¿Qué es la cogeneración?
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. La cogeneración es el procedimiento mediante el cual se obtiene simultáneamente
energía eléctrica y energía térmica útil (
vapor,
agua caliente sanitaria,
hielo,
agua fría,
aire frío, por ejemplo). 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.
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%.
La ventaja de la cogeneración es su mayor
eficiencia energética ya que se aprovecha tanto el calor como la energía mecánica o eléctrica de un único proceso, en vez de utilizar una central eléctrica convencional y para las necesidades calor una caldera convencional.
Al generar electricidad mediante una dinamo o alternador, movidos por un motor térmico o una turbina, el aprovechamiento de la energía química del combustible es del 25% al 40% solamente, y el resto debe disiparse en forma de calor. Con la cogeneración se aprovecha una parte importante de la energía térmica que normalmente se disiparía a la atmósfera o a una masa de agua y evita volver a generarla con una caldera. Además evita los posibles
problemas generados por el calor no aprovechado.
Generalidades
En la actualidad en Chile la palabra cogeneración se usa para designar indistintamente una gran cantidad de configuraciones de generación. Entre ellas las más importantes son las siguientes:
Autoproducción eléctrica en base a combustibles obtenidos como subproductos del proceso principal, por ejemplo residuos combustibles en la industria de la celulosa.
Generación de energía eléctrica mediante combustibles no convencionales, por ejemplo residuos orgánicos.
Aprovechamiento del calor residual en las plantas termoeléctricas en diferentes procesos secundarios (calefacción, secado, etc.).
Aprovechamiento del calor en plantas o procesos industriales o de servicios para generar energía eléctrica.
Concepto Básico de la Cogeneración.
En la industria, en la mayoría de los casos los circuitos de calor y energía eléctrica están separados. Se compra el combustible para generar calor en las calderas y se contrata la energía eléctrica con la compañía distribuidora local, tal como se ilustra en la Figura.
En este sistema convencional, el combustible y la electricidad son usados por el proceso principal para generar trabajo útil. Debido a las características inherentes a los procesos o plantas que utilizan calor, siempre existen pérdidas en la forma de calor residual que generalmente es eliminado a la atmósfera. La cogeneración aprovecha este calor residual del proceso principal para generar energía eléctrica. Como resultado, el costo total del consumo de energía disminuye y, simultáneamente, se aumenta la eficiencia energética global de la planta o proceso.
En la siguiente figura se muestra que el calor residual es aprovechado para generar energía eléctrica adicional mediante la incorporación de un sistema turbina generador.
De esta forma, para un mismo proceso, es decir, la misma cantidad de trabajo útil, en el primer caso se consume más energía que en el segundo caso. Asimismo, las pérdidas totales en el sistema de cogeneración disminuyen con respecto a la situación original ya que se aprovecha el calor residual.
En el caso general, la energía eléctrica será parcialmente generada por el proceso mediante la cogeneración y la diferencia será comprada a la compañía distribuidora local. La proporción de cuanto se genera localmente y cuanto se adquiere externamente dependerá de la planta o proceso específico de cada industria. De hecho, hay sistemas excedentarios, es decir con capacidad de entregar o vender energía y hay otros deficitarios, aquellos que deben adquirir siempre parte de su energía eléctrica a la compañía distribuidora local. Dependiendo del proceso especifico, los rendimientos energéticos pueden aumentar típicamente entre un 30% a un 70%.
Esquemas de Cogeneración.
Desde el punto de vista de las instalaciones, básicamente existen dos tipos: sistemas de cabecera ("topping system") o de cola ("bottoming system").
1. Sistema de Cogeneración de Ciclo de Cabecera.
Aquí primero se genera electricidad y luego el calor se usa en los procesos industriales, en sistemas de aire acondicionado u otros requerimientos de carácter térmico. Por lo general se aplican a procesos que requieren temperaturas moderadas o bajas, por lo que poseen mayor campo de utilización y más versatilidad en su solución técnica. Es el sistema más aplicado en la industria. Para producir electricidad se utilizan turbinas a vapor, turbinas a gas o motores de combustión diesel. Si se trata de turbinas a vapor o motores diesel, el vapor o los gases de escape se convierten en fuentes de calor para procesos. Aplicaciones típicas de esta modalidad son el secado de madera u otros materiales de construcción, recalentamiento de metales, calentador de agua, aire o aceite y, en general, calderas para producir vapor.
Si se utiliza una turbina a gas, los gases liberados tienen un alto contenido de oxígeno, por lo que se pueden utilizar para precalentar el aire de combustión de las calderas y disminuir así el combustible necesario. Por lo tanto los sistemas "topping" son ideales para turbinas a gas y ciclos combinados de turbinas a gas y vapor.
2. Sistema de Cogeneración de Ciclo de Cola.
Su sistema primario es térmico, siendo posible extraer o recuperar calor del proceso industrial para producir electricidad. En este caso se requiere de vapor de alta calidad, es decir, cuya temperatura y presión sean las adecuadas para generar electricidad. Por lo tanto, se trata de procesos de temperaturas altas o medias. Este esquema se aplica típicamente en hornos, reacciones químicas y prensas de vapor de alta presión.
El calor que se extrae de estos procesos sirve para generar vapor en una caldera de recuperación que luego se aprovecha en una turbina o generador [9]. La ventaja de estos sistemas radica precisamente en este hecho, ya que no se requiere combustible adicional para generar electricidad. Esta configuración es muy usada cuando se trabaja con turbinas a vapor.
Características Básicas para la Cogeneración.
En principio, cualquier sistema (planta, proceso o servicio) que tenga una importante demanda de calor y electricidad es un posible cogenerador. Sin embargo, en términos generales puede establecerse que los potenciales cogeneradores deben cumplir con alguna de las siguientes características:
Consumir importantes cantidades de calor ya sea en forma de gases calientes o en forma de vapor a baja o media presión. Con temperaturas del orden de 500 ºC (o menores) mayores ventajas existen para cogenerar, puesto que la temperatura de los gases de escape de las turbinas varía entre 370 ºC y 500 ºC.
Disponer de un combustible barato, que posea continuidad y calidad de suministro. De hecho, mientras mayor es la diferencia de precios entre el combustible y la electricidad mayor beneficio económico reporta implementar un sistema de cogeneración.El proceso involucrado debe ser continuo, es decir, las demandas por electricidad y calor deben estar presentes en por lo menos 4500 horas al año (factor de carga cercano al 50%).
En general, dado el alto monto de inversión en el sistema de cogeneración, éste se justificará para ser diseñado como un sistema que cubra la demanda base y no como un sistema de manejo de las puntas. Incluso, para algunas aplicaciones se exige una operación continua sobre 8000 horas al año (factor de carga sobre el 90%).
Regulación
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 energía de cogeneración se incluye en el Régimen Especial de energía que le permite utilizar la cogeneración para proveerse de todo el calor que necesite e inyectar en la red eléctrica la energía eléctrica que no necesite a una tarifa fija. De esta forma se evita que otra central produzca esa energía de forma menos eficiente.
Trigeneración y otros
Hay una ampliación del concepto de cogeneración que permite disponer aparte del calor y la energía mecánica/eléctrica habitual, frío a partir de calor residual. Es posible obtener frío a partir de una fuente de calor mediante sistemas de absorción. Como resultado se obtiene una cantidad de calor mayor (el provisto por el sistema de cogeneración, más de sustraído por el sistema de refrigeración) pero a menor temperatura. Por ejemplo con un líquido más templado pero de mayor volumen.
Un sistema de refrigeración por absorción necesita una temperatura de uno 80ºC para funcionar, del que se obtiene el agua de descarga a unos 40º o 50ºC y el agua de refrigeración a un 0º a 4º C.
Hay otros modos de maximizar el concepto de cogeneración.
En invernaderos se re aprovecha los gases del sistema de cogeneración, previamente tratados con un catalizador como fertilización carbónica.
Otra modalidad es la denominada Tetrageneración, en la que además de las tres formas de energía anteriores se genera simultáneamente energía mecánica aprovechable por ejemplo, para generar Aire comprimido. En España hay pocos ejemplos de tetrageneración, pero la factoría FORD en Almussafes, tiene un buen ejemplo de planta
La Cogeneración como alternativa Energética Sostenible
Gracias a la necesidad por mejorar la eficiencia energética en la industria se han creado convenios entre la ANDI y la UPME (Unidad de Planeación Minero Energética) para promover proyectos con relación al sector energético a nivel de estudio y financiación, lo cual es una gran herramienta para nosotros como especialistas en climatización, ya que es una ayuda para plantear nuevos proyectos con buenos resultados económicos.
La ANDI está promoviendo en el país fuertemente la industria de la cogeneración, como una alternativa viable. Esto es de gran importancia para que los empresarios tomen conciencia de las grandes ventajas que ofrece dicha tecnología. Con la Cogeneración se aprovecha la energía térmica sobrante del proceso de la generación de energía eléctrica, ocasionando con ello una mejor utilización de los recursos energéticos y en consecuencia mejorando notablemente la eficiencia de los procesos productivos de la industria.
Se debe tener en cuenta que la cogeneración no solo beneficia a los empresarios para ahorrar dinero en cuanto a sus energéticos, sino que además tiene un gran beneficio sobre el medio ambiente, ya que se genera a partir de los gases y las emisiones producidas por los generadores térmicos, con la disminución de la temperatura de salida de sus chimeneas.
También con la implementación de la ISO 14000 (protocolo de Kioto), las empresas están en la obligación de mejorar los procesos que perjudican el medio ambiente y para poder tener una garantía de exportación deben hacer lo posible por obtener estos certificados que los acrediten como empresas responsables con la ecología.
Sin embargo, para crear un escenario que facilite el auge de la Cogeneración es necesario establecer un marco legal adecuado en el cual, el sector productivo y el gobierno nacional se comprometan en el desarrollo de la reglamentación de la Ley 697 que promueva el uso racional de la energía. Países como España, Brasil y México, tiene ya legislaciones que favorecen las inversiones en Cogeneración.
