Motor CHP en planta de biogás: rendimiento eléctrico, térmico y funcionamiento con carga parcial

Un motor de pistón alimentado con biogás en una unidad de cogeneración (CHP) convierte en energía eléctrica normalmente entre el 36–44% de la energía química del combustible, y recupera otro 40–50% en forma de calor procedente del agua de refrigeración, los gases de escape y el aceite. El rendimiento total alcanza, por tanto, alrededor del 85–90%, pero solo cuando alguien aprovecha realmente ese calor. El rendimiento eléctrico disminuye al funcionar con carga parcial, con bajo contenido de metano y con ajustes incorrectos del motor.

De qué se compone el balance energético

La energía aportada por el combustible se distribuye en cuatro flujos: potencia eléctrica en los bornes del generador, calor procedente de la refrigeración del bloque y del aceite, calor de los gases de escape y pérdidas (radiación, calor no recuperado de los gases de escape, rozamiento, pérdidas del generador). Los fabricantes indican el rendimiento en condiciones nominales, con una composición de gas y temperatura del aire establecidas. Los valores de explotación suelen ser varios puntos porcentuales inferiores.

Los rangos indicados son orientativos y dependen de la potencia del grupo: los motores de mayor tamaño suelen tener un rendimiento eléctrico más elevado.

Cómo calcular la energía del biogás

El poder calorífico del metano es de aproximadamente 35,8–35,9 MJ/m³ en condiciones normales (0 °C), es decir, unos 9,95–9,97 kWh/m³; en los ejemplos se toma 9,97 kWh/m³, y en cálculos aproximados se redondea a 10 kWh/m³. Para un biogás con un contenido de CH₄ del 52%, esto da unos 5,2 kWh/m³ (sin considerar la contribución de componentes traza).

Ejemplo con supuestos explícitos: flujo de biogás de 250 m³/h, contenido de CH₄ del 52%, rendimiento eléctrico del 40%, térmico del 44%.

• potencia del combustible: 250 × 0,52 × 9,97 ≈ 1 296 kW,
• potencia eléctrica: 1 296 × 0,40 ≈ 518 kW (un grupo con una potencia nominal de unos 500–530 kW es una elección adecuada),
• potencia térmica: 1 296 × 0,44 ≈ 570 kW,
• tras restar el consumo propio de calor para calentar los digestores (por ejemplo, 150–250 kW en invierno, menos en verano), queda el resto para su aprovechamiento.

Carga parcial

El rendimiento eléctrico del motor de gas es máximo con una carga cercana al 100%. Con un 75% de potencia, la disminución suele ser de aproximadamente 1–2 puntos porcentuales, y con un 50%, de varios puntos o más, dependiendo del diseño. Además, el funcionamiento con baja carga favorece la formación de carbonilla y la suciedad de las bujías. Por ello, si la instalación cuenta con dos grupos, es más conveniente operar con uno a plena potencia que con dos a media carga. Al diseñar la instalación, es razonable dimensionar la potencia según la producción media de gas, no según el pico.

Influencia de la calidad del gas

Temperatura y condiciones ambientales

Una temperatura elevada del aire y la altitud sobre el nivel del mar reducen la potencia del motor (denominado derating o reducción de potencia). La mayoría de los fabricantes proporcionan curvas de reducción de potencia. En ubicaciones de Polonia, un verano típico no provoca una pérdida drástica, pero una ventilación deficiente de la sala de máquinas puede agravarla.

Cómo evaluar su grupo electrógeno

1. Mida la energía eléctrica con el contador de cogeneración y la cantidad de gas (caudalímetro) y el contenido de CH₄ — calcule el rendimiento de un período, por ejemplo, un mes.
2. Mida el calor cedido (calorímetro) y compárelo con el rendimiento térmico.
3. Compárelo con los valores de catálogo: una desviación superior a 2–3 puntos porcentuales suele indicar un problema (calidad del gas, regulación, desgaste).
4. Compruebe el tiempo de funcionamiento y el número de arranques; los arranques frecuentes empeoran el balance.

Errores en la evaluación

• comparar el rendimiento eléctrico con el total,
• calcular el calor «producido» en lugar del «aprovechado»,
• omitir el consumo propio de energía eléctrica de la planta de biogás (agitadores, bombas, soplantes), que reduce el rendimiento neto,
• no corregir el poder calorífico del gas al variar el contenido de metano.

Un balance energético riguroso es la base para decidir sobre una modernización: a veces, mejorar el aprovechamiento del calor aporta más que sustituir el motor por un modelo con 1–2 puntos porcentuales más de rendimiento.

Lista de comprobación al comprar o modernizar un grupo electrógeno

• Solicite el rendimiento eléctrico para el 100%, 75% y 50% de carga, no solo el nominal.
• Verifique los requisitos respecto al gas: contenido mínimo de CH₄, H₂S máximo, humedad relativa, rango de presión.
• Pregunte por la disponibilidad garantizada (en % anual) y las condiciones de la garantía, incluidos los límites de calidad del gas.
• Compruebe las emisiones de gases de escape (NOₓ, CO) y la necesidad de un catalizador o postcombustión, si lo exigen los permisos.
• Compare los costes totales del ciclo de vida: precio de compra, mantenimiento por kWh, revisiones, consumo de aceite.

Por qué conviene calcular el rendimiento neto

Una planta de biogás consume su propia energía eléctrica para agitadores, bombas, soplantes, alimentadores y automatización — normalmente entre un pequeño porcentaje y más de diez de la producción. Por tanto, el rendimiento eléctrico neto es inferior al rendimiento del grupo. Al comparar instalaciones, siempre debe indicarse si la cifra se refiere a los bornes del generador o al punto de conexión a la red.