mediante un alternador acoplado al motor. Actualmente existen versiones de motor específicas que utilizan tecnología de inyección directa para mejorar tanto la combustión de combustibles como el hidrógeno.
INNIO Group ofrece una amplia gama de soluciones de motores de gas diseñadas para ofrecer una excelente eficiencia, fiabilidad y flexibilidad. Estas plantas de energía con motor se pueden utilizar en diversas aplicaciones, como la generación de energía; la cogeneración (CHP) y la combinación de refrigeración, calor y electricidad (CCHP) o trigeneración.
Tecnología de turbinas de gas
Una central eléctrica de turbina de gas estándar tiene un alcance similar al de una central con motor de gas. Sin embargo, en este caso, la unidad de turbina de gas convierte la energía de la combustión del gas en energía mecánica para hacer girar la turbina. Esta tecnología se utiliza ampliamente en grandes centrales eléctricas y en algunas industrias especificas debido a su eficiencia total, flexibilidad y fiabilidad.
¿Cómo funciona la turbina de gas?
- Entrada de aire: El proceso comienza con la entrada de aire, el cual se comprime, generalmente con un compresor centrífugo o axial.
- Combustión de combustible: El aire comprimido se mezcla con combustible (normalmente gas natural o diésel) en una cámara de combustión. La mezcla de combustible y aire se enciende, produciendo gas a alta temperatura y presión.
- Generación de energía: Este gas a alta presión se dirige hacia los álabes de la turbina, haciéndolos girar. La turbina, al girar, está conectada a un generador, que convierte la energía mecánica en energía eléctrica.
- Recuperación de calor: El calor de escape de la turbina se puede utilizar en intercambiadores de calor para generar agua caliente o vapor para diversas aplicaciones, un proceso conocido como cogeneración. En las centrales eléctricas de ciclo combinado con turbina de gas (CCGT), el calor de los gases de escape se utiliza para producir vapor, que impulsa una turbina de vapor para generar electricidad adicional. Estos procesos mejoran significativamente la eficiencia general de la central.
Tabla comparativa de motores de gas y turbinas de gas
| Parámetro | Motor de gas | Turbina de gas |
| Eficiencia eléctrica (ciclo simple) | 39 – 49% | 30 – 42% |
| Eficiencia eléctrica (ciclo combinado) | N/A | 50 – 63% |
| Eficiencia total (eléctrica + térmica) | 80 – 95% | 75 – 85% |
| Calor de escape disponible | 400 – 500°C | 450 – 650°C |
| Presión de escape requerida | < 500mbar - 12bar | 20bar - 50bar+ |
| Tiempo de arranque | 45 sec – 5 min | 5 – 10 min; 30 – 60 min (CGT) |
| Limitaciones de arranque | Sin restricciones | Se requiere una ventana de operación de 1 hora |
| Tiempo de aceptación de carga | < 15 sec | > 2 min hasta la sincronización |
| Huella de carbono | + | + |
| Movilidad | ++ | ++ |
| Intervalo de revisión | 60,000 – 80,000 horas | 100,000 – 150,000 horas |
| CAPEX | +++ | +++ (ciclo simple); ++ (ciclo combinado) |
| OPEX | ++ | + (ciclo simple); +++ (ciclo combinado) |
| COD | Varias semanas | Varios meses |
| Flexibilidad de temperatura ambiente y altitud | +++ | O |
Seleccionar la tecnología adecuada para la generación de energía
Los requisitos específicos de su proyecto de generación de energía determinarán la tecnología a elegir (motor de gas o turbina de gas). Cada una tiene sus propias fortalezas y debilidades. Un análisis exhaustivo es esencial para identificar la mejor solución para sus necesidades de generación de energía. Utilice la tabla anterior y considere los siguientes factores en su decisión:
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Eficiencia
Los motores a gas ofrecen una mayor eficiencia eléctrica en aplicaciones de ciclo simple mientras que las turbinas de gas pueden alcanzar mayores eficiencias que los motores de gas en aplicaciones de ciclo combinado,. Las configuraciones de ciclo combinado de turbinas de gas (CCGT) suelen requerir tiempos de arranque más largos, lo que puede convertir a las turbinas de gas en una buena opción para la generación de energía continua con carga base. Por otro lado, los motores de gas tienden a tener mejores eficiencias a carga parcial, lo que los hace más adecuados para aplicaciones con perfiles de carga variables o para centrales eléctricas de pico que necesitan aumentar y disminuir rápidamente su capacidad. Mediante la conexión en cascada de motores de gas, se pueden lograr eficiencias de planta cercanas al valor nominal en un rango muy amplio de carga de la planta.
Fuente: INNIO Group
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Flexibilidad
Los motores de gas pueden arrancar y parar rápidamente, así como aumentar y reducir su potencia con rapidez. Esto los convierte en una excelente opción para aplicaciones que requieren un alto grado de flexibilidad, como el balance de carga de la red o la integración con fuentes de energía renovables. Las turbinas de gas, especialmente las unidades más grandes y las aplicaciones de ciclo combinado (CCGT), requieren tiempos de arranque y reinicio más largos.
Fuente: INNIO Group
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Tipo de combustible
Los motores de gas ofrecen una mayor flexibilidad de combustible y pueden funcionar con una amplia gama de combustibles gaseosos, pero los requisitos específicos de manejo del combustible pueden variar.
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Tamaño y escalabilidad
Las turbinas de gas están disponibles en varios tamaños, desde pequeñas microturbinas hasta grandes unidades industriales. Esto las hace adecuadas para una amplia gama de aplicaciones de generación de energía, desde generación distribuida hasta grandes centrales eléctricas. Si bien los motores de gas se utilizan generalmente en aplicaciones de generación de energía de tamaño pequeño y mediano, gracias a su facilidad de modularidad se pueden escalar, por lo que también son adecuados para aplicaciones en centrales eléctricas de mayor tamaño.
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Presión del gas
Las turbinas de gas, en general, son más sensibles a los cambios en la presión del gas combustible. Si la presión es demasiado baja, puede afectar el proceso de combustión y reducir la eficiencia y la potencia de la turbina. Por otro lado, los motores de gas suelen funcionar eficazmente en un rango más amplio de presiones de gas. El requisito de presión absoluta de gas es mayor para las turbinas de gas, especialmente en ubicaciones con baja presión de gas (por ejemplo, en redes de distribución), es necesario incluir un compresor de gas, pero aumenta considerablemente las cargas parásitas en las turbinas de gas.
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CAPEX y OPEX
Los motores de gas suelen tener un menor costo de capital inicial en comparación con las turbinas de gas. Si bien pueden requerir un mantenimiento más frecuente, estas tareas suelen ser más sencillas y, por lo tanto, menos costosas, y requieren menos tiempo de paro. Las turbinas de gas tienen un CAPEX inicial más alto, aunque pueden operar durante períodos más largos entre revisiones, pero las tareas de mantenimiento pueden ser más complejas y costosas, con tiempos de paro más prolongados. Con un mantenimiento adecuado, ambas tecnologías pueden tener una vida útil similar.
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Impacto ambiental
Los motores y turbinas de gas suelen tener bajos niveles de emisiones. Sin embargo, para una descarbonización mayor, se logra mediante tecnologías adicionales de control de emisiones, como los sistemas SCR, o el uso de combustibles neutros en carbono, como el hidrógeno verde.
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Sensibilidad a la altitud
A medida que aumenta la altitud, el aire se vuelve menos denso, lo que puede reducir la potencia y la eficiencia de ambas tecnologías. Sin embargo, las turbinas de gas generalmente se ven más afectadas por los cambios de altitud que los motores de gas. La tecnología de turboalimentación de dos etapas de los motores de gas permite una potencia estable incluso a mayor altitud. Esta capacidad presenta desafíos para la tecnología de turbinas.
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Temperatura ambiente
Aunque una temperatura ambiente más alta puede reducir la densidad del aire de admisión, lo que a su vez puede reducir la potencia de ambas tecnologías, los motores de gas tienen un rendimiento significativamente mejor que las turbinas de gas a altas temperaturas. Las turbinas de gas absorben grandes cantidades de aire para la combustión, y la temperatura afecta directamente la densidad de este aire. Con sistemas de control, se puede mejorar aún más la mezcla de combustible y aire, así como la sincronización del encendido, para compensar estos cambios, lo que ayuda a mantener el rendimiento. Las potencias nominales de las turbinas de gas se suelen indicar según las normas ISO a una temperatura ambiente de 15 °C, y la tecnología de turbinas de gas especifica la potencia de salida según la norma ISO a 25 °C. La tecnología de turbocompresor de dos etapas permite que los motores de gas funcionen a plena carga a temperaturas ambiente muy superiores a 45 °C. Mediante un simple ajuste del turbocompresor, se puede lograr un mejor rendimiento con los motores de gas a altas temperaturas, mientras que la tecnología de turbinas requiere refrigeración activa de la entrada de aire, lo que implica costos adicionales y también consume recursos valiosos como el agua.
La solución Jenbacher
Central eléctrica Jenbacher de 50 MW
Ventajas de la tecnología de motores Jenbacher:
- Eficiencia: Los motores de gas pueden alcanzar altos niveles de eficiencia, particularmente en sistemas combinados de calor y energía (CHP) y en altitudes y temperaturas ambientales elevadas.
- Flexibilidad: Gracias a su rápida capacidad de arranque y paro, los motores de gas responden eficientemente a los cambios en la demanda de potencia. Además, pueden funcionar en modo de carga parcial según sea necesario y su tamaño es escalable.
- Impacto ambiental: Los motores de gas también pueden funcionar con una amplia gama de fuentes de energía, incluidos combustibles renovables como biogás, gases de subprocesos industriales e incluso hidrógeno de hasta el 100%.
- Soluciones modulares: Un diseño modular y una alta confiabilidad de los motores, ayudan a aumentar el tiempo de operación y reducir los requisitos de mantenimiento en una planta de generación de energía.
- Soluciones digitales avanzadas: La plataforma myPlant impulsada por IA para un monitoreo remoto junto con un análisis predictivo, ayuda a mejorar el rendimiento y eficiencia de una flota de motores a gas.
- Apoyo a la transición energética: Con la creciente participación de fuentes de energía renovables (FER) y soluciones de generación de energía descentralizada, los motores de gas desempeñan un papel importante en la transición energética al proporcionar energía flexible, eficiente y confiable a la red, garantizando la estabilidad en combinación con fuentes de energía renovables variables.
Con más de 13 000 sistemas de cogeneración Jenbacher distribuidos en todo el mundo, INNIO Group es líder tecnológico global en generación de energía a partir de motores de gases. Nuestros expertos en Jenbacher pueden colaborar con usted para determinar si los motores de gas son la opción adecuada para su proyecto de generación de energía. Y, gracias a nuestra amplia experiencia, podemos analizar a fondo los costos y beneficios de su proyecto para encontrar la solución que mejor se adapte a sus necesidades específicas.
Una planta de cogeneración Jenbacher consta de una unidad de generación de energía con un motor y un generador, además de intercambiadores de calor para aprovechar el calor resultante del proceso de combustión. Los sistemas de energía utilizan todas las fuentes de calor relacionadas, como el agua de refrigeración del motor, el aceite lubricante, la mezcla de aire y gas combustible, y los gases de escape. Se pueden alcanzar temperaturas del agua de 100 °C o superiores, lo que confiere a las soluciones de cogeneración y CCHP de Jenbacher una gran flexibilidad.
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