Cogeneración

La producción de electricidad a partir de biomasa se genera por medio de una dinamo o alternador, movidos por un motor térmico o una turbina, lo que hace que el aprovechamiento de la energía química del combustible sea del 25% al 40%, disipándose el resto en forma de calor, debido a su alto porcentaje de humedad y su gran contenido en volátiles.
Por este motivo, para generar electricidad se necesitan centrales térmicas específicas con grandes calderas, con volúmenes mayores que si utilizaran un combustible convencional, que conllevan inversiones elevadas y reducen su rendimiento. Todo ello, explica el poco peso de la biomasa eléctrica.

Son pocas las plantas de producción eléctrica que existen en España y la mayor parte de la potencia instalada procede de instalaciones ubicadas en industrias que tienen asegurado el combustible con su propia producción. Es el caso de la industria papelera y, en menor medida, de otras industrias forestales y agroalimentarias, que aprovechan los residuos generados en sus procesos de fabricación para reutilizar los como combustibles. Así mismo, entre los combustibles más utilizados en aplicaciones eléctricas se encuentran los residuos de la industria del aceite de oliva, como el orujillo y el alperujo, existiendo plantas de gran tamaño en el Sur de España que se alimentan de estos combustibles. Otra de las mayores plantas de nuestro país se sitúa en Sangüesa, en este caso alimentada con paja de cereal. Como ya se ha dicho, las industrias forestales y otras industrias agroalimentarias (como por ejemplo las maicerías y las alcoholeras) también tienen su cuota de importancia al producir energía eléctrica con sus propios residuos (astillas, serrín, cascarilla de arroz, granilla de uva,…). Una de las explicaciones para este escaso avance es la inexistencia de cultivos energéticos que suministren combustible de manera continuada, en cantidad y calidad, a determinadas plantas.

Con el fin de mejorar el rendimiento energético de las instalaciones, entendiendo por tal la energía útil que se obtiene sobre la energía química primaria teórica del combustible utilizado, y por tanto su rentabilidad económica, la innovación tecnológica en este campo está orientada hacia el desarrollo de la gasificación de biomasa y posterior conversión en electricidad a través de motogeneradores, otros sistemas de combustión del gas de síntesis producido o la cogeneración.
La cogeneración no es una tecnología sino un concepto de producción eficiente de energía, esta aprovecha una parte importante de la energía térmica que normalmente se disiparía en la atmósfera ya que es un procedimiento mediante el cual se obtiene simultáneamente energía eléctrica y energía térmica útil (vapor de agua, ACS, hielo, agua fría, aire frío, por ejemplo). La condensación del vapor supone una evacuación de calor cercano a la mitad de la energía contenida en la biomasa; la recuperación de parte de ese calor de condensación en forma de vapor de baja temperatura o agua caliente, para usos industriales o domésticos, supone un aumento de la eficiencia energética pudiéndose obtener rendimientos globales de 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), razón por la que actualmente se están fomentando este tipo de instalaciones.
La cogeneración es aplicable, fundamentalmente, en las industrias que utilizan vapor y/o agua caliente como químicas, papeleras o alimentarias, en las que requieren procesos de secado como en minería, cerámica y similares, y, en general, en cualquier instalación que consuma calor o frío como por ejemplo grandes superficies de ventas, ciudades universitarias, hospitales, etc.

Tecnologías de cogeneración

A continuación, se da una breve explicación de las principales tecnologías utilizadas en proyectos de cogeneración, así como una tabla en donde se indican sus eficiencias térmicas y eléctricas:

1. Cogeneración con turbina de vapor. Una turbina de vapor es una turbomáquina que transforma la energía de un flujo de vapor, normalmente generado por una caldera de la que sale en unas condiciones de elevada temperatura y presión, en energía mecánica que, típicamente, es aprovechada por un generador para producir electricidad. Distinguimos 3 tipos:

• Turbinas de vapor a contrapresión: la principal característica es que el vapor, cuando sale de la turbina, se envía directamente al proceso sin necesidad de contar con un condensador y equipo periférico, como torres de enfriamiento.
• Turbinas de vapor de extracción/condensación: una parte del vapor puede extraerse en uno o varios puntos de la turbina antes de la salida al condensador, obteniendo así, vapor a proceso a varias presiones, mientras que el resto del vapor se expande hasta la salida al condensador.
  
  

  TURBINA DE VAPOR

En esta configuración la energía mecánica es producida en una turbina, acoplada a un generador eléctrico, mediante la expansión de vapor de alta presión generado en una caldera convencional. En este sistema la eficiencia global es del orden del 85 al 90% y la eléctrica del 20 al 25%.

Estos sistemas se aplican principalmente en aquellas instalaciones en las que la necesidad de energía térmica respecto a la eléctrica es de 4 a 1 o mayor.
En esta configuración la energía mecánica es producida en una turbina, acoplada a un generador eléctrico, mediante la expansión de vapor de alta presión generado en una caldera convencional. En este sistema la eficiencia global es del orden del 85 al 90% y la eléctrica del 20 al 25%.

2. Cogeneración con turbina de gas. Una turbina de gas es una turbomáquina motora, cuyo fluido de trabajo es un gas. Como la compresibilidad de los gases no puede ser despreciada, las turbinas a gas son turbomáquinas térmicas. Comúnmente se habla de las turbinas a gas por separado de las turbinas ya que, aunque funcionan con sustancias en estado gaseoso, sus características de diseño son diferentes, y, cuando en estos términos se habla de gases, no se espera un posible cambio de fase, en cambio cuando se habla de vapores sí.

En esta configuración un compresor alimenta aire a alta presión a una cámara de combustión en la que se inyecta el combustible, que al quemarse generará gases a alta temperatura y presión, que a su vez, alimentan a la turbina donde se expanden generando energía mecánica que se transforma en energía eléctrica a través de un generador acoplado a la flecha de la turbina.
Los gases de escape tienen una temperatura que va de 500 a 650 °C. Estos gases son relativamente limpios y por lo tanto se pueden aplicar directamente a procesos de secado, o pueden ser aprovechados para procesos de combustión posteriores, ya que tienen un contenido de oxígeno de alrededor del 15%. Debido a su alta temperatura, estos gases suelen ser empleados a su vez, para producir vapor, que se utiliza en los procesos industriales e inclusive, para generar más energía eléctrica por medio de una turbina de vapor.
La cogeneración con turbina de gas resulta muy adecuada para los procesos en los que se requiere de una gran cantidad de energía térmica, o en relaciones de calor/electricidad mayores a 2, como sería el caso de algunos ciclos de refrigeración.

3. Cogeneración con ciclo combinado. Este sistema se caracteriza porque emplea una turbina de gas y una turbina de vapor. En este sistema los gases producidos en la combustión de la turbina de gas, se emplean para producir vapor a alta presión mediante una caldera de recuperación, para posteriormente alimentar la turbina de vapor, sea de contrapresión o extracción-condensación y producir por segunda vez energía eléctrica, utilizando el vapor a la salida de la turbina o de las extracciones para los procesos de que se trate. El ciclo combinado se aplica en procesos donde la razón electricidad/calor es mayores a 2, como sería el caso de algunos ciclos de refrigeración.

4. Cogeneración con motor de combustión. Un motor de combustión es un motor capaz de transformar en movimiento la energía proveniente de la combustión de sustancias adecuadas, denominadas combustibles. Hay motores de combustión externa e interna, pero en este caso se trataría de un motor de combustión interna, ya que la combustión se producirá dentro de un recinto cerrado.

El motor genera la mayor cantidad de energía eléctrica por unidad de combustible consumido, del 34 al 41%, aunque los gases residuales son a baja temperatura, entre 200 y 250 °C. Sin embargo, en aquellos procesos en los que se puede adaptar, la eficiencia de cogeneración alcanza valores similares a los de las turbinas de gas (85%). Con los gases residuales se puede producir vapor de baja presión (de 10 a 15 kg/cm2) o agua caliente de 80 a 100 °C.

5. Cogeneración con microturbinas. Las microturbinas difieren substancialmente de la mayoría de los métodos tradicionales de generación de energía eléctrica usados en la industria, con emisiones sumamente bajas, y que resultan particularmente útiles en muchísimas aplicaciones industriales y comerciales. Una microturbina es esencialmente una planta de poder miniatura, autocontenida, que genera energía eléctrica y calorífica en rangos desde 30kW hasta 1.2MW en paquetes múltiples (multipacks). Tiene una sola parte móvil, sin cajas de engranes, bombas u otros subsistemas, y no utiliza lubricantes, aceites o líquidos enfriantes.

Estos equipos pueden usar varios tipos de combustibles tanto líquidos como gasesos, incluyendo gas amargo de pozos petroleros con un contenido amargo de hasta 7%, gas metano, gases de bajo poder calorífico (tan bajo como 350 Btu) emanados de digestores de rellenos sanitarios.

Uno de los usos más prácticos y eficientes de la microturbina está en la cogeneración. Cogeneración, utilizando ambas formas de energía simultáneamente, energía eléctrica y calor, implica precisamente maximizar el uso del combustible con eficiencias del sistema entre 70-80%. Empresas comerciales, pequeñas industrias, hoteles, restaurantes, clínicas, centros de salud, y una multitud de otras aplicaciones pueden combinar sus necesidades de electricidad y energía térmica mediante el uso de microturbinas como sistemas de cogeneración que anteriormente era difícil de lograr.

6. Celda de combustible. Se trata de un dispositivo electroquímico de conversión de energía similar a una batería, pero se diferencia de esta última en que está diseñada para permitir el reabastecimiento continuo de los reactivos consumidos, es decir, produce electricidad a partir de una fuente externa de combustible y de oxígeno en contraposición a la capacidad limitada de almacenamiento de energía que posee una batería. Además, los electrodos en una batería reaccionan y cambian según como esté de cargada o descargada, en cambio, en una celda de combustible los electrodos son catalíticos y relativamente estables.

Otra modalidad de Cogeneración es la Trigeneración, en la que se utiliza el calor residual en invierno para calefacción y en el verano para generar frío mediante el método de absorción además de la energía eléctrica.
Una última modalidad es la denominada Tetrageneración, en la que además de las tres formas de energía anteriores se genera simultáneamente energía mecánica aprovechable por ejemplo, para generar aire comprimido.

Componentes de planta de cogeneración

Los componentes habituales de una planta de cogeneración son los siguientes:

• Silo de almacenamiento de combustible. El combustible puede ser almacenado en un silo, para posteriormente ser enviado a la caldera de combustión por medio de cintas transportadoras ó tornillos sin-fin.
• Caldera. Se suelen utilizar calderas con hogar de combustión del tipo parrilla móvil. En ellas se produce la combustión, generando en esta combustión cenizas y gases de escape, que serán evacuados por la chimenea. Las paredes de la caldera están conformadas por conductos por los que circula agua, que tras el calentamiento, se transforma en vapor.
• Turbina. Al pasar el vapor de agua generado en la caldera a través de ella, hace girar sus alabes, produciendo el giro de los mismos, iniciando, por tanto, el giro del eje que los mantiene. El rotor de la turbina se mueve solidariamente con el rotor del generador, con lo que de esta manera se inicia el giro del mismo.
• Condensador. El vapor de agua, tras su paso por la turbina, deberá condensarse, pasando a fase líquida para entrar en la caldera en esta fase, cerrando el ciclo del agua de calentamiento.
• Alternador, o generador de corriente. En este punto es donde la energía mecánica generada en la turbina es transformada en energía eléctrica.
• Transformador. Una vez ha sido generada la energía eléctrica, en el transformador se modifican sus características para adaptarlas a las condiciones de la red donde se ha de evacuar.
• Chimenea. Por ella son emitidos a la atmósfera todos los gases de escape de la combustión. Previo a la chimenea, se instalan unos precipitadores electrostáticos, multiciclones, filtros de mangas, etc. con capacidad suficiente para retener todas las partículas en suspensión y partículas incandescentes presentes en estos gases. De esta manera, se consigue reducir el impacto ambiental que puede producir la combustión producida en el entorno que le rodea.
• Torres de refrigeración. Por ellas pasará el agua que se ha calentado en los condensadores, de manera que se pueda producir una emisión de calor a la atmósfera, reduciendo la temperatura de esta agua de refrigeración hasta las condiciones exigidas en el condensador.
• Central de tratamiento de agua. El agua utilizada en el proceso deberá presentar una serie de características especiales, que hacen necesario el tratamiento previo de la misma. Para ello, se requerirá de un proceso conjunto de filtración, osmotización, descalcificación y electrodesionización.

Sistema de cogeneración

Los sistemas de cogeneración pueden clasificarse de acuerdo con el orden de producción de electricidad y energía térmica en:

• Sistemas superiores de cogeneración (Topping Cycles) (ver fig. 6a y fig. 6b). Son los más frecuentes, aquellos en los que una fuente de energía primaria (como la biomasa, el gas natural, diesel, carbón u otro combustible similar) se utiliza directamente para la generación de energía eléctrica en el primer escalón. A partir de la energía química del combustible se produce un fluido caliente que se destina para generar la energía mecánica y la energía térmica resultante, el denominado calor residual como vapor o gases calientes, es suministrada a los procesos industriales ya sea para secado, cocimiento o calentamiento, que constituyen el segundo escalón. Este tipo de sistemas se utiliza principalmente en la industria textil, petrolera, celulosa y papel, cervecera, alimenticia, azucarera, entre otras, donde sus requerimientos de calor son moderados o bajos con temperaturas de 250 °C a 600 °C.

• Sistemas inferiores de cogeneración (Bottoming Cycles) (ver fig. 6c), la energía primaria se utiliza directamente para satisfacer los requerimientos térmicos del proceso del primer escalón y la energía térmica residual o de desecho, se usará para la generación de energía eléctrica en el segundo escalón. Los ciclos inferiores están asociados con procesos industriales en los que se presentan altas temperaturas como el cemento, la siderúrgica, vidriera y química. En tales procesos resultan calores residuales del orden de 900 °C que pueden ser utilizados para la producción de vapor y electricidad.
  
  

Condiciones para que la cogeneración sea efectiva

La introducción de la cogeneración se considera generalmente efectiva bajo las siguientes condiciones:

• Cuando la demanda de energía eléctrica y las cargas térmicas son estables durante el año, ya que de no serlo:
  • La generación de electricidad varía también acompasadamente.
  • Se hace necesaria la existencia de disipadores de calor para liberarse del calor sobrante cuando la demanda es escasa.
  • Se podría seguir produciendo electricidad sin generar simultáneamente calor útil.
• Cuando los factores de carga y cargas térmicas se encuentran coordinados.
• Cuando la proporción termoeléctrica es alta, y la demanda de calor es alta.
• Cuando existe una variedad de recursos energéticos disponibles para emergencias.

• Cuando es deseable evitar el uso de energía de alto voltaje especial.

Beneficios

La cogeneración al tratarse de un sistema de alta eficiencia energética, ya que produce conjuntamente calor y electricidad en el centro de consumo térmico, y ser además un sistema distribuido (muchas plantas de pequeña potencia cerca de los centros de consumo), aporta los siguientes beneficios:

• Disminución de los consumos de energía primaria, que es el objetivo principal perseguido por la cogeneración.
• Disminución de las importaciones de combustible (ahorros en la balanza de pagos del país).
• Reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, disminuyendo el impacto medioambiental y contribuyendo a un desarrollo sostenible (Herramienta para el cumplimiento del Protocolo de Kyoto).
• Contribución a la estabilidad del sistema.
• Disminución de pérdidas en el sistema eléctrico e inversiones en transporte y distribución, debido a que las instalaciones suelen estar más cerca del punto de consumo, facilitando así una generación más distribuida.
• Aumento de la garantía de potencia y calidad del servicio eléctrico.
• Aumento de la competitividad industrial y de la competencia en el sistema eléctrico, debido a que la tecnología de la cogeneración permite que entren en el mercado nuevos competidores.
• Oportunidades de creación de nuevas empresas. Fundamentalmente PYME, empresas en colaboración y otras fórmulas de cooperación entre partes interesadas (de la industria, la electricidad, la tecnología).
• Motivación por la investigación y desarrollo de sistemas energéticos eficientes.

Debido a estas características, la cogeneración contribuye de forma importante a la seguridad del abastecimiento energético y al desarrollo sostenible.

Parámetros de diseño y comportamiento

Para establecer un sistema de cogeneración en una planta industrial se requiere considerar los siguientes aspectos:

1. Consumo de energía eléctrica (E) expresado en kW. Debe necesitar energía eléctrica.
2. Consumo de energía primaria (Qs) expresado en m3, Kg. o directamente en kW térmicos. Debe necesitar energía primaria para generar energía térmica útil, que puede ser suministrada por biomasa.
3. Consumo de energía térmica útil (Q=Qu) expresado en kW térmicos. Debe necesitar energía térmica útil para elaborar sus productos bienes o servicios, por lo regular en forma de un fluido caliente, ya sea vapor o gases calientes. Esta energía térmica útil autogenerada por las empresas industriales en el seno de su empresa a través de equipos de combustión (calderas).

Esta energía térmica se relaciona directamente con el combustible suministrado (Qs) con la siguiente fórmula:

donde:
ף: Eficiencia de generación de la caldera (%)
Qu: Calor útil proporcionado por el vapor generado (kJ)
Qs: Calor suministrado por el combustible quemado (kJ)
mV: Flujo de vapor (kg/h)
hv: Entalpía de vapor (kJ/Kg)
ha: Entalpía de agua de alimentación (kJ/Kg)
PCI: Poder calorífico del combustible (kJ/m3)
Mc: Flujo de combustible (m3/h)

Relación Q/E

La relación de la demanda eléctrica (E) a la térmica (Q) permite visualizar la simultaneidad con que ocurren las demandas, pudiendo mostrar los siguientes 2 posibles tipos de comportamiento:

1. Uniformidad
2. Variaciones y valores máximos y mínimos

Por ejemplo, si Q/E > 0,5, se trata de empresas o usuarios consumidores de energía eléctrica, tales como grandes talleres electromecánicos, comerciales y de servicios.
Si Q/E < 0,1, se trata de empresas o usuarios consumidores de calor como fábricas de cemento, cales, cerámicas, etc.
Cuando esta relación tenga un valor unitario o cercano a la unidad, se trata de empresas o industrias de consumo equilibrado, como fábricas de papel, industria química, petroquímica alimentaria y textil, etc.
En la siguiente tabla se presenta el tipo de tecnología o sistema de cogeneración, la relación Q/E, y la temperatura del fluido caliente correspondiente que se puede generar por el mismo sistema. Lo cual da una primera aproximación de la tecnología que se puede aplicar en un caso específico.

En cuanto a la eficiencia del sistema de cogeneración que se puede alcanzar y la relación Q/E, se observa que estas se encuentran íntimamente relacionadas con el sistema de cogeneración utilizado, tal y como se muestra en la gráfica siguiente:

Dependiendo de esto, un sistema puede diseñarse para satisfacer cualquiera de las cinco condiciones siguientes:

• Satisfacción al 100% de necesidades eléctricas
• Satisfacción parcial de necesidades eléctricas
• Satisfacción al 100% de necesidades térmicos
• Satisfacción parcial de necesidades térmicos
• Satisfacción al 100% de necesidades eléctricas y térmicas

Dependiendo del análisis realizado se determinará cual de las alternativas es la más rentable o conveniente bajo las condiciones económicas y financieras de un proyecto específico. De la operación del sistema se determinará si se contará con excedentes eléctricos tanto en potencia como en energía. Los cuales, en caso de contar con ellos se podrán vender a la red, o, en caso contrario, se podrán adquirir.

Para el caso térmico, o de proveer la energía térmica, se tendrá que evaluar si el sistema de cogeneración satisface al 100% los requerimientos o si se tendrá necesidad de los equipos de combustión de las calderas actuales de la empresa para satisfacer la demanda térmica restante.

Índice de calor neto (ICN)

Para cuantificar el aprovechamiento del combustible para la generación eléctrica, se utiliza el índice conocido como INC, conocido también como “Consumo Térmico Unitario de Cogeneración” o “Consumo de Combustible para Generación Eléctrica”, que se encuentra expresado con la siguiente fórmula:

donde:
Qs: Calor suministrado, como combustible al sistema de cogeneración (kW)
Q: Calor útil porporcionado (fluido caliente) por el sistema de cogeneración (kW)
ף: Eficiencia convencional de generación de energía térmica (%)
E: Generación eléctrica del sistema de cogeneración (kW)

El ICN expresa la cantidad de combustible adicional que es necesario introducir al sistema de cogeneración con respecto al que se consumiría para producir el calor útil requerido mediante sistemas convencionales (por ejemplo una caldera de vapor) y la generación convencional de electricidad mediante unidades termoeléctricas. Es de gran utilidad para comparar el comportamiento de distintos esquemas entre sí.
Cabe aclarar el valor del (ICN) no solo depende del sistema de cogeneración, sino también de la aplicación específica a la que se destine ya que en ella se definirá cuanto calor se tendrá como útil del potencial total que presente dicho esquema.