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La cogeneración y el ahorro de energía. Introducción a las técnicas de cogeneración (página 2)



Partes: 1, 2

O

Combustibles
Empleados

El gas natural dentro de la
gama de combustibles es el más conveniente, el que
menos contamina y el que permite disponer de sistemas de
generación más modernos y eficientes. Asegura
también la viabilidad de su operación al ser un
combustible muy limpio.

O

Seguridad

Las plantas de
cogeneración disponen de modernos sistemas de control y
seguridad que impiden la
aparición de accidentes graves. De
todas formas, es conveniente la contratación de
seguros de accidentes y de
incumplimiento para cubrir estas eventualidades.

O

Vida del
proyecto

Las plantas de cogeneración, adecuadamente
mantenidas y operadas pueden estar operativas por periodos
de entre 20 y 30 años.

Economía

Costos
Energéticos

En general una planta de cogeneración
producirá una energía que será siempre
más económica que la obtenida de la red eléctrica. La
razón de ello esta que su consumo especifico
será siempre inferior al de una planta de energía
convencional que no pueda sacar provecho de sus efluentes
térmicos (es decir, la generada por las grandes
centrales termoeléctricas). El mayor o menor ahorro dependerá,
en cualquier caso, de políticas de subsidio
a las tarifas de la energía
eléctrica que pueda tomar el Estado en
determinadas circunstancias.

Administración de la
Energía

Control
Operativo

La existencia de una Planta de Servicios Auxiliares
implica tener un control operativo
detallado de los consumos de energía eléctrica y
térmica del proceso industrial. Eso
es siempre positivo, pues permite reconocer la
aparición de ineficiencias dentro del mismo proceso
industrial, que de otra forma posiblemente hubieran pasado
desapercibidos.

Ecología

Impacto
Ambiental

La cogeneración reduce la emisión de
contaminantes, debido principalmente a que es menor la
cantidad de combustible que consume para producir la misma
cantidad de energía útil, además los
sistemas de cogeneración utilizan tecnologías
más avanzadas y combustibles más limpios como el
gas natural.

1.     
EFICIENCIA ENERGéTICA

La cogeneración es una técnica de eficiencia energética, en
consecuencia empezaremos por definir este término.

Eficiencia energética es el conjunto de técnicas que se aplican para
mejorar el rendimiento de una instalación industrial
cualquiera, ello significa:

·    Optimizar el consumo de
energía primaria, aumentar el rendimiento de los procesos de
transformación de ésta.

·    Aprovechar óptimamente los
flecos de energía, o materias primeras, no transformadas
(pérdidas), dándoles una utilidad paralela a la
principal.

·    Los sistemas eficientes
energéticamente son cada día más necesarios.
Podríamos dar dos motivos básicos:

o por competitividad económica,
pues suponen un aprovechamiento mayor de los recursos.

o   por respeto medio-ambiental, pues se
trata de producir más afectando en menor medida al medio;
por una parte se obtiene mayor provecho de la misma cantidad de
energía primaria empleada, por otra parte se devuelve al
medio menos energía en forma de " pérdidas"
(generalmente esta energía es un factor contaminante:
térmico, etc.).

No deberá confundirse eficiencia energética con
energías renovables. Las técnicas de eficiencia son
aplicables a cualquier proceso de transformación industrial,
sea éste basado en sistemas clásicos (convencionales no
renovables), o renovables.

Los motores de  explosión
de muy bajo consumo son más eficientes energéticamente
que los tradicionales; una ciudad que depura sus aguas residuales
y las reaprovecha para fines aptos para ellas (industria, riego, etc.),
también actúa con criterios de eficiencia
energética.

Ya se ve que el concepto de eficiencia
energética es muy amplio y a veces puede prestarse a
confusiones.

2. DEFINICIÓN DE
COGENERACIÓN

Cogenerar significa " producir a la vez"
. En efecto este término lo aplicaremos en los procesos
térmicos de producción de
energía eléctrica. Estos procesos se caracterizan
por:

En la producción termoeléctrica existen
pérdidas importantes en forma de calor, tanto en la
emisión de gases de combustión, como (en el
caso de las centrales de ciclo de vapor: térmicas
convencionales y nucleares) en el sistema de condensación del
vapor. En el ejemplo siguiente se verá con mayor
claridad.

Ejemplo:

La central térmica de St. Adriá en Barcelona utiliza
un caudal de 40.000 m3/h de agua de mar, para condensar el
vapor a la salida de turbinas. Este agua es devuelta al mar a una
temperatura unos 10º C
superior a la de captación. Ello implica una pérdida de
energía.

Evaluémosla por defecto, considerando el calor
específico del agua de mar igual al del agua pura:

40.000 m3/h x 103 Kcal / (m3 ºC) · 10ºC = 
4 · 108 Kcal/h que suponen unos 460 KW de potencia

Esta cantidad de energía se tira al mar. En una
instalación más moderna podría utilizarse (en
parte, siempre existirán pérdidas) por ejemplo para la
producción de agua caliente sanitaria para las viviendas, o
vapor a baja presión para procesos
industriales, etc.

 Las aplicaciones de la cogeneración implican
principalmente una correcta planificación de las
instalaciones. Debemos compaginar la producción de
energía eléctrica con el uso que vamos a dar al calor
recuperado. A modo de ejemplo:

·   Disponer de una central eléctrica
in situ es de particular importancia en aquellos
suministros donde se hace preciso asegurar permanentemente
tensión al menos en una fracción importante de la
potencia instalada: hospitales,
aeropuertos, grandes edificios, centros comerciales o industrias. Ello siempre es
más seguro que los tradicionales
equipos electrógenos de suministro de emergencia. A la vez
la Ley de Autogeneración
establece las normas para funcionar en paralelo
con la red de suministro, comprando energía cuando nuestra
central de cogeneración es deficitaria y pudiendo vender a
la red los sobrantes, de existir.

·    A la vez hemos de tener claro el
uso que vamos a dar al calor obtenido por cogeneración. Una
utilidad es producir agua caliente, tanto sanitaria (ACS) como
para circuitos de calefacción.
Mediante máquinas de absorción
es posible obtener también frio para climatización, a
partir del calor cogenerado. En tecnología de edificios, tanto
residenciales como terciarios, ésta es una aplicación
muy usual.

·   También podemos obtener vapor a
mayores temperaturas, para usos industriales específicos:
lavanderías, industria alimentaria, química o de tintado y curtidos.

3.DIFERENTES SISTEMAS DE
COGENERACIÓN

En un sistema de cogeneración debemos distinguir los
siguientes aspectos:

·             
Combustible: generalmente Gas Natural

·             
Sistema motor: Turbina de gas

·             
Turbina de vapor

·             
Ciclo combinado (T. de gas + T. de vapor)

·             
Motor alternativo

·             
Generación: alternador

·             
Cuadro eléctrico: protecciones, transformación,
distribución, marcha en
paralelo.

·             
Cogeneración de calor: intercambiadores, sistema de
utilización del calor.

·             
Regulación y automatización del sistema:
autómatas y sinópticos de control

En los parágrafos que siguen vamos a
describir someramente los sistemas motores.

3.1. Turbina de gas

Empecemos por plantearnos qué es una turbina de
gas
. Se trata de un eje sobre el cual van acoplados unos
álaves, formando cámaras consecutivas cada vez de mayor
volumen. Previo a la turbina
se produce la ignición del combustible, inyectándose
los gases de combustión (a alta presión y temperatura)
en la turbina.

Son estos gases quienes impulsan los álaves y provocan el
giro de la turbina. Finalmente los gases son expulsados por el
otro extremo de la turbina. El ciclo termodinámico
correspondiente a esta máquina es conocido como Ciclo
Brayton.
Un ejemplo de aplicación de este tipo de motor
son los reactores de los aviones.

Sobre el sistema de turbina de gas que hemos expuesto, podemos
implementar diferentes sistemas de cogeneración. Citaremos
los siguientes:

·             
Uso directo de los gases de combustión

·             
Ciclo básico para producción de vapor

·             
Producción de vapor e inyección de parte de éste
en la turbina

3.1.1. Uso directo de los gases de combustión (turbina
de gas).

Desde un punto de vista de aprovechamiento
energético,  esta es una aplicación muy ventajosa.
Al no existir intercambiadores de calor y uso de un fluido
intermedio para el transporte y acumulación
de el calor cogenerada, además de aumentar el rendimiento se
disminuyen los costos de instalación.

Pero debemos atender a algunos aspectos:

·             
Proximidad entre la turbina y el sistema de
cogeneración, para evitar enfriamiento y pérdida de
presión de los gases de postcombustión.

·             
Regulación: mediante un escape directo a la atmosfera, en los momentos en que
no sea necesaria la aportación de calor.

·             
Finalmente hay que recordar que no siempre es posible
usar directamente los gases de combustión (contaminación de los
materiales, etc.).

3.1.2. Ciclo básico de producción de vapor
(turbina de gas)

En esta aplicación vamos a utilizar agua/vapor como
elemento intermediario de transporte y acumulación del calor
cogenerada.

3.1.3. Inyección de vapor en la turbina de gas

Se trata de obtener vapor, mediante un recuperador de calor, a
partir de los gases calientes de post-combustión. Parte de
este vapor se mezcla con el aire de admisión y es
inyectado con éste en la cámara de combustión de
la turbina. El ciclo termodinámico que sigue la turbina se
conoce como Ciclo de Cheng. Mediante este sistema se
aumenta el rendimiento eléctrico del sistema (al aumentar el
caudal de gas que impele la turbina), a la vez los gases de
combustión tienen un contenido menor de óxido de
nitrógeno. Obviamente al usar parte del vapor cogenerado
para la impulsión de la turbina, disminuye el rendimiento de
la producción de vapor dedicado a otros usos. En aquellos
casos en que la producción

de electricidad es prioritaria
frente a las necesidades de producción de vapor (por ejemplo
cogeneración en grandes edificios residenciales,
apartamentos, hoteles, etc.) este sistema es
muy ventajoso.

3.2. Turbina de vapor.

La turbina de vapor sigue el ciclo termodinámico
denominado Ciclo de Rankine. En una caldera (convencional
o cogeneradora) se produce vapor a alta presión (a
temperaturas del orden de 300 a 500ºC y presiones 30 a 150
Kg/cm2),  este vapor es conducido a la turbina, donde se
expansiona, transfiriendo energía mecánica a los
álaves de aquella.

El vapor degenerado a baja presión a la salida de turbina
puede dedicarse al consumo (ciclo abierto) o bien condensado y
devuelto a la caldera para rehacer de nuevo el ciclo (ciclo
cerrado).

Este tipo de aplicación permite usar gran diversidad de
combustibles (incluso mixturas a partir de residuos sólidos
urbanos), pues los gases de combustión no accionan de forma
directa la turbina. El uso de este tipo de turbinas está muy
extendido en la producción termoeléctrica convencional
(centrales térmicas de cualquier combustible o
nucleares).

Se conoce con el nombre de " turbina de
contrapresión"
aquella en que la presión del vapor
a la salida de turbina es mayor que la presión
atmosférica.

En este caso no es preciso condensar el vapor para cerrar el
ciclo, pero el rendimiento es menor. La mayoría de las
turbinas de vapor son turbinas de condensación, en
las cuales el vapor a la salida de turbina tiene una presión
inferior a la atmosférica.

Cuando nos interesa obtener vapor para determinados procesos
industriales, se suele emplear una turbina de contrapresión.
Cuando no nos interesa obtener vapor, sino solamente agua
caliente, se utiliza una turbina de condensación.

Otro esquema a analizar es el siguiente:

3.3. Ciclo combinado

En esta aplicación se combinan una turbina de gas y una
de vapor. El proceso esquematizado en bloques es el
siguiente:

En el esquema hemos supuesto que ambas turbinas trabajan sobre
el mismo eje, sobre un único alternador. Puede también
darse el caso de que cada turbina trabaje sobre un 
generador independiente. El primer caso es de una regulación
más compleja, pero proporciona un mayor rendimiento en la
producción eléctrica. El segundo caso permite una mayor
elasticidad de funcionamiento:
pudiendo estar en servicio sólo la turbina
de gas (produciendo más vapor y menos electricidad), o ambas
a la vez.

Se puede apreciar en el siguiente ejemplo el empleo de este tipo de
esquema, el ejemplo es de SALINCO una empresa  química en
Holanda.

Esta instalación cuenta con un ciclo combinado de
turbinas de gas y generadores de vapor, por la ubicación
donde se haya la fábrica es muy sencillo obtener abundantes
cantidades de salmuera por medio del bombeo de agua a cavernas
realizadas donde es abundante el contenido de sal (profundidades
de 200-300 m), por medio del efecto sifón se logra obtener
altas concentraciones de salmuera  (a veces se tiene
solubilidad total 24° Ba).

Esta salmuera constituye la principal materia prima para las
diferentes producciones que se realizan en la industria; estas
son sal (de diferentes granulometrías y cantidades para ser
empleadas en evitar el congelamiento de avenidas y autopistas,
para el sector residencial, comercial y para uso
biotecnológico donde se requieren altas concentraciones y
pureza del NaCl), Hipoclorito de sodio, etc.

En el proceso de producción de este último el cual
se lleva a cabo por electrolisis se obtienen además como
subproductos cantidades importantes de H2 y
O2,  (la fabrica cuenta con más de 15
baterías de electrolisis). El hidrogeno y el oxigeno son quemados en la
turbina de gas, donde se genera alrededor de 8 MW de potencia,
(siendo este valor el limite en Holanda
entre las industrias de pequeña capacidad y las de mediana
capacidad), los gases que salen de la turbina de gas son
empleados en las calderas de vapor reduciendo
por ende las emisiones y obteniendo una segunda oportunidad de
generar electricidad en una turbina de condensación, este
proceso incremente considerablemente la eficiencia del proceso y
le brinda a la empresa AKZO SALT, vender a la red unos 12 MW de
potencia y autoabastecerse de energía eléctrica.

El esquema del ciclo empleado es el siguiente:

3.4. Motores alternativos

Entendemos por un motor alternativo cualquier motor de
combustión interna de explosión, sea de
carburación atmosférica, de inyección, etc.

Desde el punto de vista de rendimiento en la producción
eléctrica (accionamiento del alternador) tienen un mayor
rendimiento que las turbinas; no así desde el punto de vista
térmico, pues trabajan a temperaturas muy inferiores que
aquellas.

En este tipo de máquinas se cogenera a partir de dos
fuentes de calor:

a)      Recuperando calor a partir de
los gases de postcombustión, se puede producir vapor
(alcanzando presiones entre 10 y 15 bar).

b) Recuperando calor a partir del flujo de agua de refrigeración del motor,
puede producirse agua caliente hasta 80 o 90ºC.

c) Los gases de post-combustión pueden usarse en ciertas
aplicaciones industriales directamente en procesos de secado.

El motor alternativo es de una regulación mucho más
simple y rápida que las turbinas. El envejecimiento por
arranques y paradas es menor que en aquellas.

Otro ejemplo seria:

En el presente trabajo hemos expuesto
someramente los sistemas motores usados en cogeneración.

4. Potenciales de
cogeneración en Cuba

Industria azucarera.

Aspectos a señalar:

·             
Por su potencial, el sector del azúcar continúa
siendo la fuente más importante de energía renovable en
el país.

·             
Por su potencial contribución al Cambio Climático Global,
también lo sitúan entre los más importantes.

·             
Por la potencial mitigación de los gases contaminantes
locales en la producción de electricidad es también la
fuente más importante de generación de electricidad

Potenciales para la aplicación de este tipo de
técnicas:

Disponibilidad de biomasa cañera:

·             
Bagazo, residuo de la molida de la caña, se estima en un 14%
(base seca) de la caña molida.

·             
Residuos Agrícolas de la Cosecha de Caña (RAC),
está conformado por:

o        RAC disponible en
los Centros de Limpieza en seco de la caña suministrada al
central azucarero, se estima en un 8% de la caña
procesada;

o        RAC disponible
sobre el terreno en aquellas áreas cosechadas de caña,
que son permisible retirarle la cobertura de paja, se estima
en

T/ha.

 

El potencial de generación de biomasa se ha estimado en
base al consumo de toda la biomasa cañera disponible como
combustible sin considerar otros usos; tecnológicamente se
han considerado dos escenarios:

·             
Tecnología convencional y;

·             
Tecnología convencional y de avanzada.

No se han tomado en cuenta limitaciones económicas en las
inversiones.

Impacto en el medio ambiente:

·             
Cambio climático global: Las emisiones de CO2 que evita la
energía potencial entregada a la red significan 872 mil
toneladas anuales:

·             
Medio ambiente local: Contribuye a
mitigar las emisiones de SO3 que se produce en la generación
de electricidad en el SEN

Sector del turismo.

Para los Hoteles, la tecnología de producción
eléctrica más adecuada son los motores alternativos
(similares a las plantas de emergencia).

Los motores alternativos existentes en el mercado pueden clasificarse
según el tipo de combustible y su encendido en dos grupos básicos: motor a gas
y motor Diesel.

La mayor parte del calor generado en los motores (gases de
combustión, refrigeración de camisas, aceite del cárter, etc.)
puede ser recuperado con la producción de agua caliente, o
incluso vapor; todos los circuitos de recuperación
térmica pueden estar unidos entre sí o ser utilizados
independientemente

en función de la
temperatura.

Para pequeñas aplicaciones, con potencia inferior a 100
kW, se construyen equipos compactos incluidos recuperadores de
gases e intercambiadores, todo ello alojado dentro de un
contenedor insonorizado, lo cual facilita su
instalación.

En la tabla siguiente se dan las características
generales de este tipo de equipos:

CARACTERÍSTICA UNIDAD MOTOR A GAS
MOTOR DIESEL

Gama de Potencias Eléctricas kW 20 – 3.000
100 – 1.200

Rendimiento Eléctrico % 25 – 35 35 – 45

Rendimiento Térmico % 50 – 60 40 – 50

Rendimiento Total % 80 – 90 75 – 80

Para la implantación de un sistema de cogeneración
en Hoteles en Cuba, se presenta el problema
de como utilizar el calor generado en el motor, ya que el
edificio no tiene consumos térmicos, por ello se debe
asociar el motor a un equipo de enfriamiento de agua con ciclo de
absorción.

En un frigorífico de absorción el compresor
mecánico es reemplazado por un proceso térmico; para
que el absorbedor pueda funcionar hacen falta dos fluidos que se
disuelvan, siendo uno de ellos el refrigerante.

Las mezclas refrigerantes más
comunes son dos: agua-amoniaco y bromuro de lítio -agua; en
el primer caso el agua es el absorbedor, mientras que en el
segundo hace de refrigerante.

Para las aplicaciones del sector hotelero la mezcla
refrigerante más adecuada es el bromuro de lítio -agua,
donde se pueden alcanzar temperaturas del foco frío de hasta
5°C; los sistemas de amoniaco-agua tienen mayor
utilización en el campo industrial.

Industria del níquel.

El ahorro y eficiencia energéticos constituyen una
necesidad para la supervivencia económica de cualquier
país pobre y Cuba NO es la excepción.

La industria cubana debe acudir a esa fuente inagotable de
recursos de todo tipo que constituye el consumo racional de
materias primas y la eficiencia energ ética.

Los estrategas de la econom ía cubana dirigen su atención hacia las
actividades que mayor gasto de petróleo y electricidad
ocasionan al país tanto en la esfera productiva como la de
servicios.

Un examen a fondo de los gastos de los sistemas de
climatizaci ón y refrigeración, por sólo citar dos
ejemplos, se ejecuta desde hace dos años en numerosas
entidades económicas.

Con ese prisma en busca del ahorro se impulsan las inversiones
en el n íquel, una de las actividades económicas que
mayor consumo de petróleo y electricidad
ocasionan al país.

Entre las reservas de ahorro a ún por aprovechar en la
industria cubana se señalan la cogeneración de vapor y
electricidad, ya que si bien hoy los centrales azucareros se
autoabastecen de electricidad durante la zafra y entregan mayores
excedentes al Sistema Electroenergético Nacional, aún
faltan otras entidades de la economía por asumir estas
prácticas.

Por ese camino incursiona la rama niquel ífera cubana. La
planta procesadora de níquel Ernesto Che Guevara se propuso poner
en marcha un sistema de cogeneración industrial para reducir
los consumos energéticos.

Los especialistas, t écnicos y obreros iniciaron la
construcción y montaje de
dos potentes y modernas calderas de vapor, en busca del
autoabastecimiento de energía eléctrica.

Tras su conclusi ón, la referida planta incrementará
de manera apreciable la capacidad de cogeneración instalada.
Las obras en marcha en la Che Guevara forman parte de la
expansión de la producción del níquel con
técnicas que ahorran combustible.

La mayor eficiencia metal úrgica es el hilo conductor de
este proceso inversionista que permitirá a Cuba aumentar la
entrega anual a 80 mil toneladas en una primera etapa con tres
fábricas, y posteriormente a 100 mil toneladas con una
cuarta.

Hablamos de niveles que colocar ían a Cuba entre los
primeros productores del mundo, a partir de una elevada
eficiencia y con la ventaja de que el país ha logrado
preservar ese, y los restantes recursos minerales, sin hacer
concesiones.

5. CONCLUSIONES

Cada día son más los ejemplos de aplicación de
estas técnicas. En hospitales y centros sanitarios la
cogeneración funcionando permanentemente en paralelo con el
suministro de la red eléctrica pública, proporciona una
seguridad de suministro eléctrico ininterrumpido;

a la vez que el calor cogenerado puede ser usado para la
calefacción, necesidades de agua caliente en
lavanderías y servicios auxiliares, etc. Incluso mediante
una máquina de absorción puede obtenerse frio a partir
de calor cogenerado.

También es útil la cogeneración en industrias
que precisan alta seguridad en el suministro eléctrico
ininterrumpido, a la vez que son grandes consumidoras de vapor o
agua caliente en sus procesos (industria alimentaria,
química, papelera o de acabados textiles).

En aquellas instalaciones donde la cogeneración funciona
de manera ininterrumpida, se opta muchas veces por sistemas
basados en turbinas de gas. Sin embargo estas máquinas
presentan un grave envejecimiento por arranques y paradas, por lo
que en aquellos casos en que la cogeneración funciona con
horarios interrumpidos, suele optarse por motores
alternativos.

Recientemente se puede leer con frecuencia en la prensa general acerca de las
centrales de ciclo combinado. En muchos casos éstas se
proyectan para funcionar quemando en parte cierto tipo de
residuos (de origen químico, forestal, restos de la
industria alimentaria, como el orujo de oliva, etc.).

Al rendimiento obtenido en estas centrales por la
producción de energía eléctrica y agua caliente o
vapor para la industria cercana, se une la eliminación de
residuos, que cada día más es una actividad
lucrativa.

La respuesta ciudadana negativa que suelen conllevar este tipo
de instalaciones, es fruto fundamentalmente de la desconfianza en
torno al seguimiento futuro que
pueda llevarse de su explotación: tipo exacto de residuos
incinerados, niveles de gases tóxicos emitidos, etc.

Lo cierto es que las normativas medioambientales son cada vez
más estrictas, convirtiéndose la actividad del almacenamiento controlado y el de
la desactivación (por ejemplo a través de la
incineración, en los casos en que es posible legalmente
hacerlo) en un negocio atractivo.

En los sistemas de cogeneración, se aprovecha hasta el
84% de la energía contenida en el combustible para la
generación de energía eléctrica y calor a proceso
(25-30% eléctrico y 59-54% térmico).

 

 

 

 

Autor:

MSc. Javier Fernández Rey

Especialista del  Departamento de Energía

Centro de Inmunología Molecular

Ciudad Habana, Cuba

Partes: 1, 2
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