Por Paul Kenyon, Energy Solutions, Americas Cummins Power Generation

La cogeneración se ha vuelto una alternativa para grandes consumidores de energía que buscan por un lado abaratar los costos de energía y, por otro lado, asegurarse su disponibilidad.

Cogeneración, también conocida como la combinación de calor y energía (CHP, por sus siglas en inglés) es la producción de dos tipos de energía en el mismo lugar donde se necesita-habitualmente electricidad y calor-mediante una única fuente de combustible. La cogeneración muchas veces reemplaza los métodos tradicionales de adquirir múltiples fuentes de energía tales como electricidad de la red y, por otro lado, el uso de gas o petróleo para generar calor o vapor. Mientras que la compra de electricidad a través de la red es cómodo, es muy ineficiente y gasta más de dos tercios de la energía producida por el combustible original debido a pérdidas que se producen durante la producción y el transporte.


Equipos de cogeneración
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Aquellos que compran la energía a las utilities pagan por esas pérdidas en sus facturas. La cogeneración en lugares donde se consume la energía no sólo generan energía más eficientemente (40 por ciento más eficiente contra 30 por ciento menos eficiente), sino que captura prácticamente todo el calor que es normalmente desechado en las centrales eléctricas. Dependiendo de la aplicación, la integración en la producción de energía y calor en un sistema de cogeneración en el mismo lugar donde se va a consumir la energía pueden llegar a producir ahorros de hasta un 35 por ciento en el gasto total de energía. Instalaciones que consumen grandes cantidades de energía, ese tipo de ahorro puede pagar por la instalación de un sistema de cogeneración en menos de 10 años gracias al ahorro resultante de su utilización.

Qué instalaciones candidatas para su implementación

El primer paso para decidir si un sistema de cogeneración es candidato para una instalació hay que realizar un breve análisis del consumo de energía. Este análisis puede ser reducido a una serie de preguntas simples. Si las respuestas a todas ellas es positiva, entonces las instalaciones pueden ser unas serias candidatas para un análisis más exhaustivo.

1. ¿Se han tomado todas las medidas razonables para reducir ambos el consumo de energía y calor en sus instalaciones?

2. ¿Es la carga media en las instalaciones superiores a los 100 kW? Aunque los sistemas CHP pueden incorporar pequeños generadores con una necesidad mayor de energía se puede generar proporcionalmente mayores ahorros así como reducir el tiempo necesario para pagar la inversión.

3. ¿Es la carga térmica media equivalente a un millón de Btu/hora o más? Este puede tomar la forma de vapor a baja presión, agua caliente o una absorción de una cargar más fria-o una combinación de las tres. Instalaciones con cargas térmicas superiores a la eléctrica podrían darse cuenta de que un banco de micro turbinas o una única turbina de gas de mayor tamaño ofrecen una mejor proporción entre el combustible necesitado y el calor obtenido que el uso de generadores con motores recíprocos. Por otro lado, un exceso de energía eléctrica es un producto vendible que puede ser alimentado de vuelta a la red para conseguir ahorros adicionales.

4. ¿Es la duración simultánea para cubrir las necesidades de calor y electricidad superiores a 4.000 horas al año? Mientras algunas aplicaciones son posibles cuando la demanda simultánea térmica y de energía está alrededor de las 2.000 horas al año, las economías son más favorables para aquellos sistemas que operan alrededor de medio año. Premisas con necesidades de calor sustanciales durante los meses de invierno y necesidades de enfriamiento durante el verano son generalmente buenas candidatas para la instalación de sistemas CHP.

5. ¿Son los precios locales de electricidad altos en relación con el costo local y disponibilidad de gas natural? Cuanto mayor la diferencia entre el precio de la electricidad y el precio del gas natural mayor la probabilidad de que un sistema CHP provea ahorros sustanciales.

6. ¿Están las premisas preparadas para la instalación de un sistema CHP? Se necesita espacio suficiente para acomodar a un generador, un intercambiador de calor, y los sistemas de control, entre otros. Sistemas pequeños pueden situarse en el exterior del recinto en contenedores especializados, aún así sistemas de mayor tamaño necesitan su propia habitación o su propia construcción. Debe haber disponibilidad de gas natural para las premisas de las instalaciones o para los sistemas diesel suficiente capacidad de almacenamiento de este combustible en el mismo lugar .

7. ¿Es la confiabilidad del servicio eléctrico una preocupación económica mayor? Muchos negocios hoy en día necesitan una confiabilidad en el servicio eléctrico del 99.9999 por ciento. Un muchos lugares las utilities son incapaces de ofrecer ese tipo de confiabilidad.


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Un análisis del costos es mejor hecho con la ayuda de un representativo de un fabricante de este tipo de equipos o con un ingeniero consultor que esté familiarizado con los sistemas CHP. Aún así, los factores que deben ser incluidos en el cálculo son: a) precio medio de electricidad por kWh; b) costo del gas natural o diesel por millones de Btu; c) número de horas anticipadas de operación por año; y d) costo instalado del sistema CHP por kW de capacidad, eléctrica y térmica. Basado en varias fórmulas, estos números combinados resultan en una relación anual entre costo y ahorros, y el tiempo necesitado para pagar la inversión.

Comparación de algunos sistemas CHP

Ya sea que el sistema CHP sea un motor diesel, una turbina reciproca a gas natural, una turbina de gas, o fuel cell, cada tecnología tiene características que pueden hacer una mejor que el resto dependiendo de la aplicación necesitada. En general sistemas basados en turbinas reciprocas ofrecen el mejor desempeño eléctrico por Btu de energía y la mayor eficiencia. Ambos la disponibilidad y confiabilidad de los sistemas CHP están en el orden del 90 al 95 por ciento.

Sistemas CHP con generadores Diesel-turbinas diesel representan representan la razón principal para minimizar los costos de instalación, alta confiabilidad, poco mantenimiento y una excelente carga eléctrica. Aún así, límites en la calidad del aire en el área de instalación puede limitar su uso dependiendo de la regulación medio ambiental. Sistemas CHP diesel son ideales para aplicaciones en el rango de 300 kW a 10 MW de capacidad eléctrica y 1.5 Btu a 45.2 Btu de capacidad térmica. Estos sistemas como antes hemos mencionado requieren algún tipo de almacenaje del combustible en las premisas donde se realiza la instalación.

Sistemas CHP con turbinas reciprocas a gas-recientes avances en turbinas que funcionan con la combustión a gas natural han creado sistemas de turbinas generadoras reciprocas con un excelente desempeño y bajas emisiones. Sin un pos tratamiento exhausto, estos generadores son idóneos para uso intensivo en muchos lugares de Estados Unidos. Con un pos tratamiento de exhausto catalítico estos sistemas pueden incluso funcionar en los lugares del mundo donde la regulación con el medio ambiente es más exigente. Estos sistemas también tienen una gran disponibilidad y costos de instalación que son una mitad de los sistemas CHP basado en turbinas a gas. Normalmente los sistemas van desde 30 kW a 10 MW de capacidad eléctrica y 1,5 Btu a 45,2 Btu térmica.

Sistemas CHP con turbinas generadoras a gas-sistemas basados en micro turbinas o grandes turbinas a gas tienen la ventaja de un mayor output termal por Btu de input. Aunque cuestan considerablemente más por kW de capacidad y teniendo por lo general una menor eficiencia que los sistemas CHP basados en turbinas reciprocas, los sistemas basados en turbinas tienen ligeramente mejor disponibilidad y menores costos de mantenimiento. Las turbinas a gas han sido las elegidas en sistemas CHP de gran tamaño. Por otro lado, las micro turbinas son utilizadas debido a su compacto tamaño, bajo nivel de ruido, limpieza de su operación y donde el combustible está disponible en bajas cantidades o es de baja calidad. El tamaño de los sistemas con turbinas de gas va desde 30 Kw hasta centenares de MWs. Las emisiones con parecidas a los del sistema anteriormente mencionado.

Sistemas CHP fuel cell-Las fuel cell (habitualmente gas natural) convierten directamente el combustible en energía eléctrica sin necesidad de pasa por el clásico proceso de combustión. El sub producto resultante es agua. Mientras que las fuel cells son muy limpias y confiables, son los equipos con precios más elevados en el mercado en relación al resto de tecnologías CHP. La mayoría de instalaciones hasta la fecha han sido pequeñas o instaladas en proyectos de demostración.

Conclusiones

Los sistemas CHP que producen electricidad y calor del mismo combustible ofrecen ahorros de energía de hasta el 35 por ciento para una gran variedad de instalaciones que pueden hacer uso de las dos formas de energía. El potencial para ahorros superiores en el gasto de energía es la razón principal para considerar un sistema CHP. La elección entre los diferentes sistemas CHP depende en el tamaño de la aplicación y la proporción de calidad de energía que se necesita recuperar para calor.