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

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:

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