QU ES LA COGENERACIN

QU ES LA COGENERACIN?

1.INTRODUCCIN Y DEFINICIONES.Si bien el gran desarrollo industrial que se ha vivido en el siglo XX ha sido, en gran parte, producido por la maestra del hombre en el uso de la energa, la frase inicial nos recuerda que no todas las formas energticas producen el efecto deseado.

Efectivamente, el hombre ha dedicado grandes esfuerzos de todo tipo en conseguir energas y adecuarlas para su uso final en los centros consumidores. Todo este proceso, en general llevado a cabo por el que se conoce como sector energtico, a travs de tecnologas adecuadas para la prospeccin, transporte y conversin en las formas de energa a los consumidores, encuadrados bsicamente, en los sectores industrial y terciario.

El problema energtico, no es tanto la escasez de la energa, como la capacidad tecnolgica de su conversin en formas energticas tiles. Las energas deseadas (porque son fciles de usar) son escasas, y la energa elctrica (tal vez la ms deseada por su facilidad de uso) es tan escasa que no existe en la naturaleza en forma aprovechable y el hombre ha tenido que ingeniar sistemas para producirla a travs de otras formas menos tiles.

As, el sector energtico parte de las energas primarias (las que se encuentran en la naturaleza) y a travs de sus tecnologas las convierte en secundarias (disponibles en el mercado). Los usuarios (sector industrial y terciario) acuden al mercado para adquirir las energas que precisan (electricidad y combustible) para convertirlas en energas terciarias (las que son directamente tiles) a travs de sistemas tecnolgicos propios del usuario final.

Efectivamente, la electricidad adquirida debe transformarse a un nivel de tensin ms bajo para obtener lo que realmente desea el usuario de la misma : Iluminacin, fuerza motriz, seales de control, calentamiento, etc... y el combustible adquirido se utilizar para generar fluidos ( vapor de agua, aceites trmicos, gases calientes) que transmitan en forma adecuada el calor que el usuario precisa en sus instalaciones, ya que no suele ser til directamente (no podemos echar el reloj al fuego).

El proceso energtico que sigue la energa primaria desde que se encuentra en la naturaleza hasta su utilizacin en una aplicacin, est gobernado por una serie de tecnologas de conversin energtica sujetas al 1er y 2o principios de la termodinmica. Por ello, la energa que llega a la aplicacin es menor que la extrada de la naturaleza y tiene otra forma. Es decir, a lo largo de este proceso, la energa sufre una conversin cuantitativa y cualitativa que transforma la energa primaria en energa til en diversos sistemas tecnolgicos.

Veamos, pues, cuales son estos posibles caminos :

Efectivamente, el usuario tiene unos requisitos determinados por la tecnologa de la mquina que requiere la energa. En general, requerir la electricidad para su transformacin en energa mecnica y calor en forma de vapor para su uso en calefaccin de ambiente o procesos. Fijada esta demanda de energas terciarias o tiles, la cantidad de energa primaria requerida, depende del camino seguido en este proceso de conversin.

Figura 1. Proceso energtico convencionalEl camino convencional, el que estamos acostumbrados a utilizar es el que ha determinado el sector energtico y que, hasta el momento, ha permitido al usuario final despreocuparse del problema energtico. En este camino, la energa primaria (por ejemplo, petrleo o gas natural) se convierte en combustible (en refineras en el caso del petrleo) cuyo uso, en parte lo realiza el usuario final y en parte lo reutiliza el sector energtico para convertirla en electricidad en sus centrales.

La Figura 1 explica este camino y los rendimientos usuales que pueden obtenerse con las tecnologas ms adecuadas existentes hoy en daLa cogeneracin emplea otras tecnologas, tambin conocidas y experimentadas, pero siguiendo otro camino que le permite alcanzar rendimientos mucho ms elevados segn se puede apreciar en la Figura 2. En este caso, el usuario adquiere combustible con el que produce simultneamente electricidad y calor en su propio centro y equilibra los excesos o defectos mediante intercambio con la compaa del suministro elctrico.

Figura 2. Proceso energtico cogenerativo.Haciendo un balance entre ambas situaciones que dan lugar a las mismas prestaciones energticas querequiere el usuario, los ahorros de energa primaria son muy importantes.

2.LA COGENERACION COMO SISTEMA DE CONVERSION ENERGETICAPor lo indicado, la tecnologa de la cogeneracin podra definirse como un sistema que partiendo de una energa de calidad media (la del combustible) la convierte en otras formas energticas, como vapor o agua caliente (de baja calidad, pero til) y la electricidad, de alta calidad y tambin til.

En esta definicin se barajan los conceptos de calidad y utilidad de la energa.

El primero de ellos procede de la termodinmica y confera la mxima calidad a la energa mecnica y atribua al calor la calificacin de "energa degradada" precisamente por la dificultad de convertirla en energa mecnica.

En este sentido, la energa elctrica tendr una gran calidad y el vapor obtenido en una planta de cogeneracin sera una "energa degradada".

Pero, al principio de este escrito hemos visto que estas formas energticas (electricidad y vapor) son formas energticas "deseadas", energas necesarias requeridas por los sistemas tecnolgicos utilizados industrialmente y, por lo tanto, ambas son energas tiles y valorizables.

El concepto de calidad termodinmica y utilidad industrial son, en cierto modo, complementarios y son los que permiten la gran eficacia de los sistemas cogenerativos.

LA FILOSOFA DE AESA

AESA ha estado desde sus inicios involucrada en los sistemas de cogeneracin y ello le ha permitido analizar la evolucin tecnolgica, la evolucin de la legislacin y sobre todo la evolucin de los cogeneradores.Efectivamente, las industrias y centros que albergan los sistemas de cogeneracin tambin evolucionan y modifican sus consumos trmicos y elctricos. Unos se desarrollan a la alza, en otros casos se mantienen y muchas veces se modifican en forma sustancial ya que se producen cambios de sistemas de produccin y de productos de estas industrias.Todas estas experiencias han conducido a una filosofa de Diseo de las plantas de AESA que se apoya en los siguientes criterios:

El diseo de la planta debe basarse en el anlisis de su ciclo vital durante un perodo de como mnimo 15 aos y durante el cual es seguro que se producirn cambios tecnolgicos legislativos, econmicos y de demandas energticas del usuario. Por ello, las plantas debern disponer de la flexibilidad necesaria para adaptarse a estos cambios sin prdida sensible de eficiencia y con capacidad para aumentarla. Siempre deber buscarse la eficiencia que permita competir con tecnologas del sector elctrico como los ciclos combinados. Eficiencias del 60% en la produccin de electricidad y del 65% como rendimiento energtico global son necesarias cuando se usan combustibles comerciales. Todas las plantas debern ser adaptables a los requisitos medioambientales que sean requeridos en un futuro. Para ello debern preverse las instalaciones que en un futuro puedan ser requeridas (SCR, DNOx, etc). Las plantas de gran tamao deberan ser invulnerables a medio plazo a la desaparicin del usuario trmico, o a una disminucin importante de su demanda. La planta debe ser totalmente automtica y no requerir la presencia de personal en situaciones normales de operacin. Tan solo en condiciones especiales (puestas en marcha, paros u operaciones crticas) ser requerida la presencia del operador. Debern disponer de un sistema de supervisin a distancia, de forma que se pueda supervisar la explotacin sin necesidad de presencia en la sala de control.

PLANTAS CON MOTORES ALTERNATIVOS

Utilizan gas natural , gasleo o fuel - oil como combustible . Las potencias unitarias desarrolladas por AESA oscilan entre 1,5 y 10 MW. Por asociacin en paralelo de grupos generadores su potencia puede alcanzar tamaos muy superiores, pero a partir de 15 MW probablemente sern ms rentables los ciclos con turbinas si se dispone de gas natural.

Las plantas con motores alternativos tienen la gran ventaja de ser muy eficientes elctricamente y al propio tiempo la desventaja de ser poco eficientes trmicamente.El sistema de recuperacin trmica se disea en funcin de los requisitos de la industria y en general se basan en la produccin de vapor a baja presin (hasta 10 bares), aceite trmico y en el aprovechamiento del circuito de alta temperatura del agua de refrigeracin del motor. Son tambin adecuadas la produccin de fro por absorcin bien sea a travs de vapor generado con los gases en mquinas de doble efecto, o utilizando directamente el calor del agua de refrigeracin en mquinas de simple efecto.Fig 1:Esquema de planta con motores alternativos

PLANTAS CON TURBINA DE GAS

La turbina de gas se ha desarrollado en los ltimos tiempos gracias a su aplicacin a la industria aeronutica y si bien sus rendimientos de conversin son inferiores a la de los motores alternativos , ofrecen la gran ventaja de la facilidad de recuperacin del calor, que se encuentra concentrado en su prctica totalidad en sus gases de escape, que al estar a una temperatura de unos 500 C son idneas para producir vapor en un generador de recuperacin.

Segn que este vapor se produzca a la presin de utilizacin del usuario, o se genere a alta presin y temperatura para su expansin previa en una turbina de vapor, se definen como ciclos simples en el primer caso, o combinados en el segundo.

TURBINA DE GAS EN CICLO SIMPLE

En la planta clsica de cogeneracin y su aplicacin es adecuada cuando los requisitos de vapor son importantes (> 10 t/h). Esta situacin se encuentra fcilmente en industrias de tipo alimentario, qumica y sobre todo en la papelera. Son plantas de gran fiabilidad y economa cuando estn diseadas correctamente para una aplicacin determinada.

El diseo del sistema de recuperacin de calor es crtico en este tipo de plantas, pues su economa est directamente ligada al mismo ya que a diferencia de las plantas con motores alternativos el precio del calor recuperado es esencial en un ciclo simple de turbina de gas.AESA ha realizado numerosas plantas de este tipo (ver listas de referencias) y se han probado altamente eficientes tanto energtica como econmicamente.El permanente estado de desarrollo de las turbinas de gas y las expectativas de aumento de eficiencia hacer prever que este tipo de planta mantendr su vigencia hasta bien entrado el siglo XXI.

Fig 2: Proceso de turbina de gas en ciclo simple

TURBINA DE GAS EN CICLO COMBINADO

AESA aporta la mxima experiencia en ciclos combinados. Efectivamente, desde 1988, en que dise, construy y oper la planta de Clariana, se inici un nuevo hito en la Cogeneracin en Espaa. Los ciclos combinados que hasta este momento slo se conceban en grandes instalaciones, demostraron su aplicabilidad a las pequeas potencias.

Como se ha dicho anteriormente, la recuperacin de calor es esencial en un ciclo con turbina de gas. Si esta recuperacin es adecuada se garantiza el xito de la planta , y si se pierde calor ste puede quedar altamente comprometido. Un ciclo combinado "ayuda" a absorber una parte del vapor generado en el ciclo simple y permite, por ello, mejorar la recuperacin trmica, o instalar una turbina de gas de mayor tamao cuya recuperacin trmica no estara aprovechada si no se utilizara el vapor en una segunda turbina de contrapresin. AESA ha desarrollado numerosos proyectos en ciclos combinados y ha ido perfeccionando este proceso en plantas que utilizan turbinas de gas de 4 MW, como en Clariana, S.A., hasta 40 MW, como en Cogeneracin del Prat, S.A.

Fig 3:Turbina de Gas en ciclo combinado

El proceso del vapor en un ciclo combinado es esencial para la eficiencia del mismo. La seleccin de la presin y temperatura del vapor vivo se hace en funcin de las turbinas de gas y vapor seleccionadas, pero a su vez esta seleccin se debe realizar con criterios de eficiencia y economa. Esta complejidad requiere experiencias previas e "imaginacin responsable" para crear procesos adaptados a un centro de consumo y que, al propio tiempo, dispongan de gran flexibilidad que posibilite su trabajo eficiente en situaciones alejadas del punto de diseo.En este proceso, AESA ha desarrollado plantas en ciclo combinado con potencias (totales) comprendidas entre 5 MW y 50 MW, con calderas de recuperacin de hasta 3 niveles de presin

CICLO COMBINADO A CONDENSACIN

Este ciclo, que se basa en procesos estrictamente cogenerativos es una variante del ciclo combinado de contrapresin clsico y tiene su fundamento en su gran capacidad de regulacin ante demandas de vapor muy variables.

Efectivamente, el proceso clsico de regulacin de una planta de cogeneracin consiste en evacuar gases a travs del by-pass cuando la demanda de vapor es menor a la produccin y utilizar la postcombustin cuando sucede lo contrario. La Fig. 9 es indicativa de este proceso operacional de las plantas de cogeneracin y es debido a la poca flexibilidad de las turbinas de gas en ciclo simple para trabajar a cargas parciales.Efectivamente, bajando sensiblemente su potencia, no se consigue su adaptacin a la demanda de vapor, debido a una importante baja de rendimiento de recuperacin, ya que los gases de escape mantienen prcticamente su caudal y bajan ostensiblemente su temperatura. Por ello, las prdidas de calor se mantienen prcticamente constantes, y la planta deja de cumplir los requisitos de rendimiento.

Fig 4: Ciclo Combinado a Contrapresin y condensacin

Por el contrario, un ciclo de contrapresin y condensacin trabajando en la forma indicada en la Fig. 10 permite aprovechar la totalidad del vapor generado, regulando mediante la condensacin del vapor que no puede usarse en el proceso, produciendo una cantidad adicional de electricidad

PLANTAS CON TURBINA DE VAPOR

Aunque el uso de esta turbina fue el primero en cogeneracin, su aplicacin en estos das ha quedado limitada como complemento para ciclos combinados o en instalaciones que utilizan combustibles residuales, como biomasa o residuos que se incineran.

AESA ha realizado plantas de este tipo, como la de Sant Pere de Torell, en la que la combustin de biomasa produce vapor que se expansiona en una turbina de vapor y posteriormente cede calor a una red de calefaccin de distrito que suministra calor a unas 600 viviendas del pueblo.Fig 5: Planta con turbina de vapor a condensacin con biomasa

TRIGENERACIN

AESA introdujo en 1982 el concepto de Trigeneracin, que se basa en la produccin conjunta de calor, electricidad y fro. Las primeras plantas realizadas bajo este concepto recibieron el "XIPremi a la Creativitat" otorgado por el Colegio de Ingenieros Industriales de Catalua y Baleares. Bsicamente, una planta de Trigeneracin es sensiblemente igual a una de Cogeneracin, a la que se le aade un sistema de absorcin para produccin de fro. Sin embargo, las diferencias conceptuales son mucho ms importantes :

Fig 11: Planta de trigeneracin

Efectivamente, la cogeneracin, que en principio no era posible en centros que no consumieran calor, puede acceder a centros que precisen fro que se produzca con electricidad. Existen en este aspecto oportunidades importantes en las industrias del sector alimentario, que de otra forma no seran cogeneradores potenciales.

Otro mercado que abre el concepto de trigeneracin es el del sector terciario, donde adems de necesidades de calefaccin y agua caliente (hospitales, hoteles, etc) se requieren importantes cantidades de fro para climatizacin, que consume una gran proporcin de la demanda elctrica. La estacionalidad de estos consumos (calefaccin en invierno y climatizacin en verano) impedira la normal operacin de una planta de cogeneracin clsica. Por el contrario, una planta de trigeneracin puede funcionar eficientemente durante muchas horas al ao en este tipo de centros

OTRAS APLICACIONES DE LA COGENERACIN

Como puede comprenderse, las aplicaciones de la cogeneracin son numerosas y slo dependientes de la capacidad del ingeniero que debe encontrar la forma de incorporarlas en el proceso adecuado en forma segura , eficiente y con la suficiente rentabilidad que permita asegurar la inversin. De todas formas, se pueden enumerar a los ya indicados una serie de aplicaciones clsicas :

APLICACIONES DE SECADO

Se han desarrollado numerosas aplicaciones al secado, especialmente en industrias cermicas que utilizan atomizadores. Estas plantas son muy simples en su concepto y muy econmicas , ya que los gases calientes generados por una turbina o un motor son utilizables directamente en el proceso de secado.Fig 6:Proceso de cogeneracin con secado en la industria cermica

APLICACIONES PARA INDUSTRIAS TXTILES

Muchas industrias textiles de este sector utilizan mquinas del tipo RAME alimentadas con aceite trmico. Cuando se dispone de gas natural, la tendencia es sustituir el aceite trmico por gases de combustin directa. Como alternativa a esta solucin es posible utilizar el gas en motores para cogenerar electricidad y producir el aceite trmico en una caldera de recuperacin. De esta forma se logran rentabilidades superiores a la simple conversin a gas natural.

fig13: Planta de cogeneracin en la industria Textil con produccin de aceite trmico, vapor y agua caliente.

CALEFACIN Y REFRIGERACIN DE DISTRITO

Aunque en la pennsula ibrica no se han desarrollado en forma masiva, esta aplicacin es probablemente la ms utilizada en el centro y norte de Europa, donde la climatologa ayuda en forma sustancial a esta tpica aplicacin.En AESA estamos convencidos de que en Espaa y pases mediterrneos y tropicales, tambin por razones climatolgicas se desarrollarn plantas de este tipo, basadas en TRIGENERACIN, en zonas clidas y en cogeneracin en zonas ms fras. De hecho, AESA ya ha realizado algn proyecto con estas aplicaciones y muy probablemente se incrementarn en el futuro.

APLICACIONES PARA INDUSTRIAS MEDIOAMBIENTALES

Efectivamente, plantas depuradoras de tipo biolgico, o de concentracin de residuos, o de secado de fangos, etc. son demandantes de calor y, por lo tanto, son potencialmente cogeneradoras.En estas aplicaciones la cogeneracin puede ser un factor importante para la reduccin del coste de tratamiento de los residuos y tanto las empresas especializadas en este tratamiento como las entidades municipales con responsabilidad sobre las mismas, deberan contemplar las aplicaciones de la cogeneracin en sus planteamientos de futuro.