ORC en la planta de biogás: cuánta electricidad se puede recuperar del calor residual

El ORC (Organic Rankine Cycle) es un ciclo termodinámico en el que, en lugar de agua, circula un fluido orgánico de baja temperatura de ebullición, lo que permite generar electricidad a partir de calor con temperaturas en el rango de 80–300 °C. En el caso del calor procedente de un grupo electrógeno alimentado con biogás, el módulo ORC recupera habitualmente entre un pequeño porcentaje y algo más de una decena por ciento de la energía térmica en forma de energía eléctrica, es decir, para un excedente de 300–400 kW de calor, esto supone del orden de varias decenas de kW de potencia eléctrica. Solo tiene sentido cuando no es posible vender el calor de manera más económica y sencilla.

Principio de funcionamiento

El fluido (por ejemplo, hidrocarburos, hidrofluorocarburos, aceites de silicona —dependiendo del fabricante—) se evapora en un intercambiador mediante calor residual, se expande en una turbina o expansor que acciona un generador, luego se condensa en un condensador refrigerado por aire o agua y retorna a la bomba. La eficiencia viene determinada por las limitaciones de la segunda ley de la termodinámica: cuanto menor sea la diferencia de temperaturas entre la fuente y la refrigeración, menor será la eficiencia (límite de Carnot). Con una fuente a 90 °C y refrigeración a 25 °C, el límite teórico es de aproximadamente el 18 %, mientras que la eficiencia práctica es considerablemente inferior.

Fuentes de calor en la planta de biogás

Los módulos diseñados específicamente para plantas de biogás suelen funcionar con agua caliente o aceite térmico calentado por los gases de escape.

Ejemplo de cálculo

Supuestos: grupo electrógeno de 500 kW el., excedente de calor para ORC de 300 kW, eficiencia neta del ORC del 8 %, disponibilidad de 7 500 h/año.

• potencia eléctrica neta: 300 × 0,08 = 24 kW,
• producción anual: 24 × 7 500 = 180 MWh,
• con un precio hipotético de venta de energía (por ejemplo, 400 zł/MWh), el ingreso sería de 72 000 zł/año; con 800 zł/MWh, ascendería a 144 000 zł.

El resultado muestra que la inversión en el módulo (del orden de cientos de miles a más de un millón de złoty para estas escalas) solo se amortiza con precios de energía suficientemente altos o con apoyo y bajos costes de mantenimiento. Los precios del ejemplo son hipotéticos; la evaluación debe basarse en sus propios precios y condiciones.

Ventajas e inconvenientes

Cuándo tiene sentido el ORC

• ausencia de consumidores locales de calor (o baja venta),
• alto precio de la energía eléctrica o sistema de apoyo disponible,
• funcionamiento estable de la cogeneración (>7 500 h/año),
• posibilidad de refrigeración con agua a baja temperatura.

Cuando es posible utilizar el calor de manera más económica (secado, calefacción), esta opción suele ser preferible.

Aspectos operativos

• fluidos de trabajo: evaluación de la seguridad (inflamabilidad, toxicidad, PCA) y requisitos legales para el fluido,
• protección frente al aumento de presión y fugas,
• mantenimiento: sustitución de juntas, control de la turbina, limpieza de intercambiadores,
• integración con la automatización de la planta de biogás y disponibilidad de monitorización remota,
• requisitos de conexión a la red para la potencia adicional (trámites).

Preguntas para el proveedor

1. ¿Cuál es la eficiencia neta en condiciones de diseño y la eficiencia media anual?
2. ¿Qué temperaturas y flujos de calor se requieren?
3. ¿Cómo es la garantía y cuáles son los costes de mantenimiento?
4. ¿Qué referencias existen para instalaciones similares?
5. ¿Cómo se comporta el módulo con carga parcial?

Un análisis riguroso requiere comparar escenarios: venta de calor, secado, ORC, ausencia de inversión. Solo la comparación de los flujos de caja con un rendimiento realista muestra si el ORC está justificado. Un indicador simplificado: el coste de la kilovatiohora producida con ORC durante toda la vida útil, comparado con el precio de venta o compra de energía.

ORC frente a otros métodos de aprovechamiento de los gases de escape

Los gases de escape del motor también pueden utilizarse para generar vapor de proceso o aceite térmico para secaderos. Esta opción permite un mayor aprovechamiento de la energía que el ORC, siempre que exista un consumidor industrial. El ORC se elige cuando el calor es "inútil" en otro sentido. También conviene considerar si, en lugar de instalar un ORC, no sería mejor invertir en mejorar la eficiencia eléctrica del propio grupo electrógeno (motor más grande, mejor refrigeración de la mezcla).

Riesgos financieros

El mayor riesgo consiste en asumir una eficiencia y disponibilidad del módulo demasiado optimistas. Exija garantías de rendimiento e indique en el contrato el método de medición. Tenga en cuenta la disminución del rendimiento en días calurosos, el coste de sustitución del fluido, el mantenimiento de los intercambiadores y los precios previstos de la energía durante todo el período de amortización. Si el sistema de apoyo a la energía procedente de biogás tiene una duración limitada, evalúe los flujos de caja también después de su finalización.

Selección del tamaño del módulo

El módulo ORC se dimensiona en función del excedente constante de calor, no del pico. Un módulo demasiado grande funcionará por debajo de su óptimo, mientras que uno demasiado pequeño no aprovechará todo el potencial. Normalmente, el módulo cubre el calor disponible durante la mayor parte del año, una vez deducidas las necesidades propias para la calefacción de las cámaras. Dado que en invierno aumentan las necesidades propias, el excedente para el ORC es entonces mínimo, lo que significa que la producción anual real suele ser inferior al producto de la potencia nominal y el número de horas.

Resumen de la decisión

El ORC es una buena opción para instalaciones con un gran excedente constante de calor y sin consumidores locales. Para la mayoría de las plantas de biogás agrícolas, las prioridades deberían ser: mejorar la eficiencia eléctrica, vender o utilizar el calor y, solo después, considerar el ORC como complemento.