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Siemens recibe un premio de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME) por su destacado logro tecnológico con las primeras palas de turbina de gas con éxito impresas y en 3D.

La revista de Ingeniería Mecánica Emerging Technology Awards es la primera en la historia de 137 años de la Sociedad en la que la revista Mechanical Engineering ha destacado las tecnologías de reconocimiento del futuro. El objetivo es reconocer algunos ejemplos sobresalientes de lo que ASME llama tecnologías ascendentes: nuevos productos y procesos que han salido de la etapa de avance, cruzaron el llamado valle de la muerte por comercialización y están destinados a remodelar las industrias en las que compiten. Después del examen exclusivo, los editores de ASME seleccionaron las tecnologías de cada una de las cinco áreas de enfoque: fabricación avanzada, automatización y robótica, bioingeniería, energía limpia y tecnología de presión.

“La hoja de la turbina impresa en 3D coloca a Siemens a la vanguardia de una tendencia tecnológica que está impulsando una revolución global en el diseño y producción de productos”, dijo Charla K. Wise, presidenta de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos, ASME. “La revista Mechanical Engineering se complace en presentar uno de los cinco Premios de Tecnología Emergentes a un líder en fabricación, y agradecemos al equipo de diseño en la hoja impresa en 3D por el avance de la excelencia tecnológica”.

A principios de este año, Siemens ha logrado un gran avance al finalizar sus primeras pruebas de motor de carga completa para palas de turbina de gas completamente producidas utilizando la tecnología de Fabricación Aditiva (AM). La compañía validó con éxito múltiples hojas de turbina impresas en 3D con un diseño de cuchilla convencional en condiciones de motor completo. Esto significa que los componentes fueron probados a 13,000 revoluciones por minuto y temperaturas más allá de 1,250 grados Celsius. Además, Siemens probó un nuevo diseño de cuchilla con una geometría de refrigeración interna completamente revisada y mejorada fabricada utilizando la tecnología AM.

“Estamos especialmente orgullosos de ser premiados por una organización tan reconocida como ASME”, dice Jenny Nilsson, quien dirigió el equipo que realizó el proyecto blade. “El objetivo del proyecto era probar y trazar esta nueva y radical forma de trabajar. El resultado es otra confirmación de que estamos en el camino correcto hacia nuevas mejoras en nuestra tecnología de turbina de gas”, continúa Jenny.

El equipo del proyecto trabajó con palas fabricadas en las instalaciones de impresión 3D de Siemens en Finspong, Suecia, y en Materials Solutions, la compañía recientemente adquirida en Worcester, Reino Unido. Materials Solutions tiene más de 10 años de experiencia en la fabricación aditiva de piezas de alto rendimiento para turbomaquinaria. Materials Solutions tiene certificación AS 9100 y es un proveedor aprobado para fabricación aditiva para clientes líderes en la industria aeroespacial.

Aplicando su experiencia en el sector aeroespacial, Materials Solutions también suministra herramientas a empresas automotrices líderes y piezas de alto rendimiento en súper aleaciones de titanio y níquel para deportes automotrices.

La fabricación aditiva tiene el potencial de convertirse en una tecnología clave en la producción de componentes de turbinas de gas. Siemens ha estado invirtiendo en esta tecnología innovadora desde sus inicios y ahora está impulsando la industrialización y comercialización de estos procesos. Además de las palas de turbinas galardonadas, Siemens está utilizando la innovadora tecnología para producir puntas de quemadores, boquillas de quemadores y reparar cabezas de quemadores. “La fabricación aditiva es uno de nuestros principales pilares en nuestra estrategia de digitalización. Con nuestro know-how combinado en impresión 3D, seguiremos impulsando el desarrollo tecnológico y la aplicación en este campo”, dice Christoph Haberland, asesor clave experto en fabricación aditiva, y miembro del equipo blade.

La distinción de ASME es el tercer premio para este proyecto, tras el Premio Internacional de la Industria de Impresión 3D y el Premio Werner von Siemens de toda la compañía. Además de una sección especial de 16 páginas del número de diciembre de 2017 de la revista Mechanical Engineering, ASME también produjo una serie de cinco videos que celebra las tecnologías. Algunos de estos videos se estrenaron en el evento anual más grande de ASME, el Congreso y Exposición de Ingeniería Mecánica Internacional, que tuvo lugar en Tampa en noviembre.

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Siemens presenta su turbina de gas industrial SGT-800 con una potencia de 57 MW y una eficiencia eléctrica de más del 40% en la aplicación de ciclo simple. En una configuración de ciclo combinado la potencia de salida es de 163 MW con una eficiencia neta de más del 58,5%. La SGT-800 está ahora disponible con rango de potencia de 47,5 MW a 57 MW gracias a esta mejora, que se ofrecerá al mercado junto con las variantes ya existentes.

La SGT-800 más potente hasta la fecha está dirigida principalmente a los productores de energía industrial y a las compañías de petróleo y gas que tienen una demanda de energía particularmente alta.

 

El incremento de potencia a 57 MW sigue la filosofía de diseño de evolucionar en pequeños y ajustados saltos, mientras se mantiene cerca del diseño comercialmente probado y fiable de la turbina de gas industrial SGT-800. Sólo se han realizado mejoras en piezas de la turbina de gas usando las tecnologías existentes y maduras del núcleo de la turbina de Siemens. La mejora de rendimiento hasta 57 MW también se ha logrado a través de una mejora de la caja de engranajes y eficiencia de la carcasa / difusor de salida. Se ha logrado un reducido impacto del paquete de la turbina de gas gracias a un diseño más corto y un grado de pre-ensamblaje que permite menor tiempo de instalación en campo.

Hasta la fecha, más de 325 turbinas SGT-800 se han vendido en todo el mundo. La región de Asia Pacífico es un mercado especialmente importante para la máquina, con más de 100 unidades vendidas, 71 de ellas solamente en Tailandia. En los últimos cinco años, la SGT-800 ha sido la turbina de gas líder en el mercado para aplicaciones de ciclo combinado en su gama de potencia. La flota SGT-800 instalada ha alcanzado actualmente más de cinco millones de horas de funcionamiento. La turbina, que se conocía originalmente con el nombre de producto GTX100, comenzó su desarrollo en 1994 y se lanzó en 1997.

El 23 de marzo, exactamente a las 11:19 de la mañana, la producción combinada de los numerosos paneles solares y parques eólicos de California suministró brevemente el 49,2% de la demanda de energía del estado por primera vez. El récord fue un buen presagio para el estado más poblado de EE.UU., que se está esforzando para que la mitad de su consumo de electricidad provenga de fuentes renovables en 2030.

Pero este objetivo loable viene con algunos obstáculos. Los clientes quieren electricidad permanentemente, pero el viento se puede debilitar, incluso en California, el sol puede esconderse detrás de una nube. “No siempre es posible satisfacer la demanda total con renovables,” dice Selma Kivran, Gerente General de Aeroderivados de GE Power Services. “Se necesita algo más para llenar el hueco.”

 

Sin baterías a escala de red para cubrir los huecos de suministro (las baterías siguen siendo caras y de uso limitado), las turbinas de gas natural pueden acelerar rápidamente y cubrir los huecos cuando las energías renovables caen. Pero incluso los máquinas más rápidas tardan varios minutos en alcanzar la potencia máxima, obligando a los operadores a hacerlas funcionar a carga mínima para mantenerlas listas, quemando gas y desgastando más las máquinas. “Esta es una combustión ineficiente que necesita combustible adicional, cuesta dinero y genera emisiones de efecto invernadero innecesarias,” dice Kivran. “No es lo ideal, ni la única solución posible.

Es por eso que Kivran y sus colegas de GE Energy Connections decidieron coger turbinas y baterías y empaquetarlas juntas en un paquete único y eficiente con un sofisticado software de gestión de la energía. Con este sistema híbrido, la turbina puede apagarse, y la batería responderá instantáneamente. Southern California Edison (SCE) está desplegando la solución – la primera de su tipo en el mundo – en dos sitios cerca de Los Ángeles. “La batería es rápida y limpia y la turbina puede dar la potencia que se necesite. Es una energía fiable porque siempre está ahí, y también se consiguen beneficios ambientales,” dice Mirko Molinari, Gerente General de Grid Solutions de GE Energy Connections.

El híbrido está compuesto por la turbina de gas LM6000 de GE, que puede alcanzar los 50 MW en sólo 5 minutos, y una batería de 10 MW de celdas de iones de litio que dura hasta 30 minutos. Cuando la energía de salida de un parque eólico cae, la batería puede funcionar inmediatamente y darle a la turbina el tiempo para arrancar sin generar una interrupción en la red.

Los ingenieros de GE desarrollaron un software que permite a la empresa administrar de la manera más óptima la rapidez con la que se descarga la batería y la rapidez con que la turbina necesita ponerse en marcha. “Cualquiera puede poner una batería junto a una turbina”, dice Molinari. “La magia está en integrar los controles.

Además de luchar contra la inestabilidad de la producción de energía renovable, la solución podría ser útil para combatir la temida curva de demanda California, apodada curva pato, que describe la fuerte diferencia entre la oferta de energía y la demanda después de que el sol y los abundantes paneles solares dejan de producir electricidad. “Esta solución es escalable,” dice Kivran. “Dado que su diseño es modular, no hay razón por la que no pudiéramos ir a 100 MW o más.”

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GE y EDF han puesto oficialmente en funcionamiento la primera planta de ciclo combinado equipada con la turbina de gas HA de GE en Bouchain, Francia, iniciando una nueva era en la tecnología de generación de energía e integración digital. GE ha anunciado que la compañía ha sido reconocida por el Guinness World Records por el lanzamiento de la central eléctrica de ciclo combinado más eficiente del mundo, al alcanzar un ratio de eficiencia de hasta el 62,22% en la planta de Bouchain.

Además de alcanzar niveles de eficiencia sin precedentes, la turbina de gas HA de GE ofrece más flexibilidad que nunca, siendo capaz de alcanzar la máxima potencia en menos de 30 minutos. Esto ayuda a facilitar la transición a un mayor uso de las energías renovables, permitiendo a los operadores energéticos responder rápidamente a las fluctuaciones en la demanda de red, integrar las energías renovables en la red eléctrica y adaptarse rápidamente a los cambios climáticos. Estos avances apoyan el reciente acuerdo de París COP21, en el que 195 países se comprometieron a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, poniendo más énfasis en las oportunidades de energía eléctrica más limpia.

La planta de Bouchain es también una importante demostración de las capacidades de la central eléctrica digital de GE, que han ayudado a alcanzar niveles récord de eficiencia, desbloqueando energía hasta ahora inaccesible. Capacidades, incluyendo el sistema de control digital, que utilizan los datos en tiempo real para ofrecer mejores resultados en la planta con operaciones estables y eficientes, al tiempo que proporciona información predictiva para una mayor fiabilidad y optimización.

Con una capacidad de generación de más de 605 MW, la planta de Bouchain generará una potencia equivalente a la necesaria para abastecer a más de 680.000 hogares. Además, el compresor HA bombea aire a una velocidad que podría elevar el dirigible de Goodyear en 10 segundos y permite al extremo de la última hoja de la 9HA.01 moverse a 1200 mph / 1931 kph – 1,5 veces la velocidad del sonido.

La fábrica de turbinas de gas de Siemens en Berlín ha finalizado y envía la turbina número 1.000 que ha sido construido en esta planta. La turbina de gas SGT5-4000F, tiene douna capacidad de 300 MW, pesa 300 toneladas y está destinada a la central de ciclo combinado de Umm Al Houl, en Qatar.

La capacidad total de las 1.000 turbinas de gas producidas en Berlín asciende a cerca de 220 GW, energía suficiente para abastecer electricidad a aproximadamente 1.000 millones de personas. La capacidad total del millar de turbinas de gas es por lo tanto equivalente a la capacidad de generación de energía de España e Italia. Más del 90 por ciento de las turbinas de gas producidas en Berlín se han exportado a distintos países del mundo.

“Las 1.000 turbinas de gas de Siemens producidas en Berlín fueron destinadas a clientes de 65 países en todo el mundo – por lo que tenemos una buena razón para estar orgullosos de este logro” dijo Willi Meixner, CEO de Siemens de la división Power and Gas. “Este enorme volumen sólo es posible porque Siemens opera a escala mundial e impulsa continuamente el desarrollo competitivo de sus productos.” Desde que envió su primera turbina de gas en 1972, la fábrica de turbinas de gas de Berlín ha sido un socio de confianza con amplia experiencia y calidad de asesoramiento para sus clientes.

La maquina con la que se ha alcanzado esta cifra es una turbina de gas SGT5-4000F. La primera de su modelo fue enviada en 1996 y tenía una capacidad de 240 MW. Durante estos últimos 20 años, Siemens ha vendido aproximadamente 400 turbinas de gas de este tipo en 40 países. Este modelo de turbina actualmente tiene una capacidad de 300 MW.

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Esta turbina de gas es solo una de las seis turbinas SGT5-4000F de la central de ciclo combinado Umm Al Houl. Siemens suministrará diez generadores SGen5-1200ª y cuatro turbinas de vapor SST- 4000, así como otros componentes clave para esta planta con una capacidad total de 2,5 GW. Además de electricidad, la planta integrada de desalinización produce hasta 618 millones de litros de agua potable por día para la población de Qatar. Siemens también ha firmado un acuerdo de servicio de 25 años para el mantenimiento y servicio de la planta. La planta de energía tiene programado entrar en funcionamiento a mediados de 2018.

“Estamos muy contentos de cooperar con Siemens en esta importante y nueva planta de energía. Con la tecnología contrastada y Siemens como socio de servicios de confianza, esperamos un correcto funcionamiento de la planta de energía durante muchos años”, dijo Jamal Al Khalaf , director general de Umm Al Houl Power Q.S.C. “Estamos orgullosos de que la turbina de gas que conmemora este hito sea destinada a nuestra planta de energía en Qatar. Lograr producir 1.000 turbinas de gas en Berlín es un signo de la fiabilidad, la calidad y la mejora continua de la tecnología Siemens. ¡Felicidades!, Y esperamos dar la bienvenida a la turbina de gas número 1.000 de Siemens en Qatar.”

En el comienzo su viaje hacia Qatar, la turbina de gas primero será enviada desde la fábrica hasta el puerto de Westhafen en Berlin. A partir de ahí, viajará en barcazas a Rotterdam. Al llegar al puerto, la turbina de gas se cargará en un buque de carga pesada. Pasará a través del Océano Atlántico hasta el Mar Mediterráneo a través de Gibraltar. La máquina entrará entonces en el Mar Rojo a través del Canal de Suez, alrededor de la península arábiga, y, finalmente, llegará a Qatar.

La fábrica de turbinas de Berlín fue fundada en 1904. Inicialmente producía turbinas de vapor y envió su primera turbina de gas para plantas de energía en 1972, que fue entregada a Electricity Trust of South Australia.

Primera turbina Siemens ETSA 1
Primera turbina Siemens ETSA 1

La primera turbina de gas ETSA 1 Siemens de Berlín tenía una capacidad de 62,5 MW. Todavía está en funcionamiento y tiene el compresor y las aspas de la turbina originales. Desde entonces, la tecnología de las turbinas de gas ha experimentado un rápido desarrollo. Las turbinas de gas combinan únicamente la construcción clásica con maquinaria pesada con la tecnología de producción ultramoderna, tales como la fabricación aditiva, por ejemplo. Componentes – de los más pesados a los más pequeños- se ensamblan utilizando los métodos más avanzados y con la precisión de un relojero. Implica el trabajo de ingenieros y técnicos durante varios meses para producir una turbina de gas. El resultado, en el caso de las turbinas de clase H, es una máquina con una capacidad de 400 MW. Esta potencia es suficiente para abastecer electricidad a una ciudad de 2,4 millones de personas.

La capacidad de una sola turbina de gas de clase H es igual a la de 1.300 Porsches 911 turbos o a la de diez aviones Airbus 380.

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El pasado 22 de enero de 2016 Siemens hizo entrega de la planta de ciclo combinado equipada con una turbina de gas de clase H de Siemens en las instalaciones de Lausward, en la zona portuaria de Düsseldorf (Alemania), al cliente y operador, la empresa de servicios públicos Stadtwerke Düsseldorf AG. Esta planta llave en mano bate tres nuevos récords mundiales. Durante la prueba previa a la aceptación, la unidad “Fortuna” llegó a alcanzar una generación eléctrica neta máxima de 603,8 MW, que supone un nuevo récord para una planta de ciclo combinado de este tipo con una configuración monoeje. También se logró un nuevo récord mundial con una eficiencia de generación del 61,5 %, lo que hizo que Siemens superase su anterior marca récord del 60,75 % establecida en mayo de 2011 en la central eléctrica de Ulrich Hartmann, ubicada en Irsching, en el sur de Alemania.

Estas elevadas cotas de eficiencia hacen que la planta sea especialmente respetuosa con el medio ambiente. Además, la unidad “Fortuna” también es capaz de generar hasta 300 MW para el sistema de calefacción de distrito de Düsseldorf. De nuevo, un récord internacional para una planta equipada únicamente con una turbina de gas y vapor. Todo ello permite un nivel de utilización de combustible del 85 %, a la vez que reduce las emisiones de CO2 a tan solo 230 gramos por kilovatio-hora. Este incremento de capacidad y eficiencia es el resultado de un desarrollo sistemático sostenido en, por ejemplo, el diseño de los componentes, los materiales utilizados, la estructura general de la planta y en la perfecta interacción entre todos los componentes de la planta. “Optimizamos la central eléctrica para que goce de una posición ideal en uno de los mercados eléctricos más exigentes del mundo. Nos complace enormemente, y también a Stadtwerke Düsseldorf, que esta planta haya establecido el nuevo récord mundial de eficiencia”, asevera Willi Meixner, Director General de la División Power and Gas en Siemens AG.

La turbina de gas puede funcionar a plena carga en menos de 25 minutos tras un arranque en caliente, lo que también permite su uso como equipo de respaldo en la producción eléctrica basada en renovables. Esta flexibilidad sustenta los esfuerzos del operador por lograr que sus operaciones sean rentables en un entorno como el de las centrales eléctricas convencionales que cada vez plantea más desafíos.

El cliente recibió la unidad “Fortuna” 19 días antes del plazo estipulado en el contrato. El proyecto, a la ribera del Rin, fue además un gran éxito desde el punto de vista de la seguridad laboral para todos los implicados. En total se realizaron más de dos millones de horas de trabajo sin un solo accidente. Debido a la proximidad de la central al núcleo urbano de la ciudad, se otorgó una especial importancia a lograr un nivel mínimo de emisiones, una integración óptima en el paisaje urbano y el menor nivel de ruido posible. En la orilla opuesta del río Rin, enfrente de la planta, el nivel de ruido era inferior a 25 decibelios: más silencioso que un susurro.

A fecha de hoy, Siemens tiene 76 contratos de turbinas de gas de clase H en todo el mundo. Con 17 unidades en funcionamiento comercial, la flota de SGT-8000H ya ha superado las 195.000 horas de funcionamiento.

Lo que una eficiencia del 61,5 % significa para el clima

En términos de emisiones medias de la electricidad generada por todas las centrales de carbón en la Unión Europea, una planta de ciclo combinado de gas natural como la que nos ocupa, con una eficiencia del 61,5 %, comporta un ahorro teórico de unos 2,5 millones de toneladas de dióxido de carbono (CO2) al año, cifra equivalente a la cantidad de CO2 emitida por 1,25 millones de turismos que circulen 15.000 km al año.

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Siemens se ha adjudicado en Polonia un pedido para la construcción llave en mano de una planta de ciclo combinado equipada con la innovadora turbina de gas de la clase H de Siemens, el primer proyecto de este tipo en Europa Central fuera de territorio alemán. El cliente de esta planta de 596 MWe ubicada en Plock es PKN Orlen, la mayor empresa petrolera y minera de Europa del Este. Situada a unos 100 km al noroeste de Varsovia, la planta ofrece un diseño muy flexible que permite abastecer a la red eléctrica nacional y a la vez suministrar electricidad y vapor de proceso a las instalaciones de producción petroquímica y de refino en Plock. La puesta en marcha de la planta está programada para finales de 2017.

Desde 2003, la economía polaca ha experimentado un ritmo de crecimiento muy superior a la media registrada en otros países de la UE. La demanda de energía del país ha aumentado de 140 590 GWh a 157 980 GWh, en gran parte debido al aumento de la producción industrial. Para satisfacer esta creciente demanda es necesario construir nuevas plantas de energía, a medida que se van sustituyendo las plantas viejas e ineficientes.

Siemens construirá una planta monoeje llave en mano en Plock y proveerá los principales componentes: una turbina de gas SGT5-8000H, la caldera de recuperación de calor, una turbina de vapor SST5-5000 con condensador SCon-2000PF, un generador SGen5-3000W, los sistemas eléctricos y el sistema de control e instrumentación SPPA-T3000. Asimismo será la responsable del mantenimiento y servicio de la planta durante un periodo aproximado de 12 años.

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Iberdrola Ingeniería ha adjudicado a la multinacional estadounidense General Electric (GE) la instalación de la turbina de gas de la central de ciclo combinado de Lichterfelde, que la filial del grupo español está construyendo en Alemania.
En concreto, GE suministrará una turbina del modelo de última generación 9F, que dispone de una tecnología que permite producir energía eléctrica con gran eficiencia, disponibilidad, fiabilidad y un bajo nivel de emisiones. Esta empresa se hará cargo, asimismo, de su operación y mantenimiento durante los próximos 25 años.
La central de ciclo combinado de Lichterfelde está siendo construida por la filial de Iberdrola por encargo de la compañía sueca Vattenfall, tras adjudicarse el año pasado un contrato valorado en alrededor de 240 millones de euros.
Vattenfall ya ha conseguido todas las autorizaciones locales necesarias para empezar la obra civil, incluido el denominado permiso de construcción irrevocable. Gracias a este relevante hito, que se ha logrado tres meses antes de lo previsto, Iberdrola Ingeniería ha podido iniciar los trabajos de pilotaje, instalando sus oficinas temporales y desplazando al personal encargado de la construcción.
La Compañía se está ocupando del desarrollo integral de este proyecto de generación: diseño, compra de equipos, construcción y montaje de la nueva central. Ésta dispondrá de 300 MW de potencia eléctrica (260 MW de la turbina de gas contratada a GE, más otra turbina eléctrica de 40 MW) y 225 MW de potencia térmica mediante los que proporcionará electricidad, agua caliente y calefacción a Berlín.
La nueva planta de gas va a sustituir a la central térmica existente en el emplazamiento, que entró en funcionamiento en 1974. La iniciativa surge en el marco del acuerdo alcanzado entre la ciudad de Berlín y Vattenfall para la modernización de las instalaciones de producción eléctrica que la empresa sueca tiene en la capital germana.
Ambas empresas ya han desarrollado conjuntamente otros proyectos similares en los últimos años en países como España, Lituania, Catar o Argelia. La excelente relación que mantienen quedó reflejada el pasado año en la entrega del premio Valued Customer a Iberdrola Ingeniería por parte de GE.

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