Prediseño y modelado de una planta de cogeneración flexible con motores alternativos, oxy-combustión y captura de carbono

Abstract

[ES] Con el aumento de la preocupación social por los efectos de las emisiones contaminantes y de gases de efecto invernadero se hace cada día mas urgente la búsqueda de soluciones innovadoras que permitan reducir estas emisiones al mismo tiempo que mantienen la competitividad industrial, el desarrollo tecnológico, el crecimiento económico y el bienestar social. En particular es especialmente interesante buscar soluciones en los sectores considerados hard to abate, es decir, aquellos que por su naturaleza tienen mas dificultades a la hora de reducir sus emisiones como son el sector transporte, especialmente la aviación y el transporte pesado o las industrias de procesos y petroquímica. En este trabajo se explora el uso de la oxy-combustión aplicada a motores de combustión interna alternativos para el diseño de una planta de cogeneración flexible con captura de carbono. Para ello se ha modelado en motor y los elementos necesarios en el software de simulación VEMOD que ha permitido obtener los mapas de funcionamiento de la instalación en función de las estrategias de control. Se han utilizado tres bucles de control para estos mapas: 1) un regulador lambda que gestiona el flujo de O2 para mantener una relación constante O2 /combustible, 2) Cierre de la válvula de admisión que controla la temperatura de escape mediante la variación de la masa atrapada, y 3) una válvula que regula la presión de admisión a través de la contrapresión de escape, que presuriza la línea de Recirculación de Gases de Escape. Finalmente se propone un caso práctico de adaptación de la planta de cogeneración a un sistema de producción de combustibles sintéticos y se hace un balance de costes y rentabilidad frente a soluciones convencionales e innovadoras.

[CAT] Amb l'augment de la preocupació social pels efectes de les emissions contaminants i de gasos d'efecte hivernacle, cada dia és més urgent la recerca de solucions innovadores que permetin reduir aquestes emissions al mateix temps que mantenen la competitivitat industrial, el desenvolupament tecnològic, el creixement econòmic i el benestar social. En particular, resulta especialment interessant buscar solucions en els sectors considerats hard to abate, és a dir, aquells que, per la seua naturalesa, tenen més dificultats a l’hora de reduir les seues emissions, com ara el sector del transport, especialment l'áviació i el transport pesat, o les indústries de processos i petroquímica. En aquest treball s'explora l’ús de la oxy-combustió aplicada a motors de combustió interna alternatius per al disseny dúna planta de cogeneració flexible amb captura de carboni. Per a això s’ha modelat el motor i els elements necessaris en el programari de simulació VEMOD, que ha permès obtenir els mapes de funcionament de la instal·lació en funció de les estratègies de control. S’han utilitzat tres bucles de control per aquests mapes: 1) un regulador lambda que gestiona el flux de O2 per a mantenir una relació constant O2 /combustible, 2) Tancament de la vàlvula dádmissió que controla la temperatura déscapament mitjançant la variació de la massa atrapada, i 3) una vàlvula que regula la pressió dádmissió a través de la contrapressió déscapament, que pressuritza la línia de Recirculació de Gasos dÉscapament. Finalment, es proposa un cas pràctic dádaptació de la planta de cogeneració a un sistema de producció de combustibles sintètics i es fa un balanç de costos i rendibilitat front a solucions convencionals i innovadores.

[EN] With the increasing social concern about the effects of polluting emissions and greenhouse gases, the search for innovative solutions to reduce these emissions while maintaining industrial competitiveness, technological development, economic growth, and social well-being becomes more urgent day by day. Particularly, it is especially interesting to seek solutions in sectors considered hard to abate, i.e., those that, by their nature, have more difficulties in reducing their emissions, such as the transportation sector, especially aviation and heavy transport, or process and petrochemical industries. In this work, the use of oxy-combustion applied to reciprocating internal combustion engines is explored for the design of a flexible cogeneration plant with carbon capture. For this purpose, the engine and the necessary elements have been modeled in the VEMOD simulation software, which has allowed obtaining the operating maps of the installation based on control strategies. Three control loops have been used for these maps: 1) a lambda regulator that manages the flow of O2 to maintain a constant O2 /fuel ratio, 2) Inlet Valve Closing (IVC) that controls the exhaust temperature by varying the trapped mass, and 3) a valve that regulates the intake pressure through exhaust backpressure, pressurizing the Exhaust Gas Recirculation (EGR) line. Finally, a practical case of adapting the cogeneration plant to a synthetic fuel production system is proposed, and a cost and profitability balance is made compared to conventional and innovative solutions.