Cogeneración
Los sistemas de cogeneración son sistemas de
producción conjunta de electricidad (o energía mecánica) y de energía térmica
útil (calor) partiendo de un único combustible. El gas natural es la
energía primaria más utilizada para el funcionamiento de
las centrales de cogeneración de electricidad calor, las cuales
funcionan con turbinas o motores de gas. No obstante, también se pueden
utilizar fuentes de energía renovables y residuos como
biomasa o residuos que se
incineran.
En un proceso de cogeneración, el calor se
presenta en forma de vapor de agua a alta presión o en forma de agua caliente.
Por ejemplo, se puede utilizar el vapor caliente que sale de una turbina de
producción de energía eléctrica, para suministrar energía para otros usos. Hasta
hace poco lo usual era dejar que el vapor se enfriara, pero con esta técnica,
con el calor que le queda al vapor se calienta agua para distintos usos.
El aprovechamiento del
calor residual, los sistemas de cogeneración presentan rendimientos globales del
orden del 85%, lo que implica que el aprovechamiento simultáneo de electricidad
y calor favorezca la obtención de elevados índices de ahorro energético, así
como una disminución importante de la factura energética, sin alterar el proceso
productivo, ahorro energético que se incrementa
notablemente si se utilizan energías residuales.
En una central eléctrica tradicional los
humos salen directamente por la chimenea, mientras que en una planta de
cogeneración los gases de escape se enfrían transmitiendo su energía a un
circuito de agua caliente/vapor. Una vez enfriados los gases de escape pasan a
la chimenea.
Las centrales de cogeneración de
electricidad-calor pueden alcanzar un rendimiento energético del orden del 90%.
El procedimiento es más ecológico, ya que durante la combustión el gas natural
libera menos dióxido de carbono (CO2) y óxido de nitrógeno (NOX) que el petróleo
o el carbón. El desarrollo de la cogeneración podría evitar la emisión de 127
millones de toneladas de CO2 en la UE en 2010 et de 258 millones de toneladas en
2020, ayudando a cumplir los objetivos fijados en el
Protocolo de Kioto.
La producción de electricidad por
cogeneración representó en la UE en 1998 el 11% del total. Si se lograra
aumentar hasta un 18%, el ahorro de energía podría llegar a ser del 3-4% del
consumo bruto total de la UE. Además, son cada vez más numerosas las
aplicaciones que se le está dando a esta técnica, tanto en usos industriales,
como en hospitales, hoteles, etc.
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VENTAJAS:
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Ahorra energía y mejora la seguridad del
abastecimiento.
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Disminuye las pérdidas de la red
eléctrica, especialmente porque las centrales de cogeneración se suelen
situar próximas a los lugares de consumo
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Aumenta la competencia entre los
productores
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Permite crear nuevas empresas
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Se adapta bien a las zonas aisladas o
ultraperiféricas
- SISTEMAS DE COGENERACIÓN
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Plantas
con motores alternativos |
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Utilizan
gas, gasóleo o fuel-oil como combustible. Son muy eficientes
eléctricamente, pero son poco eficientes térmicamente. El sistema de
recuperación térmica se diseña en función de los requisitos de la
industria y en general se basan en la producción de vapor a baja presión
(hasta 10 bares), aceite térmico y en el aprovechamiento del circuito de
alta temperatura del agua de refrigeración del motor. Son también
adecuadas la producción de frío por absorción, bien a través del vapor
generado con los gases en máquinas de doble efecto, o utilizando
directamente el calor del agua de refrigeración en máquinas de simple
efecto. |
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Plantas con turbinas de vapor |
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En estos sistemas, la energía mecánica se produce
por la expansión del vapor de alta presión procedente de una caldera
convencional.
El uso de esta turbina fue el primero en cogeneración.
Actualmente su aplicación ha quedado prácticamente limitada como
complemento para ciclos combinados o en instalaciones que utilizan
combustibles residuales, como
biomasa o residuos que
se incineran.
La
aplicación conjunta de una turbina de gas y una turbina de vapor es lo que
se denomina " Ciclo Combinado". |
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Plantas
con turbinas de gas |
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En los sistemas con turbina de gas se quema combustible en
un turbogenerador, cediendo parte de su energía para producir energía
mecánica. Su rendimiento de conversión es inferior al de los motores
alternativos, pero presentan la ventaja de que permiten una recuperación
fácil del calor, que se encuentra concentrado en su práctica totalidad en
sus gases de escape, que está a una temperatura de unos 500ºC, idónea para
producir vapor en un generador de recuperación.
Se diferencian 2 tipos de ciclos: (1)
simple, cuando el vapor se produce a la
presión de utilización del usuario; y (2)
combinado, cuando el vapor se produce a alta presión y temperatura
para su expansión previa en una turbina de vapor.
Es la planta clásica de cogeneración y su aplicación es
adecuada cuando los requisitos de vapor son importantes (>10 t/h),
situación que se encuentra fácilmente en numerosas industrias
(alimentación, química, papelera). Son plantas de gran fiabilidad y
económicamente rentables cuando están diseñadas para una aplicación
determinada.
El diseño del sistema de recuperación de calor es
fundamental, pues su economía está directamente ligada al mismo, ya que a
diferencia de las plantas con motores alternativos el precio del calor
recuperado es esencial en un ciclo simple de turbina de gas.
Un ciclo combinado ayuda a absorber una parte del vapor
generado en el ciclo simple y permite, por ello, mejorar la recuperación
térmica, o instalar una turbina de gas de mayor tamaño cuya recuperación
térmica no estaría aprovechada si no se utilizara el vapor en una segunda
turbina de contrapresión.
En un ciclo combinado el proceso de vapor es esencial para
lograr la eficiencia del mismo. La selección de la presión y la
temperatura del vapor vivo se hace en función de las turbinas de gas y
vapor seleccionadas, selección que debe realizarse con criterios de
eficiencia y economía. Por ello se requiere la existencia de experiencias
previas e "imaginación responsable" para crear procesos adaptados a un
centro de consumo, que al mismo tiempo dispongan de gran flexibilidad que
posibilite su trabajo eficiente en situaciones alejadas del punto de
diseño.
Una variante del ciclo combinado, es el
ciclo combinado a condensación
Variante del ciclo combinado de contrapresión clásico, se
basa en procesos estrictamente cogenerativos. Se basa en una gran
capacidad de regulación ante demandas de vapor muy variables.
El proceso clásico de regulación de una planta de
cogeneración consiste en evacuar gases a través del by-pass cuando la
demanda de vapor es menor a la producción y utilizar la post-combustión
cuando sucede lo contrario.
Bajando sensiblemente su potencia, no se consigue su
adaptación a la demanda de vapor, debido a una importante bajada en el
rendimiento de recuperación, ya que los gases de escapa mantienen
prácticamente su caudal y bajan ostensiblemente su temperatura. Por ellos,
las pérdidas de calor se mantienen prácticamente constantes, y la planta
deja de cumplir los requisitos de rendimiento.
Por contra, un ciclo de contrapresión y condensación
permite aprovechar la totalidad del vapor generado, regulando mediante la
condensación del vapor que no puede usarse en el proceso, produciendo una
cantidad adicional de electricidad. |
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Trigeneración |
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Se basa en la producción conjunta de calor, electricidad y
frío.
Una planta de trigeneración es similar a una de
cogeneración, a la que se le ha añadido un sistema de absorción para la
producción de frío. No obstante existen una serie de diferencias.
La trigeneración, permite a la cogeneración, que
inicialmente, no era posible en centros que no consumieran calor, acceder
a centros que precisen frío que se produzca con electricidad. Facilita a
la industria del sector alimentario ser cogeneradores potenciales.
Asimismo, permite la utilización de cogeneración en el sector terciario
(hoteles, hospitales, etc.) donde además de calor se requiere frío para
climatización, y que debido a la estacionalidad de estos consumos (calor
en invierno, frío en verano) impedía la normal operación de una planta de
cogeneración clásica.
Esta modalidad de cogeneración tiene más aplicaciones:
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Aplicaciones de secado.
Especialmente en industria cerámica que utilizada atomizadores. Son
plantas muy simples y económicas, ya que los gases calientes generados
por una turbina o un motor se utilizan directamente en el proceso de
secado.
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Aplicaciones en la industria
textil.
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Calefacción y refrigeración.
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Aplicaciones para industrias
medioambientales, como plantas depuradoras de tipo biológico, o de
concentración de residuos o de secado de fangos, etc, al demandar
calor son potencialmente cogeneradoras. En estas aplicaciones puede
ser un factor importante para la reducción del coste de tratamiento de
os residuos.
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Motor alternativo |
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En los
sistemas basados en motores alternativos, el elemento motriz es un motor
de explosión. El calor recuperable se encuentra en
forma de gases calientes y agua caliente ( Circuito Refrigeración ).
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| Tipo |
Ventajas |
Desventajas |
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Turbina de gas |
Amplia gama de aplicaciones |
Limitación en los combustibles |
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Muy fiable |
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Elevada temperatura de la energía térmica |
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Rango desde 0,5 a 100 MW |
Tiempo de vida relativamente corto |
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Gases con alto contenido en oxígeno |
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Turbina de vapor |
Rendimiento global muy alto |
Baja
relación electricidad/calor |
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Extremadamente segura |
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Posibilidad de emplear todo tipo de combustibles |
No permite
alcanzar altas potencias eléctricas |
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Larga vida
de servicio |
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Amplia
gama de potencias |
Pues en
marcha lenta |
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Coste
elevado |
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Motor alternativo |
Elevada
relación electricidad/calor |
Alto coste de mantenimiento |
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Alto
rendimiento eléctrico |
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Bajo coste |
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Tiempo de
vida largo |
Energía térmica muy distribuida y a baja temperatura |
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Capacidad
de adaptación a variaciones de la demanda |
Ejemplos de plantas de cogeneración
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