Apuntes básicos sobre Cogeneración

Cogeneración
La cogeneración es el procedimiento mediante el cual se obtiene
simultáneamente energía eléctrica y energía térmica útil (vapor, agua caliente
sanitaria). Si además se produce frío (hielo, agua fría, aire frío, por ejemplo) se
llama trigeneración.
La cogeneración se define como la producción secuencial de energía eléctrica
y/o mecánica y de energía térmica aprovechable en los procesos industriales a
partir de una misma fuente de energía primaria, y es hoy, una alternativa como
método de conservación de energía para la industria, acorde con las políticas de
globalización económica regional y a la política internacional orientada a lograr
un desarrollo sustentable.
Producción general de energía eléctrica o mecánica y energía térmica útil a
partir de la misma fuente primaria.
• Auto producción.
• Producción conjunta, en proceso secuencial de electricidad y energía térmica
útil.
• Producción combinada de calor y electricidad.
Cogeneración es la producción combinada de energía eléctrica (o mecánica) y
energía térmica (calor y/o frío) obtenida por el uso secuencial de energía a
partir de un mismo combustible. En otras palabras, la cogeneración se basa en
una racionalidad termodinámica y económica, ya que niveles más elevados de
eficiencia inciden en la reducción significativa del consumo de combustible y de
los demás costos asociados, incluyendo el costo ambiental.
(http://www.emb.cl/electroindustria/articulo.mvc?xid=265&tip=7)
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"La trascendencia de la cogeneración de energía en el mundo y los proyectos
para llevarla a cabo, ha experimentado un importante desarrollo, y dentro de las
causas de este cambio, se pueden considerar, el alza en los precios de los
combustibles, su marcada reducción, el avance de la tecnología en las energías
renovables y las políticas de reducción de emisiones de gases del efecto
invernadero que están plasmadas en las metas de los diferentes países".
En el contexto mundial se ha presentado un aumento significativo de la
participación de energías alternativas motivado por:
a- _Preocupación por el cambio climático
b- _Precios del petróleo
c- _Mayor conocimiento tecnológico
d- _Incentivos económicos
EL ESTADO ACTUAL DE LA COGENERACIÓN
La entrada de la cogeneración dependerá entre otras de:
a- La variabilidad de los costos de combustibles.
b- La firmeza de la producción del sector industrial por el crecimiento
económico del país.
c- Disponibilidad de firmeza de combustibles.
d- La evolución de los costos de inversión como de los costos de energía.
Los primeros sistemas de cogeneración en el mundo datan de la primera década
del siglo XX, cuando el suministro de energía eléctrica provenía de las grandes
centrales, que dado el desarrollo incipiente de los medios de transmisión, no
estaba disponible para todos. Como consecuencia, los consumidores medianos
comenzaron a instalar sus propias plantas de generación, hasta que los sistemas
de cogeneración llegaron a representar en la década de los ‘40 cerca del 50% de
toda la energía eléctrica generada en Estados Unidos.
Sin embargo, para el inicio de los ‘70, la cogeneración sólo significaba el 3% de la
electricidad generada, pero los conflictos del petróleo de 1973 y 1978 forzaron a
los países a revisar su matriz energética y crearon programas de conservación
de energía. Hoy día, la cogeneración representa más del 10% de toda la energía
generada en Estados Unidos, mientras que en Dinamarca corresponde al 27,5%,
y en Holanda a aproximadamente 25%.
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Usos comunes de la palabra Cogeneración
Co-generar es producir alguna cosa al mismo tiempo que otra, o en conjunto con
algo (o alguien) más. Así, la palabra no es estrictamente técnica y puede ser
utilizada en diferentes contextos.
La cogeneración, definida como la generación simultánea en un proceso de
energía térmica útil (calor útil) y eléctrica y/o mecánica, es un modo muy
eficiente de conversión de la energía. Su uso tiene impactos positivos en la
economía, el medio ambiente, el uso responsable de los recursos y en la
seguridad del suministro energético.
La cogeneración también conocida como CHP (calor y electricidad combinados),
en los países de la UE25, produce el 10% de toda la electricidad y
aproximadamente la misma cuota de calor. La cogeneración no es sólo una
alternativa válida para la gran industria. Las pequeñas empresas, edificios
públicos, incluso los propietarios de viviendas unifamiliares pueden utilizar esta
tecnología y aprovechar sus beneficios.
La situación más común de un edificio u otra instalación es la necesidad de
energía eléctrica y calor, por un lado, y la reducida eficiencia de las instalaciones
existentes, por otro. En muchos casos, la solución es una planta de cogeneración.
Sin embargo, existen una serie de obstáculos que pueden influir en la decisión
de implantación de este sistema.
Definición técnica de Cogeneración
Por otra parte, técnicamente hablando, cuando se hace referencia a un proceso
de conversión de energía, Cogeneración se define como: La producción de
potencia y calor directamente aprovechable, a partir de una fuente común de
energía.
Definiendo potencia como el trabajo por unidad de tiempo y no se limita a su
modalidad eléctrica, sino que puede aplicar también a la generación de potencia
mecánica como en el caso de turbinas impulsando directamente compresores o
bombas; y calor directamente aprovechable significa, en este contexto, energía
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térmica que debe ser suministrada a otro proceso cuyo fin no sea la producción
de potencia.
Por ejemplo, un equipo que necesite vapor o gases para calentar un producto;
por último, fuente común de energía se refiere a que de una misma unidad
“portadora” de energía (e.g. metro cubico gas, kilo de carbón, un litro de diésel)
se obtienen, a través de uno o varios procesos de conversión, la potencia y el
calor aprovechable.
Esto significa que dos equipos independientes produciendo potencia y calor
(cada uno por su lado) no estarían operando en modo de cogeneración, aunque
utilicen el mismo tipo de combustible. Por tanto la cogeneración hace referencia
al proceso, no al equipo.
Definición Termodinámica:
En una planta de generación termoeléctrica se quema normalmente un
combustible fósil para producir vapor a alta temperatura y presión, el cual se
hace pasar por una turbina para generar energía eléctrica. En este proceso, aún
en las plantas más eficientes, se logra la conversión a electricidad de menos del
46% de la energía disponible como calor en el combustible; el resto se descarga
a la atmósfera, mediante los gases producto de la combustión que salen por la
chimenea del generador de vapor y en los sistemas de condensación y
enfriamiento del ciclo termodinámico.
Aunque la cantidad de calor que se desecha a la atmósfera es muy grande, es de
baja temperatura relativa, en otras palabras de baja capacidad para realizar un
trabajo útil dentro de las plantas generadoras.
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La mayoría de los procesos industriales y aplicaciones comerciales, requieren de
vapor y calor a baja temperatura. Así ellos pueden combinar la producción de
electricidad y calor para los procesos, aprovechando la energía que de otra
forma se desecharía, como ocurre en las centrales termoeléctricas
convencionales; a esta forma de aprovechar el calor de desecho se le conoce
como cogeneración.
Trigeneración
Se define trigeneración como la producción conjunta, de electricidad, calor y
frío, a partir de un único combustible.
Básicamente, una planta de trigeneración es sensiblemente igual a una de
cogeneración a la que se le añade un sistema de absorción para la producción
de frío.
(http://www.empresaeficiente.com/es/catalogo-de-tecnologias/plantas-detrigeneracion)
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Funcionamiento
En un sistema convencional de generación, la electricidad se produce por un
dinamo o alternador, movidos por una máquina de combustión (motor o
turbina), la cual aprovecha la energía química del combustible;
Los
hidrocarburos como el carbón, el gas, el petróleo y sus derivados tienen
almacenada energía, la cual durante su combustión se transforma en calor, la
que se puede aprovechar para producir movimiento, es decir energía mecánica o
eléctrica. El sistema convencional de generación aprovecha entre el 25% al 46%
(calculado sobre el poder calorífico inferior - LHV); el resto de este poder
químico, se disipa en forma de calor. Por el contrario un sistema de generación
mediante cogeneración, aprovecha una gran parte de la energía térmica de la
combustión, la cual normalmente se disiparía a la atmósfera o a una masa de
agua.
Al usar gran parte de la energía térmica sobrante de la combustión, el Proceso
de Cogeneración aprovecha entre el 54 y 92% de la energía química del
combustible; logrando ahorros de un 20 a un 45 % por el aumento de la
eficiencia de la conversión.
Otra ventaja, y no pequeña, es que al producir la electricidad cerca del punto de
consumo, se evitan cambios de tensión y transporte a larga distancia, que
representan una pérdida notable de energía por efecto Joule (se calcula que en
las grandes redes esta pérdida está entre un 25 y un 30%).
La cogeneración es una de las principales medidas que pueden aplicarse para
lograr una política de ahorro y uso eficiente de la energía, así como para la
reducción de emisiones de gases de efecto invernadero.
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La Eficiencia
El proceso de cogeneración tiene un reparto más o menos fijo entre producción
eléctrico/mecánica y calor. Como las necesidades de ambas energías pueden variar de forma
diferente es frecuente que haya un excedente de alguna de ellas
La eficiencia de la planta se puede medir mediante unos coeficientes:
(http://jesuselectrico.blogspot.es/1394330932/cogeneracion-en-mexico/
http://es.scribd.com/doc/132236660/Cogeneracion)
 FUE, factor de uso de energía, que es el cociente de la energía
eléctrica generada, más el calor útil, entre la energía aportada al
motor de combustión interna. Este es el rendimiento global de la
instalación.
 RCE, relación calor/electricidad, que es el cociente entre el calor útil
o aprovechable, y la potencia eléctrica generada por el conjunto
motor-generador. El primero es el más importante ya que da idea
del rendimiento global de la instalación.
Este procedimiento tiene aplicaciones tanto industriales como en ciertos
grandes edificios en los que el calor puede emplearse para calefacción, para
refrigeración (mediante sistemas de absorción) y preparación de agua caliente
sanitaria como por ejemplo grandes centros comerciales, ciudades
universitarias, hospitales, etc.
El principio de la Cogeneración es simple: La generación de electricidad
convencional tiene un promedio de eficiencia menor al 46%, lo que implica que
al menos el 54% del potencial de energía se desperdicia como calor.
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La Cogeneración reduce estas pérdidas mediante el uso del calor en el proceso
productivo de una industria, o en la climatización de un comercio, hotel u otro
tipo de edificio.
La ventaja de la cogeneración es su mayor eficiencia energética ya que se
aprovecha tanto el calor como la energía eléctrica de un único proceso, en vez de
utilizar una central eléctrica convencional para cubrir las necesidades de calor y
una caldera convencional.
Otra ventaja, y no pequeña, es que al producir la electricidad cerca del punto de
consumo, se evitan cambios de tensión y transporte a larga distancia, que
representan una pérdida notable de energía por efecto Joule (se calcula que en
las grandes redes esta pérdida está entre un 25 y un 30%).
Un proceso de Cogeneración siempre incluirá un generador de electricidad y un
sistema de recuperación de calor.
El uso del calor permite que la eficiencia de un proceso de cogeneración alcance
eficiencias de hasta el 92% .
Adicionalmente la electricidad generada por una planta de cogeneración
normalmente se utiliza localmente lo que elimina las pérdidas en transmisión y
distribución.
Por tanto, la cogeneración ofrece ahorros de energía en un rango entre 20 y 46%
en comparación con el suministro de electricidad y calor obtenido de plantas y
calderas convencionales.
Dado que el transporte de electricidad en largas distancias es más fácil y menos
costoso que el transporte de calor, las instalaciones de cogeneración se ubican lo
más cerca posible al lugar en el que se va a consumir el calor; la dimensión ideal
deberá coincidir con la demanda de calor máxima; lo que normalmente supone
un exceso de producción de electricidad sobre la demanda de la instalación
estudiada. este exceso de producción puede ser vendido al nodo o a otro
consumidor de electricidad a través de la red de distribución.
El dimensionamiento de la planta de cogeneración en base a la demanda térmica
ofrece el máximo aprovechamiento de la energía térmica producida, esto es: la
máxima eficiencia posible y la reducción de emisiones a la atmosfera, en
particular de CO2, el principal gas de efecto invernadero.
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La cogeneración ofrece a la industria asociada (el consumidor de la energía
térmica y eléctrica) grandes ahorros en sus costes energéticos, produciendo un
incremento de su competitividad.
Ahorro de Energía y Costes
Un esquema de cogeneración bien diseñado siempre ofrecerá una mejor
eficiencia energética que una planta convencional, dando lugar a ahorros de
energía y costes.
Sólo se usa un combustible para generar electricidad y calor, por lo que los
ahorros dependerán del diferencial de precio entre el combustible utilizado
(Gas) y la compra de electricidad que el sistema logra evitar.
Sin embargo, aunque normalmente el beneficio de la cogeneración resulta del
abaratamiento de la electricidad, su éxito depende del uso productivo del calor
recuperado, por lo que el criterio principal son unas necesidades térmicas
adecuadas.
Como regla general, es probable que la cogeneración sea adecuada cuando haya
una demanda constante/estable de calor de al menos 4.500 horas al año.
El horario de demanda de la industria es también un factor a tener en cuenta
para establecer los ahorros de costes, será más eficiente si opera durante las
horas de tarifas eléctricas elevadas.
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Beneficios de la Cogeneración
Beneficios para la sociedad:
Los sistemas de Cogeneración aportan múltiples ventajas para los industriales,
para CFE y para el país y la sociedad en general, algunos son:
Para el país y la sociedad:
a- Ahorro de energía primaria
b- Disminución de emisiones contaminantes
c- Desarrollo regional y creación de empleos
a- Reducción de pérdidas de transmisión, transformación y distribución .
b- Costos evitados por generación, transmisión y distribución
c- Diferir inversión en nuevas instalaciones
d- Mayor margen de planeación del sector eléctrico
e- Liberación de capacidad de la red y de las subestaciones eléctricas
f- Mejoramiento de la calidad del servicio por la compensación de reactivos
Beneficios para el usuario:
g- Reducción costos de energéticos para el mismo proceso.
h- Beneficios medioambientales a causa de la mayor eficiencia en el consumo
de combustible.
i- Flexibilidad, resulta adecuado para instalaciones.
j- Mayor control sobre el suministro de la energía.
k- Las emisiones de CO2 se reducen, en consonancia con los esfuerzos por
detener el efecto del calentamiento global del planeta y, además, las
reservas de combustibles son conservadas como resultado del consumo
eficiente.
l- Mayor eficiencia y confiabilidad
m- Cumplimiento de la normatividad ambiental
n- Disminución de la factura energética ( electricidad + combustible )
o- Mejor calidad de energía, de acuerdo al proceso
p- Incremento de competitividad por reducción de costos de producción
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Para lograr estas eficiencias de conversión de energía primaria, las plantas de
Cogeneración se diseñan para suministrar toda la energía térmica requerida
(agua caliente, agua helada para acondicionamiento de aire o vapor).
Esto produce normalmente un excedente de energía eléctrica, que en la mayoría
de los países de la OECD se entrega a la red pública o a terceros vía porteo de
electricidad.
Beneficios Medioambientales:
La cogeneración produce significantes beneficios medioambientales mediante el
uso eficiente de combustibles fósiles. En particular es un método altamente
efectivo en la reducción de emisiones de dióxido de carbono (CO2) y de dióxido
de azufre (SO2). En las plantas de combustión moderna también se producen
ahorros de emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx).
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¿Dónde es recomendable la cogeneración?
La cogeneración tiene una larga historia de uso en muchos tipos de industria,
particularmente en papeleras e industrias químicas, que tienen grandes
demandas concurrentes de calor y electricidad.
En años recientes, la mayor disponibilidad y variedad de tecnologías ha
implicado que la cogeneración sea una propuesta práctica y atractiva para un
amplio rango de aplicaciones, incluyendo procesos industriales, edificios
públicos y comerciales y esquemas de climatización por distrito, todos ellos con
demandas de calor considerables.
Estas aplicaciones están resumidas en la siguiente tabla:
Potenciales oportunidades de aplicación de cogeneración en el sector
industrial:
 Industria farmacéutica y química
 Fabricación de papel y tableros
 Fabricación de Cerveza, Destilerías, Malteado
 Fábricas de Cerámicas
 Fábricas de Ladrillos
 Cementeras
 Industrias Alimentarias - Proceso de alimentos
 Procesos textiles
 Procesos minerales
 Refinerías de Crudo
 Hierro y Acero
 Industria del Motor
 Horticultura e Invernaderos
 Madereras
Potenciales oportunidades de aplicación en Edificios:
 Hoteles
 Hospitales
 Centros de ocio, gimnasios y piscinas
 Campus Universitarios y centros escolares
 Aeropuertos
 Prisiones, cuarteles militares
 Supermercados y grandes almacenes, centros comerciales, malls
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 Edificios de oficinas
 Climatización por distrito
Potenciales oportunidades de aplicación en Energías Renovables:
 Tratamiento de aguas residuales
 Granjas Avícolas y tratamiento de purines y otros residuos agrarios
 Cultivos Energéticos
 Energía a partir de residuos, gasificado de residuos sólidos urbanos
 Incineradoras municipales de residuos
 Vertederos
 Incineradoras hospitalarias
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El Modelo Económico de GE Caribe en la Cogeneración:
Asumidos los ahorros de costes energéticos que se consiguen con la
cogeneración, GE Caribe propone un variado rango de aprovechamiento y
distribución de esos ahorros:
 Desde la venta directa de la energía térmica y eléctrica al socio industrial
con descuentos sobre los costes alternativos de compra de esa misma
energía eléctrica y los costes de producción del calor con calderas,
repartiendo los ahorros entre el inversor en la planta de cogeneración y el
socio industrial.
 Hasta la construcción llave en mano de la planta de cogeneración que
quedaría en propiedad de la industria consumidora de la energía quien se
beneficiaría del 100% de los ahorros producidos por la planta de
cogeneración.
La recientemente aprobada ley de la Industria Eléctrica, reglamentaria de los
artículos 25, párrafo 4º; 27 párrafo 6º y 28, párrafo 4º de la Constitución Política
de los Estados Unidos Mexicanos regula el funcionamiento en cuanto al consumo
y venta de la energía eléctrica producida en las plantas de cogeneración.
Dicha ley establece las condiciones y reglamentos para la venta de los
excedentes de electricidad producidos en las plantas, ya sea a un usuario
calificado (consumidor de gran volumen), o en el mercado eléctrico mayorista,
estableciendo la posibilidad de dimensionar las plantas de cogeneración de
acuerdo a la demanda térmica y permitiendo así conseguir la mayor eficiencia
energética posible al producir toda la térmica requerida.
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Listado de Abreviaturas sistemas cogeneración
http://www.cogeneramexico.org.mx/anexos/MyP.pdf
ACS
Agua Caliente Sanitaria
CCGT
Combined Cycle Gas Turbine
CCHP
Combined Cooling Heat and Power generation
CFE
Comisión Federal de Electricidad
CHP
Combined Heat and Power Generation
CODE
Cogeneration Observatory and Dissemination Europe
CONUEE Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía
CRE
Comisión Reguladora de Energía
CRO
Ciclo Ranking Orgánico
EEG
Erneuerbare-Energien-Gesetz (Renewable Energy Act)
EU
European Union
FIT
Feed In Tariff
FONATUR Fondo Nacional de Fomento al Turismo
GBP
Pound Sterling
GEI
Gases de Efecto Invernadero
GHG
Green House Gas
GIZ
Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit
GW
Giga Watts
GWhe
Giga Watt hours of electricity
HFO
Heavy Fuel Oil
HHV
poder calorífico superior de un combustible
HRSG
Heat Recovery Steam Generator
IMSS Instituto Mexicano del Seguro Social
INEGI
Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática
ISSSTE
Instituto de Seguridad y Servicios Sociales para los Trabajadores del
Estado
kV
kilo Volt
kW
Kilo Watt
kWe
Kilo Watt eléctrico
kWt
Kilo Watt termico
kWh
Kilo Watt hora
kWhe
kilo Watt hours of electricity
LAERFTE Ley para el Aprovechamiento de Energías Renovables y el
Financiamiento para la Transición Energética
LPG
Liquefied Petroleum Gas
LSPEE
Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica
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LHV
poder calorífico inferior de un combustible
MW
Mega Watt
MWe Mega Watts of electricity
MWh Mega Watt hora
OCGT
Open Cycle Gas Turbine
p/kWh
Pence (UK) per Kilo Watt hours
PEMEX
Petróleos Mexicanos
PJ
Peta Joule
PyMEs
Pequeñas y Medianas Empresas
QFs
Qualifiying Facilities
RT
Refrigeration Tons
SENER
Secretaría de Energía
SGIP
Self Generation Incentive Program
SME
Small and Medium Enterprises
SS
Secretaría de Salud
t/a
tons per year (año)
TDR
Toneladas de refrigeración
TWh
Tera Watt hours
TWhe
Tera Watt hours of electricity
UNAM
Universidad Nacional Autónoma de México
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