Descripción

Se define cogeneración como la producción conjunta, por el propio usuario, de electricidad y energía térmica útil. Esta generación simultánea de calor y electricidad, que conlleva un rendimiento global más elevado, es lo que la distingue de la generación eléctrica convencional.

La cogeneración es un sistema alternativo, de alta eficiencia energética, que permite reducir de forma importante la factura energética de ciertas empresas, sin alterar su proceso productivo.

Conceptos básicos

Turbina. Su componente básico es un rotor con álabes. Su principio de funcionamiento es aprovechar la energía contenida en un fluido para producir movimiento giratorio en el rotor.

Para el tema de cogeneración, las turbinas más utilizadas son las de vapor o las de gas. En tales turbinas, el fluido a utilizar se expande, impulsando los álabes, lo cual genera el movimiento del rotor. El funcionamiento de estas turbinas en los sistemas de cogeneración será detallado en la siguiente sección.

Alternador. Un alternador utiliza la energía mecánica para producir energía eléctrica. El principio de funcionamiento está basado en la ley de Faraday y en la ley de Lenz: Un campo magnético variante en el tiempo inducirá un voltaje eléctrico en el material conductor que esté sometido a dicho campo. La polaridad del voltaje dependerá del sentido del campo magnético.

En un sistema de cogeneración, el alternador es lo que permite transformar la energía mecánica (generada por la turbina) en energía eléctrica.

Componentes

Los sistemas de cogeneración se clasifican normalmente dependiendo de la máquina motriz responsable de la generación eléctrica

Ciclo con turbina de gas

Se produce la combustión del gas dentro de una cámara y los gases resultantes de esta reacción se introducen en la turbina. En la turbina se extrae el máximo de la energía térmica de estos gases de escape, transformándola en energía mecánica.

Es el ciclo más usual para instalaciones medianas en consumidores con demanda de vapor, y su regulación suele hacerse mediante un sistema de postcombustión que permite ajustar la producción de vapor a su demanda.

Ciclo con turbina de vapor

La energía mecánica se produce por expansión del vapor de alta presión procedente de una caldera. El sistema genera menos energía eléctrica (mecánica) por unidad de combustible que su equivalente con turbina de gas. Sin embargo, el rendimiento global de la instalación es superior.

Ciclo combinado

Consiste en la aplicación conjunta de una turbina de gas y una de vapor, con todas sus posibles combinaciones en lo referente a tipos de combustibles utilizados, quemadores de postcombustión, salidas de vapor de turbina a contrapresión o condensación, etc.

El rendimiento global en la producción de energía eléctrica es mayor que las soluciones anteriores.

Ciclo con motor alternativo

Con los motores alternativos se obtienen rendimientos eléctricos más elevados pero, por otra parte, con una mayor limitación en lo referente al aprovechamiento de la energía térmica. Esta energía térmica posee un nivel térmico inferior y se encuentra repartida entre diferentes subsistemas (gases de escape y circuitos de refrigeración de aceite, camisas y aire comburente del motor).

Los sistemas con motor alternativo presentan una mayor flexibilidad de funcionamiento, lo que permite responder de manera casi inmediata a las variaciones de potencia, sin que ello conlleve un gran incremento en el consumo específico del motor.

Ventajas e inconvenientes

Entre las ventajas que se atribuyen a la cogeneración, destacan las siguientes:

  • Mayor eficiencia energética global.
  • Reporta beneficios económicos a nivel micro y macroeconómico.
  • Introduce tecnologías más eficientes y competitivas.
  • Reduce el impacto medioambiental asociado a las actividades energéticas.
  • Potencia la seguridad del abastecimiento energético del usuario.
  • Menor necesidad de inversiones en red.
  • Reduce la pérdida en redes (generación distribuida).
  • Potencia la diversificación del consumo y, por tanto, disminuye el nivel de dependencia de suministros externos.

Aplicaciones

Son usuarios potenciales de sistemas de cogeneración aquellas plantas industriales que reúnen las siguientes características:

  • Demandas de calor y electricidad simultáneas y continuas.
  • Disponibilidad de combustibles de calidad.
  • Calendario laboral de, al menos, 4.500 h – 5.000 h anuales.
  • Espacio suficiente y legalización adecuada para la ubicación de los nuevos equipos.
  • Efluentes térmicos de calidad.

Son los sectores del papel y del refino de petróleo los más atractivos para la instalación de este tipo de plantas, debido a sus altos requerimientos de energía primaria.

Hay otros sectores donde la cogeneración puede también reportar importantes beneficios, como los sectores químico y cerámico.

  • En la siguiente tabla analizamos la tecnología más adecuada para cada sector en función de la utilización que se haga del calor producido en la cogeneración, de las horas de utilización y del parámetro E/V de la instalación.
  • El parámetro E/V indica la relación entre la electricidad y el calor útil de la instalación.

El mercado potencial de los sistemas de cogeneración se encuentra principalmente en los siguientes sectores:

Medidas de eficiencia

Nuevos avances en la cogeneración

Entre las nuevas tecnologías de cogeneración podemos señalar como más interesantes:

Recuperación de calor residual

Es muy importante llevar a cabo una correcta selección de los equipos de recuperación de calor que mejor se adapten a las necesidades productivas para asegurar el correcto funcionamiento de una instalación de cogeneración.

Las posibilidades de recuperación del calor contenido en los gases de escape de las turbinas de gas son muy variadas, pudiéndose destacar la utilización de calderas de vapor (de circulación natural o de circulación forzada).

También es posible recuperar este calor de forma directa, tal es el caso de los gases en secaderos de muy diversas industrias.

El aprovechamiento del calor producido en un motor presenta una dificultad en cuanto que el 60% del calor disponible se encuentra a un nivel térmico bajo (agua de refrigeración) y sólo el calor contenido en los humos puede ser utilizado en la generación de vapor.

Estudio de viabilidad

El estudio de viabilidad debe contener:

  • Análisis de la situación actual de la industria.
  • Control de los consumos energéticos: Factura eléctrica (un año) y factura de combustibles (un año).
  • Rendimientos de las instalaciones actuales que consumen energía.
  • Balance energético de cada una de las alternativas propuestas.
  • Coste de cada una de ellas.
  • Rendimiento de cada una de ellas observando si cumplen con lo exigido en la legislación vigente en cuanto al rendimiento eléctrico equivalente (REE) y al rendimiento global de la
  • instalación en función de los combustibles empleados y la tecnología prevista.
  • Planos esquemáticos de ubicación.
  • Planos de interconexión de los actuales puntos de consumo de energía con la nueva fuente.
  • Plan de mantenimiento de cada una de las alternativas.
  • Balance económico de cada una de ellas.
  • Recomendación, según el criterio del diseñador, de la mejor de todas las alternativas previstas.

Rentabilidad

Para efectuar un cálculo aproximado de la rentabilidad económica (determinada como período de retorno simple de la inversión en años) utilizamos la siguiente fórmula:

Donde t es el período de retorno simple de la inversión (años)

Vemos que las variables a las que es sensible una inversión de cogeneración son las siguientes:

PkW = Precio del kilowatio instalado o sustituido(€/kWe): se calcula dividiendo el coste total de la inversión de la instalación de cogeneración entre la potencia eléctrica total instalada.

H = Horas de funcionamiento anual (h/a): es el número de horas de funcionamiento a pleno régimen de la instalación de cogeneración.

Pe = Precio del kWh eléctrico (€/kWhe): precio al que se está pagando la electricidad en la instalación actual.

M = Coste de operación de la instalación de cogeneración (€/kWhe producido): es la suma de todos los extracostes de funcionamiento de la instalación de cogeneración (mantenimiento, revisiones, cambio de filtros, aceite de lubricación, etc.).

R = Relación de producción de calor /electricidad (kWht/kWhe).

Ntot = Rendimiento total de la instalación de cogeneración, determinado como la suma de las producciones de calor y electricidad dividida por el consumo total de combustible previsto en la instalación de cogeneración.

Pc = Precio del combustible considerado para la cogeneración (€/th PCI): precio del combustible que se paga actualmente en la instalación de referencia y que, en principio, debe ser igual al del combustible de la instalación de cogeneración.

A partir de la expresión anterior podemos determinar cómo afectan las distintas variables a la rentabilidad de una instalación de cogeneración:

  • Si aumenta el número de horas de funcionamiento (H): disminuye el período de retorno.
  • Si aumenta el precio de la electricidad (Pe): disminuye el periodo de retorno.
  • Si aumenta el rendimiento total de la instalación de cogeneración (Ntot): disminuye el período de retorno.
  • Si aumenta el precio del kilowatio instalado (PkW): aumenta el período de retorno.
  • Si aumentan los costes de operación (M): aumenta el período de retorno.
  • Si aumenta el precio del combustible (Pc): aumenta el período de retorno.
  • Si aumenta la relación producción de calor/electricidad (R): aumenta el período de retorno.