Suministro Energético a instalaciones hospitalarias. Caracterización de escenarios

Resumen

En el presente trabajo se estudian alternativas de cogeneración para el Hospital Provincial Clínico Quirúrgico Universitario "Arnaldo Milián Castro" de Santa Clara, partiendo de la recopilación de información sobre los consumos de los principales portadores energéticos consumidos por el hospital en el año 2010 para así caracterizar las demandas de electricidad, calor y frío. Se realizaron además los cálculos preliminares para tres alternativas de cogeneración y/o trigeneración; caldera de vapor con turbina de vapor a contrapresión usando los vapores de salida para alimentar una planta de refrigeración por absorción, vapor para agua caliente y vapor para otros usos; otra variante analizada fue la de motor de combustión interna con generador eléctrico, con caldera de recuperación del calor del agua de enfriamiento y los gases de escape y por último una alternativa con turbina de gas con caldera de recuperación de los gases de escape. Se analiza la simultaneidad de las demandas, se tiene en cuenta además los índices de emisión de gases contaminantes y se realiza un breve análisis de prefactibilidad de cada una de las variantes.

Introducción

Desde hace 6 años se viene estudiando la importancia de transformar las fuentes de suministro energético en el Hospital Arnaldo Milián Castro de la provincia de Villa Clara, los resultados obtenidos permitieron ampliar el estudio a otras entidades en aras de analizar el comportamiento para un mismo sector en cuanto al uso de los diferentes portadores energéticos.

Dado el patrón de distribución de los consumos y demandas de portadores energéticos, desde un principio saltó a la vista la necesidad de considerar y evaluar la conveniencia de utilizar esquemas de poligeneración, técnica que rápidamente se ha impuesto en el mundo no solamente en empresas industriales, sino sobre todo en instituciones del sector terciario o de servicios.

Desarrollo

En este trabajo se analizará el Hospital "Arnaldo Milián Castro" como estudio de caso, brinda servicios hospitalarios en tres áreas básicas: cuerpo de guardia, hospitalización y consulta externa; con una población de 536 578 habitantes. Para ello cuenta con 18 salones de operaciones y una dotación de 598 camas. En estos momentos se trabaja para abrir cuatro nuevas salas: hemodiálisis, angiología, urología y geriatría, con el objetivo de aumentar la capacidad y calidad de los servicios prestados.

Estructura de consumo de los principales portadores energéticos utilizados en el hospital.

En el Hospital Arnaldo Milián Castro (HAMC) se consumen cantidades apreciables de energía eléctrica, fuel oil, GLP y diesel, el comportamiento de consumo de los diferentes portadores energéticos en la instalación es como se muestra en la tabla 1:

Tabla 1. Estructura de consumo de portadores energéticos durante el 2010

Partiendo de este estudio se determinó que la electricidad es el portador de mayor consumo, a continuación se analizan cada uno de elllos.

Estructura de los consumos de energía eléctrica.

Los altos consumos de energía eléctrica del hospital se deben al gran número de equipos eléctricos médicos y de servicios que existen en el mismo, éstos en la mayoría de los casos son altos consumidores de electricidad, muchos de ellos tienen un factor de utilización elevado debido a la función que realizan y en su mayoría no pueden ser desconectados, a continuación se muestra su desglose en la tabla 2.

Tabla 2. Estructura de los consumos de energía eléctrica en el 2010

El comportamiento de la misma sigue la siguiente distribución, ver grafico 1:

Gráfico 1: Estructura de los consumos de energía eléctrica para el 2010.

Del análisis del gráfico 1 se puede afirmar que los mayores consumos fueron durante al día, momento en el cual se prestan la mayor cantidad de servicios, en total fueron 2 250 MWeh. Los consumos en el horario de la madrugada fueron de 1 027 MWeh y los del horario pico 577 MWeh, siendo éstos los menores consumos durante todos los meses del año, lo cual se debe a los esfuerzos y las medidas tomadas para lograr disminuir la demanda y los consumos en el horario pico, pues por un lado sobrecargan al SEN y por otro lado aumentan considerablemente las facturas mensuales del hospital. Los consumos reactivos son también elevados, lo que indica un bajo factor de potencia, los valores mensuales no superaron en ningún caso el valor mínimo en el rango aceptable por la Empresa Eléctrica (0,90 = cos f = 0,96) lo que provocó varias penalizaciones durante todo el año, el valor promedio anual del factor de potencia fue de 0,86.

Un estudio realizado sobre los consumos de electricidad (Tabla 3) para el año 2010 arroja que aproximadamente el 63 % de los mismos se deben a la actividad de climatización, estos se dividen en un 46 % para el clima central y un 17 % para el clima local. El 37 % de los consumos restantes corresponden a otras actividades o equipos como por ejemplo: los ascensores, los medios de diagnósticos (rayos X, TAC, resonancia magnética, etc.), bombeo de agua, alumbrado interior y exterior, equipos de oficina, entre otros.

Tabla 3. Estructura de los consumos de energía eléctrica por actividades, 2010.

Estructura de los consumos de fuel oil.

Los consumos de fuel oil (Gráfico 2) representan el 17 % del total en el año 2010 lo que equivale a 295 tcc (303 500 litros). En el gráfico 2 se puede observar el comportamiento del consumo de combustible y el acumulado para el año 2010, en tcc.

Gráfico 2 Consumo de fuel oil mensual y acumulado en tcc, año 2010.

Estructura de los consumos de GLP granel.

El GLP granel (Gráfico 3) es utilizado para alimentar 39 cocinas, dos sartenes vasculares y 31 mecheros para la esterilización de instrumentos in situ en las consultas de ORL, Maxilofacial, etc.

En el gráfico 3 que sigue a continuación, se representan los consumos de GLP para el 2010 y el acumulado anual.

Gráfico 3 Consumos mensuales y acumulados de GLP, 2010.

Estructura de los consumos de diesel planta.

El combustible diesel (Gráfico 4) se utiliza para alimentar los grupos electrógenos del hospital, los cuales se ponen en marcha en caso de que exista alguna avería, bajo voltaje o interrupción del servicio eléctrico que suministra el SEN.

Los grupos electrógenos con que cuenta el hospital son tres, dos marca Volvo de 500 kVA y un SDMO de 815 kVA.

Gráfico 4 Consumos de diesel planta y producción de energía eléctrica, año 2010.

El objetivo de una instalación hospitalaria es brindar servicios médicos y por lo tanto la mejor forma de analizar el comportamiento de estas instalaciones es determinando los índices en función de la cantidad de pacientes que reciben los servicios durante todo el año.

Índices globales.

A continuación se expone un resumen de los consumos, costos y los índices de consumo para los portadores energéticos en cuestión en el año 2010 (Tabla 4 y Tabla 5), así como el por ciento de ocupación de las camas del hospital.

Tabla 4 Por ciento de ocupación de las camas en rotación.

Tabla 5 Resumen de los consumos de los principales portadores energéticos

Con esta estructura de consumo de portadores energéticos, es posible instalar una nueva planta de suministro energético basada en la cogeneración o la trigeneración según sea factible, de forma tal que se logre un aumento de la eficiencia energética de la instalación. Con el establecimiento de algunas de estas dos plantas, a pesar de que aumenta el consumo de combustible para el centro, se pueden lograr menores consumos globales y por tanto disminuir considerablemente los costos totales de portadores energéticos a nivel de centro y de país, de igual forma disminuyen las emisiones globales de gases contaminantes, aunque pueden aumentar a nivel local si no se toman las medidas necesarias.

Simultaneidad de las demandas actuales de electricidad, calor y frío.

Para diseñar una nueva planta de suministro energético es necesario construir las curvas de las demandas de electricidad, calor y frío para las distintas horas del día. Estas permiten conocer los puntos máximos, mínimos y de media demanda, así como los momentos del día en los que aparecen. Las curvas que se muestran a continuación (Gráfico 5) fueron construidas según las necesidades de electricidad, calor y frío de cada local, las horas del día en las que se necesitan y las potencias de los equipos que existen en este hospital.

Gráfico 5 Curvas de Simultaneidad de las demandas de electricidad y calor.

Teniendo en cuenta la estructura del sistema conexión a la red, generación de vapor y climatización centralizada, de 150 TR estándar por compresión de vapor más la local, que representa aproximadamente el 45 % del consumo de electricidad se analizó la variante de un esquema de trigeneración para lo cual se establecieron los índices

• Relación calor / electricidad no climatización (RCE): 0,592

• Relación electricidad para frío / electricidad no climatización (RECE): 1,680

• Relación frío / electricidad no climatización (RFE): 5,501

Con este perfil de requerimientos puede ser conveniente la utilización de un nuevo esquema de suministro energético que permita la autogeneración de energía eléctrica según posibilidades, manteniendo la conexión con el SEN, de esta forma se logra la satisfacción de las demandas de calor (vapor y agua caliente) y producción de las demandas centralizadas de climatización mediante sistemas de absorción, con la utilización de vapor de bajos parámetros y eventualmente de otros calores residuales.

Este nuevo esquema de suministro energético para el hospital puede tener tres escenarios fundamentales;

• 1. Satisfacción total de la demanda de frío con un sistema de refrigeración por absorción de agua – bromuro de litio (o sea la suma de la climatización local y la centralizada actual);

• 2. Satisfacción de la demanda de frío centralizada más la mitad de la climatización local por un sistema de absorción y la otra parte del clima local con los sistemas existentes actualmente (aires de ventana y Split).

• 3. Sólo satisfacción de la demanda actual de frío centralizado y la demanda de frío local con el equipamiento existente.

De estos posibles nuevos escenarios de suministro energético, el primero sería viable teóricamente, pero en la práctica, es muy complejo llevar frío con un sistema centralizado a todos los locales con necesidad de clima del hospital, esto traería consigo grandes gastos de recursos en tuberías, conductos de aire, material aislante, en bombas de agua, manejadoras de aire, y con esto más gastos energéticos, que pudieran ser mayores que los beneficios obtenidos, por lo que en este trabajo sólo se analizarán el segundo y el tercer posible escenario. El segundo resulta ser inicialmente el más atractivo ya que se conoce que existe un grupo elevado de locales (se estima la mitad) que pueden incluirse dentro del sistema de climatización centralizada, por los lugares donde se encuentran ubicados y por sus características.

Alternativas de suministro energético.

Las alternativas de suministro energético que se estudiarán para lograr la satisfacción de los requerimientos del hospital para los dos posibles escenarios son las siguientes:

• 1. Turbina de vapor de contrapresión con sistema de climatización por absorción.

• 2. Motores diesel existentes con generadores de vapor de recuperación de la energía del escape y del sistema de enfriamiento con sistema de climatización por absorción.

• 3. Turbina a gas con generador de vapor de recuperación de la energía del escape con sistema de climatización por absorción.

Estas alternativas en uno u otro escenario pueden tener a su vez distintas variantes en cuanto a la filosofía que se sigue para la satisfacción de los requerimientos, la unión de dichas alternativas con sus posibles variantes se llaman de forma general Aijk; donde i es el número de la alternativa, en este caso puede tomar valores 1, 2 y 3, ya que son tres alternativas a estudiar; la letra j es la variante en cuestión y puede tomar valores: de a hasta z; por último k corresponde al escenario analizado y puede tomar valor 2 ó 3, porque se estudiarán sólo el escenario dos y tres comentados anteriormente. Las variantes a utilizar pueden cambiar de acuerdo a las características de cada tecnología y sus capacidades, pero de forma general en este trabajo será como sigue:

a: designa la satisfacción de toda la demanda de electricidad;

b: designa la satisfacción de toda la demanda de calor;

c: designa la satisfacción de parte de la demanda de climatización centralizada con un sistema de absorción y el resto del clima central con los turbocompresores;

d: designa la satisfacción de parte de la demanda de climatización centralizada con un sistema de absorción y el resto del clima central con vapores de las calderas.

Un ejemplo sería: A3a3 que estaría describiendo a la alternativa tres, (o sea turbina de gas) variante a (satisfacción de toda la demanda de electricidad) y al escenario tres (la planta de climatización central de absorción asumiría el clima centralizado actual solamente).

Análisis de Resultados

Seguidamente se desarrollan los aspectos fundamentales de las alternativas antes mencionadas, estas corresponden a la mejor variante y al escenario de mejores resultados. Para comprender los resultados obtenidos de dichas alternativas es necesario recordar lo siguiente: las demandas de climatización están calculadas sin tener en cuenta restricciones en los servicios; los valores de los costos que se presentan y corresponden a combustibles están calculados en base a los precios de los combustibles que ofrece la información económica que emite diariamente el Banco Central de Cuba, en este caso se toma como referencia la del 28 de marzo de 2011[20], el costo del megawatt hora se toma de un estudio realizado por el Grupo de Biomasa y Sistemas Integrados de Cubaenergía y es de 125 USD/MWh. [21]

Alternativa A1b2 Caldera con turbina de vapor a contrapresión.

Esta alternativa consiste en la generación local de vapor y energía eléctrica con caldera de presión moderadamente alta, turbogenerador impulsado por una turbina de contrapresión y la utilización del vapor de escape para usos diversos de temperatura moderada, principalmente la de obtención de frío mediante una planta de refrigeración por absorción centralizada, vapor para otros usos y calor para agua caliente.

Con esta alternativa es posible satisfacer totalmente la demanda de calor para el calentamiento de agua (214 kWt), vapor para otros usos (406 kWt) y vapor para la planta de refrigeración por absorción de unas 340 TR (1 196 kWt). También es posible satisfacer en un 89 % la demanda de energía eléctrica (promedio) la cual comprende 106 kWe para climatización local y 281 kWe (387 kWe totales) para otros consumos, además se pueden ahorrar 210 tcc/año que equivalen al 10 % del combustible total empleado en 2010, representando un ahorro de 131 MUSD/año por este concepto. Esta alternativa además permite ahorros netos totales de 98 MUSD/año.

Alternativa A2c3. Motor alternativo de combustión interna (MACI) con aprovechamiento de los gases de escape y calor de enfriamiento.

Esta alternativa consiste en la operación de las plantas diesel existentes equipadas con calderas recuperadoras del calor del sistema de enfriamiento y de los gases de escape para generación de vapor principalmente para alimentar una planta centralizada de refrigeración por absorción.

Esta alternativa permite satisfacer toda la demanda de electricidad (promedio) la que consiste 211 kWe para climatización local, 127 kWe, que corresponden al 55 % de la climatización centralizada y 281 kWe para otros consumos, lo que suma en total 619 kWe y permite exportar al SEN unos 614 kWe que representan anualmente unos 470 MUSD. También se puede satisfacer con los calores residuales del MACI un 45 % (88 TR) de la demanda actual de climatización centralizada con una planta de absorción y el resto (108 TR) de la climatización centralizada con los turbocompresores existentes, ya tomado en cuenta en la demanda de electricidad. El resto de la demanda de calor para agua caliente y vapor para otros usos se satisfacen con vapores producidos en las calderas existentes. Los ahorros de combustible son de 92 tcc/año que equivalen al cuatro por ciento del consumo en 2010, sin embargo y debido al alto precio del diesel esta alternativa provoca pérdidas anuales de 38 MUSD/año, por lo que no es factible económicamente.

Alternativa A3a3 Turbina de gas (TG) con recuperación del calor de escape.

Esquema con TG y caldera recuperadora de calor de los gases de escape para generación de vapor para los usos comentados en las alternativas anteriores, fundamentalmente para el sistema de refrigeración por absorción. El combustible utilizado es el GLP.

Con esta alternativa es posible satisfacer en un 100 % la demanda de electricidad, o sea unos 493 kWe que comprenden 212 kWe para climatización local y 281 kWe para otros consumos, esta alternativa permite además satisfacer en su totalidad la demanda de calor para alimentar una planta de refrigeración por absorción de unas 195 TR (688 kWt), también permite satisfacer la demanda de agua caliente (214 kWt), y el 94 % de la demanda de vapor para otros usos (380 kWt), el resto del vapor para otros usos se puede generar en las calderas existentes. Con esta alternativa es posible ahorrar el 43 % del combustible consumido en 2010, lo que representa unos ahorros de 936 tcc/año, los ahorros netos mínimos son de 161 MUSD/año. Esta variante desde el punto de vista energético y monetario es la de mejores resultados, pues es la que mayores ahorros logra. Es preciso decir que los ahorros pueden llegar a ser mayores puesto que los cálculos se realizaron tomando el precio del GLP importado y este es un combustible que se puede obtener directamente en nuestro país, por lo que siempre será más barato producirlo que comprarlo en el mercado, además de que esta cifra puede verse afectada por el precio del combustible como se había dicho anteriormente, los beneficios en algunos meses o años pueden llegar a ser mayores si se mantiene la turbina trabajando a plena capacidad logrando mantener elevada la eficiencia de la misma y permitiendo eventualmente exportar al SEN la energía eléctrica sobrante debido a desbalances en las demandas, esto también puede suceder de forma contraria, pero sin lugar a dudas es una buena alternativa a poner en práctica.

Un análisis de la tabla anterior arroja que la variante de mayores ahorros es la A3a3 con 161 MUSD/año, estos ahorros se deben fundamentalmente a que la misma logra los mayores por cientos de ahorros de combustible del total de las variantes estudiadas, pues dichos ahorros son del 43 % con respecto a 2010, lo que equivale a 936 tcc/año dejadas de consumir, debido a este ahorro de combustible es posible lograr reducciones de las cantidades emitidas de GEI y de gases peligrosos para la salud humana, factor de gran peso en la selección de algunas de estas variantes.

Una vez estudiadas y desarrolladas estas alternativas sólo queda realizar el cálculo de prefactibilidad, el cual permitirá conjuntamente con una valoración ambiental decidir cuál será la alternativa más factible a utilizar.

Suministradores de equipos, costos de inversión y mantenimiento.

Para realizar el cálculo de prefactibilidad es necesario tener una relación de los posibles equipos a utilizar (Tabla 6), de los mismos es necesario conocer sus capacidades, sus costos, etc. La tabla muestra un resumen de las principales tecnologías de cogeneración que son de interés para este trabajo, en la misma aparecen datos de la eficiencia y el costo de las tecnologías energéticas en explotación y desarrollo, de la actualidad.

Tabla 6 Características generales y costos de algunas tecnologías de cogeneración.

En la tabla 7 aparecen algunos suministradores de equipos para acondicionamiento de aire que trabajan con ciclo de absorción (agua – bromuro de litio), estos son los más comercializados actualmente. En dicha tabla la primera marca y la última que aparecen son de fabricación china y el segundo de fabricación alemana.

Tabla 7 Características y costos de algunos equipos de refrigeración por absorción.

Resultados obtenidos del cálculo de prefactibilidad.

El análisis de la tabla 8 arroja que la alternativa A3a3 es la de mejores resultados alcanzados desde el punto de vista económico, pues tiene los mayores valores del VAN y el TIR. El VAN es de 1,6 millones de dólares por tanto es una medida de las ganancias que puede reportar este proyecto, siendo positivo el saldo entre beneficios y gastos y la TIR es del 56 %, superior al 14 % de la alternativa A1b2.

Tabla 8 Resumen de los resultados del cálculo de prefactibilidad.

El análisis de la tabla arroja que la alternativa A3a3 es la de mejores resultados alcanzados desde el punto de vista económico, pues tiene los mayores valores del VAN y el TIR. El VAN es de 1,6 millones de dólares por tanto es una medida de las ganancias que puede reportar este proyecto, siendo positivo el saldo entre beneficios y gastos y la TIR es del 56 %, superior al 14 % de la alternativa A1b2..

Impacto de las alternativas de suministro energético sobre la calidad del aire

El área hospitalaria de la ciudad de Santa Clara es una de las zonas más contaminadas de la provincia (Ver gráfico 6). En esta zona existen tres hospitales: el Pediátrico José L. Miranda, el Materno Mariana Grajales y el Provincial Arnaldo Milián, además existen otras entidades como la Fábrica de Refrescos Osvaldo S. Martínez, la Empresa Lácteos Villa Clara y el Instituto Superior de Ciencias Médicas (ISCM) Serafín Ruíz de Zárate Ruíz, todas estas entidades emiten diariamente y durante casi todo el año cantidades elevadas de gases contaminantes, además se encuentran ubicadas en un área relativamente cercana y muy densamente poblada lo que provoca un alto nivel de contaminación local en esta zona.

Grafico 6 Nivel de contaminación atmosférica de algunas ciudades cubanas

Las alternativas de suministro energético propuestas en el capítulo anterior contribuyen a la reducción de los consumos globales de combustibles con respecto al año 2010, sin embargo los consumos de combustibles para el hospital aumentaron, por lo que es necesario analizar el impacto ambiental sobre la calidad del aire de estas propuestas en el área hospitalaria, que tan contaminada se encuentra.

En el gráfico 7 se comparan las emisiones locales de gases contaminantes para las alternativas propuestas que presentan factibilidad económica. Como se puede observar la alternativa de mayores emisiones de gases a la atmósfera es la alternativa A1b2 ya que el por ciento de ahorro con respecto al año anterior es pequeño, por su parte la alternativa A3a3, es la de menor impacto local, aunque por supuesto las cantidades emitidas son mayores que las actuales pues se aumenta el consumo de combustible quemado en la instalación a pesar que se logra un ahorro global del 43 % con respecto al año anterior. Las emisiones estimadas para un año en funcionamiento son de aproximadamente 2 600 toneladas de CO2, una tonelada de CO, tres toneladas de NOx y 121 toneladas de SO2 para la alternativa A3b3.

Gráfico 7 Emisiones locales estimadas del caso base y las alternativas propuestas

Las alternativas de suministro energético propuestas contribuyen al aumento de la eficiencia energética del hospital, a la disminución del consumo total de combustible y de los costos totales de portadores energéticos, así como a la reducción global de emisiones contaminantes, factores de vital importancia en la selección de un determinado proyecto.

Tabla 9 Aspectos fundamentales de comparación entre las alternativas A1 y A3.

El resumen que aparece en la tabla 9 de los principales resultados de las alternativas estudiadas en los capítulos dos y tres constituyen la base fundamental de la selección de una u otra variante. Un balance de estos resultados deja claramente que la alternativa A3a3, es la más idónea desde todos los puntos de vistas, pues es la variante de mayores ahorros de combustibles, la de mayores ahorros monetarios, es la de menores costos de inversión, la mayor valor del VAN y de la TIR, así como la de menor impacto ambiental, además de que el período de recuperación simple de la inversión es menor.

La tecnología usada para esta variante (A3a3) seleccionada sería una microturbina de marca Capstone de 500 kWe de potencia y un sistema de refrigeración por absorción de agua – bromuro de litio de marca HuiN, con una capacidad de frío de 700 kWt (195 TR). Esta inversión costaría (a precios durante el período análisis) unos 620 mil dólares y permitiría una recuperación de la inversión en unos dos años aproximadamente, la cual se pagaría fundamentalmente por los ahorros netos logrados durante su operación al sustituir el sistema actual de suministro energético.

Conclusiones

• 1. Los perfiles de demanda de energía del Hospital "Arnaldo Milián Castro" permiten establecer un sistema de trigeneración como fuente de suministro energético basado en las razones; calor / electricidad no climatización (RCE): 0,59; razón electricidad para frío / electricidad no climatización (RECE): 1,68 y la relación frío / electricidad no climatización (RFE): 5,50.

• 2. La caracterización de las demandas de energía para el año 2010 mostraron que la energía eléctrica con 1 410,8 tcc (3 855 MWh) es el portador de mayor consumo, seguido por el combustible fuel oil con 294,7 tcc, el GLP con 14,4 tcc y el diesel planta con 2,8 tcc.

• 3. Teniendo en cuenta las diferentes variantes estudiadas, caldera con turbina de vapor, motor alternativo de combustión interna y turbina de gas, todas con sistema de absorción acoplados; se selecciona la de turbina de gas (A3a3) por satisfacer los requerimientos de electricidad, calor y frío de la instalación, además por tener un período de recuperación simple de la inversión de 1,7 años, siendo las emisiones las menores entre las variantes estudiadas.

Referencias bibliográficas

1. Sala Lizarraga, J.M., Cogeneración. Aspectos termodinámicos, tecnológicos y económicos. 1994, Bilbao: Servicio Editorial Universidad del País Vasco. 565.

2. Roque Díaz, P.R., La cogeneración en el sector terciario. Perspectivas e impacto ambiental, in Conferencia Internacional Medio Ambiente Siglo XXI 2011. p. 9.