Definición de Cogeneración
Ingeniera Industrial, MSc en Física, y EdD
La cogeneración se refiere a un sistema en el cual se obtiene la producción conjunta de electricidad (o energía mecánica, que luego se convierte en electricidad), y de energía térmica útil (calor) a partir de una sola fuente de combustible. Por lo general, el combustible más utilizado en estos sistemas es el gas natural, el cual se emplea como energía primaria en las centrales de cogeneración de tipo electricidad - calor.
Las centrales de cogeneración, operan principalmente con motores alternativos de combustión interna a gas o con turbinas de gas, y en ciertos casos, turbinas de vapor. En algunas plantas o regiones, se han utilizado fuentes primarias renovables como la biomasa o residuos para la producción de calor.
Conversiones energéticas en sistemas de cogeneración para producción de electricidad y calor
Los sistema de cogeneración se suelen abreviar con las siglas en inglés CHP (Combined Heat and Power), por las salidas útiles de energía que se pueden obtener a partir de una energía primaria que se suele relacionar con el poder calorífico de un combustible. Este mecanismo tiene entre sus fundamentos teóricos, al segundo principio de la termodinámica, el cual contempla que para evacuar determinada cantidad de calor se requiere de un foco a baja temperatura.
Los motores alternativos de combustión interna que operan con gas natural, gasolina o diésel, son los sistemas más utilizados para aplicar cogeneración a nivel industrial.
Ahora bien, cuando se evalúa la factibilidad técnica y económica para instalar un sistema de cogeneración en una planta industrial, es de suma importancia considerar los requerimientos energéticos de la fábrica, para incorporarlos en la planta de cogeneración, considerando además la posibilidad de incrementar a futuro su capacidad, la disponibilidad del combustible, la eficiencia de la instalación, así como las economías de escala que puedan favorecer la rentabilidad del proyecto.
Ejemplos: ¿dónde se recomienda aplicar cogeneración?
Lo más común en muchas plantas industriales, es que tengan procesos que presentan demandas térmicas a distintas temperaturas, y en estos casos, es donde la cogeneración ofrece su mayor potencial, dado que brinda la posibilidad de utilizar el calor que de otra manera se despilfarraría, aprovechando así el calor residual y generando además electricidad. Las plantas que han implementado exitosamente los sistemas de cogeneración, suelen reportar rendimientos globales entre el 75 % y el 90 % de la energía química que provee el combustible.
De acuerdo con el planteamiento anterior, la cogeneración es aplicable en plantas donde se disponga de una demanda energética en forma de calor (o frío). De esta manera, el calor puede aprovecharse de diversas fuentes, y hay que tomar en cuenta que el foco de temperatura más elevada proviene de los gases de escape, cuyo intervalo se encuentra entre 380 ºC y 450 ºC, con la tecnología vigente.
Después de los motores de combustión interna, las turbinas de gas, y luego las de vapor, son los sistemas de mayor uso en los procesos de cogeneración.
Algunos procesos en los cuales se puede utilizar a nivel industrial el calor cogenerado, puede ser para la producción de aire caliente, agua caliente, vapor o aceite térmico; o bien, aplicarse en procesos de secado, por mencionar algunos ejemplos; sin embargo, su utilidad es muy variada.
En teoría, cualquier planta con una significativa demanda de electricidad y calor, es susceptible para cogenerar. Sin embargo, sí se recomienda tomar en consideración los siguientes aspectos:
• Significativa demanda de calor, puede ser en forma de gases calientes o de vapor a baja o media presión. Hay que tomar en cuenta que los mayores beneficios de la cogeneración se presentan con temperaturas a partir de 500 ºC. Por ejemplo, la temperatura de los gases de escape de las turbinas se encuentra entre 370 ºC y 500 ºC.
• Que el combustible a utilizar tenga garantías de disponibilidad, economía y continuidad, ya que los mayores beneficios económicos se obtienen cuando la diferencia de precios entre el combustible y la electricidad es elevada. También es de gran importancia que el proceso donde se implementará la cogeneración sea continuo, en otras palabras, que las demandas de electricidad y calor se deben presentar en al menos 4,500 horas al año, lo que daría un factor de carga aproximado del 50 %.
El gráfico de consumo térmico anual muestra un ejemplo de aplicación de cogeneración en tres módulos que producen 23.6×106 kWh/año (rectángulos azules) de energía, de los 37×106 kW/h que demanda anualmente la planta.
Las consideraciones mencionadas se plantean porque la cuantiosa inversión para aplicar cogeneración en una planta, solo se justifica económicamente si se trata de un sistema que satisface la demanda base y no únicamente para manejo de las demandas pico. De hecho, en ciertos casos, se exige en el proyecto que la planta opere continuamente por encima de las 8,000 horas al año, en cuyo caso, el factor de carga sería aproximadamente del 90 %.
Beneficios de implementar un sistema de cogeneración
• Se reducen los costos asociados al consumo de energía debido a la elevada eficiencia energética de estos sistemas cogenerativos.
• Se reducen las emisiones relacionadas con los gases efecto invernadero, principalmente cuando se emplea como combustible gas natural o incluso, biocombustibles.
• Se provee a la planta de flexibilidad para responder a posteriores ampliaciones de demanda energética de manera económica y práctica.
Trabajo publicado en: Ene., 2023.
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