Cogeneració es defineix com la producció conjunta, per part de l‘usuari, d’electricitat i d’energia tèrmica útil. Aquesta generació simultània de calor i d’electricitat, que comporta un rendiment global més elevat, la distingeix de la generació elèctrica convencional.

La cogeneració és un sistema alternatiu, d’alta eficiència energètica, que permet reduir de forma important la factura energètica de certes empreses, sense alterar-ne el procés productiu.

Els sistemes de cogeneració a Espanya produeixen (E4):

• Aprox. el 13,6% de l’energia elèctrica consumida al país.
• Gairebé el 40% de l’electricitat produïda tèrmicament (excloent-ne les nuclears).
• Tanta electricitat com la produïda hidràulicament.
• La meitat de l’electricitat produïda per les centrals nuclears del país.
• El sector de cogeneració tenia una potència instal·lada de 6.157 mW, associada a 884 instal·lacions el 2008. (Font CNE).

Els sistemes de cogeneració es classifiquen normalment segons la màquina motriu responsable de la generació elèctrica.

3.1 Cicle amb turbina de gas

Es produeix la combustió del gas dins d’una cambra i els gasos resultants d’aquesta reacció s’introdueixen a la turbina. A la turbina s’extreu el màxim de l’energia tèrmica d’aquests gasos d’escapament i es transforma en energia mecànica.

És el cicle més usual per a instal·lacions mitjanes en consumidors amb demanda de vapor, i se sol regular mitjançant un sistema de postcombustió que permet ajustar la producció de vapor a la demanda.

3.2 Cicle amb turbina de vapor

L’energia mecànica es produeix per expansió del vapor d’alta pressió procedent d’una caldera. El sistema genera menys energia elèctrica (mecànica) per unitat de combustible que el seu equivalent amb turbina de gas. Malgrat tot, el rendiment global de la instal·lació és superior.

3.3 Cicle combinat

Consisteix en l’aplicació conjunta d’una turbina de gas i d’una de vapor, amb totes les possibles combinacions pel que fa a tipus de combustibles utilitzats, cremadors de postcombustió, sortides de vapor de turbina a contrapressió o condensació, etc.

El rendiment global en la producció d’energia elèctrica és major que en les solucions anteriors.

3.4 Cicle amb motor alternatiu

Amb els motors alternatius s’obtenen rendiments elèctrics més elevats però, d’altra banda, amb una major limitació pel que fa a l’aprofitament de l’energia tèrmica. Aquesta energia tèrmica posseeix un nivell tèrmic inferior i es troba repartida entre diferents subsistemes (gasos d’escapament i circuits de refrigeració d’oli, camises i aire comburent del motor).

Els sistemes amb motor alternatiu presenten una major flexibilitat de funcionament, fet que permet respondre de manera gairebé immediata a les variacions de potència, sense que això comporti un gran increment en el consum específic del motor.

Entre els avantatges que s’atribueixen a la cogeneració, destaquen els següents:

• Més eficiència energètica global.
• Reporta beneficis econòmics a nivell micro i macroeconòmic.
• Introdueix tecnologies més eficients i competitives.
• Redueix l’impacte mediambiental associat a les activitats energètiques.
• Potencia la seguretat de l’abastament energètic de l’usuari.
• Menor necessitat d’inversions en xarxa.
• Redueix la pèrdua en xarxes (generació distribuïda).
• Potencia la diversificació del consum i, per tant, disminueix el nivell de dependència de subministraments externs.

Són usuaris potencials de sistemes de cogeneració aquelles plantes industrials que reuneixen les característiques següents:

• Demandes de calor i d’electricitat simultànies i continues.
• Disponibilitat de combustibles de qualitat.
• Calendari laboral d’ almenys 4.500 h a 5.000 h anuals.
• Espai suficient i legalització adequada per a la ubicació dels nous equips.
• Efluents tèrmics de qualitat.

Els sectors del paper i del refinament de petroli són els més atractius per a la instal•lació d’aquest tipus de plantes, a causa dels alts requeriments d’energia primària.
Hi ha d’altres sectors en què la cogeneració també pot reportar importants beneficis, com ara els sectors químic i ceràmic.

• A la taula següent analitzem la tecnologia més adient per a cada sector en funció de la utilització que es faci de la calor produïda en la cogeneració, de les hores d’utilització i del paràmetre E/V de la instal•lació.
• El paràmetre E/V indica la relació entre l’electricitat i la calor útil de la instal•lació.

El mercat potencial dels sistemes de cogeneració es troba principalment en els sectors següents:

5.1 Nous avenços en la cogeneració

Entre les noves tecnologies de cogeneració podem assenyalar com a més interessants:

5.2 Recuperació de calor residual

És molt important seleccionar correctament els equips de recuperació de calor que millor s’adaptin a les necessitats productives per assegurar el funcionament correcte d’una instal·lació de cogeneració.
Les possibilitats de recuperació del calor contingut en els gasos d’escapament de les turbines de gas són molt variades. Es pot destacar la utilització de calderes de vapor (de circulació natural o de circulació forçada).
També es pot recuperar aquesta calor de forma directa, com es fa amb els gasos en assecadores d’indústries molt diverses.
L’aprofitament de la calor produïda en un motor presenta una dificultat perquè el 60% de la calor disponible es troba a un nivell tèrmic baix (aigua de refrigeració) i només la calor continguda en els fums es pot fer servir en la generació de vapor.

L’estudi de viabilitat ha de contenir:

• Anàlisi de la situació actual de la indústria.
• Control dels consums energètics: Factura elèctrica (un any) i factura de combustibles (un any).
• Rendiments de les instal•lacions actuals que consumeixen energia.
• Balanç energètic de cada una de les alternatives proposades.
• Cost de cada una d’elles.
• Rendiment de cada una d’elles tot observant si compleixen el que exigeix la legislació vigent pel que fa al rendiment elèctric equivalent (REE) i al rendiment global de la instal•lació en funció dels combustibles emprats i la tecnologia prevista.
• Plànols esquemàtics d’ubicació.
• Plànols d’interconnexió dels punts de consum d’energia actuals amb la nova font.
• Pla de manteniment de cada una de les alternatives.
• Balanç econòmic de cada una d’elles.
• Recomanació, segons el criteri del dissenyador, de la millor de totes les alternatives previstes.

Per efectuar un càlcul aproximat de la rendibilitat econòmica (determinada com a període de retorn simple de la inversió en anys) fem servir la fórmula següent:

on t és el període de retorn simple de la inversió (anys).

Veiem que les variables a les qual és sensible una inversió de cogeneració són les següents:

PkW = Preu del kilowatt instal·lat o substituït (€/kWe): es calcula dividint el cost total de la inversió de la instal·lació de cogeneració entre la potència elèctrica total instal·lada.

H = Hores de funcionament anual (h/a): és el nombre d’hores de funcionament a ple règim de la instal·lació de cogeneració.

Pe = Preu del kWh elèctric (€/kWhe): preu al que s’està pagant l’electricitat en la instal·lació actual.

M = Cost d’operació de la instal·lació de cogeneració (€/kWhe produït): és la suma de tots els costos addicionals de funcionament de la instal·lació de cogeneració (manteniment, revisions, canvi de filtres, oli de lubricació, etc.).

R = Relació de producció de calor/electricitat (kWht/kWhe).

Ntot = Rendiment total de la instal·lació de cogeneració, determinat com la suma de les produccions de calor i d’electricitat dividida pel consum total de combustible previst en la instal·lació de cogeneració.

Pc = Preu del combustible considerat per a la cogeneració (€/th PCI): preu del combustible que es paga actualment en la instal·lació de referència i que, en principi, ha de ser igual al del combustible de la instal·lació de cogeneració.

A partir de l’expressió anterior podem determinar com afecten les diferents variables a la rendibilitat d’una instal·lació de cogeneració:

• Si augmenta el nombre d’hores de funcionament (H): disminueix el període de retorn.
• Si augmenta el preu de l’electricitat (Pe): disminueix el període de retorn.
• Si augmenta el rendiment total de la instal·lació de cogeneració (Ntot): disminueix el període de retorn.
• Si augmenta el preu del kilowatt instal·lat (PkW): augmenta el període de retorn.
• Si augmenten els costos d’operació (M): augmenta el període de retorn.
• Si augmenta el preu del combustible (Pc): augmenta el període de retorn.
• Si augmenta la relació producció de calor/electricitat (R): augmenta el període de retorn.

INVERSIONS ESTIMADES en els diferents equips que formen una instal·lació de cogeneració:

• Turbina de gas: 360€/kW -450€/kW.
• Motors de gas: 600 €/kW dels quals: -Cost del motor: 270 €/kW a 330 €/kW. -Cost de l’alternador: 60 €/kW a 90 €/kW. -Cost dels recuperadors de calor: 60 €/kW a 90 €/kW.
• Calderes de recuperació: 15.000 a 21.000 €/t de vapor.
• Compressors de gas: 780 a 845 €/kW absorbit en compressió.
• Equips de postcombustió: 24.000 a 36.000 € per cada 1.000 th/h de potència nominal.

Informació complementària: Vegeu Catàleg de cogeneració