Cogeneración

La cogeneración o calor y electricidad combinados ( CHP ) es el uso de un motor térmico ^{[ 1 ]} o una central eléctrica para generar electricidad y calor útil al mismo tiempo.

La cogeneración es un uso más eficiente del combustible o del calor, porque el calor que de otro modo se desperdiciaría en la generación de electricidad se aprovecha para algún uso productivo. Las plantas de cogeneración (CHP) recuperan la energía térmica que de otro modo se desperdiciaría para calefacción . Esto también se denomina calefacción urbana de cogeneración. Las pequeñas plantas de cogeneración son un ejemplo de energía descentralizada . ^{[ 2 ]} El calor residual a temperaturas moderadas ( 100–180 °C (212–356 °F) también se puede utilizar en refrigeradores de absorción para refrigeración.  

El suministro de calor a alta temperatura impulsa primero un generador accionado por una turbina de gas o de vapor . El calor residual resultante, a baja temperatura, se utiliza posteriormente para la calefacción de agua o espacios. A menor escala (normalmente por debajo de 1 MW), se puede utilizar un motor de gas o diésel . La cogeneración también es común en las centrales geotérmicas, ya que suelen producir calor de calidad relativamente baja ; en ocasiones, pueden ser necesarios ciclos binarios para alcanzar una eficiencia térmica aceptable para la generación. La cogeneración se emplea con menos frecuencia en las centrales nucleares, ya que las consideraciones de NIMBY ( Not In My Back Yard, "no en mi patio trasero") y de seguridad a menudo las han mantenido más alejadas de los centros de población que las centrales químicas comparables, y la calefacción urbana es menos eficiente en zonas de baja densidad de población debido a las pérdidas de transmisión. 

La cogeneración se practicó en algunas de las primeras instalaciones de generación eléctrica. Antes de que las centrales eléctricas distribuyeran la energía, las industrias que generaban su propia electricidad utilizaban el vapor residual para calentar sus procesos. Los grandes edificios de oficinas y apartamentos, hoteles y tiendas solían generar su propia energía y utilizar el vapor residual para la calefacción de los edificios. Debido al alto costo de la energía comprada en sus inicios, estas operaciones de cogeneración continuaron durante muchos años después de que la electricidad de la red pública estuviera disponible. ^{[ 3 ]}

Muchas industrias de procesos, como las plantas químicas , las refinerías de petróleo y las fábricas de celulosa y papel , requieren grandes cantidades de calor para operaciones como reactores químicos , columnas de destilación, secadores de vapor y otros usos. Este calor, que generalmente se utiliza en forma de vapor, puede generarse a las bajas presiones típicas de la calefacción o a presiones mucho mayores, haciéndolas pasar primero por una turbina para generar electricidad. En la turbina, la presión y la temperatura del vapor disminuyen a medida que su energía interna se convierte en trabajo. El vapor a menor presión que sale de la turbina puede utilizarse entonces como calor de proceso.

Las turbinas de vapor en las centrales térmicas normalmente están diseñadas para ser alimentadas con vapor a alta presión, que sale de la turbina en un condensador que opera unos pocos grados por encima de la temperatura ambiente y a unos pocos milímetros de mercurio de presión absoluta. (Esto se denomina turbina de condensación ). A efectos prácticos, este vapor tiene una energía útil insignificante antes de ser condensado. Las turbinas de vapor para cogeneración están diseñadas para extraer parte del vapor a presiones más bajas después de que haya pasado por varias etapas de la turbina, y el vapor no extraído continúa a través de la turbina hasta un condensador. En este caso, el vapor extraído causa una pérdida de potencia mecánica en las etapas posteriores de la turbina. O bien están diseñadas, con o sin extracción, para la descarga final a contrapresión (sin condensación). ^{[ 4 ] [ 5 ]} El vapor extraído o de escape se utiliza para el calentamiento de procesos. El vapor en condiciones normales de calentamiento de procesos todavía tiene una cantidad considerable de entalpía que podría utilizarse para la generación de energía, por lo que la cogeneración tiene un coste de oportunidad .

Una turbina típica de generación de energía en una fábrica de papel puede tener presiones de extracción de 160 y 60 psi (1,10 y 0,41 MPa) . Una contrapresión típica puede ser de 60 psi (0,41 MPa) . En la práctica, estas presiones se diseñan a medida para cada instalación. Por otro lado, generar vapor de proceso para fines industriales en lugar de la presión suficiente para generar energía en la etapa superior también tiene un costo de oportunidad (véase: Condiciones de suministro y escape de vapor ). El costo de capital y operativo de las calderas, turbinas y generadores de alta presión es considerable. Este equipo normalmente funciona de forma continua , lo que generalmente limita la autogeneración de energía a operaciones a gran escala.    

Un ciclo combinado (en el que varios ciclos termodinámicos generan electricidad) también puede utilizarse para extraer calor mediante un sistema de calefacción que actúa como condensador del ciclo inferior de la central eléctrica . Por ejemplo, el generador RU-25 MHD de Moscú calentaba una caldera para una central termoeléctrica convencional, cuyo condensado se utilizaba posteriormente para la calefacción de espacios. Un sistema más moderno podría emplear una turbina de gas alimentada por gas natural , cuyos gases de escape alimentan una central de vapor, cuyo condensado proporciona calor. Las centrales de cogeneración basadas en una unidad de potencia de ciclo combinado pueden alcanzar eficiencias térmicas superiores al 80 %.

La viabilidad de la cogeneración (a veces denominada factor de utilización), especialmente en instalaciones de cogeneración más pequeñas, depende de una buena carga base de operación, tanto en términos de una demanda eléctrica in situ (o cercana) como de demanda de calor. En la práctica, rara vez existe una coincidencia exacta entre las necesidades de calor y electricidad. Una planta de cogeneración puede satisfacer la necesidad de calor ( operación impulsada por calor ) o funcionar como una central eléctrica con algún uso de su calor residual, siendo esta última opción menos ventajosa en términos de su factor de utilización y, por lo tanto, de su eficiencia general. La viabilidad puede incrementarse considerablemente cuando existen oportunidades para la trigeneración. En tales casos, el calor de la planta de cogeneración también se utiliza como fuente de energía primaria para proporcionar refrigeración mediante un enfriador de absorción .

La cogeneración es más eficiente cuando el calor se puede utilizar in situ o muy cerca de él. La eficiencia general disminuye cuando el calor debe transportarse a largas distancias. Esto requiere tuberías con un alto grado de aislamiento, que son costosas e ineficientes; mientras que la electricidad se puede transmitir a través de un cable relativamente sencillo y a distancias mucho mayores con la misma pérdida de energía.

En invierno, el motor de un automóvil se convierte en una planta de cogeneración cuando el calor residual se aprovecha para calentar el interior del vehículo. Este ejemplo ilustra que la implementación de la cogeneración depende de los usos del calor en las proximidades del motor térmico.

Las plantas de recuperación mejorada de petróleo mediante calentamiento (TEOR, por sus siglas en inglés) suelen generar una cantidad considerable de electricidad sobrante. Tras generar electricidad, estas plantas bombean el vapor residual a los pozos de petróleo pesado para facilitar el flujo del crudo y, así, aumentar la producción.

Las plantas de cogeneración se encuentran habitualmente en los sistemas de calefacción urbana de las ciudades, en los sistemas de calefacción central de edificios más grandes (por ejemplo, hospitales, hoteles, prisiones) y se utilizan comúnmente en la industria en procesos de producción térmica para agua de proceso, refrigeración, producción de vapor o fertilización _con CO2 .

La trigeneración o cogeneración ( CCHP ) se refiere a la generación simultánea de electricidad y calefacción y refrigeración útiles mediante la combustión de un combustible o un colector solar. Los términos cogeneración y trigeneración también se aplican a los sistemas de energía que generan simultáneamente electricidad, calor y productos químicos industriales (por ejemplo, gas de síntesis ). La trigeneración se diferencia de la cogeneración en que el calor residual se utiliza tanto para calefacción como para refrigeración, generalmente en un refrigerador de absorción. Los sistemas combinados de calefacción, refrigeración y electricidad pueden alcanzar eficiencias generales más altas que la cogeneración o las centrales eléctricas tradicionales. En Estados Unidos, la aplicación de la trigeneración en edificios se denomina climatización, calefacción y electricidad para edificios. La calefacción y la refrigeración pueden funcionar simultáneamente o de forma alterna, según las necesidades y la configuración del sistema.

Las centrales de ciclo superior producen electricidad principalmente a partir de una turbina de vapor. El vapor parcialmente expandido se condensa en un condensador de calefacción a una temperatura adecuada, por ejemplo, para calefacción urbana o desalinización de agua .

Las centrales de ciclo inferior generan calor a alta temperatura para procesos industriales, y posteriormente una caldera de recuperación de calor residual alimenta una planta eléctrica. Estas centrales solo se utilizan en procesos industriales que requieren temperaturas muy elevadas, como los hornos para la fabricación de vidrio y metal, por lo que son menos comunes.

Los grandes sistemas de cogeneración proporcionan agua caliente y electricidad para un emplazamiento industrial o una ciudad entera. Los tipos más comunes de plantas de cogeneración son:

• Las centrales de cogeneración con turbinas de gas utilizan el calor residual de los gases de combustión de las turbinas. El combustible utilizado suele ser gas natural .
• Las plantas de cogeneración con motor de gas utilizan un motor de gas alternativo, que generalmente es más competitivo que una turbina de gas hasta aproximadamente 5  MW. El combustible gaseoso utilizado suele ser gas natural . Estas plantas se fabrican generalmente como unidades compactas que se pueden instalar dentro de una sala de máquinas o en un recinto externo, con conexiones sencillas al suministro de gas, la red de distribución eléctrica y los sistemas de calefacción de la planta. Para conocer los valores típicos de potencia y eficiencia, véase ^{[ 6 ]} . Para ver un ejemplo típico de gran tamaño, véase ^{[ 7 ].}
• Las plantas de cogeneración con motores de biocombustible utilizan un motor de gas alternativo o diésel adaptado , según el biocombustible empleado, y su diseño es muy similar al de una planta de cogeneración con motor de gas. La ventaja de utilizar biocombustible radica en la reducción del consumo de combustibles fósiles y, por consiguiente, de las emisiones de carbono. Estas plantas se fabrican generalmente como unidades compactas que pueden instalarse en una sala de máquinas o en un recinto exterior, con conexiones sencillas a los sistemas de distribución eléctrica y calefacción de la planta. Otra variante es la planta de cogeneración con gasificador de madera, en la que se gasifica un biocombustible de pellets o astillas de madera en un entorno de alta temperatura y sin oxígeno; el gas resultante se utiliza para alimentar el motor de gas.
• Centrales eléctricas de ciclo combinado adaptadas para cogeneración.
• Las pilas de combustible de carbonato fundido y las pilas de combustible de óxido sólido tienen un escape caliente, muy adecuado para la calefacción.
• Plantas de cogeneración con turbina de vapor que utilizan el sistema de calefacción como condensador de vapor para la turbina de vapor.
• Las centrales nucleares , al igual que otras centrales de turbinas de vapor, pueden equiparse con extracciones en las turbinas para extraer vapor parcialmente expandido hacia un sistema de calefacción. Con una temperatura del sistema de calefacción de 95  °C, es posible extraer aproximadamente 10  MW de calor por cada MW de electricidad perdido. Con una temperatura de 130  °C, la ganancia es ligeramente menor, aproximadamente 7  MW por cada MWe perdido. ^{[ 8 ]} Una revisión de las opciones de cogeneración se encuentra en ^{[ 9 ]} Un equipo de investigación checo propuso un sistema "Teplator" donde el calor de las barras de combustible gastado se recupera para el propósito de calefacción residencial. ^{[ 10 ]}

Las unidades de cogeneración más pequeñas pueden utilizar un motor alternativo o un motor Stirling . El calor se extrae de los gases de escape y del radiador. Estos sistemas son populares en tamaños pequeños porque los motores de gas y diésel pequeños son menos costosos que las pequeñas centrales termoeléctricas de gas o petróleo.

Algunas plantas de cogeneración se alimentan con biomasa [ ^{11 ]} o residuos sólidos industriales y municipales (véase incineración ). Algunas plantas de cogeneración utilizan gas residual como combustible para la generación de electricidad y calor. Los gases residuales pueden ser gases procedentes de ^estiércol animal , gas de vertedero , gas de minas de carbón , gas de depuradora y gas residual industrial combustible ^{[ 12 ] .}

Algunas plantas de cogeneración combinan la generación de gas y la energía solar fotovoltaica para mejorar aún más el rendimiento técnico y ambiental. ^{[ 13 ]} Estos sistemas híbridos pueden implementarse a nivel de edificio ^{[ 14 ]} e incluso en viviendas individuales. ^{[ 15 ]}

Trigeneración

Una planta que produce electricidad, calor y frío se denomina planta de trigeneración ^{[ 28 ]} o de poligeneración. Los sistemas de cogeneración conectados a enfriadores de absorción o enfriadores de adsorción utilizan el calor residual para la refrigeración . ^{[ 29 ]}

La biomasa se refiere a cualquier materia vegetal o animal que pueda reutilizarse como fuente de calor o electricidad, como la caña de azúcar , los aceites vegetales, la madera, los residuos orgánicos y los desechos de las industrias alimentaria o agrícola . Brasil es considerado actualmente un referente mundial en la generación de energía a partir de biomasa. ^{[ 33 ]}

Un sector en crecimiento en el uso de biomasa para la generación de energía es el sector del azúcar y el alcohol, que utiliza principalmente el bagazo de caña de azúcar como combustible para la generación de energía térmica y eléctrica . ^{[ 34 ]}

Una bomba de calor se puede comparar con una unidad CHP de la siguiente manera. Si, para suministrar energía térmica, el vapor de escape del turbogenerador debe tomarse a una temperatura más alta que la que el sistema produciría la mayor parte de la electricidad, la generación eléctrica perdida es como si se utilizara una bomba de calor para proporcionar el mismo calor tomando energía eléctrica del generador que funciona a una temperatura de salida más baja y con mayor eficiencia. ^{[ 44 ]} Normalmente, por cada unidad de energía eléctrica perdida, se ponen a disposición aproximadamente 6 unidades de calor a unos 90 °C (194 °F) . Por lo tanto, la CHP tiene un coeficiente de rendimiento (COP) efectivo en comparación con una bomba de calor de 6. ^{[ 45 ]} Sin embargo, para una bomba de calor operada remotamente, se deberían considerar las pérdidas en la red de distribución eléctrica, del orden del 6 %. Dado que las pérdidas son proporcionales al cuadrado de la corriente, durante los períodos pico las pérdidas son mucho mayores que esto y es probable que la aplicación generalizada (es decir, en toda la ciudad) de bombas de calor cause sobrecarga en las redes de distribución y transmisión a menos que se refuercen sustancialmente.  

También es posible operar un sistema de calefacción combinado con una bomba de calor, donde el exceso de electricidad (ya que la demanda de calor es el factor determinante ) se utiliza para accionar la bomba de calor. A medida que aumenta la demanda de calor, se genera más electricidad para alimentar la bomba de calor, y el calor residual también calienta el fluido calefactor.

Como la eficiencia de las bombas de calor depende de la diferencia entre la temperatura del extremo caliente y el extremo frío (la eficiencia aumenta a medida que disminuye la diferencia), puede ser conveniente combinar incluso calor residual de baja calidad, que de otro modo no sería apto para la calefacción doméstica, con bombas de calor. Por ejemplo, un depósito suficientemente grande de agua de refrigeración a 15 °C (59 °F) puede mejorar significativamente la eficiencia de las bombas de calor que extraen agua de dicho depósito, en comparación con las bombas de calor aerotérmicas que extraen agua del aire frío durante una noche a -20 °C (-4 °F) . En verano, cuando existe demanda tanto de aire acondicionado como de agua caliente, la misma agua puede incluso servir como depósito para el calor residual rechazado por las unidades de aire acondicionado y como fuente para las bombas de calor que proporcionan agua caliente. Estas consideraciones explican lo que a veces se denomina "calefacción urbana fría", que utiliza una fuente de calor cuya temperatura es muy inferior a las que se suelen emplear en la calefacción urbana. ^{[ 46 ]}    

La mayoría de los países industrializados generan la mayor parte de su energía eléctrica en grandes instalaciones centralizadas con capacidad para producir grandes cantidades de electricidad. Estas plantas se benefician de las economías de escala, pero pueden necesitar transmitir electricidad a largas distancias, lo que provoca pérdidas de transmisión. La producción mediante cogeneración o trigeneración está sujeta a las limitaciones de la demanda local y, por lo tanto, a veces puede ser necesario reducirla (por ejemplo, la producción de calor o frío para ajustarla a la demanda). Un ejemplo de cogeneración con aplicaciones de trigeneración en una gran ciudad es el sistema de vapor de la ciudad de Nueva York .

Cada máquina térmica está sujeta a los límites de eficiencia teórica del ciclo de Carnot o del ciclo Rankine ( en el caso de centrales eléctricas con turbina de vapor) o del ciclo Brayton en centrales con turbina de gas y turbina de vapor. La mayor parte de la pérdida de eficiencia en la generación de energía a vapor se asocia con el calor latente de vaporización del vapor que no se recupera cuando una turbina descarga su vapor a baja temperatura y presión a un condensador. (El vapor típico que llega al condensador estaría a unos pocos milímetros de presión absoluta y aproximadamente 5 °C (41 °F) más caliente que la temperatura del agua de refrigeración, dependiendo de la capacidad del condensador). En la cogeneración, este vapor sale de la turbina a una temperatura más alta, donde puede utilizarse como calor de proceso, calor para edificios o refrigeración con un enfriador de absorción . La mayor parte de este calor proviene del calor latente de vaporización cuando el vapor se condensa.  

La eficiencia térmica en un sistema de cogeneración se define como:

$${\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {W_{out}}{Q_{in}}}\equiv {\frac {\text{Potencia eléctrica de salida + Potencia térmica de salida}}{\text{Entrada total de calor}}}}$$

Dónde:

• ${\displaystyle \eta _{th}}$= Eficiencia térmica
• ${\displaystyle W_{out}}$= Producción total de trabajo de todos los sistemas
• ${\displaystyle Q_{en}}$= Entrada total de calor al sistema

El calor residual también puede utilizarse para refrigeración (por ejemplo, en verano), gracias a un enfriador de absorción. Si se logra la refrigeración simultáneamente, la eficiencia térmica en un sistema de trigeneración se define como:

$${\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {W_{out}}{Q_{in}}}\equiv {\frac {\text{Potencia eléctrica de salida + Potencia térmica de salida + Potencia de refrigeración de salida}}{\text{Entrada total de calor}}}}$$

Dónde:

• ${\displaystyle \eta _{th}}$= Eficiencia térmica
• ${\displaystyle W_{out}}$= Producción total de trabajo de todos los sistemas
• ${\displaystyle Q_{en}}$= Entrada total de calor al sistema

Los modelos típicos de cogeneración tienen pérdidas como cualquier sistema. La distribución de energía que se muestra a continuación se representa como un porcentaje de la energía total de entrada: ^{[ 47 ]}

• Electricidad = 45%
• Calefacción + Refrigeración = 40%
• Pérdidas de calor = 13%
• Pérdidas en la línea eléctrica = 2%

Las centrales eléctricas convencionales de carbón o nucleares convierten entre el 33 y el 45 % de su calor de entrada en electricidad. ^{[ 48 ] [ 5 ]} Las centrales eléctricas de ciclo Brayton operan con una eficiencia de hasta el 60 %. En el caso de las centrales eléctricas convencionales, aproximadamente entre el 10 y el 15 % de este calor se pierde por la chimenea de la caldera. La mayor parte del calor restante emerge de las turbinas como calor residual de baja calidad sin usos locales significativos, por lo que generalmente se rechaza al medio ambiente, normalmente al agua de refrigeración que pasa por un condensador. ^{[ 5 ]} Debido a que el escape de la turbina normalmente está ligeramente por encima de la temperatura ambiente, se sacrifica parte de la generación potencial de energía al rechazar el vapor a mayor temperatura de la turbina para fines de cogeneración. ^{[ 49 ]}

Para que la cogeneración sea práctica, la generación de energía y el uso final del calor deben estar relativamente cerca (  normalmente <2 km). Aunque la eficiencia de un pequeño generador eléctrico distribuido puede ser menor que la de una gran central eléctrica, el uso de su calor residual para calefacción y refrigeración local puede resultar en un uso total del suministro de combustible primario de hasta el 80 %. ^{[ 48 ]} Esto proporciona importantes beneficios financieros y ambientales.

Por lo general, para una planta de gas, el costo total instalado por kW eléctrico es de alrededor de £400/kW (US$577), lo cual es comparable con las grandes centrales eléctricas. ^{[ 50 ]}

• Vapor, su generación y uso (35.ª ed.). Babcock & Wilson Company. 1913.