Desarrollo de un modelo para la caracterización termoeconómica de ciclos combinados de turbinas de gas y de vapor en condiciones de carga variable

En la actualidad, el interés por las plantas de potencia de ciclo combinado de gas y vapor ha experimentado un notable aumento debido a su alto rendimiento, bajo coste de generación y rápida construcción. El objetivo fundamental de la tesis es profundizar en el conocimiento de esta tecnología, insuficientemente conocida hasta el momento debido al gran número de grados de libertad que existen en el diseño de este tipo de instalaciones. El estudio se realizó en varias fases. La primera consistió en analizar y estudiar las distintas tecnologías que se pueden emplear en este tipo de centrales, algunas muy recientes o en fase de investigación, como las turbinas de gas de geometría variable, las turbinas de gas refrigeradas con agua o vapor del ciclo de vapor o las calderas de paso único que trabajan con agua en condiciones supercríticas. Posteriormente se elaboraron los modelos matemáticos que permiten la simulación termodinámica de cada uno de los componentes que integran las plantas, tanto en el punto de diseño como a cargas parciales. Al mismo tiempo, se desarrolló una metodología novedosa que permite resolver el sistema de ecuaciones que resulta de la simulación de cualquier configuración posible de ciclo combinado. De esa forma se puede conocer el comportamiento de cualquier planta en cualquier punto de funcionamiento. Por último se desarrolló un modelo de atribución de costes para este tipo de centrales. Con dicho modelo, los estudios se pueden realizar no sólo desde un punto de vista termodinámico sino también termoeconómico, con lo que se pueden encontrar soluciones de compromiso entre rendimiento y coste, asignar costes de producción, determinar curvas de oferta, beneficios económicos de la planta y delimitar el rango de potencias donde la planta es rentable. El programa informático, desarrollado en paralelo con los modelos de simulación, se ha empleado para obtener resultados de forma intensiva. El estudio de los resultados permite profundizar ampliamente en el conocimiento de la tecnología y, así, desarrollar una metodología de diseño de este tipo de plantas bajo un criterio termoeconómico. ABSTRACT The growing energy demand and the need of shrinking costs have led to the design of high efficiency and quick installation power plants. The success of combined cycle gas turbine power plants lies on their high efficiency, low cost and short construction lead time. The main objective of the work is to study in detail this technology, which is not thoroughly known owing to the great number of degrees of freedom that exist in the design of this kind of power plants. The study is divided into three parts. Firstly, the different technologies and components that could be used in any configuration of a combined cycle gas turbine power plant are studied. Some of them could be of recent technology, such as the variable inlet guide vane compressors, the H-technology for gas turbine cooling or the once-through heat recovery steam generators, used with water at supercritical conditions. Secondly, a mathematical model has been developed to simulate at full and part load the components of the power plant. At the same time, a new methodology is proposed in order to solve the equation system resulting for any possible power plant configuration. Therefore, any combined cycle gas turbine could be simulated at any part load condition. Finally a themoeconomic model is proposed. This model allows studying the power plant not only from a thermodynamic point of view but also from a thermoeconomic one. Likewise, it allows determining the generating costs or the cash flow, thus achieving a trade off between efficiency and cost. Likewise, the model calculates the part load range where the power plant is profitable. Once the thermodynamic and thermoeconomic models are developed, they are intensively used in order to gain knowledge in the combined cycle gas turbine technology and, in this way, to propose a methodology aimed at the design of this kind of power plants from a thermoeconomic point of view.

Estudio energético comparativo de diferentes configuraciones de ciclo combinado

El objetivo del presente proyecto consiste en la modelización y optimización de una planta de gasificación integrada en ciclo combinado de 400 MW de potencia neta, mediante el uso del programa Cycle-Tempo, desarrollado por la Universidad de Delft. Para la modelización de la planta, se ha dividido en sus dos unidades principales: la isla de gasificación y el ciclo combinado. Para la validación del modelo de la isla de gasificación, se ha utilizado una composición de referencia de un combustible gasificable y se ha obtenido la composición del gas de síntesis esperada. Se han modelado y optimizado varias configuraciones de ciclo combinado, variando los parámetros característicos de la caldera de recuperación de calor. Se ha realizado la integración de las dos unidades para maximizar la potencia entregada por la planta. Finalmente, se ha estimado el balance anual de energía del ciclo combinado alimentado con gas natural y con el gas de síntesis, con el fin de comparar las rentabilidades económicas obtenidas. Mediante el estudio realizado, se deduce que la forma más eficiente de producir energía, a partir del uso del carbón, es la tecnología de gasificación integrada en ciclo combinado, pese a que su rendimiento sea inferior al ciclo combinado alimentado con gas natural. ABSTRACT The aim of this project is the modeling and optimization of an integrated gasification combined cycle plant of 400 MW net power, using the Cycle-Tempo program, developed by the University of Delft. For the modeling of the plant, it has been divided into its two main units: the island of gasification and the combined cycle. For the model validation of the gasification island, a reference composition of a gasifiable fuel has been used and the expected synthesis gas composition was obtained. Several configurations of combined cycle have been modeled and optimized by varying the characteristic parameters of the heat recovery steam generator. It has made the integration of the two units to reach maximum optimization of power, which has been delivered by the plant. Finally, it has been estimated the annual energy balance for the combined cycle plant fueled with natural gas and with syngas, in order to compare the profitability obtained with each one. Through the study, it is deduced that the most efficient way to produce energy from the use of coal, is the integrated gasification combined cycle technology, although their performance is lower than that obtained from the combined cycle fueled with natural gas.

Gasification technology assessment of sterile coal to clean electrical power generation.

Sterile coal is a low-value residue associated to the coal extraction and mining activity. According to the type and origin of the coal bed configuration, sterile coal production can mainly vary on quantity, calorific value and presence of sulphur compounds. In addition, the potential availability of sterile coal within Spain is apparently high and its contribution to the local power generation would be of interest playing a significant role. The proposed study evaluates the availability and deployment of gasification technologies to drive clean electricity generation from waste coal and sterile rock coal, incorporating greenhouse gas emission mitigation systems, like CO2, H2S and NOx removal systems. It establishes the target facility and its conceptual basic design proposal. The syngas obtained after the gasification of sterile coal is processed through specific conditioning units before entering into the combustion chamber of a gas turbine. Flue gas leaving the gas turbine is ducted to a heat recovery steam generation boiler; the steam produced within the boilerdrives a steam turbine. The target facility resembles a singular Integrated Gasification in Combined Cycle (IGCC) power station. The evaluation of the conceptual basic design according to the power output set for a maximum sterile contribution, established that rates over 95% H2S and 90% CO2 removal can be achieved. Noticeable decrease of NOx compounds can be also achieved by the use of commercial technology. A techno-economic approach of the conceptual basic design is made evaluating the integration of potential unitsand their implementation within the target facility aiming toachieve clean power generation. The criterion to be compliant with the most restrictive regulation regarding environmental emissions is setting to carry out this analysis.

Caracterización de la ventilación en la edificación residencial existente. Conciliación entre calidad del aire interior y eficiencia en la rehabilitación energética

La edificación residencial existente en España y en Europa se encuentra abocada a una rehabilitación profunda para cumplir los objetivos marcados en la estrategia europea para el año 2050. Estos, para el sector de la edificación, se proponen una reducción del 90% de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) respecto a niveles del año 1990. Este plan a largo plazo establece hitos intermedios de control, con objetivos parciales para el año 2020 y 2030. El objetivo último es aprovechar el potencial de reducción de demanda energética del sector de la edificación, del cual la edificación residencial supone el 85% en España. Dentro de estos requerimientos, de reducción de demanda energética en la edificación, la ventilación en la edificación residencial se convierte en uno de los retos a resolver por su vinculación directa a la salud y el confort de los ocupantes de la misma, y al mismo tiempo su relación proporcional con la demanda energética que presenta el edificio asociada al acondicionamiento térmico. Gran parte de las pérdidas térmicas de la edificación residencial se producen por el aire de renovación y la infiltración de aire a través de la envolvente. La directiva europea de eficiencia energética de la edificación (EPBD), que establece las directrices necesarias para alcanzar los objetivos de este sector en cuanto a emisiones de CO2 y gases de efecto invernadero (GEI), contempla la ventilación con aire limpio como un requisito fundamental a tener en cuenta de cara a las nuevas construcciones y a la rehabilitación energética de los edificios existentes. El síndrome del edificio enfermo, un conjunto de molestias y síntomas asociados a la baja calidad del aire de edificios no residenciales que surgió a raíz de la crisis del petróleo de 1973, tuvo su origen en una ventilación deficiente y una renovación del aire interior insuficiente de estos edificios, producto del intento de ahorro en la factura energética. Teniendo en cuenta que, de media, pasamos un 58% de nuestro tiempo en las viviendas, es fundamental cuidar la calidad del aire interior y no empeorarla aplicando medidas de “eficiencia energética” con efectos no esperados. Para conseguir esto es fundamental conocer en profundidad cómo se produce la ventilación en la edificación en bloque en España en sus aspectos de calidad del aire interior y demanda energética asociada a la ventilación. El objetivo de esta tesis es establecer una metodología de caracterización y de optimización de las necesidades de ventilación para los espacios residenciales existentes en España que aúne el doble objetivo de garantizar la calidad ambiental y reducir la demanda energética de los mismos. La caracterización del parque edificatorio residencial español en cuanto a ventilación es concluyente: La vivienda en España se distribuye principalmente en tres periodos en los que se encuentran más del 80% del total de las viviendas construidas. El periodo anterior a las normas básicas de la edificación (NBE), de 1960 a 1980, el periodo desde 1980 al año 2005, con el mayor número total de viviendas construidas, guiado por la NTE ISV 75, y el periodo correspondiente a la edificación construida a partir del Código Técnico de la Edificación, en 2006, cuyo documento básico de condiciones de salubridad (DB HS3) es la primera norma de obligado cumplimiento en diseño y dimensionamiento de ventilación residencial en España. La selección de un modelo de bloque de viviendas de referencia, un valor medio y representativo, seleccionado de entre estos periodos, pero con cualidades que se extienden más allá de uno de ellos, nos permite realizar un intensivo análisis comparativo de las condiciones de calidad de aire interior y la demanda energética del mismo, aplicando las distintas configuraciones que presenta la ventilación en viviendas dependiendo del escenario o época constructiva (o normativa) en que esta fuera construida. Este análisis se lleva a cabo apoyándose en un doble enfoque: el modelado numérico de simulaciones y el análisis de datos experimentales, para comprobar y afinar los modelos y observar la situación real de las viviendas en estos dos aspectos. Gracias a las conclusiones del análisis previo, se define una estrategia de optimización de la ventilación basada fundamentalmente en dos medidas: 1) La introducción de un sistema de extracción mecánica y recuperación de calor que permita reducir la demanda energética debida a la renovación del aire y a la vez diluir los contaminantes interiores más eficazmente para mejorar, de esta forma, la calidad del ambiente interior. 2) La racionalización del horario de utilización de estos sistemas, no malgastando la energía en periodos de no ocupación, permitiendo una leve ventilación de fondo, debida a la infiltración, que no incida en pérdidas energéticas cuantiosas. A esta optimización, además de aplicar la metodología de análisis previo, en cuanto a demanda energética y calidad del aire, se aplica una valoración económica integradora y comparativa basada en el reglamento delegado EU244/2012 de coste óptimo (Cost Optimal Methodology). Los resultados principales de esta tesis son: • Un diagnóstico de la calidad del aire interior de la edificación residencial en España y su demanda energética asociada, imprescindible para lograr una rehabilitación energética profunda garantizando la calidad del aire interior. • Un indicador de la relación directa entre calidad de aire y demanda energética, para evaluar la adecuación de los sistemas de ventilación, respecto de las nuevas normativas de eficiencia energética y ventilación. • Una estrategia de optimización, que ofrece una alternativa de intervención, y la aplicación de un método de valoración que permite evaluar la amortización comparada de la instalación de los sistemas. ABSTRACT The housing building stock already built in Spain and Europe faces a deep renovation in the present and near future to accomplish with the objectives agreed in the European strategy for 2050. These objectives, for the building sector, are set in a 90% of Green House Gases (GHG) reduction compared to levels in 1990. This long‐term plan has set milestones to control the correct advance of achievement in 2020 and 2030. The main objective is to take advantage of the great potential to reduce energy demand from the building sector, in which housing represents 85% share in Spain. Among this reduction on building energy demand requirements, ventilation of dwellings becomes one of the challenges to solve as it’s directly connected to the indoor air quality (IAQ) and comfort conditions for the users, as well as proportional to the building energy demand on thermal conditioning. A big share of thermal losses in housing is caused by air renovation and infiltration through the envelope leaks. The European Directive on Building energy performance (EPBD), establishes the roots needed to reach the building sector objectives in terms of CO2 and GHG emissions. This directive sets the ventilation and renovation with clean air of the new and existing buildings as a fundamental requirement. The Sick Building Syndrome (SBS), an aggregation of symptoms and annoys associated to low air quality in non residential buildings, appeared as common after the 1973 oil crisis. It is originated in defective ventilation systems and deficient air renovation rates, as a consequence of trying to lower the energy bill. Accounting that we spend 58% of our time in dwellings, it becomes crucial to look after the indoor air quality and focus in not worsening it by applying “energy efficient” measures, with not expected side effects. To do so, it is primary to research in deep how the ventilation takes place in the housing blocks in Spain, in the aspects related to IAQ and ventilation energy demand. This thesis main objective is to establish a characterization and optimization methodology regarding the ventilation needs for existing housing in Spain, considering the twofold objective of guaranteeing the air quality as reducing the energy demand. The characterization of the existing housing building stock in Spain regarding ventilation is conclusive. More of 80% of the housing stock is distributed in 3 main periods: before the implementation of the firsts regulations on building comfort conditions (Normas Básicas de la Edificación), from 1960 to 1980; the period after the first recommendations on ventilation (NTE ISV 75) for housing were set, around 1980 until 2005 and; the period corresponding to the housing built after the existing mandatory regulation in terms of indoor sanity conditions and ventilation (Spanish Building Code, DB HS3) was set, in 2006. Selecting a representative blueprint of a housing block in Spain, which has medium characteristics not just within the 3 periods mention, but which qualities extent beyond the 3 of them, allows the next step, analyzing. This comparative and intense analyzing phase is focused on the air indoor conditions and the related energy demand, applying different configurations to the ventilation systems according to the different constructive or regulation period in which the building is built. This analysis is also twofold: 1) Numerical modeling with computer simulations and 2) experimental data collection from existing housing in real conditions to check and refine the models to be tested. Thanks to the analyzing phase conclusions, an optimization strategy on the ventilation of the housing stock is set, based on two actions to take: 1) To introduce a mechanical exhaust and intake ventilation system with heat recovery that allows reducing energy demand, as improves the capacity of the system to dilute the pollutant load. This way, the environmental quality is improved. 2) To optimize the schedule of the system use, avoids waste of energy in no occupancy periods, relying ventilation during this time in a light infiltration ventilation, intended not to become large and not causing extra energy losses. Apart from applying the previous analyzing methodology to the optimization strategy, regarding energy demand and air quality, a ROI valorization is performed, based on the cost optimal methodology (delegated regulation EU244/2012). The main results from the thesis are: • To obtain a through diagnose regarding air quality and energy demand for the existing housing stock in Spain, unavoidable to reach a energy deep retrofitting scheme with no air quality worsening. • To obtain a marker to relate air quality and energy demand and evaluate adequateness of ventilation systems, for the new regulations to come. • To establish an optimization strategy to improve both air quality and energy demand, applying a compared valorization methodology to obtain the Return On Investment (ROI).

Analysis of cogeneration in the present energy framework

In this paper, a general vision of cogeneration penetration in the European Union is shown; after this, a case study is included, evaluating as a function of two factors (electricity and emission allowance prices) the suitability of installing, for an industry with a determined thermal demand, two different options. The first one is a gas turbine cogeneration plant generating steam through a heat recovery steam generator (HRSG). The second one consists of installing a natural gas boiler for steam production covering the electricity demand from the grid. The CO2 emissions from both options are compared regarding different kinds of generation mixes from the electricity grid in the case of using the industrial boiler; taking into account the advantages of using biomass in relation to emissions, a last comparison has been carried out considering a biomass boiler instead of the natural gas boiler.