Una microturbina (MT) es una pequeña turbina de gas con ciclos y componentes similares a una turbina de gas pesada. La relación potencia-peso de la MT es mejor que la de una turbina de gas pesada porque la reducción de los diámetros de la turbina provoca un aumento en la velocidad de rotación del eje. Los generadores de turbinas de gas pesadas son demasiado grandes y demasiado caros para aplicaciones de energía distribuida, por lo que las MT se desarrollan para energía a pequeña escala como la generación de energía eléctrica sola o como sistemas combinados de enfriamiento, calefacción y energía (CCHP). [1] Las MT son turbinas de gas de 25 a 500 kW (34 a 671 hp ) evolucionaron a partir de turbocompresores de motores de pistón , unidades de potencia auxiliares de aeronaves (APU) o pequeños motores a reacción , del tamaño de un refrigerador . [2] Las primeras turbinas de 30-70 kW (40-94 hp) crecieron a 200-250 kW (270-340 hp). [3]
Se componen de un compresor , una cámara de combustión , un impulsor / turbina y un generador eléctrico en uno o dos ejes. Pueden tener un recuperador que captura el calor residual para mejorar la eficiencia del compresor, un intercooler y un recalentador . Giran a más de 40.000 RPM y una microturbina de un solo eje común gira normalmente a 90.000 a 120.000 RPM. [2] A menudo tienen un compresor radial de una sola etapa y una turbina radial de una sola etapa . Los recuperadores son difíciles de diseñar y fabricar porque funcionan con altos diferenciales de presión y temperatura.
Los avances en electrónica permiten un funcionamiento sin supervisión y la tecnología de conmutación electrónica de potencia elimina la necesidad de que el generador esté sincronizado con la red eléctrica, lo que permite integrarlo con el eje de la turbina y funcionar también como motor de arranque. Las turbinas de gas aceptan la mayoría de los combustibles comerciales, como gasolina , gas natural , propano , combustible diésel y queroseno , así como combustibles renovables como E85 , biodiésel y biogás . El arranque con queroseno o diésel puede requerir un producto más volátil, como el gas propano. Las microturbinas pueden utilizar microcombustión .
Las turbinas de gas de tamaño completo suelen utilizar cojinetes de bolas. Las temperaturas de 1000 °C (1270 K; 1830 °F) y las altas velocidades de las microturbinas hacen que la lubricación con aceite y los cojinetes de bolas sean poco prácticos; requieren cojinetes de aire o posiblemente cojinetes magnéticos . [4] Pueden diseñarse con cojinetes de láminas y refrigeración por aire que funcionen sin aceite lubricante, refrigerantes u otros materiales peligrosos. [5]
Para maximizar la eficiencia de carga parcial , se pueden poner en marcha o detener varias turbinas según sea necesario en un sistema integrado . [3] Los motores alternativos pueden reaccionar rápidamente a los cambios en los requisitos de potencia, mientras que las microturbinas pierden más eficiencia a niveles bajos de potencia. Pueden tener una relación potencia-peso más alta que los motores de pistón, bajas emisiones y pocas o solo una parte móvil. Los motores alternativos pueden ser más eficientes, más económicos en general y, por lo general, utilizan cojinetes de deslizamiento simples lubricados con aceite de motor .
Las microturbinas se pueden utilizar para la cogeneración y la generación distribuida como turboalternadores o turbogeneradores, o para alimentar vehículos eléctricos híbridos . La mayor parte del calor residual se contiene en el escape, que tiene una temperatura relativamente alta, lo que hace que sea más fácil de capturar, mientras que el calor residual de los motores alternativos se divide entre el escape y el sistema de refrigeración. [6] El calor del escape se puede utilizar para calentar agua, calentar espacios, procesos de secado o enfriadores de absorción , que crean frío para el aire acondicionado a partir de energía térmica en lugar de energía eléctrica.
Las microturbinas tienen una eficiencia de alrededor del 15% sin recuperador, del 20 al 30% con uno y pueden alcanzar una eficiencia termoeléctrica combinada del 85% en cogeneración. [2] La eficiencia térmica de la RGT3R de 300 kW (400 hp) recuperada de Niigata Power Systems alcanza el 32,5%, mientras que la RGT3C de 360 kW (480 hp) no recuperada está en el 16,3%. [7] Capstone Turbine afirma una eficiencia eléctrica de LHV del 33% para su C200S de 200 kW (270 hp). [8]
En 1988, NEDO inició el proyecto de turbina de gas de cerámica dentro del proyecto japonés New Sunshine : en 1999, la Kawasaki Heavy Industries CGT302 de doble eje recuperada de 311,6 kW (417,9 hp) logró una eficiencia del 42,1% y una temperatura de entrada a la turbina de 1.350 °C (1.620 K; 2.460 °F) . [9] [10] En octubre de 2010, el Departamento de Energía de EE. UU. le otorgó a Capstone el diseño de una microturbina intercooler de dos etapas derivada de sus motores actuales de 200 kW (270 hp) y 65 kW (87 hp) para una turbina de 370 kW (500 hp) que apunta a una eficiencia eléctrica del 42%. [11] Investigadores de la Universidad Tecnológica de Lappeenranta diseñaron una microturbina de dos ejes intercooler y recuperada de 500 kW (670 hp) que apunta a una eficiencia del 45%. [12]
Forecast International pronostica una participación de mercado del 51,4% para Capstone Turbine por unidad de producción desde 2008 hasta 2032, seguida por Bladon Jets con un 19,4%, MTT con un 13,6%, FlexEnergy con un 10,9% y Ansaldo Energia con un 4,5%. [13]
El MIT inició su proyecto de motor de turbina de tamaño milimétrico a mediados de los años 90, cuando el profesor de aeronáutica y astronáutica Alan H. Epstein consideró la posibilidad de crear una turbina personal que pudiera satisfacer todas las demandas de las necesidades eléctricas de una persona moderna, de la misma manera que una turbina grande puede satisfacer las demandas de electricidad de una ciudad pequeña. Han surgido problemas con la disipación de calor y los cojinetes de alta velocidad en estas nuevas microturbinas. Además, su eficiencia esperada es de un muy bajo 5-6%. Según el profesor Epstein, las baterías recargables de iones de litio comerciales actuales entregan alrededor de 120-150 Wh/kg (200-240 kJ/lb). La turbina de tamaño milimétrico del MIT entregará 500-700 Wh/kg (820-1.140 kJ/lb) en el corto plazo, aumentando a 1.200-1.500 Wh/kg (2.000-2.400 kJ/lb) en el largo plazo. [14]
Una microturbina similar construida por la Universidad Católica de Lovaina , en Bélgica , tiene un diámetro de rotor de 20 mm y se espera que produzca alrededor de 1.000 W (1,3 CV). [4]
La startup francesa Turbotech, respaldada por Safran, está desarrollando un turbohélice de 73 kW (98 shp) con un recuperador para mejorar la eficiencia del 10 al 30%, para un consumo de combustible específico de freno similar al de un motor de pistón, pero 30 kg (66 lb) más ligero a 55 kg (121 lb) y sin resistencia de refrigeración. Los costos operativos directos , dice Turbotech, deberían reducirse en un 30% debido a combustibles más diversos y un menor mantenimiento con un tiempo duplicado entre revisiones a 4.000 h. Destinado a biplazas ultraligeros de alta gama y aviones no tripulados , será ligeramente más caro que un Rotax 912 de la competencia, pero debería ser igual de competitivo durante su ciclo de vida. Para un biplaza VTOL , un turbogenerador de 55 kW (74 hp) pesaría 85 kg (187 lb) con combustible para 2,5 h de autonomía en lugar de 1 tonelada de baterías. Un demostrador funcionó en 2016-17 y las pruebas en tierra comenzaron en la segunda mitad de 2018 antes de las pruebas de vuelo en la segunda mitad de 2019 y la primera entrega en la primera mitad de 2020. [ necesita actualización ] La línea de ensamblaje final se creó en el aeropuerto de Toussus-le-Noble cerca de París , para una producción anual de 1,000 motores para 2025. [15] Una eficiencia del 30% equivale a un consumo de combustible de 281 g/kWh con un combustible de 42,7 MJ/kg. El turbohélice TP-R90 de 64 kg (141 lb) o el turbogenerador TG-R90 puede generar 90 kW (120 hp) y quema 18-25 L (4,8-6,6 galones estadounidenses) de combustible para aviones por hora en crucero. [16]
La empresa checa PBS Velká Bíteš ofrece su turbohélice TP100 de 180 kW (240 hp) con un peso de 61,6 kg (136 lb) para ultraligeros y vehículos aéreos no tripulados , con un consumo de 515 g/kWh (5,05 oz/MJ). [17] Esto equivale a un 16,4% de eficiencia con un combustible de 42,7 MJ/kg.
UAV Turbines, con sede en Miami, desarrolló su turbohélice recuperado Monarch RP (anteriormente UTP50R) de 40 hp (30 kW) para aeronaves de peso bruto de alrededor de 1.320 lb (600 kg), para ser probado en un UAV TigerShark . [18] El 10 de diciembre de 2019, la compañía presentó su Monarch Hybrid Range Extender, un demostrador híbrido-eléctrico de 33 shp (25 kW) basado en su turbina Monarch 5 presentada en septiembre, con un peso de 27 kg (60 lb) para el motor y 54 kg (119 lb) para todo el sistema. [19]
Cuando se utiliza en vehículos eléctricos de autonomía extendida, el inconveniente de la eficiencia estática es menos importante, ya que la turbina de gas puede funcionar a potencia máxima o cerca de ella, impulsando un alternador para producir electricidad para los motores de las ruedas o para las baterías, según corresponda a la velocidad y el estado de la batería. Las baterías actúan como un "amortiguador" (almacenamiento de energía) al entregar la cantidad necesaria de energía a los motores de las ruedas, lo que hace que la respuesta del acelerador de la turbina de gas sea irrelevante.
Además, no es necesario un cambio de velocidad importante o variable; hacer girar un alternador a velocidades comparativamente altas permite utilizar un alternador más pequeño y ligero de lo que sería de otro modo. La relación potencia-peso superior de la turbina de gas y su cambio de velocidad fija permite utilizar un motor primario mucho más ligero que el del Toyota Prius (un motor de gasolina de 1,8 litros) o el Chevrolet Volt (un motor de gasolina de 1,4 litros). Esto, a su vez, permite transportar un mayor peso de baterías, lo que permite una mayor autonomía en modo eléctrico. Alternativamente, el vehículo puede utilizar baterías de plomo-ácido más pesadas y económicas o baterías de fosfato de hierro y litio más seguras .
En los vehículos eléctricos de autonomía extendida , como los planeados [ ¿cuándo? ] por Land-Rover/Range-Rover en conjunto con Bladon, o por Jaguar también en asociación con Bladon, la respuesta de aceleración muy deficiente (su alto momento de inercia rotacional) no importa, [ cita requerida ] porque la turbina de gas, que puede estar girando a 100.000 rpm, no está conectada mecánicamente de manera directa a las ruedas. Fue esta respuesta de aceleración deficiente la que afectó tanto al prototipo de automóvil con motor de turbina de gas Rover de 1950, que no tenía la ventaja de un tren de transmisión eléctrico intermedio para proporcionar picos de potencia repentinos cuando lo exigiera el conductor. [ se necesita más explicación ]